RU121366U1

RU121366U1 - MULTI-CURRENT HYPERSPECTROMETER FOR REMOTE SURFACE OF THE EARTH SURFACE

Info

Publication number: RU121366U1
Application number: RU2012109815/28U
Authority: RU
Inventors: Игорь Дмитриевич Родионов; Алексей Игоревич Родионов; Александр Петрович Калинин; Виктор Валентинович Егоров
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-технический центр "Реагент"
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2012-10-20

Abstract

1. Многоракурсный гиперспектрометр для дистанционного зондирования земной поверхности, содержащий входной объектив, диафрагменный узел с центральной щелью, коллимирующий узел, диспергирующий элемент, выходной объектив и фотоприемное устройство с матрицей, на которой отображается изображение зондируемой поверхности, и электронный блок управления, отличающийся тем, что диафрагменный узел выполнен многощелевым, имеющим центральную и перферийные 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 щелью; f - фокусное расстояние входного объектива. ! 2. Многоракурсный гиперспектрометр по п.1, отличающийся тем, что диспергирующий элемент выполнен в виде призмы. ! 3. Многоракурсный гиперспектрометр по п.1, отличающийся тем, что диспергирующий элемент выполнен в виде дифракционной решетки. !4. Многоракурсный гиперспектрометр по п.1, отличающийся тем, что в качестве фотоприемных матриц применяют ПЗС или КМОП матрицы. 1. A multi-angle hyperspectrometer for remote sensing of the earth's surface, containing an input lens, a diaphragm unit with a central slit, a collimating unit, a dispersing element, an output lens and a photodetector with a matrix on which an image of the probed surface is displayed, and an electronic control unit, characterized in that the diaphragm assembly is made multi-slot, having central and peripheral slits, providing a number of separate images of the probed surface on the matrix, each of which was obtained at different central viewing angles of the strip on the object surface, determined by the formula! tgα = ΔL / f,! where ΔL is the distance between the considered slot and the central slot; f is the focal length of the input lens. ! 2. Multi-angle hyperspectrometer according to claim 1, characterized in that the dispersing element is made in the form of a prism. ! 3. Multi-angle hyperspectrometer according to claim 1, characterized in that the dispersing element is made in the form of a diffraction grating. !4. Multi-angle hyperspectrometer according to claim 1, characterized in that CCD or CMOS matrices are used as the photodetector matrices.

Description

Заявляемое изобретение относится к устройствам для дистанционного зондирования земной поверхности, а более конкретно к устройству для гиперспектральной регистрации оптического излучения.The claimed invention relates to a device for remote sensing of the earth's surface, and more particularly to a device for hyperspectral registration of optical radiation.

Зондирование поверхности земли с борта самолета, вертолета или космического аппарата обеспечивает идентификацию наземных объектов и их элементного состава.Sounding the surface of the earth from an airplane, helicopter or spacecraft provides identification of ground objects and their elemental composition.

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.The identification of objects during hyperspectral measurements is based on the ability of these probed objects to absorb and reflect light waves. The fundamental basis of the remote sensing method is the unambiguous correspondence between the recorded reflected optical signal and the elemental composition of the reflecting surface. As the illumination of the Earth's surface in the daytime, solar radiation can be used, and at night - lunar and even star radiation. In this case, the maximum spectral density of the illumination radiation falls on the visible range, and the range 0.3–2.5 μm has optically transparent windows for a clean atmosphere.

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.An information characteristic of hyperspectral measurements is the intensity of the radiation reflected by the Earth at a specific area on its surface depending on the value of the wavelength of the detected radiation λ, the polarization component of the reflected radiation, and the state of the probed surface. The high sensitivity of the reflection coefficients of dissimilar objects to the frequency and polarization of the illuminating radiation distinguishes the hyperspectral method from other methods for studying the Earth's surface. Hyperspectral measurements are especially useful for solving complex problems of detecting small objects, identifying their composition and processes occurring in them, highlighting differences between very close classes of objects, assessing biochemical and geophysical parameters, etc. Only hyperspectral measurements can reveal small spectral differences between individual surface elements and serve as an indicator of objects and processes on the Earth's surface that are of interest to us.

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.A known hyperspectrometer for remote sensing of the earth's surface (Kalinin A.P., Orlov A.G. and Rodionov I.D., "Bulletin of Moscow State Technical University named after N.E. Bauman", No. 3 (64), 2006 p. 11-25.), containing an input lens, a diaphragm unit, a collimating unit, a dispersing element, an output lens, a photodetector with a matrix and an electronic control unit, which includes an integrated processor and which controls the photodetector, reads images and stores Niemi to the hard disk.

Недостатками данного гиперспектрометра являются:The disadvantages of this hyperspectrometer are:

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;1) Obtaining a hyperspectral image is possible only with one angle of the center of the field of view of the hyperspectrometer's viewing band (most often in nadir). For multi-angle hyperspectral measurements, it is necessary to carry out several spans of the hyperspectrometer carrier at different viewing angles of a given section of the earth's surface or use several hyperspectrometers with different viewing angles on a given carrier of a given section of the earth's surface;

2) Невозможность определения угловых характеристик рассеянного зондируемой поверхности излучения;2) the Inability to determine the angular characteristics of the scattered probed surface of the radiation;

3) Малое значение отношения сигнал/шум при слабой интенсивности рассеянного излучения;3) The small value of the signal-to-noise ratio at a low intensity of scattered radiation;

4) Недостаточная достоверность распознавания объектов и точность оценки их состояния.4) The lack of reliability of recognition of objects and the accuracy of the assessment of their condition.

Задачами настоящей полезной модели являются:The objectives of this utility model are:

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.1. the creation of a hyperspectrometer, which without significant structural complications allows to overcome the disadvantages of the known hyperspectrometer, while providing multi-angle survey of the earth's surface, as well as a significant increase in the sensitivity of the device and improving the quality of the obtained hyperspectral images.

2. Обеспечение высокой информативности результатов анализа гиперспектральных изображений, что ведет к повышению достоверности процедур классификации и оценки состояния зондируемых объектов.2. Ensuring high information content of the results of the analysis of hyperspectral images, which leads to an increase in the reliability of classification procedures and assessment of the state of probed objects.

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.The technical result is the provision of multi-angle remote hyperspectral sounding of the earth's surface to determine the angular characteristics of the radiation scattered by the surface of the radiation and increasing the signal-to-noise ratio, which makes it possible to obtain an additional signature of the sensing object and to increase the reliability of its recognition and the accuracy of state estimation.

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 формулеThe task and the necessary technical result are achieved by the fact that in a hyperspectrometer containing an input lens, a diaphragm unit with a central slot, a collimating unit, a dispersing element, an output lens, a photodetector with a matrix on which the image of the sensed surface is displayed, and an electronic control unit for the diaphragm unit perform multi-slit, having a Central and peripheral slots, providing on the matrix a number of individual images of the probed surface, each of which is obtained at various central angles swath on the object surface, defined by the formula

tgα=ΔL/f;tgα = ΔL / f;

где ΔL - расстояние между рассматриваемой щелью и центральной щели, f - фокусное расстояние входного объектива.where ΔL is the distance between the gap under consideration and the central gap, f is the focal length of the input lens.

В качестве диспергирующего элемента может использоваться призма или дифракционная решетка. В качестве фотоприемных матриц могут применяться ПЗС или КМОП матрицы.A prism or diffraction grating may be used as the dispersing element. CCDs or CMOS sensors can be used as photodetector arrays.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами, где:The essence of the proposed utility model is illustrated by figures, where:

на фиг.1 схематично представлена схема гиперспектрометра принятого за прототип;figure 1 schematically shows a diagram of a hyperspectrometer adopted as a prototype;

на фиг.2 представлена схема предлагаемого многоракурсного гиперспектрометра;figure 2 presents a diagram of the proposed multi-angle hyperspectrometer;

на фиг.3 представлена схема получения нескольких гиперспектральных изображений с разных ракурсов при пролете носителя многораккурсного гиперспектрометра над исследуемым объектом.figure 3 presents the scheme for obtaining several hyperspectral images from different angles during the passage of a multi-angle hyperspectrometer carrier over the object under study.

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.The known hyperspectrometer (Fig. 1) contains an input lens 1, a diaphragm unit 2 with one central slit, a collimating unit 3, a dispersing element 4, an output lens 5, a photodetector with a matrix 6, and an electronic control unit 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.A multi-angle hyperspectrometer is proposed (Fig. 2), having an input lens 1, a diaphragm node 2, a collimating node 3, a dispersing element 4, an output lens 5, a photodetector with a matrix 6 and an electronic control unit 7, which is equipped with a diaphragm node 2. In the named node 2 a central slot 8 and peripheral slots 9 and 10 are made. In principle, the number of peripheral slots can be large. The distance between the central slot and each (of two) peripheral slots is 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.The multi-angle hyperspectrometer functions as follows. Reflected, scattered or emitted photons from the object fall into the input lens 1, which forms the image of the object on the multi-slit diaphragm node 2 (for example, hereafter, three slots will be used for simplicity). Each slit forms an image of a narrow section of the object, visible at different angles, as shown in Fig. 3, which shows the three positions (a, b and c) of the hyperspectrometer when the carrier passes over the object under study.

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.In this case, three images are formed at three angles. Further, these images pass through the collimating unit 3 and fall on the dispersing element 4, which can be used as a prism or diffraction grating. After the dispersing element, the images spread across the spectrum through the output lens 5 fall onto the matrix of the photodetector 6, on which three hyperspectral images are formed.

Фактически, каждая щель работает самостоятельно.In fact, each slot works independently.

Каждое изображение на фотоприемной матрице формируется при различных центральных углах обзора полосы на поверхности объекта (Земли). Эти углы определяются формулой:Each image on the photodetector matrix is formed at different central viewing angles of the strip on the surface of the object (Earth). These angles are determined by the formula:

tgα=ΔL/ftgα = ΔL / f

где ΔL - расстояние между рассматриваемой щелью и центральной щели (фиг.2), f - фокусное расстояние входного объектива.where ΔL is the distance between the gap under consideration and the central gap (Fig. 2), f is the focal length of the input lens.

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.The electronic control unit 7, which includes an integrated processor, provides photodetector control, image reading, image preprocessing, data transfer to a data storage module, or for further thematic processing to a data processing unit equipped with a high-performance computer.

Проведенные испытания многоракурсного гиперспектрометра показали возможность получения трех изображений на матрице фотоприемного устройства, что подтверждает промышленную применимость полезной модели.The tests of the multi-angle hyperspectrometer showed the possibility of obtaining three images on the matrix of the photodetector, which confirms the industrial applicability of the utility model.

Claims

1. A multi-angle hyperspectrometer for remote sensing of the earth's surface, comprising an input lens, a diaphragm unit with a central slit, a collimating unit, a dispersing element, an output lens and a photodetector with a matrix on which the image of the sensed surface is displayed, and an electronic control unit, characterized in that the diaphragm assembly is multi-slit, having a central and peripheral slots, providing for obtaining on the matrix a number of individual images of the probed surface sti, each of which was obtained at different central viewing angles of the strip on the surface of the object, determined by the formula

tgα = ΔL / f,

where ΔL is the distance between the gap under consideration and the central gap; f is the focal length of the input lens.

2. The multi-angle hyperspectrometer according to claim 1, characterized in that the dispersing element is made in the form of a prism.

3. The multi-angle hyperspectrometer according to claim 1, characterized in that the dispersing element is made in the form of a diffraction grating.

4. The multi-angle hyperspectrometer according to claim 1, characterized in that CCD or CMOS sensors are used as photodetector arrays.