Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние гиперспектральных исследований 15
1.1. Методы гиперспектрального зондирования 15
1.2 Спектрометры на базе жидко кристаллических перестраиваемых фильтров 18
1.3 Спектрометры на базе акустооптических неколлинеарных фильтров... 23
1.4. Обзор состояния гиперспектральных исследований и гиперспектрометров за рубежом 26
AVIRIS 26
HYDICE 30
1.5. Специфика обработки данных гиперспектральных измерений 31
1.6. Актуальные научные и прикладные проблемы, решаемые по гиперспектральным данным 37
Глава 2. Методика расчета гиперспектрометра 41
2.1. Призменный гиперспектрометр 43
2.1.1. Спектроделитель на базе призмы 45
2.1.2 Пропускание призмы 48
2.1.3 Спектральное разрешение призмы 52
2.1.4 Освещенность поверхности фотоприемной матрицы 63
2.1.5 Дисторсии призменного гиперспектрометра 72
2.2. Модель освещенности поверхности Земли 76
2.3. Фотоприемные матрицы 81
2.4. Пространственное разрешение гиперспектрометра типа "pushbroom". 85
2.5. Расчет призменного гиперспектрометра 88
2.6. Имитационное моделирование гиперспектральных изображенийземной поверхности 104
Глава 3. Создание и лабораторное тестирование гиперспектрометра 109
3.1. Описание конструкции 109
3.2. Измерение основных характеристик гиперспектрометра 111
3.2.1 Измерение чувствительности 112
3.2.2 Измерение спектрального и пространственного разрешения 116
3.3. Исправление дисторсии гиперспектрометра и его калибровка по длине волны 126
Глава 4. Экспериментальные исследования 131
4.1. Наземная съемка 131
4.2. Съемка с борта воздушногоносителя 136
4.2.1 Геометрическая коррекция гиперспектральных изображений 139
4.2.2. Тематическая обработка гиперспектральных данных 147
Заключение 155
Литература 157
- Спектрометры на базе жидко кристаллических перестраиваемых фильтров
- Спектроделитель на базе призмы
- Измерение основных характеристик гиперспектрометра
- Съемка с борта воздушногоносителя
Введение к работе
Долгое время в качестве основного инструмента при дистанционном исследовании Земной поверхности применялась панхроматическая или монохроматическая съемка. При панхроматической съемке оптический тракт системы пропускает весь видимый свет, а при монохроматической, как следует из названия, полоса пропускания довольно узкая 100 нм. Панхроматическое изображение несет в .себе только пространственную двухмерную информацию. Монохроматическое изображение содержит пространственную информацию в довольно узком спектральном канале.- При объединении нескольких монохроматических камер • с различными спектральными каналами можно получить мультиспектральное изображение. Если же число- спектральных каналов высоко (несколько десятков), то такие приборы называют гиперспектрометры.
В , мировой практике наблюдается- широкое использование гиперспектрометров для дистанционного зондирования Земной поверхности с борта летательных аппаратов. Переход от традиционных многозональных измерений к гиперспектральным увеличивает не только количество информации, но и обеспечивает совершенно новый качественный- характер получаемых данных. Существует ряд задач в области дистанционного зондирования, которые- могут быть решены только с использованием, гиперспектральных технологий.
Одной из них является5 распознавание выходов минеральных веществ на поверхности Земли и других планет. Дело-в том, что многие минералы (хлорит, кальцит, тальк,, алунит, каолинит, ярозит и др.) имеют характерные- линии поглощения в коротковолновом и ближнем-инфракрасном-диапазоне. Типичная ширина этих линий составляет от нескольких единиц до десятков нм (Brown А., 2004), что требует для их идентификации аппаратуры с соответствующим спектральным разрешением: Сказанное относится и к распознаванию водяного и углекислого льда, что является актуальной задачей при исследовании полярных шапок Марса.
Гиперспектральные измерения находят широкое применение для исследования физики атмосферы Земли и других планет. В1 частности имеются сведения о создании гиперспектрометра со спектральным разрешением 30 пм, в диапазоне 762.8-768.6 нм, для исследования линий поглощения кислорода А-диапазона. Данные столь высокого спектрального разрешения необходимы для определения давления на верхней границе облаков, а также давления на поверхности Земли. Что необходимо для решения задач прогнозирования изменения климата (Pitts et al, 2003).
Гиперспектрометр SPICAM ультрафиолетового и инфракрасного диапазона, входит в состав космического аппарата Mars Express, этот прибор был использован для определения вертикального профиля плотности и температуры углекислого газа, а также для определения распределения водяного пара и озона в атмосфере Марса.
Гиперспектральные измерения применяются для исследования растительности. Методы оценки состояния растительности основаны на характерном для нее поведении коэффициента спектральной яркости (КСЯ). Известно, что в районе т.н. "красной границы" (680-740 нм) происходит резкое увеличение КСЯ до значений 0.5-0.8, что обусловлено положением линий поглощения хлорофилла и процессами рассеяния излучения в листве. Одним из индикаторов состояния растительности является положение "красной границы" (ПКГ), которое определяется как-точка перегиба КСЯ в районе 690-710 нм. ПКГ хорошо коррелирует с содержанием хлорофилла в листве, и является показателем степени угнетения и старения растительных объектов (Dawson, Curran, 1998). Определение положения и смещения "красной границы" не возможно без применения гиперспектрометров1 с высоким спектральным разрешением. Поскольку смещение "красной границы" внутри группы, однотипных объектов весьма незначительно, как правило, не превышает 10 нм.
Нельзя не отметить опыт использования созданного в рамках данной работы гиперспектрометра для исследования физико-химических процессов ламинарного горения богатой смеси пропана (Родионов и др., 2006). Горение осуществлялось в "бомбе постоянного объема", которая представляла собой металлический резервуар с небольшим (10 мм диаметром) кварцевым окошком, через которое осуществлялась регистрация спектра пламени. Запись спектра происходила с частотой 120 Гц, что позволило провести анализ процессов горения во времени. Хотя гиперспектрометр в этой работе использовался как точечный спектрометр, рассматривался вариант изготовления кварцевого окошка прямоугольной формы, так что бы охватить весь профиль резервуара и проводить спектрально-временные исследования распространения ударной волны по объему бомбы.
Гиперспектральные измерения могут применяться- для измерения флуоресцентного гиперспектрального отклика. Так в работе (Родионов и др., 2002) приводиться описание экспериментов, по регистрации флуоресцентного гиперспектрального изображения образца германия, который предварительно был подвергнут мощному лазерному облучению, после облучения образец был покрыт красителем родамином-В. Для получения флуоресценции,образец освещался-либо зеленым импульсным лазером (532 нм), либо мощной галогеновой лампой- с интерференционным фильтром (530 нм). В статье приводятся результаты, измерений, показано, что повреждения образца могут быть выявлены посредством съемки флуоресцентного гиперспектрального изображения.
Таким образом, гиперспектральные исследования, являются на сегодняшний день передовыми в области дистанционного зондирования и неразрушающего контроля, также могут использовать для решения широкого круга задач в. л атмосферной физике, физике горения и взрыва, и при исследовании планет.
Гиперспектрометр - прибор, осуществляющий съемку изображения исследуемой поверхности, причем для каждой точки этого изображения-можно получить спектр яркости уходящего излучения в заданном диапазоне электромагнитного излучения. Спектр яркости представляется ограниченным набором спектральных каналов с заданными полосами пропускания. С понятием спектральная- видеосъемка (spectral imaging) тесно связано понятие гиперкуб. Так обычно называют трехмерный массив спектральных
Современный уровень развития цифровой и аналоговой элементной базы, в частности технологии производства фотоприемных матриц с высокими параметрами (чувствительностью, разрешением, скоростью считывания) обусловил создание относительно не дорогих, коммерчески доступных гиперспектрометров. Это привело к тому, что сейчас гиперспектрометрия из
области экспериментальных исследований, которые проводились в рамках военных или космических программ, стала переходить в коммерческое русло. Известны серийно выпускаемые фирмами ITRES (Канада) и Spectral Imaging (Финляндия) коммерческие приборы. Появление коммерческих гиперспектрометров лишний раз доказывает эффективность использования данных гиперспектрального зондирования Земли для1 решения широкого круга задач сельского хозяйства, природопользования и мониторинга окружающей среды. Параметры экспериментальных и коммерческих авиационных гиперспектрометров приведены в таблице 1.
Вместе с тем существуют и космические приборы, работающие на орбите Земли и Марса: Modis, Hyperion, Omega.
Прибор MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, спектрорадиометр среднего разрешения); создан NASA/США, имеет 36 спектральных каналов в диапазоне 0.405 - 14.385 мкм, с размером элемента изображения на Земной поверхности 250, 500- или 1000 м в зависимости от канала. Впервые был запущен на космическом аппарате (КА) "Terra" в Л 999 г, в 2002 г аналогичный прибор был выведен на орбиту на КА "Aqua". Данные MODIS используются для мониторинга состояния атмосферы Земли, определения концентрации диоксида углерода, определения концентрации и состояния фитопланктона в воде; а также ряда других глобальных биофизических параметров- атмосферы и биосферы Земли (http://terra.nasa.gov/About/MODIS/).
Гиперспектрометр Hyperion, входит в состав-спутника Earth-Orbiter 1(ЕО-1), был выведен на орбиту в 2000і г. Содержит 220 спектральных каналов в диапазоне. 0.4-2.4 мкм, с шириной 10 нм, и размером пиксела гиперкуба на поверхности Земли 30x30 м. Достаточно высокое спектральное разрешение позволяет использовать данные этого прибора для решения самых разнообразных задач: при разработке полезных ископаемых - для составления карт минеральных веществ, в лесном хозяйстве - для детальной классификации видового состава леса и составления соответствующих планов, для мониторинга состояния окружающей среды, определения размеров и характера выбросов вредных веществ при промышленном; производстве, а также определения ущерба биосфере и вследствие различного рода катастрофу техногенного и естественного характера: извержение вулканов, землетрясения, наводнения и т.д. (http://eol.gsfc.nasa.gov/Technology/Hyperion.html).
Уникальные возможности дает гиперспектральная съемка при зондировании других планет, в частности Марса. В; 2003 году с космодрома Байконур был запущен КА Mars Express, принадлежащий ESA (Европейское Космическое Агентство); в задачу которого входит исследование Марса с помощью различных оптико-электронных и радарных средств: Среди прочих инструментов на борту аппарата находится гиперспектрометр: OMEGA, который позволяет вести съемку в видимом (0.5-1.0 мкм, разрешение 7 нм) и инфракрасном; (1.0-5.2 мкм, разрешение: 13-20 нм) диапазонах, пространственное разрешение варьируется от 300 м до. 4 км. Данные OMEGA; используются, для составления карт минеральных веществ, определения наличия воды, в различных ее состояниях, как на поверхности, так и в атмосфере. Проведено картирование южной полярной шапки Марса, с определением; количественного состава поверхности, которая состоит в основном изо льда двуокиси углерода, воды и пыли. Также данные OMEGA используются для определения количественного состава атмосферы Марса (http://sci.esa.int/marsexpress).
Сравнение уровня развития гиперспектральных технологий за рубежом и в Росси вызывает тревогу. В нашей стране гиперспектрометры-. существуют, в основном на уровне проекта, т.е: создания, схемотехнических решений или отдельных элементов прибора (Шилин и др, 2001).
Сведения; о реально» созданных в; России авиационных гиперспектрометрах крайне скудны. Один из таких приборов, разработан в СПбГИТМО (г. Санкт-Петербург), прибор обладает следующими характеристиками (Шилин и др, 2001):
Спектральный диапазон, мкм 0.5-1.0
Число спектральных зон 36
Ширина спектральной зоны, нм 14
Мгновенное поле зрения, град 28.2x0.3
Относительное отверстие 1:4
Эквивалентное фокусное расстояние, мм 18.5 В качестве разлагающего в спектр элемента в этом приборе используется дифракционная решетка. Для регистрации изображения применена телевизионная камера на ПЗС матрице. Есть сведения об успешных полетах с этим прибором на самолете Ан-30 и вертолете Ми-8 (Шилин, Хотяков, 2004).
В России отсутствуют публикации, касающиеся методики расчета и создания гиперспектрометров, их лабораторного тестирования. С уверенностью можно констатировать некоторое отставание нашей страны в этом направлении от мирового уровня. Создание авиационного гиперспектрометра, является комплексной задачей, которая вполне может быть решена на современной элементной базе, и на имеющемся в нашей стране уровне изготовления оптических компонентов, по крайней мере для приборов видимого и ближнего ИК диапазонов (0.4-1.0 мкм), этому вопросу и посвящена настоящая диссертация.
По заказу Газпрома в конце 90хх годов было создан гиперспектрометр для авиационного мониторинга состояния газо- и нефтепроводов на крайнем севере (Воронцов и др., 2002), (Khrenov et al, 2003), (Воронцов и др., 2006). Автор принимал участие в первых полетах, а также последующей предварительной и тематической обработке результатов. Прибор имел следующие характеристики:
Спектральный диапазон, мкм 0.55-0.86
Число спектральных каналов 250
Угол поля зрения поперек трека, град усиления от интенсивности входного оптического сигнала, и достаточно маленькое отношение сигнал/шум. Несмотря на эти недостатки с гиперспектрометром были проведены полеты и получены первые результаты тематической обработки. На рис. 2 приведен пример обнаружения трубопровода, а также видовой классификации окружающих его ландшафтов. Юіассификация проводилась методом спектрального угла. Из-за недостатков гиперспектрометра, а в основном низкому отношению сигнал/шум (не более 20:1) не представлялось возможным проводить серьезную тематическую обработку. Поэтому он был существенным образом переработан.
Цель работы
Исследования и разработки, выполненные в диссертации, направлены на:
• разработку методики расчета основных параметров авиационного гиперспектрометра, в котором в качестве спектроделителя используется стеклянная призма (расчет пространственного и спектрального разрешения, чувствительности, отношения сигнал/шум для типовых условий съемки);
• создание прототипа гиперспектрометра с возможностью установки на авиационную платформу;
• лабораторное исследование характеристик созданного прототипа (пространственное разрешение, спектральное разрешение, спектральная чувствительность);
• разработка метода компенсации искажений гиперспектральных изображений вызванных эволюциями носителя, по данным вспомогательной синхронной видеокамеры;
• разработка математических методов предварительной обработки гиперспектральных данных, с целью исправления искажений вызванных особенностями оптической схемы прибора;
• проведение полевых испытаний прототипа путем выполнения съемок, как на Земле, так и с воздушного носителя;
•анализ полученных результатов и выработка рекомендаций для создания промышленных образцов гиперспектрометра.
Научная новизна работы
В работе выполнены следующие оригинальные методические и технические разработки:
• впервые создана методика расчета элементов гиперспектрометра спектроделитель которого выполнен на базе стеклянной призмы. Методика включает: энергетический расчет, определение оптимальных углов прохождения светового потока в призме с точки зрения наилучшего спектрального разрешения и минимизации световых потерь, определение спектральной чувствительности, отношения сигнал/шум ДЛЯ типовых условий съемки, расчет спектрального и пространственного разрешения;
• спроектирован и изготовлен первый гиперспектрометр со спектроделителем на стеклянной призме. Прибор является одним из первых действующих в России, и по своим характеристиками не уступает зарубежным аналогам;
• разработана методика исследования, характеристик гиперспектральной аппаратуры, также методика ее калибровки, которая включает: калибровку спектральных каналов, радиометрическую калибровку, а также исправление дисторсий присущих призменному гиперспектрометру;
• разработан оригинальный метод учета эволюции авиационного носителя, которые приводят к геометрическим искажениям гиперкуба. Метод основан- на использовании данных вспомогательной панхроматической видеокамеры, и является более дешевой (но не менее эффективной) альтернативой использованию гироскопической навигационной системы или гиростабилизированной платформы.
Основные положения,,выносимые на защиту:
• методика расчета основных параметров и узлов гиперспектрометра (расчет освещенности поверхности фотоприемной матрицы,
спектральной разрешающей способности, пространственного разрешения, отношения сигнал/шум для типовых условий съемки);
• методика и результаты калибровки гиперспектрометра (радиометрическая калибровка, калибровка спектральных каналов по длине волны, измерение спектрального и пространственного разрешения, методика исправления дисторсий- присущих спектроделителю на базе призмы);
• методика исправления гиперкуба от искажений, обусловленных эволюциями авиационного носителя, с помощью данных вспомогательной синхронной видеокамеры;
• результаты лабораторных и полевых испытаний прибора (результаты авиационной гиперспектральной съемки тестового полигона на территории Пензенской области занятого различными видами растительности).
Достоверность результатов подтверждается следующим:
• результатами экспериментальных лабораторных исследований, в ходе которых измерены основные параметры прибора и проведено- их сравнение с расчетными;
• результатами полевых испытаний, как на горизонтальных трассах, так и. с борта воздушного носителя.
Научная и практическая ценность работы
В результате выполненной работы создан один из первых в России гиперспектрометров с параметрами, сравнимыми с зарубежными аналогами. Созданный прибор был апробирован при дистанционном зондировании поверхности Земли, как на горизонтальных трассах, так и с воздуха. В результате выполнения работы создана оригинальная методика расчета призменного авиационного гиперспектрометра. Эта методика может быть использована для создания аналогичных приборов в будущем. Разработан оригинальный метод исправления геометрических искажений гиперспектральных изображений, которые возникают из-за эволюции авиационного носителя. Метод основан на использовании данных вспомогательной синхронной видеокамеры и может применяться не только для гиперспектрометров, а для любых приборов со щелевым полем зрения.
В 2006 г. совместно с ФГУП Госцентр "Природа" была проведена гиперспектральная аэросъемка почвенно-растительного покрова тестового полигона на территории Пензенской области с целью определения возможностей гиперспектральной съемки, для детектирования различных видов растительности, в частности, конопли. Проведенные исследования подтверждают работоспособность прибора, правильность принципов его проектирования и лабораторного тестирования, а также показывают перспективность использования гиперспектральной аппаратуры для-решения: этой задачи:. В 2007г аэрогиперспектральная съемка была проведена в расширенном- объеме, в. настоящий момент данные находятся в стадии обработки. Работа выполнена в рамках федеральной, целевой программы "Комплексные меры противодействия злоупотреблению наркотиками и их незаконному обороту на 2005-2009 годы".
В Институте Химической Физики им. Н.Н: Семенова созданный прибор применяется для исследования процессов ламинарного горения богатой смеси пропана, эта работа имеет весьма важное практическое значение для развития новых технологий переработки природного газа.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
• Третьей научно-практической конференции "Современные проблемы фотограмметрии и дистанционного зондирования посвященной 150-летию фотограмметрии", Москва, 11-12 апреля 2002г;
• Выездном семинаре "Космическое приборостроение ИКИ РАН", Таруса, 7-9 июня 2006г;
• На XVIII международной конференции "Современная химическая физика", 22 сентября — 3 октября Туапсе, 2006г;
• На 4-й всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006 г;
• На 5-й юбилейной открытой всероссийской конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса" Москва, ИКИ РАН, 12-16 ноября 2007 г.
По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, из них 6 статей (все в журналах из списка ВАК). В настоящее время к печати принята еще одна статья автора. Результаты работы докладывались на семинарах в ИКИ РАН, ИХФ РАН, НТЦ "Реагент". Личный вклад автора
Все работы, в которых опубликованы результаты диссертации, написаны в соавторстве с коллегами. Все оригинальные результаты, приведенные в диссертации и вынесенные на защиту, получены лично автором, либо при его определяющем участии.
Авторским в диссертации является: методика расчета призменного гиперспектрометра, методика исправления искажений вызванных наличием призмы в оптической схеме, методика исправления искажений гиперспектрального изображения по данным вспомогательной синхронной видеокамеры. Лично автором осуществлено: лабораторноеизмерение основных параметров прибора, калибровка прибора, наземные и авиационные измерения, предварительная и тематическая обработка полученных гиперспектральных данных. Изготовление и юстировка прибора осуществлялась при непосредственном участии автора. Для предварительной обработки данных гиперспектрометра автором разработано специальное программное обеспечение.
Структура и состав диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Она изложена на 156 страницах и содержит 15-таблиц, 83 рисунка и список литературы из 61 наименования.
Спектрометры на базе жидко кристаллических перестраиваемых фильтров
Простым, с точки зрения понимания, подходом при построении гиперкуба является использование перестраиваемых светофильтров в совокупности с видеокамерой и стандартной входной оптикой. Появление на рынке жидко кристаллических перестраиваемых фильтров (ЖКПФ) обусловило появление видеоспектрометров наземного и самолетного базирования на их основе (Stevenson et al, 2003), (Homma et al, 2005). Видеспектрометры в этих работах построены на ЖКПФ фирмы "CRI, 1NC". Принцип построения фильтров основан на известном интерференционном фильтре Лио.
Фильтр Лио состоит из нескольких поляризаторов, разделенных пластинками из кристаллов с двойным лучепреломлением. При этом направление главного сечения пластинки составляет 45 с осью поляризаторов (поляризаторы ориентированы одинаково), рис. 1.2.1. Поляризаторы Рис. 1.2.1. Фильтр Лио В этом случае при прохождении кристалла с двойным лучепреломлением между обыкновенным и необыкновенным лучом возникает разность фаз: 6 = 2 -- , Oil) где п0 - показатель преломления для обыкновенного луча пе - показатель преломления для не обыкновенного луча d — толщина пластинки Л - длина световой волны в вакууме В общем случае, луч вышедший из пластинки будет эллиптически поляризован, однако после прохождения следующего за пластинкой поляризатора векторы напряженности электрического поля Ё, соответствующие обыкновенному и необыкновенному лучу проецируются на ось поляризатора, и будут интерферировать. Пропускание одной ячейки фильтра Лио определяется: / 2 2 вх где 1вх - интенсивность входного излучения, 1вых - интенсивность выходного излучения. Как видно из (1.2.2) пропускание является периодической функцией, достигая максимума в точках i=(n0-ne)d (1.2.3) к Гдек=1, 2, 3 и т.д. Если система имеет N пластинок, разделенных поляризаторами, то пропускание такой системы будет: т \ r 2S, (1.2.4) Т = — cos —- v / 2 if 2 Допустим, необходимо сделать фильтр на длину волны Л0, тогда 8, выбирают такими: s 2 тгЛ0 (1.2.5) 8 -л- где i=l.. .N. N - число секций в фильтре. В этом случае пропускание секций фильтра будет периодическим по Л, а в точке Л0 эти функции будут обладать максимумами. На рис. 1.2.2 приведена функция пропускания фильтра состоящего из трех секций для Л0 = 600нм, а также пропускание каждой секции в отдельности. При увеличении числа секций полоса пропускания фильтра будет сужаться, на рис. 1.2.3 показана функция пропускания для шести секций. Для построения перестраиваемого фильтра необходимо обеспечить изменение коэффициента двойного лучепреломления Ап = п0-пе (1.2.6) «О 450 300 550 600 «30 ТОО 750 800 850 900 950 1000 А. Рис. 1.2.2. Пропускание фильтра Лио Т(А) и его секций т(Л,і), для трех секций в зависимости от управляющего сигнала. Это достигается использованием жидких кристаллов.
Достоинством ЖКПФ является простота построения системы. Для получения спектрометра достаточно расположить светофильтр перед обычной телевизионной камерой и посредством установки управляющих напряжений на секциях фильтра в соответствии с (1.2.5) последовательно сканировать спектральные каналы. Не требуется пространственное сканирование посредством движения летательного аппарата или механических устройств. Это актуально для идентификации спектральных изображений лиц людей или клеточного анализа в медицинских исследованиях. Спектральное разрешение в работах (Stevenson et al, 2003), (Homma et al, 2005) составляло 10 нм, для диапазона 400-720 нм. К недостаткам ЖКПФ отнесем сравнительно не высокую скорость переключения спектральных каналов (по сравнению с акусто-оптическими системами, о которых следующий параграф) 50-150 мс, ограниченное число каналов около 30 (в изделиях CRI INC). Скромный температурный диапазон от +10 до +40 С0 объясняется тем, что показатель двойного лучепреломления An зависит от температуры, типичное значение ухода -0.4%/С. Особенностью спектрометров на ЖКПФ является то, что они регистрируют излучение в одной плоскости поляризации. Такая особенность полезна для одних применений, например, для анализа антропогенных объектов (машин, техники, строений), поскольку наличие поляризации может говорить о искусственном происхождении предметов, и бесполезна для других, например, для анализа растительности т.к. отраженное от нее излучение, как правило, не поляризовано, а наличие поляризатора уменьшает световой поток как минимум вдвое. При использовании поляризации, как дополнительного критерия при анализе спектральных снимков необходимо иметь, по крайней мере, два спектрометра с ортогонально ориентированными плоскостями поляризации.
Спектроделитель на базе призмы
Призмой называется оптическая деталь с плоскими преломляющими поверхностями 1 и 2, образующими двугранный угол А, рис. 2.1.1.1 Сечение призмы плоскостью, перпендикулярной ребру двугранного угла называется главным сечением. Рис. 2.1.1.1 Ход луча в плоскости главного сечения призмы. Угол СО называется углом отклонения луча призмой относительно его первоначального направления. Для призмы справедливы следующие соотношения (Ильин и др., 1966): A = i[+i2 (2.1.1.1) Ф = іх+і2—А (2.1.1.2) sin ц = n sin i\ (2.1.1.3) «sirw2=sin/2 (2.1.1.4) sin/2 = т]п2 -sin2 /, sin 4-sin/, cos A ( -1.1.5) Здесь n - показатель преломления материала призмы. А При равенстве углов /, = /2 = —, наблюдается минимальный угол отклонения min, при этом /, = /2. Угол падения /, для минимума отклонения определяется из следующего соотношения: sin г, = nsm А (2.1.1.6)
При х=0, т.е. когда i\ =i2 = — , последнее выражение обращается в нуль. Это значит, что в минимуме отклонения функция готр(х) испытывает экстремум. Из-за громоздкости выкладок строгого доказательства, что это именно максимум, здесь приводиться не будет. На рис. 2.1.2.1 построены графики зависимости тотр(х) для призмы с углом А=60 и показателями преломления от 1.3 до 1.9. Из этого рисунка видно, что при х=0, призма обладает максимальным пропусканием, причем потери на отражение от граней минимальны. Пропускание призмы в минимуме отклонения в зависимости от показателя преломления. Потери в призме зависят как от ее поглощающих свойств, так и от толщины. Поэтому поглощение у основания призмы намного больше, чем у ее вершины. Суммарный коэффициент поглощения призмы равен (Топорец, 1955): Спектральное разрешение - способность прибора различать две близко расположенные спектральные линии. В случае абсолютно узкой щели для оценки спектрального разрешения можно использовать критерий Рэлея. После коллимирующего объектива диафрагмирование пучков может осуществляться либо призмой, либо проекционным объективом. С точки зрения спектрального разрешения выгоднее, чтобы ограничение пучков происходило в призме (Топорец, 1955). В таком случае наблюдается дифракция Фраунгофера на щели. При дифракции на щели (рис. 2.1.3.1) положение минимумов определяется выражением: as my/ = mA, (2.1.3.1) где у/ - угол дифракции, m — порядок минимума. Для первого минимума т=1, в силу малости угла ц/ имеем: I w= а (2.1.3.2) Интенсивность в нулевом порядке намного превышает интенсивность в последующих максимумах. Критерий Рэлея определяет спектральное разрешение АЯ следующим образом: надо найти такую АЛ, при которой первый дифракционный минимум совпадает с дифракционным максимумом.
Определение ширины выходного пучка для минимума отклонения. Оценка спектральной разрешающей способности призмы, если прохождение лучей в ней отлично от минимума отклонения в литературе не встречается. Поэтому ниже будет проведена указанная оценка и показано, что в минимуме отклонения призма обладает максимальной разрешающей способностью. Итак, если призма работает не в минимуме отклонения, то возможны два варианта: ограничение пучков происходит на входной грани призмы (см. рис. 2.1.3.4) ограничение пучков происходит в выходной грани призмы (см. рис. 2.1.3.5)
Теперь рассмотрим ограничение пучков выходной гранью призмы (см. рис. 2.1.3.5). Такое ограничение происходит при /2 i[. Из рис. 2.1.3.5 видно, что ширина пучка на выходе призмы определяется как A, =C-cos(i2) и с учетом получаем.
Приведенные выше оценки сделаны в предположении, что шириной щели гиперспектрометра можно пренебречь. В случае щели конечной ширины, получаемое с ее помощью изображение можно рассматривать как совокупность изображений бесконечного числа узких щелей. Будем искать изображение щели конечной ширины в угловых координатах, для минимума отклонения.
Угловой размер изображения щели на входе призмы равен —. При отсутствии дифракции угловой размер изображения щели на выходе призмы для минимума отклонения был бы такой же, так как угловое увеличение призмы в этом случае равно единице. Если принять интенсивность изображения щели при отсутствии дифракции за единицу, а угловое расстояние от центра щели обозначить как q , то относительная интенсивность изображения будет (Топорец, 1955).
Из этого следует важный вывод — использовать щель с шириной меньше нормальной не имеет смысла, поскольку к существенному улучшению спектрального разрешения это не приводит, зато уменьшает энергетический поток, поступающий в систему. Как будет показано в следующем разделе, освещенность поверхности фотоприемной матрицы пропорциональна ширине щели.
Сигнал от пиксела фотоприемной матрицы пропорционален его освещенности. В этом разделе приводятся оценки освещенности поверхности матрицы (при известной спектральной плотности освещенности щели гиперспектрометра) для двух различных случаев. Первый — оценка освещенности поверхности матрицы для широкой щели, т.е. когда можно пренебречь размытием краев изображения щели из-за явлений дифракции. Выкладки в этом случае наиболее простые. Второй - для общего случая, т.е. для щели любой ширины. В результате для указанных случаев получается одинаковый результат, два способа вывода приводятся, чтобы проверить правильность более сложного и общего вывода формулы освещенности более простым и частным.
Измерение основных характеристик гиперспектрометра
Целью данного раздела является описание методики измерений основных характеристик прибора, а также сравнение полученных результатов с расчетными значениями. В лабораторных условиях проводились измерения следующих параметров: спектрального разрешения, пространственного разрешения и чувствительности. Оценка параметров прибора проводилась после исправления дисторсий, и калибровки каналов гиперспектрометра по длине волны, по методикам, описанным в параграфе 3.3. Измерение чувствительности проводилось с помощью интегрирующей сферы, показанной на рис. 3.2.1. Сфера имеет диаметр 30 см, внутренняя поверхность сферы покрыта сернокислым барием. Внутри сферы установлена галогеновая лампа мощностью 100 Вт, с цветовой температурой 3200 К. В выходном отверстии сферы, диаметром 30 мм, установлено молочное стекло марки МС-13 толщиной 2 мм.
Для исследования чувствительности производились измерения яркости отверстия интегрирующей сферы с помощью гипеспектрометра. Также по формуле (2.3.6) была рассчитана чувствительность прибора. Результаты измерений и их сравнение их с расчетными значениями представлены на рис. 3.2.1.3. Из рисунка видно, экспериментально измеренная чувствительность оказалась несколько ниже расчетной, что возможно связано с недостаточно точной установкой осей объективов.
Разрешение приборов (как спектральное, так и пространственное) зачастую трактуется неоднозначно, и, поэтому требуется особое пояснение, что в каждом конкретном случае имеется в виду (Воронцов и др., 2002 б). Спектральное разрешение в нашем случае оценивалось по критерию ГП.ІГПВ (по спектральной координате) интенсивности изображения точечного монохроматического источника (Калинин и др., 2006). Измерение спектрального и пространственного разрешения проводилось с помощью установки, изображенной на рис. 3.2.2.2. В качестве точечного источника использовался монохроматор МДР-6, на выходе которого была установлена квадратная диафрагма размером 2x2 мм . Щель гиперспектрометра располагалась перпендикулярно плоскости рисунка. Монохроматор находился на расстоянии 23 м от гиперспектрометра, что более чем в 1000 раз превышало фокусное расстояние входного объектива гиперспектрометра (20 мм). Линейный размер изображения выходного отверстия монохроматора на л, а 2-Ю-3 -20-10-3 „ фокальной плоскости входного объектива равнялся — «2лнсм, что значительно меньше размера пиксела фотоприемной матрицы (6.7 мкм). Диапазон длин волн, который формировался на выходе монохроматора имел довольно узкую ширину (около 2.5 нм). Поэтому выходное отверстие монохроматора можно считать бесконечно удаленным точечным монохроматическим источником.
Поскольку изображение выходного отверстия монохроматора много меньше размера щели (40 мкм), то для обеспечения ее равномерного засвечивания использовалось сканирование изображения по щели, которое было реализовано с помощью поворотного зеркала. Оптическое зеркало было установлено на платформу от телескопа ЕТХ-125РЕ фирмы MEADE (http://www.meade.com), рис. 3.2.2.1. Зеркало имеет двухкоординатный привод (используется только одна координата), и может вращаться в широком диапазоне угловых скоростей. В рассматриваемых экспериментах зеркало вращалось со скоростью 0.004 град/с. Ось вращения зеркала перпендикулярна плоскости рис. 3.2.2.2 и обозначена черным кружком.
Поворотное зеркало, используемое для сканирования изображения Измерения проводились следующим образом: после настройки монохроматора на определенную длину волны производилась запись изображения с фотоприемной матрицы при постоянной частоте кадров. Для обеспечения сканирования точечного источника зеркало вращалось с постоянной скоростью. Для получения изображения равномерно освещенной щели производилось усреднение видеозаписи по всем кадрам. В результате происходило формирование "среднего" кадра, который и представляет собой изображение щели, равномерно освещенной монохроматическим светом. Пример фрагмента "среднего" кадра приведен на рис. 3.2.2.3, на котором горизонтальная ось соответствует спектральной координате, а вертикальная -пространственной.
При проведении измерений определенную проблему представляла организация мощного точечного источника в зеленой и фиолетовой областях (А 600нм). Поскольку уже при 550 нм ширина спектра, излучаемого монохроматором света, приближается к расчетному значению спектрального разрешения гиперспектрометра. Для уменьшения ширины спектра монохроматора можно было бы сузить его выходную щель, однако в этом случае чувствительности гиперспектрометра было недостаточно. Поэтому в качестве источника использовалась также натриевая лампа, которая среди прочих имеет достаточно узких дублет линий с длинами волн 514.9 и 515.3 нм (ширина дублета не превышает 1 нм).
Значение УБ будет равно аБ=а/4. На рис 3.2.2.9 приведены графики ЧКХ, рассчитанные по (3.2.2.3). В табл. 3.2.2.3 приведены данные расчета разрешения по уровню ЧКХБ—0.5 по формуле (2.4.3). Также в таблице представлено разрешение на поверхности Земли при высоте съемки 1000 м и учтено, что размер пиксела на поверхности Земли при осуществлении четырехкратного биннинга составляет 1.34 м. Из данных таблицы видно, что пространственное разрешение поперек трека колеблется в пределах 1.4-1.8 м в зависимости от спектрального канала.
Рассмотрим задачу об исправлении дисторсий гиперспектрометра в общем случае, т.е. при наличии дисторсий типа "smile" и "keystone". Пусть с пикселами фотоприемной матрицы связана система координат х, у. Для определенности будем считать, что координате х соответствует спектральная, а у - пространственная координаты. Допустим, что существует возможность получить картину, образованную спектральными и пространственными изолиниями (рис. 3.3.1). Причем пространственные изолинии взяты с одинаковым шагом.
Съемка с борта воздушногоносителя
Эксперимент по дистанционному зондированию Земли с борта авиационного носителя выполнялся в июле 2006 г. на территории Пензенской области. Целью эксперимента было определение возможностей гиперспектральной съемки для обнаружении заданного (целевого) типа растительности (конопли) на фоне других растительных ценозов (фоновые). Для решения этой задачи была проведена авиационная гиперспектральная съемка местности с почвенно-растительным покровом. На этой местности был расположен тестовый полигон с 36 участками (размер участка 10x10 м), занятыми различными типами растительности - как целевыми, так и фоновыми .
Целью этого параграфа является демонстрация методов предварительной обработки данных авиационного гиперспектрального зондирования, включая учет угловых вариаций положения носителя бортовой аппаратуры. На примере полученных данных также будут продемонстрированы результаты тематической обработки стандартными для гиперспектральных данных методами.
Съемка проводилась при небольшой облачности (около 3 баллов) с высоты 1000 м при путевой скорости носителя 130 км/ч. Одновременно с гиперспектральной съемкой осуществлялась видеосопровождение с помощью видеокамеры, результаты которой использовались затем при предварительной и тематической обработки полученных данных.
Кроме того, для исследуемой местности был получен многоспектральный сканерный снимок со спутника Quick Bird, снабженный данными координатной привязки. Пространственное разрешение на снимке составляло около двух метров.
В состав бортовой аппаратуры входил также GPS-приемник, информация с которого записывалась на жесткий диск гиперспектрометра синхронно с гиперспектральной информацией.
На снимке слева от тестового полигона расположен участок («пар»), используемый для нормализации спектров ги перспектрометра.
Трек вертолета при пролете над тестовым участком, наложенный на космический снимок, полученный с помощью сканера ИСЗ Quickbird, приведен на рис. 4.2.3. Стрелкой на снимке указано направление полета вертолета.
При полете по трассе летательного аппарата область обзора гиперспектрометра перемещается по зондируемому участку поверхности сложным образом, что связано с изменением углов тангажа, рысканья и крена авиационного носителя, а также с неравномерностью его полета по скорости и высоте. Это приводит к существенным геометрическим искажениям получаемого гиперспектрального изображения. На рис. 4.2.1.1 приведено синтезированное из гиперспектральных данных цветное RGB изображение (каналы назначены следующим образом R-645 нм, G-726 нм, В-797 нм). Из рисунка видно, что вследствие эволюции носителя получаемое изображение имеет существенные геометрические искажения.
Алгоритм используемой математической стабилизации основан на предположении о том, что угол отклонения оптической оси гиперспектрометра от вертикали невелик, то есть является малым параметром (величиной, много меньшей единицы). В этом случае можно считать, что при вращательном движении летательного аппарата область обзора гиперспектрометра не меняет своей формы, а только перемещается по зондируемой поверхности. Анализ последовательности кадров, получаемых видеокамерой, позволяет построить траекторию движения области обзора гиперспектрометра и видеокамеры по земной поверхности. Эта траектория отличается от собственно траектории летательного аппарата, поскольку на неё оказывает влияние вращательное движения корпуса летательного аппарата, которое имеет три степени свободы.
При определении траектории области обзора для исследователя остается неизвестным, как именно ведет себя летательный аппарат. То есть не удается определить, из-за чего переместилась область обзора: вследствие перемещения летательного аппарата, его небольшого вращения, или, что чаще всего имеет место, комбинации этих возможных движений. Однако в предлагаемом подходе, для коррекции гиперспектрального изображения зондируемой ШГстности точное "знание динамики летательного аппарата и не требуется.-Синхронизированной гиперспектральной и видеоинформации достаточно для проведения процедуры геометрической коррекции изображения.
Следует сказать несколько слов о том, каким образом определялась траектория движения области обзора. Для этого, как уже было сказано выше, использовалась съемка зондируемой поверхности видеокамерой. Поскольку видеокамера размещена на одной плите с гиперспектрометром, то расположение поля зрения видеокамеры жестко связано с полем зрения гиперспектрометра и соосность обоих сенсоров остается неизменной в процессе полета. С помощью специально написанной программы в полуавтоматическом режиме определяется расположение поля зрения гиперспектрометра на кадре видеокамеры (рис. 4.2.1.2). Алгоритм процесса поиска следующий. 1. Оператор, базируясь на данных аналогичных рис. 4.2.1.1 и собственном опыте, указывает примерное расположение щелевого поля зрения на кадре видеокамеры. 2. Программа, используя алгоритм прямого перебора (возможно применение других алгоритмов: наискорейшего спуска и др.) осуществляет уточнение указанных оператором координат.
В качестве меры совпадения выбранных на очередном шаге координат используется корреляция между профилем яркости на кадре видеокамеры (профиль берется вдоль предполагаемого поля зрения гиперспектрометра) и профилем яркости, который берется из гиперспектральных данных.
Возможен более точный учет спектральной функции чувствительности видеокамеры с использованием большего числа спектральных каналов гиперспектрометра для уточненного воспроизведения спектральной чувствительности видеокамеры. Указанная операция выполняется на большом числе кадров. При этом ведется статистика по найденным таким образом координатам. Наличие статистики позволяет достаточно точно определить положение поля зрения гиперспектрометра на кадре видеокамеры.
При построении траектории летательного аппарата (ЛА) проводится сопоставление каждых двух соседних кадров видеокамеры. Вычислялся сдвиг и поворот в плоскости, параллельной зондируемой поверхности, каждого последующего кадра относительно предыдущего. После этого вычисляется положение и ориентация кадра относительно заданной системы координат. Эту систему координат можно выбирать из разных соображений. В простейшем случае она задавалась относительно первого кадра видеокамеры для выбранного участка зондируемой поверхности. Последовательность положений кадров (их центров) и является искомой траекторией движения области обзора видеокамеры.
Похожие диссертации на Разработка и исследование авиационного гиперспектрометра видимого и ближнего ИК диапазонов
