Teledetekcja mikrofalowa aktywna skaterometria

Prezentacja na temat: "Teledetekcja mikrofalowa aktywna skaterometria"— Zapis prezentacji:

1 Teledetekcja mikrofalowa aktywna skaterometria
Adam Krężel Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański

2 Zastosowanie technik satelitarnych
Idea Przy małych kątach transmisji wiązki występuje silne, zazwyczaj niepożądane echo od nierówności terenu w tym także fal na powierzchni morza Wielkość tego echa zależy od prędkości wiatru Rejestracja promieniowania radarowego rozproszonego od np. sfalowanej powierzchni morza aby na podstawie takich danych określać prędkość i być może kierunek wiatru. Urządzenia rejestrujące - skaterometr (ang. scatterometer). Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

3 Zastosowanie technik satelitarnych
Idea Pojęcie skaterometrii odnosi się do pomiarów przy użyciu radaru mikrofalowego rejestrującego stosunkowo długotrwający sygnał odbity od obszaru morza o dużej powierzchni. Wielkość amplitudy tego sygnału jest traktowana jako odpowiadająca określonej "szorstkości" powierzchni i na drodze empirycznej wiązana z wiatrem lub falowaniem jako przyczynami tej szorstkości. Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

4 Warunek Bragga Rozproszenie wsteczne (w kierunku źródła) fali radarowej padającej na niegładką powierzchnię morza pod kątem większym niż 20° ma miejsce kiedy spełniony zostaje warunek Bragga: Rozpraszanie Bragga pierwszego rzędu (n=1) dla częstotliwości mikrofalowych następuje na drobnych falkach (tzw. kapilarnych) generowanych przez tarcie wiatru o powierzchnię wody (rys). Poziom rozpraszania wstecznego pochodzącego od oddalonego obiektu (powierzchni morza) określa się terminem NRCS (ang. normalized radar cross-section) lub w skrócie σ0. Można go wyrazić w postaci: Pt i Pr - moc transmitowana i rejestrowana przez radar, Rs - odległość do powierzchnia morza A, która generuje odbicie, Ls - współczynnik osłabiania promieniowania w atmosferze, G0 - maksymalny zysk antenowy, G/G0 - względny zysk antenowy w kierunku powierzchni A. 26 marca 2017

5 Dwuznaczność (ambiguity)
Analiza danych skaterometru pokazała, że σ0 rośnie z prędkością wiatru, maleje ze wzrostem kąta padania wiązki radarowej i zależy również od kierunku padania wiązki w stosunku do kierunku wiatru. Rysunek przedstawia przebieg zmienności σ0 w zależności od prędkości wiatru i jego kierunku w stosunku do kąta padania wiązki radarowej o częstotliwości 5.3 GHz (pasmo C), odbieranej przez antenę o polaryzacji pionowej i przy kącie padania tej wiązki równym 35° Ostatecznie zależność pomiędzy σ0 i prędkością wiatru ustala się na drodze empirycznej. Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

6 Zastosowanie technik satelitarnych
AMI Np. zależność pomiędzy σ0 i prędkością wiatru dla AMI (ang. advanced microwave instrument) pracującego na pokładzie satelity europejskiego ERS-1 ma postać: gdzie: a0 , a1, a2, γ - współczynniki empiryczne zależne od kąta padania wiązki, φ - kąt między kierunkiem fali i kierunkiem wiązki radarowej, U10 - prędkość wiatru 10 m nad powierzchnią morza. Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

7 Zastosowanie technik satelitarnych
SASS Obserwacje zależności charakterystyk promieniowania mikrofalowego rozpraszanego przez sfalowaną powierzchnię morza od prędkości i kierunku wiatru generującego falowanie pokazały, że najbardziej optymalne warunki pomiaru uzyskuje się przy częstotliwości ok. 14 GHz i obserwacji pod kątem ok. 40°. Zostało to wykorzystane w konstrukcji skaterometrów satelitarnych. Pierwsze tego typu urządzenie testowane było w misji SKYLAB'a w 1973 r., a zdobyte tam doświadczenia wykorzystano w urządzeniu SASS (Seasat-A Satellite Scatterometer), którego kilkudziesięciodniowe pomiary w 1978 roku z pokładu Seasat'a były do momentu uruchomienia satelity ERS-1 jedynymi tego typu Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

8 Zastosowanie technik satelitarnych
SASS SASS był urządzeniem radarowym pracującym na częstotliwości 14.6 GHz. Wyposażony był w 4 anteny emitujące promieniowanie w kształcie wachlarzowatych wiązek parami pod kątem 45° (w przód od kierunku lotu) i 135° (wstecz). Wiązka o wymiarach 0.5° na 25° umożliwiała uzyskanie echa z dwóch ścieżek o szerokości 475 km. Dodatkowo skanowana była wąska (140 km) ścieżka prostopadle pod satelitą (w nadirze). Każdy fragment morza próbkowany był dwa razy, przed satelitą (pierwsza para anten) i za nim (druga para anten). Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

9 Zastosowanie technik satelitarnych
SASS 12 filtrów dopplerowskich dzieliło sygnał docierający do każdej anteny na dwanaście części odpowiadających "komórkom" o wymiarach ok ×16-20 km. Po uwzględnieniu jeszcze szeregu nie wymienionych tutaj poprawek otrzymywano 2 "obrazy" każdej komórki w odstępie od 1 do 3 min i kątach obserwacji różniących się od siebie o 90° Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

10 Zastosowanie technik satelitarnych
26 marca 2017

11 Zastosowanie technik satelitarnych
SASS Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

12 Zastosowanie technik satelitarnych
ERS-1 Skaterometr pracujący na satelitach europejskich ERS-1 i ERS-2 różnił się od SASS tym, że posiadał tylko 3 anteny rejestrujące rozpraszanie Bragga tylko po jednej stronie trasy przelotu satelity. Ustawione były one pod kątem 45° w przód i w tył oraz 90° względem trasy przelotu. Umożliwiało to skanowanie pasa o 500 km szerokości, 250 km na prawo od kierunku ruchu satelity. Filtry dopplerowskie umożliwiały podział skanowanego “pasa” na 19 komórek o szerokości 25 km każda. Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

13 Geometria anten SASS (SEASAT) – A NSCAT (ADEOS-1) – B
SeaWinds (QuikSCAT) – C SCAT (ERS 1 i 2) – D ASCAT (Metop) – E 26 marca 2017

14 ERS-1 26 marca 2017

15 Zastosowanie technik satelitarnych
ERS-1 Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

16 Metop - ASCAT ASCAT (advanced scatterometer) na satelicie Metop (umieszczony na orbicie w październiku 2006 r.) – następca skaterometrów pracujących na pokładzie satelitów ERS-1 i ERS-2 ASCAT – radar o antenie rzeczywistej pracujący w paśmie C (5.255 Ghz ~5 cm) o wysokiej rozdzielczości i stabilności. Kierunek wiązek radarowych, częstotliwość i polaryzacja (VV) są identyczne jak w przypadku ERSów. Rozdzielczość przestrzenna (25 km) jest także taka sama jednak prędkość i kierunek wiatru będą mogły być określane w siatce co 12.5 km. ASCAT posiada antenę mikrofalową dedykowaną dla siebie, a nie dzieloną z SARem jak to było w przypadku ERSów i podwójną ścieżkę skanowania o szerokości 550 km co daje pokrycie niemal trzykrotnie większe niż w przypadku ERSów. Podwójna ścieżka jest skanowana przez 6 anten, po trzy z każdej strony. W celu poprawienia możliwości określania kierunku wiatru kąty “spojrzenia” anten zwiększono w przypadku środkowych z 25° do 54.5°, a pozostałych z 33.7° do 65.3°. Umożliwia uzyskanie w trybie operacyjnym informacji o prędkości wiatru w przedziale 4-24 m/s z dokładnością do 2 m/s i kierunku wiatru z dokładnością do 20° przy rozdzielczości 50 km. 26 marca 2017

17 Zastosowanie technik satelitarnych
ADEOS - NSCAT Podobne urządzenie – NSCAT konstrukcji amerykańskiej zostało umieszczone na japońskim satelicie ADEOS i rozpoczęło pracę w sierpniu 1996 r. Umożliwiało pomiar prędkości wiatru w przedziale m/s z dokładnością do 2 m/s i dokładnością określania kierunku wiatru 20°. Szerokość ścieżki 1800 km pozwalała na skanowanie 90% powierzchni Ziemi w ciągu doby z rozdzielczością 50 km (wektor wiatru co 50 km). Anteny i baterie słoneczne miały imponujące rozmiary: odpowiednio 11 i 29 m. Przez 9 miesięcy NSCAT „produkował” wektorów wiatru przywodnego w ciągu doby. Przetwarzanie informacji od surowego sygnału trwało ok. 2 tygodnie. Niestety, na skutek awarii zasilania ADEOS zaprzestał pracy w maju 1997. Podobny los spotkał skaterometr na satelicie ADEOS 2 (z wirującą anteną) pracujący w paśmie Ku GHz Dane uzyskiwane dzięki NSCATom okazały się na tyle interesujące, że po ich awarii w trybie wyjątkowym uruchomiono kolejną misję skaterometryczną już w 1999 r. Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

18 Zastosowanie technik satelitarnych
QuikSCAT r. został umieszczony na orbicie heliosynchronicznej (wys. 803 km, nachylenie 98.6°) satelita amerykański QuikSCAT ze skaterometrem na pokładzie o parametrach bardzo zbliżonych do NSCATa Przy dwukrotnie lepszej rozdzielczości (25 km) QuikSCAT produkuje ok wektorów wiatru na dobę. Dane te są udostępniane w trybie operacyjnym w ciągu 3 godzin po zarejestrowaniu Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

19 Zastosowanie technik satelitarnych
QuikSCAT - pomiary Ścieżka o szerokości 1800 km zapewnia dziennie 90% pokrycia oceanu światowego Prędkość wiatru mierzona jest w zakresie od 3 do 20 m/s, z dokładnością 2 m/s; kierunek wiatru – z dokładnością 2º Rozdzielczość przestrzenna – 25 kilometrów Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

20 Zastosowanie technik satelitarnych
Oceansat 2 Operator Indian Space Research Organisation Bus IRS Misja Oceanografia Data wystrzelenia 23 Wrzesień 2009 Carrier rocket PSLV-C14 Launch site Satish Dhawan Space Centre COSPAR ID OCEANS2 Masa 960 kg (2,100 lb) Elementy orbity Orbita Kołowa - heliosynchroniczna Nachylenie 98.280o Wysokość 720 km (450 mi) Okres 99.31 min. Oceansat-2 – satelita indyjski dedykowany do monitorowania „koloru morza” i wiatru przywodnego. Wyposażony w Ocean Colour Monitor (OCM) oraz skaterometr. Podstawowym zadaniem jest monitorowanie prędkości i kierunku wiatru obserwacje koncentracji chlorofilu, zakwitów fitoplanktonu i zawiesiny, a także aerozoli atmosferycznych.[1] Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

21 Pole wiatru Pokrycie kuli ziemskiej siecią stacji pomiaru kierunku i prędkości wiatru (a) Stacje meteorologiczne (SYNOPS) (b) Stacje wykorzystujące balony do profilowania atmosfery (c) Obserwacje samolotowe 26 marca 2017

22 Zastosowanie technik satelitarnych
Pole wiatru - QuikSCAT Satelita QuikScat: aktualizacja 2 razy na dobę Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

23 Zastosowanie technik satelitarnych
Pole wiatru - QuikSCAT Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

24 Pole wiatru Oceansat-2 Winds

25 Pole wiatru METOP A i B - ASCAT
26 marca 2017

26 OSI SAF ASCAT-B Coastal descending
26 marca 2017

27 26 marca 2017

28 Pole wiatru Tajfun Ivan 26 marca 2017

29 26 marca 2017

30 26 marca 2017

31 Zastosowanie technik satelitarnych
Pole wiatru Prognozowanie pogody Monitoring sztormów identyfikacja, kierunek rozwoju, struktura i siła w samych tylko Stanach Zjednoczonych sztormy w XX wieku spowodowały śmierć blisko osób Wspomaganie wyboru tras statków handlowych Wspomaganie rozwoju przemysłu naftowego Minimalizacja efektów rozlewów olejowych Produkcja żywności np. zbiory krewetek u wybrzeży Zatoki Meksykańskiej silnie zależą od siły i kierunku wiatru w strefie brzegowej Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017

32 Zjawiska lodowe 26 marca 2017

33 26 marca 2017

34 26 marca 2017

35 Dryf lodu morskiego Dane
AMSR-E (37 GHz, EOS-Aqua), SSM/I (85 GHz, DMSP F15), ASCAT (Metop-A) 26 marca 2017

36 Rodzaj lodu http://osisaf.met.no/p/ice/ Wykorzystane dane:
SSM/I (DMSP F15), ASCAT (Metop-A), ECMWF do korekcji atmosferycznej 26 marca 2017

37 Skaterometry satelitarne
SASS (Seasat-A) ESCAT (ERS-1/2) NSCAT (ADEOS-I) Seawinds (QuikSCAT/ADEOS-II) Okres działania Lipiec - wrzesień 1978 Styczeń Wrzesień 2011 Wrzesień 1996 – Czerwiec 1997 Lipiec Listopad 2009 Częstotliwość 14.6 GHz (Ku band) 5.3 GHz (C band) 14.0 GHz (Ku band) 13.4 GHz (Ku band) Orientacja anteny 4 stałe 3 stałe 6 stałych Obrotowy dysk o średnicy 1 m Polaryzacja V-H, V-H Tylko V V, V-H, V V-Outer/H-inner Rozdzielczość 50/100 km 25/50 km 25 x 6 km Szerokość ścieżki 750 km 500 km 600 km 1400 km/1800 km Kąt obserwacji 0 - 70° ° ° ° Orbita wysokość nachylenie heliosynchroniczna 810 km 106° heliosynchroniczna 780 km ° heliosynchroniczna 805 km 98.7° heliosynchroniczna 803 km 98.6° Pokrycie w ciągu doby Zmienne < 41% 78% 92% Zastosowanie technik satelitarnych 26 marca 2017