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. 2
Esempio Pratico di Evoluzione Tecnologica Infatti bisogna tener presente che non sempre le nuove tecnologie portano nella direzione desiderata o utile per tutti QUALITA IMMAGINE Evoluzione Tecnologia 3
SCHEMA PAYLOAD OTTICO Telescopio Rivelatore Convertitore A/D Flusso Fotoni Ottica Elettronica Video Elettronica Data Handling Fotoni Elettroni Bits 4
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: N scene λ 2 2 2 D GSD = t int E( λ) ρ( λ) Tatm( λ) Topt ( λ) η( λ) dλ 2 4 H λ 1 N: Elettroni per pixel D: Diametro Telescopio GSD: Risoluzione Spaziale H: Altezza Satellite T int : Tempo Integrazione λ 2 -λ 1 : Banda Spettrale E: Irradianza Solare ρ: Riflettanza Scena T atm : Trasmissione Atmosfera T opt : Trasmissione Sistema Ottico η: Efficienza Quantica Rivelatore 5
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 8
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! 9
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 10
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 11
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 12
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. 13
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 BEPI- COLOMBO 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 15