Способ определения вида естественной подстилающей поверхности

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 21/51 г:1ЕТЕН А ЕСТЕ- ОВЕРХ 690553, кл, 6 01 й му явнтроля пособ точнипектра Приемх канадимых ально ая ре сигна порога дороги и вой вели нию льд зоваго способа явля- каналов приема оскольку способ в двух областях дикатрисы отрая ее зеркальной ей при образоварытии. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Патент США М 421/55, 1987,Заявка Японии ГФ 62-37890, кл. 6 021/55, 1988,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 отраженного ИК-излучения, Длина волны ИК-излучения источника подобрана так, что отражение от снега меньшечем 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. Ы(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВСТВЕННОЙ ПОДСТИЛАЮЩЕНОСТИ(57) Испольэоврометрия естесверхностей,коэффициент оверхности опрзондированиязонах длин волкотором об отверхности судяных контрастов ание: отражательная спекттвенных подстилающих по- Сущность изобретения: тражения исследуемой поеделяется путем активного двумя излучателями в диапан 06 - 07 и 09 - 10 мкм, при ражательных свойствах пот по соотношению их яркостс опорным уровнем, 3 ил. Наиболее близким к предлагаемляется двухспектральный способ ксостояния дорожного покрытия.предполагает использование двух иков света видимого и ИК-участков снаправляемого на участок дороги.ная часть устройства состоит из трелов, Два приемника предназначеприема рассеянных поверхностью ви ИК-лучей, третий - для приема зеотраженных видимых лучей. Логичешающая схема принимает выходнылы детекторов и контролирует соо их уровню относительночины, соответствующей оба на ее поверхности. Недостатком известно ется использование трех отраженного излучения, и включает, кроме анализа спектра, исследование ин жения с целью выявлени составляющей, возникающ нии льда на дорожном покЦелью изобретения является упрощение определения отражательных свойствповерхности.На фиг, 1 изображена блок-схема устройства определения отражательных 5свойств поверхности; на фиг, 2 - спектральная характеристика коэффициента отражения различных естественныхподстилающих поверхностей; на фиг, .3 -зависимость выходного сигнала фотоприемника от расстояния до исследуемой поверхности,Устройство для реализации способа содержит излучатели 1 и 2 с длиной волныизлучения в пределах спектральных диапазонов 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 схемы5 сравнения, к другому входу которой подключен блок 6 опорного уровняВыход схемы 5 сравнения соединен с входом схемы 7идентификации вида поверхности.Способ осуществляют следующим образом. 25Для реализации способа необходимопроизвести настройку измерительного устройства в лабораторных условиях, котораявключает следующие операции.Устанавливают два излучателя с длиной 30волны излучения в указанных ранее спектральных диапазонах и фотоприемник на одной базовой линии или по крайней меребазовой плоскости, Размещают. эталоннуюповерхность с коэффициентом отражения 35р 0,45 на фиксированном расстоянии перпендикулярно к оптической оси приемоизлучательного устройства. Приводятизлучатели к единому уровню мощности иуглу распространения, Настраивают приемоизлучательную систему на фиксированное расстояниепутем юстировкиоптических элементов, обеспечивающеймаксимальный фотоответ приемника в обоих спектральных каналах. 45Регистрируют напряжения Офд( Л 1 ) иОфд( Л 2 ), соответствующие коэффициентуотражения от эталонной поверхности, ирассчитывают величины опорного уровня,Затем с помощью настроенного измерительного устройства производят определение вида поверхности в следующемпг рядке,Измерительное устройство устанавливают на расстоянии от исследуемой поверости так, что оптическая ось устройства:омальна к ней. Последовательно измеряфотсответ на двух длинах волн, затем.: .,числяют яркостный контраст К для данной поверхности и сравнивают с опорным уровнем Ко.По величине К 1 и соотношению с Кьо 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 0 . В другой группе, состоящей из снежных покровов, коэффициент отражения уменьшается в пределах 80 - 55 0 , 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 К(ЛЛ 1, М 2 ), который определяется какК ( М 1, ЛЛ 2 ) =пч ( М 1 ) п ( М 2 ),(1)где Ь 1 - средняя яркость поверхности 1-й группы;лЛ 1, ЛЛ 2 - спектральные диапазоны.Учитывая, что большинство естественных поверхностей является диффузными ламбертовыми отражателями, яркость их при активном зондировании потоком спектрального диапазона выражается как3 п 1 (ЛЛ) =рЛ е Д,ЛI.1 г, (2) где рдЛ - коэффициент отражения поверхности;Е дЛ - освещенность поверхности, создаваемая излучателем с яркостьюЛ и определяемая дальностью 1,где р у рЛ,1, - коэффициенты отражения поверхности для спектральных диапазонов Ла и ЛЬ соотве,ственно.Установлено, что максимальные значения яркостного контраста соответствуют двум спектральным диапазонам О,б - 0,7 и 0,9-1,0 мкм, Этим обусловлен выборрабочих 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 0,5 - 0,9 мкм, О,б - 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 О,б - 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 50 0 фд = 5 с;сгРЛ,1,Из этого следует, что амплитуда выходного напряжения фотодиода при опреде ленной длине волны излучаемого потокаможет быть отградуирована в единицах спектрального коэффициента отражения.Очевидно, что1(Р Лл-,. 1 Фл Одним из условий сг 1 ектрального анализа является равенство мощности исследуемого энергетического потока на разных длинах волн. В данном случае это значит, что Е Л =Е.сопзт, (3.Учитывая выражение (3), получим Ь; (ЛА) =ру ЕЛт = С 1 рЛА, (4) где С 1=Е/ л:.Следовательно, яркость поверхности в определенном спектральном диапазоне определяется ее коэффициентом отражения. соответствующим данному спектральному диапазону Это зна ит, что яркостный контраст поверхности В двух спектральных диапазонах определяется разностью соответствующих им спектральных коэффициентов отражения, т. е,К 1 (ЛЛ 1, Лг ) = С 1(РЛл 1 РЛлг) (5) верхности в ИК-области спектра при 1, 1мкм не обнаружены, Имеющееся в литературе качественное описание спектральнойзависимости коэффициента отражения ес 5 тественных поверхностей в более длинноволновой области говорит об отсутствиизакономерностей, характерных для спектральной области 0,5 - 1,0 мкм, что исключаетприменение способа.10 Способ поясняется графическими зависимостями, показанными на фиг, 3 и представляющими собой функции выходногосигнала фотоприемника устройства от расстояния до исследуемой поверхности, Кри 15 вые 18 и 19 получены при зондированииотражательной поверхности потоком с длиной волны в диапазоне О,б - 0,7 мкм, кривые20 и 21 - в диапазоне 0,9-1,0 мкм. При этом20 отражение от поверхности с большим коэффициентом отражения показано зависимостями 18 и 20, кривые 21 и 19 характеризую 1отражение от поверхности е малым коэффициентом отражения.25 Основнве энергетическое уравнениеизмерительной системы имеет видГ)Ф,х = г, ( Лл. Аг А/",где Фх - световой поток на входе фотоприемника;30т- - коэффициент пропускания среды;А 2, Авх - площади видимой части отражающей поверхности и входного зрачка Фотоприемника,Предположим, что оптические характеристики приемопередающей системы ивнешней среды постоянны, а дальность неизменяется, т, е,2тс А 2 Авх /=сопзт=Сг,401 Ъх = С 2Л,.Как известноОфл = Б фвх - 8 С 2 ЛА. (б 145 дгде Оф - амплитуда выходного напряженияфотодиода,8 - интегральная чувствительность Фотодиода,С учетом (4) уравнение (б) запишется какПодставляя (7) в (5), получим относительно друг друга и опорного уровня,что позволяет осуществлять распознаваниеК (Лй, Лг) - С,5 (Цфд(поверхностей по величине этого соотноше-Ц,л (Лг ) ) ния и его знаку.Последнее соотношение показывает, 5 При изменении дальности поверхностичто яркостный контраст поверхности отра- взависимостиототражательныхсвойствсожения в двух спектральных диапазонах, оп- ответствует определенная последовательределяющий ее вид, в данной ность появления импульсов отраженногоизмерительной системе эквивалентен раз- излучения различного спектрального состаности амплитуд напряжения фотоответа фо ва, Приближение к сильноотражающей потодиода, а степень отражательных верхности соответствуетдистанционному испособностей поверхности - знаку разно- временномуопережению импульса краснойсти амплитуд напряжения, 10,6-0,7 мкм) области спектра по сравнениюВид зависимостей 18 - 21 иллюстрирует с ИК-импульсом (0,9 - 1,0 мкм). Обратная импринцип селекции поверхностей по отрака пульсная последовательность наблюдаетсятельным свойствам, На фиксированной при сближении со слабоотражающими подальности в статической измерительной си-верхностями,стеме у поверхности с высоким коэффици- Формула изобретенияентом отражения имеет место Способопределения вида естественнойпреобладание амплитуды отраженного из подстилающей поверхности, включающийлучения в диапазоне 0,6-0,7 мкм над ампли- облучение в двух спектральных диапазонахтудой отраженного поока в диапазоне и измерение параметра,отраженногоотис 0,9-1,0 мкм. которая в свою очередь превы- следуемой поверхности излучения с пошает огорный уровень, соответствующий мощью фотоприемных устройств сэталонной поверхности, У поверхностей с 25 последующим сравнением его с опорныммалым коэффициентом отражения - обрат- уровнемо т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с,песоотношение, Этозначит,чтоповерхно- целью упрощения, исследуемую поверхс: и в зависимости ог ее отражательных ность облучают в диапазонах длин волн 0,6 -свойств соответствует определенное соот,7 и 0,9. - 1,0 мкм, а измеряют яркостныйношение амплитуды фотоответд в различ кон грэст поверхности В указанных спектных спектральных диапазонах ральных диапазонах.1. .1ГКорректор вская Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 1 каз 1665 ВНИИПИ Тираж Подписноеарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раущская наб 4/5