teledetekcja mikrofalowa pasywna

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


x

y

z

Ae

płat główny

płaty boczne

G(, )

Lf (, )

dω


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



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


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


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


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


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.


Temperatura i zasolenieTemperatura i zasolenie


http://podaac-opendap.jpl.nasa.gov/

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


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

http://www.salinityremotesensing.ifremer.fr/activities/smos/data/l3

21 kwietnia 2023Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

14

Zasolenie (SMOS)Zasolenie (SMOS)

Zasolenie (Aquarius)Zasolenie (Aquarius)


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


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


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


SSM/I - lódSSM/I - lód

http://www.flashbackimaging.com/ssm_i_animation_cd.htm 1921 kwietnia 2023

http://www.flashbackimaging.com/ssm_i_animation_cd.htm

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


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


http://www.remss.com/ssmi/

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


http://www.remss.com/amsr/

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


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 28


AMSR-E – lódAMSR-E – lódhttp://iup.physik.uni-bremen.de:8084/amsr/amsre.html

31

http://iup.physik.uni-bremen.de:8084/amsr/amsre.html

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

teledetekcja mikrofalowa pasywna

Documents