ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ. А. А. Попов подпись и о., фамилия
 Скачать 2.08 Mb.
|
|
Данный пример иллюстрирует возможные диапазоны изменений отражательной способности коренных пород в зависимости от размера частиц материала. СКЯ пашни с бороздами, направление которых совпадает с направлением солнечных лучей, всегда выше пахотных земель с бороздами, расположение которых перпендикулярно солнечным лучам. СКЯ почвы, чьи комки сглажены дождем, на 10-15% больше, чем свежевыпавшие почвы с одинаковой влажностью. СКЯ почв, облученные только рассеянной радиацией, практически не меняются при изменении размера комков. СКЯ почв, измеренных под диффузным освещением, численно равны СКЯ почв с комковым размером около 10 см. При облучении вспаханных почв суммарной радиацией их СКЯ в надире возрастают с ростом угла высоты Солнца Спектральный состав света, отраженного от почв в диапазоне длин волн от 400 до 850 нм, является постоянным и не зависит от степени обработки почвы. Влияние влажности почвы на ее отражающие свойства выражается в снижении ее отражающих свойств с увеличением степени увлажнения. Это обусловлено изменениями оптической неоднородности почвы под влиянием снижения относительного показателя преломления света отдельных частиц, составляющих почву. Когда гумусовые слои почвы увлажняются, спектральный состав отраженного излучения видимого диапазона спектра не изменяется. Исключением является желтая земля и, в меньшей степени, краснозем. В ближнем инфракрасном спектральном диапазоне 1 - 2 мкм наибольшие изменения отражательной способности происходят с 21 изменением степени увлажнения [4]. Когда почвы увлажняются от воздушно-сухого состояния до полной влагоемкости, их яркость уменьшается до двух раз. Наибольшие изменения в СКЯ различных почв происходят с разными интервалами влажности: для песчаных суглинков от 0,3 до 3%, легкосуглинистых от 0,4 до 10%, тяжелого суглинка от 2 до 12%, глины - от 4 до 25%, перегнойно-глеевых - от 7 до 30%. По данным [4], в песке линейная зависимость уменьшения СКЯ наблюдается при влажности до 5-6%. При дальнейшем увлажнении наблюдается постепенное снижение интенсивности падения значений СКЯ и при относительной влажности более 10% дальнейшего уменьшения содержания СКЯ песка не наблюдается. Яркость монолитных, невпитывающих горных сухих и увлажненных пород практически не отличается. Суммируя описание факторов, влияющих на влажность почвы в СКЯ, в таблице 1.1 приведены характерные данные наземных измерений для различных состояний: I - сухая, корковатая; П - сухая, взрыхленная; Ш - насыщенный влажностью 50%, взрыхленная; IV - полная полевая влагоемкость, взрыхленная. Влияние угла высоты Солнца и отношения рассеянного D и линии S солнечного излучения к результатам измерений спектральной отражательной способности почв проявляется по-разному, если измерения проводятся с помощью приборов, имеющих разные углы поля зрения. Эти различия обусловлены шероховатостью поверхности почвы. В общем случае СКЯ в надире, измеренном узкоугольным устройством, увеличивается с увеличением угла высоты солнца над поверхностью почвы, и альбедо уменьшается, поскольку он измеряется прибором с углом поля 180 ° или вычисляется через индикатрису яркости поверхности, измеренной узкоугольным устройством. В случае наблюдения слежавшихся почв с относительно плоской поверхностью значения спектрального альбедо и СКЯ в надире сближаются и практически не зависят от : Таблица 1.2. Величины СКЯ, %, дерново-подзолистой почвы при разных значениях по [4] , град 17 20 25 30 35 40 45 50 54 λ=453 нм 10.7 10.8 10.1 11.0 11.3 11.5 11.8 12.0 12.8 λ=769 нм 9.4 9.6 10.1 10.4 11.0 11.3 11.6 12.3 13.0 Эти зависимости хорошо аппроксимируются линейными линейными функциями вида: ; (1.7) с коэффициентами х= 0.053, у= 9.5 для λ= 453нм и х= 0.104, у= 7.1 для λ= 769нм, при 22 Разница в коэффициентах х для двух длин волн обусловлено различием отношений рассеянной и прямой освещенности / в дневном ходе суммарной освещенности Суммируя анализ влияния различных факторов на СКЯ почв, отметим, что наиболее значимыми из постоянных факторов являются процентное содержание гумуса в почве и химический состав минеральной почвенной базы. Из переменных факторов наиболее значительны степень обработки, влажность почвы, высота Солнца и состояние неба. Под воздействием переменных факторов СКЯ почвы в надире могут варьироваться от 3,5 до 4 раз от их минимальных значений и с учетом изменения углов сканирования θ, азимута и высоты солнца и максимальные изменения в СКЯ почв могут достигать 10-12 раз. Разработаны методы учета различных факторов, влияющих на значения СКЯ почв, которые используются при проведении дистанционных исследований земной поверхности. Угловое распределение отражения излучения почвами и горными породами в спектральной области 400 - 800 нм в соответствии с работами характеризуется ахроматическими индикатрисами, форма которых практически не зависит от длины волны падающего излучения. Выводы о независимости формы индикатрисы от λ были получены при изучении ландшафтных комплексов и объектов, характеризующихся наличием пространственных неоднородностей отражающих свойств. Эти неоднородности и связанные с ними изменения яркости не позволили выявить очень тонкие индикатрисные эффекты спектрального отражения почв и выходов. Лабораторные исследования образцов песка и чернозема указывают на деформацию формы индикатрис при изменении длины волны от 365 до 1025 нм. Согласно работе относительное изменение степени востянутости спектральных индикатрис, выраженное отношением произведений КСЯ при θ=0 и θ=60° на λ=405 и λ=1025 нм у песка и чернозема составляют соответственно 1,5 и 1,15. Чернозем и песок при зеркальных углах рассеяния поляризуют отраженные излучения до 22% и 12% соответственно. Однако при углах θ≤ 45°, лежащих в плоскости солнечного вертикала, и при сканировании углом θ вне солнечного вертикала спектральная деформация индикатрис менее 10% и при решении практических задач дистанционных исследований ее можно не учитывать. Степень удлинения индикатрисы почв определяется степенью шероховатости поверхности и углом высоты солнца , а также для поверхностей, имеющих 23 определенную азимутальную ориентацию шероховатостей и азимутальный угол солнца Подводя итог анализу влияния различных факторов СКЯ почв, отметим, что наиболее значимыми из постоянных факторов являются процентное содержание гумуса в почве и химический состав минеральной почвенной базы. Из переменных факторов наиболее значительны степень обработки, влажность почвы, высота Солнца и состояние неба. Под воздействием переменных факторов СКЯ почв в надире может варьироваться в 3,5-4 раза от их минимальных значений и с учетом изменения углов сканирования θ, азимута и высоты солнца и максимальные изменения КСЯ почв могут достигать 10-12 раз. Разработаны методы учета различных факторов, влияющих на значения СКЯ почв, которые используются при дистанционных исследованиях поверхности Земли. 1.3.3. Особенности коэффициентов спектральной яркости растительного покрова Изучение спектральных коэффициентов яркости растительности, охватывающих как дикие, так и культивируемые (сельскохозяйственные культуры), особенно важны, поскольку растительность в естественных зонах территорий Российской Федерации занимает более 70% общей площади и имеет большое значение для продовольственной и промышленной безопасности страны. С другой стороны, спектральные характеристики растительных сообществ сельскохозяйственного назначения очень важны для определения и диагностики фенофазы на протяжении всего жизненного цикла растения; Ниже мы рассмотрим более подробно влияние различных факторов на СКЯ растений. Влияние пигментов и воды на оптические свойства зеленого листа. Известно, что зеленый растительный покров обладает специфическим спектральным эффектом отражения видимого и ближнего ИК-излучения, связанного с наличием в листьях различных пигментов и воды. В диапазоне видимых длин волн определение влияния на спектральный ход отражений и пропускания излучения - хлорофилл и каротин [19]. Хлорофилл имеет большой максимум поглощения в красной зоне спектра на длинах волн от 667 до 689 нм и ряд полос поглощения в синей зоне с максимумами около 440 и 460 нм. Каротин наиболее интенсивно поглощает излучение с длиной волны 455 и 485 нм. Поэтому зеленые растения поглощают до 93-95% видимого спектра излучения, и лишь небольшой минимум поглощения листьями пигментов около 550 нм дает листьям зеленый цвет. В области красной границы видимого диапазона спектра поглощение хлорофилла и каротина резко уменьшается с увеличением λ, поэтому в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне на длинах волн 750-1200 нм отражательная способность зеленых 24 листьев достигает максимум 40-60%. В то же время прозрачность листьев растет до 30-50% одновременно [17]. При дальнейшем увеличении длины волны вначале прозрачность и затем отражательная способность листьев начинают уменьшаться немонотонно за счет поглощения жидкой водой в клетках листа. Минимумы отражения листьев в ближнем инфракрасном диапазоне спектра находятся на длинах волн 980, 1150, 1470 и 1980 нм, они смещены в длинноволновую область по сравнению с положением центров полос поглощения водяного пара. Сезонные изменения отражательной способности листьев. В начале вегетативной фазы растений отражательная способность в самых молодых листьях увеличивается с λ от 3-4% в синей зоне спектра и до 15-20% в красном, с максимальным отражением при λ = 550 нм [17]. В ближнем инфракрасном спектральном диапазоне отражательная способность таких листьев максимальна, она составляет 60-75%. По мере развития листьев и накопления хлорофилла в них в видимом диапазоне энергии и интенсивности отражения, а в ближнем ИК диапазоне отражательная способность уменьшается. Когда в листьях появляется желтизна, минимальное отражение при λ = 680 нм сглаживается и смещается в сторону длинных волн. Максимальное отражение сдвигается от зеленой зоны до желтой и оранжевой зон спектра. В конце вегетативной фазы хлорофилл разрушается, а спектральный ход отражения характеризуется равномерным увеличением с увеличением λ от 3-7% в синей зоне спектра и до 25-35% В ближней инфракрасной области спектра. В сухих желтых листьях осенью отражение в ближнем инфракрасном диапазоне спектра увеличивается до 40-50%, однако оно не превышает СКЯ сухих зеленых листьев [17]. Нижняя сторона листьев в видимом спектральном диапазоне отражает свет в два раза интенсивнее, чем верхняя, более темная сторона, но в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне отражательная способность верхней и нижней сторон листа примерно одинакова. Сезонные вариации СКЯ ветвей деревьев исследовались в поле [9] путем измерения вырезанных побегов с помощью наземных устройств. В то же время поддерживался единый метод отбора и измерения исследуемых образцов растений. Исследования показали, что СКЯ молодых побегов хвойных и лиственных деревьев на длинах волн 400 ... 800 нм примерно в два раза больше, чем у старых побегов. Убывание СКЯ листьев на ветвях осины, березы и дуба прекращается во второй половине 25 июля, а молодые побеги хвойных деревьев перестают отличаться от старых к началу осени. Изменения в степени полива листьев приводят к изменениям их спектральной отражательной способности. Обращается внимание на несогласованность выводов, сделанных различными авторами по вопросу о влиянии водного режима листьев на изменение их оптических свойств. Однако при более тщательном изучении имеющихся литературных данных можно установить достаточно четкие закономерности этого влияния, которые проявляются по-разному в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Суточный ход отражательной способности живых листьев обусловлен интенсивным испарением под влиянием поглощения лучистой энергии Солнца. Было обнаружено, что наблюдается некоторое увеличение отражательной способности кукурузы и листьев подсолнечника примерно в полдень во всем видимом диапазоне спектра. В экспериментальных работах, показано, что СКЯ листьев ивы через 15 мин, 2 часа и 3 часа после их отделения от растения составляют на λ = 470 нм – 4.6 и 9%, на λ = 550 нм – 12, 11 и 10%, на λ = 660 нм – 6,7 и 7%, на λ = 800 нм – 60, 50 и 40%. В то же время СКЯ сорванных листьев растений, произрастающих в пустыне, сохраняются неизменными в течение двух суток. Согласно лабораторным измерениям СКЯ в спектральном диапазоне 700-2500 нм коэффициент отражения при λ = 750 нм в листьях березы увеличивается в 1,03 раза после их восемнадцатидневной сушки. Однако на длинах волн более 850 нм отражательная способность сухих листьев березы значительно выше, чем у свежих листьев: отношение сухих листьев и свежих листьев на длинах волн 1000, 1650 и 2200 нм составляет 1,12, 1,37 и 2,1, соответственно. Таким образом, можно утверждать, что потеря влаги срезанными листьями растений с их естественной сушкой приводит к незначительному уменьшению или увеличению их отражательной способности в области 400-800 нм и значительному повышению отражательной способности в ближнем ИК-диапазоне спектра. При проведении дистанционных исследований эта картина изменений отражательной способности листьев используется для распознавания живых и вырезанных или пораженных растений. Влияние широты роста на спектры отражения растений. В растениях, растущих на южных широтах, максимальные и минимальные отражения в видимом диапазоне спектра более выражены, чем у растений, растущих в более северных широтах. У южных 26 растениях отражение в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне выше, чем у северных растений. Отражательная способность листьев разных ярусов растений. СКЯ листьев, взятые из разных ярусов растений, практически не различаются в период их развития. В то же время в злаках, например пшенице, в период колошения листья и части стебля разных ярусов имеют значительно различный цвет (от темно-зеленого в верхней части до желтого у корня) и соответственно разные значения СКЯ. И доля желтых листьев напрямую зависит от плотности (проективного покрытия) посева [20]. Наименьшие значения СКЯ имеют колосья, если они находятся в вертикальном положении, и наблюдение выполняется в надире. Разница в значениях СКЯ листьев и стеблей разных ярусов позволяет обнаруживать посевные культуры, ветрозащитные полосы, завалы и т.д. Спектры отражения древесных крон формируются комбинированными эффектами отражения, поглощения и пропускания лучистой энергии отдельными листьями или ветвями. В некоторых ранних исследованиях использовалось спектрофотометрическое оборудование, которое не позволяло легко маневрировать в поле зрения прибора над пространством, делая наблюдения вертикально вниз. Измерения проводились с башен, рядом с которыми были установлены кроны спиленных деревьев. Полученные таким образом данные по СКЯ основных видов деревьев в разные периоды вегетации сыграли важную роль в изучении особенностей формирования значений СКЯ лесных сообществ, выборе спектральных диапазонов наблюдательного оборудования и в решении других научных и практических задач. Последующие летные эксперименты показали, что информация о конях деревьев СКЯ переоценивается по сравнению с фактическими данными. Различные типы растительности деревьев имеют сходные кривые СКЯ и спектрального альбедо и отличаются только максимальными значениями в спектральном диапазоне 550 и 800-1000 нм. В условиях наибольшей близости крон СКЯ лиственных пород выше, чем у хвойных пород. Чтобы оценить возможность использования дополнительных участков ближнего инфракрасного спектрального диапазона для решения проблемы распознавания видов деревьев по их спектральным изображениям, виды деревьев оцениваются в соответствии с их значениями СКЯ в кронах в восьми различных спектральных интервалах. По результатам измерений СКЯ крон деревьев в летние месяцы мы составим таблицу 1.3 [17]. Из таблицы следует, что ель имеет наименьшую яркость практически во всех спектральных диапазонах, за которой следуют сосна (в соответствии с значениями СКЯ при 700-1450 нм) и ольхой (в СКЯ на длинах волн 500-700 и 1450-2500 нм). 27 Таблица 1.3. Результаты ранжировки различных пород деревьев по величинам СКЯ крон в разных спектральных интервалах: Б-березы, Д-дуба, Е-ели, Ол-ольхи, Ос-осины, С-сосны[17] Спектральные интервалы, нм 400- 500 500- 600 600- 700 700- 800 800- 1150 1150- 1450 1450- 1900 1900- 2500 Номера рангов величины r∆λ 1 Д Е Е Е Е Е Е Е 2 Е Ол Ол С С С Ол Ол 3 С Д Ос Б Д Д С С 4 Ол С С, Б Д Б Ол, Б Ос Ос 5 Б Ос Ос Ос Д Д 6 Ос Б Д Ол Ол Ос Б Б На следующем месте в порядке увеличения яркости на разных участках спектра оказались сосна (400-500 нм, 1450-2500 нм), дуб (500-600, 800-1450 нм), осина (600-700 нм) и береза (700-800 нм). Наибольшей яркостью обладают: осина – на участках спектра ∆λ = 400-500 нм и 1150-1450 нм; береза - на ∆λ = 500-600 нм и 1450-1250 нм; дуб – на ∆λ = 600-700 нм и ольха – на ∆λ = 70-1150 нм. Береза и сосна, а также береза и ольха практически не различаются на участках спектра 600-700 и 1150-1450 нм. Эти оценки следует считать сугубо ориентировочными, однако они свидетельствуют о принципиальной возможности распознавания определенных пород деревьев по результатам многоспектральной съемки. 1.4. Приборы для измерения коэффициента спектральной яркости Особое внимание всегда уделялось инструментальному (и метрологическому) обеспечению спектрометрических измерений, поскольку от этого зависит весь метод получения спектральных коэффициентов яркости исследуемых объектов. Приборы для измерения СКЯ были разработаны как для лабораторных, так и для полевых измерений, а также для измерений СКЯ с самолетов, в том числе космических аппаратов. Основные события в этом направлении были реализованы в 1940-1990-х годах. Достаточно полный обзор достижений в этой области приведен в [6]. В качестве примеров ниже мы рассмотрим несколько конструкторских решений, широко используемых в эти годы в нашей стране и ближнем зарубежье на рубеже 90-х годов. Исследования оптических характеристик ландшафтных, облачных и атмосферных объектов в диапазоне 400-2000 нм обычно проводились с использованием призменных спектрометров, таких как СПИ. 28 В монохроматорах двух устройств типа СПИ, построенных по схеме Литрова (рис. 1.7), установлены два выходных слота 4 и 5 для увеличения скорости и расширения спектрального диапазона. В качестве приемников излучения 6 и 7 используются фотоэлектронные умножители (поддиапазоны 400-1000 нм) и сернисто-свинцовые фотосопротивления (поддиапазон 530-2,500 нм). Перед входной щелью I устанавливается модулятор световых потоков 3, объектив 8 и устройство для периодической записи контрольной лампы сравнения 19 с помощью экрана 20. Из приемников 6 и 7 излучения электрические сигналы поступают на усилители 9 и 10, на выходах которых имеются синхронные детекторы. Опорные сигналы генерируются устройствами II-16. Сигналы записываются на бумажную фотографическую ленту с использованием шлейфного осциллографа 17. На этой же ленте фиксируются метки длин волн, вырабатываемые устройством 18, которое связано с механизмом развертки спектра. Каждый измерительный канал имеет три оконечных каскада с различными коэффициентами усиления, так что регистрируются сигналы, которые различаются на два порядка. Комплект оборудования включает бортовую эталонную пластину 23. Самолет использует вращающуюся головку с зеркалом 22. Рис.1.7 Принципиальная схема самолетных призменных спектрометров СПИ-74: I - входная щель монохроматора; 2 - монохроматор; 3 - модулятор световых потоков; 4,5 - выходные щели: 6,7 - приемники излучений видимого и ближнего ИК каналов; 8 - входной объектив; 9,10 - усилители; 11,12 -лампы; 13,14 - приемники излучений; 15,16 - усилители опорных сигналов; 17 - регистратор сигналов; 18 - датчик меток длин волн; 19 - 29 лампа; 20- экран канала сравнения; 21 - стекло иллюминатора; 22 - зеркало оптической поворотной головки; 23 - эталонная пластина. Углы поля зрения самолетных спектрометров СПИ-74[20] составляют 0,5x5°. Вертолетный вариант спектрометра СПИ-2В, с помощью которого получено подавляющее число данных о СКЯ, представленных в настоящей работе, имеет углы поля зрения 2,5x5°. При наблюдении с различных высот Z этот спектрометр регистрирует излучения, поступающие от элементов ландшафта, имеющих следующие размеры по длине X и ширине Y. Z, м 10 20 30 40 50 60 70 80 90. X, м 0,85 1,69 2,54 3,93 4,24 5,08 5,93 6,78 7,63. Y, м 0,44 0,89 1,33 1,78 2,20 2,67 3,11 3,55 3,99. Для наведения прибора на исследуемый объект используется открытый визир. Период записи одного спектра составляет 1,5 - 2,0 с. Ширина спектральной щели Δλ устройства на длинах волн 400, 500, 700, 1000, 1500 и 2500 нм соответственно составляет 5, 12, 20, 40, 80 и 100 нм соответственно. Погрешность определения длины волны равна половине спектральной ширины зазора: Δλ/2. Калибровка на длинах волн осуществляется с использованием цветных стекол ПС -7 и ЗС -7 и спектра пропускания атмосферы. Общая относительная погрешность определения интенсивности (ординат) сигналов, пропорциональных спектральной яркости измеряемого объекта с помощью устройств СПИ -74 и СПИ -2B, составляет 0,5-2,5%. 1.4.1. Многоканальная спектрометрическая система СМП-32 СМП-32 предназначен для научных и прикладных исследований в области дистанционного зондирования Земли из космоса. Этот комплекс включал в себя многоканальную спектрометрическую систему для изучения излучения, отраженноого различными природными объектами в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра [21]. Основные технические характеристики СМП-32 приведены в таблице 1.5. Оптика системы СМП-32 состоит из входной линзы, фокусное расстоянием которой составляет 300 мм и относительной апертурой 1:4, оптической щелью, плоскими зеркалами, дифракционной голографической решеткой, коллиматором, фокусирующей линзой и оптико-электронным конвертером. Кроме этого, предусмотрены два эталонных излучателя, световой поток, испускаемый ими, вводится в главный путь измерения при помощи специального сферического зеркала с центральным отверстием. Голографическая решетка работает на пропускание и имеет разрешение 650 линий/мм с дифракционной эффективностью выше 85%; В полученном спектре 30 практически всегда имеется только первый порядок. Линейная структура фотодиода состоящая из 256 элементов со встроенным регистром управления используется в оптико- электронном преобразователе, работающим в режиме накопления заряда. Чтобы достичь нужной чувствительности и динамического диапазона отдельные элементы этой структуры объединяют в 32 канала по 8 элементов каждый. Таблица 1.5. Основные технические характеристики многоканальной спектрометрической системы «СМП-32» Из-за температурного дрейфа в диапазоне 0 - 40°С, в системе СМП-32 используется подсистема автоматической компенсации ошибок в момент измерения. Именно для этого прямое инерционное измерение температуры кристалла оптико-электронного преобразователя и генерируется в электрический сигнал, который за тем, что бы скомпенсировать изменения нулевого уровня, вызванного дрейфом температуры, подается на выходной усилитель. По этому, температура, которая зависит от обратной связи, охватывает весь путь преобразования, а систематическая ошибка сигнала устанавливается ниже самого низкого уровня квантования. На рис. 1.8 приведены характеристики относительной спектральной чувствительности оптико-электронного преобразователя; дифракционная эффективность спектральной решетки, которая имеет максимальную эффективность дифракции на длине волны 660нм; спектральный коэффициент преобразования всей системы. Так как неравномерность коэффициента спектрального преобразования большая, то система должна обеспечивать переменный коэффициент усиления, когда происходит Характеристики Значение параметра Спектральный диапазон, нм 457-888 Средняя ширина интервалов чувствительности, нм 8 Число каналов 32 Размеры мгновенного поля зрения (размеры пикселя), м 280 × 280 Спектральная разрешающая способность, нм 14 Скорость сканирования, спектр/с 25 Информационный поток, Кбит/с 5,6 Размеры, мм 270 × 230 × 100 Масса, кг 6 31 сканирование по спектру, в то время как в первом и последних четырех каналах данный коэффициент имеет одно значение, а в 5-8 и 25-28 каналах, другое и во всех остальных каналах 9-24 - третий. Рис. 1.8 Спектральные характеристики оптико-электронного тракта системы СМП-32. Опорные излучатели – подразделяются на рабочий и эталонный, они стабилизированы с большой точностью по току и используются в качестве проверки сохранности наземной абсолютной калибровки комплекса. Основная часть управления комплексом СМП-32 происходит при помощи микропроцессорной системы бортового вычислительного комплекса. Это является большим плюсом системы, так как это существенно упрощает управление устройством, увеличивает надежность работы, понижает потребляемую мощность, уменьшает размеры и массу. 1.4.2. Многоканальные спектрометрические системы СПЕКТР-15 Многоканальная спектрометрическая система «Спектр-15» была создана учеными и специалистами из Болгарии в связи с исследовательской программой космических пилотируемых полетов 198 года [20] , см. рис. 1.9. 32 Рис. 1.9 Многоканальная спектрометрическая система «Спектр-15». В основе данной системы заложен оптико-электронный блок «Спектр-15К», блок управления и записи данных и блок питания «Спектр-15КР». Оптико-электронный блок «Спектр-15К» может использоваться как на иллюминаторе пилотируемого орбитального научно-исследовательского комплекса «Мир» прикрепленного с помощью специального устройства, так и использоваться для измерений «руками». При закреплении на иллюминаторе, с помощью фиксирующего устройства можно изменить положение оптической оси «Спектр-15К», относительно направления надира, в плоскости полета в пределах ±10°. Входная оптическая система включает объектив с фокусным расстоянием 300 мм и относительной апертурой 1:4 и щель, образующую поле зрения объектива. Дифракционная решетка с объективом и коллиматором входят в состав дисперсионного устройства. Оптический-электронный преобразователь представляет собой ПЗС- структуру, который работает в режиме накопления заряда. С помощью электронного сканирования электрические сигналы от опто-транзисторов подаются для дальнейшей обработки вовремя. Скорость сканирования спектра зависит от скорости перемещения прибора относительно поверхности земли, в связи с этим устанавливается по разному. Данная система имеет 15 измерительных каналов в диапазоне от 450 до 850 нм. На рис. 1,10 отображается расположение спектральных интервалов чувствительности канала, а в таблице 2.1 показаны основные параметры съемки системы, которые так же включют 33 значения спектральной плотности яркости энергии при λmax, соответствующие максимальным выходным кодам. Рис. 1.10 Спектральные характеристики чувствительности системы «Спектр-15» (нормированные кривые). Таблица 1.4. Съемочные параметры системы «Спектр-15» Номера канала , нм , нм (Для максимального выходного кода 255) 1 15,5 437 748,58 2 18 464 865,29 3 19 485 716,59 4 19 512 490,14 5 20,5 542 272,61 6 20,5 573 497,56 7 22 598 249,82 8 21 626 280,50 9 20 655 421,85 10 25 685 381,79 11 19,5 711 168,30 12 21 739 138,06 13 18 765 281,38 14 19 799 276,60 15 22 830 527,53 34 Со средней высоты орбиты научно-исследовательского комплекса МИР линейные размеры проекции пикселей на земную поверхность составляют примерно 300×300 м. Но благодаря высокой скорости записи (примерно 70 спектров/с), после вторичной обработки, можно достичь разрешения в направлении полета около 70 м. 1.5. Применение Дистанционное зондирование наиболее часто применяется в сельском хозяйстве, геодезии, картографировании, мониторинге поверхности земли и океана, слоев атмосферы, а так же для оценки экологической обстановки поверхности[22]. 1.5.1. Сельское хозяйство С помощью дистанционного зондирования можно получать изображения отдельных полей, регионов и районов. В то же время пользователи получают ценную информацию о состоянии своих земель, включая определение посевных площадей, идентификацию культур и статус посевов [22] (рисунок 1.11). Данные ДЗ используются для точного мониторинга результатов и управления сельскохозяйственной культурой на разных уровнях. Полученные данные могут быть использованы для улучшения и оптимизации фермерского и пространственно-ориентированного управления техническими операциями. Изображения могут помочь определить местонахождение урожая и степень истощения земли, а затем могут быть использованы для разработки и реализации плана лечения для локальной оптимизации использования сельскохозяйственных химикатов. Основными сельскохозяйственными функциями дистанционного зондирования являются следующие: Растительность: классификация типа культур; оценка состояния посевов (мониторинг сельскохозяйственных культур, оценка ущерба); оценка урожайности. Почва: эрозия почвы; влажность почвы; изображение характеристик почвы; изображение типа почвы; изображение практики обработки почвы. 35 Рис. 1.11 Снимок для контроля за состоянием сельскохозяйственных угодий. 1.5.2. Мониторинг лесного покрова Дистанционное зондирование может использоваться для контроля лесных покровов и идентификации видов. Карты, полученные этим методом, могут охватывать достаточно значительную площадь, одновременно отображая подробные свойства и размеры территории (тип деревьев, высота, плотность) [22]. Используя данные ДЗ, можно идентифицировать и различать разные типы лесов, чего было бы сложно достичь, прибегнув к традиционным методам на поверхности земли. Снимки доступны в различных масштабах и разрешениях, которые полностью отвечают региональным или местным требованиям. Требования для детального картирования ландшафта зависят от масштаба исследования. Для показа изменений в лесном покрове (плотность, текстура листьев) применяются: многоразовые снимки одной территории, которые могут использоваться при получении информации о сезонных изменениях различных видов; мультиспектральные изображения, используются для точной идентификации видов, так как необходимы данные с достаточно высоким разрешением; стереофотографии - для различения видов, оценки плотности и высоты деревьев. Используя стереофотографию, вы получаете уникальный вид на лесной покров, доступный только с использованием технологий дистанционного зондирования; 36 лидары позволяют получить 3-мерную структуру леса, чтобы показать изменения высоты земной поверхности и объектов на ней. Измерения Лидара помогают контролировать высоту деревьев, площадь коронок и количество деревьев на единицу площади; радары широко применяются в зоне влажных тропиков, благодаря их свойству получать изображения при любых погодных условия. 1.5.3. Мониторинг поверхности Это применение является одно из наиболее важных и типичных применений дистанционного зондирования поверхности. Данные полученные ДЗ могут использоваться для мониторинга, контроля физического состояния подстилающей поверхности земли, например, пастбища, леса, дорожного покрытия и т.д., включая результаты деятельности человека, такие как ландшафт в жилых и промышленных районах, состояния сельскохозяйственных угодий и т.д. [22]. Для начала, необходимо создать систему классификации почвенного покрова, которая обычно включает в себя уровни и классы земель. Уровни и классы должны быть установлены с учетом их цели использования (национального, регионального или местного), спектральных и пространственных разрешений данных дистанционного зондирования, запроса пользователя и т.д. Чтобы обновить карты растительного покрова и рационализировать использование природных ресурсов, необходимо обнаружить изменения в состоянии земной поверхности. Изменения обычно обнаруживаются при сравнении нескольких изображений, содержащих множество уровней данных, а также, в некоторых случаях, сравнение старых карт и обновленных изображений ДЗ. Данные о поверхности земли и изменения характера растительного покрова необходимы для определения и реализации природоохранных политик и могут использоваться в сочетании с другими данными для комплексных измерений (например, для определения рисков эрозии). 1.5.4. Геодезия Получение геодезических данных с воздуха было впервые использовано для нахождения подводных лодок и получения гравитационных данных, которые используются для построения военных карт. Данные включают в себя уровни мгновенных возмущений гравитационного поля, которые, в последующем, могут использоваться для нахождения изменений в распределении масс Земли, что может потребоваться для других геологических исследований. 37 ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ МОНИТОРИНГА КОЭФФИЦИЕНТА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ 2.1. Постановка задачи Для достижения поставленной цели нужно разработь устройство 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. Для этого потребуется: датчик регистрации инфракрасного излучения; ИК-фильтры; микроконтроллер для обработки поступающих данных и управления устройством; контактный датчик температуры. Рис. 2.1 Структурно-функциональная схема. 38 2.2. Выбор датчика регистрации инфракрасного излучения Приемники инфракрасного излучения являются, по существу, преобразователями энергии излучения в удобную для непосредственного измерения форму, например в электрический ток. Рассмотрим подробнее физические принципы, лежащие в основе приема, или, как говорят, детектирования инфракрасного излучения приемником. По характеру взаимодействия электромагнитного излучения с чувствительным элементом приемники делят на две большие группы – тепловые и фотонные. Фотонные. Чувствительные элементы состоят из полупроводников различных типов, а так же могут включать в свою структуру различные металлы, принцип их работы основан на поглощении фотонов носителями заряда, в результате чего изменяются электрические параметры чувствительной области, а именно: изменение сопротивления, возникновение разности потенциалов, фототока и др. Данные изменения могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, сформированными на подложке, где расположен сам сенсор. Сенсоры обладают высокой чувствительностью и высокой скоростью отклика[23]. Тепловые. ИК излучение поглощается чувствительной областью сенсора, нагревая еѐ до некоторой температуры, что приводит к изменению физических параметров. Данные отклонения которые могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, выполненными непосредственно на одной подложке с фоточувствительной областью. Описанные выше типы датчиков имеют высокую инерционность, значительное время отклика и относительно низкую чувствительность, в сравнении с фотонными детекторами. По типу используемого полупроводника датчики разделяются на: собственный (нелегированный полупроводник с равной концентрацией дырок и электронов); примесный (легированный полупроводник n- или p-типа). Основным материалом всех фоточувствительных сенсоров является кремний или германий, которые могут быть легированы различными примесями бора, мышьяка, галлия и др. Примесный фоточувствительный датчик схож с собственным детектором, с той лишь разницей что носители с донорных и акцепторных уровней могут перемещаться в зону проводимости преодолевая более низкий энергетический барьер, вследствие чего данный детектор может работать с более короткими длинами волн, чем собственный[23]. Различают несколько типов конструкций детекторов, они приведены ниже. Фотовольтаический. Под воздействием ИК излучения в электронно-дырочном переходе возникает фотовольтаический эффект: фотоны с энергией, превышающей 39 ширину запрещѐнной зоны, поглощаются электронами, в результате чего они занимают места в зоне проводимости, способствуя тем самым возникновению фототока. Детектор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника[24]. Фоторезистивный. Чувствительным элементом сенсора является полупроводник, принцип работы данного датчика основан на эффекте изменения сопротивления проводящего материала под воздействием ИК излучения. Свободные носители заряда, генерируемые фотонами в чувствительной области, приводят к уменьшению еѐ сопротивления. Сенсор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника[24]. Фотоэмиссионный, он же «детектор на свободных носителях» или на барьере Шоттки. Чтобы избавиться от необходимости глубокого охлаждения примесных полупроводников, и в некоторых случаях достичь чувствительности в более длинноволновом диапазоне, существует третий тип детекторов, называемых фотоэмиссионными. В датчиках данного типа металлическая или метало-кремниевая структура покрывает примесный кремний. Свободный электрон, который образуется в результате взаимодействия с фотоном, попадает из проводника в кремний. Преимуществом такого детектора является отсутствие зависимости отклика от характеристик полупроводника[24]. Фотодетектор на квантовой яме. Принцип действия схож с примесными детекторами, в которых примеси используются для изменения структуры запрещѐнной зоны. Но в данном типе детектора примеси сконцентрированы в микроскопических областях где ширина запрещенной зоны значительно сужена. Образованная таким образом «яма» называется квантовой. Регистрация фотонов происходит, за счет поглощения и образования зарядов в квантовой яме, которые затем вытягиваются полем в другую область. Такой детектор намного чувствительнее по сравнению с другими типами, так как целая квантовая яма - это не отдельный атом примеси, а от десяти до ста атомов на единице площади. Благодаря этому можно говорить о достаточно высокой эффективной площади поглощения. Термопары. Основным элементом данного устройства является контактная пара двух металлов с различной работой выхода, в результате чего на границе возникает разность потенциалов. Это напряжение пропорционально температуре контакта[24]. Пироэлектрические детекторы изготовлены с использованием пироэлектрических материалов и принцип работы которых основан на возникновении заряда в пироэлектрике при прохождении через него теплового потока[25]. 40 Микробалочные детекторы. Состоит из микробалки и проводящего основания, которые выполняют роль обкладок конденсатора, микробалка сформирована из двух плотно соединѐнных металлических частей, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. При нагреве балка изгибается и изменяет ѐмкость структуры. Болометры (Терморезисторы) состоят из терморезистивного материала, в основе принципа работы данного сенсора поглощение ИК излучения материалом чувствительного элемента, что приводит к увеличению его температуры, что в свою очередь вызывает изменение электрического сопротивления. Есть два пути снятия информации: измерение тока, протекающего в чувствительной области, при постоянном напряжении и измерение напряжения при постоянном токе. Основные параметры[24]: чувствительность - отношение изменения электрической величины на выходе приѐмника излучения, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения. В/лк-с; интегральная чувствительность - чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Измеряется в А/лм; спектральная чувствительность - зависимость чувствительности от длины волны излучения; обнаружительная способность - величина обратная величние минимального потока излучения, который вызывает на выходе сигнал, равный собственному шуму. Она обратно пропорциональна квадратному корню из площади примѐмника излучения. Измеряется в 1/Вт; удельная обнаружительная способность - Обнаружительная способность умноженная на корень квадратный из произведения полосы частот в 1 Гц и площадь в 1 см2. Измеряется в см*Гц1/2/Вт; время отклика - время, необходимое для установления сигнала на выходе, соответствующего входному воздействию. Измеряется в миллисекундах; рабочая температура - максимальная температура сенсора и окружающей среды, при которой сенсор имеет возможность правильно выполнять свои функции. Измеряется в °C. 2.2.1. Пироэлектрический ИК-датчик МГ-30 Приемник МГ-30 представляет собой пироэлектрический приемник теплового излучения с интегральным предусилителем, предназначенный для регистрации и измерения модулированного излучения в диапазоне длин волн от 2 до 20 мкм. 41 Применяется в системах управления устройствами бытового назначения, датчиках устройств контроля неисправностей линий электропередач или тепловых потерь в оборудовании и помещениях, датчиках газоанализаторов, устройствах охранной сигнализации. Прибор состоит из тонкопленочного пироэлектрического датчика и гибридного предварительного усилителя. Корпус металлостеклянный 1203.15-1, масса не более 4,5 г (по некоторым источникам – не более 3 г) (рис. 2.2). Рис. 2.2 ИК-датчик МГ-30. Размер приемной площадки 1х1 мм. Входное окно приемника выполнено из германия с просветляющим покрытием, обеспечивающим максимум чувствительности в диапазоне длин волн 8 - 14 мкм. На рис. 2.3 изображены размеры датчика. Рис. 2.3 Размеры датчика МГ-30. 42 Таблица 2.1. Технические характеристики пироэлектрического фотоприемника МГ30 Наименование технической характеристики Единица измерения Величина Вольтовая чувствительность при F мод =250 Гц В/Вт 3200 Порог в единичной полосе частот Вт/Гц 2 / 1 1,3*10 9 Увеличение чувствительности при увеличении C ос в 10 раз, F мод =250 Гц, - 4,5 Отношение сигнал/шум dB 21 Пороговая чувствительность Вт 3,4*10 3 Обнаружительная способность см Гц 1/2 Вт 2,43*10 8 Полоса пропускания в диапазоне частот от 250 до 500 Гц Гц 450 2.2.2. Инфракрасный термопарный датчик TMP007 TMP007 является встроенным цифровым термочувствительным термодатчиком в пакете пластинчатых чипов (WCSP), который обнаруживает температуру удаленного объекта за счет его инфракрасного (ИК) излучения. Он оптимален для применений теплового управления и тепловой защиты, когда требуется дистанционное бесконтактное температурное зондирование. TMP007 совместим с двухпроводным и SMBus- интерфейсом и указан в температурном диапазоне от -40 ° C до 125 ° C. TMP007 содержит регистры для хранения информации о конфигурации и калибровке, температурных ограничений, локальной температуры, TDIE, результатов измерений и результата измерения напряжения в термоэлементе. Локальная температура и измерения напряжения термоэлемента используются математическим движком для расчета температуры объекта, которая затем сохраняется в соответствующем регистре. Кроме того, TMP007 имеет внутреннюю память EPROM, которая может использоваться для хранения заводских значений по умолчанию и пользовательских значений для коэффициентов и параметров калибровки. Значения в EPROM могут быть переданы в регистры индивидуально или в виде полного набора[30]. Выходной сигнал SDA (и SCL, если подключен выводом с открытым стоком) требует подтягивающего резистора (10 кОм, типичный) как часть коммуникационной шины. Вывод ALERT представляет собой выход с открытым сливом, который также 43 должен использовать нагрузочный резистор или оставить его плавающим, если он не используется. При желании ALERT может использоваться совместно с другими устройствами для реализации проводной ИЛИ. TMP007 - это полностью интегрированный термоэлектрический датчик микроэлектромеханической системы (MEMS) (рис. 2.4), который измеряет температуру объекта без прямого контакта. Термопара поглощает пассивную инфракрасную энергию от объекта на длинах волн от 4 мкм до 16 мкм в пределах поля зрения конечного пользователя[30]. Рис. 2.4 Инфракрасный термопарный датчик TMP007. Внутренний математический движок сочетает в себе соответствующее изменение напряжения на термоэлементе с внутренним опорным температурным датчиком холодного спая для расчета температуры целевого объекта. TMP007 также обеспечивает энергонезависимую память для хранения калибровочных коэффициентов. TMP007 спроектирован с возможностью переносимости и мощности, и его можно легко разместить в самых узких местах при использовании стандартных сборочных процессов на поверхностном уровне. Низкое энергопотребление также отлично подходит для приложений с батарейным питанием. Инфракрасный термочувствительный датчик предназначен для работы от -40°C до + 125°C. Можно измерять температуру объекта за пределами рабочего диапазона устройства, пока само устройство не превышает рабочий диапазон температур (от -40°C до + 125°C). TMP007 оптимизирован для определения ИК-излучения, испускаемого 44 объектами приблизительно 250 K (-23°C) до 400 K (127°C) с максимальной чувствительностью примерно от 4 до 16 мкм[31]. Особенности: 14-битный локальный температурный датчик для задания холодного спая; o ± 1°C (макс.) От 0°C до + 60°C; o ± 1,5 °C (макс.) От -40 °C до + 125 °C. интегрированный математический двигатель; o Непосредственно считывать температуру объекта; o Программируемые оповещения; o Энергонезависимая память для хранения коэффициентов калибровки; o Временная коррекция. двухпроводные параметры последовательного интерфейса; o Совместимость с I2C и SMBus; o Восемь программируемых адресов. малая мощность; o Питание: от 2,5 В до 5,5 В; o Активный ток: 270 мкА (тип); o 2-μA Выключение (макс.). компактный пакет. o 1,9-мм × 1,9-мм × 0,625-мм DSBGA. TMP007 воспринимает все излучение в определенном поле зрения. TMP007 не содержит оптических элементов и, следовательно, воспринимает все излучение в пределах полушария спереди устройства. Угол обзора датчик 90°. На рис. 2.5 показаны размеры датчика термоэлемента. 45 Рис. 2.5 Инфракрасный термопарный датчик TMP007. Таблица 2.2. Технические характеристики TMP007 Наименование технической характеристики Единица измерения Величина Напряжение питания В 2,2 - 5,5 Ток потребления мкА 270 Разрешение сенсора бит 14 Чувствительность В/Вт 9 Диапазон рабочих температур °C -40 - +125 2.2.3. КИТ-тепловизор на 16*4 точек (инфракрасная термопарная матрица) КИТ тепловизора «RT16» - плата с установленной на ней инфракрасной термопарной матрицей HTTP16x4 (MLX90620), светодиодом для контроля подачи питания на плату и фильтрами питания, линейным источником питания 3 вольта (рис. 2.6). Применяется совместно с любым микроконтролером для получения данных о распределѐнной температуре поверхности объекта/пространства[32]. 46 Рис. 2.6 КИТ-тепловизор на 16*4 точек. Расположение пикселей объекте при ориентации платы RT16 изображено на рис. 2.7. Технические характеристики смотрите в таблице 2.3. Рис. 2.7 Расположение пикселей объекте при ориентации платы RT16. Таблица 2.3. Технические характеристики КИТ тепловизора «RT16» Параметр Значение Напряжение питания От 3,3 до 5 В Максимальное входное напряжение LDO +13 В Потребляемая мощность <20 мВт 47 Продолжение таблицы 2.3. Калиброванный диапазон измерения температур -70 до +300 градусов по Цельсию FOV (рабочая зона), градусов 60 горизонт, 15 по вертикали Диапазон рабочих температур от -40 до +85 градусов по Цельсию Габаритные размеры: диаметр сенсора; габариты с ПП. 9 мм 25x24x21 мм Масса RT16 ≤4 гр MLX90621 - это полностью откалиброванная ИК-матрица 16х4 пикселей в промышленном стандартном 4-свинцовом TO-39 корпусе. Он содержит 2 микросхемы в одном пакете: MLX90670 (IR-матрица с электроникой формирования сигнала) и чип 24AA02 (256x8 EEPROM)[33]. MLX90621 содержит 64 ИК-пикселя с выделенным стабилизатором с низким уровнем шума и стабилизатором АЦП. Датчик PTAT (пропорциональная абсолютной температуре) встроен для измерения температуры окружающей среды чипа. Выходы датчиков IR и PTAT хранятся во внутренней памяти и доступны через I2C. В зависимости от приложения внешний микроконтроллер может считывать различные данные ОЗУ и, основываясь на данных калибровки, хранящихся в памяти EEPROM, компенсирует разницу между датчиками для создания теплового изображения или вычисляет температуру на каждом месте изображенной сцены , Эти константы доступны пользовательскому микроконтроллеру через шину I2C и должны использоваться для внешней пост-обработки тепловых данных. Технические характеристики MLX90621 в таблице 2.4. Таблица 2.4. Технические характеристики MLX90621 Параметр Значение Напряжение питания, VDD (перенапряжение) 5.5В Напряжение питания, VDD (рабочий максимум) 3.6В Ток питания IDD Без нагрузки 5-9 мА Диапазон рабочих температур -40 ... + 85 °C Чувствительность к ESD (AEC Q100 002) 4 кВ 48 2.3. Выбор микроконтроллера В качестве микроконтроллера выбрана плата Arduino Mini (рис. 2.8). Arduino Mini не большого размера, а ее характеристик достаточно для управления разрабатываемым устройством. Большим преимуществом Arduino является – готовность к использованию. У нее уже имеется встроенный регулятор питания, программатор, микроконтроллер, а так же интерфейсы для подключения устройств, датчиков, и готовые программные библиотеки. Не нужно задумываться о программировании микроконтроллера или способах подключения периферийных устройств. Еще одним большим плюсом Arduino является библиотека примеров, идущая в комплекте с программным обеспечением. То, чего нет в пакете, достаточно легко ищется в сети, все программные библиотеки общедоступны. Рис. 2.8 Внешний вид Arduino Mini. 2.3.1. Общие сведения Arduino Mini В основе Arduino Mini используется микроконтроллер ATmega168. Arduino Mini, за счет своей миниатюрности, может быть использована в лабораторных работах и проектах, где размеры, пространство является важным параметром. У данной платформы имеется 8 аналоговых входов, 14 цифровых входов и выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ) а так же кварцевый генератор 16МГц. Программирование платы осуществляется при помощи MiniUSB - адаптера или любого другого преобразователя RS232 или USB в TTL. Краткие характеристики в таблице 2.5[34]. 49 Таблица 2.5. Краткие характеристики Параметр Значение Микроконтроллер ATmega168 Рабочее напряжение 5 В Входное напряжение 7-9 В Цифровые Входы/Выходы 14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ) Аналоговые входы 8 (4 из которых имеют выводы) Постоянный ток через вход/выход 40 мА Флеш-память 16 Кб (2 используются для загрузчика) ОЗУ 1 Кб Энергонезависимая память 512 байт Тактовая частота 16 МГц Микроконтроллер ATmega168 поставляется с записанным загрузчиком, облегчающим запись новых программ без использования встроенных программаторов. Связь с загрузчиком осуществляется оригинальным протоколом STK500. Микроконтроллер ATmega168 оснащен записанным загрузчиком, который упрощает создание новых программ без использования встроенных программаторов. Связь с загрузчиком происходит по оригинальному протоколу STK500. Имеется возможность использовать ICSP (внутрисхемное программирование) вместо загрузчика. Входы и выходы Arduino Mini. Все цифровые выводы могут использоваться как вход или выход. Цифровые выводы работают при напряжении 5В. Каждый из выводов имеет свой нагрузочный резистор 20-50 кОм (стандартно он отключен) и способен пропускать до 40мА. Выводы 3, 5, 6, 9, 10, и 11 могут использоваться для ШИМ; подробности можно посмотреть в описании функции analogWrite(). Если подключение к выводам 0 и 1 любое устройство, кроме адаптера MiniUSB, то можно прервать запись нового программного кода или подключение по USB. На плате Mini установлены 8 аналоговых входов, каждый разрешением 10 бит, т.е. способен снимать 1024 различных значения. Входы 0 – 3 имеют выводы для подключения, а для входов 4 – 7 нужна пайка. По умолчанию входы имеют предел измерения до 5В относительно земли, но имеется возможность изменить верхний предел с помощью программного кода низшего уровня и вывода AREF. 50 Ниже приведена диаграмма расположения выводов Arduino Mini (рис. 2.9). Рис. 2.9 Схема расположения выводов Arduino Mini. Для работы с Arduino Mini необходимо подключить: 1. Питание (Power). Может использоваться регулируемый источник питания с напряжением 5В, подключенный к выводу +5В Arduino Mini (к примеру, с вывода +5В MiniUSB адаптера или Arduino NG). Либо другой источник питания, подключенный к выводу +9V Arduino Mini, напряжением +9В, (например, крона на 9В). 2. Земля (Ground). Один из выводов GND Arduino Mini обязательно должен быть подключен к земле источника питания. 3. TX/RX. Оба эти вывода используются для загрузки новых скетчей для платы и связи с компьютером или другим устройством. 4. Сброс (Reset). Когда этот контакт подключен к земле, Arduino Mini перезагружается (сбрасывается). Можно подключить этот вывод к кнопке или подключить его к +5В, чтобы Arduino Mini не перезапускалась (кроме случаев сбоя питания). Если оставить этот выход не подключенным, Arduino Mini будет перезапускаться случайным образом. 5. Светодиодный индикатор (LED). Хотя для этого нет технической необходимости, но подключение светодиода к Arduino Mini позволяет облегчить контроль за ее работу. К клемме 13 резистор 1 кОм уже подключен, так что светодиод может быть 51 подключен непосредственно между этим контактом и землей. Если использовать другие контакты, то понадобится внешний резистор. 2.4. Контактный датчик температуры Для снятия показания температуры поверхности земли выбран двухпроводной цифровой датчик температуры от TI - LMT01. Данный датчик достаточно точный, разрешающая способность выше 0.1°С, работает по двухпроводной линии. 2.4.1. Датчик температуры LMT01 Датчик температуры LMT01 цифровой, имеет разрешающую способность выше 0.1°С и работает по двухпроводной линии. Полученные данные выдаются в виде количества импульсов, которые прямо пропорциональны измеренной температуре. Импульсы измеряемой температуры передаются по линиям питания LMT01. Данный метод не нуждается в формировании точных задержек, что значительно облегчает и упрощает программу микроконтроллера – достаточно подсчитать количество поступивших импульсов после подачи питания на LMT01 [35]. В зависимости от измеренной температуры LMT01 выдает от 26 (-50°С) до 3218 импульсов (+150°С). Каждый из импульсов равен 0.0625°С. Импульсы поступают с частотой 88 кГц и могут быть подсчитаны при помощи таймера в режиме счетчика или программно, в прерывании при изменении сигнала на порту (рис. 2.10). Рис. 2.10 Принцип работы LMT01. Погрешность измерения температуры LMT01 не больше 0.5°С в диапазоне -20 до 90°C (0.7°С во всем диапазоне от -50°C до 90°C). Во время преобразования цифровой датчик потребляет всего лишь 34мкА, это занимает максимум 54мс, затем LMT01 в течение максимум 50мс выводит результаты преобразования. В итоге, полный цикл «измерение-чтение» происходит не более 104мс. Импульсный ток вывода результата не 52 более 143мкА, что позволяет с успехом использовать LMT01 в устройствах с питанием от батареи. Напряжение питания данного датчика между выводами Vn и Vp от 2 до 5.5В [35]. Так как датчик LMT01 цифровой, то он не чувствителен к наводкам и может быть отдален на расстояние до 2 метров от устройства к которому он подключен. Полученная температура вычисляется из числа выданных импульсов по простой формуле: Температура (°С) = (Число импульсов / 16) – 50; (2.1) 53 ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ МОНИТОРИНГА КОЭФФИЦИЕНТА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ 3.1. Общая структурная схема устройства В качестве основы устройства используется датчик TMP007. Общая структурная схема устройства изображена на рис. 3.1. Устройство состоит из датчиков инфракрасного излучения TMP007 для измерения падающего теплового излучения или теплового излучения подстилающей поверхности. Чтобы ограничить широкий спектральный диапазон, используется блок сменных фильтров с шаговым моторчиком. С помощью оптопар происходит синхронизация частоты блока сменных фильтров. Фильтры имеют собственное тепловое излучение, которое так же нужно учитывать при снятии показаний, поэтому установлен датчик температуры между ними. Внешний вид макета устройства см. рис. 3.2. Для измерения отраженного теплового излучения используются еще два дополнительных датчика, а именно контактный датчик температуры поверхности и ИК термодатчик, который служит для измерения температуры поверхности и отраженного теплового излучения. Данные, получаемые с датчиков, поступают в микроконтроллер для обработки и последующей записи на microSD для дальнейшего анализа на компьютере. Так же, чтобы вести хронологию снятия показаний, установлены часы реального времени с отдельным питанием. Рис. 3.1 Общая структурная схема устройства. 54 Рис. 3.2 Внешний вид макета устройства. 3.2. Подключение датчиков ИК-датчик TMP007 подключается по шине I2C, это достаточно удобно, т.к. не требуется дополнительных схем подключения. Подключение TMP007 к Arduino: подключить Vdd к источнику питания, 3В или 5В. Используйть то же напряжение, на котором основана логика микроконтроллера. Для большинства Arduino это 5V; подключите GND к общему источнику питания / данных; подключите вывод SCL к выходу I2C clockSCL на Arduino. Подключить вывод SDA к выходу dataSDA I2C на Arduino. Датчик LMT01 работает по двухпроводной линии. Полученные данные выдаются в виде количества импульсов, которые прямо пропорциональны измеренной температуре. Импульсы измеряемой температуры передаются по линиям питания LMT01. Данный метод не нуждается в формировании точных задержек, что значительно облегчает и упрощает программу микроконтроллера – достаточно подсчитать количество поступивших импульсов после подачи питания на LMT01 [35]. 55 В качестве ИК-термодатчика был выбран инфракрасный датчик D6T-44L-06 (рис. 3.4). Для его подключения потребуются так же его сигнальные SCL и SDA, которые подключаются по I2C и выводы питания VCC 5В и GND[36]. Рис. 3.3 Инфракрасный датчик D6T-44L-06. Для управления блоком фильтров подключена оптопара, ниже представлена принципиальная схема подключения (рис 3.4). Рис. 3.4 Принципиальная схема подключения оптопары. На рис. 3.5 изображено устройство изнутри, с подключенными датчиками. 56 Рис. 3.5 Внешний вид устройства, подключенные датчики. 3.3. Блок фильтров Для того чтобы ограничить широкий спектральный диапазон инфракрасного излучения, используется узкополосные ИК-фильтры (рис. 3.6). В таблице 3.1 приведены характеристики ИК-фильтров. 57 Рис. 3.6 Узкополосные дисперсионные ИК-фильтры. Таблица 3.1. Технические характеристики ИК-фильтров Номер фильтра Максимум полосы пропускания, мкм (доп. откл. = 0,1 мкм) Полуширина полосы пропускания, мкм (доп. откл. = 0,2 мкм) Пропускание в % 1 4,75 0,8 54 2 5,25 0,6 48 3 5,45 0,45 44 4 5,9 0,6 50 5 6,25 1,1 58 6 6,75 0,9 49 7 7,3 0,5 41 8 7,45 1,15 60 9 7,8 1,1 52 58 Продолжение таблицы 3.1. 10 8,1 1,03 74 11 8,55 1,1 55 12 8,9 1,0 58 При помощи шагового двигателя данные фильтры будут меняться. На рис.3.7 изображен блок фильтров установленный на двигателе. Рис. 3.7 Блок ИК-фильтов. Управление двигателя осуществляется микросхемой ULN2003. Микросхема ULN2003 представляет собой транзисторную сборку Дарлингтона с выходными ключами повышенной мощности, на выходах установлены защитные диоды. 3.4. Программное обеспечение В основной программе должны выполнятся следующие действия: при включение устройства опрос датчиков для каждого фильтра; обработка полученных данных; запись полученных данных на SD-карту; завершение работы программы. Код программы приведен в приложении. Ниже приведена блок-схема программы (рис. 3.8). 59 Рис. 3.8 Блок-схема программы. 3.5. Проведенные измерения С помощью устройства были получены данные распределения температуры падающего инфракрасного излучения в диапазоне длин волн от 4,75 до 7,45 мкм и показания без фильтра в дневное время (таблица 3.2), вечернее время (таблица 3.3), ночное время (таблица 3.4), а так же показания подстилающей поверхности (таблица 3.5). На рис. 3.9 - 3.14 приведены графики распределения температуры по длинам волн. 60 Таблица 3.2. Показания прибора в дневное время по каждому из фильтров Номер фильтра Длина волны, мкм Среднее значение, °C Среднеквадратическое отклонение Без фильтра 4 - 16 -21,07 1,936951213 1 4,75 49,5 3,708183 2 5,25 37,538 2,391860364 3 5,45 28,871 1,445907673 4 5,9 36,347 2,600758 5 6,25 39,499 1,33370499 6 6,75 31,248 1,45824415 7 7,3 33,963 1,327690099 8 7,45 31,941 1,557892487 Рис. 3.9 График распределения температуры по длинам волн в дневное время. 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30 32,5 35 37,5 40 42,5 45 47,5 50 52,5 55 57,5 60 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 |