Разработка и исследование авиационного гиперспектрометра видимого и ближнего ИК диапазонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Орлов, Андрей Геннадьевич

• Орлов, Андрей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Орлов, Андрей Геннадьевич

Введение.

Глава 1. Современное состояние гиперспектральных исследований.

§1.1. Методы гиперспектрального зондирования.

§ 1.2 Спектрометры на базе жидко кристаллических перестраиваемых фильтров.

§ 1.3 Спектрометры на базе акустооптических неколлинеарных фильтров.

§ 1.4. Обзор состояния гиперспектральных исследований и гиперспектрометров за рубежом.

AVIRIS.

HYDICE.

§ 1.5. Специфика обработки данных гиперспектральных измерений.

§ 1.6. Актуальные научные и прикладные проблемы, решаемые по гиперспектральным данным.

Глава 2. Методика расчета гиперспектрометра.

§ 2.1. Призменный гиперспектрометр.

2.1.1. Спектроделитель на базе призмы.

2.1.2 Пропускание призмы.

2.1.3 Спектральное разрешение призмы.

2.1.4 Освещенность поверхности фотоприемной матрицы.

2.1.5 Дисторсии призменного гиперспектрометра.

§ 2.2. Модель освещенности поверхности Земли.

§ 2.3. Фотоприемные матрицы.

§ 2.4. Пространственное разрешение гиперспектрометра типа "pushbroom".

§ 2.5. Расчет призменного гиперспектрометра.

§ 2.6. Имитационное моделирование гиперспектральных изображений земной поверхности.

Глава 3. Создание и лабораторное тестирование гиперспектрометра.

§ 3.1. Описание конструкции.

§ 3.2. Измерение основных характеристик гиперспектрометра.

3.2.1 Измерение чувствительности.

3.2.2 Измерение спектрального и пространственного разрешения.

§ 3.3. Исправление дисторсий гиперспектрометра и его калибровка по длине волны.

Глава 4. Экспериментальные исследования.

§ 4.1. Наземная съемка.

§ 4.2. Съемка с борта воздушного носителя.

4.2.1 Геометрическая коррекция гиперспектральных изображений.

4.2.2. Тематическая обработка гиперспектральных данных.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование авиационного гиперспектрометра видимого и ближнего ИК диапазонов»

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. Властности 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 гиперспектрометров' 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 волнышо 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 видеоданных. К привычным двум пространственным координатам х, у, добавляется спектральная Л, таким образом, гиперкуб представляет собой функцию спектральной плотности яркости, которая зависит от трех координат L(x, у, Л). На рис. I представлен пример гиперкуба. По вертикальной оси отложена длина волны Я, спектральная плотность яркости L на данной длине волны обозначена градациями серого.

Рис. 1, Пример гиперкуба

Первый изображающий гиперспектрометр в нашей стране был создан в Институте Космических Исследований еще в 1980 году (Аванесов, 1980), но как это ни печально развития эти исследования тогда не получили.

За последние 20 лет, за рубежом, было создано несколько десятков гиперспектрометров авиационного и космического базирования. Среди наиболее известных экспериментальных авиационных приборов можно выделить: AVIRIS, HYDICE, НуМар. Эти приборы созданы в рамках федеральных программ США, Австралии и являются достаточно дорогими экспериментальными изделиями.

Таблица 1. Гиперспектрометры авиационного базирования

Название

AVIRIS (Airborne Visible

Infrared Imaging Spectrometer)

HYDICE (Hyperspectral Digital Imagery Collection Experiment)

HyMap

CASI 1500

Compact

Airborne

Spectrographic

Imager)

SASI 600 (Shortwave infrared Airborne Spectrographic Imager)

AISA Eagle (Airborne Hyperspectral System VNIR)

Производитель, Диапазон, Ширина Число год создания мкм каналов каналов средняя, нм

NASA Jet 0.4-2.5 9.7 224

Propulsion

Lab

США),

1987

Naval Research 0.4-2.5 13.4 210

Lab

США),

1995

0.45-2.5

14.3

Integrated Spectronics (Австралия), 1998

ITRES Research 0.38-1.05 2.4

Limited

Канада

ITRES Research 0.95-2.45 15

Limited

Канада

Spectral Imaging 0.4 - 0.97 2.3 Финляндия

126

288

100

244

Сигнал/ Размер Поле

Шум пикселя зрения гиперкуба, поперек рад трека,0

400-1000 1>10-3 30

400

500

Нет данных

0.5-10

-3 9

2-10"

0.5-10'

60

40

Нет 1.2-10"3 40 данных

Нет 0.5-10~3 30 данных

0.7-10"3 40

МО"3 63

AISA Hawk (SWIR

Hyperspectral System)

Spectral Imaging Финляндия

1.0-2.5

5.5

254

Нет данных

1-10"

18

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 NASА/США, имеет 36 спектральных каналов в диапазоне 0.405 - 14.385 мкм, с размером элемента изображения на Земной поверхности 250, 500* или ЮОО'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 2000» 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 катастрофа 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 12

Vn^v/A; lyoaepnR* 631611м

0T)miH[3i;i ищи 0Tvmo3i3(M[)ieeiM

Шч™»1эгв?вб|.ы1

ШтовмИЮ? 1ИШ 121тм1раП2ШЗ(Ш tid ^ **

1 .mid г; д) е) а) б) в)

Рис. 2. Пример тематической обработки участка трубопровода, а) - изображение исследуемой поверхности, полученное усреднением по всем спектральным каналам, б) - видовая классификация трубопровода и окружающих его ландшафтов, в) - наименование эталонных спектров, г) - изображение полученное синхронной черно-белой видеокамерой, д) -спектр в точке перекрестия на рис а) и б). Отличительной особенностью прибора было использование в качестве регистрирующего элемента видео камеры на ПЗС матрице в совокупности с электронно-оптическим преобразователем (ЭОП). Использование ЭОП помогло решить проблему, связанную с недостаточно высокой чувствительностью ПЗС матрицы, но привело ряду недостатков: ЭОП имеет зависимость коэффициента 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. Классификация 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 эволюций 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,, вы носимые 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 эволюций 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 РЖИ 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, 1317 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". Личныйвклад 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: лабораторное измерение 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.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Орлов, Андрей Геннадьевич

Выводы

Из проведенных расчетов следует, что создание гиперспектрометра авиационного базирования на базе призмы, в диапазоне 0.45-0.9 мкм, с соотношением сигнал/шум не хуже чем 1:100 возможно. Для обеспечения указанного ОСШ требуется четырехкратный биннинг по пространственной координате, а на краях рабочего диапазона дополнительный биннинг по спектральной координате. В целом расчетные параметры гиперспектрометра сопоставимы с иностранными аналогами, а именно коммерческими гиперспектрометрами CASI и AISA.

Глава 3. Создание и лабораторное тестирование гиперспектрометра

Настоящая глава посвящена вопросам создания и лабораторного. тестирования гиперспектрометра авиационного базирования. В параграфе 3.1 дается описание конструкции прибора. Параграф 3.2 посвящен экспериментальному определению основных характеристик (пространственное и спектральное разрешение, чувствительность) и сравнению их с расчетными значениями. В параграфе 3.3 исследуется аппаратная функция прибора, а именно, вопросы исправления дисторсий и калибровки спектральных каналов по длине волны.

§ 3.1. Описание конструкции

Схема прибора приведена на рис. 3.1.1, а на рис. 3.1.2 приведена фотография оптической части гиперспектрометра. Все его оптические элементы смонтированы на металлической плите. Кроме гиперспектрального канала (слева на рис. 3.1.2) в приборе размещена цифровая видеокамера (справа), которая работает синхронно с фотоприемной матрицей гиперспектрометра. Видеокамера имеет такой же входной объектив, что и гиперспектральный канал - SIGMA AF 20mm F1.8 EX DG ASPHERICAL RF. В качестве фотоприемной матрицы в видеоканале и в гиперспектрометре используются одинаковые фотоприемные матрицы IBIS-5. Наличие видеоканала позволяет осуществлять нахождение трека JIA. В этом приборе, видеоканал является более дешевой (но не менее эффективной) альтернативой использованию инерциальной навигационной системы (ИНС). Подробно проблема нахождения трека ДА с помощью видеосъемки обсуждается в главе 4. Оптическая схема гиперспектрометра ничем не отличается от той, которая была описана и рассчитана в параграфе 2.5 главы 2.

Гиперспектральный Видео канал канал

Фотоприемная ч матрица

Рис 3.1.1. Схема авиационного гиперспектрометра

Рис. 3.1.2. Фотография плиты с расположенными на ней элементами

Для определения уровня темнового тока фотоприменой матрицы в приборе предусмотрен электрический фотозатвор. В качестве привода затвора используется шаговый двигатель, на валу которого закреплена непрозрачная заслонка. При вращении вала двигателя заслонка может перекрывать входное отверстие проекционного объектива.

§ 3.2. 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.

3.2.1 Измерение чувствительности

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.

Рис. 3.2.1.1. Интегрирующая сфера

Выходное отверстие сферы с достаточно хорошей степенью точности можно считать ламбертовым источником излучения, спектральная плотность яркости которого может быть аппроксимирована следующим соотношением: ' hc^ v expl 1

3.2.1.1) v KkTXj j где p(A) - коэффициент отражения стенок сферы (табл. 3.2.1.1), Т — цветовая температура лампы, К — коэффициент, который для данной сферы и лампы может быть определен экспериментально (см. ниже).

Заключение

В заключение сформулируем основные результаты диссертационной работы:

1. 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;

2. Разработана методика имитационного моделирования гиперспектральных изображений земной поверхности с использованием детализированной модели освещенности поверхности и переноса излучения в условиях атмосферы Земли;

3. Спроектирован и изготовлен один из первых в России действующих гиперспектрометров, не уступающий по своим характеристикам зарубежным аналогам. В приборе реализован ряд оригинальных технических решений: впервые в качестве спектроделителя для гиперспектрометра использована стеклянная призма, впервые для компенсации эволюций носителя использована синхронная видеосъемка;

4. Разработана методика исследования характеристик ---------------гиперспектральной аппаратуры, также методика ее калибровки, которая включает: калибровку спектральных каналов, радиометрическую калибровку, а также исправление дисторсий присущих призменному гиперспектрометру;

5. Разработан, не имеющий аналогов, метод учета эволюций авиационного носителя, которые приводят к геометрическим искажениям гиперкуба. Метод основан на использовании данных вспомогательной видеокамеры, и является более дешевой (но не менее эффективной) альтернативой использованию гироскопической навигационной системы или гиростабилизированной платформы.

6. Проведены успешные полевые испытания созданного гиперспектрометра, путем выполнения съемок, на горизонтальных трассах, и с борта воздушного носителя. По результатам авиационных съемок проведена тематическая обработка стандартными методами обработки гиперспектральных данных. Продемонстрирована возможность распознавания заданного типа растительности (конопли) на фоне других растительных ценозов.

В заключение хочу выразить глубокую признательность и благодарность моим научным руководителям Калинину Александру Петровичу и Родионову Игорь Дмитриевичу за постановку задачи, постоянное внимание, помощь и поддержку в работе. Также хотелось бы поблагодарить коллег, кто участвовал в создании электронной части прибора и программного обеспечения: Белова А.А., Воронцова Д.В., Ильина А.А., ФедунинаЕ.Ю. ФГУП Госцентр «Природа» в лице Карпухиной О.А. за организацию авиационных измерений. Отдельно хотелось бы поблагодарить Егорова В.В. и Балтера Б.М., чьи советы и рекомендации помогли в написании работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Орлов, Андрей Геннадьевич, 2008 год

1. Балтер Б.М., Воронцов Д.В., Егоров В.В., Калинин А. П., Ильин А.А., Орлов А.Г., Останний А.Н., Родионов А.И., Родионов И.Д.,

2. МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, Исследования Земли из Космоса, №5, с. 21-29, 2007 в

3. Балтер Д.Б., Белов АА., Воронцов Д.В., Ведешин Л.А., Егоров В.В., Калинин А.П., Орлов А.Г., Родионов А.И., Родионова И.П., Федунин Е.Ю., ПРОЕКТ СПУТНИКОВОГО ГИПЕРСПЕКТРОМЕТРА,

4. ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, Исследования Земли из Космоса, №2, с. 43-55, 2007

5. Ведешин Л.А., Урденко В.А., Циммерман Г. Дистанционное зондирование моря с учетом атмосферы. М.-Берлин-Севастополь, 1985, т. 1,2.

6. Воронцов ~Д;В~Калинин А.П., Орлов А.Г., Родионов- А.И., Шилов И.Б., Родионов И.Д., Любимов В.Н., Осипов А.Ф., Использование гиперспектральных измерений для дистанционного зондирования Земли, Препринт ИПМех РАН, №702, 2002 а.

7. Воронцов Д.В., Орлов А.Г., Родионов А.И., Шилов И.Б., Родионов И.Д., Любимов В.Н., Осипов А.Ф., Дубровицкий Д.Ю., Зубков Б.В., Яковлев Б.А, Оценка спектрального и пространственного разрешения гиперспектрометра АГСМТ-1, Препринт ИПМех РАН, №704, 2002 б.

8. Кондратьев К.Я., Федченко П.П. Дневной ход спектральной отражательной способности растительности и почв//Исслед. Земли из космоса, № 4, 1980. с. 40-47.

9. Топорец А.С., Монохроматоры, М., Гостехиздат, 1955

10. ЗОНДИРОВАНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАППАЗОНЕ, "Оптический журнал" том 71, № 3, с 55-58, 2004 Эпштейн М.И., Измерение оптического излучения в электронике, М: Энергия, 1975

11. Якушенков Ю. Г., Теория и расчет оптико-электронных приборов, М.: Логос, 2004

12. Aichholzer О., Drysdale R., Rote G., A simple linear time greedy triangulation algorithm for uniformly distributed points, IIG-Report-Series 408, TU Graz,, 1995

13. Dickerson M.T., Fast Greedy Triangulation Algorithm, Proceedings of the tenth annual symposium on Computational geometry, Stony Brook, NY, p. 211220, 1994

14. Pan Z., Healey G., Prasad M., Tromberg В., Experiments on Recognizing Faces in

15. Hyperspectral Images, SPIE Vol. 4725, p. 168-175, 2002 Pitts M., Hostetler C., Poole L., Holden C., Rault D., An Airborne A-Band

16. Spectrometer for Remote Sensing Of Aerosol and Cloud Optical Properties, SPIE Vol. 4882, p. 353-362, 2003

17. Rodionov I.D., Ponomarev A.N., Teterin G.E., Wide-aperture acousto-optic tunablefilters for visible and UV lights, SPIE Vol. 2449, p. 200-207, 1995 Shaw G.A., Burke H. K., Spectral Imaging for Remote Sensing, Lincoln Laboratory

18. Journal Vol. 14, № 1, p. 3-28, 2003 Shinitser P.I., Agurok I.P., Sandomirsky S., Avakian A., Spectrally adaptive imaging camera for automatic target contrast enhancement, SPIE Vol 3717, p.185-195,1999

19. Slater P.N., Remote sensing, optics and optical systems, Addison-Wesley Publishing Company, 1980

20. Smith F.G. et al, The Infrared & Electro-Optical Systems Handbook, Vol. 2 Atmospheric Propagation of Radiation, SPIE Optical Engineering Press, 1993

21. Stevenson B. P., Kendall W. В., Stellman С. M., Olchowski F. M., PHIRST Light: A liquid crystal tunable filter hyperspectral sensor, SPIE Vol. 5093, p. 104113,2003

22. Vane G. et al, Airborne Visible/infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS), JPL

23. Publication 87-38, 1987 Williams Ch. S., Becklund O.A., Introduction to the Optical Transfer Function,

24. Washington, SPIE PRESS, 1989 Zissis G.J. et al, The Infrared & Electro-Optical Systems Handbook, Vol. 1 Sources of Radiation, SPIE Optical Engineering Press, 1993