Phần 2. Thu nhận ảnh(Image Acquisition)

Chương 9Ảnh nhiệt (Thermal Imagery)

Giới thiệu Thuật ngữ infrared (hồng ngoại) nghĩa là “below

the red,” chỉ thị rằng tần số của bức xạ thấp hơn tần số vùng đỏ của ánh sáng nhìn thấy.

Phổ hồng ngoại được tìm ra vào năm 1800 bởi Sir William Herschel (1738–1822), một nhà thiên văn học người Anh. Ông tìm hiểu mối liên hệ giữa các nguồn nhiệt và bức xạ nhìn thấy.

Năm 1847, hai nhà khoa học Frenchmen, A. H. L. Fizeau (1819–1896) và J. B. L. Foucault (1819–1868) đã chứng tỏ bức xạ hồng ngoại có tính chất quang tương tự như ánh sáng nhìn thấy như phản xạ, khúc xạ, giao thoa.

Giới thiệu Vùng hồng ngoại của phổ từ ánh sáng nhìn thấy

mở rộng về phía bước sóng 1mm

Giới thiệu Các bước sóng ngắn hơn của phổ hồng ngoại

(gần vùng ánh sáng nhìn thấy) có tính chất tương tự như ánh sáng nhìn thấy. Vùng này còn gọi là hồng ngoại gần hay hồng ngoại phản xạ trong dải từ 0.7 µm đến 3.0 µm.

Các loại phim, bộ lọc, thấu kính và máy ảnh hoạt động với ánh sáng nhìn thấy thì cũng có thể dùng chụp ảnh hồng ngoại gần với một số thay đổi nhỏ.

Các bước sóng dài nhất của hồng ngoại có tính chất gần giống với vùng bước sóng ngắn nhất của vi ba.

Giới thiệu Viễn thám hồng ngoại liên quan chủ yếu đến

việc sử dụng dải bước sóng từ 7 đến18 µm, còn gọi là hồng ngoại phát (emissive infrared) hay hồng ngoại nhiệt (thermal infrared) trong quan sát viễn thám.

Do năng lượng nhiệt phát ra trên nhiều bước sóng nên vùng phổ này còn được biết đến là hồng ngoại xa (far infrared).

Viễn thám nhiệt cũng có thể xem xét viễn thám thụ động với các bức xạ vi ba bước sóng ngắn bởi có một số tương đồng.

Giới thiệu Viễn thám trong vùng hồng ngoại giữa và xa

dựa trên các thiết bị chụp ảnh khác xa với máy ảnh và film dùng với ánh sáng nhìn thấy.

Tương tác của hồng ngoại giữa và xa với khí quyển cũng khác nhiều so với các bước sóng ngắn hơn.

Các vùng hồng ngoại xa không tán xạ nhưng lại bị hập thụ bởi gas khí quyển và không sử dụng trong một số cửa sổ khí quyển nhất định.

Giới thiệu Các loại thông tin thu thập được từ cảm nhận

bức xạ hồng ngoại xa cũng khác biệt nhiều so với từ hồng ngoại gần hay ánh sáng nhìn thấy.

Biến thiên của năng lượng được phát ra trong vùng hồng ngoại xa cung cấp thông tin liên quan đến nhiệt độ bề mặt và tính chất nhiệt của đất, đá, thực vật, các cấu trúc nhân tạo.

Giao thoa nhiệt dẫn đến các giao thoa về xác định chất liệu bề mặt.

Bộ dò nhiệt (Thermal detectors) Bộ dò là thiết bị được tạo ra từ các chất liệu đáp

ứng với năng lượng trên một khoảng bước sóng xác định, phát ra tín hiệu điện yếu có độ mạnh tương ứng với các bức xạ phát ra từ các đặc điểm trong thị trường của cảm biến.

Dòng điện được khuếch đại, sau đó được sử dụng để tạo ra tín hiệu số. Tín hiệu số này sau đó dùng để tạo ảnh.

Bộ dò nhiệt (Thermal detectors)

Bộ dò nhiệt (Thermal detectors) Các bộ dò nhạy với vùng phổ nhiệt được tạo

nên từ các vật liệu như: indium antimonide (InSb): độ nhạy đỉnh ở gần 5µm

trong vùng phổ hồng ngoại giữa mercury-doped germanium (Ge:Hg): độ nhạy đỉnh ở

gần 10µm trong vùng hồng ngoại xa. Mercury cadmium telluride (MCT): nhạy trong dải 8-

14µm Để duy trì độ nhạy đỉnh, các bộ dò này phải

được giữ lạnh ở nhiệt độ rất thấp (–196°C hay–243°C) sử dụng ni-tơ lỏng hay helium lỏng

Bộ dò nhiệt (Thermal detectors)

Bộ dò nhiệt (Thermal detectors) Độ nhạy của bộ dò là một biến quan trọng trong

thiết kế và hoạt động của hệ thống. Độ nhạy thấp nghĩa là chỉ những khác biệt lớn

của độ sáng mới được ghi lại (hay, độ phân giải phổ thô) và các chi tiết tốt trong cảnh bị mất.

Độ nhạy cao nghĩa là những khác biệt tốt hơn của độ sáng trong cảnh được ghi lại (hay, độ phân giải phổ tốt)

Tỷ số tín hiệu tạp âm SNR (signal-to-noise ratio) giải thích khái niệm này.

Bộ dò nhiệt (Thermal detectors) “Tín hiệu” ở đây liên quan đến sự khác biệt độ

sáng trong ảnh gây ra bởi biến thiên độ sáng của cảnh.

“Tạp âm” sự biến thiên không liên quan đến độ sáng của cảnh. Sự biến thiên này có thể là kết quả của sự biến thiên không biết trước của hiệu năng hệ thống, hay cũng có thể là do các yếu tố ngẫu nhiên do cảnh hay khí quyển.

Nếu tạp âm là lớn so với tín hiệu, ảnh không cung cấp sự thể hiện tin cậy của các đặc điểm cần xem xét. Rõ ràng là mức nhiễu cao sẽ dẫn đến không thể hiện rõ các đặc điểm.

Bộ dò nhiệt (Thermal detectors) Cho dù mức nhiễu là thấp thì vẫn cần mức

tương phản tối thiểu giữa một đặc điểm nào đó và nền (giống như mức biên độ tối thiểu của tín hiệu) để đặc điểm đó được hiện lên trong ảnh.

Cũng cần lưu ý rằng tăng độ phân giải không gian nghĩa là giảm năng lượng đến bộ dò, đi kèm với hiệu ứng giảm độ mạnh tín hiệu.

Như vậy, nếu mức nhiễu của bộ dò không đổi trong khi mức bực xạ đến giảm. Do đó tăng độ phân giải không gian thì cũng có nghĩa là giảm độ phân giải phổ.

Tính chất phổ nhiệt (Thermal radiometry) Phổ kế (radiometer) là một cảm biến đo độ

mạnh của bức xạ nhận được trong một dải bước sóng nào đó trong một thị trường xác định.

Hình 9.4 là sơ đồ của phổ kế. Các thấu kính nhận bức xạ từ mặt đất, rồi hội tụ

nó trên cảm biến đặt trên mặt phẳng tiêu diện. “field stop” : hạn chế thị trường “filter”: hạn chế các bước sóng tới bộ dò Nguyên tắc của phổ kế là các bức xạ nhận được

từ mặt đất được so sánh với nguồn bức xạ chuẩn với chất lượng phổ đã biết.

Tính chất phổ nhiệt (Thermal radiometry)

Tính chất phổ nhiệt (Thermal radiometry) “Chopper”- bộ ngắt: có thể ngắt ánh sáng tới bộ

dò. Bộ ngắt được quay bởi một mô-tơ để bộ dò luân phiên nhìn mục tiêu và nguồn bức xạ chuẩn.

Bộ ngắt quay rất nhanh, tín hiệu từ bộ dò bao gồm một dòng dữ liệu của các phép đo luân phiên đo bức xạ của nguồn chuẩn và bức xạ từ mặt đất.

Biên độ của tín hiệu này được dùng để xác định khác biệt giữa nguồn chuẩn và mục tiêu. Do bức xạ nguồn chuẩn đã biết nên bức xạ của mục tiêu có thể được ước lượng.

Tính chất phổ nhiệt (Thermal radiometry) Độ phân giải không gian của phổ kế được xác

định bởi thị trường tức thời IFOV. Mà IFOV được kiểm soát bởi hệ thống quang của cảm biến, bộ dò, độ cao bay.

Phổ kế thường có độ phân giải không gian khá thô. Ví dụ: phổ kế trên vệ tinh thường có độ phân giải không gian từ 60m đến 100km hay lớn hơn vì lý do mong muốn duy trì độ phân giải phổ cao.

Để đảm bảo rằng cảm biến nhận đủ năng lượng để có được phép đo bức xạ đáng tin cậy, IFOV được định nghĩa khá lớn.

Tính chất phổ nhiệt (Thermal radiometry) IFOV nhỏ hơn đồng nghĩa với ít năng lượng hơn

tới bộ dò, như vậy tín hiệu sẽ quá nhỏ so với nhiễu hệ thống, và nghĩa là phép đo bức xạ sẽ kém tin cậy.

IFOV có thể được định nghĩa không chính thức là diện tích được nhìn bởi cảm biến nếu thiết bị dừng di chuyển và ghi lại bức xạtừ chỉ một mảnh của mặt đất.

IFOV cũng có thể được giải thích chuẩn hơn là góc nhìn (β) của hệ thống quang học (Hình 9.5).

Tính chất phổ nhiệt (Thermal radiometry)

Tính chất phổ nhiệt (Thermal radiometry) Hình chiếu của thị trường lên mặt đất xác định

một hình tròn mà bức xạ từ đó tới cảm biến. IFOV của cảm biến cho một ảnh được diễn giải bằng radian (r). Độ cao bay là H. Diện tích vùng tròn nhìn bởi cảm biến là:

Ví dụ: nếu góc nhìn (β) là 1 milliradian (1mr = 0,001r), độ cao bay là H=400m, vậy:

Tính chất phổ nhiệt (Thermal radiometry) Bộ quét nhiệt nhìn quang cảnh trong một dải góc

nhìn khi quét từ bên này sang bên kia nên kích thước IFOV thay đổi theo góc quan sát (θ).

Gần nadir (vệt mặt đất của máy bay), IFOV tương đối nhỏ, gần rìa ảnh IFOV lớn, hay nói cách khác khoảng cách từ cảm biến đến ảnh tăng dần từ nadir ra rìa ảnh.

Để đảm bảo tính chất phổ đồng đề trên toàn ảnh thì cần bù hiệu ứng này.

Tính chất phổ nhiệt (Thermal radiometry) Thông thường các bộ quét nhiệt quét từ bên này

sang bên kia với tốc độ không đổi Nghĩa là trong mỗi khoảng thời gian xác định, nó

quét ngang tuyến một khoảng rộng dần từ nadir ra hai bên rìa. Tại góc θ, số đo IFOV là H sec θ β theo hướng bay và H sec2 θ β theo hướng trục quét.

Như vậy là có méo hình học xảy ra và càng tăng nếu càng xa nadir và méo nhiều hơn theo hướng bay.

Bộ quét nhiệt (Thermal scanners) Các cảm biến ảnh sử dụng trong viễn thám nhiệt

gọi là bộ quét nhiệt (thermal scanner). Bộ quét nhiệt cảm nhận các bức xạ từ mặt đất phía dưới đường bay của máy bay và tạo ra ảnh số/giấy.

Có một số thiết kế tiêu biểu của bộ quét nhiệt. Object-plane scanners: nhìn quang cảnh bằng qương

chuyển động, gương dao động vuông góc với đường bay, tạo đường quét song song và tạo ảnh vùng ngay phía dưới máy bay.

Image-plane scanners : sử dụng thị trường rộng hơn để thu thập ảnh rõ hơn; dịch chuyển gương so với bộ dò để dịch ảnh chụp

Bộ quét nhiệt (Thermal scanners) Thiết kế nào thì cũng có một hệ thấu kính và

gương để hội tụ năng lượng thu được lên bộ dò. Hệ thống quét hồng ngoại (infrared scanning

system ) như trong Hình 9.6 Cảm biến hồng ngoại đi kèm với bộ làm lạnh

bằng ni-tơ lỏng. Cả hệ thống quét nặng khoảng 91kg.

Bộ quét nhiệt (Thermal scanners) Năng lượng hồng ngoại được thu thập bởi

gương quét từ bên này sang bên kia của đường bay, tương tự như Landsat MSS.

Thị trường có thể mở rộng đến 77°, độ cao máy bay 300m có thể ghi lại dải rộng 477m.

Máy bay bay tiến về phía trước và tạo ảnh theo hướng dọc tuyến.

Gương có thể quét đến 80 lượt/giây, mỗi lượt quét đại diện cho 1 dải 46cm