Способ измерения спектральных характеристик отражения или излучения объекта в любой точке его телевизионного изображения и видеоспектрометр, реализующий этот способ в реальном или условном масштабе времени

 

Изобретение относится к способам измерения спектра отражения в воздушной или космической разведке для экологического мониторинга местности и т.п. Актуальной научно-технической задачей является создание устройства, позволяющего в реальном времени наблюдать изображение местности и одновременно измерять спектр отражения или излучения в отдельных его точках. Для решения упомянутой задачи предложен способ измерения спектральных характеристик отражения или излучения объекта в любой точке его телевизионного изображения и видеоспектрометр, реализующий этот способ в реальном масштабе времени. Изображающим и измерительным устройством одновременно является ПЗС-матрица со схемой управления и набор быстросменяемых нормированных светофильтров, спектральные характеристики пропускания которых выбраны так, чтобы спецвычислитель, включаемый после блока обработки получаемых видеосигналов и снабженный соответствующим пакетом программ, мог в реальном времени вычислять спектральные характеристики отражения или излучения, отдельных элементов изображения или их блоков. Техническим результатом является то, что аппаратная реализация может быть компактной, в десятки раз меньше применяемой ныне по объему и устойчивой к воздействию механических и климатических факторов. 2 с. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области телевизионных измерений, а более конкретно - к способам спектральных измерений характеристик отражения или излучения передаваемого объекта, а также к устройствам, реализующим эти способы.

Известны различные способы измерения спектральных характеристик излучения объекта.

К высокоточным способам следует отнести спектральное разложение поступающего в прибор отраженного или излученного потока и последующее измерение энергий его спектральных составляющих [1]. Спектральные измерения в этом случае можно производить с высокой точностью. Этот способ имеет ограничение, так как не позволяет оперативно измерять спектральные характеристики одновременно с измерением координат точек объекта, в которых производятся измерения спектральных характеристик в данный момент времени.

Способ, используемый при измерении спектральных характеристик объекта при помощи специального телевизионного устройства [2], принятого за прототип, в принципе позволяет преодолеть это ограничение, однако не обеспечивает на практике требуемой точности определения координат точки объекта, в которой производятся измерения спектральной характеристики, практически не исключает влияния на точность измерений цветовой температуры источника освещения объекта и оптикомеханической стабильности характеристик оптической системы. Кроме того, работа телевизионного устройства в режиме, когда чувствительность телевизионной системы близка к квантовому порогу преобразователя свет/сигнал, снижает его качественные показатели.

Блок-схема устройства [2, фиг. 3] включает в себя объектив 1, щель 2, объектив 3, полупрозрачное зеркало 4, зеркало 5, дифракционную решетку 6, объектив 7, ПЗС-матрицу 8 со схемой управления и цветную телевизионную камеру-"гид" 9.

Работает устройство следующим образом.

Из изображения, формируемого объективом 1, при помощи щели 2, расположенной в фокальной плоскости объектива 1, вырезается участок изображения, соответствующий одной строке воспроизводимого камерой 9 изображения. Образуемый при помощи объектива 3 параллельный пучок лучей разделяется при помощи полупрозрачного зеркала 4 на две части: - одна часть светового потока, проходя через объектив 7, создает на ПЗС-матрице 8 изображение (размером в одну строку); - вторая часть светового потока, отразившись от зеркала 5, поступает в устройство, разлагающее свет от элементарной площадки в спектр, где, пройдя дифракционную решетку 6 и объектив 7, создает на другой части ПЗС-матрицы 8 дисперсионную картину спектральной характеристики светового потока, соответствующего каждой точке изображаемой строки, расположенную в направлении, перпендикулярном направлении изображаемой строки. Амплитудные значения соответствующих длин волн, несущие информацию об интенсивности спектральной составляющей излучения, определяются при считывании соответствующих строк ПЗС-матрицы 8, расположенных под дисперсионной картиной. Всего на одной строке после усреднения измеряется только 72 точки. Таким образом, информация о длине волны определяется номером строки, а об амплитудах сигналов на этой строке - интенсивностью излучения соответствующих точек объекта. Перед началом проведения работ производится градуировка (настройка) прибора по внутреннему опорному источнику света с цветовой температурой 3100 град.К.

Изображение, ограниченное щелью 2, совмещается с соответствующим изображением, формируемым камерой 9 (либо автоматически, либо визуально - по изображению на мониторе), привязываясь, таким образом, к принятой системе координат, что позволяет определить пространственное положение измеряемых точек поверхности. Координаты измеряемых точек могут быть определены и другим путем: имея привязку минимум к трем искусственным спутникам Земли, расчитывают положение объекта на местности.

Вертикальная развертка изображения в устройстве [2] осуществляется путем перемещения носителя устройства в пространстве в направлении, перпендикулярном направлению изображающей строки ПЗС-матрицы 8.

Помимо принципиальных недостатков, указанных выше (малая разрешающая способность измерителя - лишь 72 точки в строке, снижение точности измерений из-за низкого отношения сигнал/шум, систематические ошибки измерений из-за несоответствия цветовых температур реально действующего источника освещения объекта и опорного источника света), имеет ряд эксплуатационных недостатков, вызванных тем, что прибор представляет собой комбинацию новейших телевизионных технологий и старого громоздкого классического спектрометра. В результате - трудности с обеспечением требуемых прочностных характеристик и устойчивости к климатическим воздействия при размещении прибора на борту различных носителей, прежде всего - на летательных аппаратах, так как малейшее изменение взаимного положения оптических компонентов прибора приводит к появлению ошибок определения спектральных характеристик из-за пространственного смещения изображения дисперсионной картины на ПЗС-матрице 8 по отношению к положению телевизионной строки оптического изображения объекта.

Целью данного изобретения является способ и устройство для его реализации, исключающие недостатки и сохраняющие достоинства упомянутых выше способов и устройств и позволяющие - обеспечить измерение в реальном масштабе времени и с необходимой точностью спектральных характеристик любой точки объекта при одновременном измерении координат точки, в которой производятся спектральные измерения; - обеспечить высокую температурную и прочностную стабильность качественных показателей устройства; - исключить зависимость точности спектральных измерений от изменения цветовой температуры источника освещения объекта.

Поставленная цель достигается применением телевизионной камеры, снабженной набором измерительных светофильтров (далее светофильтров), сменяемых синхронно с кадровой частотой камеры так, что каждый кадр несет информацию об изображении в спектральном диапазоне, определяемом спектральной характеристикой пропускания находящегося в данный момент в оптическом ходе светофильтра. Таким образом, камера совместно с набором сменных светофильтров образует нормированный набор коммутируемых последовательно цветоделенных каналов, решая одновременно две задачи: изображение объекта и измерение спектральной характеристики излучения (отражения) каждой элементарной площадки изображаемого объекта. При этом - спектральная характеристика пропускания каждого светофильтра имеет форму равнобедренного треугольника; - ширина спектральной характеристики пропускания светофильтра по своему основанию равна удвоенному расстоянию между вершинами характеристик соседних каналов; - спектральные характеристики чувствительности всех каналов в абсолютных единицах строго идентичны и сбалансированы на цветовую температуру источника освещения объекта, действующего в данный момент времени, так что размахи видеосигналов в каждом канале при передаче объекта "опорного белого" цвета оказываются равными. Для этого предусматривается периодическое автоматическое или оператором вручную введение в оптический тракт прибора элемента "опорного белого" цвета, освещенного источником с действующей в данный момент цветовой температурой, вычисление поправочного коэффициента для каждого спектрального канала и введение этой поправки в коэффициент передачи каждого цветоделенного канала; - полный цикл получения данных, необходимых для измерения спектральных характеристик любой точки изображения, заключается в последовательной записи видеосигналов изображений, соответствующих всему комплекту светофильтров.

Вид спектральных характеристик чувствительности прибора, построенного по описываемому принципу, приведен на фиг. 1. С помощью этого прибора можно измерить размахи видеосигналов, соответствующих любому из элементов изображения, полученного при прохождении светового потока от него последовательно через все светофильтры набора. Далее, используя алгоритм, описываемый выражениями
S_Σ = (S_i+1 + S_i);
S_d = (S_i+1 - S_i);
d (S_i+1/S_i);
где S_i - размах видеосигнала в канале i
S_i+1 - размах видеосигнала в канале i+1, для всех цветоделенных каналов можно вычислить спектральную характеристику отражения или излучения данной точки объекта в данное время. Здесь и далее под нормированным цветоделенным каналом понимается телевизионный канал с находящимся в оптическом ходе светофильтром. Количество цветоделенных каналов равно количеству светофильтров в диске, при этом количество отсчетов спектрального отражения данной точкой не равно (много более) числу цветоделенных каналов.

Производя требуемые вычисления для данной точки периодически в заданном темпе, можно определить временную эволюцию этой характеристики.

Приемлемое отношение сигнал/шум получается при реализации предлагаемого способа благодаря тому, что спектральная характеристика пропускания светофильтра, действующего в любой момент времени, имеет достаточную ширину, которая выбирается в соответствии с компромиссом между заданной точностью измерений и требуемой минимальной освещенностью объекта.

Пространственное разрешение прибора определяется выбором ПЗС-матрицы и требуемой скоростью получения информации, причем автоматически происходит "обмен скорости на качество", т.е. при большей требуемой скорости может быть меньшей точностью спектральных измерений или меньшим пространственное разрешение. Достижение компромисса в указанном противоречии может быть обеспечено либо применением известных сканеров, компенсирующих смещение носителя за время спектральных измерений для данной точки подстилающей поверхности, либо применением одного из известных методов корреляционной обработки видеосигналов в спецвычислителе, что может быть учтено при программировании последнего. При этом возможно введение в вычислитель поправки на скорость носителя.

Архитектура устройства, реализующего предлагаемый способ, иллюстрируется блок-схемой, приведенной на фиг. 2.

Оно состоит из диска 1 с набором светофильтров, объектива 2, ПЗС-матрицы 3 со схемой управления, блока 4 обработки видеосигнала, привода 5 диска светофильтров, блока 6 автоматического регулирования фазы и частоты вращения диска светофильтров, кодера 7 спектрального номера, блока 8 синхронизации и управления, блока 9 автоматического баланса, радиолинии или иной линии 10 связи, блока 11 консервации информации, буферной памяти 12, первого коммутатора 13, аналого-цифрового преобразователя - АЦП 14, второго коммутатора 15, многовходового блока 16 памяти, третьего коммутатора 17, вычислителя 18, пульта 19 управления вычислителем и блока 20 управления памятью.

Световой поток от объекта, пройдя через светофильтр диска 1 и объектив 2, преобразовывается ПЗС-матрицей 3 в видеосигнал, который проходит необходимые линейные преобразования в блоке 4 обработки видеосигнала; далее видеосигнал поступает в два адреса: на блок 9 автоматического баланса, при помощи которого в режиме настройки осуществляется баланс видеосигналов во всех цветоделенных каналах видеоспетрометра от нейтрального объекта, освещенного внешним источником света, а также на вход радиолинии или иной линии 10 связи или (при отсутствии таковой) - на входы первого коммутатора 13 и блока 11 консервации информации.

При помощи кодера 7 спектрального номера фильтра формируется код номера действующего в данный момент светофильтра из набора, смонтированного в диске 1, который (код) замешивается в видеосигнал во время кадрового гасящего импульса в блоке 4. Информация о частоте и фазе вращения диска светофильтров поступает на блок 6 автоматического регулирования частоты и фазы вращения, сигнал управления с которого поступает затем на привод 5 диска светофильтров. Блок 8 синхронизации и управления, содержащий также декодер номера светофильтра, обеспечивает необходимую временную синхронизацию работы блоков, формирует все необходимые для работы ПЗС-матрицы 3 сигналы управления, формирует на основе кода спектрального номера спектрально-временной код для индексации видеосигнала каждого кадра, который поступает на блок 4 обработки видеосигнала и записывается в межкадровом интервале видеосигнала соответствующего кадра во время кадрового гасящего импульса. Таким образом, видеосигнал, соответствующий каждому кадру изображения, несет всю необходимую для последующей обработки информацию. Кроме того, блок 8 синхронизации и управления автоматически переключает режимы работы блока 9 автоматического баланса ("настройка-работа").

Далее видеосигнал, поступивший на первый коммутатор 13 и блок 11 консервации информации, записывается на носитель. Таким образом, имеется возможность работы видеоспектрометра как в реальном масштабе времени, так и при воспроизведении информации с блока 11 консервации информации через буферную память 12. Выбор режима производится при помощи первого коммутатора 13. Видеосигнал с выхода первого коммутатора (13) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 14, где преобразуется в цифровой поток, поступающий при помощи второго коммутатора 15 последовательно на входы многовходового блока 16 памяти. Количество входов этого блока равно числу цветоделенных каналов видеоспектрометра. В многовходовом блоке 16 памяти собирается для последующей обработки видеоинформация полного цикла измерений.

После выполнения алгоритма работы видеоспектрометра для данного объекта, т. е. находящегося в поле зрения камеры в данный момент времени, цифровые потоки попарно последовательно поступают через третий коммутатор 17 на входы вычислителя 18, где проводятся необходимый комплекс вычислений, сравнение с имеющимися в памяти вычислителя нормирующими номограммами и запись результатов спектральных измерений. Управление работой второго коммутатора 15 и многовходового блока 16 памяти производится блоком 20 управления памятью. При помощи пульта 19 управления вычислителем управляется третий коммутатор 17 и на вычислитель 18 подается команда выбора режима работы.

Возможны следующие режимы работы вычислителя:
- измерение спектральных характеристик заданных точек изображения;
- поиск и выделение на изображении участков с заданными спектральными характеристиками излучения;
- сравнение спектральных характеристик одного и того же объекта;
- измерение координат любых участков (точек) изображения и т.д.

Результаты проведенных измерений, а также вся необходимая для последующей работы информация записываются в память вычислителя. В процессе работы для визуального контроля используется дисплей вычислителя.

Результаты сравнительного анализа предлагаемых способа и устройства с описанным [2] при одинаковых исходных данных: длина полосы съемки 10000 м; точность спектральных измерений 7,5 нм; разрешающая способность на местности приведены в таблице.

Задача создания подобного устройства впервые поставлена перед промышленностью.

Использованные источники
1. Спектрофотометр СФ-46. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Ю-34.11.629-ТО. ЛОМО. -Л.: 1992.

2. Advanced Airborne Hiperspectral Jonaging Sistem (AAHJS) - an imaging spectrometer for maritime applications. - 1994.

Материалы фирм:
- SETS Technology Inc. (авторы: Marc A.Volker. Ronald G.Resmini и др.). 1994.

- Science Applications International Corp. (авторы: Cristopher C.Coyl, Richard D.Anderson). 1994.

Формула изобретения

1. Способ измерения спектральных характеристик отражения или излучения любой точки объекта в реальном или условном масштабе времени, состоящий в том, что формируют и запоминают телевизионное изображение объекта, при этом световой поток от каждой элементарной площадки поверхности объекта пропускают через устройство, разлагающее его в спектр, после чего измеряют энергию в отдельных спектральных зонах, отличающийся тем, что в качестве изображающего и измерительного устройства используют одновременно ПЗС-матрицу со схемой управления с установленным перед ней набором сменных светофильтров, совместно с которыми матрица образует набор нормированных цветоделенных каналов, коммутируемых последовательно, причем полученные видеосигналы подвергают линейным преобразованиям в блоке обработки, и, кроме того, в межкадровом интервале во время гасящего импульса в них вводят код номера действующего в данный момент светофильтра, который служит в дальнейшем для индексации кадров, соответствующих данному светофильтру и накапливаемых в многовходовом блоке памяти, связанном со спецвычислителем, в который заложен алгоритм расчета спектральных характеристик излучения или отражения точек объекта - подстилающей поверхности на основе выражений:
S_Σ =(S_i+l+S_i); (1)
S_d=(S_i+l-S_i); (2)
d=S_i+l/S_i, (3)
где d - отношение нормированных размахов видеосигнала для двух последовательных номеров цветоделенных каналов;
i - номер цветоделенного канала;
S - нормированный размах видеосигнала,
при этом каждый цветоделенный канал формируют в соответствии со следующими условиями: спектральная характеристика пропускания светофильтра имеет форму равнобедренного треугольника, основание которого по шкале длин волн равно удвоенному расстоянию между вершинами характеристик светофильтров соседних цветоделенных каналов, ширину спектральной характеристики каждого из цветоделенных каналов выбирают в соответствии с требуемым отношением сигнал/шум в данном цветоделенном канале, периодически перед каждым из цветоделенных каналов автоматически или вручную устанавливают эталонный объект опорного белого цвета, освещенный действующим в данный момент источником освещения, после чего автоматически вычисляют и вносят поправки в коэффициенты преобразования для цветоделенных каналов для данной цветовой температуры источника освещения объекта.

2. Устройство, реализующее способ по п.1, содержащее набор сменных измерительных светофильтров, объектив, ПЗС-матрицу со схемой управления, отличающееся тем, что в него введены диск с набором сменных измерительных светофильтров, блок обработки видеосигнала, привод диска с набором сменных измерительных светофильтров, эталонный объект опорного белого цвета, блок автоматической регулировки частоты и фазы вращения диска светофильтров, кодер номера светофильтра, блок синхронизации и управления с декодером номера светофильтра, радиолиния или какая-либо иная линия связи, блок консервации информации, аналого-цифровой преобразователь, блок буферной памяти, три коммутатора видеосигналов, многовходовой блок памяти, блок управления многовходовым блоком памяти, вычислитель и пульт управления вычислителем, причем входом устройства является вход сменного измерительного светофильтра данного светоделенного канала, а его выход через объектив оптически связан с входом ПЗС-матрицы со схемой управления, а выход ПЗС-матрицы соединен с входом блока обработки, выход которого соединен с входами радиолинии или какой-либо другой линии связи, а при отсутствии таковой непосредственно с входами блока консервации информации и первого коммутатора, выход блока автоматического баланса соединен с управляющим входом блока обработки видеосигнала, причем соответствующие выходы блока синхронизации и управления соединены с управляющими входами блока автоматического баланса, блока обработки видеосигнала, ПЗС-матрицы со схемой управления и блока автоматического регулирования фазы и частоты вращения диска светофильтров, причем выход блока автоматического регулирования фазы и частоты вращения диска светофильтров через привод диска светофильтров соединен с диском светофильтров, а выход блока синхронизации и управления через кодер номера светофильтра соединен с приводом диска светофильтров, при этом выход блока обработки видеосигнала через радиолинию или другую линию связи или непосредственно соединен с первым входом первого коммутатора и через блок консервации информации и буферную память - с вторым входом первого коммутатора, а выход первого коммутатора через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом второго коммутатора, выходы которого соединены с соответствующими входами многовходового блока памяти, выходы которого через третий коммутатор соединены с входом вычислителя, выход которого является выходом устройства и подключен к дисплею, причем управляющие выходы пульта управления вычислителем соединены с соответствующими входами третьего коммутатора и вычислителя, а выходы блока управления памятью - с соответствующими управляющими входами второго коммутатора и многовходового блока памяти.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3