Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ДИСТАНЦИОННОМ МОНИТОРИНГЕ

В настоящее время контроль окружающей среды в обычных и чрезвычайных ситуа­циях приобрел огромное значение. В ряде стран уже созданы и функционируют назем­ные, морские, аэрокосмические системы экологического мониторинга. Наибольшая информативность при работе таких систем обеспечивается оптико-электронными сис­темами. К числу основных направлений использования этих систем относятся: обнару­жение очагов лесных пожаров, наводнений, ледовых заторов, загрязнений воздушной среды и подстилающей земной и водной поверхности, аварий на нефте - газо - и других трубопроводах и др. Высокая чувствительность, хорошее спектральное и пространст­венное разрешение современных ИКС позволяют обнаруживать эти крайне нежела­тельные и опасные для экосистемы явления уже на стадии их возникновения.

Будущее систем дистанционного зондирования, осуществляемого с помощью спек- трорадиометров, устанавливаемых на борту самолетов и космических летательных ап­паратов, связывается с увеличением геометрооптического и спектрального разрешения ИКС «смотрящего» типа, а также с уменьшением их стоимости [104]. Такие системы должны быть двух - и многодиапазонными (многоспектральными). При очень малых контрастах в длинноволновом ИК-диапазоне (8...14 мкм) степень корреляции сигналов от объектов и фонов естественного происхождения, получаемых в отдельных узких участках этого диапазона, велика и достаточна для обнаружения и распознавания их излучения. Так, на длинах волн 8,67 и 9,23 мкм коэффициент корреляции излучений от деревьев превышает 0,99988 [104].

Принцип работы видеоспектрометра, заключающийся в разложении по спектру (по оптическим длинам волн А,) потоков, приходящих от малых по размеру элементов на­блюдаемой сцены, достаточно просто реализуется при использовании матричного МПИ. Изображение, разложенное вдоль столбцов (или строк) элементов МПИ в спектр с помощью диспергирующих оптических элементов (призм, дифракционных решеток и др.), трансформируется в сигналы, амплитуды которых соответствуют интенсивности отдельных спектральных составляющих. Сигналы от элементов в ортогональном на­правлении (в строках МПИ) адекватны распределению яркости изображения вдоль строки. Сканируя сцену в направлении столбцов, можно получить картину распределе­ния спектральных плотностей яркости по полю обзора. Поскольку для достижения вы­сокого пространственного и спектрального разрешения размеры элементов МПИ должны быть малыми, невелики и сигналы, снимаемые с них. Поэтому часто в таких системах используется способ накопления сигналов (временной задержки и интегриро­вания). При этом заметно повышается отношение сигнал-шум.

В ряде публикаций [41, 42, 125, 209 и др.] приводятся примеры успешного исполь­зования МПИ в ОЭС дистанционного зондирования. Так, в [209] описывается система, позволяющая различать объекты естественного и искусственного происхождения в диапазоне 0,4...0,9 мкм с помощью ФПУ формата 256x256, построенного на базе крем­ниевых фотоприемников. Система имеет 64 узкополосных спектральных поддиапазона. Динамический диапазон сигналов равен 8 бит; частота кадров может достигать 955 Гц. Диспергирующим элементом является поворачивающаяся призма. Потребляемая мощ­ность 20 Вт, масса 1,8...2,7 кг в зависимости от используемой оптической системы.

В [125] подробно рассмотрены принципы построения оптических схем видеоспек­трометров, работающих в диапазоне 1...12 мкм с диспергирующим элементом - быст­родействующим фурье-интерферометром и МПИ форматов 512x512 и 1024x1024.

По программе гиперспектрального обнаружения минных полей (Hyperspectral Mine Detection Program) Армии США в Гавайском университете был разработан бортовой многоканальный видеоспектрометр Airborne Hyperspectral Imager (AHI), который, как по­казали наземные и летные испытания, может успешно использоваться в геологических

Исследованиях и экологическом мониторинге [193]. Прибор прекрасно зарекомендо­вал себя при изучении экосистемы коралловых рифов и прибрежных вод Гавайского архипелага.

Видеоспектрометр имеет визуальный канал, состоящий из трех цветных ПЗС-камер высокого разрешения, и ИК-канал, работающий в диапазоне 7... 12 мкм. Прибор позво­ляет получать одновременно информацию в 256 узких спектральных поддиапазонах. При испытаниях для увеличения отношения сигнал-шум путем накопления сигналов с 8 пикселов число спектральных поддиапазонов было уменьшено до 32. В ИК-канале применены объектив с фокусным расстоянием 111 мм и диаметром входного зрачка 35 мм, зеркальный спектрограф и ФПУ на базе КРТ (модель ТСМ2250 компании «Rockwell») формата 256x256. В сосуде Дьюара помещают охлаждаемые до 56 К диа­фрагму, МПИ и несколько электронных схем. Благодаря системе коррекции неодно­родности и подавления помех остаточная неоднородность составляет всего 0,08%. При времени накопления 3 мс эквивалентная шуму разность температур менее 100 мК. Ма­лое время накопления выбрано для предотвращения насыщения ячеек схемы считыва­ния. Угловое разрешение прибора составляет 0,5x1,5 мрад.

В [46] рассматриваются состав и требования к параметрам бортового унифициро­ванного оптико-электронного измерительного комплекса, работающего в атмосферных ИК-окнах прозрачности атмосферы. Его основу могут составлять ИКС «смотрящего» типа на матрицах ПЗИ или ЭОП для работы в диапазоне 0,8... 1,5 мкм, МПИ и КРТ с охлаждением до 77 К - в диапазоне 3...5 мкм и микроболометрические МПИ - в диапа­зоне 8... 14 мкм. Общая масса комплекса не превышает 10 кг, а потребляемая мощность - 500 Вт.

К настоящему времени в нашей стране созданы лишь отдельные узлы такого ком­плекса или его прообразы на базе ИКС сканирующего типа. В качестве примера можно упомянуть сканирующий тепловизор «Терма-2», работающий в спектральных диапазо­нах 1,0...1,2; 3,0...5,0 и 8,0...13,5 мкм [59]. Тепловизор устанавливается на вертолете Ми-8Т и обеспечивает просмотр угла 90° с 1024 элементами разложения по строке при мгновенном угловом поле 5,3 (1,6) мрад. В диапазоне 8,0—13,5 мкм пороговая темпера­турная чувствительность составляет 0,08 К. Получаемые изображения в течение 1,5 ч записываются на жестких дисках. Экспериментальные полеты на высоте Юм над зем­лей со скоростью 80 км/ч показали, что несанкционированные раскопки и врезки в ма­гистральные нефтепроводы наиболее эффективно обнаруживаются в диапазоне

8,0. .. 13,5 мкм.