Fizyczne Podstawy TeledetekcjiWykład 5

Krzysztof MarkowiczInstytut Geofizyki

Uniwersytet Warszawskikmark@igf.fuw.edu.pl

Orbity sztucznych satelitów

vr

vmF

2

od

Fg

Fod

2g r

MmGF

siłą odśrodkowa

siłą grawitacji

r

vm

r

MmG

2

2

r

GMv

M-masa Ziemi, m- masa satelity, r promień orbity,

G stała grawitacji 6.67x10-11 m3km-1s-2

równowaga sił

prędkość na orbicie

3

r

GMv

v

r2T

Geostacjonarne, satelita obiega oś obrotu Ziemie w takim samym czasie jak Ziemie obraca się wokół własnej osi. T jest okresem obiegu Ziemi wokół własnej osi

2222 r

GM

T

r2

GM

v

GMr

3

2

2

32

gRGMr

=7.3x10-5 1/s , g=9.81 m/s2

r=42400 kmR=6378 kmH=36000 km wysokość orbity nad powierzchnie Ziemi

4

5

Satelity Polarne

• LEO- orbity niskie (Low Level Earth observatory)

– Orbita równikowa– Orbita polarna– Orbita skośna

• Satelity są często zsynchronizowane ze Słońcem, co oznacza, że orbita satelity pozostaje nieruchoma względem Słońca. Powoduje to, iż przelot satelity po stronie dziennej kuli ziemskiej występuje nad punktem gdzie Słońce właśnie góruje.

6

7

Parametry orbity LEO

• Inklinacja- kąt pomiędzy płaszczyzna równika a płaszczyzną zawierającą orbitę satelity

• Przykłady:

• EOS TERRA: 98.2o

• Topem/Posejdon 66o

• Parametry chwilowe satelity:

• Kat zenitalny i azymutalny satelity

• Kąt zenitalny o azymutalny Słońca

8

9

Wznoszenie i opadanie satelity

10

Parametry przyrządów teledetekcyjnych

• Rozdzielczość przestrzenna – typowe wartość zmieniają się od kilku metrów do kilkudziesięciu kilometrów

• Zależy ona od kąta widzenia detektora (FOV), wysokości satelity nad powierzchnią ziemi oraz kąta zenitalnego satelity.

HD D średnica koła na powierzchni Ziemi, skanowanej z wysokości H.Przykład: kąt widzenia =2 mrad, wysokość H=2000m, D= 2x10-3 rad*2000m=4m.

11

• gdzie H jest wysokością satelity nad powierzchnia

ziemi. • Przykład 1• f=1m• H=800km X=5.6m• wielkość obrazu x wynosi 7 m.

P’x

X

P'P

1

P

1

f

1 p

'Pf

'P

x

P

X

P

'PXx

H

fXx

Obraz powierzchni ziemi rejestrowany przez detektory satelitarne

12

Wpływ dyfrakcji na ograniczenia przestrzenne

warunek dyfrakcyjny (obszar plamki

dyfrakcyjnej) ma postać • gdzie D jest średnicą szczeliny (apertura)

• Przykład : =0.5 m stąd D7 cm =10 m stąd D1.4 m

D

f

x x

D

f

13

Rozdzielczość spektralna:• Szeroko-pasmowa (promieniowanie krótkofalowe,

długofalowe)• Wąsko-pasmowa (=10-100) • Spektralna (pojedyncze nanometry) oraz

hiperspektralna (ułamki nanometrów)

14

Rozdzielczość czasowa zmienia się od godzin do 20 dni.

15

Typy skanów wykonywanych przez detektory:

• Poprzeczny (Cross track)

• Podłużny (Along track)

• Wirowy (Spin skaner)

16

Cechy charakterystyczne:•Sukcesywna rejestracja całych linii zorientowanych pod kątem prostym do linii lotu urządzenia skanującego• Linijka detektorów zawiera układy CCD• Każdy detektor jest przeznaczony do wychwytywania energii z jednej komórki rozdzielczości terenowej(piksel) wzdłuż danej linii skanowania• Każde pasmo spektralne wymaga swojego własnego liniowego układu detektorów;•

Układy te są umieszczone w płaszczyźnie obrazowej skanera• Wszystkie linie skanowania są widziane przez system optyczny jednocześnie.

Zalety liniowego układu detektorów w stosunku do

systemu punktowego ze zwierciadłem skanującym. • Dłuższy czas „przebywania detektora” w danym obszarze

przestrzennym. • Silniejszy sygnał i większy zasięg w poziomie sygnału.• Lepsza rozdzielczość przestrzenna• Mniejszy rozmiar urządzenia• Wymaga mniejszej energii (oświetlenia) do działania.

Wady. Konieczność kalibracji dużo większej liczby detektorów

Stosunkowo ograniczona czułość spektralna

Konsekwencje małego i dużego pola widzenia FOV

Małe FOV

a) duża rozdzielczość przestrzenna (szczegółowość)

b) niska czułość na warunki oświetleniowe.

Duże FOV

a) wyższy poziom sygnału

b) gorsza rozdzielczość przestrzenna

c) lepsza rozdzielczość spektralna ze względu na wyższą wartość energii.

19

AQUA: MODIS detektor

20

TERRA – CERES detektor

21

Detektor MISR

Skanowanie z satelity geostacjonarnego MSG2

23

Typy detektorów satelitarnych

Fotografia• fotografia tradycyjna tzw. fotografia analogowa – oparta na

chemii światłoczułych związków srebra, która dzieli się na fotografię monochromatyczną i fotografię barwną. Materiały fotograficzne produkowane są w postaci klisz ciętych (do aparatów wielkoformatowych - fotografia wielkoformatowa), błon (filmów) perforowanych (do aparatów małoobrazkowych), błon zwojowych najczęściej o szerokości 60mm (do aparatów średnioformatowych).

• fotografia cyfrowa – gdzie rejestracja obrazu odbywa się nie na materiale światłoczułym ale na urządzeniu optoelektronicznym zwanym matrycą (np. w układzie CCD, CMOS) zamontowaną w aparacie cyfrowym.

25

Fotografia monochromatyczna

26

27

28

Detektory promieniowania

29

Matryce CCD (Charge Coupled Device)

• To układ wielu elementów światłoczułych, z których każdy rejestruje, a następnie pozwala odczytać sygnał elektryczny proporcjonalny do ilości padającego na niego promieniowania.

• W cyfrowych aparatach fotograficznych najczęściej stosowane są filtry barwne, dające możliwość rejestracji natężenia określonej szerokości spektrum światła w danym punkcie matrycy.

33

• Pierwszy egzemplarz CCD został zbudowany w 1969 roku, przez dwóch naukowców: Willarda S. Boyle'a i George E. Smitha z Bell Telephone Laboratories. Szukali oni nowego sposobu rejestracji obrazu, który miał znaleźć zastosowanie w projektowanym wideotelefonie. Urządzenie miało być tanie a jego technologia oparta na krzemie. Pierwsza kamera złożona była z ośmiu pikseli ułożonych w jeden rząd.

• Większy model o rozmiarach 100x100 pikseli powstał dopiero w 1973.

• Matryce te na początku były rozwijane przez naukowców w celach badawczych, a dokładniej w celu obserwacji kosmosu. Jak zwykle duży udział miał w tym rząd amerykański, a szczególnie NASA.

34

Zasada działania matryc CCD

• Kiedy foton uderzy w atom, może spowodować przeskoczenie elektronu na wyższą powłokę, a w niektórych przypadkach uwolnienie nośnika ładunku (dziur lub elektronów, w zależności od użytego materiału półprzewodnikowego) – jest to tzw. efekt fotoelektryczny wewnętrzny.

• Kiedy powierzchnia matrycy CCD jest oświetlona, uwolnione zostają nośniki, które gromadzą się w kondensatorach. Nośniki te zostają przesunięte w miarowych impulsach elektrycznych oraz zostają "przeliczone" przez obwód, który wyłapuje nośniki z każdego elementu światłoczułego, przekazuje je do kondensatorów, mierzy, wzmacnia napięcie i ponownie opróżnia kondensatory.

35

• Ilość nośników zebranych w ten sposób w pewnym przedziale czasu zależy od natężenia światła.

• W efekcie otrzymujemy dla każdego elementu światłoczułego informację o wartości natężenia padającego na nie światła, czyli w praktyce informację o jasności obserwowanej w danym punkcie barwy.

36

RGB

• Jeden z modeli przestrzeni barw, opisywanej współrzędnymi RGB. Jego nazwa powstała ze złożenia pierwszych liter angielskich nazw barw: R – red (czerwonej), G – green (zielonej) i B – blue (niebieskiej), z których model ten się składa.

• RGB odpowiada długością fali elektromagnetycznej odpowiednio około 450, 550, 650 nm.

• Jest to model wynikający z właściwości odbiorczych ludzkiego oka, w którym wrażenie widzenia dowolnej barwy można wywołać przez zmieszanie w ustalonych proporcjach trzech wiązek światła o barwie czerwonej, zielonej i niebieskiej.

37

38

Rejestracja barw w CCD

• Zazwyczaj poszczególne elementy matrycy mierzą ilość światła dla jednej ze składowych RGB, dlatego też na każdy piksel wynikowego obrazu w postaci bitmapy przypada pomiar z kompletu elementów światłoczułych.

• Jest to realizowane poprzez zastosowanie 3 różnych filtrów (Bayer filter) wycinających promieniowania. W ten sposób, że na element CCD mierzący R pada tylko promieniowanie z tego zakresu. Podobnie na G i B.

39

• W 2002 r. firma Foveon opracowała matrycę X3, która potrafi zarejestrować każdą z trzech składowych koloru w każdym punkcie. Obecnie nie jest jednak ona szeroko wykorzystywana.

40

• Przetwornik odpowiedzialny za pobieranie obrazu, używany w video kamerach. W odróżnieniu od CCD, przy pobieraniu obrazu korzysta nie z jednej, ale z trzech oddzielnych matryc CCD.

• Światło w tym przetworniku pada na pryzmat gdzie ulega rozszczepieniu a następnie pada na trzy matryce CCD, które mierzą składowe R G i B.

41

3CCD

Matryce CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

Matryca składa się z milionów elementów o następującej budowie:

• elementu światłoczułego, działającego na zasadzie fotodiody.

• wzmacniacza sygnału. • przetwornika analogowo-cyfrowego. • mikrosoczewki, której zadaniem jest skupienie światła na

elemencie światłoczułym. • filtru barwnego odpowiadającego za fakt, że piksel jest

czuły tylko na pewne spektrum światła. Najczęściej stosowana siatka filtrów Bayera.

42

Zalety CMOS

• małe zakłócenia w przesyłaniu danych, w związku z małą odległością fotodioda-przetwornik A/C.

• niski koszt produkcji, wynika to z tego że matryce można produkować na maszynach wykonujących inne elementy w technologii CMOS.

• niski pobór mocy (cecha wszystkich układów w technologii CMOS) • szybki odczyt (bez potrzeby zaciemnienia matrycy jak ma to miejsce w

CCD) • łatwe resetowanie, (elektroniczna migawka) • możliwość odczytu wybranych pikseli (wykorzystywane przy ustawianiu

ostrości)

43

Wady CMOS

• mniejsza światłoczułość w porównaniu z CCD. Część matrycy nie jest światłoczuła (tam gdzie są przetworniki), oraz fotodiody wykonane w technologii CMOS też wykazują mniejszą światłoczułość.

• większy prąd ciemny (zakłócenia własne pojawiające się szczególnie przy długich czasach naświetlania)

• ponieważ każdy piksel ma własny wzmacniacz, ciężko jest utrzymać reżim jakościowy każdego wzmacniacza, co powoduje, że każdy piksel wskazuje trochę inne parametry przy tym samym oświetleniu. Powoduje to utrudnienia w procesie ujednolicania odczytu.

44

Detektory w dalekiej podczerwieni (podczerwień termalna)

• efekt termoelektryczny,• termorezystancja (bolometry),• efekt piroelektryczny (pirometry),• detektory pneumatyczne

Materiału używane do detektorów termalnych

46

Antymonek indu 3-5 µmArsenek indu Tellurk kadmu i rtęci (1-2 μm, 3-5 μm, 8-12 μm)siarczek ołowiu selenek cynku rtęć-german 3-14 μm

Detektory na ogół musza być silnie chłodzone gdyż same są źródłem promieniowania termalnego.

Detektory termowizyjne:

• matryce FPA mikroboometrów (ang. Focal Plane Array); wymaga niewielkiego schłodzenia, np. chłodziarką Peltiera,

• matryce z półprzewodnika: tellurek kadmowo-rtęciowy HgCdTe (CMT lub MCT), wymaga chłodzenia (ok. 80K),

• matryce detektorów ze „studniami kwantowymi” z GaAs i AlGaAs

• (QWIP – Quantum Well Infrared Photodetector); wymagają chłodzenia kriogenicznego,

• matryce detektorów piroelektrycznych (najtańsze niechłodzone detektory).

Spektrometry

Przyrządy służące do pomiaru rozkładu spektralnego promieniowania. Ich głównymi elementami są: detektor oraz pryzmat lub siatka dyfrakcyjna. Spektrometry wykorzystuje się do pomiarów promieniowania od UV przez zakres widzialny po podczerwień. Detektorami są nie matryce (jak w przypadku fotografii) ale np. jednowymiarowe linie CCD.

52

Spektrometry oparte na CCD

Przykłady detektorów satelitarnych

Detektor SEVIRI na MSG2