Способ определения вида естественной подстилающей поверхности
Использование: отражательная спектрометрия естественных подстилающих поверхностей . Сущность изобретения: коэффициент отражения исследуемой поверхности определяется путем активного зондирования двумя излучателями в диапазонах длин волн 0,6-0,7 и 0,9-1,0 мкм, при котором об отражательных свойствах поверхности судят по соотношению их яркостных контрастов с опорным уровнем. 3 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР Я 1iivn g ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4787557/25 (22) 31.01.90 (46) 15.05.92. Бюл. N. 18 (71) Одесский государственный университет им. И. И. Мечникова (72) В. А, Черешанский и И. А, Иванченко (53) 535.024 (088,8) (56) Патент США N 4690553, кл. G 01 N 21/55, 1987. Заявка Японии N. 62-37890, кл. G 01 N 21/55, 1988. Изобретение относится к отражательной спектрометрии естественных подстилающих поверхностей и,может быть использовано в приборах, предназначенных для распознавания покрытий по коэффициенту отражения. Известен способ определения состояния дорожного покрытия по величине отраженного ИК-излучения, Длина волны ИК-излучения источника подобрана так, что отражение от снега меньше., чем от сухого дорожного покрытия. Приемник формирует сигналы, характеризующие отраженную световую энергию. B компараторе проводится сравнение выходных сигналов приемника с эталонными сигналами, соответствующими систематизированным состояниям дорожных покрытий. Оценочный блок проводит определение соответствия состояния исследуемого дорожного покрытия одному из систематизированных состояний дорожных покрытий. Недостатком этого способа является сложность определения состояния дорожного покрытия. „„Ы„„1733979 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВИДА ЕСТЕСТВЕННОЙ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ (57) Использование: отражательная спектрометрия естественных подстилающих поверхностей. Сущность изобретения: коэффициент отражения исследуемой поверхности определяется путем активного зондирования двумя излучателями в диапазонах длин волн 0,6 — 0,7 и 0,9 — 1,0 мкм, при котором об отражательных свойствах поверхности судят по соотношению их яркостных контрастов с опорным уровнем, 3 ил. Наиболее близким к предлагаемому является двухспектральный способ контроля состояния дорожного покрытия. Способ предполагает использование двух источников света видимого и ИК-участков спектра, направляемого на участок дороги. Приемная часть устройства состоит из трех каналов. Два приемника предназначены для приема рассеянных поверхностью видимых и ИК-лучей, третий — для приема зеркально отраженных видимых лучей. Логическая решающая схема принимает выходные сигналы детекторов и контролирует состояние дороги по их уровню относительно пороговой величины, соответствующей образованию льда на ее поверхности. Недостатком известного способа является использование трех каналов приема отраженного излучения, поскольку способ включает, кроме анализа в двух областях спектра, исследование индикатрисы отражения с целью выявления ее зеркальной составляющей, возникающей при образовании льда на дорожном покрытии. 1733979 Целью изобретения является упрощение определения отражательных свойств поверхности. На фиг, 1 изображена блок-схема устройства определения отражательных 5 свойств поверхности; на фиг, 2 — спектральная характеристика коэффициента отражения различных естественных подстилающих поверхностей; на фиг, .3— зависимость выходного сигнала фотопри- 10 емника от расстояния до исследуемой поверхности, Устройство для реализации способа со держит излучатели 1 и 2 с длиной волны излучения в пределах спектральных диапа- 15 зонов 0,6 — 0,7 и 0,9 — 1,0 мкм соответственно, которые генерируют световые потоки, направляемые на исследуемую поверхность 3. Фотоприемник 4 соединен с входом схемы 5 сравнения, к другому входу которой под- 20 ключен блок 6 опорного уровня..Выход схемы 5 сравнения соединен с входом схемы 7 идентификации вида поверхности. Способ осуществляют следующим образом. 25 Для реализации способа необходимо произвести настройку измерительного устройства в лабораторных условиях, которая включает следующие операции. Устанавливают два излучателя с длиной 30 волны излучения в указанных ранее спектральных диапазонах и фотоприемник на одной базовой линии или по крайней мере базовой плоскости, Размещают. эталонную поверхность с коэффициентом отражения 35 р 0,45 на фиксированном расстоянии I перпендикулярно к оптической оси приемоизлучательного устройства. Приводят излучатели к единому уровню мощности и углу распространения, Настраивают при- 40 емоизлучательную систему на фиксированное расстоя ние (путем юстировки оптических элементов, обеспечивающей максимальный фотоответ приемника в обоих спектральных каналах. 45 Регистрируют напряжения Офд(Л ) и Uyq(Лг ), соответствующие коэффициенту отражения от эталонной поверхности, и рассчитывают величины опорного уровня, Затем с помощью настроенного изме- 50 рительного устройства производят определение вида поверхности в следующем пг рядке. Измерительное устройство устанавливают на расстоянии I от исследуемой повер- 55 «ости так, что оптическая ось устройства :омальна к ней. Последовательно измеряфотсответ на двух длинах волн, затем .: .,числяют яркостный контраст К для данной поверхности и сравнивают с опорным уровнем Кго. По величине К и соотношению с Кьо определяют вид исследуемой поверхности. Способ основан на статистических данных о спектральном коэффициенте отражения ряда естественных поверхностей, приведенных на фиг. 2. На фиг, 2 обозначено: кривая снега с ледяной коркой; 9 — кривая снега крупнозернистого; 10 — кривая водной поверхности озера, 11 — кривая почвы после талого снега; 12 — кривая силосной кукурузы; 13— кривая высокой зеленой кукурузы; 14 — кривая кукурузы желтой; 15 — кривая суданки; 16 — кривая чернозема; 17 — кривая стерки злаков. Анализ этих данных в спектральном диапазоне 0,5 — 1,0 мкм показал, что по величине коэффициента отражения и характеру спектральной зависимости естественные поверхности делятся на две группы. В одной группе, к которой относятся большинство почв, дорожных покрытий и растительных покровов, наблюдается монотонный или скачкообразный рост коэффициента отражения с увеличением длины волны, Общий диапазон изменения величины коэффициента отражения для них составляет 5 — 35 О . В другой группе, состоящей из снежных покровов, коэффициент отражения уменьшается в пределах 80 — 55, Обнаруженные особенности спектральной зависимости коэффициента отражения используют для селекции естественных поверхностей. В соответствии со спектральным методом распознавание поверхностей производится по величине и знаку среднего яркостного контраста поверхности в двух спектральных диапазонах KI(AR, лЛ ), который определяется как где LnI — средняя яркость поверхности -й группы; ЛЛ1, ЛЛг — спектральные диапазоны. Учитывая, что большинство естественных поверхностей является диффузными ламбертовыми отражателями, яркость их при активном зондировании потоком спектрального диапазона выражается как 1 и; (ЛЛ) =р Л Е Д,Л/7г, (2) где рдЛ вЂ” коэффициент отражения поверхности; Е дЛ вЂ” освещенность поверхности, создаваемая излучателем с яркостью L Л и определяемая дальностью I. Одним из условий спектрального анализа является равенство мощности исследуемого энергетического потока на разных длинах волн. В данном случае это значит, что Е g =Е==сопэт. (3 . Учитывая выражение (3), получим L„; (ЛА) =Рgg ЕЛт = С1РЛ)., (4) где С1=Е/ л:. Следовательно, яркость поверхности в определенном спектральном диапазоне определяется ее коэффициентом отражения. соответствующим данному спек-.ральному диапазону Это зна ит, что яркостный контраст поверхности в двух спектральных диапазонах определяется разностью сооТ ветствующих им спектральных коэффициентов отражения. т. е. К1 (Л Л1, Л .г ) = C1 (у Л).1 — р Л).z ), (5) где р Л,1,, р Л,1, — коэффициенты отражения поверхности для спектральных диапазонов Л .1 и ЛЬ соотве ственно. Установлено, что максимальные значения яркостного контраста соответствуют двум спектральным диапазонам 0,6 — 0,7 и 0,9-1.0 мкм, Этим обусловлен выбор рабочих спектральных диапазонов для предлагаемого способа. При выборе спектральных диапазонов измерения рассматривались области спектра с наибольшей разностью спектрального коэффициента отражения. Основным критерием выбора является получение максимального значения яркостного контраста, величина которого служит определяющим признаком вида поверхности. Исследованы значения яркостного контраста на длинах волн 0,6-0,9 мкм и 0,71,0 мкм. соответствующих поедлагаемым спектральным диапазонам, и в сочетаниях 0,5 — 0,9 мкм, 0,6 — 0,8 мкм и 0,8-1,0 мкм. включающих одну длину волны за пределами выбранных спектральных диапазонов. Сравнение количественных значений яркостного контраста, достигаемого в различных сочетаниях длин волн по спектру, показывает преимущества выбранной пары спектральных диапазонов, обеспечивающей по сравнению с парой длин волн 0,5— 0,9 мкм для большинства, а сравнительно с парами 0,6 — 0,8 мкм и 0,8 — 1,0 мкм для всех рассматриваемых видов поверхности максимальный яркостный контраст. Статистические данные о спектральном коэффициенте отражения данных видов поверхности в ИК-области спектра при ).> 1 MKM не обнаружены, Имеющееся в литературе качественное описание спектральной зависимости коэффициента отражения ес5 тественных поверхностей в более длинноволновой области говорит об отсутствии закономерностей, характерных для спектральной области 0,5 — 1,0 мкм, что исключает применение способа. 10 Способ поясняется графическими зависимостями, показанными на фиг, 3 и представляющими собой функции выходного сигнала фотоприемника устройства от расстояния до исследуемой поверхности. Кри15 вые 18 и 19 получены при зондировании отражательной поверхности потоком с длиной волны в диапазоне 0,6 — 0,7 мкм, кривые 20 и 21 — в диапазоне 0,9-1,0 мкм. При этом 20 отражение от поверхности с большим коэффициентом отражения показано зависимостями 18 и 20, кривые 21 и 19 характеризуют отражение от поверхности с малым коэффициентом отражения. 25 Основнве энергетическое уравнение измерительной системы имеет вид Фзх = zñ < Лб- А2 A„„/l где Ф х — световой поток на входе фотоприемника: 30 т„- — коэффициент пропускания среды; А, А х — площади видимой части отражающей поверхности и входного зра ка Фотоприемника, Предположим, что оптические характеристики приемопередающей системы и внешней среды постоянны, а дальность не изменяется, т. е, 2 тс А2Авх / I =con st=Cz, 40 1Ъх = С2 -ЕЛ),. Как известно U;-,>„—— S <1,х = 8сг ЛЛ, (6) 45 д где Uy — амплитуда выходного напряжения фотодиода, S — интегральная чувствительность Фотодиода. С учетом (4) уравнение (6) запишется как Ори = Sc;cz ýË;, Из этого следует, что амплитуда выходного напряжения фотодиода при определенной длине волны излучаемого потока может быть отградуирована в единицах спектрального коэффициента отражения. Очевидно, что 1 (7 ) РЛЛЪ,:, Ucn 1733979 Подставляя (7) в (5), получим относительно друг друга и опорного уровня, что позволяет осуществлять распознавание К(Л)1 ° ЛА2 } С2,- (0Фд(Л 1) поверхностей по величине этого соотноше-и„.„,, (Ì.2) }. ния и его знаку. Последнее соотношение показывает, 5 При изменении дальности поверхности что яркостный контраст поверхности отра- в зависимости от отражательных свойств сожения в двух спектральных диапазонах, оп- ответствует определенная последовательределяющий ее вид, в данной ность появления импульсов отраженного измерительной системе эквивалентен раз- излучения различного спектрального состаности амплитуд напряжения фотоответа фо- 10 ва, Приближение к сильноотражающей потодиода, а степень отражательных верхности соответствуетдистанционному и способностей поверхности — знаку разно- временномуопережению импульса красной сти амплитуд напряжения, (0,6-0,7 мкм) области спектра по сравнению Вид зависимостей 18 — 21 иллюстрирует с ИК-импульсом (0,9 — 1 0 мкм). Обратная импринцип селекции поверхностей по отра>ка- 15 пульсная последовательность наблюдается тельным свойствам. На фиксированной при сближении со слабоотражающими подальности в статической измерительной си- верхностями, стеме у поверхности с высоким коэффици- Формула изобретения ентом отражения имеет место Способопределения вида естественной преобладание амплитуды отраженного из- 20 пopoTëëàþùåé поверхности, включающий лучения в диапазоне 0,6-0,7 мкм над ампли- облучение в двух спектральных диапазонах тудой отраженного поТоКВ в диапазоне и измерение параметра,отраженногоотис0,9-1.0мкм. которая в свою очередь превы- следуемой поверхности излучения с пошает ol орный уровень, соответствующий мощью фотоприемных устройств с эталонной поверхности, У поверхностей с 25 последующим сравнением его с опорным малым коэффициентом отражения — обрат- уровнем., отличающийся тем, что, с егоотношение. Этозначит,чтоповерхно- целью упрощения, исследуемую поверхс-: и в зависимости ог ее отражательных ность облучают в диапазонах длин волн 0,6— свойств соответствует определенное соот- 0,7 и 0,9.— 1,0 мкм, а измеряют яркостный Hoûåÿ.1е амплитуды фотоответа в разли — 30 контраст поверхности в указанных спектных спектральных диапазонах pBnbHblx диапазонах. 1 ,. 3 ! 1..„ Т" (1 1 ! 1 ! 1733979 А„ % 1б бЫ 700 дК 500 ld00 Лнм Составитель С.Голубев Техред М.Моргентал Корректор Н,Ревская Редактор Т,Лазоренко Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 1665 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5
