RU2156453C1 - Устройство для дистанционного измерения оптико-физических параметров объекта - Google Patents
Устройство для дистанционного измерения оптико-физических параметров объекта Download PDFInfo
- Publication number
- RU2156453C1 RU2156453C1 RU99105792/28A RU99105792A RU2156453C1 RU 2156453 C1 RU2156453 C1 RU 2156453C1 RU 99105792/28 A RU99105792/28 A RU 99105792/28A RU 99105792 A RU99105792 A RU 99105792A RU 2156453 C1 RU2156453 C1 RU 2156453C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- objects
- parameters
- measurements
- attenuator
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Использование: дистанционное зондирование поверхности Земли с космических объектов и авиационных носителей различного класса для измерения оптико-физических параметров объектов. Сущность изобретения: устройство содержит первый и второй линейные поляризаторы 1, 2, которые совместно с ослабителем 3 и циркулярным поляризатором 4 жестко установлены в турель 9, закрепленную на оси двигателя 10 вращения, а светофильтр 5, объектив 6, многоэлементный приемник 7 излучения установлены последовательно и оптически связаны между собой. Турель 9 с двигателем 10 вращения, светофильтр 5, объектив 6, приемник 7 образуют оптический блок, который установлен в корпусе 11. Корпус 11 снабжен узлом соединения, жестко связанного с механизмом 12 дискретного поворота. Приемник 7 через АЦП 8 подключен к ОЗУ 13. Поляриметрическое устройство позволяет при малых габаритно-весовых параметрах и малом объеме элементной базы в N раз повысить точность проводимых измерений, где N - число угловых измерений, что позволяет обеспечивать распознавание объектов с сверхблизкими параметрами и получать данные о микрофизических структурных особенностях объектов. 2 ил.
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для дистанционного зондирования поверхности Земли с космических объектов и авиационных носителей различного класса для измерения оптико-физических параметров объектов.
Для решения задач дистанционного зондирования используются устройства различного класса: фотографические системы, оптико-механические сканирующие устройства, оптико-электронные системы на многоэлементных приемниках и т.д. с широкой гаммой тактико-технических характеристик. Несмотря на то что используемые устройства относятся к различным классам, общим для всех этих устройств является наличие объектива, формирующего изображение исследуемой поверхности, и чувствительного элемента (фотопленки или приемника излучения), расположенного либо в фокальной плоскости объектива, либо в сопряженной с ней плоскости. Эти устройства регистрируют пространственное распределение интенсивности светового поля в различных диапазонах спектра, которое однозначно отождествляется с отражающими или рассеивающими свойствами наблюдаемых объектов. Однако при этом не может быть зарегистрирован ряд оптических явлений, связанных с микрофизическими особенностями объектов.
Известно телевизионное устройство для измерения оптико-физических параметров объектов, содержащее ослабитель, первый и второй линейные поляризаторы, круговой правоциркулярный поляризатор, четыре светофильтра, первую, вторую, третью и четвертую телевизионные камеры, синхронизатор, первый, второй, третий и четвертый аналого-цифровой преобразователи (авторское свидетельство СССР N 173423, кл. H 04 N 17/00, 1992).
Недостатком известного устройства является низкая точность проводимых измерений, так как при измерениях не учтено пространственное распределение отраженного излучения, вследствие чего измеряемые параметры вектора Стокса и их поляризационные функционалы для одних и тех же объектов, полученные в разных условиях съемки, будут различными.
Повышение точности измерений оптико-физических параметров объектов достигается использованием устройств, в которых реализуется многоугловая поляриметрия, позволяющая наряду с определением четырех параметров вектора Стокса исследовать угловое распределение поляризационных признаков.
Многоугловая поляриметрия используется для идентификации при рассеянном освещении объектов с одинаковыми коэффициентами отражения, но с различной пространственной ориентацией, для разделения объектов с матовой и глянцевой поверхностью (контроль состояния растительности), для определения направления на источник освещения в мутной среде (солнечная ориентация в условиях плохой видимости), для определения аэрозольного состава атмосферы (атмосферная оптика и метеорология), для обнаружения загрязнения водоемов (охрана окружающей среды) и т.д.
Известно поляриметрическое устройство для дистанционного измерения оптико-физических параметров объектов, которое содержит N идентичных оптических ветвей, расположенных в одной плоскости с угловым расстоянием между соседними по номеру ветвями, равным 180o/N. Каждая оптическая ветвь содержит первый и второй линейные поляризаторы, ослабитель, циркулярный поляризатор, последовательно связанные с соответствующим светофильтром, телевизионной камерой и аналого-цифровым преобразователем, образуя соответственно первый, второй, третий и четвертый аналогичный измерительные каналы (патент РФ N 2107281, кл. G 01 N 21/21, 1997).
Поляризационное устройство для дистанционного зондирования оптико-физических параметров объектов по патенту N 2107281 по общности решаемых задач и функционально-структурной схеме наиболее близко к изобретению и выбрано в качестве прототипа.
Однако известное устройство, реализуя принцип многоугловой поляриметрии, не обеспечивает необходимой точности измерения оптико-физических параметров объектов и имеет ограниченное число углов, при которых возможно проведение измерений из-за наличия в устройстве N оптических ветвей, развернутых под углом друг к другу, то есть наличия 4xN оптических блоков: первых и вторых линейных поляризаторов, ослабителей, циркулярных поляризаторов, объективов, светофильтров и фотоприемных устройств, преобразующих оптическое излучение в электрический сигнал. При этом одноименные оптические блоки фактически не являются идентичными, так как технологические отклонения в процессе изготовления и ограниченная точность средств паспортизации приводят к неизбежному разбросу параметров. В качестве примера можно указать на различия коэффициентов пропускания поляризационных фильтров и на погрешности ориентации линейных поляризаторов в каждой из ветви. Таким образом, в устройстве имеется N фактически независимых, аналогичных, но не идентичных средств измерения с различными случайными и систематическими составляющими инструментальной погрешности.
Кроме того, устройство имеет большие массогабаритные характеристики и большой объем элементной базы.
Задачей изобретения является создание поляриметрического устройства для дистанционного зондирования оптико-физических параметров объектов, которое позволяет обеспечить распознавание объектов со сверхблизкими оптико-физическими параметрами, имеет высокую точность измерений, позволяющую получать данные о микрофизических структурных особенностях объектов, имеет малые габаритно-весовые характеристики и малый объем элементной базы.
Сущность изобретения заключается в том, что в известном поляриметрическом устройстве для дистанционного зондирования оптико-физических параметров объектов, содержащем оптический блок, включающий первый и второй линейные поляризаторы, ослабитель и циркулярный поляризатор, установленные последовательно и оптически связанные между собой светофильтр, объектив и многоэлементный приемник излучения, а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый и второй линейные поляризаторы, ослабитель и циркулярный поляризатор установлены жестко в турель, закрепленную на оси двигателя вращения, обеспечивающего последовательное совмещение оптических осей первого и второго линейных поляризаторов, ослабителя и циркулярного поляризатора с оптической осью светофильтра, а оптический блок установлен в корпусе, снабженном узлом соединения, жестко связанным с механизмом дискретного поворота в диапазоне углов от -60 до +60o, а АЦП включен между приемником излучения и оперативно запоминающим устройством (ОЗУ).
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана функционально-структурная схема поляриметрического устройства для дистанционного зондирования оптико-физических параметров объектов.
На фиг. 2 представлена иллюстрация процесса угловых измерений поляриметрическим устройством оптико-физических параметров объектов.
Поляриметрическое устройство для дистанционного зондирования оптико-физических параметров объектов (фиг. 1) содержит оптический блок, включающий первый и второй линейные поляризаторы 1, 2, ослабитель 3, циркулярный поляризатор 4, светофильтр 5, объектив 6, многоэлементный приемник 7 излучения, АЦП 8, турель 9, двигатель 10 вращения, корпус 11, механизм 12 дискретного поворота, ОЗУ 13.
В поляриметрическом устройстве для дистанционного зондирования оптико-физических параметров объектов (фиг. 1) линейные поляризаторы 1, 2, ослабитель 3 и циркулярный поляризатор 4 жестко установлены в турель 9, закрепленную на оси двигателя 10 вращения, а светофильтр 5, объектив 6, многоэлементный приемник 7 излучения установлены последовательно и оптически связаны между собой. Турель 9 с двигателем 10 вращения, светофильтр 5, объектив 6, приемник 7 образуют оптический блок, который установлен в корпусе 11. Корпус 11 снабжен узлом соединения жестко связанного с механизмом 12 дискретного поворота. Приемник 7 через АЦП 8 подключен к ОЗУ 13.
Многоэлементный приемник 7 излучения выполнен в виде матрицы или линейки чувствительных элементов.
На фиг. 2 обозначено: 1 - исследуемая поверхность, 2 - траектория и направление движения носителя, 3 - положение носителя в момент проведения измерений (I - IX), 4 - направление визирной оси оптического блока при углах съемки от +60 до -60o, P-P' - участок исследуемой поверхности, на котором проводятся измерения оптико-физических параметров объектов, А - объект исследования.
Поляриметрическое устройство для дистанционного зондирования оптико-физических параметров работает следующим образом.
Перед установкой устройства на движущийся носитель (космический или авиационный) в оптическом блоке плоскость поляризации первого линейного поляризатора 1 совмещается с плоскостью, образованной местной вертикалью и направлением движения носителя, а второго линейного поляризатора 2 - под углом 45o к ней.
Оптическое излучение, отраженное от исследуемой поверхности, поступает на вход первого линейного поляризатора 1 (фиг. 1), который выделяет линейную составляющую поляризованного излучения, совпадающую с плоскостью, образованной местной вертикалью и движением носителя. Отфильтрованное поляризатором 1 излучение поступает на вход светофильтра 5, формирующего спектральный диапазон, в котором проводятся измерения оптико-физических параметров объектов. После светофильра 5 излучение поступает на вход объектива 6, который формирует изображение исследуемой поверхности на чувствительной площадке многоэлементного приемника 7 излучения. Приемник 7 располагается в фокальной плоскости объектива 6, его центральный элемент совмещается с оптической осью объектива.
Излучение, прошедшее оптическую систему (светофильтр 5 и объектив 6), приемником 7 преобразуется в дискретный аналоговый сигнал, который передается на вход АЦП 8, преобразующего его в цифровой. После АЦП 8 дискретный цифровой сигнал направляется в ОЗУ 13, где происходит временное накопление массива данных, которые затем передаются на запоминающее устройство, либо непосредственно в систему обработки и нормализации.
Время t, в течение которого поляризатор 1 перекрывает оптическую систему, а на приемнике 7 происходит накопление сигнала, определяется по формуле
где V - скорость носителя;
R - разрешение, реализуемое устройством на исследуемой поверхности.
где V - скорость носителя;
R - разрешение, реализуемое устройством на исследуемой поверхности.
Далее излучение от исследуемой поверхности перекрывается на время t вторым линейным поляризатором 2, которой выделяет линейную составляющую поляризованного излучения, отраженного от исследуемой поверхности, лежащую в плоскости, ориентированной под углом 45o к плоскости, образованной местной вертикалью и движением носителя. Затем излучение перекрывается на время t ослабителем 3, который ослабляет интенсивность излучения в 2 раза, и, наконец, излучение перекрывается на время t циркулярным поляризатором 4, выделяющим составляющую излучения, поляризованную по кругу.
Таким образом, при циклической смене поляризаторов 1, 2, 4 и ослабителя 3 на выходе приемника 7 излучения формируется последовательность четырех дискретных сигналов: первый - при установке первого линейного поляризатора 1, второй - второго линейного поляризатора 2, третий - ослабителя 3 и четвертый - циркулярного поляризатора 4, необходимых для определения четырех параметров вектора Стокса и их относительных функционалов: степени линейной поляризации p, азимута плоскости линейной поляризации φ и эллиптичность q (степень круговой поляризации).
Многоугловое дистанционное измерение оптико-физических параметров объектов достигается с помощью механизма 12 дискретного поворота, жестко закрепленного на носителе, разворачивающего визирную ось оптического блока в плоскости, образованной местной вертикалью и траекторией движения носителя (фиг. 2). Включение механизма 12 производится через заданные промежутки времени t1, которые равны
где H - высота орбиты носителя;
W - максимальный угол съемки, реализуемый устройством (в приведенном примере 60o);
N - число углов съемки.
где H - высота орбиты носителя;
W - максимальный угол съемки, реализуемый устройством (в приведенном примере 60o);
N - число углов съемки.
Минимальное значение t1 должно быть больше времени перевода визирной оси механизмом 12 из одного положения в другое, а также должно быть больше 4t.
Пусть требуется измерить оптико-физические характеристики объекта А (фиг. 2) на участке P-P' исследуемой поверхности 1 под углами от +60 до -60o через каждые 15o, которые соответствуют положению носителя - I-IX. При подходе носителя к положению I устройство включается и с помощью механизма 12, его визирная ось устанавливается под углом 30o к надирному направлению, что обеспечивает в момент прохождения носителя положения I съемку участка P-P' под углом 60o. За время перемещения носителя из положения I в положение II механизм разворачивает визирную ось оптического блока на угол 45o и при достижение положения II выполняется съемка под углом 45o и т.д.
Таким образом, измерения оптико-физических параметров объектов под разными углами визирования проводятся одним средством измерения, что повышает точность полученных устройством результатов.
Так как число углов, при которых измеряются оптико-физические параметры объектов, в устройстве определяется не количеством оптических ветвей, а числом дискретных положений исполнительного механизма, на котором установлен оптический блок, и временем перемещения визирной оси из одного положения в другое, то число измерений по сравнению с прототипом может быть существенно увеличено, что позволяет также повысить точность измерений.
Рассмотрим варианты исполнения устройства с использованием матричного и линейного фотоприемников.
Пусть в качестве приемника излучения используется матрица kxk элементов. В этом случае проекция приемника на подстилающую поверхность при визировании в надир есть квадрат со стороной
где d - размер чувствительного элемента приемника;
f - фокусное расстояние объектива.
где d - размер чувствительного элемента приемника;
f - фокусное расстояние объектива.
Тогда число углов съемки N при использовании матрицы, учитывая, что для каждого из углов визирования необходимо получение 4-х кадров видеоинформации, равно
где T - время перехода носителя из положения I в IX;
tk - время формирования одного кадра (tk=t);
tc - время считывания кадра;
tm - время перемещения визирной оси из одного положения в другое (tm= t1).
где T - время перехода носителя из положения I в IX;
tk - время формирования одного кадра (tk=t);
tc - время считывания кадра;
tm - время перемещения визирной оси из одного положения в другое (tm= t1).
При использовании линейного фотоприемника в устройстве кадровая развертка осуществляется за счет движения носителя, но так же, как и в случае использования матрицы, формируется кадр. В данном случае число угловых измерений, которые можно реализовать, значительно меньше, так как их увеличение приведет к уменьшению длины кадра. При квадратном кадре в диапазоне углов от -60 до +60o число измерений составит не более 9.
В процессе обработки оцифрованные видеосигналы с ОЗУ 13 подвергаются геометрической коррекции, так как при наклонном зондировании имеют место существенные геометрические искажения между одноименными элементами разрешения при различных углах наблюдения, после чего они поступают на блоки вычисления, в которых сначала вычисляются параметры вектора Стокса по алгоритму, соответствующему данной оптической схеме, при этом алгоритм вычисления параметров вектора Стокса записывается в виде матрицы
где параметр I характеризует интенсивность оптического сигнала, параметр Q - преимущественную горизонтальную линейную поляризацию, параметр U - преимущественную горизонтальную линейную поляризацию под углом 45o и параметр V - круговую поляризацию. Затем вычисляются функционалы, которые и представляют интерес для визуального анализа, так как являются относительными величинами, то есть не зависят от входной экспозиции. С их помощью можно создать количественное описание оптико-физических параметров объектов. Алгоритм вычисления этих функционалов определяется выражениями:
Предлагаемое поляриметрическое устройство для дистанционного измерения оптико-физических параметров объектов позволяет при малых габаритно-весовых параметрах и малом объеме элементной базы в раз повысить точность проводимых измерений, где N - число угловых измерений, что позволяет обеспечивать распознавание объектов с сверхблизкими параметрами и получать данные о микрофизических структурных особенностях объектов.
где параметр I характеризует интенсивность оптического сигнала, параметр Q - преимущественную горизонтальную линейную поляризацию, параметр U - преимущественную горизонтальную линейную поляризацию под углом 45o и параметр V - круговую поляризацию. Затем вычисляются функционалы, которые и представляют интерес для визуального анализа, так как являются относительными величинами, то есть не зависят от входной экспозиции. С их помощью можно создать количественное описание оптико-физических параметров объектов. Алгоритм вычисления этих функционалов определяется выражениями:
Предлагаемое поляриметрическое устройство для дистанционного измерения оптико-физических параметров объектов позволяет при малых габаритно-весовых параметрах и малом объеме элементной базы в раз повысить точность проводимых измерений, где N - число угловых измерений, что позволяет обеспечивать распознавание объектов с сверхблизкими параметрами и получать данные о микрофизических структурных особенностях объектов.
Актуальность решаемой задачи, а именно возможность контроля состояния окружающей среды, возможность ориентации в условиях плохой видимости, решение задач атмосферной оптики и метеорологии и относительно невысокая стоимость устройства обеспечивают устройству практическое применение.
Claims (1)
- Устройство для дистанционного измерения оптико-физических параметров объектов, содержащее оптический блок, включающий первый и второй линейные поляризаторы, ослабитель и циркулярный поляризатор, установленные последовательно и оптически связанные между собой, светофильтр, объектив и многоэлементный приемник излучения, а также аналого-цифровой преобразователь, отличающееся тем, что первый и второй линейные поляризаторы, ослабитель и циркулярный поляризатор установлены жестко в турель, закрепленную на оси двигателя вращения, обеспечивающего последовательное совмещение оптических осей первого и второго линейных поляризаторов, ослабителя и циркулярного поляризатора с оптической осью светофильтра, оптический блок установлен в корпусе, снабженном узлом соединения, жестко связанным с механизмом дискретного поворота в диапазоне углов от -60 до +60o, аналого-цифровой преобразователь включен между приемником излучения и оперативно запоминающим устройством.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99105792/28A RU2156453C1 (ru) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | Устройство для дистанционного измерения оптико-физических параметров объекта |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99105792/28A RU2156453C1 (ru) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | Устройство для дистанционного измерения оптико-физических параметров объекта |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2156453C1 true RU2156453C1 (ru) | 2000-09-20 |
Family
ID=20217463
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99105792/28A RU2156453C1 (ru) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | Устройство для дистанционного измерения оптико-физических параметров объекта |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2156453C1 (ru) |
-
1998
- 1998-12-29 RU RU99105792/28A patent/RU2156453C1/ru not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2774119C (en) | Apparatus and method for navigation | |
US6563582B1 (en) | Achromatic retarder array for polarization imaging | |
CN101806625B (zh) | 静态傅立叶变换干涉成像光谱全偏振探测装置 | |
Voss et al. | Radiometric and geometric calibration of a visible spectral electro-optic “fisheye” camera radiance distribution system | |
US20210148811A1 (en) | Systems and methods for detecting thermodynamic phase of clouds with optical polarization | |
US9297880B2 (en) | Two axis interferometer tracking device and method | |
CN113252168A (zh) | 一种基于四相位调制的偏振光谱成像系统 | |
Bowles et al. | Airborne system for multispectral, multiangle polarimetric imaging | |
US20150092179A1 (en) | Light ranging with moving sensor array | |
Cutter et al. | Integration and testing of the compact high-resolution imaging spectrometer (CHRIS) | |
RU2156453C1 (ru) | Устройство для дистанционного измерения оптико-физических параметров объекта | |
Davis et al. | Calibration, characterization, and first results with the Ocean PHILLS hyperspectral imager | |
Syniavskyi et al. | Aerosol-UA satellite mission for the polarimetric study of aerosols in the atmosphere | |
Mudge et al. | Near-infrared simultaneous Stokes imaging polarimeter: integration, field acquisitions, and instrument error estimation | |
RU2324151C1 (ru) | Многоканальный сканирующий радиометр с широкой полосой обзора | |
Surdej et al. | The 4m international liquid mirror telescope (ILMT) | |
CN107179125B (zh) | 稀疏目标光谱实时探测系统 | |
Hooper et al. | An airborne imaging multispectral polarimeter (AROSS-MSP) | |
Mendenhall et al. | EO-1 Advanced Land Imager in-flight calibration | |
Houck et al. | IRS: an infrared spectrograph for SIRTF | |
Lenhard | Improving the calibration of airborne hyperspectral sensors for earth observation | |
US4533828A (en) | Arrangement for increasing the dynamic range of optical inspection devices to accommodate varying surface reflectivity characteristics | |
RU2150725C1 (ru) | Устройство для дистанционного получения изображений в тепловой области спектра | |
Chommeloux et al. | MERIS FM performances | |
CN117949087A (zh) | 一种基于偏振调制阵列和消色差四面角锥棱镜的偏振相机 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20031230 |
|
HK4A | Changes in a published invention | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20041230 |
|
NF4A | Reinstatement of patent | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141230 |