Chương 5 Viễn thám hồng ngoại nhiệt

Phư ơng pháp viễn thám hồng ngoại nhiệt là phư ơng pháp ghi nhận các bức xạ nhiệt ở dải sóng hồng ngoại nhiệt ( từ 3 đến 14 Pm). Vì bức xạ nhiệt có cư ờng độ yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, nên để thu các tín hiệu nhiệt phải có thiết bị quét nhiệt với độ nhạy cao. Dư ới đây là một số cơ sở vật lý và các nguyên tắc tạo ảnh hồng ngoại.

pdf18 trang | Chia sẻ: lylyngoc | Lượt xem: 2841 | Lượt tải: 4download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Chương 5 Viễn thám hồng ngoại nhiệt, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Ch‡ơng 5 viễn thám hồng ngoại nhiệt Ph†ơng pháp viễn thám hồng ngoại nhiệt lμ ph†ơng pháp ghi nhận các bức xạ nhiệt ở dải sóng hồng ngoại nhiệt ( từ 3 đến 14 Pm). Vì bức xạ nhiệt có c†ờng độ yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, nên để thu các tín hiệu nhiệt phải có thiết bị quét nhiệt với độ nhạy cao. D†ới đây lμ một số cơ sở vật lý vμ các nguyên tắc tạo ảnh hồng ngoại. 5.1. Nguyên lý bức xạ nhiệt của vật chất Tính chất bức xạ nhiệt của các đối t†ọng tự nhiên dựa vμo nguyên tắc bức xạ của vật đen tuyệt đối. 5.1.1. Nhiệt độ Kinetic v sự bức xạ Nhiệt độ của vật chất đo đ†ợc khi tiếp xúc hoặc đặt chìm vμo bên trong vật chất đ†ợc quan niệm lμ nhiệt độ bên trong của vật chất gọi lμ nhiệt độ Kinetic. Nhiệt độ Kinetic lμ nhiệt độ bên trong của vật chất, thể hiện sự trao đổi năng l†ợng của các phân tử cấu tạo nên vật chất. Sự bức xạ năng l†ợng của vật chất lμ một hμm số của nhiệt độ Kinetic của chúng. Khi bức xạ, vật chất có một nhiệt độ khác gọi lμ nhiệt độ bên ngoμi của vật chất. Viễn thám ghi nhận thông tin về nhiệt độ bên ngoμi của vật chất, cũng có nghĩa lμ ghi nhận thông tin về sự bức xạ của vật chất. 5.1.2. Sự bức xạ của vật đen tuyệt đối Nh† phần đầu đã mô tả, khi nhiệt độ của một vật lớn hơn nhiệt độ 0oK (-2730C) thì nó sẽ phát ra một bức xạ nhiệt. C†ờng độ bức xạ vμ tính chất phổ của bức xạ lμ một hμm của thμnh phần vật chất tại thời điểm đó. Hình 5.1 minh hoạ cho sự phân bố phổ của năng l†ợng bức xạ từ bề mặt của vật đen tuyệt đối tại các nhiệt độ khác nhau. Các đ†ờng cong phân bố năng l†ợng có hình dạng giống nhau nh†ng các tia của chúng có xu h†ớng chuyển dịch về phía có b†ớc sóng ngắn hơn khi nhiệt độ tăng cao (quy luật chuyển dịch cực trị năng l†ợng bức xạ của Wiens). Phân bổ phổ của năng l†ợng bức xạ của vật đen tại các nhiệt độ khác nhau: T A maxO trong đó: Om - b†ớc sóng mμ ở đó có b†c xạ cực đại; A - 2.898 Pm (hệ số); T - nhiệt độ Kinetic. 71 Toμn bộ năng l†ợng phát ra từ bề mặt của vật đen tuyệt đối ở một nhiệt độ nμo đó đ†ợc xác định vμ tính bằng quy luật Stefan - bolfman: M =œM(O),d O, = G T4 trong đó: M - tổng năng l†ợng phát xạ, w/ m2 ; M O - năng l†ợng phổ phát xạ tại b†ớc sóng O,; G - hằng số stefan bolzmal = 5,6697X 10-8 W/Cm2/K-4; T - nhiệt độ của vật đen ( độ K ) d - diện tích phát xạ của vật đen Hình 5.1: Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất Theo ph†ơng trình, tổng l†ợng nhiệt phát ra từ bề mặt vật đen thì khác nhau theo tỷ lệ với lũy thừa 4 của nhiệt độ tuyệt đối. Viễn thám đo đ†ợc năng l†ợng phát ra của vật, do đó đo đ†ợc nhiệt độ của vật. Viễn thám đo các bức xạ M theo các dải b†ớc sóng khác nhau, tuy nhiên sự bức xạ nhiệt chỉ bắt đầu từ dải hồng ngoại nhiệt. 5.1.3. Sự phát xạ nhiệt từ các vật chất thực Với vật đen tuyệt đối, nó phát xạ toμn bộ năng l†ợng rơi vμo nó khi lμm cho nhiệt độ của nó tăng lên, còn vật chất thực chỉ phát ra một phần năng l†ợng rơi vμo nó. Khả năng phát xạ nhiệt gọi lμ độ phát xạ nhiệt (H). H = Năng l†ợng nhiệt phát ra của vật tại một nhiệt độ nμo đó/ Năng l†ợng phát ra của vật đen tại cùng nhiệt độ đó. H có giá trị từ 0 - 1: giá trị H khác nhau tuỳ thuộc vμo thμnh phần vật chất, ở các nhiệt độ khác nhau thì sự phát xạ cũng khác nhau. Ngoμi ra, sự phát xạ còn khác nhau ở dải sóng vμ góc phát xạ. 72 Một vật gọi lμ vật xám thì có độ phát xạ nhỏ hơn 1 nh†ng sự phát xạ lμ đều ở một b†ớc sóng t†ơng tự nh† của vật đen tuyệt đối. Một vật có sự phát xạ khác nhau ở các dải sóng khác nhau thì gọi lμ vật phát xạ lựa chọn. Rất nhiều vật chất có sự phát xạ giống nh† vật đen, ví dụ: n†ớc 0,98 - 0,99 vμ phát xạ ở dải sóng 6 - 14Pm. Nhiều vật chất khác lại có sự phát xạ lựa chọn, Ví dụ: thạch anh có sự phát xạ rất khác biệt giữa các phần trong dải phổ từ 6 - 14Pm. Dải sóng từ 8 -14Pm có đặc điểm lμ ngoμi việc thể hiện sự phát xạ của khí quyển còn thể hiên sự phát xạ của các đối t†ợng ở trên bề mặt trái đất với nhiệt độ trung bình khoảng 3000K, ở đó cực đại của nhiệt độ ở 9,7Pm. Vì lý do đó, hầu hết các thiết bị viễn thám đều hoạt động ở dải sóng 8 - 14Pm vμ ở dải sóng đó, các đối t†ợng tự nhiên trên bề mặt trái đất có sự phát xạ nhiệt rất khác nhau (bảng 5.1). Sự khác biệt đó liên quan đếnthμnh phần vật chất vμ trạng thái cấu trúc của đối t†ợng. Bảng 5.1: Sự phát xạ của một số đối t‡ợng tự nhiên điển hình trong dải sóng 8 - 14Pm Vật chất Giá trị trong dải 8 - 14Pm N†ớc sạch Tuyết s†ơng Da ng†ời Băng khô Thực vật khỏe Đất †ớt Bê tông nhựa Cây gỗ Đá bazal Đất khô Tuyết khô Cỏ Thép tấm Thép bóng 0,89 - 0,99 0,98 - 0,99 0,97 - 0,99 0,97 - 0,98 0,96 - 0,99 0,95 - 0,98 0,94 - 0,97 0,93 - 0,94 0,92 - 0,96 0,92 - 0,94 0,85 - 0,90 0,77 - 0,81 0,63 - 0,70 0,16 - 0,21 x Các thông số về tính chất nhiệt của đối tợng: bao gồm: tính dẫn nhiệt (conductivity), nhiệt dung (capacity) vμ quán tính nhiệt (inertia). 73 Hình 5.2: Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn về nhiệt độ của vật giữa ngμy vμ đêm Mô hình nhiệt của các vật chất lμ thể hiện quán tính-hay sự biến đổi nhiệt của vật chất trong 1 ngμy đêm: F = [Io (1 - A) COS Z ] - [ G Tkim4] ban ngμy = - G Tkim4 ban đêm trong đó: F - Chùm tia bức xạ mặt trời I0 - Hằng số mặt trời, lμ số đo bức xạ từ mặt trời A - Anbedo của bề mặt Z - Góc nghiêng của mặt trời G - Hằng số Stefan - Bolstman (5,67. 10-12 W.cm-2 . 0K-4 ) - Vμo ban ngμy ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp lμm nóng các đối t†ợng trên nguyên tắc hấp thụ nhiệt ở cả dải hồng ngoại, vùng nhìn thấp vμ hồng ngoại phản xạ, gần hồng ngoại. Sự phản xạ lại ánh sáng mặt trời th†ờng ở dải sóng 3 - 5Mm. nếu dùng phim hồng ngoại ở dải sóng 8 - 14Pm, vμo ban ngμy sẽ xuất hiện các "bóng". ở vùng lạnh do bị khuất bóng mặt trời, ví dụ: bóng cây, bóng nhμ, bóng núi. Thông th†ờng, vμo ban ngμy, vùng bị chiếu ánh nắng mặt trời sẽ nóng hơn. Đối với các vật thể phát nhiệt thì tín hiệu nhiệt cao thấp phụ thuộc vμo nhiệt độ thực của chúng, ví dụ: nhμ máy, núi lửa, đám cháy rừng... Trên ảnh hồng ngoại, độ sáng của ảnh (Brightness) sẽ thể hiện nhiệt độ của đối t†ợng. Vùng nóng nhiệt độ sẽ cao, sẽ Thép Giờ trong ngμy Thực vật Nhiệt độ bức xạ N†ớc lặng sóng Đá vμ đất Mặt trời lặn Mặt trời mọc Đầm lầy Ban ngyBan đêm Ban đêm 0 4 8 12 16 20 24 74 có mμu sáng đến trắng, vùng lạnh sẽ có mμu đen, xám. Mức độ xám sẽ thể hiện thang nhiệt độ của ảnh của khu vực. -Vμo ban đêm các đối t†ợng có sức chứa nhiệt cao vμ quán tính nhiệt cao thì th†ờng có nhiệt độ cao hơn các đối t†ợng khác vμ ảnh của chúng th†ờng sáng hơn. Các đối t†ợng có nhiệt độ cao do các nguồn cung cấp khác cũng có tone ảnh sáng hơn. Quán tính nhiệt: lμ khả năng phản ứng của một vật chất đối với sự thay đổi về nhiệt. Thông th†ờng các vật chất có quán tính nhiệt cao thì có sự ổn định về nhiệt trong một ngμy đêm hơn so với các vật chất có quán tính nhiệt nhỏ. Trên ảnh hồng ngoại nhiệt ban ngμy vμ ban đêm, có thể tính đ†ợc quán tính nhiệt 'T - Sự chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất vμ thấp nhất của vật xuất hiện trong một chu kỳ của mặt trời trong một ngμy (giữa tr†a vμ nửa đêm) ảnh chụp ban ngμy: - Các đối t†ợng có nhiệt độ cao: nhμ ở, đ†ờng trải nhựa, bê tông, bãi cỏ, sân xi măng... - Các đối t†ợng có nhiệt độ thấp: bóng cây, mặt n†ớc. ảnh chụp ban đêm: - Các đối t†ợng có nhiệt độ cao: mặt n†ớc, đ†ờng trải bê tông nhựa, nhμ ở, khu vức n†ớc thải... - Các đối t†ợng có nhiệt độ thấp: bóng cây, bãi cỏ, sân xi măng, băng, tuyết... Trong nghiên cứu địa chất, nhiều loại đá có đặc điểm giống nhau trên ảnh ở vùng nhìn thấy song lại có đặc điểm về nhiệt khác nhau, ví dụ: đá vôi vμ manhefit, các nguồn n†ớc nóng nằm ở nông, các hệ thống đứt gãy có thể đ†ợc phát hiện rất rõ trên ảnh quét nhiệt. 5.2. Các ảnh h‡ởng của khí quyển tới việc quét tạo ảnh hồng ngoại Khí quyển có ảnh h†ởng nhiều đến quá trình thu nhận tín hiệu bức xạ nhiệt. Trong việc chế tạo thiết bị thu, các cửa sổ khí quyển đ†ợc lựa chọn để những ảnh h†ởng của khí quyển lμ thấp nhất. Mặt khác đối với mỗi cửa sổ đ†ợc lựa chọn thì ảnh h†ởng của khí quyển cũng đ†ợc tăng lên hay giảm xuống tùy theo mức độ phát xạ của các đối t†ợng trên bề mặt. Nh† vậy, các tín hiệu nhiệt thu đ†ợc phụ thuộc vμo ảnh h†ởng mạnh hay yếu của khí quyển, cụ thể lμ tỷ lệ giữa các thμnh phần: hấp thụ vμ truyền qua. 75 Do ảnh h†ởng của các thμnh phần nhỏ bé trong khí quyển mμ nó có thể hấp thụ bớt một phần tín hiệu truyền từ đối t†ợng trên mặt đất, tr†ớc khi các tín hiệu đó tới đ†ợc thiết bị thu. Ng†ợc lại, chúng cũng có thể phát ra tín hiệu bức xạ về nhiệt của chính các vật chất đó rồi bổ sung vμo các tín hiệu khi truyền tới thiết bị thu nhận. Do đó, trong thực tế do ảnh h†ởng của khí quyển mμ nhiều đối t†ợng lại đ†ợc thể hiện có nhiệt độ lạnh hơn hoặc ấm hơn so với nhiệt độ thực của chúng vμ ảnh h†ởng đó lμm sai lệch thông tin ra. Thông th†ờng, mức độ ảnh h†ởng phụ thuộc vμo dải quét, khoảng cách giữa thiết bị tới đối t†ợng. Ví dụ: thông th†ờng nếu tín hiệu nhiệt đ†ợc thu ở độ cao thấp d†ới 300m thì nhiệt độ của vật đo đ†ợc th†ờng cao hơn 20 so với đo ở độ cao lớn hơn. Tất nhiên lμ điều kiện khí t†ợng có ảnh h†ởng lớn tới dạng vμ biên độ của những ảnh h†ởng nhiệt do khí quyển. Mây vμ s†ơng mù lμ những yếu tố lμm che khuất những bức xạ nhiệt của mặt đất. Nếu trời trong, đới sol khí sẽ tạo nên những ảnh h†ởng tới tín hiệu nhiệt. Bụi, các nguyên tử cacbon, khói, hơi n†ớc cũng lμ những nhân tố ảnh h†ởng đến tín hiệu nhiệt độ đ†ợc. Vì vậy, ảnh h†ởng của khí quyển lμ rất đa dạng, tùy thuộc vμo độ cao, thời gian vμ điều kiện thời tiết của khu vực. Tuy nhiên, những ảnh h†ởng của khí quyển th†ờng không đ†ợc để ý tới. Trong kỹ thuật xử lý ảnh có nhiều ph†ơng pháp xử lý loại bỏ các nhiễu của khí quyển. x T‡ơng tác nhiệt với các yếu tố địa hình Trong viễn thám nhiệt, thông số đ†ợc quan tâm đến nhiều nhất lμ bức xạ nhiệt từ các đối t†ợng trên địa hình. Tuy nhiên, bức xạ nhiệt từ một đối t†ợng lμ kết quả t†ơng tác với năng l†ợng rơi vμo nó (ở đây ch†a xét đến các nguồn nhiệt truyền dẫn trực tiếp từ các đối t†ợng ở xung quanh đến đối t†ợng). Khi một nguồn năng l†ợng rơi vμo đối t†ợng, có sự t†ơng tác nh† sau: EI = EA + ER + ET trong đó: EI- năng l†ợng rơi vμo các yếu tố địa hình; EA - phần năng l†ợng hấp thụ bởi các yếu tố địa hình; ER - phần năng l†ợng phản xạ bởi các yếu tố địa hình; ET - phần năng l†ợng truyền qua các yếu tố địa hình. Nếu biến đổi công thức trên bằng cách chia cho EI, ta có: EI ET EI ER EI EA EI  nếu gọi: Į (Ȝ) = EI EA lμ hệ số hấp thụ nhiệt tại b†ớc sóng Ȝ ȡ(Ȝ)= EI ER lμ hệ số phản xạ nhiệt tại b†ớc sóng Ȝ 76 IJ (Ȝ)= EI ET lμ hệ số truyền nhiệt tại b†ớc sóng Ȝ ta có: 1 = Į (Ȝ) + ȡ(Ȝ) + IJ (Ȝ) Một thμnh phần khác đ†ợc xem xét đến lμ theo định luật phát xạ Kirch Hoff (Kirch hoff radiation law) lμ: nếu độ phát xạ của một vật bằng độ hấp thụ của chúng thì: ȯ(Ȝ) = Į (Ȝ) Nh† vậynếu một vật có khả năng hấp thụ tốt thì sẽ phát xạ tốt về nhiệt. Quy luật Kirch Hoff dựa vμo trạng thái cân bằng về nhiệt, khi đó: ȯ(Ȝ) + ȡ(Ȝ) + IJ (Ȝ) = 1 Trong điều kiện mờ đục thì IJ (Ȝ) = 0, khi đó: ȯ(Ȝ) - ȡ(Ȝ) =1 Trong tr†ờng hợp nμy thì tổng sự phát xạ vμ phản xạ nhiệt của đối t†ợng lμ không đổi nếu sự phản xạ thấp thì sự phát xạ sẽ cao. Một vật có sự phản xạ nhiệt thấp thì sự phát xạ nhiệt sẽ cao. Ví dụ: n†ớc có sự phản xạ nhiệt rất yếu trong vùng hồng ngoại nên sự phát xạ nhiệt lại t†ơng đối cao (Đ1). Ng†ợc lại, thép lá có sự phản xạ nhiệt rất cao thì độ phát xạ nhiệt lại rất yếu trong vùng phổ hồng ngoại (0,63- 0,7). Sự phát xạ nhiệt của một đối tợng tuân theo quy luật Stefan- Boltzmal: M= ȯɛT4 trong đó: M - năng l†ợng nhiệt phát xạ tại nhiệt độ T (w/m2); ȯ - hệ số phát xạ nhiệt của vật chất; ɛ - hằng số boltzman 5,6697 X 10 –8 w .m 2 .K -4; T - nhiệt độ (k). Do đó, mặc dù bề mặt trái đất có nhiệt độ t†ơng đối giống nhau (khoảng 3000 K) song sự phát xạ nhiệt lại rất khác nhau do các vật chất có hệ số phát xạ nhiệt khác nhau. Có thể biến đổi công thức thμnh: Tad= ȯ ẳ T kin trong đó : T Rad - nhiệt độ phát xạ của vật chất; T- nhiệt độ Kinetic (nhiệt độ bên trong); ȯ - hệ số phát xạ nhiệt của vật chất. 77 Vì TRad tỉ lệ với căn bậc 4 của TKin nên nhiệt độ phát xạ của vật chất luôn nhỏ hơn nhiệt độ bên trong của vật chất (nhiệt độ Kinetic) xem bảng 5..2. Bảng 5.2: Các thông số về hệ số nhiệt của một số vật chất Nhiệt độ Kinetic (T Kin) Nhiệt độ phát xạ (T Rad= ȯ ẳ T kin)Đối t†ợng Độ phát xạ ȯ K C K C Vật đen 1,00 300 27 300 27 Thực vật 0,98 300 27 298,5 25,5 Đất †ớt 0,95 300 27 286,2 23,2 Đất khô 0,92 300 27 293,8 20,8 Một điểm cần l†u ý lμ: Các sensor sử dụng trong dải ngoại nhiệt có khả năng phát hiện các bức xạ nhiệt từ bề mặt của các đối t†ợng trên mặt đất (bắt đầu từ khoảng 5Pm). Nhiệt độ nμy có thể hoặc không thể hiện nhiệt độ bên trong của đối t†ợng. Ví dụ, vμo ban ngμy với độ ẩm thấp thì n†ớc có nhiệt độ cao sẽ có tác dụng giữ ẩm vμ lμm lạnh bề mặt của nó, mặc dù trong khi với khối l†ợng lớn thì n†ớc có thể giữ ấm ổn định hơn khi nó ở trên bề mặt một đối t†ợng. Đây lμ tính chất đáng l†u ý khi sử dụng vμ phân tích t† liệu viễn thám. 5.3. Ph‡ơng pháp thu vμ đặc điểm ảnh hồng ngoại nhiệt 5.3.1. Cấu tạo v vận hnh của hệ thống quét hồng ngoại nhiệt Bộ phận Detector quét G†ơng quay Khuyếch đại Ghi băng Ghi phim H†ớng bay G†ơng hội tụ Bộ điều chỉnh nguồn tia Hình 5.3: Cơ chế thu ảnh nhiệt theo ph‡ơng pháp quét 78 Do các tín hiệu lμ thấp vμ chịu ảnh h†ởng của nhiều yếu tố môi tr†ờng nên ph†ơng pháp thu ảnh nhiệt đ†ợc áp dụng lμ ph†ơng pháp quét với các sensor nhiệt, có tr†ờng nhìn tức thời( IFOV) lớn. Cấu tạo của hệ thống tạo ảnh hồng ngoại nhiệt bao gồm (hình 5.3): - Sensor nhiệt: hệ thống nμy có tr†ờng nhìn tức thời rộng.Các tín hiệu do thiết bị thu th†ờng phải đ†ợc khuyếch đại lên nhiều lần tr†ớc khi ghi lại thμnh hình ảnh. - Hệ thống quét cơ quang học hoạt động theo nguyên tắc quét ngang theo đ†ờng vuông góc với đ†ờng bay. - Hệ thống tạo ảnh: tín hiệu do sensor thu, sau khi đ†ợc khuyếch đại sẽ đ†ợc ghi lại thμnh dạng hình ảnh theo cơ chế 8 bit. Trên hình 5.3 minh họa qui trình ghi phổ của máy quét đa phổ ngang mô phỏng cả quá trình thu năng l†ợng phổ từ đất đến giai đoạn ghi lại tín hiệu điện từ trong tape. Khi năng l†ợng phản xạ, phát xạ từ mặt đất tới g†ơng quay sẽ đi qua một thấu kính vμ bộ tách phổ l†ỡng sắc chia phổ ra lμm hai phần chính: 1- các dải phổ từ cực tím (UV), nhìn thấy, vμ hồng ngoại gần sẽ đ†ợc dẫn qua một lăng kính vμ tại đó sẽ có các đầu ghi phổ theo các kênh phổ nhỏ hẹp ghi nhận chúng; 2- phần phổ nhiệt (Thermal) sau khi đi qua bộ cách l†ỡng sóng sẽ tiếp tục đ†ợc các bộ cảm nhiệt ghi lại tín hiệu trên các kênh nhiệt khác nhau. Các tín hiệu phổ đ†ợc chuyển đổi sang tín hiệu điện từ vμ khuyếch đại ghi lại trên băng từ. Trong thực tế có bộ ghi phổ đạt đến hμng trăm kênh phổ khác nhau. Bộ quét phổ theo chiều vuông góc với h†ớng bay, thu ảnh trên dải sóng nhiệt, do có sự ảnh h†ởng của quyển khí, nên vận hμnh trong dải sóng từ 3- 5 P m hoặc trên cửa số sóng nhiệt 8-14 P m. Các bộ ghi nhận phổ (detectors) quantum hoặc photon đ†ợc xử dụng cho mục đích ghi phổ nμy vì nó có tốc độ rất nhanh (<1Psec). Chúng hoạt động theo nguyên lý t†ơng tác trực tiếp giữa photons của phát xạ tới vμ mức năng l†ợng điện tích của vật liệu các đầu ghi phổ. Để có độ nhạy cảm lớn, các đầu ghi phổ đ†ợc lμm lạnh tới nhiệt độ tuyệt đối 0 nhằm loại trừ khả năng phát xạ của chính đầu ghi phổ. Thông th†ờng, đầu ghi phổ đ†ợc bao quanh thiết bị hai lớp đ†ợc lμm lạnh tại 770 K. Hệ ghi phổ hiện nay có độ phân giải nhiệt độ lμ 0,1oC . Các thông số về khoảng nhạy phổ của hệ máy đo phổ kênh nhiệt đ†ợc ghi nhận trong bảng 3.2. Hình 3.21. minh họa sơ đồ qui trình vận hμnh cơ bản một hệ quét nhiệt. 79 Lăng kính Con cách l‡ỡng sắc Bộ ghi phổ Thấu kính Năng l†ợng từ mặt đất Ghi băng b - Sơ bộ thu ghi tín hiệu Їờng bay a - Їờng quét tạo ra khi bay Hình 5.4. Nguyên tắc vận hμnh một hệ quét đa phổ ngang: a- sơ đồ thu vμ ghi tín hiệu. b- đ†ờng quét tạo ra khi bay (Theo Thomas) M. lillesand vμ Ralph W. Kiefer, 1999) Bảng 3.2: Đặc tính của máy đo phổ Photons th†ờng dùng Kiểu Tên Khoảng phổ hữu ích (P m) Thủy ngân - Germani Ge:Hg 3-14 Indi-antimon InSb 3-5 Thủy ngân-Carmi-Telluarit HbCdTe (MTT) hay ba kim loại 8-14 Trong bộ ghi phổ kênh nhiệt quét ngang, năng l†ợng từ mặt đất đ†ợc g†ơng quét chiếu sang thấu kính quét. Tại đây, năng l†ợng đ†ợc đầu ghi phổ nhiệt của các kênh có các b†ớc sóng khác nhau ghi nhận vμ chuyển từ tín hiệu nhiệt sang tín hiệu điện. Tín hiệu điện truyền qua máy khuyếch đại vμ đ†ợc ghi trong băng từ sau khi đã chuyển đổi từ dạng t†ơng tự sang dạng số. 5.3.2.Đặc điểm của ảnh hồng ngoại nhiệt -Phân giải không gian vμ diện phủ mặt đất Thông th†ờng, ảnh quét đa phổ ngang đ†ợc ghi nhận trên cao độ từ 300-12000 mét. Bảng 3.2. liệt kê độ phân giải không gian vμ diện phủ trên các độ cao khác 80 nhau khi sử dụng hệ quét có các giá trị tr†ờng nhìn 90o vμ góc IFOV lμ 2,5 mili radian. Độ phân giải không gian D đ†ợc tính theo công thức: D = H'E Độ rộng của đ†ờng quét W đ†ợc tính theo công thức: W = 2H' tanT trong đó: H' lμ cao độ bay, T lμ nửa giá trị của góc tr†ờng nhìn của hệ quét. Rất nhiều biến dạng hình học của quét đa phổ ngang gây ra vμ có thể giảm thiểu khi ta phân tích vùng gần tâm của vệt quét. Nhiều biến dạng hình học có thể loại bỏ đ†ợc bằng ph†ơng pháp toán học, tuy nhiên, hiệu ứng biến dạng hình học gây khó khăn cho việc giải quyết chọn vẹn hiện t†ợng nμy (hình 3.22). Năng l‡ợng nhiệt từ mặt đất Thiết bị điện tử - Tín hiệu điện Đầu ghi phổ nhiệt G‡ơng quét Thấu kính quét Bộ khuyếch đại Ghi vo Motor quay Hình 5.5. Sơ đồ bộ ghi phổ kênh nhiệt theo nguyên tắc quét ngang Bảng 3.3: Độ phân giải mặt đất tại tâm (Nadir) vμ độ rộng của đ‡ờng quét cho các cao độ khác nhau của một hệ quét đa phổ có góc 90o vμ tr‡ờng nhìn tổng lμ 2,5 mili radian IFOV. Độ cao Cao độ bay (m) Độ phân giải tại Nadir (m) Độ rộng đ†ờng quét (m) Thấp 300 0.75 600 Trung bình 6000 15 12000 Cao 12000 30 24 000 81 - Biến dạng tiếp tuyến - tỷ lệ Vận tốc góc không đổi Hình 5.6. Sự thay đổi của các phần tử phân dải mặt đất theo vận tốc thẳng ảnh ghi nhận bởi hệ quét đa phổ ngang ch†a đ†ợc nắn sẽ bị biến dạng hình học, đặc biệt trên đ†ờng vuông góc với h†ớng bay. Trên hình 3.23 ta thấy rõ rằng cứ sau một khoảng tăng thời gian, g†ơng quay sẽ quét đi một góc không đổi ' T vì vận tốc góc của g†ơng quay lμ không đổi. Hiện t†ợng nμy gọi lμ biến đổi hình học ảnh kiểu tỷ lệ tiếp tuyến. Tỷ lệ ảnh sẽ thay đổi chỉ theo ph†ơng vuông góc với h†ớng bay vμ không thay đổi theo h†ớng bay. Hớng bay Hình 5.7. Biến dạng của ảnh ch‡a nắn: a, ảnh chụp vuông góc. b, ảnh chụp ngang. Điều nμy cho thấy, hình đúng của đối t†ợng trên mặt đất sẽ lμ mặt cong d†ới máy bay. Trên hình 3.24. minh họa hai sự biến dạng của một cảnh chụp trong đó a- ảnh chụp vuông góc theo giả thuyết- không biến dạng, vμ b- ảnh bị biến dạng tỷ lệ theo chiều ngang. Những biến dạng hình học nμy đ†ợc nắn chỉnh theo ph†ơng pháp toán học liên quan đến sự t†ơng quan của góc nhìn. -Thay đổi kích th†ớc của pixel phân giải 82 Trong quét ngang, kích th†ớc của điểm ảnh sẽ tăng dần khi xa đ†ờng tâm ảnh nadir. Tại tâm nadir, độ phân giải mặt đất của đơn vị ảnh đ†ợc tính bằng kích th†ớc thật của pixel ảnh, nh† vậy lμ, phụ thuộc vμo góc E, cao độ bay H' vμ góc quay T. Thông th†ờng, độ phân giải tại rìa ảnh sẽ lớn gấp 3 đến 4 lần độ phân giải của điểm ảnh tại đ†ờng tâm. Tín hiệu đầu ra của máy tại bất kỳ điểm nμo thể hiện phổ tổng hợp của tất cả các đối t†ợng không gian trong phạm vi pixel ảnh mặt đất. Bởi lẽ, kích th†ớc của điểm ảnh sẽ tăng dần theo h†ớng từ nadir ra rìa ảnh, chỉ có đối t†ợng không gian lớn hơn diện tích nhìn thấy bởi IFOV đ†ợc ghi nhận chính xác. Đối với
Tài liệu liên quan