Czujniki satelitarne

1
Czujniki satelitarne

• Adam Krezel
• Instytut Oceanografii
• Zaklad Oceanografii Fizycznej

2
Promieniowanie elektromagnetyczne
Wszystkie czujniki znajdujace zastosowanie w
satelitarnych badaniach morza jako sposób
pozyskania informacji wykorzystuja promieniowanie
elektromagnetyczne
3

• Rejestruja one albo naturalne promieniowanie
  morza (mówimy wtedy o radiometrii pasywnej) albo
  promieniowanie specjalnie generowane w celu
  uzyskania okreslonej informacji o nim
  (radiometria aktywna).
• Wybór okreslonego pasma w widmie, uzytecznego do
  badan satelitarnych morza, zalezy od
  przepuszczalnosci atmosfery oraz od rodzaju
  informacji, która chcemy uzyskac.

4
Wplyw atmosfery

• Oddzialywanie promieniowania z atmosfera - okno
  atmosferyczne
• Wielkosc sygnalu zawierajacego informacje

5
(No Transcript)
6
Rozdzielczosc przestrzenna

• przyblizone okreslenie najmniejszego elementu
  powierzchni morza (Ziemi) jaki jest rejestrowany
  przez czujnik - IFOV ang. Instantaneous Field
  of View
• wyrazana w mierze lukowej (w mrad lub µrad)
• przyblizony liniowy rozmiar okreslany jest jako
  GIFOV lub GSD (ang. Ground Sampled Distance)

7

• Szerokosc sciezki lub Pole widzenia (FOV - Field
  of View) - okresla kat skanowania i wyraza sie w
  stopniach (pole widzenia) lub w kilometrach
  (szerokosc sciezki)
• Szerokosc pasma (FWHM - Full Width at Half
  Maximum) - szerokosc pasma czulosci detektora w
  polowie widma jego czulosci spektralnej

8
Szerokosc spektralna
okresla szerokosc pasma czulosci detektora
Pasmo Czestotliwosc Ghz Dlugosc fali cm
P-band 0.225-0.39 133-77
L-band 0.39-1.55 77-19
S-band 1.55-3.90 19-7.7
C-band 3.90-6.20 7.7-4.8
X-band 5.75-10.9 5.2-2.8
Ku-band 10.9-22.0 2.75-1.36
Ka-band 22.0-36.0 1.36-0.833
Q-band 36.0-46.0 0.083-0.065
V-band 46.0-56.0 0.065-0.054
W-band 56.0-100 0.054-0.03

• promieniowanie widzialne (ang. visible) 0.4-0.7
  µm
• bliska podczerwien (ang. near-IR) 0.7-1.0 µm
• VNIR (ang. visible and near-IR lub silicon
  detector range) 0.4-1.0 µm
• krótkofalowa podczerwien (ang. SWIR - short wave
  IR) 1.0 - 2.5 µm
• zakres odbicia slonecznego (ang. solar reflective
  range) 0.4-2.5 µm
• podczerwien termalna 2.5-14 µm

9
Rozdzielczosc spektralna (Spectral resolution)

• Okresla rozmiary i liczbe obszarów (pasm) w
  widmie promieniowania elektromagnetycznego, w
  których moze rejestrowac energie dany czujnik
• Biorac pod uwage rozdzielczosc spektralna
  czujniki dzielimy na 4 grupy
• Szerokopasmowe (broad-band)
• Waskopasmowe (narrow-band)
• Spektralne (spectral)
• Hiperspektralne (hyperspectral)

10

• Liczba poziomów kwantowania - okresla maksymalna
  liczbe poziomów, na które moze byc podzielony
  sygnal docierajacy do czujnika. Zalezy ona od
  mozliwosci przetwornika analogowo-cyfrowego.
  Zazwyczaj stosowana jest kwantyzacja od 6 do 12
  bitowej. Np. kwantyzacja 8-bitowa pozwala na
  uzyskanie 256 (28) poziomów, 10-bitowa na 1024
  (210) itd.
• Rozdzielczosc czasowa - okresla jak czesto dany
  punkt na kuli ziemskiej moze byc próbkowany
• Stosunek sygnalu do szumu (ang. SNR - signal to
  noise ratio) oraz szumowy odpowiednik odbicia
  lub róznicy temperatur (ang. noise equivalent
  reflectance and temperature differences - NE?? i
  NE?T) jest miara czulosci sensora

11
Podstawowe systemy rejestracji Kamery video

• (ang. 2-D E-O framing cameras) - sa to urzadzenia
  odpowiadajace zwyklym 'cywilnym' kamerom video.
  Obraz jest rejestrowany przez matryce detektorów
  umieszczona w plaszczyznie ogniskowej. IFOV jest
  okreslone przez wielkosc pojedynczego detektora w
  matrycy. W przypadku zakresu promieniowania od
  0.4 do 1.0 µm stosuje sie detektory krzemowe CCD
  (ang. charge coupled detector) o standardowych
  rozmiarach ok. 25 µm. W obszarze bliskiej
  podczerwieni (SWIR) tzn. od 1 do 2.5 µm sa to
  detektory PtSi, PbS i HgCdTe. Poszczególne
  elementy sa wieksze od poprzednich jednak ze
  wzgledu na mniejsza rozdzielczosc spektralna w
  sumie ich powierzchnia jest mniejsza.

12
Podstawowe systemy rejestracji Systemy
spinowo-skanujace

• (ang. spin-scan systems). Zazwyczaj stosuje sie
  je na satelitach geostacjonarnych (np. VISSR
  (Visible and Infrared Spin-Scan radiometer) na
  satelicie GOES). Satelita lub jego czesc obraca
  sie dookola wlasnej osi, za kazdym obrotem
  zmieniajac kat patrzenia obiektywu kamery, tak ze
  po pewnym czasie 'sciezka za sciezka' zostaje
  pokryty okreslony obszar. VISSR ma GIFOV 0.9 km w
  pasmie widzialnym i 9 km w termicznej
  podczerwieni. Zeskanowanie calej Ziemi (2020
  stopni) zajmuje mu 18.2 min.

13
Podstawowe systemy rejestracji Skanery podluznie
i poprzecznie zbierajace (pushbroom and
whiskbroom scanners)
14
Podstawowe systemy rejestracji Skanery
podluznie i poprzecznie zbierajace
Metoda Cecha? zbieranie poprzeczne whiskbroom zbieranie podluzne pushbroom
korzystna brak ograniczen spektralnych szeroka sciezka latwosc podzialu widma przy pomocy filtrów odpowiedni spektrometr umozliwia zdjecie ciaglego widma mala ilosc detektorów do kalibracji proste mechanicznie, brak czesci ruchomych - niski koszt male detektory czyli krótka ogniskowa dla malych IFOV duza ilosc detektorów - dlugi czas usredniania
niekorzystna mala liczba detektorów oznacza krótki czas usredniania duze detektory wymagaja dlugiej ogniskowej czyli duzych rozmiarów urzadzenia dla malych IFOV skomplikowane mechanicznie czyli drogie trudny w konstrukcji, szerokokatny system projekcji na plaska powierzchnie IR wciaz w stadium konstrukcji podzial widma na ponad 20 kanalów praktycznie niemozliwy duza ilosc detektorów do kalibracji
15
Podstawowe systemy rejestracji Klasyfikacja w
zaleznosci od rodzaju produktu

• No-imaging rejestracja danych o parametrach
  powierzchni badanej. Uzyskana informacja nie ma
  charakteru mapy cyfrowej.
• Imaging generowane jest zdjecie cyfrowe badanej
  powierzchni. Systemy obrazowania mozna podzielic
  na
• Framing systems rejestracja calego obrazu w tym
  samym czasie
• Scanning systems rejestracja obrazu linia po
  linii

16
Systemy pomiarowe w satelitarnych badaniach morza
Skrót lub akronim Nazwa urzadzenia Satelita Kanaly spektralne µm/GHz Aktywny/ Pasywny Sposób próbkowania Predkosc próbkowania
ALT Altymetr (Altimeter) SEASAT, ERS-2, GOES, TOPEX/Posejdon mikrofale aktywny punktowy w nadirze wolny
ATSR Radiometr skanujacy podluznego zbierania (Along track scanning radiometer) ERS-1, ERS-2 3.7 11 12 pasywny skanowanie stozkowe - dwustopniowe szybki
AVHRR Radiometr wysokiej rozdzielczości (Advanced Very High Resolution Radiometer) TIROS-N NOAA 6-17 0.58 - 0.68 0.725- 1.10 1.58-1.64 3.55 - 3.93 10.3 -11.3 11.5 -12.5 pasywny skaner szeroko-sciezkowy, szerokopasmowy, pelne pokrycie umiarkowanie szybki
CZCS Czujnik barwy strefy brzegowej (Coastal zone colour scanner) NIMBUS-7 0.43 - 0.45 0.51 - 0.53 0.55 - 0.57 0.66 - 0.68 0.7 - 0.8 10.5 -12.5 pasywny skaner szeroko-sciezkowy, pelne pokrycie szybki
MSS Skaner wielospektralny (Multi-spectral scanner) LANDSAT 0.5 - 0.6 0.6 - 0.7 0.7 - 0.8 0.8 - 1.1 pasywny wasko-sciezkowy skaner wysokiej rozdzielczosci szybki
SAR Radar (Synthetic aperture radar) SEASAT ERS-1, ERS-2 JERS-1 Radarsat 1.275 (L) 5.3, 12.5 L, X L, C aktywny wykorzystuje czestotliwosci dopplerowskie bardzo szybki
17
Systemy pomiarowe w satelitarnych badaniach morza
Skrót lub akronim Nazwa urzadzenia Satelita Kanaly spektralne µm/GHz Aktywny/ Pasywny Sposób próbkowania Predkosc próbkowania
SASS Skaterometr (Scatterometer) SEASAT ERS-1, ERS-2 14.6 (X) 5.3 aktywny wolny
SMMR wieloczestotliwosciowy mikrofalowy radiometr skanujacy (Scanning multifrequency microwave radiometer) SEASAT NIMBUS-7 6.63 10.69 18.0 21.0 37.0 pasywny próbkowanie niskiej rozdzielczosci, niepelne pokrycie sredni
SSM/I Czujnik mikrofalowy (Special Sensor Microwave Imager) DMSP 19.35 22.235 37 85.5 pasywny sclezka 1390 km rozdzielczosc 7045 6040 3830 1614 km
TM Skaner tematyczny (Thematic mapper) LANDSAT-4,5,6 0.45 - 0.52 0.52 - 0.60 0.63 - 0.69 0.76 - 0.90 1.55 - 1.75 2.09 - 2.38 10.4 -12.5 pasywny sciezka 185 km rozdzielczosc 30 m szybki
SeaWiFS (Sea-wieving Wide Field-of-View sensor) OrbView 2 0.402- 0.422 0.433- 0.453 0.48 - 0.50 0.51 - 0.53 0.555- 0.575 0.655- 0.675 0.745- 0.785 0.845- 0.885 pasywny sciezka 2800 km rozdzielczosc 1.13 i 4.52 km wolny
18
Systemy pomiarowe w satelitarnych badaniach morza
Skrót lub akronim Nazwa urzadzenia Satelita Kanaly spektralne µm/GHz Aktywny/ Pasywny Sposób próbkowania Predkosc próbkowania
SEVIRI Skaner spinowy (Spining Enhanced Visible and infrared Imager) MSG 12 kanalów w zakresie 0.60-14.40 µm pasywny skanowanie w poprzek szer. geogr., wykorzystanie obrotu wokól wlasnej osi do skanowania w poprzek dl. geogr sredni
MODIS Sredniej rozdzielczosci spektrometr obrazujacy (Moderate resolution Imaging Spectrometer) Terra, Aqua 32 kanaly w pasmach VIS i near-IR (szer. 10-15 nm) pasywny sciezka 1500 km, rozdzielczosc 1.1 km pelne pokrycie co 2 dni sredni
MERIS Sredniej rozdzielczosci spektrometr obrazujacy (Medium Resolution Imaging Spectrometer) Envisat 0.4 - 1.05 co najmniej 15 pasm o szerokosci 1.25 nm pasywny sciezka 1500 km rozdzielczosc 260-520 m