Teledetekcja mikrofalowa pasywnaTeledetekcja mikrofalowa pasywna
Adam KrężelInstytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański
Podstawy fizyczne (1)Podstawy fizyczne (1)
• Sygnał bardzo słaby ale niezakłócony przez chmury i aerozole
• Emisja promieniowania w zakresie mikrofalowym zależy od kształtu i właściwości dielektrycznych powierzchni
• Wielkość emisji opisuje prawo Plancka:
3
2
2 ( , )( , )
exp( ) 1]f
hfL
hfc
kT
21 kwietnia 2023 2Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
Podstawy fizyczne (2)Podstawy fizyczne (2)
W przypadku promieniowania mikrofalowego:
hf/kT«1 ➨ exp(hf/kT) 1+hf/kT
2
2
2 ( , )( , )f
kf TL
c
Przybliżenie Rayleigh’a-Jeansa
21 kwietnia 2023 3
Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
Antena mikrofalowa (1)Antena mikrofalowa (1)
• Charakter kierunkowy
• Odbiór promieniowania tylko w jednej płaszczyźnie polaryzacji
AeG(θ,φ) – zysk antenowy
G(θ,φ) – znormalizowana, kierunkowa charakterystyka odbioru
Ae – efektywna powierzchnia anteny: 2
4
( , )eA
G d
21 kwietnia 2023 4
Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
x
y
z
Ae
płat główny
płaty boczne
G(, )
Lf (, )
dω
Antena mikrofalowa (2)Antena mikrofalowa (2)
Całkowita moc rejestrowana przez antenę mikrofalową w przedziale f+Δf
Jeśli powierzchnia emitera położonego w kierunku (θ,) w stosunku do anteny ma temperaturę T(θ,) to:
założono szerokość pasma Δf wystarczająco małą aby można było przyjąć pewne średnie wartości λ, T, ε i G i opuścić całkowanie po f
4
1( , ) ( , )
2
f f
e f
f
P A L G d df
24
( , ) ( , ) ( , )ekA fP T G d
21 kwietnia 2023 5
Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
Antena mikrofalowa (3)Antena mikrofalowa (3)
Temperatura radiacyjna emitera TB(θ,)=ε( θ,)T(θ,). Jeśli TB nie zmienia się w zależności od kierunku (θ,) to moc rejestrowana przez antenę:
W rzeczywistości TB zmienia się ze zmianą kierunku obserwacji i ostatecznie wyrażenie powyższe zapisuje się zamieniając TB przez TA, wielkość zwaną temperaturą antenową
Jeśli temperatura obiektu jest stała w obrębie całej obserwowanej powierzchni wtedy TB=TA, w przeciwnym razie zależność między nimi ma postać
24
( , )eB B
kA fP T G d kT f
AP kT f
4
4
( , ) ( , )
( , )
B
A
T G d
TG d
21 kwietnia 2023 6Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
AtmosferaAtmosfera
1
10
100
0.1 1 10 100
Legenda
Częstotliwość [GHz]
Suma
Przestrzeń kosmiczna
Tlen
Para wodna
Rys. 6. Robinson (1985)
21 kwietnia 2023 7
Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
RozdzielczośćRozdzielczość
● Wielkość najmniejszego obszaru, w obrębie którego powstaje sygnał rejestrowany przez antenę na pokładzie satelity (rozmiar piksela), zależy od: rozmiaru anteny (D - średnica anteny), wysokości orbity (h)długości fali radarowej (λ)
● Przy częstotliwości 1 Ghz (30 cm):● wysokości orbity h=1000 km i średnicy anteny 6 m, otrzymamy
wielkość piksela d=50 km,
● dla f=1.5 Ghz (19 cm), h=500 km i D=100 m wartość d wyniesie 1 km
hd
D
21 kwietnia 2023 8Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
Emisyjność (1)Emisyjność (1)
Prawo zachowania energii wymaga aby suma emisyjności powierzchni i reflektancji była równa 1 (ε+R=1). Czyli:
Zakładając TA = 50 K otrzymamy dla lądu i morza:
Bs s s s AT T R T
(0.9) 290 (0.1) 50 266
(0.4) 290 (0.6) 50 146ląd
morze
T K
T K
21 kwietnia 2023 9
Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
Emisyjność (2)Emisyjność (2)
Emisyjność danego obiektu, może zależeć od wielu różnych czynników.
Emisyjność powierzchni wody rośnie ze wzrostem prędkości wiatru czyli “wietrzne” rejony będą “cieplejsze” od tych, nad którymi prędkość wiatru jest mniejsza.
Wartości emisyjności silnie zależą także od częstotliwości fali radarowej (rys.). W przypadku kiedy jest ona poniżej 4 GHz zależą także od zasolenia.
21 kwietnia 2023 10Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
Temperatura i zasolenieTemperatura i zasolenie
21 kwietnia 2023 11Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
http://podaac-opendap.jpl.nasa.gov/
ZasolenieZasolenie
• Temperatura radiacyjna powierzchni oceanu w zakresie niskich częstotliwości (0.5-1.5 GHz) jest funkcją temperatury powierzchni morza (SST) i jego zasolenia (SSS)
• W przedziale zmienności 30-40 PSU zależność Tb(SSS) ma dla danej temperatury charakter liniowy: największa jest przy wysokich wartościach SST (0.7K/PSU przy 30°C), a mniejsza przy niskich (0.3K/PSU przy 0°C)
21 kwietnia 2023
Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
12
Ta prosta zależność jest komplikowana przez kilka czynników
– falowanie wiatrowe ~0-5 K– emisję przestrzeni kosmicznej ~2-8 K– emisję atmosfery ~2.4-2.8 K– emisję pary wodnej i wody ciekłej– rotację Faradaya przy przejściu przez
jonosferę
Algorytm SSS:
•Określenie Tb powierzchni morza poprawione o „efekt jonosfery”•Uwzględnienie „szorstkości” powierzchni morza•Obliczenie SSS na postawie skorygowanej wartości Tb
Zasolenie (SMOS)Zasolenie (SMOS)
SMOS (ESA)•Mikrofalowy, pasywny interferometr 2D (pasmo L (21 cm, 1.4 GHz)
•Mikrofalowy radiometr obrazujący z anteną syntetyzowaną MIRAS (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis)
•Orbita 763 km heliosynchroniczna, dawn/dusk, godz. 6 czasu lokalnego, wstępująca
•Data startu: listopad 2009
•Powtarzalność 3 dni, rozdzielczość przestrzenna 43 km
•Produkty: miesięczne i roczne mapy globalnego zasolenia o dokładności 0.2 PSU i rozdzielczości przestrzennej 150 km
21 kwietnia 2023 13http://www.salinityremotesensing.ifremer.fr/activities/smos/data/l3
SMOS - Soil Moisture and Ocean Salinity
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
14
Zasolenie (SMOS)Zasolenie (SMOS)
Zasolenie (Aquarius)Zasolenie (Aquarius)
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
15
Aquarius (NASA)
•Mikrofalowy radiometr pasywny (pasmo L, 1.4 GHz)•L-Band skaterometr pracujący na częstotliwości 1.2 GHz, o antenie rzeczywistej i 2.5-metrowej composite reflector antenna•Tryb pracy: aktywny/pasywny w paśmie L, typ push-broom wykorzystujący 3-wiązkową antenę •Orbita 657 km, heliosynchroniczna, dawn/dusk, godz. 6 czasu lokalnego, wstępująca•Data startu : czerwiec 2011•Produkty: tygodniowe, miesięczne i roczne globalne mapy zasolenia z dokładnością 0.2 PSU i rozdzielczości przestrzennej 150 km
ZasolenieZasolenie
21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
16
Temperatura powierzchni morzaTemperatura powierzchni morza
• (SST) jest określana na podstawie danych rejestrowanych w kanałąch 6 GHz i 10 GHz o polaryzacji pionowej, przy dodatkowym wykorzystaniu kanałów spektralnych: 37 GHz V i H, 23 V, 6H i 10H. Procedura obejmuje:
a)korekcję kąta padaniab)korekcję atmosferyczną związaną z
obecnością w niej pary wodnej i wody tworzącej chmury
c)poprawkę na wiatrd)identyfikację lądue)usunięcie danych z obszarów
bezpośredniego odbicia promieniowania słonecznego
f) poprawkę na zasolenieg)usunięcie danych z obszarów pokrytych
lodemh)konwersję do SSTi) określenie średniej kroczacej SST• Dokładność określenia SST ocenia się na
0.5 - 0.7°C w porównaniu z danym z boi pomiarowych
21 kwietnia 2023 17Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
SMMR SMMR (SeaSat, Nimbus 7(SeaSat, Nimbus 7)), SSM/I , SSM/I (DMSP)(DMSP)
Algorytm do określania koncentracji lodu jednorocznego - CF i wieloletniego - CM wykorzystuje kanały 19.35 i 37 GHz w obu polaryzacjach:
0 1 2 3
0 1 2 3
0 1 2 3
0 1 2 3
F
M
a a P a G a PGC
c c P c G c PG
b b P b G b PGC
c c P c G c PG
(19V) (19 )
(19V) (19H)
(37V) (19H)
(37V) (19H)
B B
B B
B B
B B
T T HP
T T
T TG
T T
21 kwietnia 2023 18Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
SSM/I - lódSSM/I - lód
http://www.flashbackimaging.com/ssm_i_animation_cd.htm 1921 kwietnia 2023
21 kwietnia 2023 20
Prędkość wiatru przywodnegoPrędkość wiatru przywodnego
=147.90+1.0969 (16V)-0.4555 (22V)
-1.7600 (37V)+0.7860 (37H)S B B
B B
v T T
T T
21 kwietnia 2023 21Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
SSM/I - SSM/I - http://www.remss.com/ssmi/
Aktualnie: F13, F14 i F15
SSM/I (Special Sensor Microwave Imager)kanał spektralny efektywne pole widzenia [km]
wzdłuż w poprzek trasy przelotu
19.35 (H,V) 69 4322.24 (V) 50 4037.0 (H,V) 37 2985.5 (H,V) 15 131) prędkość wiatru przywodnego: 3-25 m/s (2m/s)2) koncentracja lodu morskiego: 0-100% (12%)3) wiek lodu: jedno lub wieloletni4) zasięg lodu: do 12.5 km5) opady: 0-25 mm/godz (5 mm/godz)6) wodność chmur: 0-6 kg/m2 (0.1 kg/m2)7) woda w atmosferze: 0-6 kg/m2 (0.1 kg/m2)8) wilgotność gleby
21 kwietnia 2023 22Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
AMSR-E AMSR-E http://www.remss.com/amsr/
• AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer) umieszczony na orbicie 4 maja 2002, na pokładzie satelity Aqua. Właścicielem radiometru jest NASDA (National Space Development Agency of Japan) Urządzenie przeznaczone jest do pomiaru następujących parametrów: – Temperatury powierzchni morza (SST),
– Prędkości wiatru,
– Zawartości pary wodnej w atmosferze,
– Zawartości wody w chmurach,
– Wielkości opadów.
• Podstawową zaletą AMSR-E jest zdolność do wykonywania pomiarów bez względu na obecność chmur tzn. dostarczania ciągłych informacji o polach SST i prędkości wiatru nad powierzchnią morza
21 kwietnia 2023 23Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
AMSR-E - Daily and Time Composite DataAMSR-E - Daily and Time Composite Data
• Dane są przetwarzane do regularnej siatki zgodnie z czasem pomiaru i udostępniane z informacją o tym czasie podaną w czasie uniwersalnym (UTC), określanym też jako Greenwich Mean Time (GMT), Zulu Time (Z), Universal Time (UT) i World Time.
• Rozpowszechniane też są w postaci dziennych i uśrednianych w innych okresach rozkładów:– Dzienne - w siatce o rozdzielczości 0.25 stopnia w postaci dwóch map
reprezentujących przeloty wstępujące i zstępujące, a w wysokich szerokościach nałożone na siebie dane
– 3-dniowe średnie – Tygodniowe średnie – z tygodnia kończącego się w sobotę – Miesięczne średnie – powstałe z uśrednienia wszystkich danych
zarejestrowanych w miesiącu
21 kwietnia 2023 24Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
AMSR-E - Geophysical Data ProductsAMSR-E - Geophysical Data Products
• Temperatura powierzchni morza (SST)temperatura warstwy naskórkowej o miąższości ok. 1 mm z pominięciem obszarów bezpośredniego odbicia słonecznego, deszczu, lodu i miejsc gdzie prędkość wiatru przywodnego była > 20 m/s)
• Prędkość wiatru przywodnego (WSPD)prędkość wiatru 10 m nad powierzchnią morza, określana na podstawie szorstkości powierzchni morza z pominięciem obszarów bezpośredniego odbicia słonecznego, deszczu i lodu morskiego
• Zawartość pary wodnej w atmosferze (VAPOR)całkowita zawartość pary wodnej w pionowej kolumnie atmosfery z pominięciem obszarów intensywnego deszczu
• Zawartość wody w chmurach (CLOUD)całkowita zawartość wody w chmurach z pominięciem chmur zbudowanych z wody w stanie stałym (śnieg i lód)
• Deszcz (RAIN)intensywność opadów z pominięciem tworzonych przez wodę w stanie stałym (śnieg, lód)
21 kwietnia 2023 25Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
21 kwietnia 2023 26Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
21 kwietnia 2023 27Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
21 kwietnia 2023 28
Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
21 kwietnia 2023 29Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
21 kwietnia 2023 30Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7
AMSR-E – lódAMSR-E – lódhttp://iup.physik.uni-bremen.de:8084/amsr/amsre.html
31
21 kwietnia 2023 32
Satelita Instrument Czas działaniaCzęstotliwość
[GHz]
Szerokośćścieżki[km]
Rozdzielczość[km]
Szerokość pasma[MHz]
Czułość[K]
Nimbus-7SeaSat
SMMR 1978-878.07-10.10
1978
6.610.69
182137
822822822822822
148x9591x5955x4144x3027x18
250250250250250
0.90.91.21.51.5
DMSP SSM/ISSMIS
1987- 19.3522.235
3785.5
1390139013901390
70x4560x4038x3016x14
250250900
1400
0.80.80.61.1
MOS-1 MSR 1987- 23.831.4
317317
2922
400500
11
ERS-1ERS-2
ATSR/M 1990- 23.836.6
Nadirnadir
2222
TRMM TMI 1997- 10.7, 19.4, 21.3, 37, 85.5
780 6-50 760
ADEOS-II AMSR 2002-2002 6.9 10.65 18.7
23.8 36.5 89.0 50.3 52.8
1600 74x4314x86x4
350100200400
10003000200400
11111111
Aqua AMSR-E 2002- 6.92510.65 18.7 23.8 36.5 89.0
1445 74x43 51x30 27x1631x18 14x8 6x4
350100200400
10003000
0.3 0.6 0.6 0.6 0.6 1.1
NPOESS(Polar orbiting
Operational Satellite System)
CMIS (Conical Scanning
Microwave Imager/Sou
nder)
2009-2020 10, 18, 37
(9 kanałów od 50 do 60 GHz,
40 kanałów 1.5 kHz wokół
60 GHz
33
Top Related