AZ INFRAVÖRÖS TÁVÉRZÉKELÉS
DR WINKLER GUSZTÁV
Egy biotérinformatikai rendszer legfontosabb adatgyűjtési eljárása a távérzékelés, hiszen így a vizsgált személlyel semmiféle közvetlen érintőleges kapcsolatban sem vagyunk. A korábbi cikkben áttekintettük azokat a módszereket, amelyek a látható fény tartományában működnek, és legfontosabb feladatuk ebben a folyamatban a geometriai adatok gyűjtése. Az alábbiakban pedig bemutatjuk az infravörös tartomány hasonló lehetőségeit, amelyek már jelentős „tartalmi” információkat is hordoznak a szomatoinfra vizsgálati módszerek területén. Ezek a „tartalmi” információk adhatják, természetesen a döntő jelentőségű szakmai tapasztalatok mellett a szomatoinfra elemzések távérzékelési alapját.
Infravörös televíziós kamerák:
A televíziós rendszerek érzékenységi tartományának kiterjesztése a középső infravörös tartományra a különböző objektumoknak a saját IR sugárzásuk, "hősugárzásuk" alapján való megkülönböztetése érdekében történt. E tartományában (2-4 µm, 8-12 µm) azonban vidikonok, igazi televíziós rendszerek már nem alkalmazhatók. E céból alakították ki a speciális infravörös-érzékeny TV kamerákat. Az infravörös-érzékeny kamerák jelenleg legelterjedtebb típusa az irikon és a pirikon kamera (1 ábra). Az infravörös sugárzás egy germánium optikán keresztül az infraérzékeny (piroelektromos) rétegre jut. Itt a piroelektromos anyagban a beeső hőmérséklettel változó spontán polarizáció töltést kelt az anyag felületén. A további folyamat hasonló a vidikonéhoz (elektronnyaláb letapogatás, videojelképzés).
Az infravörös felvételeknek a pirikon esetében van egy komoly problémája, amely más televíziós rendszereknél nem lép fel. Az infravörös kamera ugyanis a piroelektromos anyag tulajdonságai miatt csak a változó hőmérsékletű, illetve mozgó objektumokra reagál. A megoldás lehet a kép mozgatása tükörrendszerrel, de újabban megszakító tárcsát alkalmaznak.
Mivel a pirikonok működési tartománya 8-14 µm-ig terjed, ezért alkalmasak a passzív éjszakai megfigyelésekre, illetve egyéb, pl. hőtermelő élettani folyamatok vizsgálatára. Jelenleg alkalmazásukat a viszonylag bonyolult előállítás, működtetés, illetve az aktív üzemidő alacsony szintje korlátozza.
Másik, a geometriai kiértékelést befolyásoló elem az IR tartományban általánosan használt germánium-optikák úgynevezett elrajzolási görbéje (lásd a későbbiekben). Ugyanakkor a pirikon-kamera is, mint minden, a humán jellegű távérzékelésben meghatározó fotográfiai és televíziós eszköz centrális képet készít, ami alkalmassá teszi az egyébként korrekt geometriai kiértékelésre.
Infravörös spektrumú távérzékelés a fotográfiában és a „hagyományos” CCD-mátrix radiométereknél:
A fényképezés kiterjesztése az infravörös tartományra, mint korábbi cikkünkben láttuk, szélesebb alapokra helyezte környezetünk objektumainak felismerését, értékelését. Lehetőségként, de ugyanakkor kérdésként is felmerül, hogy az infravörös filmek érzékenyítése az IR tartományokra kb. a 0,9 m-es határig hozhat-e új információkat pl. a szomatoinfra vizsgálatoknál, mivel az ember is, mint minden környezeti objektum itt is sugároz, az igaz, hogy az össz-energiájának csak nagyon kis hányadával. Ugyanígy felmerülhet ez a kérdés a normál látható tartományban működő mátrix-kameráknál. A nagy általánosságban diódáik érzékenysége eléri az 1 m-t, ami gyakorlatilag már a következőkben tárgyalt speciális eszközök legrövidebb alkalmazott hullámhosszával határos. Adhat-e információt ez az eszköz akkor, ha a környezeti, illetve napsugárzást kizárjuk. Ugyanígy, amennyiben aktív üzemmódban infravetővel világítjuk be a „terepet”, jelentkezhet-e újabb típusú információ. Ezek a kérdések azért is érdekesek, mert nem különleges, hanem „kommersz” eszközökről van szó. Továbbá az is nyilvánvaló, hogy minden plusz információ csak növelheti a szomatoinfra eljárások teljesítőképességét.
Speciális, a középső és a távoli IR-tartományban működő radiométerek:
A radiométerek széles családja ismert azáltal, hogy az általában használható „űrfelvételeket” ilyen pásztázó eszközökkel készítik. Egyik legfőbb tulajdonságuk, hogy a terepnek mindig csak egy kis részét továbbítják tükörrendszereik segítségével a detektorokhoz, a képalkotás tehát folytonos. Ezeknek természetesen vannak a távoli IR-ben működő rendszereik, hiszen a világűrben lehetőségeik gyakorlatilag a használatos fotodiódák érzékenységi tartományától függenek. Az ilyen berendezések azonban lokális leképezésekre (egyes személyek, kisebb tárgyak) nem használhatók. Ezért fejlesztették ki azokat a speciális IR radiométereket, amelyek ma már széleskörben elterjedtek a humán megfigyeléseknél is (szomatoinfra).
Ezért az alábbiakban olyan berendezések elvi felépítéséről lesz szó, amelyek a képbontást a műszeren belül oldják meg, tehát a "kívülálló" számára centrális vetítésű műszereknek tűnnek. Alapelvként (2. ábra) egy ma már kevésbé használatos módszerrel működő rendszerben germánium optika képezi le a fókuszsíkban a környezet IR képét, amit egy tükör vagy egy prizmarendszer bont fel folyamatosan sorokra illetve képpontokra. Ezután a folyamat hasonló az egyéb radiométerek képalkotásához, azzal a különbséggel, hogy a detektor működési körülményei lényegesen bonyolultabbak (pl. hűtés). Ennek az elrendezésnek az az előnye, hogy csak egy sor érzékelő diódát kell egybeépíteni, szabályozni, illetve a emiatt a hűtés megoldása egyszerűbbé válhat.
A távoli infravörös tartományokban működő radiométerek következő nagyobb csoportját azok az eszközök képviselik, amelyek képalkotásánál teljes egészében prizmák és tükrök játsszák a fő szerepet (3. ábra). Ez az eljárás egyszerű elektronikát, hűtési megoldást jelent, de a mechanika bonyolultsága (és kisebb geometriai felbontása) miatt nem terjedt el világszerte. A fejlődés következő lépcsőfoka (a jelen) a CCD-mátrix alapú IR-érzékelők. Felépítésük hasonló a mátrix fényképezőgépekhez. Alkalmazásuk nagy előnye, hogy ebben az esetben a kép összes pontja valóban egy időben készül el, tehát a korábbiakkal ellentétben alkalmasabb korrekt geometriai kiértékelésre, ami egy emberhez kapcsolódó helyi adatgyűjtésnél feltétlenül előnyt jelent (4. ábra). A rendszer hűtése kívülálló számára nem eléggé tisztázott, mindenesetre az érzékelő diódák száma itt is korlátozott. A bonyolult rendszer miatt áruk viszonylag magas.
Az infravörös eszközök leképezésének geometriai problémája:
Gyakorlatilag egy optikai rendszer (lencse-rendszer) két alapvető funkciónak kell, hogy eleget tegyen. Az egyik a leképezett objektumok sugárzásának lehető legpontosabb rögzítése. Ezek az úgynevezett radiometriai problémák részben az optikával (germánium optika) vannak összefüggésben, részben az érzékelő fotodiódák érzékenységével, konverziós problémáival. Mindkettő említett kérdést jórészt szabályozzák az eszköz gyártásánál. A harmadik probléma az infravörös sugárzás csillapodása a légkörben. Ezekkel a kérdésekkel más keretek között foglalkozunk.
A lencserendszer másik alapvető funkciója, hogy a leképezett objektum geometriailag felismerhető, értékelhető legyen. Ezek alapján pedig a kérdéses objektum geometriai viszonyai valamilyen pontossággal modellezhetők legyenek segítségükkel. Mivel azonban a különböző típusú infravörös érzékelő eszközök fejlesztésének célja a sugárzás rögzítése, ezért az optikai rendszerük geometriai szabályozására nem sok energiát fordítanak. Így, korábbi tapasztalatok alapján, ezek az optikák terheltek az úgynevezett optikai elrajzolás jelenségével. Az elrajzolás fogalma azt jelenti (5. ábra), hogy az elviekben a vetítési centrumon áthaladó fény (infravörös) korpuszkuláris jellegű sugarai a kilépő oldalon nem ugyanazt a szöget zárják be az optikával (α+β), mint a tárgyfelőli oldalon (α). Tehát a képsíkot (detektorsíkot, stb.) nem ott érik el, ahol elméleti esetben kellene (ΔP). Ez megváltoztatja a kép geometriáját, a kép torzul. Ez a torzulás általában körszimmetrikus, mérhető és a korrekciós felület a számítási eredmények alapján számítható.
Az elrajzolás mértékének meghatározása a korábbi tapasztalatok alapján pl. lehetséges egy olyan fémlap segítségével, amelyen 0,1 mm pontossággal egy lyukhálózat van kialakítva. Ez gyakorlatilag normál laboratóriumi hőmérsékletek esetén biztosítja azokat az emissziós különbségeket, amelyek a hálózat észleléséhez kellenek. Az elkészült képet aztán fotogrammetriai eszközökkel ki kell értékelni, és az ezek alapján számított javítási felületekkel a képi koordináták javíthatók. Meg kell jegyezni, hogy az átlagosan használatos geometriai felbontású infravörös kamerák (a felbontás a diódaszám függvénye) elrajzolási hibája felülmúlja a viszonylag nagy pixelméreteket is.