Способ определения вида естественной подстилающей поверхности Советский патент 1992 года по МПК G01N21/55 

Изобретение относится к отражательной спектрометрии естественных подстилающих поверхностей и может быть использовано в приборах, предназначенных для распознавания покрытий по коэффициенту отражения.

Известен способ определения состояния дорожного покрытия по величине отра- женного ИК-излучения. Длина волны ИК-излучения источника подобрана так, что отражение от снега меньше чем от сухого дорожного покрытия. Приемник формирует сигналы, характеризующие отраженную световую энергию. В компараторе проводится сравнение выходных сигналов приемника с эталонными сигналами, соответствующими систематизированным состояниям дорожных покрытий. Оценочный блок проводит определение соответствия состояния исследуемого дорожного покрытия одному из систематизированных состояний дорожных покрытий.

Недостатком этого способа является сложность определения состояния дорожного покрытия.

Наиболее близким к предлагаемому является двухспектральный способ контроля состояния дорожного покрытия. Способ предполагает использование двух источников света видимого и ИК-участков спектра, направляемого на участок дороги. Приемная часть устройства состоит из трех каналов. Два приемника предназначены для приема рассеянных поверхностью видимых и ИК-лучей, третий - для приема зеркально отраженных видимых лучей. Логическая решающая схема принимает выходные сигналы детекторов и контролирует состояние дороги по их уровню относительно пороговой величины, соответствующей образованию льда на ее поверхности.

Недостатком известного способа является использование трех каналов приема отраженного излучения, поскольку способ включает, кроме анализа в двух областях спектра, исследование индикатрисы отражения с целью выявления ее зеркальной составляющей, возникающей при образовании льда на дорожном покрытии.

СП

С

vj СО СО

ю J ю

Целью изобретения является упрощение определения отражательных свойств поверхности.

На фиг, 1 изображена блок-схема устройства определения отражательных свойств поверхности; на фиг. 2 - спектральная характеристика коэффициента отраженияразличных естественных подстилающих поверхностей; на фиг, 3 - зависимость выходного сигнала фотопри- емника от расстояния до исследуемой поверхности.

Устройство для реализации способа содержит излучатели 1 и 2 с длиной волны излучения в пределах спектральных диапа- зонов 0,6-0,7 и 0,9-1,0 мкм соответственно, которые генерируют световые потоки, направляемые на исследуемую поверхность 3. Фотоприемник 4 соединен с входом схемы 5 сравнения, к другому входу которой под- ключей блок 6 опорного уровня. Выход схемы 5 сравнения соединен с входом схемы 7 идентификации вида поверхности.

Способ осуществляют следующим образом.

Для реализации способа необходимо произвести настройку измерительного устройства в лабораторных условиях, которая включает следующие операции.

Устанавливают два излучателя с длиной волны излучения в указанных ранее спектральных диапазонах и фотоприемник на одной базовой линии или по крайней мере базозой плоскости. Размещают эталонную поверхность с коэффициентом отражения ,45 на фиксированном расстоянии I перпендикулярно к оптической оси приемоиз- лучательного устройства. Приводят излучатели к единому-уровню мощности и углу распространения. Настраивают при- емоизлучательную систему на фиксированное расстояние I путем юстировки оптических элементов, обеспечивающей максимальный фотоответ приемника в обоих спектральных каналах.

Регистрируют напряжения ифд( AI ) и ифд( А2 ), соответствующие коэффициенту отражения от эталонной поверхности, и рассчитывают величины опорного уровня.

Затем с помощью настроенного изме- рительного устройства производят определение вида поверхности в следующем порядке.

Измерительное устройство устанавливают на расстоянии I от исследуемой повер- ности так, что оптическая ось устройства .омальна к ней. Последовательно измеряфотсответ на двух длинах волн, затем (числяют яркостный контраст KL для данной поверхности и сравнивают с опорным уровнем KLO.

По величине KL и соотношению с KLO определяют вид исследуемой поверхности.

Способ основан на статистических данных о спектральном коэффициенте отражения ряда естественных поверхностей, приведенных на фиг. 2.

На фиг. 2 обозначено: кривая снега с ледяной коркой; 9 - кривая снега крупнозернистого; 10 - кривая водной поверхности озера, 11 - кривая почвы после талого снега; 12 - кривая силосной кукурузы; 13 - кривая высокой зеленой кукурузы; 14 - кривая кукурузы желтой; 15 - кривая суданки; 16 - кривая чернозема; 17 - кривая стерки злаков.

Анализ этих данных в спектральном диапазоне 0,5-1,0 мкм показал, что по величине коэффициента отражения и характеру спектральной зависимости естественные поверхности делятся на две группы.

В одной группе, к которой относятся большинство почв, дорожных покрытий и растительных покровов, наблюдается монотонный или скачкообразный рост коэффициента отражения с увеличением длины волны. Общий диапазон изменения величины коэффициента отражения для них составляет 5-35 %. В другой группе, состоящей из снежных покровов, коэффициент отражения уменьшается в пределах 80-55 %. Обнаруженные особенности спектральной зависимости коэффициента отражения используют для селекции естественных поверхностей.

В соответствии со спектральным методом распознавание поверхностей производится по величине и знаку среднего яркостного контраста поверхности в двух спектральных диапазонах КЦДАт , ДА2 ), который определяется как

KL (AAi, ДА2) U,- (AAi) - Lni (ДА:) ,(1)

где Lni - средняя яркость поверхности i-й группы;

ДАч , ДАа - спектральные диапазоны.

Учитывая, что большинство естественных поверхностей является диффузными ламбертовыми отражателями, яркость их при активном зондировании потоком спектрального диапазона выражается как ,

Ui (ДА )р ДА-Едя/л:.(2)

где р ДА - коэффициент отражения поверхности;

ЕДА - освещенность поверхности, создаваемая излучателем с яркостью L0A и определяемая дальностью I.

Одним из условий спектрального анализа является равенство мощности исследуемого энергетического потока на разных длинах волн В данном случае зто значит, что

Е д/, E const.(3

Учитывая выражение (3), получим

(ДА)рдяЕ/я С1рДА, (4)

где я.

Следовательно, яркость поверхности в определенном спектральном диапазоне определяется ее коэффициентом отражения, соответствующим данному спектральному диапазону Это знаииг, что рркостный контраст поверхности в двух спектральных диапазонах определяется разностью соответствующих им спектральных коэффициентов отражения, т. &.

Ki (ДА1 , Л;.2 ) Ci (рдЯ -РДА2)

где/эдЯч -РЛ/Ь коэффициенты отражения поверхности для спектральных диапазонов Л/и и ЛЯ соответственно.

Установлено, что максимальные значения яркостного контраста соответствуют двум спектральным диапазонам 0.6-0,7 и 0,9-1.0 мкм. Этим обусловлен выбор рабо- чих спектральных диапазонов для предлагаемого способа.

При выборе спектральных диапазонов измерения рассматривались области спектра с наибольшей разностью спектрального коэффициента отражения.

Основным критерием выбора является получение максимального значения яркостного контраста, величина которого служит определяющим признаком вида поверхности. Исследованы значения яркостного контраста на длинах волн 0,6-0,9 мкм и 0,7- 1.0 мкм. соответствующих предлагаемым спектральным диапазонам, и в сочетаниях 0,,9 мкм, 0,6-0,8 мкм и 0.8-1.0 мкм, включающих одну длину волны за пределами выбранных спектральных диапазонов.

Сравнение количественных значений яркостного контраста, достигаемого в различных сочетаниях длин волн по спектру, показывает преимущества выбранной пары спектральных диапазонов, обеспечивающей по сравнению с парой длин волн 0,5- 0,9 мкм для большинства, а сравнительно с парами 0,6-0,8 мкм и 0,8-1,0 мкм для всех рассматриваемых видов поверхности максимальный яркостный контраст.

Статистические данные о спектральном коэффициенте отражения данных видов по

верхности в ИК-области спектра при Я 1 мкм не обнаружены. Имеющееся в литературе качественное списание спектральной зависимости коэффициента отражения ес5 тественных поверхностей в более длинноволновой области говорит об отсутствии закономерностей, характерных для спектральной области 0,5-1,0 мкм, что исключает применение способа.

10Способ поясняется графическими зависимостями, показанными на фиг. 3 и представляющими собой функции выходного сигнала фотоприемника устройства от расстояния до исследуемой поверхности. Кри15 вые 18 и 19 получены при зондировании отражательной поверхности потоком с длиной волны в диапазоне 0,6-0,7 мкм. кривые 20 и 21 - в диапазоне 0,9-1,0 мкм. При этом

20 отражение от поверхности с большим коэффициентом отражения показано зависимостями 18и20, кривые21 и 19 характеризуют отражение от поверхности с малым коэффициентом отражения

Основние энергетическое уравнение измерительной системы имеет вид

Фвх ТС Л/.А2 АвхЛ2 ч

где Фвх - световой поток на входе фотоприемника:

гс коэффициент пропускания среды;

А2, Авх - площади видимой части отражающей поверхности и входного зрачка фотоприемника.

Предположим, что оптические характеристики приемопередающей системы и внешней среды постоянны, а дальность не изменяется, т. е.

25

30

35

Тс А2АВх / l COnst C2,

то

Ъх С2Ш.

Как известно

иФд Зс21ДА.(б,1

где UфД-амплитуда выходного напряжения фотодиода,

S - интегральная чувствительность (фотодиода.

С учетом (4) уравнение (6) запишете как

ифд SciC2PAAИз этого следует, что амплитуда выходного напряжения фотодиода при опреде- ленной длине волны излучаемого потока может быть отградуирована & единицах спектрального коэффициента отражения.

Очевидно,что

.Р

Подставляя (7) в (5), получим KL (AAi, ДА2) -gig ( ифд (AAi) -ифд(АА2)).

Последнее соотношение показывает, что яркостный контраст поверхности отражения в двух спектральных диапазонах, оп- ределяющий ее вид, в данной измерительной системе эквивалентен разности амплитуд напряжения фотоответа фо- тодиода, а степень отражательных способностей поверхности - знаку разности амплитуд напряжения.

Вид зависимостей 18-21 иллюстрирует принцип селекции поверхностей по отража- ельным свойствам. На фиксированной дальности в статической измерительной системе у поверхности с высоким коэффици- ентом отражения имеет место преобладание амплитуды отраженного из- лучения в диапазоне 0,6-0,7 мкм над амплитудой отраженного потока в диапазоне 0,9-1.0 мкм. которая в свою очередь превы- шаег опорный уровень, соответствующий эталонной поверхности, У поверхностей с малым коэффициентом отражения - обратив соотношение. Э го значит, что поверхно- с. и в зависимости ог ее отражательных свойств соответствует определенное соот- амплитуды фотоответа в различных спектральных диапазонах

относительно друг друга и опорного уровня, что позволяет осуществлять распознавание поверхностей по величине этого соотношения и его знаку.

При изменении дальности поверхности в зависимости от отражательных свойств соответствует определенная последовательность появления импульсов отраженного излучения различного спектрального состава. Приближение к сильноотражающей поверхности соответствует дистанционному и временному опережению импульса красной (0.6 -0,7 мкм) области спектра по сравнению с ИК-импульсом (0,9-1,0 мкм). Обратная импульсная последовательность наблюдается при сближении со слабоотражающими поверхностями.

Формула изобретения Способ определения вида естественной подстилающей поверхности, включающий облучение в двух спектральных диапазонах и измерение параметра, отраженного от исследуемой поверхности излучения с помощью фотоприемных устройств с последующим сравнением его с опорным уровнем, отличающийся тем, что, с целью упрощения, исследуемую поверхность облучают в диапазонах длин волн 0,6- 0,7 v. 0,9-1,0 мкм, а измеряют яркостный контраст поверхности в указанных спектральных диапазонах.

Использование: отражательная спектрометрия естественных подстилающих поверхностей. Сущность изобретения: коэффициент отражения исследуемой поверхности определяется путем активного зондирования двумя излучателями в диапазонах длин волн 0,6-0,7 и 0,9-1,0 мкм, при котором об отражательных свойствах поверхности судят по соотношению их яркост- ных контрастов с опорным уровнем. 3 ил.

/7777/7//// fae i

i о/ , /о

30

во

70

60

50

40

3020

10

/

и.мв

40ff 50D 600 700 800 900 WOO Jw Фиг. 2

/„

фиа 3

т-Т- -Ь-ц

X IN

ч j

.

15

12

Щ

U-1

ISO 1,см