Miniaturizzazione Payload Ottici:
Problematiche e Linee Guida
Demetrio Labate
Motivazioni
• La necessità di ideare e costruire strumentazione spaziale imbarcabile su
piccoli satelliti nasce da motivazioni di tipo economico e operativo.
• Per quanto riguarda i “payload ottici” l’obbiettivo è di riuscire a sfruttare gli
sviluppi tecnologici per poter realizzare strumentazione con budget (massa,
volume, potenza) il più ridotti possibili ma mantenendo prestazioni sufficienti a
soddisfare le applicazioni richieste.
• Per la specificità della strumentazione ottica esistono sia dei limiti fisici che
non possono essere superati ma, data la molteplicità delle possibili soluzioni,
anche molte strade da poter seguire.
• Qui di seguito verranno illustrate le linee guida e le principali tecniche per la
riduzione di questi budget inclusi alcuni fattori limitanti da dover considerare.
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Esempio Pratico di Evoluzione Tecnologica…
QUALITA’ IMMAGINE
• Infatti bisogna tener presente che non sempre le nuove tecnologie portano
nella direzione desiderata o utile per tutti …
Evoluzione Tecnologia
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SCHEMA PAYLOAD OTTICO
Telescopio
Convertitore
Rivelatore
Ottica
A/D
Elettronica
Elettronica
Video
Data Handling
Flusso Fotoni
Fotoni
Elettroni
Bits
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Il SEGNALE dalla SCENA è importante…
• Uno dei parametri principali per definire la “qualità” di uno strumento ottico è
la capacità di raccolta del Segnale fotonico che arriva dalla scena che
insieme al “rumore” definiscono la qualità finale delle immagini (SNR).
• I fattori in gioco – e su cui si può intervenire - sono molteplici:
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2
λ2
D GSD
N scene = × 2 × tint × ∫ E (λ ) ×ρ (λ ) × Tatm (λ ) × Topt (λ ) ×η (λ ) ⋅ dλ
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H
λ1
N: Elettroni per pixel
E: Irradianza Solare
D: Diametro Telescopio
ρ: Riflettanza Scena
GSD: Risoluzione Spaziale
Tatm: Trasmissione Atmosfera
H: Altezza Satellite
Topt: Trasmissione Sistema Ottico
Tint: Tempo Integrazione
η: Efficienza Quantica Rivelatore
λ2-λ1 : Banda Spettrale
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Esempio GSD = 0.8 m dal Satellite IKONOS
Esempio GSD = 500 m da MODIS
…senza perdere di vista la MTF !
• La Modulation Transfer Function (MTF) dà
una misura della capacità del sistema
elettroottico di riprodurre i dettagli della
scena.
• Anche questo parametro è “proporzionale”
al diametro dell’ottica.
• Dunque un’ottica di dimensioni maggiori
permette di discriminare particolari più “fini”
della scena.
• Ecco a cosa serviva il Monoscopio…
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Necessità del “Tailoring” dei requisiti
• Dunque per una riduzione effettiva dei budget di sistema eletttoottico occorre
dunque una prima fase di analisi delle effettive necessità per l’applicazione
specifica per l’identificazione dei requisiti minimi.
• Infatti bisogna che le richieste di SNR e MTF per strumenti operativi non siano
ad esempio derivate “tout court” da quelle di strumentazione scientifica simile e
siano invece correlate alle reali esigenze dell’utente finale.
• Questo processo serve a evitare un sovradimensionamento non necessario
tenendo conto che…
Non può esistere uno strumento spaziale
“General Purpose” !
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Linee Guida per la “Miniaturizzazione”
• Tenendo conto che esistono delle limitazioni alla riduzione dell’effettiva apertura
ottica occorre agire su altri elementi o sottosistemi che permettano di ridurre i
budget senza penalizzare troppo le prestazioni.
• In linea di principio vanno sfruttati al massimo i “breakpoints tecnologici”, cioè
quei salti di tecnologia che avvengono a seguito di attività strategiche del mondo
industriale o per sviluppi specifici finanziati dalle Agenzie Spaziali stesse.
• Per un uso a breve termine si possono identificare (in maniera non esaustiva)
alcune tecnologie:
§ Rivelatori: migliore Qe; tecniche TDI; dimensioni maggiori; non raffreddati per IR
§ Ottiche: processi per ottiche asferiche complesse e alleggerite; sostituzione sistemi
ottici con Filtri custom (es: LVF o multibanda).
§ Meccanica: materiali alta rigidità e basso peso specifico
§ Elettronica: alta integrazione per processori e memorie
§ Dati: miglioramento qualità immagine con processamento a terra; data fusion
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Esempio Miniaturizzazione: da Vegetation a Proba-V
• Un ottimo esempio di progetto mirato è quello relativo alla miniaturizzazione del
Payload VEGETATION (SPOT-4 e SPOT-5) portato avanti da BELSPO (Belgian
Federal Science Policy Office) in collaborazione con ESA e TNO (NL).
• Il progetto, in via di completamento, mira alla sostituzione di un grosso strumento
multispettrale (138 Kg) con uno strumento di prestazioni analoghe ma con
dimensioni e massa tali da essere compatibili con il microsatellite PROBA-V.
Fonte ESA / Xenics
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Da Vegetation a Proba-V: Come ?
• Il progetto, molto ambizioso per la significativa
riduzione richiesta, si è basato su alcuni
sviluppi tecnologici in buona misura finanziati
da ESA.
• I punti fondamentali sono:
• Sostituzione ottiche a lenti con telescopio TMA
a specchi fortemente asferici e alta riflettanza.
• Rivelatori InGaAs non raffreddati per canali
SWIR in configurazione “mechanically butted”.
• Dispersione Spettro realizzata con filtri
multibanda a livello del piano focale.
Fonte ESA / Xenics
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E dopo ?
• Uno importante sviluppo sarebbe quello di poter
realizzare uno strumento iperspettrale mantenendo
le dimensioni ridotte realizzate per PROBA-V.
• Questo è possibile grazie all’uso di un LVF (Linearly
Variable Filter), un particolare tipo di filtro ottico che
permette la dispersione dello spettro sul detector
senza necessità di ulteriori componenti.
• Selex Galileo, grazie a sviluppi tecnologici ESA, ha
acquisito questa tecnologia e ha contribuito a uno
studio rivolto alla sviluppo di uno Spectral Imager da
impiegare su nanosatelliti tipo CUBESAT.
• Il problema maggiore? SNR !
• Basso per applicazioni scientifiche ma sufficiente ad
esempio per Early Warning.
• Sarebbero auspicabili ulteriori sviluppi dedicati al
miglioramento della efficienza del filtro per poter
estendere le applicazioni.
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Dai Pianeti alla Terra
• Selex Galileo è da anni coinvolta in importanti studi di missioni planetarie per cui ha
realizzato strumentazione di vario tipo che per le loro caratteristiche di compattezza
(necessarie per questo tipo di missioni) potrebbero essere adattate rapidamente per
osservazione della Terra con microsatelliti.
• Un esempio è dato dagli strumenti attualmente in sviluppo per la missione BEPICOLOMBO che andrà verso il Pianeta Mercurio e per cui sta realizzando il Payload
Simbio-Sys, una suite di tre strumenti differenti.
• Uno di questi, la Camera HRIC (High Resolution Imaging Channel), con una massa
complessiva minore di 10 Kg, potrebbe ad esempio fornire immagini della terra con
GSD < 5 m da quota 400 Km con buone prestazioni.
SIMBIO-SYS Payload
Camera HRIC
Per concludere:
Specchi “Leggeri” @ SELEX GALILEO
SiC
Foam SiC
SiC
Specchi Asferici Alleggeriti in Zerodur
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