הדמיה לוויין הפכה אבן הפינה של סקרי הנדסה מודרניים, המציעה נקודת מבט סינפטית כי הוא פשוט בלתי ניתן להשגה מן הקרקע. High-resolution, תמונות רב-ספקטרום לספק את האינטליגנציה הגיאוגרפית הנדרשת כדי לתכנן כבישים מהירים, לפקח על צינורות ימין של כבישים, טופוגרפיה, להעריך את ההשפעה הסביבתית על אזורים עצומים.

במאמר זה, אנו חוקרים את המדע, הסוגים והיישומים הקריטיים של מסננים אופטיים בחישה מרחוק לווייני.נבדוק כיצד הם משפרים את עבודת הסקר הנדסית, את הבורסות הכרוכות בבחירת מסנן, ומגמות מתפתחות המבטיחות אפילו דיוק גדול יותר והפך.

מה הם מסננים אופטיים?

מסנן אופטי הוא מכשיר שמעביר באופן סלקטיבי אור של אורכי גל מסוימים תוך קליטת או לשקף את השאר.בדמיית לוויין, מסננים ממוקמים בדרך האופטית - באופן זמני ממש לפני מערך המטוס המוקד - לעצב את התוכן הספקטרום של התמונה שנוצר על הגלאי.הם יכולים להתבצע מזכוכית צבעונית, ציפויים חשמליים, או חומרים גבישיים, כל אחד המציע ביצועים שונים, יכולת, יציבות ויציבות בחלל הקשה.

ישנם שני עקרונות תפעול עיקריים:

  • (ב) ⁇ :0) מסננים חמקמקים (FLT:1) - צבעים או בצלים בתוך תת-קרקעית זכוכית סופגים אורכי גל ספציפיים.הם חזקים, זולים ומתאים לבלוק רחב, אך יש להם סלקטיבית מוגבלת שיכולה לחמם תחת קרינה סולארית אינטנסיבית.
  • (FLT:0 השוואות (dichroic) מסננים של ההרחבה 1 (FLT: ⁇ -film ציפויים מופקדים על זכוכית או ספירה ליצור התערבות קונסטרוקטיבית והרסנית להעביר להקה מדויקת של אורכי גל תוך דחיית אחרים.הם להשיג חתכים חדים מאוד על ומעברים חדים וניתן לתכנן עבור חיישנים מרובים (FLT:2100 nm) עוברים חיישנים כפולים.
[המסננים האופטיים] הם שומרי הסף של הספקטרום האלקטרומגנטי בחישה מרחוק, בלעדיהם, כל פיקסל ירשום את אותה עוצמת פס רחב, ונאבד את החתימות הספקטרום המחשוף בריאות צמחייה, קומפוזיציה מינרלים ואיכות מים." - החל ממדריכי מצפה הכוכבים של נאס"א.

מסננים גם משרתים תפקידים לא-ספקטרוםיים.הדחיסות Neutral (ND) מסננים להפחית את האור הכולל באמצעות לוח כדי למנוע שחיקה חיישן על מטרות בהירות (snow, clouds) פילטרים לחתוך את הבוהק מן המים או מבני מעשה ידי אדם, לחשוף פרטים מוסתרים על ידי השתקפות ספקטרום מסוים אפילו לחסום את הפיזור הסולארי הישיר (מסנן עיוור "עיוור" עבור להקות אולטרה סגולות), המאפשרות של הדמיה של תופעות לוואי.

סוגים של מסננים אופטיים המשמשים ב-WiFiating

מסננים Bandpass משדרים מרווח מסוים של אורכי גל - באופן חד-משמעי כמה עשרות ננומטרים רחבים עבור לווינים רב-ספקטרום, למטה לכמה ננומטרים עבור מכשירים היפר-ספקטרוםיים.הם הסוג הנפוץ ביותר, המאפשר הדמיה בו-זמנית בלהקות ספקטרום מרובות כגון כחול, ירוק, אדום, קרוב ל-infrared (NIR), ו- אינפרא אדום קצר (SW).

מסננים של Narrow-band (למשל, 10 nm מלא עדי למחצה-maximum) משמשים בתמונות hyperspectral כמו AVIRIS של נאס"א, המספקים דגימה ספקטרלית רבת שיכולה לזהות תכונות ספיגה ספציפיות (למשל, chlorophyll ב 690 nm, תחמוצת ברזל ב-900m רחב-n) למיפוי גבוה יותר (nm-n-np) עבור רמה גבוהה יותר של סימטריהרמה (n-n-n-n-n-n-n-n) (n-n-n-n-n-R.

הכחשה (ND)

מסננים ND להפחית את עוצמתם של כל אורכי הגל באופן אחיד.הם מונעים מכשיר מטען (CCD) או חיישן מתכת-פחמי-פחמי (CMOS) מ ⁇ על תכונות מאוד בהירות (כיום, סלע חשופים, גגות לבנים) ללא מסננים ממתכתיים, אזור בהיר אחד יכול לפורח פיקסלים סמוכים או לגרום נזק בלתי הפיך.

פילטרים

קואר או מטבוליים מדחיקים אור כי הוא מקוטב על ידי השתקפות של מים, כבישים, או בניית חלונות. על ידי רוטט ציר קוטביזציה (או באמצעות אוריינטציה קבועה יחסית ל-Azimuth השמש), מהנדסים יכולים להפחית באופן משמעותי את הבוהק, לחשוף את האמבטיה התת-ימית, ללבוש פני השטח של הכביש, או מערכות לידר שמן לעתים קרובות משלבות מסננים קוטבים עם תאורה פעילה, אבל תועלת פסיבית, אם כי לפעמים הוא יעיל יותר, אם כי הוא יעיל יותר, אם כי הוא רגיל הוא שימוש מוטציות אופטית, אם כי הוא גם כן, אם כי הוא שימוש מוטציות סטנדרטי.

Long-Pass and Short-Pass (Edge) filters

מסננים אלה חותכים בחדות את השידור מתחת (קיצור-pass) או מעל (אורך גל מוגדר.הם משמשים כדי להגדיר את הכיסוי הכולל של הלהקה של חיישן, למשל, מסנן ארוך טווח המחוסם את כל אורכי הגל קצרים מ -400 nm (ultraviolet) כדי להגן על החיישן ולהקטין את ריילייפץ. בשילוב עם מסנן להקה, הם יוצרים "לא" כי הם דוחים קווי מים מדויקים כמו μm מדויק.

מסננים

מסננים (או Band-stop) חוסמים טווח צר של אורכי גל תוך העברת כל דבר אחר.הם משמשים כדי לחסל קווי ספיגה אטמוספריים חזקים או את "אזור ספיגה מים" המפחד, אשר אחרת יקבע את האות מתכונות קרקעיות.עבור נתוני בדיקת הדמיה, מסננים לא-צ'ים יכולים להיות חלק של האופטיקה כדי לנקות את הספקטרום הנכנס לפני שהוא מגיע או מנפח.

חשיבותם של סקרי הנדסה

סקרי הנדסה מסתמכים על המדידות מדויקות, חוזרות ונשנות של פני כדור הארץ.פילטרים אופטיים אינם רק "נחמדים להיות"; הם מאפשרים ביסודו את האפליה הספקטרוםית שהופכת תמונה למפה כמותית.

Topographic and Cadastral Mapping

מסננים מרחביים גבוהים (שיפור חדשני) משמשים לעתים לאחר עיבוד, אבל מסנן אופטי עצמם להבטיח כי הדימוי הגולמי יש ניגודים נאותה וטווח דינמי. פאןכרומטי (broadband) תמונות המשמשות למודלים דיגיטליים קרקעיים ליהנות מסנן קצר-פס שחוסם את האז אינפרא אדום, בעוד להקות מרובות-ספקטרום מאפשרות סיווג אוטומטי של כיסוי קרקע לפני יצירת אות'אופוטו.

פיקוח תשתיות

עבור גשרים, צינורות, מגדלי שידור, תמונות לוויין יכול לזהות שינויים עדינים בטמפרטורת פני השטח, לחות, או ציפוי השפלה. Narrow-band מסנן מיקוד תכונות ספיגה ספציפיות של מוצרי הידבקות קונקרטית (למשל, CaOH ב 2.2 μm) לעזור להבחין טרי מול קטון עתיק.פולמונים להפחית את הבוהק משטחי מתכת, לחשוף את דפוסי קורוזיון בלתי נראים באור של צינורות ארוך-מפוסים של צינורות.

מקורות מים והנדסה חוף

רחצה חוףית, צנרת זרע, ואלגל פורחים הם במעקב שגרתי עם חיישנים לווייניים כגון Landsat-8/9 ו- Sentinel-2. Bandpass מסננים כי מבודדים את האווירל החוף (430-450 nm) וגילוי ירוק (560 nm) להקות מאפשרות תיקון אטמוספירי על פני מים, בעוד שהלהקה הצרה NIR ב-865m נמנעים מנקודות השיא של מים ולהפחית את הפילטרים של מים ולהפחית את ה-U.

חקר מינרלים ומחמי

סקרי הנדסה גיאולוגיים עבור כרייה ואופייזציה באתר משתמשים ברזולוציה גבוהה SWIR ודמיון אינפרא אדום תרמי.פילטרים כי מבודדים להקות ספיגה של מינרלים חימר (2.2 מיקרומטר), פחמן (2.35 מיקרומטר), ו תחמוצת ברזל (0.9 מיקרומטר) מאפשרים לגיאולוגים למפות את הגלקסיות ישירות מהמסלול.

הערכת השפעות סביבתיות (EIA)

לפני כביש חדש, סכר או מכרה אושר, מהנדסים חייבים להעריך תנאים בסיסיים.דמית לוויין מעובד עם מסננים כי להבחין סוגים צמחיים, גבולות רטובים, ולחות אדמה עוזר לבסס את מסננים אלה של הלהקה (למשל, 705-745 nm) רגישים במיוחד לתוכן chlorophyll ויכולים לחשוף מתח מזיהום או סחף לפני הופעת סימפטומים של הנדסה עכשיו להשתמש באופן שגרתית כדי לספק דרישות רגולטוריות כאלה.

החקלאות והזרות

למרות שלא תמיד מסווג כ"הנדסה", סקרים אלה מודיעים על תכנון לשימוש בקרקע, זכויות מים, וקציני עץ. Vegetation Indices (NDVI, NDRE וכו ') מסתמכים על הניגוד בין להקות אדומות ו- NIR.הדיוק של אינדיקציות אלה תלוי ישירות בטוהר הספקטרום של מסנני ה-spectral-spectral-of-ue לטמפרטורה או הזדקנות - לעתים קרובות חיזוי גבוה (ראוי תיבות של חיזוי) של חיזוי חיים תואמים).

היתרונות של שימוש בפילטרים אופטיים בסקרי הנדסה

אפשרויות ל-SNR

על ידי חסימת אור מחוץ לפס, מסננים מגבירים את היחס האות-ל-אין עבור אורכי הגל של עניין.לדוגמה, מסנן NIR מלוטש מבטל את הזוהר הסולארי מן הקצה הכחול, וכתוצאה מכך חתימות צמחיות נקיות. Neutral צפיפות ופילטרים מקוטבים להפחית עומס דינמי, למנוע מדגישים מפוצץ כי מסתירים פרטים על פני השטח.

טוב יותר לאפליה

לכל חומר על פני כדור הארץ יש ספקטרום רפלקציה ייחודי. חיישן לוויין ללא מסננים ירשום רק ממוצע פס רחב, מה שהופך חומרים רבים בלתי ניתנים לגילוי (למשל, אספלט לעומת אדמה אפלה) עם מסננים מרובים, מהנדסים יכולים לבנות חתימות ספקטרליות כי מחלקות נפרדות קרקע-קרקע עם > 90% דיוק.

הגדלת אמינות המידע ו-Celbration

מסננים אופטיים הם חלק משרשרת ההפלה הרדיומטרית.לוויינים רבים של כדור הארץ ממשיכים במנורות calibration או מסוחרי השמש הנצפות דרך אותם מסננים.זה מבטיח שכל הידרדרות מסנן לאורך זמן ניתן לפצות.בנוסף, מסנן לאכט חוסם להקות אטמוספרי מים אשר אחרת יציגו גמישות, מה שהופך השוואות מרובות זמן אמין יותר.

דרישות דואר-Procesing

מסננים מהופנטים בחיישנים יכולים להפחית את הצורך לתיקון אטמוספרי כבד בתוכנה, לחסוך זמן ומשאבים חישוביים.לדוגמה, מסנן שחוסם את קבוצת הקליטה של O2 ליד 760 ננום מפשט את מודל התיקון האטמוספרי, כי ערוץ זה אינו צריך להפר ספיגה חמצן מהנתונים העזריים.

אתגרים ומסחר

למרות היתרונות שלהם, מסננים אופטיים מציגים אתגרים שהמהנדסים חייבים לשקול:

  • (FLT:0) Cost and Complexal FLT:1 - מסננים של ביצועים גבוהים עם מדרונות ספקטרליים תלולים ויציבות תרמית דורשים חיפוי מתקדם (למשל, ion-beam sputtering) אלה יכולים לעלות עשרות אלפי דולרים לסנן, וכל פגם ייצור יכול להרוס כלי שלם.
  • (FLT:0) דולפינים דליפות דליפת (FLT:1) - אין מסנן חוסן את כל האור מחוץ לפס שלם באופן מושלם.אחוז קטן של דליפות - לעתים קרובות רק 0.01% - יכול לסווג להקות צרות, במיוחד כאשר מטרות דימות בוהקות מהנדסים חייבים לציין מגבלות דליפות המבוססות על טווח דינמי הצפוי של הסצנה.
  • (FLT:0) רגישות טמפרtureFLT:1 - אורך הגל המרכזי ופרופיל השידור של מסננים משתנה עם טמפרטורה (ב-0.01-0.05 nm / ° C) במסלול, תנודות טמפרטורה של ±30 ° C נפוצים, כך מסננים מחוממים לנקודת סט יציבה או שינוי ספקטרום מאופיין עיבוד.
  • (FLT:0Weight וגודל FLT:1) - מסננים מוסיפים חלק גדול למערכת אופטית.עבור קוביות ומיקרוסולטים, שילוב מכני של מסננים - לעתים קרובות כחלק גלגל סינון - מעצימים את מספר הלהקות הזמינות. חלק עיצובים חדשים משתמשים במערךי סינון רב-תחומיים מונוליטיים (כמו תבניות מפרץ אבל ברמה פיקסל) כדי לחסל את החלקים המתקדמים, אך דורשים חלקים מתקדמים.
  • (FLT:0Trade) בין ספקטרלי ומרחבי רזולוציה של רזולוציה SOLLT:1 - מסנני Narrow bandpass לשדר פחות אור, הדורש זמני אינטגרציה ארוכים יותר או אופטיקה גדולה יותר כדי לשמור על SNR. זה יכול להגביל את ההחלטה המרחבית (פיקסלים גדולים יותר) או כיסוי קרקעי (רכישות איטיות יותר).

מגמות עתידיות במסננים אופטיים עבור אימתנים של לווין

פילטרים וטכנולוגיית קריסטל נוזלית

מסננים גבישיים נוזליים (LCTFs) יכולים לשנות את פס המעבר שלהם במליכי שניות על ידי התאמת מתח יישומי.הם מאפשרים חיישן יחיד ללכוד מאות להקות ספקטרליות ללא גלגל סינון מסיבי או גרטינג - אידיאלי עבור ננוסטליטים.למרות LCs יש כרגע פתרון ספקטרום נמוך יותר (10 nm) ו באמצעות פילטרים קבועים, הם מאפשרים גמישות עבור קבוצה מתקדמת עבור אותה קבוצה של 5 להקות טיפול מינרלים.

Pixel-Level Filter Arrays (Fabry-Pérot on Chip)

חוקרים מטביעים את ה-Pérot cavities ישירות לתוך מערך הגלאי הסיליקון.כל פיקסל מצויד עם שפע של גובה שונה, נותן לו תגובה ספקטרלית ייחודית. חברות כמו איטק ו- Ximea הוכיחו מצלמות מרובות-ספקטרליות עם 5-16 להקות. בעשור הבא, טכנולוגיה כזו יכולה להיות מותאמת לחלל, ובכך למנוע את הצורך עבור מסננים נפרדים לחלוטין ומאפשרת וידאו קצר הדמיה כדור הארץ.

Metasurface ו-Nanostructured filters

nanopillars ( metasurfaces) יכול ליצור מסנן אולטרה-תאין כי הם חזקים מאוד סחף תרמי ויש להם מאוד ספקטרום רחב מאוד. כי הם מוגדרים ליתוגרפיה, הם יכולים להיות מכוונים בדיוק על פני מערך, המאפשר הדמיה רב-ספקטרום ללא צבע-דפנית של מסכות שטח מסורתיות.

Machine Learning for Filter Design

במקום לתכנן מסננים ביד, מהנדסים משתמשים כעת באלגוריתמים אופטימיזציה לציפוי עיצוב הממקסמים את הדיוק הסיווג או הדיוק ההדהד של יישום מסוים.לדוגמה, רשת עצבית יכולה לחזות אילו עקומות שידור מסנן מניבות את האמון הטוב ביותר במיפוי קרקעי עירוני, ולאחר מכן צוות הציפוי מנסה לממש את העקום הזה.

מסקנה

מסננים אופטיים עשויים להיות מרכיבים קטנים ולעתים קרובות בלתי נראים, אבל הם חיוניים לחלוטין לאיכות, דיוק ואמינות של סקרי הנדסה מבוססי לווייני.מפילטרים המוכרים של ה-Switchpass המאפשרים מיפוי צמחייה ומינרלים לאלמנטים מתקדמים של קטבק וניטאריים המעכבים בוהקים ו-Sannelfaces, כל מסנן ממלא תפקיד בהופכים photons גלם למידע גיאופטי מתפתח, כמו טכנולוגיות מתקדמות יותר, אפילו יותר, לפילטרים מתקדמים יותר, לרזולוציה גבוהה יותר, ל- רזולוציה גבוהה יותר, ל- רזולוציה גבוהה יותר, ל-במיוחד רזולוציה גבוהה יותר, ל- פילטרים, ל-ה-ה-ה-הפשטנית יותר, ל- ⁇ - ⁇ -ה-ה-הת, יש צורך, יש צורך ברזולוציה יעילה יותר, ל- ⁇ -האפקטית, ל- ⁇ - ⁇ - ⁇ - ⁇ -אפקטית, ל-החדשנית יותר, ל-הרזולוציה יעילה יותר, ל- ⁇ -הספקפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפט

(המהנדסים והסקרים הנתמכות בנתונים של לווייניים, הבנת התכונות המסנן של הדימויים שלהם אינה רק אקדמית.זה משפיע על הקלירטוציה, הדיוק הסיווג, ובסופו של דבר על תוקף ההחלטות שהתקבלו מהנתונים האלה, בין אם אתם מתכננים כביש מעבר להר, ניטור צינור באנטארקטיקה, או הערכה של ההשפעה של שחיקה מקדימה, המסננים האופטיים על הדמיה פועלים בשקט לספק את התצוגה האופטית ביותר של נאס"ם: