Гиперспектральный метод дистанционного зондирования позволяет обнаружить малые объекты, идентифицировать их состав и наблюдать происходящие в них процессы. Метод обладает высокой чувствительностью при работе с объектами, не имеющими характерных выделенных линий спектра. Представлена гиперспектральная камера с широким спектральным диапазоном на пяти длинах волн. В конструкции использованы жидкостные оптические материалы с "особым" ходом дисперсии для суперахроматической коррекции хроматических аберраций.
Г иперспектральная аппаратура предназначена для проведения измерений в широком оптическом диапазоне спектра и получения как изображения, так и спектральных характеристик исследуемой поверхности. Поэтому такая аппаратура сочетает в себе параметры типичные как для спектральных приборов (спектральное разрешение), так и для средств регистрации изображений (пространственное разрешение). Гиперспектральными называются измерения в диапазоне от нескольких сотен до тысячи спектральных каналов, а гиперспектрометром – прибор, осуществляющий одновременно измерение спектральной и пространственных координат. Гиперспектральная съемка представляет собой метод сбора и обработки информации из различных участков электромагнитного спектра. Каждый объект имеет уникальную спектральную характеристику излучения, что позволяет однозначно идентифицировать материалы, составляющие его структуру Гиперспектральные сенсоры собирают информацию в виде "пакетов" изображений (гиперспектральных данных), при этом каждое изображение представляет определенную область электромагнитного спектра (спектральный канал). Гиперспектральные данные позволяют работать с объектом, не имеющим характерных выделенных линий спектра, и при их обработке использовать весь измеренный спектр. Это качественно отличает гиперспектральный метод дистанционного зондирования от многозонального метода. Переход от традиционной многозональной съемки к гиперспектральной увеличивает не только количество информации, но и обеспечивает совершенно новый, уникальный, качественный характер данных гиперспектральной съемки. Идентификация объектов и материалов при гиперспектральных измерениях базируется на способностях этих зондируемых объектов поглощать и отражать световые волны. Фундаментальной основой используемого метода дистанционного зондирования является однозначное соответствие между регистрируемым отраженным оптическим сигналом и элементным составом отражающей поверхности. В качестве подсветки поверхности Земли в дневное время может использоваться солнечное излучение. При этом максимум спектральной плотности излучения подсветки приходится на видимый диапазон. Информационной характеристикой гиперспектральных измерений является интенсивность излучения, отраженного определенной площадкой на поверхности Земли, в зависимости от значения длины волны λ регистрируемого излучения. Высокая чувствительность коэффициентов отражения разнородных объектов к частоте и поляризации подсвечивающего излучения выделяет гиперспектральный метод среди других методов изучения поверхности Земли. Данные гиперспектральных измерений используются для решения сложных задач обнаружения малых объектов, идентификации их состава и происходящих в них процессов, выделения отличий между очень близкими классами объектов, оценки биохимических, геофизических и других параметров и т. п. Только гиперспектральные измерения могут выявить малые спектральные различия между отдельными элементами поверхности и служить индикатором интересующих нас объектов и процессов на поверхности Земли.
РАСЧЕТ ВХОДНОГО ОБЪЕКТИВА С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ СРЕД С "ОСОБЫМ" ХОДОМ ДИСПЕРСИИ
Для формирующей изображение оптической системы гиперспектральной камеры, работающей в широком диапазоне спектра, требуется практически дифракционная аберрационная коррекция как монохроматических, так и хроматических аберраций. Апохроматическая или суперахроматическая коррекция последних возможна только при использовании оптических материалов с разным ходом дисперсии. Впервые практическая реализация была осуществлена в конце XIX века оптиком Эрнестом Аббе c использованием флюорита в качестве оптического материала с другим ходом дисперсии. В ХХ веке в оптической промышленности были созданы стекла: особый крон (марки ОК1, ОК4) и особый флинт (ОФ4, ОФ6), имеющие аналоги в каталогах зарубежных фирм. Однако относительно небольшая "особость" вышеуказанных, преимущественно флинтовых стекол, ограничивала спектральный диапазон коррекции аберраций, что побуждало к поиску не стеклянных оптических материалов, а например, жидких оптических сред с "особым" ходом дисперсии (ОЖС) [1–6]. Предпосылкой служило то, что ход дисперсии зависит от состава вещества и концентрации в нем химических элементов. Удержать при традиционной технологии изготовления стекла в высокотемпературном расплаве требуемую концентрацию добавленных химических элементов очень проблематично, что приводило в стеклах к малой величине "особости". При синтезе жидких сред, не требующих высокотемпературной обработки, можно добиться значительно большей концентрации требуемых химических элементов, что и было подтверждено на практике. Применение ОЖС в объективах позволяет получить апохроматическую аберрационную коррекцию в 1,5–2 раза большем спектральном диапазоне по сравнению со стеклянными аналогами. На диаграмме, сопоставляющей относительные частные дисперсии и числа Аббе оптических материалов, подавляющее большинство стекол находятся вблизи прямой, называемой "нормальной прямой". Для исправления вторичного спектра объектива-апохромата хотя бы один из материалов должен иметь особую частную дисперсию, смещающую материал на диаграмме с нормальной линии. Для использования в составе гиперспектральной камеры выбрана матрица ПЗС Sony ICX445AL. Матрица имеет рабочий спектральный диапазон 0,4–1 мкм, формат 1280×960 активных элементов, расположенных с шагом 3,7 мкм. Размер диагонали фотоприемной зоны 6 мм. Максимальная частота кадров матрицы составляет 22 Гц при полном кадре, возможны режимы неполного кадра с частотой до 30 Гц.Для полного использования спектрального диапазона матрицы, объектив камеры должен иметь качество изображения на уровне дифракционного предела в диапазоне 0,4–1 мкм.