Спутниковые системы наблюдения и связи Тема 1. Теоретические основы

зондирования Земли из космоса
дтн, снс Клюшников В.Ю.
(ЦНИИ машиностроения)
Кафедра 611Б

«Системный анализ и проектирование космических систем»

в самом общем смысле
В ситуации освещения объектов на Земле солнечным

светом глаз осуществляет пассивное ДЗ отраженного объектом солнечного света. Если, например, в ночное время человек использует для подсветки электрический фонарь, глаз становится примером активной системы ДЗ.

(изменение состояния) электромагнитного поля. Электромагнитные волны были открыты Г. Герцем

в 1887 г.
Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути, являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля. Понятие поля ввел М. Фарадей
Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла:

Из уравнений Максвелла вытекает существование электромагнитных волн, то есть такого электромагнитного поля, которое способно существовать самостоятельно, в отсутствие электрических зарядов и токов.

2

J, N, Н вводится понятие спектральной плотности этих величин.
3

нужно учитывать свойства поверхности.
Если поверхность зеркальная, не составляет особого

труда собрать и измерить весь отраженный поток.
Для рассеивающей поверхности эта задача может оказаться довольно сложной.
Рассеивающую поверхность называют полностью диффузной или подчиняющейся закону Ламберта, когда отраженный в данном направлении поток, отнесенный к единице телесного угла, пропорционален косинусу угла между рассматриваемым направлением и нормалью к поверхности.
Аналогично можно говорить о полностью диффузном источнике. Лучистость диффузного источника одинакова по всем направлениям.
Многие реальные поверхности достаточно точно следуют закону Ламберта
(Закон Ламберта — физический закон, согласно которому яркость поверхности
одинакова во всех направлениях. ).

А — площадь излучателя.
Идеальным ламбертовским излучателем является абсолютно черное тело (АЧТ).

Типы источников излучения:
- тепловые (нагретые твердые и жидкие тела, - непрерывное распределение излучения);
- селективные (пламя или электрический разряд в газах, - излучение сконцентрировано в узких спектральных интервалах).

5

— длина волны, мкм; h — (6,6256 ± 0,0005)10-34 Втс2

— постоянная Планка; Т — термодинамическая температура, К; с — (2,997925 ± 0,000003)1010 см с-1 — скорость света:
С1 = 2рс2 = (3,7415 ±0,0003)104 Втсм-2 мкм4;
С2 = ch/k = (1,43879 ±0,00019)104 мкмК;
k = (1,38054 ±0,00018)10-23 ВтсК-1 – постоянная Больцмана.

- спектральная плотность излучения абсолютно черного тела (АЧТ) в диапазоне температур 500—900 К. полный лучистый поток, излучаемый АЧТ и пропорциональный площади, ограниченной осью абсцисс и соответствующей кривой, быстро возрастает с ростом температуры.
Закон этого возрастания можно получить, проинтегрировав уравнение Планка:

- закон Стефана—Больцмана, где  = (5,6697 ± 0,0029)10-12 Втсм-2К-4 - постоянная Стефана — Больцмана.
Продифференцировав уравнение Планка, получим закон смещения Вина:

где а = 2897,8 ±0,4 мкм К; max - длина волны, на которой наблюдается максимум распределения спектральной плотности излучения по длинам волн. В другой форме закон смещения Вина дает значения максимума спектральной плотности излучения в зависимости от температуры: где b = 1,286210-15 Втсм-2 мкм-1 К-5.

Соотношение для кофэффициента излучения:

6

Закон Планка описывает спек­траль­ное рас­пре­де­ле­ние энер­гии элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния, на­хо­дя­ще­го­ся в те­п­ло­вом рав­но­ве­сии с ве­ще­ст­вом при за­дан­ной тем­пе­ра­ту­ре

(полный излучатель), () =  = 1.
Серые тела, () =

 < 1.
Селективные излучатели, для которых () изменяется с длиной волны.

В ограниченном спектральном интервале селективные излучатели могут иногда рассматриваться как серые. Когда энергия излучения падает на поверхность, часть  энергии может поглощаться, часть  — отражаться и часть  — пропускаться. Сумма ++ равна единице. Коэффициент поглощения в АЧТ по определению равен единице. Из закона Кирхгофа следует, что при заданной температуре коэффициент излучения тела равен его коэффициенту поглощения:
 
=. 
Для непрозрачных тел ( = 0): 
 =  = 1-.
 
Измерить коэффициент отражения тела проще, чем коэффициент излучения, поэтому полученное выражение используют для вычисления  по измеренной величине .
Коэффициент излучения зависит от направления измерения, и соответственно можно ввести понятие о полусферическом коэффициенте излучения h и коэффициенте излучения  в направлении . Если угол  между направлением измерения и нормалью к поверхности равен нулю, коэффициент излучения h = =0 называют нормальным.
Каждый тип коэффициента излучения может быть как полным (оцененным во всем диапазоне длин волн), так и спектральным. Большинство инфракрасных систем работает в небольших телесных углах, а наибольший интерес представляют коэффициенты излучения  и h.

7

функции длины волны
Почти вся (99,9 %) пришедшая от Солнца на

земную поверхность лучистая энергия приходится на спектральный интервал 0,3–4,0 мкм с преобладанием в видимой области спектра (максимум около 0,5 мкм). Земля, накопив солнечную энергию, сама становится источником излучения в интервале λ = 4,0–40 мкм с максимумом в пределах λ = 8–12 мкм. На земную поверхность попадает радиация, непосредственно идущая от Солнца в виде пучка практически параллельных лучей, а также рассеянная в атмосфере и отразившаяся от Земли.

8

белизны изображения в данной точке.
Обычно значения яркости на мониторе компьютера

изменяются в интервале от 0 - черный до 255 - белый.


На спутниковых снимках яркость пикселов означает отражательную способность, изображенных на снимке объектов.

Кривая спектральной яркости это график, по оси абсцисс которого отложены значения длин электромагнитных волн или диапазоны, в которых ведется съемка в каждом из спектральных каналов многоспектрального снимка, а по оси ординат значения яркости изучаемого пиксела в этих спектральных каналах.

Спектральная яркость

9

складывается из освещенности прямым солнечным светом, рассеянным светом небосвода, и

светом, отраженным от соседних объектов. Каждому объекту соответствует определенный коэффициент интегральной яркости. Например, для снега свежевыпавшего он составляет 1,0, для чернозема — 0,03, песка кварцевого — 0,20, луга суходольного — 0,07 и т. д., в пределах одного ландшафта и даже фации наблюдается существенное варьирование коэффициентов яркости. Но по мере продвижения с севера (от зоны тундры) на юг (до зоны пустынь) коэффициент яркости изменяется от 0,05 до 0,25. Среднее значение коэффициента интегральной яркости в целом принимают равным 0,15 (летом) и 0,50 (зимой).

10

Ковда В.А.. Л. Изд-во Наука. 1974г. 252с.
Кринов Е.Л. Спектральная

отражательная способность природных образований. М.-Л. Изд-во АН СССР. 1947

370 объектов

http://www.tunguska.ru/history/persone/krinov/

1906-1984

Евгений Леонидович
Кринов

11

• относительная характеристика отражательной способности поверхности
• доля пришедшей радиации,

отраженная поверхностью
• зависит от свойств облучаемой поверхности

август 1992

май 2007

Коэффициент интегральной яркости или альбе́до (лат. albus - белый)

12

(тепловом) диапазоне спектра, начиная с длины волны 3,5 мкм и

до 15 мкм, регистрируют собственное излучение приповерхностных слоёв земной поверхности. Для любых тепловых излучателей справедлив закон, что, чем лучше тело поглощает энергию (т. е. меньше её отражает), тем лучше оно излучает.

13

оптическими свойствами листа (количество хлорофилла, каротина и других пигментов), геометрией

покрова и угловым распределением листьев, отражательной способностью почв, на которых она находится, проективным покрытием почвы растительностью, углом освещения и углом наблюдения, состоянием атмосферы

Спектральная отражательная способность растительного покрова

С ухудшением состояния растительности падает отражательная способность в диапазоне 500–600 нм, исчезает падение в красном диапазоне и резко уменьшается подъём в ближней ИК-области (кривые 3, 4), т. е. постепенно спектральная кривая растительности превращается в спектральную кривую почвы, на которой она растёт.

14

плотностью, температурой, влажностью

Влияние атмосферы
РАССЕЯНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ – отражение и

поглощение излучения вещественным составом атмосферы
При рефракции, световой луч частично поглощается и частично отражается от поверхности. При отражении света появляются блики

Световой луч является носителем энергии. Взаимодействуя с различными оптическими средами, свет испытывает изменения (теряет энергию).
При прохождении электромагнитных волн через вещество, часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов в атомах и молекулах. Часть энергии переходит в другие формы энергии и, главным образом, – в тепловую энергию.

15

прозрачности
Для дистанционного зондирования используют только те диапазоны длин волн, которые

лежат вне основных интервалов поглощения. Такие диапазоны называются окнами прозрачности атмосферы:
1) "большое окно": 0,3-1,3 мкм (видимый диапазон);
2) 1,5-1,8 мкм (инфракрасный диапазон);
3) 2,0-2,6 мкм (инфракрасный диапазон);
4) 7,0-15,0 мкм (тепловой инфракрасный диапазон);
5) 0,5 мм и более 10м (микроволновый и радиодиапазон - наибольшая прозрачность).

Атмосферная дымка (эффект рассеивания лучей) наиболее сильно проявляется в синей, голубой зонах спектра (0,38 - 0,5 мкм). Она снижает контраст изображения, искажает цвет объектов.
Поэтому в современном дистанционном зондировании при съемки поверхности Земли голубой диапазон не используется.

16

наземными, авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры.

Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны).
Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использующие естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные — использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия.
Данные ДЗЗ, полученные с космического аппарата (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующее электромагнитное излучение в различных диапазонах.
Дистанционное зондирование предоставляет возможность получать данные об опасных, труднодоступных и быстродвижущихся объектах, а также позволяет проводить наблюдения на обширных участках местности. Примерами применения дистанционного зондирования может быть мониторинг вырубки лесов (например, в бассейне Амазонки), состояния ледников в Арктике и Антарктике, измерение глубины океана с помощью лота. Дистанционное зондирование также приходит на замену дорогостоящим и сравнительно медленным методам сбора информации с поверхности Земли, одновременно гарантируя невмешательство человека в природные процессы на наблюдаемых территориях или объектах.

17

в которой для получения информации используется микроволновый диапазон — излучение

с длинами волн от 1 см до 1 м (т.е. на частотах 40 ГГц- 300 МГц ).
Радиолокационная съемка обеспечивает получение изображений земной поверхности и объектов, расположенных на ней, независимо от погодных условий, в дневное и ночное время благодаря принципу активной радиолокации: отправление зондирующих сигналов излучающей антенной и прием отраженных сигналов с последующим преобразованием их в изображения или извлечением информации о разности фаз посланного и отраженного сигнала.

Характер изображения местности на радиолокационном снимке зависит от соотношения между длиной волны и размерами неровностей местности: поверхность может быть в разной степени шероховатой или гладкой, что проявляется в интенсивности обратного сигнала и, соответственно, яркости соответствующего участка на снимке.

Радиолокационная интерферометрия – метод обработки данных радиолокации, основанный на выделении разности фаз сигналов, отраженных разными участками местности. Он позволяет вычислить путь, пройденный радиоволнами до поверхности Земли и, соответственно, получить высокоточную информацию как об абсолютных высотах местности, так и о смещениях поверхности, обусловленных разными факторами. Интерферометрия предполагает совместную обработку не менее двух результатов съемки одного и того же участка земной поверхности, зафиксированных антенной при повторных наблюдениях (двухпроходная интерферометрия), или двумя антеннами, одновременно принимающими сигнал от одной точки под разными углами (однопроходная интерферометрия).

18

физические свойства под действием света
Приемники излучения разделяются на два

основных класса – фотоэлектрические (фотонные) и тепловые.
Принцип действия фотоэлектрических ПИ основан на внешнем (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и др.) или внутреннем (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и др.) фотоэффекте. Все фотоэлектрические приемники являются селективными, т.е. их чувствительность зависит от частоты (или длины волны) излучения, падающего на приемник.
В тепловых ПИ энергия оптического излучения сначала преобразуется в тепловую, а лишь затем происходят изменения свойств приемника: возникает термоЭДС (термоэлементы), изменяется проводимость (болометры) или диэлектрическая постоянная (пироэлектрические ПИ), формируется чувствительный слой (эвапорографы) и т.д. Тепловые приемники неселективны.
Отдельными видами ПИ являются: многоспектральные, работающие в двух или более диапазонах оптического спектра; многоэлементные ПИ; координатные (позиционно-чувствительные) ПИ, у которых выходной сигнал зависит от координат изображения на чувствительном слое, и ряд других. Классификация ПИ проводится также по области спектральной чувствительности, степени охлаждения чувствительного слоя, быстродействию, физическим принципам действия (лавинные, инжекционные, гетеродинные, иммерсионные и др. ПИ).

Приемники электромагнитного излучения

Микроболометр
- устройство для измерения потока ИК- излучения, основанное на изменении физических параметров термочувствительного элемента (повышения сопротивления) в результате его нагрева при поглощении энергии измеряемого излучения.
На сегодняшний день наиболее чувствительные болометры состоят из Ge:Ga.

Фотодиод

Пиксель КМОП-матрицы

20

Пиксель ПЗС-матрицы

в которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические

потенциалы вблизи электродов. Положительное напряжение на электродах создает потенциальную яму, куда устремляются электроны из валентной зоны, сгенерированные фотонами. В этой потенциальной яме заряд хранится до момента считывания. Чем интенсивнее световой поток в течение экспозиции, тем больше скапливается электронов в потенциальной яме и тем выше итоговый заряд данного пикселя. Считывание итогового заряда ПЗС состоит в том, чтобы заставить поликремневые затворы, помимо функции электродов, выполнить еще и роль сдвиговых регистров, таким образом, чтобы они образовали конвейерную цепочку вдоль одной оси. При этом если учесть, что обычно один пиксель формируется несколькими, например, четырьмя электродами, то попеременная подача на них высокого либо низкого напряжения по принципу n+1 (1-2, 2-3, 3-4 и т. д.) позволит накопленному заряду как бы перетекать по выбранной оси, не теряя своей величины. Это становится возможным благодаря тому, что, изменяя конфигурацию потенциального барьера, мы как бы сдвигаем потенциальную яму с накопленными в ней зарядами.
Причем описанный цикл повторяется до тех пор, пока все содержимое выбранных осей не «перетечет» к управляющей логике, преобразующей поступивший заряд в определенный уровень напряжения.

Собственно, такой способ передачи заряда и дал название ПЗС - приборы с зарядовой связью фотосенсорам (матрицам) данного типа. Далее напряжение через усилитель и АЦП (аналого-цифровой преобразователь) подается уже в цифровом виде в оперативную память (буфер) и в процессор камеры, где интерполируется и преобразуется, а затем, в каком-либо стандартном формате изображения, например JPEG, поступает в устройство постоянного хранения, например Flash-карту SD.

21

естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли,

обусловленное солнечной активностью, и активные, т. е. используется вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия.
Для целей ДЗЗ используются следующие основные приборы:
• панхроматические и многоспектральные съемочные системы видимого и ближнего инфракрасного (БИК) диапазонов (свыше 50 % решаемых задач ДЗЗ),
• ИК-радиометры (около 20 % задач),
• радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) - примерно 15 % задач,
• гипер- и видеоспектрометры (~ 5 % задач),
• Фурье-спектрометры и спектрорадиометры ИК-области (~ 3 % задач),
• микроволновые радиометры (~ 5 % задач),
• ряд приборов для радиационных и гелиогеофизических и других измерений за обстановкой в околоземном космосе (~ 2 % задач),
• ряд дополнительных приборов для надирных, лимбовых, затменных и других научных исследований атмосферы Земли (~ 1 % задач).

По разрешению на местности для различных задач ДЗЗ необходимо обеспечивать от 0,5 м до десятков км.
По периодичности обзора диапазон требований простирается от 0,1 часа (почти реального масштаба времени (РМВ), т. е. почти непрерывного повторения наблюдений) до нескольких лет.
По радиометрическому разрешению: для более, чем 70 % задач, решаемых приборами видимой и БИК-области спектра, - 0,1-0,5 %; для почти 80 % задач, решаемых ИК-радиометрами, - 0,1-0,2 К; для 90 % задач РСА - 0,1-1 дБ.

25

съемки:
фотографический;
оптико-электронный;
радиолокационный.
Относительная важность основных классов приборов ДЗЗ в решении задач ДЗЗ
26

Теоретические основы дистанционного зондирования Земли из космоса (2 ч).
2. Сенсоры

и платформы дистанционного зондирования Земли из космоса (2 ч).
3. Получение и первичная обработка космических снимков (2 ч).
4. Понятие о геоинформационных системах. Тематическая обработка космических снимков (2 ч).
5. Теоретические основы спутниковой связи (2 ч).
6. Классификация и принципы построения спутниковых систем связи (2 ч).
7. Существующие спутниковые системы связи (2 ч).
8. Многоспутниковые негеостационарные системы связи. Лазерные космические системы связи (2 ч).