ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 13.09.2020
Просмотров: 308
Скачиваний: 4
Лекция №2 Физические основы аэрокосмических методов
Краткое содержание
Представление о физических основах АК-методов. Понятие об электромагнитном спектре. Методы регистрации излучения: фотографический, фотоэлектрический, термоэлектрический. Природные условия съемки. Освещенность местности, отражательная способность природных образований и способы ее изучения. Собственное излучение Земли. Оптико-метеорологические условия съемки. Погодные и сезонные условия съемки. Окна прозрачности. Коэффициент яркости. Коэффициент спектральной яркости. Спектрометрирование.
Показ презентации
Лекция 2 Физические основы аэрокосмических методов
План
-
Представление о физических основах АК-методов
-
Понятие об электромагнитном спектре
-
Методы регистрации излучения: фотографический, фотоэлектрический, термоэлектрический
-
Природные условия съемки
-
Окна прозрачности. Коэффициент яркости. Коэффициент спектральной яркости
-
Спектрометрирование
1. Представление о физических основах АК методов (источник Дагуров, с. 9)
Электромагнитные волны и их свойства
Солнца является по своей природе некогеретным, следовательно, и отраженные земной поверхностью оптические волны также будут некогерентными.
Спектр электромагнитного излучения охватывает волны длиной от фемтометров (1 фм – 10-15 м) до тысяч километров. Он непрерывен и делится на несколько областей, иначе называемых зонами или диапазонами. Границы между ними достаточно условны.
Просмотр презентации (источник Презентация Structural_Geology_7)
2. Понятие об электромагнитном спектре (источник Чандра, с. 25)
Любое тело, температура которого выше абсолютного нуля (0 К),является источником электромагнитного излучения, поскольку его молекулы находятся в возбужденном состоянии, которое отличается от состояния полного покоя. В частности, такими источниками являются Солнцу и Земля.
Все тела при температуре выше абсолютного нуля излучают электромагнитные волны, которые могут иметь разную длину волны. Диапазон длин волн от гамма-излучения до радиоволн принято называть электромагнитным спектром (рис. 2.1)
Рис. 2.1. Диапазоны электромагнитного спектра
При дистанционном зондировании используют несколько диапазонов электромагнитного спектра. Ту его часть, в которой применимы законы оптики, называют оптическим диапазоном.
Законы оптики описывают такие явления, как отражение и преломление, которые можно использовать для фокусировки излучения. К оптическому диапазону относится рентгеновское излучение (0,002 мкм), видимый свет и инфракрасное изучение вплоть до дальней зоны (1000 мкм). Наименьшие длины волн, которые используются при дистанционном зондировании, относятся к ультрафиолетовой части спектра, расположенной непосредственно за фиолетовой зоной видимого диапазона.
Видимый диапазон, который часто называют световым, занимает относительно небольшую часть электромагнитного спектра. Это единственный диапазон, в котором применимо понятие цвета. Основными цветами принято считать синий, зеленый и красный. Это относится и к соответствующим диапазонам видимого спектра.
Наибольшие длины волн, которые используют при дистанционном зондировании, принадлежат тепловому инфракрасному и микроволновому диапазонам. Тепловое инфракрасное излучение содержит информацию о температуре поверхности, которая может быть связана, например, с минеральным составом пород или с определенной растительностью. Микроволновый диапазон используют для получения информации о шероховатости и других свойствах поверхности, в частности о содержании влаги.
3. Методы регистрации излучения: фотографический, фотоэлектрический, термоэлектрический (источник Дагуров, с.33)
Излучения регистрируются несколькими способами, основанными на его химическом, тепловом и электрическом действии. При этом используются различные приемники (детекторы) излучения – фотографические материалы, фотоэлектрические и термоэлектрические элементы, а также антенны в микроволновом диапазоне.
Важнейшей характеристикой приемников является чувствительность – общая и спектральная.
Наряду с техническими детекторами в аэрокосмических методах используется и очень совершенный биологический приемник – человеческий глаз. Фоторецепторы сетчатки глаза воспринимают видимый свет в диапазоне 0,38–0,75 мкм, что вызывает у нас субъективные световые и цветовые ощущения. Глаз, чувствительность которого может меняться почти в миллион раз, лучше всего воспринимает излучение с длиной волны 0,556 мкм. Поэтому зеленовато-желтый цвет виден как наиболее яркий. В современных аэрокосмических методах зрение играет исключительно важную роль для получения информации как во время аэровизуальных и космических наблюдений земной поверхности, так и в процессе камеральной обработки аэрокосмических снимков – при их дешифрировании и фотограмметрических измерениях. Поэтому особенности зрительного восприятия учитываются при конструировании приборов; они определяют оптимальные условия обработки человеком снимков и т .д.
До недавнего времени широко распространенным химическим приемником излучения служили фотографические материалы, которые применялись на многих этапах обработки аэрокосмической информации, начиная с ее регистрации и кончая представлением окнчательной продукции в виде фотоснимков.
Черно-белые фотографические материалы. Основу их составляет светочувствительный фотографический (эмульсионный) слой, в котором взвешены микроскопические (около 1 мкм) кристаллы бромистого серебра. От их размера зависит чувствительность слоя: чем крупнее кристаллы, тем выше светочувствительность. С помощью современных фотоматериалов можно зарегистрировать спектральное излучение с длинами волн 0,45–0,95 мкм.
Разрешающая способность. Возможность раздельного воспроизведения мелких близко расположенных деталей изображения характеризуется разрешающей способностью. Ее определяют по фотоизображению специального стандартного тест-объекта — миры (рис. 3.1)
Рис. 3.1 Штриховая (а) и радиальная (д) миры для определения разрешающей способности
Штриховая мира состоит из элементов с различным числом штрихов, приходящихся на один погонный миллиметр. Штрихи миры делают абсолютно белыми и абсолютно черными, т .е. их визуальный контраст Кв = 1.
Раньше разрешающую способность измеряли в линиях на миллиметр (л/мм), в настоящее время в качестве единицы измерения приняты миллиметры в минус первой степени(мм-1). Когда говорят, что фотоматериал имеет разрешающую способность 50 линий на миллиметр (50 мм-1), то это значит , что он может раздельно воспроизвести на одном погонном миллиметре 50 черных штрихов миры шириной в 0,01 мм и 50 белых штрихов такой же ширины, иначе говоря, 50 пар черно-белых штрихов.
Цветные фотоматериалы. Для получения цветного изображения в светочувствительный фотографический слой дополнительно вводят специальную светообразующую компоненту. Наиболее распространены компоненты, дающие желтый (Ж), пурпурный (П) и голубой (Г) цвета. Для получения цветных снимков используют многослойные (двух- и трехслойные) фотоматериалы. Трехслойное строение фотоматериала позволяет получить три точно совмещенных цветоделенных изображения, окрашенных в желтый, пурпурный и голубой цвета. Изготовление позитива на трехслойном фотоматериале аналогичного строения позволяет воспроизвести объект в цветах, близких к натуральным.
Электрическая регистрация излучения. С помощью электрических приемников излучения удается регистрировать весь спектр электромагнитных волн, используемых при аэрокосмических исследованиях. При регистрации оптического излучения ответный электрический сигнал возникает или вследствие непосредственного воздействия излучения на чувствительный элемент приемника (фотоэлектрический эффект), или вследствие его нагревания (термоэлектрический эффект). В соответствии с этим приемники излучения в оптическом диапазоне делят на фото- и термоэлектрические. Регистрация излучения в радиодиапазоне основана на возникновении переменного электрического тока в проводнике (антенне) при воздействии на него радиоизлучения (электромагнитная индукция).
Фотоэлектрические приемники, или фотоэлементы, основаны на внешнем (электровакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители) и внутреннем фотоэлектрическом эффекте (полупроводниковые фотосопротивления, фотодиоды и др.).
У электровакуумного фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) чувствительный элемент делают из металла, который под действием поглощенного излучения испускает электроны. Вырванные светом электроны многократно попадают на промежуточные чувствительные элементы, что значительно усиливает вырабатываемый ФЭУ фототок. Электровакуумные фотоэлементы наиболее чувствительны к видимому излучению. Их достоинство – высокие фотометрические свойства.
В полупроводниковых фотоэлементах – фотосопротивлениях (фоторезисторах) – чувствительный элемент делается из полупроводника, который под действием излучения резко изменяет электрическое сопротивление. Различные полупроводники (селен, кремний, теллур, германий и др.) позволяют изготовлять фотоэлементы, чувствительные к видимому и инфракрасному излучению.
В неоднородных полупроводниках (например, у кремния) под действием излучения наряду с изменением сопротивления наблюдается также образование собственной электродвижущей силы (фотогальванический эффект). Это явление лежит в основе действия фотодиодов – небольших по размеру фотоэлементов, отличающихся высокой чувствительностью во всех спектральных диапазонах и большим сроком службы.
В настоящее время для регистрации излучения широкое распространение получили приборы с зарядовой связью, так называемые ПЗС-приемники. Это многоэлементные фотоэлектрические приемники излучения, которые состоят из миниатюрных фотодиодов, соединенных в одномерные линейки или двумерные матрицы. Размер отдельного чувствительного элемента приемника очень мал – меньше 0,01 мм. Лучшие образцы современных приемников-линеек включают более десяти тысяч, а матрицы – несколько миллионов чувствительных элементов. Цикл работы этих детекторов включает выработку ответного электросигнала, интенсивность которого пропорциональна яркости подействовавшего на приемник света, запоминание сигнала каждого элемента и их последовательное считывание. Управляя считыванием, возможно выбирать отдельные элементы или их группы для получения результирующего сигнала. Применение многоэлементных фотоэлектрических приемников ПЗС для регистрации излучения открыло широкие перспективы в создании геометрически и радиометрически точных многозональных съемочных систем высокого пространственного разрешения, которые можно быстро адаптировать к изменяющимся внешним условиям съемки.
Общая чувствительность фотоэлектрических приемников в несколько раз выше, чем фотопленок, что позволяет вести съемку при сравнительно коротких выдержках или более низкой освещенности. Ценными их свойствами являются также чувствительность к инфракрасному излучению, возможность регистрировать более широкий диапазон интенсивности излучения, а также линейная зависимость между ответным электрическим сигналом и подействовавшим излучением.
Термоэлектрические приемники. Для регистрации теплового инфракрасного излучения применяются приемники, которые реагируют на поглощенное излучение нагреванием чувствительного элемента. Работа термоэлектрического приемника болометра основана на изменении электрического сопротивления нагревающейся зачерненной металлической фольги; в терморезисторах используют полупроводники, которые чувствительны не только к свету, но и к нагреванию (германий с включением ртути). Для надежной работы термоэлектрического приемника необходимо его глубокое (-200°С) охлаждение. Термоприемники менее чувствительны и медленнее реагируют на воздействующее излучение, чем фотоприемники.
Важным показателем электрических приемников излучения служит внутренний шумовой ток. Чем лучше соотношение сигнал/шум, тем более высокое разрешение могут иметь съемочные системы с электрическими приемниками излучения.
Оптико-электронный способ съемки насчитывает всего несколько десятилетий своего существования. Необходимость оперативной передачи материалов съемки из космоса привела к интенсивному развитию оптико-электронных, сканерных съемочных систем. При значительном разнообразии конструктивных решений они основаны на общем принципе. Принцип сканерной съемки заключается в поэлементном считывании вдоль узкой полосы отраженного земной поверхностью излучения, а развертка изображения идет за счет движения носителя, поэтому оно принимается непрерывно. Излучение, поступившее от источника, преобразуется в электрический сигнал, затем в виде радиосигнала сбрасывается на Землю, где снова преобразуется в электрический сигнал и фиксируется на магнитных носителях. При такой съемке появляется возможность в течение длительного времени непрерывно получать информацию и оперативно (в режиме реального времени или с задержкой на несколько часов) передавать ее на приемную станцию.
Основное отличие снимков, полученных сканирующими съемочными системами, от фотографических — их дискретный характер. Благодаря ему и записи в виде электрического сигнала сканерные снимки имеют преимущество перед фотографическими при автоматизированной обработке с применением компьютеров или специальных систем обработки изображений. Сканерные снимки могут быть предоставлены потребителям как в виде цифровой записи на магнитном носителе, так и преобразованными в фотографическое изображение. По геометрическим свойствам они уступают фотографическим снимкам.
В пределах каждого элемента сканерного изображения (пиксела) яркости земной поверхности осредняются, поэтому разрешение сканерного снимка зависит от размера пиксела. Первые сканирующие системы для съемки в оптическом диапазоне спектра имели разрешение 1-2 км, но их совершенствование идет очень быстро, и в настоящее время достигнуто разрешение в первые метры.
Сканерная съемка чаще выполняется в многозональном варианте. Большинство сканеров, работающих в оптическом диапазоне, как отечественных, так и зарубежных, имеют три одинаковых канала: 1,5-0,6 мкм, 0,6-0,7 мкм и 0,8-1,1 мкм. К ним в разных конструкциях добавляются каналы в других участках спектра: в ближнем и тепловом инфракрасных, а также так называемый панхроматический канал, обеспечивающий получение снимков с более высоким разрешением
Радиолокационная съемка заключается в зондировании земной поверхности радиосигналом. На борту носителя — самолета или спутника устанавливается радиолокатор — активный микроволновый датчик, способный передавать и принимать поляризованные радиоволны в заданном диапазоне частот. Развертка сигнала производится по принципу сканера, т.е. переход от одной строки к другой идет за счет перемещения носителя. Количество энергии, возвращенной на антенну локатора, называется «обратным рассеянием».