Оптоэлектронные наблюдения искусственных спутников Земли и геостационаров

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ И ГЕОСТАЦИОНАРОВ

Работу выполнил

Хилько Егор Алексеевич

Курс 3

Направление 11 800. 62 Радиофизика

преподаватель кафедры оптоэлектроники Иванов

Нормоконтролер инженер И. А. Прохорова

Краснодар 2013

ВВЕДЕНИЕ

Искусственные спутники Земли — космические летательные аппараты, выведенные на околоземные орбиты. Они предназначаются для решения различных научных и прикладных задач.

Человечество всегда стремилось к звёздам, они манили к себе как магнит, и ни что не могло удержать человека на Земле. Со времени начала космической эры (4 октября 1957 г. был запущен первый ИСЗ — «Спутник-1») человечество создало огромное число спутников, которые кружат вокруг Земли по всевозможным орбитам. На сегодняшний момент число подобных рукотворных объектов превышает десятки тысяч. В основном это «космический мусор» — осколки ИСЗ, отработанные ступени ракет и т. д. Лишь небольшая часть из них составляют действующие ИСЗ. Среди них есть и исследовательские, и метеорологические, и спутники связи и телекоммуникации, и военные ИСЗ. Пространство вокруг Земли «заселено» ими от высот 200−300 км и до 40 000 км. Лишь часть из них доступна для наблюдений с использованием недорогой оптики (бинокли, подзорные трубы, любительские телескопы). Астрономия и космонавтика — очень «технологичные» науки, где можно применить свои знания оптики, электроники, физики и пр.

Целью своей работы я поставил — исследование методов оптоэлектронных наблюдений геостационарных ИСЗ на комплексе RC-500

1. История наблюдений искусственного спутника Земли

4 октября 1957 года первый советский искусственный спутник Земли «Спутник-1» открыл космическую эру человечества.

Ещё в начале 1957 года при физико-математических факультетах университетов и педагогических институтов СССР, при астрономических обсерваториях АН СССР и Академий наук союзных республик начали создаваться станции визуальных наблюдений искусственных спутников Земли (далее — ИСЗ). Руководство этими работами (организацией станций и оптическими наблюдениями) было возложено на Астрономический совет АН СССР. Создать с нуля сеть станций, оснастить их достаточно простыми инструментами для наблюдений и научить студентов, преподавателей, научных сотрудников-астрономов наблюдать неизвестно где пролетающий и что собой представляющий объект — задача не из легких. Выдающаяся роль в проведении этой работы принадлежит руководителю и организатору всех работ по созданию и оснащению станций наблюдений ИСЗ, заместителю председателя Астросовета А Н СССР А. Г. Масевич. Благодаря её яркому организаторскому таланту уже к первому октября 1957 г. было готово к работе 66 станций оптических наблюдений ИСЗ.

Летом 1957 года участники программы прошли специальную подготовку на курсах, организованных при Ашхабадской астрофизической обсерватории. Занятия проводили сотрудники Астросовета и Ашхабадской обсерватории. Разумеется, астрономы имели опыт наблюдений звезд, планет, метеоров, но никто и никогда не имел дела с искусственными космическими объектами. Многое было неясно, и слушатели вместе с преподавателями старались воссоздать хотя бы похожие условия видимости будущего спутника и как-то суметь его пронаблюдать. Придумали такую имитацию: один из участников прикреплял зажженный фонарь к длинному шесту, взбирался вечером на гору и быстро шел, стараясь не раскачивать фонарь.

Внизу наблюдатели видели на фоне звездного неба движущийся яркий огонек и определяли его положение относительно звезд с помощью биноклей или небольших астрономических трубок, специально созданных для этих целей. Позже стали использовать для учебных тренировок самолеты с имитирующими спутник огнями. Это была более совершенная иллюзия летящего спутника.

По заказу Астросовета А Н СССР были изготовлены оптические трубки АТ-1. Это небольшие широкоугольные телескопы с диаметром входного зрачка 50 мм, шестикратным увеличением и полем зрения. Такое поле зрения позволяло наблюдателю следить за прохождением спутника в течение нескольких секунд и успеть отметить с помощью секундомера и магнитофона момент прохождения спутника около какой-либо яркой звезды или группы звезд. А это уже, используя звездную карту, позволяло определить положение спутника (его координаты) в зафиксированный момент времени.

Позже, в 1958—1960 гг. оборудование станций было пополнено рядом других приборов. Среди них были командирские зрительные трубы ТЗК и трубы БМТ 110 с диаметром объектива 110 мм, 20-кратным увеличением и полем зрения.

Эти инструменты позволяли фиксировать положения быстродвижущихся объектов на фоне звезд с точностью определения координат 6 угловых минут и времени — 0,1 секунды. Астрономический совет АН СССР стал центром сбора информации не только от советских станций наблюдения. Отчеты о наблюдениях советских спутников начали регулярно поступать из 33 стран всех континентов. 10 октября 1957 года в Пулковской обсерватории на двойной короткофокусной камере АКД (D = 100 мм, F = 70 см) Т. П. Киселевой был получен фотографический снимок ракеты — носителя первого спутника. Снимок был сделан в меридиане двумя неподвижными камерами, развернутыми по склонению на 10°, так что общее поле на пленках было 20°х30°. Для координации работ фотографических станций, обучения наблюдателей, совершенствования методики наблюдений и создания новой аппаратуры была создана Звенигородская экспериментальная станция Астросовета (1958г.). Фотографические наблюдения с камерами ВАУ и АФУ-75, СБГ позволили получать снимки летящего светящегося объекта на фоне звездного неба с точностью 6 углов в минуту по положению и по времени — 0. 001 сек.

Рисунок 1 — Станции, участвовавшие в проекте «Большая хорда»

В конце 50-х годов возникла проблема изучения изменения блеска искусственных спутников. Видимый блеск зависит от изменения фазы спутника, т. е. доли его видимой поверхности, освещенной Солнцем, от изменения расстояния до наблюдателя, поглощения света на пути от спутника до наблюдателя, вращения и кувыркания спутника, изменения состояния его поверхности. Эта проблема в современной науке играет особо важную роль. Станции наблюдений ИСЗ сыграли большую роль в улучшении преподавания астрономии, оборудование станций использовалось не только для наблюдений спутников, но и для других астрономических работ. На многих станциях проводились научные исследования.

радиолокация экваториальный спутник связь

2. Устройство оптико-электронного комплекса РК-500

Оптико-электронный комплекс РК-500 был разработан специалистами Астрофизической Оптической Обсерватории ФТФ КубГУ в 2008 — 2010 году. В основу комплекса были заложены функциональные возможности элементов и программного обеспечения рабочего макета, собранного на базе телескопа 12″ LX-200 GPS SMT и ПЗС-камеры ST-6, SBIG.

С учетом конструктивных элементов и современных требований к системам наведения и управления экваториальная платформа LX200 была заменена на высокоскоростную экваториальную безлюфтовую платформу «Paramount ME». ПЗС-камера ST-6 фирмы SBIG была заменена на современную камеру с высоким охлаждением FLI Proline 16 803.

Главным изменением комплекса стало появление Службы времени, астрометеорологического блока и специально разработанного программного обеспечения MaxComet 2010 v. 03. Данный комплекс является полностью автоматизированным и роботизированным.

/

/

Рисунок 2 Схема оптикоэлектронного комплекса КубГУ

Оптико-электронный комплекс обсерватории состоит из следующих элементов:

— Экваториальная монтировка Paramount;

— Оптическая труба системы Ричи-Кретьена;

— ПЗС-камера FLI Proline 16 803;

— Рабочая станция;

— Пульт управления комплексом;

— Компьютеры для обработки полученной информации;

— Метеостанция;

— GPS-устройство со службой точного времени.

Экваториальная монтировка наводит оптическую трубу системы Ричи-Кретьена на область неба, в которой находится объект. В течение некоторого времени равного времени экспозиции происходит накопление электронного заряда в ПЗС-камере, формирование изображения и передача его на рабочую станцию, где установлена платформа ASCOM, специальная программная среда для управления монтировкой и камерой. Чтобы не перегружать рабочую станцию команды для телескопа отдаются по локальной сети через удаленный пульт управления. Пульт управления представляет собой персональный компьютер с определенным набором программного обеспечения.

Так же оптико-электронный комплекс оснащен GPS-приемником со службой точного времени и метеостанцией. GPS-приемник необходим для определения наиболее точных координат положения обсерватории и времени проведения наблюдений.

Метеостанция позволяет оперативно определять погодные условия, влажность и направление ветра. Эти погодные факторы имеют огромное влияние на возможность проведения наблюдений и их качество.

2.1 Экваториальная монтировка Paramount

Рисунок 3 Экваториальная монтировка Paramount ME

Это экваториальная монтировка немецкого типа, предназначенная для инструментов массой до 68 кг. Максимальная высота монтировки 0,86 м, ширина — 0,74 м. Масса монтировки без противовесов и дополнительного оборудования 29 кг. Монтировка рассчитана выдерживать суммарный весь телескопа и противовесов до 136 кг.

Она имеет точный 11-дюймовый азимутальный подшипник, который позволяет точно скорректировать полярную установку монтировки. Азимут может быть отрегулирован в диапазоне 4о.

В монтировке имеются кабели управления монтировкой, входа автогидера, так же имеется широкое отверстие для монтажа специальных кабелей.

Механизм вращения по прямому восхождению имеет 576-зубчатую шестеренку и 376-зубчатую шестеренку для вращения по склонению.

Монтировка позволяет следить за объектом 7o от меридиана, прежде чем будет аппаратно остановлена, чтобы не допустить вращения оси прямого восхождения.

У основания монтировки имеется встроенная управляющая панель, в которую могут быть подключены фокусер, ПЗС-камера, а так же джойстик для ручного управления монтировкой.

2.2 Оптическая система Ричи-Кретьена

Рисунок 4 Оптическая система Ричи_Кретьена

Система Ричи -- Кретьена, представляющая собой улучшенный вариант системы Кассегрена. В этой системе главное зеркало -- вогнутое гиперболическое, а вспомогательное -- выпуклое гиперболическое. Двухлинзовый корректор, установленный в центральном отверстии гиперболического зеркала, позволяет значительно увеличить поле зрения. Поле зрения системы Ричи -- Кретьена около 4°.

В случае нашей обсерватории характеристики оптической системы приведены в таблице 1.

Таблица 1- Основные характеристики оптической системы 508РК

Диаметр телескопа

0,51 м

Фокусное расстояние

4 м

Рабочее поле

0,1 м

Проницающая способность

20,5m

2.3 ПЗС-камера FLI PL16803

Специализированная ПЗС-камера фирмы FLI, предназначенная для астрономических наблюдений. В камере установлена ПЗС-матрица Kodak KAF-16 803 с числом активных пикселей 40 964 096. Размер каждого пикселя 9 мкм, за счет чего достигается высокая разрешающая способность.

Охлаждающий элемент камеры на основе пластин Пелтье позволяет достичь температуры на 40_50oС меньше, чем температура окружающей среды.

Квантовая эффективность матрицы максимальна на длине волны и составляет 69%.

Электронное изображение формируется, когда фотон падает на плоскость ПЗС-матрицы и создает электронно-дырочную пару. Электроны, выбитые фотоном, накапливаются в небольшом пространстве под пикселем за счет потенциального поля. Число выбитых электронов линейно зависит от освещенности и экспозиции и нелинейно от длины волны падающего на датчик света. Данная зависимость отображена на рисунке 5.

Рисунок 5 Зависимость квантовой эффективности от длины волны падающего излучения для приемника Kodak KAF-16 803

Когда достигается зарядовая емкость пикселя, избыточные электроны стекают в боковой канал переполнения, чтобы предотвратить перекрестные помехи и «блюминг». Во время периода накопления фазовые регистры V1 и V2 остаются на постоянном низком уровне напряжения.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель и на аналогово-цифровой преобразователь, где в дальнейшем информация преобразуется в понятные форматы изображения. Далее данные через интерфейс USB2.0 передаются на рабочую станцию, где происходит их предварительная обработка.

2.4 Астрофотография

Астрофотография — способ проведения астрономических наблюдений, основанный на фотографировании небесных тел с использованием астрографов.

Астрофотография преследует две основные цели:

— исследовательские. Преимущество фотоматериалов перед человеческим глазом состоит в накоплении светового воздействия фотографической эмульсией за время длительной выдержки. Это позволило астрономам получать изображения объектов чрезвычайно низкой яркости. Кроме того, фотографический метод позволяет получить изображение сразу многих объектов и отличается документальностью и объективностью.

— художественные. В узком смысле астрофотографией называют фотографическую астрометрию.

На окулярном узле телескопа обычно помещается плёночный или цифровой фотоаппарат со съёмным объективом. Для установки фотоаппаратов на телескопы разработан унифицированный Т-адаптер.

Для получения качественных снимков удалённых объектов применяются длинные выдержки и гидирование: ручной или механический способ компенсации суточного вращения Земли.

ПЗС — прибор с зарядовой связью. Общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объеме полупроводника. Наиболее ярким представителем приборов данного класса является ПЗС-матрица.

ПЗС отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.

Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.

Сформированное объективом изображение попадает на ПЗС-матрицу, то есть лучи света падают на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых — преобразовать энергию фотонов в электрический заряд. Происходит это примерно следующим образом.

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий — он либо «срикошетирует» от поверхности, либо будет поглощён в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьёт насквозь» её «рабочую зону». Те же фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решётки полупроводника, или же только фотон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных, либо акцепторных примесей, а оба перечисленных явления называются внутренним фотоэффектом. Разумеется, внутренним фотоэффектом работа сенсора не ограничивается — необходимо сохранить «отнятые» у полупроводника носители заряда в специальном хранилище, а затем их считать.

Рисунок 6 — Элемент ПЗС-матрицы

В общем виде конструкция ПЗС-элемента выглядит так: кремниевая подложка p — типа оснащается каналами из полупроводника n — типа. Над каналами создаются электроды из поликристаллического кремния с изолирующей прослойкой из оксида кремния. После подачи на такой электрод электрического потенциала, в обеднённой зоне под каналом n-типа создаётся потенциальная яма, назначение которой — хранить электроны. Фотон, проникающий в кремний, приводит к генерации электрона, который притягивается потенциальной ямой и остаётся в ней. Большее количество фотонов (яркий свет) обеспечивает больший заряд ямы. Затем надо считать значение этого заряда, именуемого также фототоком, и усилить его.

Считывание фототоков ПЗС-элементов осуществляется так называемыми последовательными регистрами сдвига, которые преобразовывают строку зарядов на входе в серию импульсов на выходе. Данная серия представляет собой аналоговый сигнал, который в дальнейшем поступает на усилитель.

Таким образом, при помощи регистра можно преобразовать в аналоговый сигнал заряды строки из ПЗС-элементов. Фактически, последовательный регистр сдвига в ПЗС-матрицах реализуется с помощью тех же самых ПЗС-элементов, объединённых в строку. Работа такого устройства базируется на способности приборов с зарядовой связью обмениваться зарядами своих потенциальных ям. Обмен осуществляется благодаря наличию специальных электродов переноса, расположенных между соседними ПЗС-элементами. При подаче на ближайший электрод повышенного потенциала заряд «перетекает» под него из потенциальной ямы. Между ПЗС-элементами могут располагаться от двух до четырёх электродов переноса, от их количества зависит «фазность» регистра сдвига, который может называться двухфазным, трёхфазным либо четырёхфазным.

Подача потенциалов на электроды переноса синхронизирована таким образом, что перемещение зарядов потенциальных ям всех ПЗС-элементов регистра происходит одновременно. И за один цикл переноса ПЗС-элементы как бы «передают по цепочке» заряды слева направо (или же справа налево). Ну, а оказавшийся «крайним» ПЗС-элемент отдаёт свой заряд устройству, расположенному на выходе регистра — то есть усилителю.

В целом, последовательный регистр сдвига является устройством с параллельным входом и последовательным выходом. Поэтому после считывания всех зарядов из регистра есть возможность подать на его вход новую строку, затем следующую и таким образом сформировать непрерывный аналоговый сигнал на основе двумерного массива фототоков. В свою очередь, входной параллельный поток для последовательного регистра сдвига обеспечивается совокупностью вертикально ориентированных последовательных регистров сдвига, которая именуется параллельным регистром сдвига, а вся конструкция в целом как раз и является устройством, именуемым ПЗС-матрицей.

«Вертикальные» последовательные регистры сдвига называются столбцами ПЗС-матрицы, а их работа полностью синхронизирована. Двумерный массив фототоков ПЗС-матрицы одновременно смещается вниз на одну строку, причём происходит это только после того, как заряды предыдущей строки из расположенного «в самом низу» последовательного регистра сдвига ушли на усилитель. До освобождения последовательного регистра параллельный заряд вынужден простаивать. Ну, а сама ПЗС-матрица для нормальной работы обязательно должна быть подключена к микросхеме (или их набору), подающей потенциалы на электроды как последовательного, так и параллельного регистров сдвига, а также синхронизирующей работу обоих регистров. Кроме того, нужен тактовый генератор.

Рисунок 7 — Полнокадровая матрица

Данный тип сенсора является наиболее простым с конструктивной точки зрения и именуется полнокадровой ПЗС-матрицей. Помимо микросхем «обвязки», такой тип матриц нуждается также в механическом затворе, перекрывающем световой поток после окончания экспонирования. До полного закрытия затвора считывание зарядов начинать нельзя — при рабочем цикле параллельного регистра сдвига к фототоку каждого из его пикселей добавятся лишние электроны, вызванные попаданием фотонов на открытую поверхность ПЗС-матрицы. Данное явление называется «размазыванием» заряда в полнокадровой матрице.

Специально для видеотехники был разработан новый тип матриц, в котором интервал между экспонированием был минимизирован не для пары кадров, а для непрерывного потока. Разумеется, для обеспечения этой непрерывности пришлось предусмотреть отказ от механического затвора.

Фактически данная схема, получившая наименование матрицы с буферизацией столбцов, в чём-то сходна с системами с буферизацией кадра в ней также используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Однако буфер этот не располагается единым блоком под основным параллельным регистром — его столбцы «перетасованы» между столбцами основного регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования фототоки перемещаются не «сверху вниз», а «слева направо» (или «справа налево») и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования.

Попавшие в буферный регистр заряды в обычном порядке считываются через последовательный регистр сдвига, то есть «сверху вниз». Поскольку сброс фототоков в буферный регистр происходит всего за один цикл, даже при отсутствии механического затвора не наблюдается ничего похожего на «размазывание» заряда в полнокадровой матрице. А вот время экспонирования для каждого кадра в большинстве случаев по продолжительности соответствует интервалу, затрачиваемому на полное считывание буферного параллельного регистра. Благодаря всему этому появляется возможность создать видеосигнал с высокой частотой кадров — не менее 30 кадров секунду.

Рисунок 8 — Матрица с буферизацией столбцов

Хотя фототоки основного параллельного регистра сдвига сразу же попадают в буферный регистр, который не подвергается «фотонной бомбардировке», «размазывание» заряда в матрицах с буферизацией столбцов также происходит. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы «светочувствительного» ПЗС-элемента в потенциальную яму «буферного». В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой точки протягивается светлая полоса, портящая кадр. Для борьбы с этим неприятным эффектом при проектировании сенсора «светочувствительный» и буферный столбцы располагают на большей дистанции друг от друга.

Для обеспечения видеосигнала необходимо, чтобы сенсор не требовал перекрытия светового потока между экспозициями, так как механический затвор в таких условиях работы (около 30 срабатываний в секунду) может быстро выйти из строя. Благодаря буферным строкам есть возможность реализовать электронный затвор, который, во-первых, позволяет при необходимости обойтись без механического затвора, а во-вторых, обеспечивает сверхмалые (до 1/10 000секунды) значения выдержки, особенно критичные для съемки быстротекущих процессов. Однако электронный затвор требует также, чтобы матрица обладала системой удаления избыточного заряда потенциальной ямы.

Буферные регистры сдвига «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю достаётся лишь 30% светочувствительной области от его общей поверхности, в то время как у пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС-матриц поверх каждого пикселя располагается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает большую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пикселя.

Рисунок 9 — Микролинзы

Поскольку с помощью микролинз удаётся гораздо эффективнее регистрировать падающий на сенсор световой поток, со временем этими устройствами стали снабжать не только системы с буферизацией столбцов, но и полнокадровые матрицы. Впрочем, микролинзы тоже нельзя назвать «решением без недостатков».

Являясь оптическим устройством, микролинзы в той или иной мере искажают регистрируемое изображение, чаще всего это выражается в потере чёткости у мельчайших деталей кадра, их края становятся слегка размытыми. С другой стороны, такое нерезкое изображение отнюдь не всегда нежелательно — в ряде случаев изображение, формируемое объективом, содержит линии, размер и частота размещения которых близки к габаритам ПЗС-элемента и межпиксельному расстоянию матрицы. В этом случае в кадре зачастую наблюдается ступенчатость. В итоге линии объекта на снимке получаются рваными, с зубчатыми краями. Для решения этой проблемы в камерах с матрицами без микролинз используется дорогостоящий фильтр защиты от наложения спектров, а сенсор с микролинзами в таком фильтре не нуждается. Впрочем, в любом случае за это приходится расплачиваться некоторым снижением разрешающей способности сенсора.

Если объект съёмки освещён недостаточно хорошо, рекомендуется максимально открыть диафрагму. Однако при этом резко возрастает процент лучей, падающих на поверхность матрицы под крутым углом. Микролинзы же отсекают значительную долю таких лучей, поэтому эффективность поглощения света матрицей сильно сокращается. Хотя надо отметить, что падающие под крутым углом лучи тоже являются источником проблем, входя в кремний одного пикселя, фотон с большой длиной волны, обладающий высокой проникающей способностью, может поглотиться материалом другого элемента матрицы, что в итоге приведёт к искажению изображения. Для решения этой проблемы поверхность матрицы покрывается непрозрачной «решёткой», в вырезах которой остаются только светочувствительные зоны пикселей.

В классической схеме ПЗС-элемента, при которой используются электроды из поликристаллического кремния, чувствительность ограничена по причине частичного рассеивания света поверхностью электрода. Поэтому, при съёмке в особых условиях, требующих повышенной чувствительности, в синей и ультрафиолетовой областях спектра, применяются матрицы с обратной засветкой. В сенсорах такого типа регистрируемый свет падает на подложку, а чтобы обеспечить требуемый внутренний фотоэффект подложка шлифовалась до толщины 10−15 микрометров. Данная стадия обработки сильно удорожала стоимость матрицы, кроме того, устройства получались очень хрупкими и требовали повышенной осторожности при сборке и эксплуатации.

Рисунок 10 — Матрица с обратной засветкой

Очевидно, что при использовании светофильтров, ослабляющих световой поток, все дорогостоящие операции по увеличению чувствительности теряют смысл, поэтому матрицы с обратной засветкой применяются по большей части в астрономической фотографии.

3. Искусственные спутники Земли

ИСЗ — космические летательные аппараты, выведенные на орбиты вокруг Земли и предназначенные для решения научных и прикладных задач. С помощью ИСЗ впервые была измерена плотность верхней атмосферы, исследованы особенности распространения радиосигналов в ионосфере, проверены теоретические расчёты и основные технические решения, связанные с выведением ИСЗ на орбиту.

3.1 Общие сведения об ИСЗ

В соответствии с международной договорённостью космический аппарат называется спутником, если он совершил не менее одного оборота вокруг Земли. В противном случае он считается ракетным зондом, проводившим измерения вдоль баллистической траектории, и не регистрируется как спутник. В зависимости от задач, решаемых с помощью ИСЗ, их подразделяют на научно-исследовательские и прикладные. Если на спутнике установлены радиопередатчики, та или иная измерительная аппаратура, импульсные лампы для подачи световых сигналов и т. п., его называют активным. Пассивные ИСЗ предназначены обычно для наблюдений с земной поверхности при решении некоторых научных задач. Научно-исследовательские ИСЗ служат для исследований Земли, небесных тел, космического пространства. К их числу относятся, в частности, геофизические спутники, геодезические, орбитальные астрономические обсерватории и др. Прикладными ИСЗ являются спутники связи, метеорологические спутники, ИСЗ для исследования земных ресурсов, навигационные спутники, спутники технического назначения (для исследования воздействия космических условий на материалы, для испытаний и отработки бортовых систем) и др. ИСЗ, предназначенные для полёта людей, называются пилотируемыми кораблями-спутниками. ИСЗ на экваториальной орбите, лежащей вблизи плоскости экватора, называются экваториальными, ИСЗ на полярной (или приполярной) орбите, проходящей вблизи полюсов Земли, — полярными. ИСЗ, выведенные на круговую экваториальную орбиту, удалённую на 35,9 тыс. км от поверхности Земли, и движущиеся в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли, «висят» неподвижно над одной точкой земной поверхности; такие спутники называются стационарными. Последние ступени ракет-носителей, головные обтекатели и некоторые другие детали, отделяемые от ИСЗ при выводе на орбиты, представляют собой вторичные орбитальные объекты; их обычно не называют спутниками, хотя они обращаются по околоземным орбитам и иногда служат объектами наблюдений для научных целей.

3.2 Наблюдения ИСЗ

Контроль движения ИСЗ и вторичных орбитальных объектов осуществляется путём наблюдений их со специальных наземных станций. По результатам таких наблюдений уточняются элементы орбит спутников и вычисляются эфемериды для предстоящих наблюдений, в том числе и для решения различных научных и прикладных задач. По используемой аппаратуре наблюдения ИСЗ разделяются на оптические, радиотехнические, лазерные; по их конечной цели — на позиционные (определение направлений на ИСЗ) и дальномерные наблюдения, измерения угловой и пространственной скорости.

Наиболее простыми позиционными наблюдениями являются визуальные (оптические), выполняемые с помощью визуальных оптических инструментов и позволяющие определять небесные координаты ИСЗ с точностью до нескольких минут дуги. Для решения научных задач ведутся фотографические наблюдения с помощью спутниковых фотокамер, обеспечивающих точность определений до 1−2 «(угловых секунд) по положению и 0,001 сек по времени. Оптические наблюдения возможны лишь в том случае, когда ИСЗ освещен солнечными лучами (исключение составляют геодезические спутники, оборудованные импульсными источниками света; они могут наблюдаться и в земной тени), небо над станцией достаточно тёмное и погода благоприятствует наблюдениям. Менее зависимы от таких условий радиотехнические методы наблюдений ИСЗ, являющиеся основными методами наблюдений спутников в период функционирования, установленных на них специальных радиосистем. Такие наблюдения заключаются в приёме и анализе радиосигналов, которые либо генерируются бортовыми радиопередатчиками спутника, либо посылаются с Земли и ретранслируются спутником. Сравнение фаз сигналов, принимаемых на нескольких (минимально трёх) разнесённых антеннах, позволяет определить положение спутника на небесной сфере. Точность таких наблюдений около 3' по положению и около 0,001 сек по времени. Измерение доплеровского смещения частоты радиосигналов даёт возможность определить относительную скорость ИСЗ, минимальное расстояние до него при наблюдавшемся прохождении и момент времени, когда спутник был на этом расстоянии; наблюдения, выполняемые одновременно из трёх пунктов, позволяют вычислить угловые скорости спутника.

Дальномерные наблюдения осуществляются путём измерения промежутка времени между посылкой радиосигнала с Земли и приёмом после ретрансляции его бортовым радиоответчиком ИСЗ. Наиболее точные измерения расстояний до ИСЗ обеспечивают лазерные дальномеры (точность до 1−2 м и выше). Для радиотехнических наблюдений пассивных космических объектов используются радиолокационные системы.

4. Геостационарные и низкоорбитальные спутники связи

Спутник связи — искусственный спутник Земли, специализированный для ретрансляции радиосигнала между точками на поверхности земли, не имеющими прямой видимости.

Спутник связи принимает спектр частот с сигналами наземных станций, направленных на него, усиливает и излучает обратно на Землю. Зона, в которой возможен прием спутникового сигнала, называется зоной покрытия. Зона покрытия определяется положением на орбите, ориентацией и техническими характеристиками спутника. Спутники размещаются в трёх зонах, обусловленных существованием поясов Ван Аллена. Геостационарные спутники располагаются над Землёй на высоте 35 786 км, средневысотные спутники занимают диапазон от 5000 до 15 000 км, для покрытия всей земной поверхности таких спутников требуется около 10, такие спутники нашли применение в системе GPS; завершают классификацию низкоорбитальные спутники, которых для покрытия связью всей Земли нужно не менее пятидесяти. Связь с космическими телами на орбите Земли (в том числе и в спутниковом телевидении) производится преимущественно в диапазонах L, C, Ku и Ка (см. таблицу 2).

Таблица 2- Диапазоны связи

Название

Диапазон, ГГц

Применение

Линия «спутник-Земля»

Линия «Земля-спутник»

L

0,39−1,55

1,61−1,71

Подвижная спутниковая связь

С

3,4−5,25

5,725−7,075

Фиксированная спутниковая связь

Ku

10,7−12,57

12,7−14,8

Фиксированная спутниковая связь, спутниковое вещание

Ka

15,4−27,5

27,00−50,2

Фиксированная спутниковая связь, межспутниковая связь

Геостационарная орбита — круговая орбита, расположенная над экватором Земли (0° широты), находясь на которой, искусственный спутник обращается вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси, и постоянно находится над одной и той же точкой на земной поверхности. Геостационарная орбита является разновидностью геосинхронной орбиты и используется для размещения искусственных спутников (коммуникационных, телетрансляционных и т. п.).

Спутник должен обращаться в направлении вращения Земли, на высоте 35 786 км над уровнем моря. Именно такая высота обеспечивает спутнику период обращения, равный периоду вращения Земли. Спутник, находящийся на геостационарной орбите, кажется неподвижным из любой точки на поверхности Земли. В результате, неподвижно закреплённая направленная антенна может сохранять постоянную связь с этим спутником. Связь через геостационарный спутник не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и наземной станции, а система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности.

Низкоорбитальный спутник — спутник, который запускается на орбиту до 1000 км со временем вращения вокруг земли 1,5−2 часа (рисунок 15). Низкоорбитальные спутники связи позволяют получать на земле сильный сигнал. В системах передачи данных используются комплексы низкоорбитальных спутников, в которых с каждой абонентской системой взаимодействует цепочка летящих один за другим спутников.

Рисунок 11 — Низкоорбитальный спутник связи

Спутники принято делить на четыре семейства, в зависимости от параметров их орбит:

— геостационарные;

— (высоко) эллиптические;

— средневысотные;

— низкоорбитальные.

Такое четкое разделение определяется, в основном, физикой Земли и окружающего ее пространства.

Главной особенностью геостационарных спутников (геостационаров) является то, что их угловая скорость совпадает с угловой скоростью вращения Земли и потому для наблюдателя с Земли их положение на небе остается постоянным.

Геостационарные спутники запускаются на орбиту, которая лежит в плоскости экватора Земли. Но эта плоскость не совпадает с плоскостью вращения Земли вокруг Солнца и с плоскостью орбиты Луны. Солнце и Луна, каждые по-своему воздействуют своим притяжением на спутник, который начинает смещаться с экваториальной плоскости. Тут в силу вступает еще асимметрия гравитационного поля самой Земли, силы радиации солнечного ветра, который «подгоняет» спутник, когда он движется от Солнца (к Востоку) и тормозит, при движении спутника в направлении Солнца (от Запада).

В общем, спутник многие силы пытаются свести с предназначенной орбиты. И, несмотря на установленные на нем корректирующие двигатели, он хотя и на немного, но отклоняется от заданной орбиты, что с Земли видится как будто он подобно кривому велосипедному колесу выписывает «восьмерки». Маленькие, в пределах 2−3-х угловых градусов, но со временем, если не корректировать его полет размер восьмерки может достигнуть и 10 градусов (ориентировочно — градус в год). Вот поэтому и движется большая наземная антенна, вычерчивая вслед за спутником восьмерки, поскольку диаметр луча большой наземной антенны не превышает одного градуса.

Геостационары обеспечивают, как правило, «прозрачную» ретрансляцию приходящего сигнала: принял пришедший с Земли сигнал, перетащил в другой частотный диапазон, и после усиления «сбросил» его вниз в том же или другом антенном луче. Это может быть сигналом телевизионной ретрансляции, или групповым каналом связи и передачи данных. И никакой сложной обработки, коммутации или маршрутизации — усложнение электронной системы ведет к меньшей надежности спутника.

Количество действующих геостационаров гораздо больше теоретически необходимых трех. Во-первых, для увеличения мощности сигнала диаграмме направленности спутниковых антенн придают очертания материка или участвующих в проекте государств. То есть их излучение попадает только на выбранные территории на Земле. Специалисты по антеннам научились делать такие антенные системы, которые могут на расстояниях в 40 тысяч км вычерчивать, например, контур Японских островов.

Во-вторых, спутниковые ретрансляторы имеют ограниченные полосы пропускания, поэтому общее число каналов связи одного спутника не так уж велико. Даже при полной загрузке приемо-передающих пар, самый современный спутник связи может потенциально обеспечить не более 8 тыс. стандартных телефонных каналов по 64 кбит/с, а при максимально допустимом сжатии до 2,4 кбит/с — около 200 тыс. каналов.

Часть из них занята служебными задачами, поэтому современный геостационар может обеспечить лишь 10−15 тыс. телефонных каналов общего пользования, что с учетом стандартов на качество связи соответствует 40−60 тысячам абонентов.

5. Астрофизические инструменты и основные методы наблюдения

5.1 Оптические телескопы

После того, как в 1609 году Галилей впервые направил на небо телескоп, возможности астрономических наблюдений намного возросли. Этот год явился началом новой эры в науке — эры телескопической астрономии.

Телескоп имеет три основных назначения:

— собирать излучение от небесных светил на приемное устройство (глаз, фотопластинка, спектрограф и др.);

— строить в своей фокальной плоскости изображение объекта или определенного участка неба;

— помочь различать объекты, расположенные на близком угловом расстоянии друг от друга и поэтому неразличимые невооруженным глазом.

Оптическая часть телескопа аналогична астрономической трубе. Механическая конструкция, несущая трубу и обеспечивающая ее наведение на небо, называется монтировкой. Телескоп с линзовым объективом называется рефрактором, т. е. преломляющим телескопом. Так как световые лучи различных длин волн преломляются по-разному, то одиночная линза дает окрашенное изображение. Это явление называется хроматической аберрацией. Она устраняется добавлением второй линзы, изготовленной из стекла с другим коэффициентом преломления (ахроматический объектив, или ахромат).

Законы отражения не зависят от длины волны, и, естественно, возникла мысль заменить линзовый объектив вогнутым сферическим зеркалом. Такой телескоп называется рефлектором, т. е. отражательным телескопом. Первый рефлектор диаметром всего лишь в 3 см и длиной 15 см был построен Ньютоном в 1671 г.

Сложной технической задачей является наведение телескопа на объект и слежение за ним. Современные обсерватории снабжены телескопами диаметром от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров.

Монтировка телескопа, т. е. основание конструкции, с помощью которой ведется слежение за небесным объектом, всегда имеет две взаимно перпендикулярные оси, поворот вокруг которых позволяет навести его в любую область неба. В монтировке, называемой вертикально-азимутальной, одна из осей направлена в зенит, другая лежит в горизонтальной плоскости. На ней монтируются небольшие переносные телескопы. Крупные телескопы, как правило, устанавливаются на экваториальной монтировке, одна из осей которой направлена в полюс мира (полярная ось), а другая лежит в плоскости небесного экватора (ось склонения). Телескоп на экваториальной монтировке называется экваториалом.

5.2 Радиотелескопы

Космические тела излучают электромагнитную энергию в очень широком диапазоне частот — от гамма-лучей до самых длинных радиоволн. Радиоизлучение от космических объектов принимается специальными установками, называемыми радиотелескопами, которые состоят из антенны и очень чувствительного приемника. В настоящее время космическое радиоизлучение исследуется в длинах волн от одного миллиметра до нескольких десятков метров. Антенны радиотелескопов, принимающих миллиметровые, сантиметровые, дециметровые и метровые волны чаще всего представляют собой параболические отражатели, подобные зеркалам обычных астрономических рефлекторов. В фокусе параболоида устанавливается облучатель — устройство, собирающее радиоизлучение, которое направляется на него зеркалом. Облучатель передает принятую энергию на вход приемника, и, после усиления и детектирования, сигнал регистрируется на ленте самопишущего электроизмерительного прибора.

Радиоастрономические зеркала не требуют такой точности изготовления, как оптические. Более того, зеркало радиотелескопа можно делать не сплошным. Например, натянуть металлическую сетку на каркас, придающей ей приблизительно параболоидальную форму. Наконец, радиотелескоп можно сделать неподвижным, если заменить поворот зеркала смещением облучателя (в пределах до 10−20°). Благодаря этим особенностям радиотелескопы могут намного превосходить в размерах оптические телескопы.

Самая большая в мире «полнопрофильная» (т.е. представляющая собой единое сплошное зеркало) радиоастрономическая антенна имеет диаметр 300 м. Она находится в обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико и установлена в кратере потухшего вулкана, которому придали форму параболоида, закрепили бетоном, а на бетон нанесли металлическое покрытие.

Радиотелескопы очень большого размера могут быть построены из большого количества отдельных зеркал, фокусирующих принимаемое излучение на один облучатель. Примером является радиотелескоп РАТАН-600, расшифровывается как «радиотелескоп Академии наук, диаметр 600 м, который установлен вблизи станицы Зеленчукской (недалеко от шестиметрового рефлектора) и представляет собой замкнутое кольцо, состоящее из 900 плоских зеркал размером 11,4 на 2 м, образующих сегмент параболоида.

Радиоастрономические зеркала меньших размеров устанавливают на вертикально-азимутальной или экваториальной монтировке. Среди высокочастотных инструментов, пригодных для работы на самых коротких волнах, к числу наилучших принадлежит 22-метровый радиотелескоп, установленный в Физическом институте им. П. Н. Лебедева.

5.3 Фотоэлектрические приемники излучения

Для увеличения точности фотометрии применяются фотоэлементы, устанавливаемые в фокусе телескопа. Простые фотоэлементы с внешним фотоэффектом применяются сейчас довольно редко. На смену им пришли более сложные фотоэлектрические приемники — фотоумножители. В этих приборах используется явление вторичной электронной эмиссии: электрон, обладающий достаточной энергией и разогнанный электрическим полем, попав на поверхность с малой работой выхода, может выбить несколько электронов. Таким образом, с помощью вторичной электронной эмиссии можно получить усиление фототока.

В последнее время в астрономических наблюдениях все шире применяются преобразователи изображения — электронно-оптические преобразователи и телевизионные системы.

Высокая чувствительность в инфракрасной области может быть получена с помощью некоторых типов болометров, охлаждаемых жидким гелием. Болометры принадлежат к классу тепловых приемников, действие которых основано на увеличении температуры при поглощении излучения. К классу тепловых приемников относятся также термопары, в которых используется термоэлектрический эффект, и оптико-акустические преобразователи, в которых излучение поглощается в некотором газовом объеме, нагревает его и расширяет.

В приборах, установленных на искусственных спутниках, для регистрации рентгеновского излучения используются счетчики Гейгера, сцинтилляционные счетчики и фотоумножители с особыми катодами. Счетчики Гейгера представляют собой колбу с двумя электродами, наполненную некоторым газом, ионизирующимся под действием рентгеновского излучения, и имеющую прозрачное для него окно. Рентгеновский квант, пройдя через газ, образует пару — ион-электрон, они ускоряются в электрическом поле между электродами, сталкиваются с нейтральными молекулами, ионизируют их, и в результате образуется лавина ионов и электронов, которая регистрируется в виде импульса тока. Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора — пластины вещества, которое дает световую вспышку при попадании рентгеновского кванта, — и фотоумножителя, который эту вспышку регистрирует

5.4 Спектральные приборы

Изучая спектры небесных светил, можно получить сведения об их химическом составе, температуре, давлении, вращении и т. д. Впервые спектры звезд и планет начал наблюдать в прошлом веке итальянский астроном Секки. Затем спектральным анализом занялись многие другие астрономы. Вначале использовался визуальный спектроскоп, потом спектры стали фотографировать, а сейчас применяется также фотоэлектрическая запись спектра.

Спектральные приборы с фотографической регистрацией спектра называют спектрографами, а с фотоэлектрической — спектрометрами.

Особенности оптической схемы и конструкции астрономических спектральных приборов сильно зависят от конкретного характера задач, для которых они предназначены. Спектрографы, построенные для получения звездных спектров, заметно отличаются от небулярных, с которыми исследуются спектры туманностей. Солнечные спектрографы тоже имеют свои особенности.

Грубое представление о спектральном составе излучения можно получить с помощью светофильтров. В фотографической и визуальной областях спектра часто применяют светофильтры из окрашенного стекла. В них используется зависимость поглощения (абсорбции) света от длины волны. Светофильтры этого типа называются абсорбционными. Есть еще светофильтры, в которых выделение узкого участка спектра основано на интерференции света. Они называются интерференционными и могут быть сделаны довольно узкополосными, позволяющими выделить участки спектра шириной в несколько десятков ангстрем. Еще более узкие участки спектра позволяют выделять интерференционно-поляризационные светофильтры.

5.5 Наблюдение в обсерватории ФТФ КубГУ

В настоящее время в астрофизической оптической обсерватории ФТФ КубГУ ведутся фотометрические исследования различных космических объектов. В качестве приемной аппаратуры используется ПЗС-камера FLI 16 803, имеющая спектральный диапазон от 350 до 960 нм и набор специальных фотометрических светофильтров для реализации международной системы Джонсона UBVRI. Для контроля получаемой информации во время наблюдений используются стандартные фотометрические площадки и калибровочные звезды, расположенные на небесной сфере вблизи объекта наблюдений. В качестве калибровочных звезд применялся — UBVRI Photometric Standard Stars from Landolt.

Его главное преимущество заключается в том, что контрольные звезды расположены в районе эклиптики, и они равномерно распределены по небесной сфере с шагом в 30 угловых минут. Звездные стандарты, которые мы использовали в работе, взяты из «Henden Charts».

Методика наблюдений заключается в сумме операций, которые необходимо проводить во время исследования избранного объекта. Ниже приведен пошаговый метод наблюдения:

1. Получение калибровочных изображений — Плоское поле, Темновой кадр и Байес. Они необходимы, для исправления неоднородности цифрового приемника.

2. Получение изображения контрольной звезды, максимально близко расположенной от объекта наблюдений.

3. Получение изображения стандартной площадки, находящейся на такой же высоте над горизонтом, что и объект наблюдений.

4. Получение изображения избранного объекта. С отношением Сигнал/Шум не менее 100.

5. Процесс повторяется в течение всего времени наблюдения, т. е. после каждого сеанса — сета наблюдения объекта, разнесенного по времени на интервал в 20−30 минут, проводится контрольная съемка стандартной площадки и контрольной звезды.

Во время обработки, после калибровки изображений с объектом и стандартами, производится редукция изображений контрольных звезд и стандартов на поле с изображением исследуемого объекта в специальной программе IZMCCD.

Далее происходит полная обработка фотометрии в специальном программном пакете MaxIm DL, который в состоянии работать с большими массивами FITS-файлов и учитывать все аспекты редукции на субпиксельном уровне. Средняя точность измерения блеска объекта колеблется от (+/-) 0,01 — до (+/-) 0,05 звездной величины.

Дальнейший процесс исследования фотометрических характеристик — изменение яркости от времени происходит в автоматическом режиме, с полной аппроксимацией значений и построения кривой изменения блеска.

6. Астероиды

При открытии нового астероида он получает временное обозначение, представляющее собой специальный буквенно-цифровой код, в котором зашифрованы год и месяц открытия. Спустя какое- то время, после завершения всех необходимых проверок и вычисления орбиты астероида, ему присваивают официальный серийный номер, под которым он заносится в каталог. После этого ему, при необходимости, может быть присвоено собственное имя.

Всё начинается с открытия малой планеты, которая обнаруживает своё движение на фоне удалённых звёзд, обычно для этого необходимо несколько наблюдений, желательно не менее чем за две ночи. Такие наблюдения оперативно передаются в «Центр малых планет», который сразу же рассылает информацию о возможном открытии другим наблюдателям, и присваивает данному объекту предварительное временное обозначение. Одновременно начинаются попытки идентифицировать наблюдаемый объект со всеми, когда-либо наблюдавшимися ранее, но не имеющими точных данных об элементах орбиты. Если заявленный астероид действительно ни с чем не идентифицируется и для него набирается достаточное количество наблюдений, чтобы определить орбиту и иметь шанс обнаружить его в будущем, то это временное обозначение закрепляется за ним до ближайшего противостояния. И если астероид наблюдается вновь, то появляется возможность уточнить данные об элементах его орбиты и присвоить ему постоянный порядковый номер. Наряду с присвоением порядкового номера, начинается и процедура выбора имени. Причём, привилегии в предложении собственного имени для нового объекта отдаются его первооткрывателю, который должен подготовить небольшое обоснование своего выбора.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой