Современные задачи дистанционного зондирования атмосферы и обнаружения малоконтрастных объектов, таких как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), требуют создания высокочувствительных измерительных систем. Ключевым инструментом для решения этих задач является мультиспектральный радиометр, способный одновременно регистрировать фоновое излучение в нескольких спектральных диапазонах — от ультрафиолетового (УФ) до дальнего инфракрасного (ДИК). Такой подход, известный как фоновый принцип извлечения информации, позволяет выделять слабоконтрастные цели не по энергетическому перепаду, а по анализу их уникального спектрального «портрета» на фоне сложного и переменного атмосферного излучения. [1]

Разработка радиометра, работающего в сверхшироком диапазоне от 280 нм до 13 мкм, сталкивается с оптической проблемой — необходимостью обеспечения ахроматичности. Это означает, что положение фокуса и качество изображения не должны зависеть от длины волны. Использование традиционных линзовых объективов в данном случае неприемлемо: во-первых, они вносят значительные хроматические аберрации; во-вторых, не существует оптического материала, прозрачного одновременно в УФ-, видимом и ИК-участках спектра. Единственным решением является применение зеркальной (катоптрической) оптики. Закон отражения не зависит от длины волны, что позволяет создать полностью ахроматичную систему, способную формировать качественное изображение во всем целевом диапазоне. В данной статье проводится сравнительный анализ классических зеркальных схем и обосновывается выбор оптимальной конфигурации для мультиспектрального радиометра. [3]

Рис. 1. Система Ричи–Кретьена

Данная схема (Рисунок 1) считается эталоном качества в современном телескопостроении. Она использует два гиперболических зеркала (главное и вторичное), что позволяет эффективно исправлять сферическую аберрацию и кому, обеспечивая большое поле зрения с исключительным разрешением. Однак требования к точности изготовления асферических поверхностей делают систему Ричи–Кретьена технологически сложной и чрезвычайно дорогой. Для разрабатываемого радиометра, где поле зрения ограничено 1.5°, подобное совершенство является избыточным, а стоимость — непозволительной, что исключает её из числа практичных кандидатов.

Рис. 2. Система Далл–Киркема

Эта конструкция (Рисунок 2) представляет собой экономичную альтернативу. В ней используется сферическое вторичное зеркало, что резко снижает стоимость производства. Однако простота имеет свою цену: система Далл–Киркема страдает от значительной комы за пределами очень малых полей зрения. Для радиометра с требуемым углом обзора в 1.5° коматические искажения становятся неприемлемыми, так как приводят к потере резкости и геометрическим искажениям изображения по краям поля, что негативно скажется на точности измерений в разных участках кадра.

Рис. 3. Схема системы Грегори

Схема Грегори (Рисунок 3) интересна тем, что формирует прямое (неперевёрнутое) изображение, что может упростить последующую обработку сигнала. Её конструкция предполагает использование вогнутого вторичного зеркала, размещённого за фокусом главного. Главный недостаток — значительная длина оптического тракта. Получающийся прибор был бы громоздким и неудобным для эксплуатации в полевых условиях, что противоречит одному из ключевых требований к проекту — компактности.

Рис. 4. Схема системы Кассагрена

Классическая схема Кассегрена (Рисунок 4) уже несколько столетий остаётся «рабочей лошадкой» в инструментальной оптике. Она состоит из параболического главного зеркала и выпуклого гиперболического вторичного. Главные преимущества этой конфигурации:

За счёт «свёртывания» оптического пути система имеет короткую конструктивную длину при большом эффективном фокусном расстоянии.

Комбинация параболы и гиперболы эффективно устраняет сферическую аберрацию, обеспечивая дифракционное качество изображения на оси и приемлемое — в пределах заданного поля зрения.

Наличие только одной асферической поверхности (вторичное зеркало) делает систему значительно дешевле и проще в производстве и юстировке, чем Ричи-Кретьен.

Фокальная плоскость располагается за главным зеркалом, образуя удобную полость для компактного размещения модуля спектрального разделения на обтюраторах и блока детекторов. [2]

Выбор зеркальной оптической схемы является критически важным этапом при проектировании широкополосного измерительного прибора. Проведённый анализ показал, что классическая система Кассегрена, несмотря на свою давнюю историю, остаётся актуальным и оптимальным решением для инженерных задач, где требуется сочетание высокого оптического качества, технологической осуществимости, компактности и экономической эффективности. Реализованная на её основе оптическая схема мультиспектрального радиометра гарантирует ахроматичность, стабильность и точность измерений во всём заявленном спектральном диапазоне, что является фундаментом для успешного применения прибора в задачах дистанционного зондирования атмосферы и обнаружения малоконтрастных объектов.

Литература:

1. Алленов, М. И. Методы и аппаратура спектрорадиометрии природных сред / М. И. Алленов. — Москва: Гидрометеоиздат, 1992. — 260 с. — ISBN 5–286–00984–7.
2. Бардин, А. М. Метрологическое обеспечение оптико-электронных приборов / А. М. Бардин, В. А. Иванов. — Москва: Машиностроение, 1988. — 264 с.: ил. — Библиогр.: с. 258–260.
3. Зуев, В. Е. Оптические модели атмосферы / В. Е. Зуев, Г. М. Креков. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1986. — 320 с.: ил.