Физические основы дистанционного зондирования Земли

Из всех разнообразных типов КА мы выделиликосмические аппараты ДЗЗ, которые представляют собой наиболее широко используемый класс КА в задачах народного хозяйства (НХ).

Разработка любой КС прежде всего, начинается с технического задания на эту систему, согласно которому выбираются основные потребительские характеристики оптико-электронной аппаратуры. Обычно к таким потребительским характеристикам относятся:разрешающая способность, количество и номиналы спектральных диапазонов, полоса обзора и полоса захвата, отношение сигнал/шум и динамический диапазон, радиометрическая точность и т. п.

Основными физическими параметрами, измеряемыми бортовыми приборами в процессе съемки для определения показателей сельскохозяйственных объектов являются оптические характеристики растительного покрова, которые зависят от состава растительности, времени года и срока созревания. При этом наиболее информативна спектральная отражательная способность растительности в оптическом диапазоне от 0,3 до 12,0 мкм. Этот показатель позволяет оценивать целый ряд характеристик сельскохозяйственной растительности, особенно в области видимого электромагнитного излучения, ближнего и среднего ИК-диапазона изменяется от 0,3 до 2,5 мкм, на которые приходится максимум отражения растительности. Повышенная яркость наблюдается в диапазонах от 0,76 до 0,9 мкм (ближний ИК-диапазон) и от 0,52 до 0,6 мкм (зеленая область спектра) с максимумом отражения неповрежденного зеленого листа вблизи длины волны 0,55 мкм. Поврежденные растения дают смещение максимума отражения в область более длинных волн (до 0,67 мкм), что характерно как для полевого, так и лесного.

Спектральные диапазоны наблюдения аппаратуры ДЗЗ. Существующие на Земле многообразия задач решаются огромным классом приборов, работающих в различных спектральных диапазонах волн. На оптический (световой) диапазон (0,4÷3,0 мкм) приходится основная часть солнечной энергии, пропускаемой атмосферой. Этот диапазон длин волн делятся на видимый (0,4 ÷ 0,76 мкм), где способен видеть глаз человека и ближний инфракрасный (0,76 ÷ 3,0 мкм), который имеет несколько поддиапазонов. Типичным цветам, воспринимаемым человеческим глазом, соответствуют следующие длины волн: фиолетовый – 0,4 ÷ 0,446 мкм; голубой – 0,446 ÷ 0,500 мкм; зеленый – 0,500 ÷ 0,578 мкм; желтый – 0,578 ÷ 0,592 мкм; оранжевый – 0,592 ÷ 0,620 мкм; красный – 0,620 ÷ 0,7 мкм.

Получаемые в оптическом диапазоне изображения обычно выглядят естественным для наблюдателя. Такие изображения земной поверхности используются для целей картографирования и распознавания объектов в различных масштабах. Отметим, что основном под видимым диапазоном понимают более широкий участок спектра, соответствующий области чувствительности кремниевых фотоприемников-фотодиодов и приборов с зарядовой связью.

Средний и дальний ИК диапазоны спектра образуются двумя «окнами прозрачности»:

-3 ÷ 5 мкм (средний) ;

- 8 ÷ 14 мкм (дальний).

На эти длины волн приходится максимум собственного теплового излучения Земли. Так как разные объекты, находящиеся на земной поверхности, обладают различными излучающими свойствами, а также температурой, то в данных диапазонах получаются снимки, отображающие тепловую карту земной поверхности.

Каждое вещество непрерывно испускает и поглощает электромагнитное излучение. Известно, что чем больше тело поглощает энергию, тем больше оно ее излучает. Отталкиваясь из закона сохранения энергии для любого тела справедливо равенство:

α_λ + ρ_λ + τ_λ =1 (1.1.1)

где ρ_λ и τ_λ – коэффициенты отражения и пропускания соответственно (τ_λ = 0 для непрозрачных тел).

Для дистанционного зондирования Земли коэффициент отражения ρ_λ на практике называется альбедо. Яркость поверхности и облученность связана пропорционально через коэффициент отражения. Поэтому в науке сложились две параллельные системы фотометрических и радиометрических величин, базирующихся на разных эталонах. Фотометрические эталоны базируются на восприятие света человеческим глазом, а радиометрические величины базируются на единицы энергии: ватты, джоули. Здесь необходимо снять путаницу. В качестве примера служит освещенность, которая по принятым стандартам относится к фотометрическим (визуальным) единицам и измеряется в люксах на один квадратный метр (лм/м²), а энергетическая единица называется облученность и измеряется Вт на один квадратный метр (Вт/ м²). Особенность наблюдаемого объекта и даже его состояние могут быть определены по его спектральным характеристикам: излучения, отражения .

Отражательные свойства объектов наблюдения (спектральные, иинтегральные коэффициенты отражения) тоже несут информацию о физических свойствах этих объектов и иногда позволяют не только иметь цветовую картину, но и определять тип материала (вещества), из которого состоит объект наблюдения, и даже оценивать его состояние. Например, хорошо известно, что большинство растений (трава, деревья и т. п.) хорошо рассеивают и отражают зеленый и ближний ИК свет (рис. 1.1.1). Поэтому мы воспринимаем их зеленый цвет (ближний ИК свет человеческий глаз не воспринимает). При этом коэффициент отражения большинства растений резко увеличивается на длинах волн больше 0,67-0,70 мкм. Это увеличение составляет от 5 до 10 раз, причем отражение на длине волн около микрона также существенно больше, чем отражение в зеленой области спектра

На данный момент в всемирной практике для ОЭК, устанавливаемых на КА для ДЗЗ, принято задавать следующие основные характеристики:

– высота орбиты Н км;

– ширинаполосы захвата L км;

– функция передачи модуляции (ФПМ) либо системы «объектив + приемник», либо только объектив на определенной частоте;

– спектральный диапазон, мкм, число одновременно работающих каналов;

– габаритные размеры (м), масса, (кг); угловой размерγпиксела, мкрад;

– видимый диапазон (ВД) спектра от высоты орбиты и апертуры (диаметра) объектива.

Функция передачи модуляции (ФПМ) объектива является одним из параметров, с помощью которых оценивается качество системы. ФПМ дает наиболее полную информацию об объективе.

Рис. 3.3. Спектральный состав отраженного растительностью излучения

Объектив рассматривают как линейный элемент, на входе которого имеется синусоидальный сигнал определенной амплитуды и частоты с синусоидальным распределением освещенности. Навыходеоптической системы получаем изображение также с синусоидальным распределением освещенности, но сдвинутым по фазе и с уменьшенной амплитудой (рис. 3.4).

Мультиспектральный канал обеспечивает работу одновременно в четырех узких диапазонах спектра. Работа мулбтиспектрального канала (МК) может быть организована либо раздельно, либо совместно. Все зависит от возможностей КА и радиолинии, по которой информация передается на Землю. Число одновременно работающих каналов во многом определяет массогабаритные характеристики оптико – электронного преобразователя (ОЭП). В современных ОЭК с диаметром главного зеркала (ГЗ) до 700 мм и одновременно работающими 3 - 5 каналами, максимальная потребляемая мощность обычно ограничивается 350÷500 Вт