Гиперспектральные оптические системы и их применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Фурье-спектроскопия

2. Обработка спектральной информации

3. Гиперспектральная аппаратура дистанционного зондирования Земли

4. Гиперспектральные космические снимки

5. Применение гиперспектральных оптических систем

1. Фурье-спектроскопия

Со времен Ньютона оптическая спектроскопия всегда была одним из самых информативных методов исследования вещества. За прошедшее время существенно модернизированы способы регистрации излучения. Однако принципы построения спектральных приборов до середины XX века практически не менялись. Большинство приборов традиционно строили по одной и той же схеме: излучение фокусируется на входную щель прибора, прошедшее излучение параллельным пучком направляется на диспергирующий элемент (долгое время это была призма, в XX веке она стала заменяться на дифракционную решетку) и после фокусировки на выходной щели излучение регистрируется каким-либо приемником излучения. Одновременно развивались интерференционные методы исследования - они обеспечивали более высокое спектральное разрешение, но, как правило, могли быть использованы только для узкого круга специальных задач. Во второй половине XX века началось бурное развитие интерференционной спектроскопии с преобразованием Фурье. Широкое распространение этого метода определилось развитием вычислительной техники, поскольку, как будет видно, вычислительная машина является необходимым элементом современного фурье-спектрометра. Такие спектрометры обеспечили резкое повышение спектрального разрешения, информативности и скорости получения информации по сравнению с другими оптическими спектрометрами, за исключением, быть может, лазерных. Мы не будем рассматривать лазерные методы исследования: хотя их возможности часто превосходят возможности классической оптической спектроскопии, они пока недостаточно универсальны.

Преимущества Фурье-спектроскопии: Преимущества фурье-спектроскопии перед другими спектроскопическими методами, использующими разложение в спектр, определяются прежде всего энергетическими выигрышами, получившими название выигрыша Жакино и выигрыша Фелжетта. Первый состоит в том, что у фурье-спектрометров входное отверстие гораздо больше, чем у дисперсионных приборов, свет в которые попадает через узкую входную щель. Этот выигрыш виден из сравнения входных частей систем, изображенных на рис. 1, он может доходить до сотен раз. Второй выигрыш (Фелжетта) связан с тем, что в обычных спектрометрах регистрируется каждый спектральный интервал поочередно, в то время как в фурье-спектрометрах время регистрации каждого спектрального интервала равно времени регистрации всего спектра. Выигрыш Фелжетта пропорционален где M - число разрешаемых интервалов в зарегистрированном спектре. Причину его возникновения можно понять из сравнения выходных частей систем на рис. 1, а его величина также достигает сотен раз. Оба фактора вместе могут давать выигрыш в величине регистрируемой энергии в четыре порядка.

Существенным преимуществом метода является также отсутствие ограничений в спектральном разрешении за счет размеров оптических элементов. Трудно ожидать, что размеры дифракционных решеток или тем более призм будут больше 50см. Таким образом, естественным пределом разрешения приборов, использующих пространственную дисперсию, является величина 0,02 . В то же время уже сейчас налажен серийный промышленный выпуск фурье-спектрометров с разрешением до 0,002 .

Поскольку фурье-спектрометры не требуют очень узких входных и выходных щелей, требования к созданию оптических схем без аберраций при их конструкции сильно снижаются. По этой причине становится возможным создание оптических схем с большим отношением диаметра объектива к его фокусу (относительным отверстием), обычно 1 : 3, что делает такие приборы более компактными по сравнению со щелевыми. Такое преимущество оказывается тем более важным, что для обеспечения максимально широкого спектрального диапазона в спектральных приборах обычно применяется зеркальная оптика, для которой безаберрационные схемы создавать труднее, чем при использовании линз.

Рис. 1: Иллюстрация выигрышей Жакино и Фельжетта

Основным элементом Фурье-спектрометра является двухлучевой интерферометр с изменяющейся разностью хода. В динамических Фурье-спектрометрах изменение разности хода происходит во времени, а в другой разновидности Фурье-спектрометров, так называемых статических - в пространстве. Достоинства Фурье-спектрометров - большая светосила, мультиплексность, широкий спектральный диапазон, точная привязка шкалы волновых чисел, отсутствие влияния рассеянного света, легкое варьирование спектральным разрешением от сотен см^-1 до тысячных долей см^-1 - определяют их приоритет в современном спектральном приборостроении.

Конструкции Фурье-спектометров: Типичная оптическая схема фурье-спектрометра использует интерферометр Майкельсона (рис. 3). Прошедший через входную диафрагму свет падает на коллиматорное зеркало и параллельным пучком направляется на светоделитель. Светоделитель обычно представляет собой прозрачную плоскопараллельную пластину с покрытием. Идеальный светоделитель должен отражать и пропускать ровно по 50% света и не иметь поглощения во всей спектральной области работы прибора. Отклонение от этого требования снижает эффективность его работы. Однако реализовать такое требование очень трудно особенно в инфракрасной области спектра, где длина волны меняется в десятки раз. Поэтому в фурье-спектрометрах используют сменные светоделители. Область работы каждого светоделителя бывает достаточно широкой: она обычно допускает пятикратное изменение длины волны, что гораздо больше, чем для призм или дифракционных решеток. В области низких частот, когда длина волны превышает 25 мкм (микроволновая область), в качестве светоделителей используют полимерные пленки.

Рис. 3 Общая схема Фурье-спектометра

После светоделителя прошедший и отраженный пучки попадают на отражающие зеркала, требования к качеству и стабильности которых в интерферометрах очень высоки: их поверхность не должна отклоняться от идеальной более чем на 1/20 длины волны, отвечающей коротковолновой границе работы прибора. В последнее время вместо плоских пластин стали использовать тетраэдрические отражатели, составленные из трех взаимно перпендикулярных пластин. Такая конструкция позволила снизить требование к стабильности, поскольку для тетраэдрического отражателя падающий и отраженный лучи остаются параллельными при его наклонах. Выходящее из интерферометра излучение фокусируется зеркальным объективом в месте, куда помещается образец, если исследуются спектры поглощения. После этого свет фокусируется на приемнике излучения.

Важным элементом оптической схемы является система измерения разности хода между зеркалами интерферометра (на рис. 3 обозначена красным цветом). Для этой цели в него вводится излучение одномодового лазера (обычно это лазер He-Ne), которое в прецизионных приборах дополнительно стабилизируется. После прохождения через интерферометр монохроматический пучок генерирует при движении зеркала синусоидальный сигнал на специальном приемнике. Период синусоиды равен длине волны лазерного излучения . Этот сигнал после преобразования используется в создании командных импульсов для считывания показаний с приемника излучения в приемно-усилительной системе интерферометра при смещении подвижного зеркала на расстояние, равное или кратное этой величине. Благодаря такой системе фурье-спектрометр становится прибором с высокой точностью измерений частот спектральных линий, причем точность определяется точностью определения частоты генерации опорного лазера.

Иногда в схему встраивается еще один интерферометр - интерферометр белого света (обозначен на рис. 3 зеленым). Он используется для определения нулевой разности хода между зеркалами. Дело в том, что для излучения с широким спектральным составом при нулевой разности хода световые колебания всех частот при сложении пучков на выходе интерферометра будут иметь одну и ту же фазу в разных пучках и в этом случае будут складываться амплитуды световых колебаний. Если разность хода велика, разности фаз колебаний для разных частот будут практически случайными и тогда складываются энергии волн с разными частотами, что дает вдвое меньшую освещенность на приемнике излучения, чем в случае сложения амплитуд. По этой причине при перемещении подвижного зеркала в сигнале с приемника интерферометра белого света при нулевой разности хода возникает резкий пик, по максимуму которого положение нулевой разности хода определяется очень точно.

Использование Фурье-спектроскопии: Наиболее активно методы фурье-спектроскопии используют при проведении исследований в инфракрасной области, где их преимущества могут быть реализованы в полной мере. При работе в видимой области наиболее чувствительным приемником излучения является фотоумножитель, для которого уровень шумов зависит от величины сигнала, что сводит на нет выигрыш Фелжетта. В инфракрасной области это не так, поэтому именно здесь в фурье-спектроскопии достигнута максимальная разрешающая способность: R > 106. Такого разрешения оказалось достаточно, чтобы зарегистрировать без существенных искажений линии молекулярных газов при предельно низких давлениях в видимой и почти во всей инфракрасной области. Следовательно, при использовании фурье-спектроскопии спектральное разрешение фактически определяется уже не использованной аппаратурой, а природой изучаемых объектов. Благодаря высокому разрешению, а также предоставляемой возможности измерений спектров значительной протяженности фурье-спектроскопия обеспечила существенное продвижение в исследовании колебательно-вращательных спектров молекулярных газов. Дело в том, что колебательно-вращательные полосы молекулярных газов часто состоят из сотен и / или даже тысяч линий, и только фурье-спектроскопия позволила проводить их исследования в полной мере.

Возможности фурье-спектроскопии позволили с успехом применить ее для газового анализа, и в первую очередь для анализа состава атмосферы как Земли, так и других планет.

В качестве примера таких исследований можно привести эксперименты, которые проводятся интернациональной группой исследователей. В одном из последних экспериментов на научно-исследовательском корабле "Polarstern", который пересек Атлантику с севера на юг летом 1996 года, был установлен мобильный фурье-спектрометр высокого разрешения "Bruker HR 120M". Во время этого плавания были зарегистрированы и проанализированы спектры поглощения солнечной радиации (в том числе и отраженной от Луны), обусловленные атмосферными примесями, со спектральным разрешением 0,005 . Среди этих примесей были замечены молекулы CO, , , OCS, HCN, HCl, HF, , NO, ClONO, COF. Такое исследование позволило восстановить широтное распределение примесей. Так, например, оказалось, что распределение CO равномерно, а концентрация HF на экваторе минимальна и заметно возрастает к полюсам.

Группа итальянских исследователей с помощью фурье-спектрометра, установленного на стратостате, изучила микроволновые спектры испускания атмосферы с разрешением 0,0025 см-1. Им удалось зарегистрировать линии и определить содержание таких малых компонент атмосферы, как атомарный кислород, HF, HCN, OH, HO, HO, HCl, HOCl, HBr. Аналогичное исследование, но с использованием фурье-спектрометра, установленного на спутнике, и с регистрацией солнечного излучения провела группа американских ученых в рамках эксперимента "ATMOS".

Сразу после возникновения фурье-спектроскопии ее методы были использованы для астрофизических исследований. По спектрам планет Марса, Венеры, Юпитера был определен состав их верхних атмосфер, были изучены также спектры некоторых звезд.

При работе с жидкостями и твердыми телами обычно не требуется высокого спектрального разрешения. В этих случаях оказываются полезными высокая производительность метода (время регистрации спектра может быть меньше секунды) и значительная величина отношения сигнал / шум в полученных спектрах. Последнее позволяет работать с малопрозрачными объектами, например проводить спектральный анализ пыли, осевшей на воздушных фильтрах, или по спектрам фрагментов древесины определять состав атмосферы и условия, в которых находилось дерево в разные периоды своей жизни. Высокая чувствительность метода позволяет использовать световоды для передачи информации от объекта к прибору, что дает возможность изучать объекты, находящиеся в сотнях метров от спектральной лаборатории. оптический спектроскопия гиперспектральный

В последние годы усилиями сотрудников ГОИ Г.Г. Горбунова и Л.В. Егоровой развивается новое направление оптико-электронных приборов для дистанционного зондирования Земли - гиперспектральные Фурье-спектровизоры.

Рис.4. Фурье-спектрометр МФС-Б

Эти приборы позволяют работать в сходящихся пучках, что значительно уменьшает габариты и вес аппаратуры. Широкий рабочий спектральный диапазон дает возможность регистрации спектрального интервала, определяемого только чувствительностью приемника. Точное определение волнового числа (длины волны) по одному встроенному эталону значительно повышает надежность идентификации объектов (особенно, в полосах поглощения) по имеющемуся банку спектрально-топологических характеристик.

2. Обработка спектральной информации

Спектральный анализ: Спектральный анализ основывается на способности материалов поглощать и отражать свет. Принципиальной основой спектрального анализа данных является предположение об однозначном соответствии отраженного сигнала (в общем случае - интенсивность и поляризация) и состава отражающей поверхности. Для достаточно большого числа спектральных каналов, на которых производится измерение интенсивности отраженного сигнала, будут наблюдаться различные результаты для различных отражающих материалов. Гиперспектральным анализом называется спектральный анализ, проводимый для числа спектральных каналов (числа длин волн, для которых измеряется интенсивность) от нескольких сотен до тысяч, а гиперспектрометром - прибор, проводящий одновременное измерение интенсивности излучения сигнала для длин волн, регистрируемых приемником (матрицей) гиперспектрометра и пространственной координаты исследуемой поверхности. Интенсивность отраженного сигнала зависит, разумеется, и от интенсивности сигнала подсветки, в качестве которой может быть использованы как естественные источники света - Солнце, Луна и даже звезды, так и искусственное освещение. С естественным освещением удобно работать при проведении натурных измерений, тогда как использование искусственного освещения удобно для создания спектральной библиотеки образцов и проведения лабораторных исследований. Поскольку сложно произвести натурные измерения при одинаковых условиях, то необходима калибровка получаемых данных с учетом интенсивности и спектра падающего света. Основными величинами, подлежащими изменению при спектральном анализе, являются длина волны, интенсивность отраженного сигнала и пространственная координата исследуемой поверхности. Поэтому центральным объектом гиперспектрального анализа является гиперкуб - массив данных, образуемых значениями интенсивности отраженного сигнала от двумерной поверхности, разбитой на пиксели. Каждому пикселю соответствует спектральная координата - интенсивность и дискретная поляризуемость. Последняя ниже не рассматривается и не реализуется в разрабатываемых алгоритмах, потому в массив данных включаться не будет. Основная особенность гиперспектрального анализа, отличающая его от многозонального или мультиспектрального (с использованием лишь нескольких спектральных каналов), заключается в возможности привлечения для идентификации изображения его дифференциальных характеристик в отличие многозонального изображения, в котором фактически происходит их усреднение по длине волны. Это приводит к принципиальному улучшению информативности данных, так как используются не нескольких (как правило, не более 10) наиболее информативных или простых для регистрации участков спектра, а весь спектр регистрируемых длин волн.

Одним из перспективных направлений приложения гиперспектрального анализа является дистанционное зондирование Земли. Съемка производится с борта самолета, вертолета или спутника, а в качестве источника освещения выступает Солнце. При дистанционном зондировании необходимо учитывать искажение принятого сигнала атмосферой, разное для различных погодных условий, различные углы падения света от источника освещения при проведении работы и при создании базы эталонов. Поэтому пристальное внимание обычно уделяется способам и реализующим их алгоритмам, позволяющим учесть эти эффекты. Перейдем к описанию устройства типового гиперспектрометра.

Устройство гиперспектрометра: Гиперспектрометр состоит из нескольких базовых элементов (рис.1), представленных в каждом приборе и различающихся лишь способом работы, техническими возможностями, а также вспомогательными элементами, не меняющими суть работы системы.

Прибор работает по следующей схеме. Отраженный от объекта исследуемый сигнал попадает на входной объектив 1, фокусирующий его на щель 2. Щель, установленная перпендикулярно направлению движения носителя с гиперспектрометром, “вырезает” узкую полосу снимаемой поверхности. По направлению движения носителя введем ось координат, вдоль которой будем отсчитывать пространственную координату получаемого спектрального изображения.

Рис.1. Схема гиперспектрометра (обозначения: 1 - входной объектив, 2 - щель, 3 - диспергирующий элемент, 4 - оптическая система, 5 - приемник)

Далее, вырезанная полоса попадает на диспергирующий элемент 3 (например, призму), расположенный так, чтобы плоскость разложения света была перпендикулярна щели. Таким образом, полоса света раскладывается по длинам волн, образуя спектральную координату изображения. Разложенный сигнал попадает на оптическую систему 4 (выходной объектив), проектирующий его на приемник цифровой камеры, где изображение фиксируется и сохраняется в виде непрерывной последовательности видеокадров или одного или нескольких кадров видеозаписи в задаваемый программой или же оператором, производящим работу момент времени. Далее уже оцифрованный сигнал записывается управляющим компьютером на жесткий диск, флэшкарту или другое устройство для долговременного хранения и последующего воспроизведения или обработки или же для выдачи на монитор для просмотра оператором. Для каждого пикселя полученного изображения, таким образом, определена яркость, являющаяся третьей “координатой” точки в гиперкубе. По мере движения аппарата (например, пролета над исследуемой поверхностью) снимается новая полоса поверхности, создавая последовательность кадров, позднее объединяемых в цельное изображение снятой поверхности - спектральное изображение. В качестве диспергирующего элемента обычно применяется призма или дифракционная решетка. Наиболее распространенные усовершенствования этого элемента - система фильтров и усилитель. Система фильтров, расположенная за входным объективом, выделяет в падающем свете один или несколько спектральных диапазонов, в соответствии с поставленными перед прибором задачами, а также позволяет пропускать каждый спектральный диапазон через отдельную оптическую систему, повышая точность измерений. За системой фильтров располагается система линз, соединяющая прилежащие области изображений для каждого фильтра и создающая единое изображение. Электронно-оптический усилитель, располагающийся перед приемником, позволяет усилить сигнал. Это часто оказывается необходимым, так как съемка может происходить в полевых условиях при недостаточности солнечного освещения или в лабораторных условиях, где освещение заведомо слабее солнечного. В случае, если гиперспектрометр рассчитан на работу в лабораторных условиях, он может комплектоваться и источником освещения. Кроме того, как оптические системы (входная и выходная), так и диспергирующий элемент (точнее, совокупность элементов, обеспечивающих спектральное разложение света) могут содержать или полностью состоять из зеркал. В случае использования дифракционной решетки в качестве диспергирующего элемента это практически выполняется повсеместно.

Спектральные библиотеки: Спектральный анализ основан на сравнении гистограмм, полученных в ходе съемки, с гистограммами уже известных материалов. Необходимым инструментом анализа являются спектральные библиотеки - базы данных, содержащие, информацию об отражательной способности материалов на различных длинах волн. Крупнейшие общедоступные библиотеки - Johns Hopkins University spectral library, JPL spectral library, USGS Spectroscopy Lab's splib06. Рассмотрим организацию последней библиотеки, которая состоит из одного файла и нескольких программ, обрабатывающих данные. Программы могут быть включены в другие программные продукты. Кроме того, спектральные данные также доступны в HTML-файлах. Файлы разделены на шесть частей по типу материалов (минералы; почвы и камни, их смеси; грунт; жидкости; искусственные материалы; растительность). Такое разделение можно использовать в целях ускорения обработки данных, подключая лишь те части библиотеки, которые заведомо могут быть представлены на изображении, либо обнаружение которых только и представляет интерес. Большая часть файлов содержит описание материала и файла библиотеки. За ним следуют три столбца данных - длина волны, интенсивность отраженного сигнала и среднеквадратичное отклонение (табл. 1).

Табл.1. Пример части файла библиотеки USGS Spectroscopy Lab's splib06

Также файл содержит информацию о диапазоне излучения, разрешении прибора, на котором были проведены измерения, и спектральной чистоте материала.Последний параметр связан с отсутствием лучшего образца или необходимостью измерений в другом, недоступном пока, диапазоне. Для создания библиотеки использовались четыре различных гиперспектрометра, что позволило собрать данные в диапазоне 0.2-150мкм, хотя текущая библиотека включает данные лишь до 5.2мкм. Из-за использования различных приборов при создании базы данных и при работе с ней данные должны быть откалиброваны. Для получения эталонной библиотеки необходимо использовать максимально чистые образцы. При создании JPL spectral library, содержащей спектральную информацию о минералах, образец распылялся, после чего при помощи магнита удалялись металлические примеси, появившиеся в ходе распыления в стальной камере. Далее, при помощи дифракции на рентгеновских лучах определялось содержание примесей в образце. Этот способ, однако, имеет недостаток. Большинство кристаллических веществ можно заметить при концентрации в 1-2% по дифракционным пикам, тогда как некоторые другие вещества преломляют рентгеновские лучи значительно слабее. Кроме того, о наличии примесей можно судить и по виду распределения интенсивности. Ожидая какие-либо примеси в образце и зная их распределение, можно определить их наличие по пикам интенсивности, характерным именно для них. Этот способ, однако, не может претендовать на высокую точность и быстроту обработки. Вместе с тем, определение наличия примесей и их количества необходимо и библиотека должна содержать информацию о чистоте каждого материала. Это необходимо для дальнейшего определения пригодности данных для их использования в конкретных задачах. Но библиотека также должна включать и данные по образцам, являющимся на самом деле смесями многих материалов. Такие смеси исследуются, когда получить лучший образец невозможно или для дальнейшего исследования требуется определить не конкретный минерал, а всю смесь. Химический состав вещества может быть определен с помощью электронного микроскопа. Распыленный образец помещался в алюминиевый держатель, представляющий собой небольшое блюдце. Поверхность образца выравнивалась металлической ложечкой, хотя даже это может привести к нежелательной закономерности во взаимной ориентации частиц, не наблюдаемой в свободном соединении их. Образец освещался одновременно с эталоном - веществом Halon, представляющим собой любое углеводородное соединение, в котором один или несколько атомов водорода замещены бромом, а также другими галогенами. После измерений по известным данным для Halon'а производится калибровка. Процесс получения данных также сопровождается несколькими этапами коррекции, вызванными различными эффектами. Первый - искажение данных около трех микрометров из-за поглощения сигнала водой. Этот эффект заметен даже у безводных материалов. Причина его заключается в оседающих на поверхности материала частицах воды. По данным Johns Hopkins University spectral library поглощение заметно даже при проведении измерений в специально очищенной сухой азотной атмосфере и в условиях высокого вакуума. Нагревание же образца с целью испарения может привести к изменениям в отражательной способности и потому неприемлемо. Вместе с тем, в случае проведения измерений одновременно с исследуемым образцом и эталоном, помещенными в одну камеру, эффект поглощения оказывается в среднем одинаковым для обоих материалов. Но, тем не менее, иногда не удается избежать искажений, связанных с линиями поглощения воды. Следующая проблема, избежать которую также не удается - искажения инфракрасного сигнала в диапазоне 1,3-2 мкм для некоторых приборов. Далее, при измерении приборами, захватывающими небольшие поверхностные площади материала порядка нескольких миллиметров, возникает ослабление сигнала на тех длинах волн, где поглощение слабо и сигнал должен быть сильным. Значительную долю его интенсивности составляют многократно рассеянные фотоны. Некоторые из них в результате рассеяний покидают поверхность вне зоны фокусировки прибора, что и вызывает ослабление сигнала. Впрочем, последние две проблемы связаны с недостатком прибора и потому могут быть обойдены. При изучении некоторых материалов приходится их дробить на значительно меньшие образцы, чтобы достичь достаточной чистоты материала. Это приводит к ограничениям в диапазоне измеряемого излучения в пределах 0,3-2,7 мкм. Перед измерениями также следует определить точность определения длины волны спектрометра. Это можно сделать при помощи измерения отражательной способности материала, для которого данные хорошо известны и проверены, а также содержат множество узких полос поглощения.

Часть сложных процедур, применяемых при создании описанных библиотек, связана с необходимостью калибровки данных для использования их на любом приборе. Соответственно, для работы с этими библиотеками аналогичные процедуры калибровки необходимо провести и на используемом приборе. Кроме того, использование существующих библиотек связано с необходимостью применения программных комплексов, их сопровождающих, и встраивания их в программное обеспечение прибора. Также, далеко не весь спектр материалов и длин волн, представленный в библиотеках, может быть полезен и использован на конкретном приборе и при решении конкретных задач. Все это привело к решению создать собственную библиотеку спектральных данных. Каждому файлу библиотеки может быть присвоено название по желанию пользователя, например, по материалу - песок, вода, в том числе при его занесении в библиотеку во время работы комплекса. Файл хранится в текстовом виде и содержит два столбца данных - длина волны и интенсивность отраженного сигнала. При этом в значении интенсивности, измеряемом от 0 до 1, сохраняются лишь 4 значащие цифры. Это позволяет практически без потери точности при анализе уменьшить объем хранимых данных в 2.5 раза. Работа с такой библиотекой проста как для программы, так и для пользователя при непосредственном анализе данных.

3. Гиперспектральная аппаратура дистанционного зондирования Земли

Гиперспектральная аппаратура дистанционного зондирования Земли предназначена для проведения спектрального анализа характерных сюжетов местности (леса, посевы, почвы, геологические образования и др.) с целью определения состояния регистрируемых объектов (влажность, состав почв, лесов, геологических образований, урожайность и заболевания с/х культур, экология суши и моря и т.д.).

ГСА должна обеспечивать получение информации в составе КА в рабочем диапазоне условий наблюдения на высотах орбиты от 475 до 630 км:

* при углах Солнца от 20 до 90°;

* в диапазоне спектральных коэффициентов яркости объектов от 0,07 до 0,9;

* динамический диапазон спектральных коэффициентов яркости на маршруте не более 20;

* метеорологическая дальность видимости 23 км;

* максимальное значение W/Н не более 0,0145 с-1

Таблица. Основные характеристики

Видео-гиперспектометр: Видео гиперспектрометр - прибор, осуществляющий съемку изображения исследуемой поверхности, причем для каждой точки этого изображения можно получить спектр яркости отраженного излучения в заданном диапазоне электромагнитного излучения. Спектр яркости представляется ограниченным набором спектральных каналов с заданными полосами пропускания. Результатом гиперспектральной видеосъемки является гиперкуб - трехмерный массив данных, две из координат которого соответствуют пространственным координатам, а третья - номеру спектрального канала.

Формирование изображения исследуемой поверхности в нашем приборе осуществляется путем сканирования поверхности за счет движения аппарата носителя, рис. 1.

Рис. 1.Сканирование поверхности гиперспектрометром

Гиперспектрометр в один момент времени регистрирует узкий отрезок поверхности под собой, поперек направления полета. Оптическая схема прибора приведена на рис. 2. Формирование изображения узкого отрезка поверхности производится посредством щели, которая устанавливается на задней фокальной плоскости входного объектива. После коллимирующего объектива изображение в параллельных лучах попадает на призму, где происходит разложение в спектр, и затем проецируется на фотоприемную матрицу. Таким образом, на матрице формируется срез гиперкуба, для определенной пространственной координаты x.

Основные параметры созданного гиперспектрометра приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры гиперспектрометра

Рис. 2.Оптическая схема гиперспектрометра

Рис. 4. Cхема компоновки элементов гиперспектрометра

Конструкция: Конструктивно оптическая часть гиперспектрометра и фотоприемная матрица смонтированы на жесткой металлической плите, схема компоновки элементов приведена на рис. 4. Для учета который закрывается по команде оператора. Кроме гиперспектрального канала, на плите установлена панхроматическая видеокамера, по результатам съемки которой обеспечивается регистрация эволюций носителя и их последующая компенсация.

Монофотонный видео гиперспектрометр: Монофотонный видео гиперспектрометр - спектрометр видимого и ближнего инфракрасного диапазона.

Гиперспектральные технологии (соединение спектрального разрешения с пространственным разрешением) являются в настоящее время стремительно растущим сегментом рынка оптоэлектроники. Применения гиперспектральных технологий простираются от космического мониторинга до нанодиагностики. Прибор представляет собой изображающий спектрометр видимого и ближнего инфракрасного диапазона. Наличие большого числа спектральных каналов (свыше 200) позволяет регистрировать спектр исследуемых объектов с высокой детальностью. Гиперспектрометр может использоваться как средство контроля образования нанообъектов. В частности этот прибор использовался для диагностики образования нанотрубок при горении богатой смеси пропана. Кроме этого прибор является эффективным средством дистанционного зондирования и неразрушающего контроля, например для решения задач медицинской диагностики.В конечном итоге успехи гиперспектрометрии связаны с квантовым характером материи на уровне нанообъектов и спектральные особенности являются макропроявлением структуры нанообъектов. Поэтому популярно определение гиперспектрометрии как химического зрения. Достижение высоких показателей в гиперспектрометрии требует достижения предельной чувствительности фотоприемных устройств вплоть до монофотонной чувствительности. Кроме этого, гиперспектрометрия впитывает такие достижения нанотехнологии как новые оптические материалы с направленными свойствами, Фотонные кристаллы и др. Монофотонные и гиперспектральные системы в настоящее время эффективно используются, или могут быть использованы в ближайшем будущем, для решения широкого спектра задач:

* создание систем трехмерного видения для безопасного движения автотранспорта, вертолетов, робототехнических систем погрузки

* защита воздушных судов, ядерных реакторов и опасных производств от террористических атак

* неинвазивная диагностика наносистем и биологических объектов (в том числе, с привлечением сигнатурного подхода)

* исследования космических лучей

* расшифровка генома и поиск новых лекарств

* создание систем ранней диагностики болезней и контроля органов в процессе операций

* мониторинг земли, лесов и водных ресурсов

* поиск месторождений

* контроль геотехнических систем - трубопроводов, ЛЭП, железных дорог, водных артерий и др.

* оценки токсикологической и экологической обстановки

4. Гиперспектральные космические снимки

Спектроскопия - это наука о формировании цифровых изображений земной поверхности в нескольких смежных спектральных каналах и создании полных спектральных сигнатур без пропусков спектров. Получаемые изображения сходны с мультиспектральными, но отличаются от последних тем, что у каждого пикселя количество цветовых каналов не ограничивается тремя основными: красным, зеленым и синим. При формировании гиперспектрального изображения из собранных данных создается «куб данных» или «кубическая модель изображения», которая отображает объекты и информацию, не доступную для обычных мультиспектральных сканнеров.

На разных спектральных каналах каждый элемент, в зависимости от своей отражательной способности, оставляет уникальную спектральную сигнатуру, которую также называют кривой спектрального отражения. Разные материалы распознаются по общей форме спектральной кривой, а также расположению и яркости полос поглощения. Спектры отражения материалов, чей состав известен, рассчитываются в лабораторных условиях, а затем собираются в библиотеку спектров, что облегчает анализ гиперспектральных снимков. В открытом доступе находится несколько библиотек, содержащих спектры отражения природных и искусственных материалов. Эти библиотеки дают сведения, облегчающие дешифрирование гипер- и мультиспектральных снимков. Мультиспектральный сенсор формирует несколько изображений на «отдельной узкой полосе частот» от видимого до инфракрасного спектра, а гиперспектральный сенсор одновременно формирует изображения на всех участках спектрального диапазона и получает спектры всех пикселей сцены. Для гиперспектрального сенсора важно не количество измеряемых спектров, а узость и последовательность измерений, т.е. сенсор с 20 каналами будет гиперспектральным, если он покрывает диапазон 500-700нм, при этом ширина каналов 20 10нм, а сенсор с 20 отдельными каналами, покрывающими видимую область спектра, ближнюю, коротковолновую, среднюю и длинноволновую ИК-области, будет считаться мультиспектральным.

Области применения: В отличие от мультиспектральных изображений гиперспектральные снимки более детально отображают земную поверхность. Подробная классификация сложных экосистем Земли на базе гиперспектральных снимков позволит повысить точность применения ДДЗ в таких областях как, разведка месторождений, геология, лесное и сельское хозяйство, охрана окружающей среды.

Проекты, в которых используются гиперспектральные снимки, как правило, решают следующие задачи:

· Обнаружение цели (объекта): выделение объекта из множества подобных или обнаружение объектов, размер которых меньше номинального размера пикселя.

· Распознавание материалов: анализ данных гиперспектральных снимков для распознавания неизвестных материалов. Составление карт материалов с указанием географических зон их распространения.

· Дифференциация материалов: различение материалов со сходными спектральными характеристиками.

· Отображение поверхности: отображение особенностей поверхности, нераспознаваемых на других снимках.

Таблица 1: Области применения гиперспектральных космических снимков

Сложности: Гиперспектральные снимки содержат огромное количество информации, но дешифрировать их непросто. Для этого необходимо точно знать, какие характеристики материалов определяются, и как они соотносятся с измерениями, выполняемыми гиперспектральным сенсором. Хотя потенциал гиперспектральных снимков огромен, при анализе / обработке этих уникальных снимков следует учитывать следующие аспекты:

· Точные поправки (поправочные коэффициенты) на атмосферные условия

· Наличие спектральных библиотек

· Смешение спектров

Гиперспектральные сенсоры: датчики на борту космических аппаратов и самолетов

Гиперспектральные снимки доступны не так широко, как другие данные дистанционного зондирования. Космических аппаратов, на борту которых установлены гиперспектральные сенсоры, немного. Среди них Hyperion на борту спутника НАСА EO-1, CHRIS на борту спутника PROBA, принадлежащего Европейскому космическому агентству, FTHSI на борту спутника MightySat II исследовательской лаборатории военно-воздушных сил США.

Новые гиперспектральные сенсоры: Гиперспектральные сенсоры станут мантрой оптических сенсоров следующего поколения. Спектры отражения объектов земной поверхности дают исследователям обширный материал для подробного анализа и создания целого ряда продуктов. Некоторые страны стремятся разработать свои гиперспектральные сенсоры для решения задач экологического мониторинга, оценки рисков, разведки полезных ископаемых и т.д.

Каолинит, смыкание крон, концентрация хлорофилла, водные испарение воды, карта полезных ископаемых, мониторинг «хвостов» при добыче полезных ископаемых, фракции почв и пр.

Исследования, касающиеся применения снимков высокого спектрального разрешения для решения различных задач в области картографирования земных ресурсов и состояния окружающей среды, мониторинга рисков ведутся на протяжении двух десятилетий. Анализ гиперспектральных снимков стал одной из самых эффективных и быстро развивающихся методик дистанционного зондирования. Сегодня гиперспектральные снимки, в отличие от других ДДЗ, позволяют извлекать более точную и детальную информацию. Данные с многочисленных каналов о спектрах отражения объектов земной поверхности дают обширный материал для подробного анализа. Среди оптических сенсоров следующего поколения гиперспектральным датчикам будет отведена важная роль. Успешное применение таких приборов определяется возможностью обнаружения небольших изменений спектральных свойств одного или нескольких отображаемых объектов и целостностью процесса калибровки сенсора. Эти требования помогли повысить отношение сигнал-шум, стабильность работы системы и уровни контролируемой спектральной и радиометрической калибровки. Поскольку новые сенсоры поставляют все больше гиперспектральных снимков, и разрабатываются новые алгоритмы обработки снимков, гиперспектральные снимки станут в будущем эффективным инструментом научных исследований, проведения разведки полезных ископаемых и мониторинга природных ресурсов и их устойчивого развития.

Съемочные системы основных ресурсных спутников - Landsat, SPOT, «Ресурс-О» - имеют достаточно широкие спектральные зоны съемки в видимой и ближней инфракрасной частях спектра, преимущественно 100 нм. При небольшом числе съемочных каналов, в большинстве случаев 4-6, это в целом устраивало потребителя, а сами системы предназначались для решения специализированного узкого круга задач. Так, концентрацию фитопланктона, определяемую на основе расчета цветового индекса вод океана, исследовали с помощью цветового сканера береговой зоны CZCS со спутника Nimbus, а затем сканера SeaWIFS на спутнике SeaStar, используя информацию в голубой и зеленой спектральных зонах. Вегетационный индекс для оценки биомассы растительности суши получают по снимкам со спутников Landsat, SPOT , а в глобальном масштабе NOAA, используя информацию в красной и ближней инфракрасной зонах радиометра AVHRR. Тепловой канал AVHRR служит основным источником для составления карт температур поверхности суши и океанов.

Конец ХХ века ознаменовался осознанием глобальных экологических проблем, необходимости комплексного изучения планеты Земля как системы. В связи с этим значительное внимание уделяется таким обзорным съемочным системам, позволяющим работать в глобальном масштабе, которые бы удовлетворяли весь комплекс задач изучения Земли, связанных с контролем ее экологического состояния. Для решения задач длительного наблюдения Земли NASA разработана программа EOS (Earth Observing System), предусматривающая запуск нескольких спутников EOS, в совокупности рассчитанных на 15 лет работы. Первый спутник EOS-AM1 начал выполнять съемку с февраля 2000 г. Спутник оснащен многоспектральными системами сбора информации. Одна из них - сканирующий радиометр среднего разрешения MODIS (Moderate resolution Imaging Spectroradiometer) с охватом полосы обзора 2300 км, то есть практически ежедневным повторением съемки, работает в 36 каналах в диапазоне с длинами волн от 0,4 до 14,4 мкм (такую многоканальную съемку называют гиперспектральной). Два канала в видимой и ближней инфракрасной части спектра имеют разрешение 250 м ,пять - 500 м, остальные 1000 м (MODIS, 1995). Весь набор съемочных каналов MODIS позволяет заменить им данные нескольких прежде работавших съемочных систем различного назначения, например, CZCS (SeaWIFS) и AVHRR, с дополнением новыми каналами в тепловом диапазоне. Это способствует комплексированию исследований, выполнению одной системой разнообразных задач, многофункциональности системы.

Увеличение числа каналов сопровождается повышением спектрального разрешения, то есть использованием узких спектральных зон, что дает возможность вести наблюдение в полосах поглощения хлорофилла, воды и других важных компонентов, повышает достоверность определения объектов съемки и их состояния по спектральным признакам. Ширина съемочных зон - 10 нм в видимом диапазоне (вместо традиционных 100 нм). В качестве примера преимуществ такого повышения спектрального разрешения может служить расчет вегетационного индекса по данным NOAA и MODIS. Широкий инфракрасный канал радиометра AVHRR охватывал не только область «инфракрасного плато» в кривой спектральной яркости растительности, но и полосу поглощения водяного пара, что снижало коэффициенты отражения растительности в этом канале и делало их зависимыми от содержания воды в атмосфере. Более узкий инфракрасный канал MODIS приходится точно на «инфракрасное плато» и данные теперь не зависят от состояния атмосферы (Gao, 2000).

Другой пример гиперспектральной съемочной системы - 14-канальный радиометр ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer), работающий на том же спутнике EOS. Он разработан совместной американо-японской группой и предназначен для менее обзорной (60 км) , но более детальной съемки: три канала в видимом диапазоне обеспечивают изображение с разрешением 15 м (при ширине каналов 6-10 нм), 6 каналов в ближнем инфракрасном диапазоне - с разрешением 30 м и 5 каналов в тепловом инфракрасном - с разрешением 90 м.

Круг задач, для решения которых поставляют информацию эти системы, охватывает атмосферу, океан и сушу. Исследования атмосферы включают определение толщины облаков, типов облачности в зависимости от состава (кристаллы льда, снега, капли воды), измерение концентрации водяного пара во всем столбе воздуха под спутником, определение содержания аэрозолей, эмиссии вулканических газов, пылевых бурь. При исследованиях океана кроме традиционного определения температур водной поверхности, столь важного для изучения морских течений и для рыбопромыслового прогнозирования, открываются новые возможности мониторинга первичной продуктивности океана, концентрации фитопланктона и хлорофилла, а также флюоресценции хлорофилла, свидетельствующей об остановке фотосинтеза, то есть о состоянии водорослей. При изучении морских льдов определение их температур позволяет судить о мощности и возрасте льдов. В исследованиях суши появляются более совершенные методы изучения распределения растительности и ее состояния, первичной продуктивности, количественных оценок биомассы растительности с использованием показателей NDVI - вегетационного индекса, LAI - индекса листового покрытия,. а также индекса FRAR - части радиации, поглощенной при фотосинтезе (Zhang et al, 2000; Tian et al, 2000). Сочетание съемки в видимом и тепловом инфракрасном диапазонах увеличивает возможности мониторинга лесных пожаров. Система обработки данных предусматривает изготовление по специальным алгоритмам глобальных и региональных карт LAI, NDVI, FRAR, толщины облаков и их типа, высоты и температуры верхней границы облачности, снежного покрова и морских льдов, температур поверхности суши и моря, концентрации хлорофилла-а, флюоресценции хлорофилла-а и др.

Поскольку программа EOS рассчитана на 15 лет, то гиперспектральная информация в ближайшем будущем должна занять в дистанционном зондировании видное место. Гиперспектральная съемка предусмотрена и в других планируемых программах. Например, на европейском ресурсно-океанологическом спутнике ENVISAT, который должен сменить работающие сейчас спутники ERS, наряду с радиолокационной съемкой предусмотрена 15-канальная система MERIS, работающая в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах от 390 до1040 мкм с разрешением 300-1200 м, а также 7-канальная система AATSR для съемки с разрешением 1 км в видимом, ближнем инфракрасном и тепловом инфракрасном диапазонах, которые позволяют решать задачи мониторинга концентрации фитопланктона, биомассы растительности, температур поверхности воды и суши.

Таким образом, переход к гиперспектральной съемке становится не единичным, а типичным явлением, и необходимо уметь использовать эту информацию.

При исследовании антропогенного воздействия на природу, решении экологических задач в этом виде съемки наибольший интерес могут представлять виды производной продукции, с помощью которых изучают состояние растительности - LAI, NDVI, FRAR, поскольку именно растительность является индикатором состояния природной среды, ее загрязнения. Особый интерес представляет также сочетание видимого и теплового инфракрасного каналов для контроля за лесными и торфяными пожарами, факелами сжигания нефти и газа. Значительная часть съемочных зон (17 из 36) предназначена для исследований атмосферы, в том числе ее загрязненния - содержания в ней аэрозолей и водяного пара, а один из каналов специально предназначен для контроля за состоянием озонового слоя. Таким образом экологический аспект гиперспектральной съемки очевиден.

Гиперспектральные аэросъемочные системы -- это десятки и даже сотни каналов. Так, например, в гиперспектральном сканере CASI_1500 (ITRES Ltd., Канада) их более 250 (рис.2).

Кстати, CASI -- Compact Airborne Spectral Imager, переводится как «компактный авиационный генератор спектральных изображений». Цифра 1500 означает количество пространственных элементов в линейном CCD-приемнике. CASI_1500 -- это наиболее известный и распространенный прибор последнего десятилетия в своем классе, образец технического совершенства, другими примерами которого является самолет DC_3 или компьютер IBM_360.

Рассмотрим более подробно возможности и области применения гиперспектрального сканера CASI_1500. Его основные технические характеристики приведены в таблице. При работе с прибором необходимо учитывать следующие ограничения. Он может работать при температуре окружающей среды от 0 до +350 C и влажности 20-80% без конденсации. Максимальная высота полета составляет 3048 м над уровнем земли (негерметичная кабина, среда без образования конденсата).

Управление работой сканера осуществляет оператор, используя для этих целей клавиатуру и интерфейс в системе Windows, а также 12'' дисплей, позволяющий работать при солнечном освещении. Дисплей имеет разрешение 800x600 пикселей и обеспечивает максимальную «цветовую» температуру 93000С. Возможна поставка 15'' дисплея. Во время съемки снимаемая сцена, диагностические сообщения, величина уровня спектрального сигнала отображается на дисплее в режиме реального времени. Возможна дистанционная диагностика компьютерного блока через Ethernet. В качестве цифровых накопителей данных используются заменяемые жесткие диски SCSI или FireWire. Для обработки данных имеется программное обеспечение, работающее в операционной среде Linux или Windows. В качестве программы просмотра используется Quicklook. Вывод данных осуществляется в 16-битном BIP_формате, совместимом с ENVI (возможно использование форматов BIL, BSQ).

Вывод дополнительных данных для контроля качества (временных меток, углов ориентации, протокола работы, данных GPS и состояния аппаратуры) производится в формате ASCII. Кроме того, может выполняться вывод диагностической информации и избранных диапазонов. Пространственная геопривязка гиперспектральных изображений осуществляется с помощью GPS/IMU_системы, представляющей собой интеграцию POS AV, SPANS и CMIGITS. Осуществляется синхронизация данных: GPS, ориентация и поток данных изображения. Используется программа блочного уравнивания, что не требует наземных опорных точек. Программное обеспечение, применяемое для выполнения геокоррекции, ортокоррекции и создания фотомозаики, имеет: