автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование принципов построения и разработка четырехспектрального сканирующего телевизора

/

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики

(технический университет)

ПУЛОВ Димчо Йорданов

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И РАЗРАБОТКА ЧЕТЫРЕХСПЕКТРАЛЬНОГО СКАНИРУЮЩЕГО

ТЕПЛОВИЗОРА

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук ПАНКОВ Эрнст Дмитриевич

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1998

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................4

ГЛАВА I. ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ.............10

1. методы и аппаратура для дистанционного зондирования...........11

1.1. Методы дистанционного зондирования.........................................12

1.2. Аппаратура для дистанционного зондирования............................18

2. тепловизоры............................................................................................23

2.1. Назначение и классификация тепловизоров...................................23

2.2. Тепловизоры с оптико-механическим сканированием..................27

2.3. Тепловизоры с одномерным оптико-механическим сканированием для экологического мониторинга и исследования природных ресурсов..................................................................................30

2.4. Элементы тепловизионной системы..............................................34

2.5. Техническая реализация тепловизора для экологического мониторинга и исследования природных ресурсов...............................53

3. основные параметры и характеристики термографических

систем, критерии качества.......................................................................56

3.1. Основные понятия.............................. ................................................56

3.2. Термографические системы для получения изображений и проведения измерений................................ ................................................61

ГЛАВА II. АНАЛИЗ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ТРАКТА.......................68

1. тепловизионный тракт..........................................................................68

2. мощность излучения подстилающей поверхности.......................70

2.1.Излучение в ближней ИК-области....................................................71

2.2. Излучение в тепловой ИК-области..................................................73

3. спектральные характеристики отражения и излучения природных образований............................................................................77

3.1. Ближняя ИК-область........................................................................78

3.2. Тепловая ИК-область........................................................................83

4.энергетические контрасты...................................................................88

4.1. Энергетические контрасты в тепловой области (тепловые контрасты)...............................................................................................88

4.2. Основные закономерности формирования температурного

поля земной поверхности.;.......................................................................92

4.3. Энергетические контрасты в ближней ИК-области (яркостные контрасты)..........................................................................98

5. влияние атмосферы на проходящее через нее ик-излучение.......99

5.1. Молекулярное поглощение.......................... .....................................102

5.2.Рассеяние на частицах.....................................................................105

5.3. Примерная методика вычисления полного коэффициента

пропускания атмосферы........................................................................ 109

6. приемники излучения.........................................................................117

ГЛАВА III. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ

СВОЙСТВА ПРИРОДНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ.....................................127

1. спектральные отражательные свойства обнажений и почв.......128

1.1. Химический и минеральный состав почвы....................................129

1.2. Степень измельчения почв и горных пород..................................131

1.3. Влажность почвы............................................................................133

1.4. Угловая высота Солнца и соотношение рассеянной и прямой солнечной радиации................................................................................134

2. спектральные отражательные свойства растительных образований...............................................................................................135

2.1. Основные закономерности формирования спектров отражения листьями растений...........................................................136

2.2. КСЯкрон деревьев...........................................................................137

2.3. КСЯ растительных сообществ.....................................................138

3. спектральные отражательные свойства снежного покрова......141

4. спектральные отражательные свойства водных поверхностей............................................................................................142

ГЛАВА IV. ЧЕТЫРЕХСПЕКТРАЛЬНЫЙ САМОЛЕТНЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ ТЕШЮВИЗОР"ТЕРМА-2" ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ ЗЕМЛИ.......................................................146

1. описание четырехспектрального тепловизора "терма-2"..........146

2. некоторые экспериментальные результаты исследований

различных объектов, полученные при помощи тепловизора

"терма-2"....................................................................................................153

2.1. Описание объектов..........................................................................153

2.2. Описание условий, при которых были получены изображения............................................................................................154

2.3. Анализ полученных изображений...................................................155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................163

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................166

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс и быстрый рост производственных мощностей привели к резкому увеличению антропогенной нагрузки на природную среду. В основе развития экологического кризиса лежит тот факт, что экономическое и социальное развитие общества пришло в явное противоречие с ограниченными ресурсами, воспроизводящими и жизнеобеспечивающими возможностями биосферы. Все виды природопользования - промышленное, сельскохозяйственное, лесохозяйственное, рекреационное и другие сопровождаются не только получением желаемых результатов, но и различными нежелательными экологическими и социальными последствиями. В результате наблюдаются истощение ресурсов суши и океана, безвозвратная потеря различных видов растений и животных, техногенное нарушение биогеохимических круговоротов вещества, загрязнение всех составляющих природной среды, упрощение и деградация экосистем.

Поэтому среди задач экологического мониторинга и рационального использования ресурсов Земли вопросы, связанные с контролем за состояние природной среды и природных ресурсов, имеют первостепенное значение.

Широкие возможности в осуществлении такого контроля открывают аэрокосмические средства наблюдения, базирующиеся на использовании методов дистанционного зондирования (ДЗ) с самолетов, вертолетов и космических аппаратов. Они имеют следующие преимущества:

• позволяют реализовать неконтактные оптические методы измерений;

• обладают высокой точностью и чувствительностью;

• имеют широкий динамический диапазон;

• позволяют оперативно получать информацию.

Кроме того, с их помощью можно получать информацию об отдаленных и труднодоступных объектах в любое время суток, что невозможно при других способах контроля.

В основе принципа действия подобных устройств лежит регистрация уходящего излучения и измерение его характеристик (интенсивность, поляризация, спектральное, пространственное, угловое распределение и другие), которые являются сложными функционалами состояния природной среды.

В настоящее время многоспектральные системы с оптико-механическим сканированием являются основным средством получения видеоинформации о состоянии природной среды. К этим системам относятся и тепловизионные (термографические) системы, которые являются основным объектом исследования в данной работе.

Традиционно тепловизоры работали в тепловой ИК-области электромагнитного спектра, изображения в которой создавались за счет собственного излучения наблюдаемых объектов. Использование одноэлементного фотоприемника ограничивало температурное и пространственное разрешение системы.

В ближней ИК-области регистрируется как собственное излучение сверханомально нагретых объектов (вулканы, лесные пожары, чрезвычайные происшествия со сверханомальным выбросом тепла), так и отраженное от земной поверхности солнечное излучение. Эта область характерна тем, что в ней спектральная отражательная способность элементов ландшафта и объектов антропогенного происхождения (искусственные объекты) в целом возрастают. Это особенно характерно для растительности, на чем и основана дифференциация растительного покрова на разных стадиях вегетации и выделения участков, подвергающихся интенсивной антропогенной нагрузке.

Использование многоэлементных линейных фотоприемников позволяет при последовательном сканировании осуществить накопление сигнала и повысить энергетическую чувствительность системы в корень квадратный от числа накоплений.

Таким образом тепловизор, работающий одновременно в ближней и тепловой ИК-областях спектра и имеющий в качестве фотоприемника линейку чувствительных элементов, с помощью которой осуществляется последовательное сканирование, будет обладать существенным преимуществом перед традиционными приборами этого типа. На основании вышесказанного тема диссертации несомненно актуальна.

Целью данной работы является исследование возможностей повышения информационных и рабочих характеристик тепловизора за счет увеличения числа рабочих спектральных каналов до четырех и использования ли-

нейного многоэлементного фотоприемника в комбинации с последовательным сканированием.

Указанная цель достигается решением следующих задач:

1. Проведение сравнительного анализа методов и аппаратуры для ДЗ.

2. Выявления особенностей построения тепловизоров с одномерным оптико-механическим сканированием.

3. Анализом особенностей тепловизионного тракта в ближней и тепловой ИК-областях.

4. Анализом спектральных отражательных свойств различных классов и типов природных образований.

5.Проведением съемки объектов ландшафта в разных спектральных диапазонах ближней и тепловой ИК-областях.

6.Проведением съемки в тепловой ИК-области (в диапазоне 8-13,5мкм) при различных параметрах тепловизионной системы и наблюдаемого объекта.

В процессе работы применялись аналитические методы, которые базировались на основных положениях общей теории физического и математического моделирования.

Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.

1. Обоснование выбора схемы четырехспектрального тепловизора, имеющего два рабочих канала в ближней и два в тепловой ИК-областях и

использующего линейный многоэлементный фотоприемник в комбинации с последовательным сканированием, на основе анализа различных методов и аппаратуры ДЗ.

2. Анализ основных закономерностей формирования температурного поля земной поверхности; значения теплового и яркостного контрастов, значения контрастного излучения в диапазонах 0,8-1,0; 1,0-1,3; 3-5; 8-13,5 мкм, полученных для объектов с температурами Т=280, 290, 300, 310, 500, 750 и 1000 К и коэффициентов отражения р = 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 и 0,7.

3. Значения эквивалентной разницы температур, показывающие дополнительный вклад в разность температур за счет разностей в коэффициентах излучения As, полученные для объектов с указанными в п.2 температурами Т, имеющих коэффициенты излучения, определяемые соотношениями Ae/s = 0,001; 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,025; 0,03.

4. Анализ спектральных характеристик отражения различных классов и типов природных образований по классификации Кринова, проведенный с целью выявления возможных пределов их изменения и зависимости от различных факторов и условий, и, как следствие, выявление степени их пригодности для дистанционных исследований.

Практическая ценность работы. Проведен расчет значения теплового контраста, яркостного контраста и контрастного излучения в ближней и тепловой ИК-областях для широкого диапазона температур, коэффициентов излучения и коэффициентов отражения.

Проведен расчет эквивалентной разности температур, показывающий дополнительный вклад в разность температур за счет разностей в коэффициентах излучения для широкого диапазона температур и коэффициентов излучения.

Результаты проведенных в данной работе исследований и расчетов могут быть использованы для оценки влияния элементов тракта прохождения излучения при дистанционных исследованиях различных объектов земного ландшафта в ближней и тепловой ИК-областях спектра с целью правильной интерпретации получаемых конечных изображений.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научно-технических семинарах кафедры оптико-электронных приборов и систем ИТМО, научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ИТМО (1997г.), Международной конференции "Физист-98" (Санкт-Петербург, 1998г.).

Внедрение материалов диссертации. Материалы диссертации использованы в учебном процессе кафедры оптико-электронных приборов и систем ИТМО в курсе "Оптико-электронные приборы", в отраслевой научно-исследовательской лаборатории "Оптико-электронные приборы", в НПК "Терма" и холдинговой компании "Ленинец".

Публикации. По материалам диссертации имеется 4 публикации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 99 найме-

нований, содержит 16 5 страниц основного текста, 5 0 рисунков и 10 таблиц.

и

ГЛАВА I. ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ 1. Методы и аппаратура для дистанционного зондирования

Актуальность анализа возможных методов и аппаратуры для контроля за состоянием природной среды и природных ресурсов нашей планеты обусловлена причинами, указанными во введении.

Широкие возможности в осуществлении такого контроля открывают аэрокосмические средства наблюдения, которые базируются на использовании методов дистанционного зондирования с самолетов, вертолетов и космических аппаратов.

Дистанционное зондирование (ДЗ) природной среды - это изучение природных объектов на расстоянии, т.е. без непосредственного контакта приемных чувствительных элементов аппаратуры с поверхностью этих объектов. В практике природно-ресурсных и экологических исследований под ДЗ понимают различные виды фотографических, телевизионных, сканерных, тепловых, радиолокационных, лидарных и других видов съемок поверхности Земли и Мирового океана с целью изучения их состояния или тематического картографирования.

Все методы являются косвенными методами, так как с аэрокосмических носителей проводятся не прямые измерения интересующих нас величин (например, температуры поверхности Земли), а измерения характеристик уходящего излучения (интенсивность, поляризация, спектральное, простран-

ственное, угловое распределение и другие), являющиеся сложными функционалами состояния природной среды.

1.1. Методы дистанционного зондирования Видимый и ближний ИК-диапазон. Непосредственным результатом ДЗ в видимом и ближнем ИК-диапазоне является совокупность значений яркости поверхности, измеренных при определенных сочетаниях условий измерений: спектральных зон, углов наблюдения, пространственных координат и времени измерения. После коррекции влияний условий наблюдения: освещенности (путем перехода от яркости к коэффициенту спектральной яркости КСЯ), высоты Солнца (путем редукции значений КСЯ к стандартной высоте Солнца или отбора результатов измерений, выполненных при примерно одинаковой высоте Солнца) и влияния атмосферы полученная спектральная, временная, угловая, пространственная или поляризационная зависимость КСЯ может использоваться для восстановления параметров объектов. Физической предпосылкой возможности такого восстановления является само влияние на эту зависимость, которое оказывают различные параметры состояния наблюдаемых объектов. Значения КСЯ, измеренные при п сочетаниях условий измерения, могут рассматриваться как компоненты п-мерного вектора признаков, который может использоваться для распознавания классов объектов и их состояния стандартными методами многомерной статистической классификации. Этот подход требует детальной каталогизации отражательных характеристик природных объектов. Последняя задача

далека от своего решения даже в отношении каталогов наиболее хорошо исследованных спектральных характеристик. Основная трудность решения данной задачи связана с зависимостью отражательных характеристик объектов одновременно от многих факторов.

Спектральные методы. Спектральные методы наиболее хорошо разработаны и широко используются в практике ДЗ. Они основаны на измерении значений КСЯ исследуемых объектов в разных спектральных зонах: А-1,..., А,п и оценке по ним параметров состояния объектов.

Несмотря на то, что в настоящее время накоплен огромный экспериментальный материал о спектральных характеристиках природных объектов, существующие каталоги спектральных характеристик [ 3 ,44] очень немногочисленны и неполны. Такое положение объясняется тем, что результаты измерений, выполненных разными приборами в разных условиях наблюдений, часто трудносопоставимы между собой, тем более, что �