Разработка и исследование авиационного гиперспектрометра видимого и ближнего ИК диапазонов

• Автор: Орлов, Андрей Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 163 с. : ил.

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
АУІІШ
нубісе

§ 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 ’’ршйЬгоот”
§ 2.5. Расчет призменного гиперспектрометра
§ 2.6. Имитационное моделирование гиперспектральных изображенийземной 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
Заключение
Литература
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 является* 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. В 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. ГТКГ 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

2.1.2 Пропускание призмы
Световые потери в призме возникают из-за отражения от граней, а также
из-за поглощения света в материале призмы. Коэффициент пропускания тпрЮ = (отношение выходного и входного светового потока призмы), можно
^вх
рассматривать, как произведение коэффициентов пропускания:
^приз ~ ^отр * ^погл 5 ' (“‘ 1 *2.1)
где тотр - пропускание, обусловленное отражением от граней, тпогд -пропускание, обусловленное прозрачностью материала.
При прохождении через грань призмы часть света отражается. Коэффициент отражения определяется по формуле Френеля. Для первой грани призмы он равен:

sin2 Cl -Q | lg2(h -i[) vsin 2(h+i[) tgil+i[)
(2.1.2.2)
(2.1.2.3)
Для второй грани:
^ _ if sin 1(i2-i2) t tgi2-i'2У 2 2[sin 2(/2+/2) tg2(i2 +i2)j
Пропускание призмы, обусловленное отражением от граней будет равно:
а-А)-(1-Л) (2.1.2.4)
Покажем, что в минимуме отклонения т будет максимальным.
Преобразуем выражения для />, и р2. Для левой части /?,, приняв во внимание, что sin г, = пsin г) и cos/, = ф - п1 sin2 i[ , получим:
sin(/2 - /') _ sinг2 cos/2 - cosi2 sin/j _ «sin/, cos/, -sin/,^1 -n2 sin2 /, _ «cos/, -jl-n2 sin2 /’ sin(/2 + г2 ) sin /2 COS /2 + COS Z2 sin /2 n sin ij cos ,'j + sin ,-j ^1 _ n2 sin2 /’ «COS /, + ^-n2 sin2 /j
Для преобразования правой части учтем тригонометрические соотношения
tg(a-B) sin2a-sin2 В . . . . . „ . .. . _ . .. г 2 . 2
— — = —, и sin2i, = 2sim, cosz, = 2«sinz, cos/, = 2nsmi.Jl — n sin z, ,
tg(a + P) sin 2a + sin 2/?
tg(ii “ ‘i) sin 2/, - sin 2/, _ 2n sin /, ^/l - n2 sin2 /,' - sin 2/, _ n^J 1 -n2 sin2 zj - cos/J /g(( +/]) sin 2/, + sin 2/, 2« sin zj д/l - и2 sin2 /,' + sin 2/, n-^jl — n2 sin2zj + cos/,'