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

Подождите немного. Документ загружается.

Инфракрасные спутниковые снимки представляют собой визуа-

лизированную форму отображения пространственного распределения

тепловых контрастов излучающих объектов. В процессе их формиро-

вания преобразование инфракрасного сигнала производится таким

образом, чтобы объектам с низкими значениями радиационной темпе-

ратуры соответс в, а объектам с

высокими значениями температуры — более темные участки. Косми-

ческие

ью или атмосферой. Активный радиолокатор

выраб

ность, поляризационные свойства, частота и изменение угла

наблюдения от индивидуальных свойств

отраж

Абсолютно черное тело, являясь идеальным поглотителем,

твовали более светлые участки снимко

инфракрасные изображения имеют, как правило, меньшую раз-

решающую способность по сравнению со снимками видимого диапа-

зона, но они могут быть получены как в светлое, так и в темное время

суток.

5.1.3. Микроволновая радиометрия

Спектральным диапазоном, в котором используется микровол-

новая радиометрия, является область длин волн 0,15–30 см. В общем

случае в этом участке можно использовать пассивные или активные

методы зондирования.

Радиометр пассивно регистрирует собственное радиоизлучение,

испускаемое поверхност

атывает и передает на Землю свой собственный сигнал, который

отражается обратно и воспринимается тем же радиолокатором. В обо-

их методах зондирования характеристики принимаемого излучения

(интенсив

) зависят излучающих или

ающих объектов.

должно быть и идеальным излучателем. При тепловом равновесии с

окружающей средой его яркость определяет, как известно, закон

Планка:

1exp

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

hchc

λλ

, (5.7)

где B — яркость (мощность) излучения,

— длина волны, h — посто-

B / . (5.8)

янная Планка, k — постоян ая Больцмана, Т — физическая температу-

ра, с — скорость света.

Аппроксимация интенсивности теплового излучения от абсо-

лютно черного тела для длин волн сантиметрового диапазона (закон

Рэлея – Джонса) в типичных энергетических условиях системы Земля

– атмосфера определяет соотношение

= 2kT

142

Яркостной (или радиояркостной) называют температуру, при

которой яркость реального объекта равна яркости абсолютно черного

тела, имеющего определенную физическую температуру. Отношение

яркост

язнений

ной температуры Т

к физической температуре Т определяет

смысл относительной излучательной способности

R = T

(5.9)

как функции физических особенностей излучающего (отражающего)

объекта. В отличие от радиационной температуры Т

рад

яркостная тем-

пература Т

зависит от длины микроволнового излучения.

Основными компонентами атмосферы, влияющими на поглоще-

ние и излучение в микроволновом диапазоне, являются водяной пар,

капли жидкой воды и молекулярный кислород. Поэтому яркостная

температура, измеряемая радиометром МСЗ, может быть представлена

следующим уравнением:

= Т

+ Т

(5.10)

где Т — поверхностная энергетическая яркость (генерируемая

за счет

тепла земной поверхности и ослабляемая атмосферой); Т

— восходя-

щая атмосферная энергетическая яркость (собственное излучение ат-

мосферы на всех частотах, распространяющееся вверх к радиометру и

уменьшающееся с высотой); Т

— нисходящая атмосферная энергети-

ческая яркость (излучение атмосферы, направленное к земной поверх-

ности и отражаемое ею к радиометру, с высотой затухает); Т

— кос-

мическая яркость (проходит через атмосферу, отражается от земной

поверхности и попадает на спутниковый радиометр).

Следовательно, яркостная температура, измеряемая спутником,

всегда содержит информацию о некоторых параметрах атмосферы:

водяном паре, содержании влаги в облаках и скорости выпадения дож-

девых осадков.

Поглощение и пропускание водяного пара на микроволновых

частотах весьма непостоянное, так как его количество может из-

меняться от полного отсутствия до 6 г/см

. Диаметр капель воды в ту-

мане и облаках составляет около 0,1 мм и меньше, поэтому рассеяние

пренебрежимо мало, затухание излучения идет за счет поглощения.

Размер дождевых капель в среднем составляет от одного до несколь-

ких миллиметров, поэтому они обеспечивают заметное рассеяние, а

иногда и полное затухание энергии.

Методом пассивной радиометрии определяют температуру мор-

ской поверхности, соленость морской воды, скорость ветра в припо-

верхностном слое, производят контроль нефтяных загр . Актив-

143

ными методами определяют особенности распределения и характери-

стики морских льдов.

В атмосфере микроволновая радиометрия позволяет определять

содержание водяного пара, водозапас облачности, скорость выпадения

жидких осадков, а также восстанавливать вертикальный профиль тем-

пературы.

Намного труднее методами радиометрии в микроволновом диа-

пазоне характеризуются параметры состояния суши: характеристики

(протяженность, глубина и время таяния снега) снежных полей, влаж-

ность почвы, температура поверхности Земли.

Обработка данных наблюдений в микроволновом диапазоне

достаточно сложная и производится в несколько этапов: калибровка

приборов, образование стандартных элементов (эталонов), коррекция

измерений, упорядочение яркостной температуры на узлах регулярной

сетки для каждого частотного канала. Результаты обработки представ-

ляются в виде набора измерений в надир (по определенному географи-

ческому району) или регистрограмм (по строкам сканирования). Поля

радиояркостных температур могут быть представлены полутоновыми

СВЧ-изображениями, на которых яркость изменяется прямо пропор-

ционально значениям температуры. Возможность обнаружения и изу-

чения объектов на таких изображениях основана на наличии контра-

стов. Спектральный коэффициент излучения суши примерно в 2–2,5

раза выше, чем у водной поверхности. Поэтому на СВЧ-изображениях

всегда отчетливо видна граница вода–суша, а объекты суши выглядят

более

ки к нулю, а между облаками и водной по-

верхностью — всегда положительны. Поэтому облака, как правило, не

видны «хо-

лодной» водн а изображе-

ниях, остроенных по значениям радиояркостной температуры, не

просм

нове лежит одновременное получение в узких участках (зонах, кана-

светлыми, чем вода. Энергетические контрасты между облаками

и сушей либо отрицательны, либо (в случае мощной облачности или

выпадения осадков) близ

на фоне «теплой» суши и хорошо просматриваются над

ой поверхностью. Кристаллические облака н

атриваются.

Результаты данных наблюдений спутникового радиолокатора

обычно представляются в виде черно-белых или синтезированных

(цветных) изображений.

5.1.4. Многоспектральные космические изображения

и спектрометрические наблюдения с МСЗ

Многоспектральный (или многозональный) метод.

В его ос-

144

лах) спектра излучения ряда изображений одного и того же географи-

ческого района. Спектральные характеристики естественных объектов

завися

ьных диапазо-

нах об

сах поглощения диоксида углерода 4,3 и

15,0 м

го излучения в диапазоне длин волн 6–20 мкм.

Распределение влажности в атмосфере чаще всего оценивается в поло-

Спектрометри спутника обеспечи-

вают то

хо-

димо

одна т

т не только от их физических и структурных особенностей, но и

от длины волны падающего на них излучения. В отдел

ъекты сильно отражают или поглощают радиацию. Именно в

таких особых спектральных зонах получают сигналы от естественных

объектов, которые можно использовать для их дешифрирования. Осо-

бенностью многозональных изображений является полнота и досто-

верность информации.

Многоспектральные космические изображения являются пер-

спективными для изучения природных ресурсов Земли.

Спектрометрические методы измерения в инфракрасной и

микроволновой областях спектра излучения наиболее широкое приме-

нение получили в поло

км (используется от 4 до 30 каналов). Это обеспечивает восста-

новление профиля температуры до большой высоты.

Вертикальный профиль озона (до высоты 25 км) и водяного па-

ра (до высоты 9 км) восстанавливается по данным спектрометрических

измерений уходяще

ах 6,5–7,0 и 20–23 мкм.

ческие методы измерения со

чность определения уходящего до 0,5–1 %. Для раз-

личных полос поглощения результаты измерений представляются в

виде графиков, таблиц или карт и используются в области спутнико-

вой климатологии.

5.2. ВРЕМЕННАЯ И ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ПРИВЯЗКА КОСМИ-

ЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

излучения

Для привязки космических изображений к местности необ

знать точное время, когда была экспонирована по крайней мере

очка (или строка) изображения. Время экспонирования осталь-

ных участков снимка и соответствующие им географические коорди-

наты могут быть рассчитаны с учетом элементов орбиты, условий ра-

боты и параметров бортовой и наземной аппаратуры.

2.1. Слежение за метеорологическими спутниками Земли

Связь с МСЗ устанавливается в режиме непосредственной пе-

редачи информации, когда спутник находится в зоне радиовидимости

наземного пункта приема. Для получения неискаженного сигнала в

145

время

ем.

нием на МСЗ.

вой высотой спутника называют угол между плоскостью

ением на спутник.

Совокупность параметров, необходимых для слежения за МСЗ

сеанса связи антенна пункта приема должна быть направлена на

спутник.

Процесс непрерывного наведения антенны наземного пункта

приема на спутник называется слежени

Расчет целеуказаний для слежения. Для слежения необ-

ходимо знать моменты входа и выхода спутника в зону радио-

видимости, его азимут и высоту над плоскостью местного горизонта.

Азимутом называют угол, образованный меридианом пункта

слежения за спутником и направле

Угло

горизонта и направл

называют целеуказаниями. Для их определения на карте в зоне радио-

видимости пункта приема информации строится диаграмма, представ-

ляющая собой круговую (или эллиптическую) номограмму, рассчиты-

ваемую с помощью соотношения

⎥

⎦

⎤⎡

⎞⎛

sin

⎢

⎣

+−=q

a180

⎟

⎠

⎜

⎝

+ RH

rcsin

, (5.11)

где q — геоцентрический угол, Н — средняя высота полета спутника,

R — средний радиус Земли,

— угол между направлением к центру

Земли и направлением на МСЗ (рис. 32), причем

= 90° + h, (5.12)

где h — угловая высота антенны.

′

АППИ

Нh

Рис. 5.1. Связь между геоцентрическим углом и соответствующими

угловыми превышениями спутника

146

На рис. 5.1 приведена зависимость между геоцентрическим уг-

лом (q) и

соответствующим ему угловым превышением (Н) спутника

(S) над горизонтом автономного пункта приема информации (АППИ).

Рассчитанные значения угла q используют для построения се-

мейства концентрических окружностей с дискретностью в 10° вокруг

пункта приема для определения угловой высоты (рис. 5.2).

300

180

260

280

160

200

220

240

Рис. 5.2. Зона радиовидимости МСЗ

Внешняя окружность (граница зоны радиовидимости) соответ-

ствует угловой высоте спутника 0°.

От меридиана (направления на

север) пункта приема информации проводятся радиальные прямые,

используемые для определения азимута спутника.

Данные, поступающие на пункт приема с МСЗ, принимаются

при помощи направленных антенн с широким раствором диаграммы

направленности (более 30°), и поэтому для их качественного приема

достаточно не упускать спутник при слежении из центрального секто-

ра диаграммы направленности антенны. Это позволяет производить

расчет целеуказаний для достаточно больших дискретных интервалов

времени. Определенная дискретность может быть допущена и при уче-

те долгот восходящих узлов. Реализация таких возможностей позволя-

ет упростить работу на станциях приема.

На бланке карты полярной стереографический проекции (для

пунктов, расположенных в высоких и умеренных широтах) или равно-

угольной проекции Меркатора (для пунктов, расположенных в тропи-

ческих и экваториальных широтах) строится диаграмма слежения, по-

зволяющая определить азимут направления антенны и угловую высоту

147

спутника над горизонтом в любой точке орбиты внутри зоны радиови-

димости данного пункта.

Для построения диаграммы слежения требуется рассчитать зна-

чения

из-за

свойст

гом, кратным инкременту долготы, добиваются

прохождения трассы в пределах зоны радиовидимости. Для

готы все ка уве-

личиваются или уменьшаются соответственно на одну и ту же величи-

ну кратную ементу д ты бы не и и

ст ци ие а ж о едних от р и 5

витков спутника. Для поминутных очек каждого из попавших в зону

радиов

30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°

геоцентрических углов q, с которыми функционально связаны

углы места h.

На бланке карты от точки, соответствующей положению прием-

ной станции, к северу и югу по меридиану откладываются приве-

денные значения (табл. 5.1) геоцентрических углов в градусах широты.

Через каждую пару полученных точек проводится окружность с ра-

диусом, равным половине отрезка между этими точками. При этом

центры всех окружностей не будут совпадать между собой

в проекции карты.

Внешняя окружность соответствует нулевой угловой высоте

спутника, внутренние проводятся через 10°. Затем окружности делятся

с помощью транспортира на десятиградусные интервалы, начиная от

северного конца меридиана, проходящего через станцию. Оцифровка

полученных таким образом радиальных линий производится от север-

ного направления по часовой стрелке через каждые 10°. Окружности

диаграммы слежения служат для определения угловой высоты спутни-

ка h, а радиальные линии — для определения азимута антенны А.

Затем необходимо нанести на карту трассу полета спутника: ес-

ли часть трассы проходит в зоне радиовидимости данного пункта, то

для каждой ее точки с помощью построенной диаграммы могут быть

сняты значения углов места и азимутов направления антенны. Если

трасса, определенная по телеграмме, проходит в стороне от зоны ра-

диовидимости, которая ограничена внешней окружностью диаграммы

слежения, то путем дискретного «сдвига» полученной трассы в ту или

иную сторону с ша

этого дол-

х точек интересующего в данный момент участка вит

, инкр олго . О чно в зо рад овид мости

ан и пр ма, р споло енног в ср шир ах, п оход т 3–

идимости участков витков по диаграмме слежения снимаются

значения углов места (по окружностям) и азимутов антенны

(по ра-

диальным линиям).

Таблица 5.1

Геоцентрические углы при высоте спутника Н = 900 км

0° 10° 20°

148

29,9° 20,9° 15,1° 11,0° 8,2° 5,9° 4,2° 2,7° 1,3° 0,0°

Как отмечалось, по диаграмме слежения целеуказания рассчи-

тываются для точек, расположенных на трассе полета спутника через

минутные интервалы. Такая дискретность расчета не сказывается на

уровне сигнала, поступающего на радиоприемник, и на качестве сним-

ков. Спутник, летящий, например, на высоте 900 км, находится в пре-

делах диаграммы направленности антенны (при ее растворе порядка

30°) в течение двух минут.

Процесс слежения не претерпевает никаких изменений, по-

скольку все диапазоны азимутов направлений антенны при любых

значениях углов места вмещаются в раствор ее диаграммы на-

правленности. Это дает нам основание установить определенную дис-

кретность расчета также для долгот восходящих узлов. Подсчет пока-

зывает, что значения долгот восходящих узлов могут быть заданы че-

рез каждые 5° (± 2,5°). При этом отклонение фактического местонахо-

ждения спутника от заданного составляет 100 км, что гораздо меньше

допустимого отклонения. На экваторе эта величина максимальна и

составляет около 200 км, но и здесь она существенно меньше отрезка,

проходящего спутником вдоль витка при дискретности слежения в 1

мин. Отметим, что допуск в ± 2,5° по долготе, вводимый для расчета

целеуказаний, относится к точности наведения антенны лишь в попе-

речном к трассе направлении.

Исходя из этого целесообразно использовать для слежения за

спутником стандартные целеуказания. Они подготавливаются заранее

для условных (стандартных) витков, заключенных внутри зоны радио-

видимости приемного пункта через каждые 5° долготы восходящего

узла.

Кроме графического метода определения целеуказаний можно

использовать аналитический метод

объектов как пропорциональное изменение вы-

ходног исимости от входного изл

диапазоне я.

, основанный на использовании

вычисленных пространственных координат МСЗ на каждый момент

времени.

Масштаб космического изображения. Наглядность, простота

получения и обработки обеспечили широкое практическое использо-

вание аналоговой формы представления результатов наблюдений МСЗ

— космического изображения, отображающего пространственное рас-

пределение яркости

о сигнала в зав учения в том или ином

спектра излучени

Масштаб космического изображения зависит от вида траекто-

рии, параметров орбиты, высоты полета МСЗ, закона изменения ско-

149

рости перемещения луча визирования по строке сканирования, угла

сканирования и угловых элементов ориентации спутниковой аппара-

туры. Расстояние в плоскости сканирования от точки надира А до изо-

бражаемой на снимке точки В местности можно охарактеризовать гео-

центрическим углом

θθ

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

= sinarcsin

, (5.13)

где

— угол сканирования (отклонения луча визирования от вер-

тикали).

Рис. 5.3. Масштаб космического изображения

При равномерном законе изменения скорости перемещения лу-

ча визирования по строке сканирования на плоской Земле (закон цен-

тральной проекции) можно написать, что

≈ arctg y / f

от подспутниковой точки до точки

на местности, — эквивалентное фокусное расстоян

(5.14)

где у — расстояние на изображении

ие, равное

tgf

, (5.15)

причем l — длина строки на изображении (рис. 5.3). При поэлемент-

ной съемке масштаб космического изображения по

строке сканирова-

ния оп

строке сканирования непостоянен:

ределяется отношением бесконечно малых отрезков на снимке к

соответствующим расстояниям на местности. Кривизна Земли прояв-

ляется в изменении высоты ΔН полета спутника и наклона элемента

разрешения, поэтому реальный масштаб космического снимка по

150

() ()

qRH

qff

ээ

cos1

≈=

, (5.16)

qHHm cos1sec −+Δ+

ие принципы построения космических изо-

бражений.

Под законом скан я понимают математ

ражение связи между значением отклонения

сканирующего

анирования

Для наиболее простых и широко употребляемых линейных за-

конов сканирования

где m — масштаб изображения. В продольном направлении (вдоль

траектории МСЗ) масштаб снимка сравнительно постоянен, хотя в ре-

альных случаях имеют место случайные искажения.

Геометрическ

ировани ическое вы-

угла

зеркала от среднего положения и соответствующим этому углу време-

нем

, прошедшим от момента начала строки, или номером элемента

на строке.

Время между началом двух последовательных строк сканиро-

ания называется периодом скв

, или

τθθ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−Δ=

(

)

−

, (5.17)

где Δ

— изменение (шаг) угла отклонения сканирующего зеркала

между двумя последовательными элементами строки, m

— номер

центрального элемента строки, освещаемого в момент времени

(при

= 0°),

≤

(рис. 5.4).

151