ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ. А. А. Попов подпись и о., фамилия
 Скачать 2.08 Mb.
|
Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВО «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Кафедра Вычислительной техники и электроники УДК 621.384.3 Выпускная работа защищена Допустить к защите в ГЭК «___» _____________2017 г. «___» _____________2017 г. Оценка___________________ Зав. кафедрой д.т.н., проф. Председатель ГЭК д.т.н., проф. ____________В. Н. Седалищев _______________С.П. Пронин УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА И ОЦЕНКИ КОЭФФИЦИЕНТА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ МАГИСТРА МР 09.04.01.553М.127 ПЗ обозначение документа Студент группы 553М А. А. Попов подпись и.о., фамилия Руководитель проекта доцент, к.ф.-м.н. А. В. Калачев должность, ученое звание подпись и.о., фамилия Консультанты: Нормоконтролер ст. преп. каф. ВТиЭ В. В. Белозерских должность, ученое звание подпись и.о., фамилия БАРНАУЛ 2017 2 РЕФЕРАТ Объем работы, листов 73 Количество иллюстраций 33 Количество используемых источников 40 ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ, КОЭФФИЦИЕНТ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ, ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ, ИК- ДАТЧИК. Цель работы – разработать устройство для мониторинга и оценки коэффициента спектральной яркости отражающей поверхности в инфракрасном диапазоне В работе приводятся примеры устройств дистанционного зондирования земли, измерения инфракрасного излучения. Приводится введение в общую теорию мониторинга и оценки коэффициента спектральной яркости. 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................... 5 ГЛАВА 1. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ .................................................. 6 1.1. Общие сведения о дистанционном зондировании .......................................................... 6 1.2. Инфракрасное излучение земли ........................................................................................ 7 1.2.1. Инфракрасное излучение ............................................................................................ 7 1.2.2. Тепловое излучение земли .......................................................................................... 8 1.2.3. Тепловые съемки ....................................................................................................... 10 1.3. Спектрометрирование ландшафта .................................................................................. 12 1.3.1. Основные понятия и определения ........................................................................... 12 1.3.2. Cпектральное отражение почвенного покрова и обнажений ................................ 18 1.3.3. Особенности коэффициентов спектральной яркости растительного покрова .... 23 1.4. Приборы для измерения коэффициента спектральной яркости .................................. 27 1.4.1. Многоканальная спектрометрическая система СМП-32 ....................................... 29 1.4.2. Многоканальные спектрометрические системы СПЕКТР-15 ............................... 31 1.5. Применение ....................................................................................................................... 34 1.5.1. Сельское хозяйство .................................................................................................... 34 1.5.2. Мониторинг лесного покрова ................................................................................... 35 1.5.3. Мониторинг поверхности ......................................................................................... 36 1.5.4. Геодезия ...................................................................................................................... 36 ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ МОНИТОРИНГА КОЭФФИЦИЕНТА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ ............................................................................................ 37 2.1. Постановка задачи ............................................................................................................ 37 2.2. Выбор датчика регистрации инфракрасного излучения ............................................... 38 2.2.1. Пироэлектрический ИК-датчик МГ-30 ................................................................... 40 2.2.2. Инфракрасный термопарный датчик TMP007 ........................................................ 42 2.2.3. КИТ-тепловизор на 16*4 точек (инфракрасная термопарная матрица) ............... 45 2.3. Выбор микроконтроллера ................................................................................................ 48 2.3.1. Общие сведения Arduino Mini .................................................................................. 48 2.4. Контактный датчик температуры.................................................................................... 51 2.4.1. Датчик температуры LMT01 .................................................................................... 51 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ МОНИТОРИНГА КОЭФФИЦИеНТА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ ............................................................................................................................... 53 4 3.1. Общая структурная схема устройства ............................................................................ 53 3.2. Подключение датчиков .................................................................................................... 54 3.3. Блок фильтров ................................................................................................................... 56 3.4. Программное обеспечение ............................................................................................... 58 3.5. Проведенные измерения .................................................................................................. 59 ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................ 65 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................... 66 ПРИЛОЖЕНИЕ ........................................................................................................................... 69 5 ВВЕДЕНИЕ Дальнейшее развитие и возрастающая интенсификация отраслей народного хозяйства обуславливают применение самых прогрессивных методов исследований, в том числе широкое использование данных дистанционного зондирования и получение на их основе комплексных данных о природных ресурсах и экологической обстановке. Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым радиоизлучением. Инфракрасный диапазон спектра признан специалистами одним из наиболее важных для геологии, лесного хозяйства, водных ресурсов, агротехники, поскольку почва, растительность, вода, атмосфера и другие объекты на поверхности Земли и над ней обладают своеобразными оптическими свойствами в инфракрасной области спектра. Цель данной работы - это разработка устройства для мониторинга и оценки коэффициента спектральной яркости отражающей поверхности в инфракрасном диапазоне. Устройство должно использоваться для исследований химического состава, термического режима подстилающей поверхности и падающего теплового излучения с последующим проведением пространственного анализа и оценки образования рисков деградации территории, так же в детальном изучении закономерностей поведения излучательных и отражательных характеристик подстилающей поверхности, находящихся при разных степенях деградации, анализа многоспектральных и гиперспектральных изображений. Получаемая информация может использоваться для решения многочисленных хозяйственных и научных задач мониторинга природной среды. На этой основе достигается ощутимое повышение эффективности производственной деятельности в таких областях, землеустройство и землепользование, контроль источников загрязнения окружающей среды и наблюдение за экологической обстановкой в целом, мелиорация и лесное хозяйство. Также в настоящее время - данных по спектральным характеристикам природных образований/ландшафтов в ИК области за 2-2.5 мкм крайне мало и особый интерес представляет даже получение не точных данных КСЯ в данной области. 6 ГЛАВА 1. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ 1.1. Общие сведения о дистанционном зондировании Дистанционное зондирование - это способ получения информации, свойтв подстилающей поверхности Земли и объектов находящихся ней, а так же атмосфере, океане дистанционными методами, в которых устройство, проводящее измерения, достаточно удалено от объекта исследования [1]. Для дистанционного зондирования основой является функциональная связь между полученными данными собственного или отраженного ИК-излучения объекта и его биогеофизическими свойствами и его пространственным положением. Суть метода заключается в интерпретации результатов измерения инфракрасного излучения, которое отражается или излучается объектом и записывается в отдаленной от объекта точке. При помощи дистанционного зондирования изучают химические и физические свойства исследуемого объекта. К естественным формам ДЗ относятся обоняние, взгляд и слух человека. Методы дистанционного зондирования включают фотографическую съемку, значительное ограничение которой заключается в том, что пленка чувствительна только к излучению в видимой или близкого к ней диапазона электромагнитного спектра. Дистанционное зондирование позволяет проводить наблюдения на больших участках местности. Примерами применений дистанционного зондирования являются мониторинг и контроль вырубки лесов, состояние ледников в Арктике и Антарктиде и измерение глубины океана. Кроме того, дистанционное зондирование также имеет важное значение в области геонаук (например, природопользование), национальной безопасности (мониторинг приграничных районов), сельского хозяйства (сохранение и использование природных ресурсов). Методы ДЗ основаны на использовании датчиков, которые установлены на самолетах или на космических аппаратах, и регистрируют электромагнитное излучение в форматах, которые будут более подходить для цифровой обработки и охватывают гораздо более широкий диапазон электромагнитного спектра. Практически каждый метод ДЗ использует инфракрасный диапазон отраженного излучения, теплового инфракрасного излучения и радиодиапазон электромагнитного спектра [1]. Более подходящее время для исследования с использованием методов дистанционного зондирования - это летнее время, так как в эти месяцы самый большой угол солнца над горизонтом и большая длительность дня. Исключением из этого правила является получение данных с использованием активных датчиков (например, Радар, Лидар), а также тепловых данных в длинноволновом диапазоне. В тепловой фотографии, 7 где датчики измеряют тепловую энергию, лучшим временем будет зазор, когда разница в температуре воздуха и температуре земли велика. Таким образом, лучшим временем для этих методов являются холодные месяцы, а также небольшой участок времени до рассвета в любое время года. Дистанционное зондирование достаточно дорогостоящее, особенно космическое. Несмотря на это, если проанализировать затраты и полученные данные, то можно убедится в том, что зондирование показывает высокую экономическую эффективность. Кроме того, используя данные ДЗ, в частности метеорологических спутников, бортового и наземного радиолокатора, удалось спасти тысячи человеческих жизней за счет предотвращения опасных метеорологических явлений и предотвращения стихийных бедствий. Поэтому научно-исследовательская, конструкторская, экспериментальная и оперативная деятельность в области дистанционного зондирования, которая интенсивно развивается в ведущих странах мира, полностью оправдана. 1.2. Инфракрасное излучение земли 1.2.1. Инфракрасное излучение Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, которое занимает спектральную область между красной границе видимого света, длина волны[2] λ = 0,74 мкм и частота 430 ТГц, и микроволновым радиоизлучением, с длиной волны λ 1—2 мм, частотой 300 ГГц. Оптические свойства объектов в инфракрасном диапазоне сильно отличаются от их свойств в видимом диапазоне. К примеру, слой воды толщиной несколько сантиметров непрозрачен в инфракрасном излучении с длиной волны λ = 1мкм. ИК-излучение составляет наибольшую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50% солнечной радиации; так же испускают инфракрасное излучение некоторые лазеры. При помощи фотоэлектрических и тепловых приемников, а также специальных фотоматериалов можно зарегистрировать ИК-излучение. Весь диапазон инфракрасного излучения условно делят на три области[2]: ближняя: λ = 0,74—2,5 мкм; средняя: λ = 2,5—50 мкм; далѐкая: λ = 50—2000 мкм. Так же иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн длинноволновую часть этого диапазона — терагерцевое излучение (субмиллиметровое излучение). 8 Поскольку инфракрасное излучение от нагретых объектов воспринимается кожей человека как ощущение тепла, инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением. Длины волн, излучаемые объектом, зависят от температуры нагрева: чем выше температура, тем короче длина волны и более высокая интенсивность излучения. В абсолютно черном теле спектр излучения при относительно низких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах находится главным образом только в этом диапазоне. 1.2.2. Тепловое излучение земли Излучение Земли состоит из собственного излучения подстилающей земной поверхности, слоя атмосферы, а также излучения небесных тел (Луны, Солнца, звезд), которые отражаются от атмосферы и подстилающей земной поверхности. Инфракрасное излучение системы Земля-атмосфера зависит от природы земной поверхности и температуры, состояния и наличия облачности, состава атмосферы и распределения поглощающего вещества в ней. Рис. 1.1 Пример снимка в инфракрасном диапазоне. Излучение в инфракрасном диапазоне можно использовать для определения температуры, для получения данных о влиянии пород на излучение и их состава. Поскольку поверхность Земли не является абсолютно черным телом, поток излучения будет зависеть как от температуры поверхности, так и от спектральной излучательной 9 способности области земной поверхности, с которой снимают инфракрасное излучение. Другими словами, значение потока инфракрасного излучения будет определяться физико- химическими свойствами данной поверхности Земли. На рис. 1.2 показано распределение спектра излучения типичных земных образований и абсолютно черного тела при температуре около 300 К. Рис. 1.2 Яркость земных образований при температуре около 300 К. Уменьшение потока излучения из почвы, снега, травы, белого песка по сравнению с испусканием абсолютно черного тела при той же температуре обусловлено значением спектрального коэффициента излучения для этих наземных объектов. В результате снижения коэффициента излучения песка на этой длине волны получается провал на кривой на рис. 1.2 для песка на длине волны 9мкм. Для ряда земных пород характерные минимумы коэффициента излучения происходят на других идеально определенных длинах волн. Так же можно реализовать их идентификацию относительно положения минимумов в инфракрасном излучении различных пород. Рассматривая тепловое излучение, испускаемое Землей, можно использовать как описанные так и другие отличительные признаки для картирования изменений минерального и химического состава силикатов. Характеристики физических процессов, которые используются при идентификации и распознавании минералов, связаны с инерцией процессов теплообмена. На формирование снимка, наблюдаемого в инфракрасном излучении, влияют скорость нагрева, а также охлаждение областей земной поверхности. В дневное время объекты с 10 наименьшей тепловой инерцией становятся более горячими, ночью, наоборот, объекты с максимальной тепловой инерцией будут более теплыми. Другими словами, по мере увеличения тепловой инерции искусственного или естественного объекта она остывает медленнее и медленно нагревается. Это свойство приводит к тому, что два раза в день - утром вскоре после восхода солнца и вечером после захода солнца получается инверсия контраста наземных объектов с различной тепловой инерцией. Контрасты равны нулю во время инверсии, а затем быстро возрастают. Следовательно по характеру изменений контрастов, получаемых периодически в течение дня, на тепловых изображениях можно рассчитать распределение минеральных пород на земной поверхности и на некоторой глубине от нее, т.е. съемка позволяет видеть Землю, можно сказать, насквозь. Эффективность инфракрасной фотографии как идентификация горных пород, почв, материалов и минералов по их тепловой инерции очень высока. 1.2.3. Тепловые съемки Тепловая или инфракрасная съемка основана на обнаружении тепловых аномалий путем фиксации инфракрасного излучения объектов Земли, вызванного солнечной радиацией или эндогенным теплом. Она широко используется в геологии. Температурная неоднородность поверхности Земли возникает в результате неодинакового нагрева ее различных участков [3]. Эндогенная (внутренняя) и солнечная (внешняя) теплота нагревает геологические объекты по-разному в зависимости от литологических характеристик горных пород, влажности, тепловой инерции, альбедо и многих других причин. Инфракрасное излучение избирательно поглощается, проходя через атмосферу, поэтому ИК-съемку можно проводить только в области так называемых «прозрачных окон» - мест инфракрасных лучей. Четыре экспериментальных окна (в микронах) были изолированы экспериментами: 0,74-2,40; 3.40-4.20; 8.0-13.0; 30.0-80.0. Также выделяются другие прозрачные окна. Отраженное солнечное излучение используется в окне до 0,84 мкм. Здесь вы можете использовать специальные фотопленки, а также работать с красным фильтром. Съемка в этом диапазоне называется ИК-фотосъемкой [3]. |