Калинин Н.А., Толмачёва Н.И. Космические методы исследований в метеорологии

Подождите немного. Документ загружается.

лем несущей частоты сигнала в более низкую и помещают непосредст-

венно в облучателе антенны. Современные МШУ имеют в микровол-

новом диапазоне Т

порядка 40–70 К.

Пусть Т

= 70 К, Δf = 2 МГц, что соответствует условиям прие-

ма сигналов со спутника NOAA. В этом случае Р

= 2 ⋅ 10

–15

Вт, что

на 2–3 порядка меньше мощности сигнала.

(4.3)

нного

потока

Мощность сигнала при прочих рапных условиях определяется

размерами антенны и ее КНД, средняя мощность шума — шумовой

температурой. Отношение мощности сигнала к средней мощности

шума (отношение сигнал–-шум) является важнейшей характеристикой

качества приема и зависит, таким образом, от отношения КНД антен-

ны к шумовой температуре. Эту величину D/T

называют коэффици-

ентом качества антенны. В рассмотренном примере коэффициент ка-

чества равен 5,7.

Выбор размеров приемной антенны определяется требованиями

к коэффициенту качества и в конечном итоге — шириной полосы ча-

стот, необходимой для передачи информации со спутника. Последняя

зависит от скорости передачи информации С. Для вычисления С необ-

ходимо знать параметры сканирующего устройства и скорость переме-

щения подспутниковой точки V

, по Земле. Если разрешение сканера

вдоль направления движения спутника равно ΔL, то в секунду считы-

вается информация с V

/ΔL строк. Пусть I — число бит, которое ис-

пользуется для записи яркости каждого пиксела, п — число спектраль-

ных каналов, К — коэффициент, зависящий от типа применяемого при

передаче информации помехоустойчивою кодирования, К > 1, N —

число пикселов в строке, связанное с шириной полосы обзора G соот-

ношением N = G/ΔL. Тогда

С = V

NIKn/ΔL = V

GIKn/ΔL

Например, для

L = 1,1 км, V

= 6,56 км/с, G = 1670 км, I = 10

бит, n = 5, К = 1 скорость передачи информации С = 500 кбит/с. Если

ΔL = 100 м, то при тех же условиях С = 50 Мбит/с. Улучшение про-

странственного разрешения приводит к увеличению информацио

, который обратно пропорционален квадрату разрешения.

Полоса частот Δf, необходимая для передачи информации со

спутника, зависит от вида модуляции высокочастотного колебания и

ориентировочно равна (3–3,5)С. Для первого примера Δf = 1,5 МГц,

для второго Δf ≥ 150 МГц. Очевидно, что при прочих равных условиях

средняя мощность шума для второго примера на два порядка выше.

Чтобы сохранить необходимое отношение сигнал–шум, требуется уве-

личить площадь антенны и ее КНД в 100 раз, а диаметр антенны — в

132

10 раз. Таким образом, если при скорости передачи в 500 Кбит/с, про-

странственном разрешении 1,1 км и полосе обзора 1670 км можно

применять антенну диаметром 1 м, то при скорости передачи 55

Мбит/с, пространственном разрешении 100 м с сохранением той же

полосы

определение их координат и других геометрических харак-

теристик.

4.3.3. Искажения спутниковых сканерных изображений

раз-

вертко

обзора — антенну диаметром 10 м.

Типичная земная станция НRPT для приема информации со

спутников NOAA имеет параболическую антенну диаметром 1,2–1,5 м.

В фокусе антенны установлен облучатель, сигнал с которого усилива-

ется МШУ, а несущая частота сигнала преобразуется в более низкую.

МШУ имеет T

= 60–80 К. Далее сигнал по кабелю поступает на при-

емник, который иногда оформлен в виде платы, вставляемой в персо-

нальный компьютер. Цифровой сигнал с выхода приемника обраба-

тывается на компьютерах. Обработка включает в себя секторизацию,

т.е. «вырезание» из всего спутникового изображения интересующего

участка, например размером 512×512 пикселов, лежащего вблизи на-

дира. Далее выполняются геометрическая коррекция изображения и

топографическая привязка его к карте, а также коррекция атмосфер-

ных искажений. Секторизованное и скорректированное изображение

готово для дальнейшей обработки, целью которой обычно является

улучшение качества изображения, распознавание объектов на изо-

бражении,

Рассмотрим схему формирования спутниковых изображений с

учетом кривизны Земли. Пусть спутник огибает поверхность Земли по

круговой орбите на высоте Н. Это равносильно движению спутника по

прямой, но над поверхностью цилиндра. Кажущееся изображение, ко-

торое строит сканер спутника с цилиндрической или линейной

й, — это проекция на поверхность цилиндра F (рис. 4.11).

В действительности же сканер отображает земную поверхность,

т.е. внешнюю поверхность цилиндра G. Будем считать, что Земля —

шар радиусом R

R и за время по-

строен

чений угла

выполняется соот-

ношен

= 6370 км; собственное вращение Земл

ия сканерного изображения учитывать не будем.

Пусть L = SA — расстояние от спутника S до некоторой точки

земной поверхности при сканировании, ΔL — разрешение в надире, Δ

— мгновенное поле зрения,

— угол сканирования (угол визирова-

ния), под углом

дуга АК видна из центра Земли. Используя теорему

синусов и учитывая, что для всех зна

ие (H + R

)sin

< H, получаем

133

SO/sin

= AО/sin

; sin

= (1 + H/RR

– arcsin[(1 + H/R

)sin

, L = Rsin

/sin

)sin

, γ = π –

–

] –

Рис. 4.11. Ди утниковых

ск

аграмма формирования сп

анерных изображений

Длина дуги АK, отвечающей развертке внешней поверхности

цилиндра G, равна y = АК = R

емуся изображению, х = МК= Н

, откуда

= х/Н. Таким обра-

γ. Длина дуги МК, соответствующей

кажущ

зом,

y = R {

– arcsin[(1 + H/R R

льзуя (4.4), можно пересчитать координату х вдоль строки

кажущ

икселы оказываются

сжаты

)sin(х/Н)] – х/Н}.

(4.4)

Испо

егося изображения в координату вдоль строки реального изо-

бражения.

Знание расстояния L позволяет уточнить пространственное раз-

решение. Минимальная дальность L

min

= H, при этом разрешение ΔL =

H; при максимальном угле сканирования

mах

дальность равна L

max

разрешение ΔL

= Δ

max

вдоль направления движения спутника. Но

поверхность видна со спутника под углом

mах

, поэтому поперек на-

правления движения ΔL

= ΔL

/cos

mах

. Таким образом, на максималь-

ной дальности поперек направления движения п

ми в ΔL

/ΔL раза, вдоль — в ΔL

/ΔL раза. Кажущаяся полоса

обзора F

max

= H

mах

, реальная полоса G

max

= 2Rβ

max

Для спутника NOAA Н = 870 км,

mах

= 55°, Δ

= 1,26 ⋅ 10

-3

рад,

ΔL = 1,1 км. Максимальная дальность L

max

= 1827 км, полоса обзора G

≈

3000 км, разрешение ΔL

= 2,31 км и ΔL

= 4,02 км. На максимальной

134

дальности поперек направления движения пикселы оказываются сжа-

тыми в 3,65 раза, вдоль него — в 2,1 раза. Две реки, текущие парал-

лельно направлению движения спутника и находящиеся на расстоянии

1,1 км друг от друга, в надире были бы различимы, но на краю скана

они сл

а в ±540 км от

надира

формата к формату, учитывающему особенности сканера со

спирал

аться на дугу KB, длина которой равна R

R = FB

иваются. Если не проводить коррекцию, то полоса обзора ка-

жется равной F= 2 H

mах

= 1670 км.

За время одного скана спутник NOAA перемещается на 1,1 км

при разрешении в надире 1,1 км. На некотором расстоянии от надира

строки изображения начинают заметно перекрываться. Определим

область спутникового изображения с малыми искажениями как уча-

сток, где строки перекрываются не более чем на 10 %, т.е. примерно на

0,1 км. При этом ΔL

= 1,3 км. Этот участок соответствует кажущейся

полосе обзора в ± 475 км и действительной полосе обзор

. Разрешение вдоль скана на границе участка составляет

ΔL

= 1,54 км, вдоль скана пикселы вытянуты в 1,4 раза.

Для спутников с малой полосой обзора (спутник «Ресурс-0l-3»,

сканер МСУ-Э; спутник SPOT, сканер HVR) при наблюдении в надир

геометрические искажения изображений за счет кривизны Земли не-

значительны. Искажения возникают при отклонении оси сканирования

от надира, которое может достигать около 30° (перспективные иска-

жения). Разрешение вдоль направления движения спутника составляет

ΔL

= 41 м на максимальной и ΔL

= 39 м на минимальной дальности,

а в надире ΔL

= 35 м. В надире для МСУ-Э разрешение вдоль линии

сканирования ΔL

= 45 м, при отклонении оси сканирования на 30°

ΔL

= 60 м. Сканер МСУ-СК спутника «Ресурс-01-3» имеет спирально-

коническую развертку, благодаря ей сканирующий луч описывает по

поверхности Земли дугу. Так как расстояние от спутника до каждой

точки дуги одно и то же, то искажения сканерного изображения за счет

кривизны Земли не возникают. Строки на изображении также следует

строить в виде дуг. Однако такое изображение передается со спутника

в том же формате, что и изображения от сканеров с цилиндрической и

линейной разверткой, у которых строки — прямые линии. Переход от

линейного

ьно-конической разверткой, при известных параметрах сканера

несложен.

Пусть CD — строка линейного формата, х и у — координаты

пиксела М на этой строке (рис. 4.12). Пикселы реального изображения

должны лежать на дуге AS в точке К с координатами u и v. Отрезок

MB = х должен отображ

. Таким образом, R

= х, откуда

= x/R. Из рис. 4.12 следует,

что u = Rsin

= Rsin x/R.

135

Поскольку уравнение окружности u

+ (v – у)

= R

, то

v = y + (R

сканера и высоты полета

спутни

Поэтому радиолокационным изображениям более присущи те же пер-

спективные искажения, что и упомянутым сканерам. На

этих изобра-

– u

)

1/2

. Чтобы выполнить преобразования, необходимо знать

размер R, который зависит от конструкции

ка, а также максимальное значение угла α

mах

, связанное с поло-

сой обзора G соотношением G = 2Rsinα

mах

Радиолокационные станции бокового обзора наблюдают по-

верхность Земли под углом к надиру, существенно превышающим уг-

лы отклонения оси сканирования оптических сканеров МСУ-Э и др.

М х у

()

(

u v

)

Рис. 4.12. Преобразование строк изображения, полученного сканером

ется возможным. В

со спирально-конической разверткой

жениях предметов на местности также возникают некоторые специфи-

ческие искажения. При формировании сканерных изображений в оп-

тическом диапазоне источник энергии (Солнце) находится в одной

точке небесной сферы, а приемник на борту спутника — в другой. При

использовании РЛС БО и источник энергии (передатчик), и приемник

находятся в одной точке (на спутнике), наблюдение производится под

углом визирования в 20–30° к горизонту. Может случиться так, что

радиоволна упадет на склон горы под прямым углом. В этом случае

изображение ближней части склона сожмется почти до нуля, а дальней

окажется в зоне радиотени и растянется. Полностью устранить такие

искажения путем обработки на ЭВМ не представля

136

то же

северо-восток. К тому же во время

сеанса приема спутниковой инфор ции Земля поворачивается на не-

который угол (на 0,25° за 1 мин).

время на изображении, полученном оптическим сканером, оба

склона имеют размеры, более близкие к реальным.

Рассмотренные причины геометрических искажений спутнико-

вых изображений не единственно возможные. Солнечно-синхронные

орбиты спутников не пересекают ось вращения Земли, а наклонены

относительно нее. Поэтому если спутник движется с севера на юг

(нисходящий виток орбиты), то вверху изображения будет не север,

как на карте, а, например, север-

ма

137

Глава 5

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ

ИНФОРМАЦИИ, ПОЛУ АЕМОЙ С МСЗ, И ЕЕ ОБРАБОТКА

ГИДРОМЕТЕОРО ТНИКОВОЙ

ИНФОРМАЦИИ

трехмерной, комплексной, синхронной, регулярной и опера-

тивной

ия данных наблю-

дений

различных параметров атмосферы до конца не

исслед

е станции, шары-

зонды

логических спутников (например, солнечно-син-

хронн

ых наземных гидрометеорологических измерений и наблюде-

ний.

ся широким использованием современной вычисли-

тельно

5.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ЛОГИЧЕСКОЙ СПУ

Системный подход к изучению погодообразующих процессов и

явлений в атмосфере обусловливает определенные требования к гид-

рометеорологической спутниковой информации: она должна быть гло-

бальной,

Требование глобальности научной информации МСЗ удовлет-

воряется использованием запоминающих бортовых устройств, со-

вершенствованием схемы сбора и распространен

оперативных и геостационарных спутников.

Вопросы трехмерности измерений находятся на стадии разре-

шения, поскольку гидрометеорологическое освещение районов спут-

ником производится по площади, а проблема восстановления верти-

кальных распределений

ована.

Комплексность наблюдений обеспечивается установкой на бор-

ту МСЗ научной аппаратуры различных видов, а также его использо-

ванием для сбора и ретрансляции гидрометеорологической информа-

ции от других источников (автоматические наземны

, якорные и дрейфующие морские буи и т.п.).

Синхронность информации обеспечивается выбором орбит опе-

ративных метеоро

ой орбиты).

Регулярность наблюдений зависит от качества работы бортовой

и наземной систем управления и определяется периодичностью тради-

ционн

Оперативность получения гидрометеорологической информа-

ции обусловлена особенностями измерения, обработки и представле-

ния; обеспечивает

й техники.

138

Т ависит

от технических возможн СЗ, а также от методов

расчет

бнаружения облачности на фоне подстилающей

поверх

, в единичный телесный угол.

ъекта оп

ражен зависит

очность измерений гидрометеорологических величин з

остей аппаратуры М

а.

5.1.1. Изображения, получаемые в видимом участке

спектра излучения

Объектами прослеживания с метеорологических спутников в

видимом (и в ближнем инфракрасном) диапазоне 0,38–1,3 мкм явля-

ются облака и открытые участки земной поверхности.

Возможность о

ности заключена в их различной способности отражать падаю-

щую и рассеянную радиацию, благодаря чему они характеризуются

различной яркостью.

Под яркостью в определенном направлении понимают световой

поток, испускаемый единичной поверхностью, перпендикулярной

этому направлению

Яркость поверхности об ределяется интенсивностью от-

ного светового потока и от его освещенности и коэффи-

циента отражения

, (5.1)

где В — яркость,

— коэффициент отражения, Е — освещенность.

Освещенность объектов зависит от высоты Солнца, прозрач-

ности атмосферы, наклона отражающей поверхности и ее шеро-

ховатости. Так, при изменении высоты Солнца от 10 до 60° поток пря-

мой радиации на горизонтальную поверхность возрастает в 8,2 раза, а

рассеянной — в 2,7 раза. Прозрачность атмосферы определяется со-

держанием в ней капель воды, кристаллов льда, пыли и т. д. Уменьша-

ясь, она способствует снижению освещенности прямым и увеличению

освещенности рассеянным светом. Шероховатость верхней кромки

облачн

ивает

появле в.

обность пове

ради хар ктер

ого покрова и открытых участков земной поверхности приводит

к созданию теней, а шероховатость водной поверхности обусловл

ние солнечных блико

В метеорологии спос рхности отражать падающую

на нее ацию принято а изовать альбедо (в процентах)

пад

отр

A =)(

, (5.2)

где Е

отр

— отраженная и E

пад

— падающая радиация, или коэф-

фициентом отражения (спектральной яркости), зависящим от длины

волны излучения. В соответствии со средними значениями альбедо

139

облака можно расположить в некотором порядке: кучево-дождевые

(86–92 %), кучевые (69 %), слоисто-кучевые (60 %), слоистые

(42–64 %), перистые (32–36 %). Альбедо подстилающей поверхности

зависит от ее физических свойств, состояния (влажности) и степени

шероховатости. Расхождение между альбедо облаков и подстилающей

поверх

плоскости) распределение относи-

тельной яркости естественных объе ов. Такая визуализированная

форма дос ое широ-

кое практическое использование.

ких контрастов между облаками и подстилаю-

щей п

у-

чающи поверхностей.

огласно закону Планка в инфракрасн

верхность Земли и облачность излучают как абсолютно черное тело

ности варьирует в широких пределах, обеспечивая распознава-

ние объектов. Если альбедо облаков и фона соизмеримо, то однознач-

ное опознание затруднено или полностью исключается.

Аналоговое, т. е. пропорциональное, изменение выходного си-

гнала спутниковой аппаратуры в зависимости от измерения входного

излучения позволяет преобразовать его в видеосигнал и использовать

для формирования космических изображений, отображающих про-

странственное (в горизонтальной

кт

таточно проста и наглядна, а потому получила сам

5.1.2. Инфракрасная спутниковая информация

Возможность обнаружения и изучения естественных объектов

по их собственному тепловому (инфракрасному) излучению основана

на наличии энергетичес

оверхностью, между сушей и морем, между различными типами

облачности и т. д., обусловленных различием температуры их изл

С ой области спектра по-

1exp

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

, (5.3)

где W

— мощность излучения,

— длина волны излучения, Т — фи-

зическая температура, с

, с

— постоянные. Для диапазона температур

200–30

, при которой величина W

наибольшая, макси-

мум и

лосе 9,6 мкм).

0 К, характерного для системы Земля–атмосфера, основная

часть уходящего теплового излучения сосредоточена в области спек-

тра 3–50 мкм. В соответствии с законом смещения Вина

T = const,

(5.4)

где

— длина волны

злучения системы приходится на окно прозрачности атмосферы

8–12 мкм (при незначительном поглощении озоном в по

140

Тепло

T ,

(5.5)

я, в усло-

виях которого «каждый элементарный объем атмосферы излу

личество энергии, близкое к поглощенному им количеству энергии»

вое же состояние объектов может быть оценено по закону Сте-

фана-Больцмана

рад

где

— постоянная, Т

рад

— радиационная температура.

Под радиационной температурой понимают температуру абсо-

лютно черного тела, излучение которого равно излучению реального

объекта, зафиксированному инфракрасной аппаратурой МСЗ.

Обстоятельством, значительно упрощающим анализ уходящего

теплового излучения, является существование в большей части атмо-

сферы (до высоты 50 км) локального термического равновеси

чает ко-

(закон Кирхгофа). Следовательно, совокупность процессов получения,

поглощения и рассеяния радиации в плоско-параллельной атмосфере

может быть описана уравнением радиационного переноса

[]

[

]

pqpT

WpqpTWI

∂

−=

∫

ψντ

ψντελ

λλ

),(),(,

|),(),(,)(

, (5.6)

где I(

) — интенсивность излучения (спектральная яркость), в интер-

вале, центрированном относительно пространственной частоты

= l/

на верхней границе атмосферы, регистрируемого аппаратурой МСЗ,

— длина волны излучения,

— излучательная способность (коэффи-

циент) поверхности, W

—мощность излучения абсолютно черного

тела Т(р) и q(p) — вертикальные профили температуры и концентра-

ции поглощающих компонентов в зависимости от давления,

[...] —

функция пропускания вверх на уровне давления р и для угла визиро-

вания

, отсчитываемого от вертикали в точке измерения, р

— давле-

ние на уровне подстилающей поверхности.

Сигналы сканирующей инфракрасной аппаратуры МСЗ могут

быть использованы для количественной оценки энергетического (теп-

лового) состояния естественных объектов, их классификации и распо-

знавания.

Вычисление интенсивности и других количественных характе-

ристик излучения по заданным функциям пропускания и известным

распределениям параметров состояния атмосферы (с использованием

уравнения радиационного переноса) составляет содержание прямой

задачи, а восстановление распределений метеорологических парамет-

ров по измеренным спектральным яркостям — содержание обратной

задачи спутниковой метеорологии.

141