МНОГОРАКУРСНЫЙ ГИПЕРСПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Заявляемое изобретение относится к устройствам для дистанционного зондирования земной поверхности, а более конкретно к устройству для гиперспектральной регистрации оптического излучения.
Зондирование поверхности земли с борта самолета, вертолета или космического аппарата обеспечивает идентификацию наземных объектов и их элементного состава.
Идентификация объектов при гиперспектральных измерениях базируется на способностях этих зондируемых объектов поглощать и отражать световые волны. Фундаментальной основой метода дистанционного зондирования является однозначное соответствие между регистрируемым отраженным оптическим сигналом и элементным составом отражающей поверхности. В качестве подсветки поверхности Земли в дневное время может использоваться солнечное излучение, а в ночное время - лунное и даже излучение звезд. При этом максимум спектральной плотности излучения подсветки приходится на видимый диапазон, а диапазон 0,3-2,5 мкм имеет оптически прозрачные окна для чистой атмосферы.
Информационной характеристикой гиперспектральных измерений является интенсивность отраженного Землей излучения определенной площадкой на ее поверхности в зависимости от значения длины волны регистрируемого излучения λ, компоненты поляризации отраженного излучения, состояния зондируемой поверхности. Высокая чувствительность коэффициентов отражения разнородных объектов к частоте и поляризации подсвечивающего излучения выделяет гиперспектральный метод среди других методов изучения поверхности Земли. Данные гиперспектральных измерений бывают особенно полезны для решения сложных задач обнаружения малых объектов, идентификации их состава и происходящих в них процессов, выделения отличий между очень близкими классами объектов, оценки биохимических и геофизических параметров и т.п. Только гиперспектральные измерения могут выявить малые спектральные различия между отдельными элементами поверхности и служить индикатором интересующих нас объектов и процессов на поверхности Земли.
Известен гиперспектрометр для дистанционного зондирования земной поверхности (Калинин А.П., Орлов А.Г. и Родионов И.Д., «Вестник московского государственного технического университета имени Н.Э.Баумана», №3 (64), 2006 г.. с.11-25.), содержащий входной объектив, диафрагменный узел, коллимирующий узел, диспергирующий элемент, выходной объектив, фотоприемное устройство с матрицей и электронный блок управления, в состав которого входит встроенный процессор и который обеспечивает управление фотоприемным устройством, считыванием изображений и сохранением его на жесткий диск.
Недостатками данного гиперспектрометра являются:
1) Получение гиперспектрального снимка возможно только при одном угле центра поля зрения полосы обзора гиперспектрометра (чаще всего в надир). Для проведения многоракурсных гиперспектральных измерений необходимо провести нескольких пролетов носителя гиперспектрометра при различных углах визирования заданного участка земной поверхности или использовать на одном носителе нескольких гиперспектрометров с различными углами визирования заданного участка земной поверхности;
2) Невозможность определения угловых характеристик рассеянного зондируемой поверхности излучения;
3) Малое значение отношения сигнал/шум при слабой интенсивности рассеянного излучения;
4) Недостаточная достоверность распознавания объектов и точность оценки их состояния.
Задачами настоящей полезной модели являются:
1. создание гиперспектрометра, который без существенного усложнения конструкции позволяет преодолеть недостатки известного гиперспектрометра, обеспечивая при этом проведение многоракурсной съемки земной поверхности, а также значительное увеличение чувствительности устройства и повышение качества получаемых гиперспектральных изображений.
2. Обеспечение высокой информативности результатов анализа гиперспектральных изображений, что ведет к повышению достоверности процедур классификации и оценки состояния зондируемых объектов.
Техническим результатом является обеспечение многоракурсного дистанционного гиперсперспектрального зондирования земной поверхности для определения угловых характеристик рассеянного зондируемой поверхностью излучения и повышение отношения сигнал/шум, что дает возможность получения дополнительной сигнатуры объекта зондирования и позволяет повысить достоверность его распознавания и точность оценки состояния.
Поставленная задача и необходимый технический результат достигаются тем, что в гиперспектрометре, содержащем входной объектив, диафрагменный узел с центральной щелью, коллимирующий узел, диспергирующий элемент, выходной объектив, фотоприемное устройство с матрицей, на которой отображается изображение зондируемой поверхности, и электронный блок управления диафрагменный узел выполняют многощелевым, имеющим центральную и периферийные щели, обеспечивающие получение на матрице ряда отдельных изображений зондируемой поверхности, каждое из которых получено при различных центральных углах обзора полосы на поверхности объекта, определяемых по формуле
tgα=ΔL/f;
где ΔL - расстояние между рассматриваемой щелью и центральной щели, f - фокусное расстояние входного объектива.
В качестве диспергирующего элемента может использоваться призма или дифракционная решетка. В качестве фотоприемных матриц могут применяться ПЗС или КМОП матрицы.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами, где:
на фиг.1 схематично представлена схема гиперспектрометра принятого за прототип;
на фиг.2 представлена схема предлагаемого многоракурсного гиперспектрометра;
на фиг.3 представлена схема получения нескольких гиперспектральных изображений с разных ракурсов при пролете носителя многораккурсного гиперспектрометра над исследуемым объектом.
Известный гиперспектрометр (фиг.1) содержит входной объектив 1, диафрагменный узел 2 с одной центральной щелью, коллимирующий узел 3, диспергирующий элемент 4, выходной объектив 5, фотоприемное устройство с матрицей 6 и электронный блок управления 7.
Предлагается многоракурсный гиперспектрометр (фиг.2), имеющий входной объектив 1, диафрагменный узел 2 коллимирующий узел 3, диспергирующий элемент 4, выходной объектив 5, фотоприемное устройство с матрицей 6 и электронный блок управления 7, который снабжен диафрагменным узлом 2. В названном узле 2 выполнена центральная щель 8 и периферийные щели 9 и 10. В принципе количество периферийных щелей может быть и большим. Расстояние между центральной щелью и каждой (из двух) периферийных щелей - ΔL.
Многоракурсный гиперспектрометр функционируем следующим образом. Отраженные, рассеянные или излучаемые фотоны от объекта попадают во входной объектив 1, который формирует изображение объекта на многощелевом диафрагменном узле 2 (для примера здесь и далее для простоты будут использоваться три щели). Каждая щель формирует изображение узкого участка объекта, видимого под разными углами, как это изображено на рис.3, на котором показано три положения (а, б и в) гиперспектрометра при пролете носителя прибора над изучаемым объектом.
При этом формируется три изображения под тремя углами. Далее эти изображения проходят через коллимирующий узел 3 попадают на диспергирующий элемент 4, в качестве которого может использоваться призма или дифракционная решетка. После диспергирующего элемента разложенные по спектру изображения через выходной объектив 5 попадают на матрицу фотоприемного устройства 6, на которой формируются три гиперспектральных изображения.
Фактически, каждая щель работает самостоятельно.
Каждое изображение на фотоприемной матрице формируется при различных центральных углах обзора полосы на поверхности объекта (Земли). Эти углы определяются формулой:
tgα=ΔL/f
где ΔL - расстояние между рассматриваемой щелью и центральной щели (фиг.2), f - фокусное расстояние входного объектива.
Электронный блок управления 7, в состав которого входит встроенный процессор, обеспечивает управление фотоприемным устройством, считыванием изображений, предварительной обработкой изображений, передачей данных на модуль хранения данных или же для дальнейшей тематической обработки на блок обработки данных, снабженный высокопроизводительным компьютером.
Проведенные испытания многоракурсного гиперспектрометра показали возможность получения трех изображений на матрице фотоприемного устройства, что подтверждает промышленную применимость полезной модели.