Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej Czujniki satelitarne Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017 Adam Krężel

Promieniowanie elektromagnetyczne Wszystkie czujniki znajdujące zastosowanie w satelitarnych badaniach morza jako sposób pozyskania informacji wykorzystują promieniowanie elektromagnetyczne Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 Rejestrują one albo naturalne promieniowanie morza (mówimy wtedy o radiometrii pasywnej) albo promieniowanie specjalnie generowane w celu uzyskania określonej informacji o nim (radiometria aktywna). Wybór określonego pasma w widmie, użytecznego do badań satelitarnych morza, zależy od przepuszczalności atmosfery oraz od rodzaju informacji, którą chcemy uzyskać. 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 Wpływ atmosfery Oddziaływanie promieniowania z atmosferą - okno atmosferyczne Wielkość sygnału zawierającego informację Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Rozdzielczość przestrzenna przybliżone określenie najmniejszego elementu powierzchni morza (Ziemi) jaki jest rejestrowany przez czujnik - IFOV = ang. Instantaneous Field of View wyrażana w mierze łukowej (w [mrad] lub [µrad]) przybliżony liniowy rozmiar określany jest jako GIFOV lub GSD (ang. Ground Sampled Distance) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 Szerokość ścieżki lub Pole widzenia (FOV - Field of View) - określa kąt skanowania i wyraża się w stopniach (pole widzenia) lub w kilometrach (szerokość ścieżki) Szerokość pasma (FWHM - Full Width at Half Maximum) - szerokość pasma czułości detektora w połowie widma jego czułości spektralnej Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 Szerokość spektralna określa szerokość pasma czułości detektora Pasmo Częstotliwość [Ghz] Długość 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 podczerwień (ang. near-IR): 0.7-1.0 µm; VNIR (ang. visible and near-IR lub silicon detector range): 0.4-1.0 µm; krótkofalowa podczerwień (ang. SWIR - short wave IR): 1.0 - 2.5 µm; zakres odbicia słonecznego (ang. solar reflective range): 0.4-2.5 µm; podczerwień termalna: 2.5-14 µm; Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Rozdzielczość spektralna (Spectral resolution) Określa rozmiary i liczbę obszarów (pasm) w widmie promieniowania elektromagnetycznego, w których może rejestrować energię dany czujnik Biorąc pod uwagę rozdzielczość spektralną czujniki dzielimy na 4 grupy: Szerokopasmowe (broad-band) Wąskopasmowe (narrow-band) Spektralne (spectral) Hiperspektralne (hyperspectral) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 Liczba poziomów kwantowania - określa maksymalną liczbę poziomów, na które może być podzielony sygnał docierający do czujnika. Zależy ona od możliwości 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. Rozdzielczość czasowa - określa jak często dany punkt na kuli ziemskiej może być próbkowany Stosunek sygnału do szumu (ang. SNR - signal to noise ratio) oraz szumowy odpowiednik odbicia lub różnicy temperatur (ang. noise equivalent reflectance and temperature differences - NEΔρ i NEΔT) jest miarą czułości sensora Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Podstawowe systemy rejestracji Kamery video (ang. 2-D E-O framing cameras) - są to urządzenia odpowiadające zwykłym 'cywilnym' kamerom video. Obraz jest rejestrowany przez matrycę detektorów umieszczoną w płaszczyźnie ogniskowej. IFOV jest określone przez wielkość pojedynczego detektora w matrycy. W przypadku zakresu promieniowania od 0.4 do 1.0 µm stosuje się 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 są to detektory PtSi, PbS i HgCdTe. Poszczególne elementy są większe od poprzednich jednak ze względu na mniejszą rozdzielczość spektralną w sumie ich powierzchnia jest mniejsza. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Podstawowe systemy rejestracji Systemy spinowo-skanujące (ang. spin-scan systems). Zazwyczaj stosuje się je na satelitach geostacjonarnych (np. VISSR (Visible and Infrared Spin-Scan radiometer) na satelicie GOES). Satelita lub jego część obraca się dookoła własnej osi, za każdym obrotem zmieniając kąt patrzenia obiektywu kamery, tak że po pewnym czasie 'ścieżka za ścieżką' zostaje pokryty określony obszar. VISSR ma GIFOV 0.9 km w paśmie widzialnym i 9 km w termicznej podczerwieni. Zeskanowanie całej Ziemi (20×20 stopni) zajmuje mu 18.2 min. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 Podstawowe systemy rejestracji Skanery podłużnie i poprzecznie zbierające (pushbroom and whiskbroom scanners) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 Podstawowe systemy rejestracji Skanery podłużnie i poprzecznie zbierające Metoda Cecha↓ zbieranie poprzeczne whiskbroom zbieranie podłużne pushbroom korzystna brak ograniczeń spektralnych szeroka ścieżka łatwość podziału widma przy pomocy filtrów odpowiedni spektrometr umożliwia zdjęcie ciągłego widma mała ilość detektorów do kalibracji proste mechanicznie, brak części ruchomych - niski koszt małe detektory czyli krótka ogniskowa dla małych IFOV duża ilość detektorów - długi czas uśredniania niekorzystna mała liczba detektorów oznacza krótki czas uśredniania duże detektory wymagają długiej ogniskowej czyli dużych rozmiarów urządzenia dla małych IFOV skomplikowane mechanicznie czyli drogie trudny w konstrukcji, szerokokątny system projekcji na płaską powierzchnię IR wciąż w stadium konstrukcji podział widma na ponad 20 kanałów praktycznie niemożliwy duża ilość detektorów do kalibracji 26 marca 2017 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 Podstawowe systemy rejestracji Klasyfikacja w zależności od rodzaju produktu No-imaging: rejestracja danych o parametrach powierzchni badanej. Uzyskana informacja nie ma charakteru mapy cyfrowej. Imaging: generowane jest zdjęcie cyfrowe badanej powierzchni. Systemy obrazowania można podzielić na: Framing systems: rejestracja całego obrazu w tym samym czasie Scanning systems: rejestracja obrazu linia po linii Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017

Systemy pomiarowe w satelitarnych badaniach morza Skrót lub akronim Nazwa urządzenia Satelita Kanały spektralne [µm]/[GHz] Aktywny/ Pasywny Sposób próbkowania Prędkość próbkowania ALT Altymetr (Altimeter) SEASAT, ERS-2, GOES, TOPEX/Posejdon mikrofale aktywny punktowy w nadirze wolny ATSR Radiometr skanujący podłużnego zbierania (Along track scanning radiometer) ERS-1, ERS-2 3.7 11 12 pasywny skanowanie stożkowe - dwustopniowe szybki AVHRR Radiometr wysokiej rozdzielczoœci (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 skaner szeroko-ścieżkowy, szerokopasmowy, pełne 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 skaner szeroko-ścieżkowy, pełne pokrycie MSS Skaner wielospektralny (Multi-spectral scanner) LANDSAT 0.5 - 0.6 0.6 - 0.7 0.8 - 1.1 wąsko-ścieżkowy skaner wysokiej rozdzielczości SAR Radar (Synthetic aperture radar) SEASAT JERS-1 Radarsat 1.275 (L) 5.3, 12.5 L, X L, C wykorzystuje częstotliwości dopplerowskie bardzo szybki

Systemy pomiarowe w satelitarnych badaniach morza Skrót lub akronim Nazwa urządzenia Satelita Kanały spektralne [µm]/[GHz] Aktywny/ Pasywny Sposób próbkowania Prędkość próbkowania SASS Skaterometr (Scatterometer) SEASAT ERS-1, ERS-2 14.6 (X) 5.3 aktywny wolny SMMR wieloczęstotliwościowy mikrofalowy radiometr skanujący (Scanning multifrequency microwave radiometer) NIMBUS-7 6.63 10.69 18.0 21.0 37.0 pasywny próbkowanie niskiej rozdzielczości, niepełne pokrycie średni SSM/I Czujnik mikrofalowy (Special Sensor Microwave Imager) DMSP 19.35 22.235 37 85.5 ścleżka 1390 km; rozdzielczość: 70×45; 60×40; 38×30; 16×14 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 ścieżka 185 km; rozdzielczość 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 ścieżka 2800 km; rozdzielczość 1.13 i 4.52 km

Systemy pomiarowe w satelitarnych badaniach morza Skrót lub akronim Nazwa urządzenia Satelita Kanały spektralne [µm]/[GHz] Aktywny/ Pasywny Sposób próbkowania Prędkość próbkowania SEVIRI Skaner spinowy (Spining Enhanced Visible and infrared Imager) MSG 12 kanałów w zakresie 0.60-14.40 µm pasywny skanowanie w poprzek szer. geogr., wykorzystanie obrotu wokół własnej osi do skanowania w poprzek dł. geogr średni MODIS Średniej rozdzielczości spektrometr obrazujący (Moderate resolution Imaging Spectrometer) Terra, Aqua 32 kanały w pasmach VIS i near-IR (szer. 10-15 nm) ścieżka 1500 km, rozdzielczość 1.1 km; pełne pokrycie co 2 dni MERIS obrazujący (Medium Resolution Envisat 0.4 - 1.05 – co najmniej 15 pasm o szerokości 1.25 nm ścieżka 1500 km; rozdzielczość 260-520 m Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 3 26 marca 2017