Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений

Подождите немного. Документ загружается.

инея на геостационарную орбиту высотой

тыс.

км с периодом 24 ч.

j)i и

спутники находятся над одной

той

же

точкой на экваторе

обес-

печивают постоянный обзор одной

той же части планеты от

50°

с.

ш.

до

50°

ю. ш.

Хранение

данных

Приемник

Компьютер

управления

Управление антенной

Обработка

изображений

1,4.2.

Прием спутниковой информации

Станции для приема информации со спутников на Земле (называ-

#мые

земными)

содержат антенну с опорно-поворотным устройством

(ОМУ), радиоприемное устройство и средства обработки, хранения

отображения информации (рис.

1.22).

Наиболее употреби-

тельные зеркальные ан-

тенны

параболическим

рефлектором наводятся

ОПУ на спутник по ко-

мандам компьютера,

| который заложены ор- ОПУ

витальные данные. В

фокусе антенны уста-

новлен облучатель, сиг-

Мвл

с которого усилива-

йся малошумяшим

усилителем

(МШУ).

Да-

лее сигнал по кабелю

Поступает на приемник,

Цифровой сигнал с выхода которого обрабатывается на компьютере.

Наиболее дорогостоящей частью станции является антенна

ОПУ.

Чище всего используются ОПУ

азимутально-угломестной подвеской

|нтенны, позволяющие разворачивать

ее

на +180° по горизонтали и на

0-90°

по углу места, отсчитываемому от горизонта к зениту. Азиму-

т*Д1>но-угломестная подвеска обладает принципиальным недостатком:

I области углов места, примыкающих к зениту, образуется «мертвая

Лона», в пределах которой невозможно обеспечить связь со спутни-

ком. Это объясняется тем, что с ростом угла места f требуемая угловая

скорость вращения антенны вокруг вертикальной оси возрастает, стре-

мись к бесконечности при

Ч*

-»

90°.

Поскольку реальная скорость по-

Морога антенны конечная, то, начиная с некоторого значения угла ме-

Ё!И,

луч антенны отстанет от перемещения спутника,

сопровождение

грыиается. Таким образом, когда спутник близок к зениту, такой вид

ми/тески не позволяет качественно принимать изображения той мест-

|ин-ш, где находится станция.

Рис.

1.22. Станция для приема информации с природо-

ведческих спутников

Для устранения «мертвой зоны» при прохождении спутника через

зенит можно ввести

в ОПУ третью

ось.

Однако

этом случае конструк-

ция ОПУ резко усложнится.

Во

избежание этого можно сохранить дву-

хосное поворотное устройство, но разместить ортогональные оси так,

чтобы «мертвая зона» находилась

наименее существенной

для

поддер-

жания связи части небесной полусферы, например ближе к горизонту.

При выборе конструкции антенны приходится учитывать различ-

ные факторы, в частности особенности распространения радиоволн

на трассе Земля

—

космос. Для передачи сигналов

природоведческих

спутников чаше всего используют радиоволны дециметрового

санти-

метрового диапазонов или соответственно частоты 300 МГц—30 ГГц.

В этом частотном диапазоне отдельные полосы переуплотнены раз-

личными радиослужбами. Так, полоса 300

МГц—10 ГГц

интенсивно ис-

пользуется наземными радиостанциями. При этом повышается уровень

взаимных помех, снижается качество радиосвязи.

При прохождении радиоволн сквозь атмосферу Земли приходится

учитывать влияние тропосферы (0-11 км) и ионосферы (выше 80 км),

поскольку

указанном интервале частот они несколько затухают в ат-

мосферных газах

осадках. При этом изменяется поляризация волны,

возникают дисперсионные искажения.

При прохождении через ионосферу линейно-поляризованные (в ча-

стности, горизонтально и вертикально поляризованные) радиоволны

расщепляются на два эллиптически поляризованных компонента

(обыкновенный и необыкновенный), которые распространяются с раз-

ной скоростью из-за влияния магнитного поля Земли. В результате

сложения этих компонентов

в точке

приема плоскость поляризации ре-

зультирующей волны будет повернута на некоторый угол

(эффект

Фа-

радея),

зависящий от электронной концентрации

в ионосфере и на-

пряженности геомагнитного поля //вдоль

пути

радиоволн

ионосфере.

Для него характерна регулярная зависимость от времени суток, сезона

и фазы цикла солнечной активности, а также случайные изменения,

связанные с геомагнитными бурями и нерегулярными ионосферными

неоднородностями. На частоте

ГГц угол поворота лежит в пределах

1-100°

и уменьшается с ростом частоты как I//

. Эффект поворота

плоскости поляризации учтен в конструкции антенны: выбираются

антенны и облучатели, способные принимать сигналы с круговой по-

ляризацией, например спиральные антенны

спиральные облучатели.

При прохождении через ионосферу широкополосные сигналы ис-

кажаются, поскольку время распространения составляющих его спек-

тра будет различно. Это явление, известное как относительная дис-

персия, характеризуется разностью задержек между нижней и верхней

частотами спектров сигналов, распространяющихся через ионосферу.

Относительная дисперсия зависит

от

и Н и

обратно пропорциональ-

на/^ на частоте ] ГГц может иногда достигать 0,4 нс/МГц

приводить

к искажению сигналов, при полосе частот 100 МГц это 0,4 мкс.

Мощность сигнала

месте приема может быть оценена из следую-

щих

соображений.

Если

L —

расстояние между передатчиком и прием-

Ником, Р

пер

—

мощность передатчика, то при условии, что излучение

энергии происходит равномерно по всем направлениям (изотропный

излучатель), вся энергия распределяется по площади сферы радиусом

равной 4KL

. Мощность, приходящаяся на

1 м

т.е.

плотность пото-

ка мощности,

П= P

nep

/4nL

Реально спутник передает информацию только в нижнюю полу-

вфсру,

сторону Земли. Поэтому приведенное выражение следует умно-

жить на так называемый

коэффициент направленного действия антенны

(КНД)

D> 1 —

отношение плотности потока мощности, излучаемой ан-

тчнной в направлении максимума ее диаграммы направленности (см.

рис.

1.11 и

1.13),

к плотности потока мощности, которая излучалась

бы

Изотропным излучателем, при условии равенства общей излучаемой

Мощности. КНД связан с площадью апертуры S

длиной волны

со-

! Отношением

4nS/X

Если излучение происходит равномерно во

I wex направлениях

нижнюю полусферу, то /)=

На природоведческих

шутниках обычно устанавливают передающие антенны с

3—4,

что

Позволяет земным станциям принимать информацию практически

лю-

Ьык

направлений

—

от горизонта

до

горизонта. Таким образом,

n=P

D/4nL

. (1.12)

Приемная антенна

—

это барьер, поглощающий поток энергии,

Изучаемый передающей антенной. Пусть площадь апертуры приемной

внтепны равна S. Если пренебречь потерями в приемной антенне,

То

мощность сигнала на ее выходе

l]p

Sn=SP

IKp

D/4nL

. (1.13)

это выражение

явном виде не входит КНД приемной антенны,

lltte ростом S увеличивается отношение S/X

, увеличивается £)и сужа-

fTt'W

диаграмма направленности.

результате снижается уровень помех

й шумов, которые могут поступать в антенну с боковых направлений.

• •/iiiiiKo

слишком узкая диаграмма направленности требует большой

и>чмости наведения антенны.

Пусть

радиус апертуры iфиемной параболической антенны г-

см:

1кр

5,5 Вт; D- 3; 870 км < L

3400 км. Площадь апертуры антенны

та

1,13 м

, при А.=

17,6

см ее КНД около

400,

ширина диаграммы

направленности по

ее

первому минимуму, определяемая согласно (1.7)

как

0,6\~K/i\

около

10°.

Эти реальные числа соответствуют мощности пе-

редатчика спутника NOAA, минимальному

максимальному расстоя-

нию L от спутника до приемной станции, размеру антенны станции

HRPT для приема информации с этого спутника. Расчет по формуле

(1.13) дает максимальное значение Р

пр

-2

•

10~

Вт, минимальное зна-

чение Р

ир

-13

Вт. Современная радиотехника позволяет усиливать

и более слабые сигналы, но при этом усиливаются также внешние по

мехи и шумы и внутренние шумы радиоустройств.

Источниками внешних шумов в микроволновом диапазоне могу:

быть различные наземные радиопередатчики, существуют шумы и ко

смического происхождения. Источником внутренних шумов радио

устройств прежде всего является дискретная природа электричества, так

как электрический ток

—

это поток дискретных частиц

—

электронов.

Интенсивность шума принято описывать следующим образом. Все

источники внешних и внутренних шумов заменяются

эквивалентным

источником шума в виде некоторого активного сопротивления (рези-

стора).

Известно, что на зажимах резисторов из-за хаотического тепло

вого

движения электронов возникает разность потенциалов, изменяю-

щаяся случайным образом. Средняя мощность такого шума (его

называют

тепловым)

описывается формулой Найквиста:

P=4kTAf,

где

к-

1,38-10""

Дж/град

—

постоянная Больцмана, Г—температура ре-

зистора, А/

—

полоса частот, в пределах которой измеряется средняя

мощность шума. Если входное сопротивление приемника равно вход-

ному сопротивлению антенны (т.е. приемник

антенна согласованы),

то эквивалентная мощность шума

кТ

А/.

нашем случае Д/— ширина полосы пропускания приемника, равная,

свою очередь, ширине полосы частот, необходимой для передачи ин-

формации со спутника,

— эквивалентная шумовая температура

ан-

тенны и приемника, не совпадающая

термодинамической температу

рой, при которой находятся антенна и приемник. На прием сигналом

с природоведческих спутников сильнее всего влияют внутренние шумы,

и в первую очередь шумы первых каскадов усилителя радиосигналов.

Поэтому во входных каскадах применяют малошумящие усилители

(МШУ), которые конструктивно обычно совмещают

преобразовате

чем несущей частоты сигнала в более низкую и помещают непосредст-

1Н-Ц1Ю

в облучателе антенны. Современные МШУ имеют в микровол-

новом диапазоне Т

порядка 40-70 К.

Пусть Т

= 70 К, А/=

2 М

Гц,

что соответствует условиям приема сиг-

налов со спутника NOAA.

этом случае Р

• 1

_|:>

Вт, что на 2-3 по-

рядка меньше мощности сигнала.

Мощность сигнала при прочих равных условиях определяется раз-

мерами антенны и ее КНД, средняя мощность шума

—

шумовой тем-

пературой. Отношение мощности сигнала к средней мощности шума

{отношение

сигнал-шум) является важнейшей характеристикой качест-

Ш1

приема и зависит, таким образом, от отношения КНД антенны к шу-

мовой температуре. Эту величину D/T

называют коэффициентом ка-

чества антенны. В рассмотренном примере коэффициент качества

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 Снеоб-

ходимо знать параметры сканирующего устройства и скорость переме-

щения подспутниковой точки К

по Земле. Если разрешение сканера

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

Нается информация с Уз/AL строк. Пусть /— число бит, которое исполь-

зуется для записи яркости каждого пиксела, п — число спектральных ка-

налов, К — коэффициент, зависящий от типа применяемого при

передаче информации помехоустойчивого кодирования, К

1, N —

число пикселов в строке, связанное с шириной полосы обзора

Gсоот-

ношением N= G/AL. Тогда

NJKn/AL

GIKn/AL

(1.14)

Например, для AL= 1,1 км, У

= 6,56 км/с, G= 1670 км, /= 10 бит,

п-

5, К- 1 скорость передачи информации С- 500 кбит/с. Если

AL = 100 м, что было бы очень желательно, то при тех же условиях

С = 50 Мбит/с. Улучшение пространственного разрешения приводит

к увеличению информационного потока, который обратно пропорци-

онален квадрату разрешения.

Полоса частот

А/,

необходимая для передачи информации со спут-

ника, зависит от вида модуляции высокочастотного колебания и ори-

ентировочно равна (3-3,5)С. Для первого примера Д/'= 1,5 МГц, для вто-

рого А/>

)

Гц.

Очевидно, что при прочих равных условиях средняя

мощность шума для второго примера на два порядка выше. Чтобы со-

хранить необходимое отношение сигнал—шум, требуется увеличить

площадь антенны и ее КПД в 100 раз, а диаметр антенны

—

раз.

Таким образом, если при скорости передачи в 500 Кбит/с, пространст-

венном разрешении 1,1 км и полосе обзора 1670 км можно применять

антенну диаметром

м, то при скорости передачи

Мбит/с, простран-

ственном разрешении

100 м

с сохранением той же полосы обзора

—

ан-

тенну диаметром

м.

Типичная земная станция

HRPT для

приема информации со спут-

ников NOAA имеет параболическую антенну диаметром

1,2—1,5

м.

фокусе антенны установлен облучатель, сигнал с которого усилива-

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

МШУ имеет

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 512x512 пикселов, лежащего вблизи на-

дира.

Далее выполняются геометрическая коррекция изображения

то-

пографическая привязка его к карте, а также коррекция атмосферных

искажений. Секторизованное

скорректированное изображение гото-

во для

дальнейшей обработки, целью которой обычно является улучше-

ние качества изображения, распознавание объектов на изображении,

определение их координат

других геометрических характеристик.

1.4.3.

Спутники для дистанционного зондирования

Спутник NOAA (США). Метеорологические и природоведческие

спутники NOAA (рис. 1.23) имеют длину 4,18 м, диаметр 1,88 м, массу

на орбите 1030 кг. Круговая орбита имеет высоту 870 км, один виток

спутник совершает за 102 мин. Площадь солнечных батарей спутника

11,6 м

, мощность батарей не менее 1,6

кВт,

но со временем батареи де-

градируют из-за воздействия космических лучей и микрометеоров.

Для нормальной работы спутника необходима мощность не менее

515 Вт.

В настоящее время на орбите функционируют несколько спутни-

ков.

Сканер

AVHRR

спутника NOAA-14

цилиндрическим сканирова-

нием имеет

8-дюймовую

(20 см) оптическую систему Кассегрена, ска-

нирование осуществляется путем вращения с частотой 6 об/с зеркала

из

бериллия.

Угол сканирования ±55°, полоса обзора около

3000

км.

Из-

за кривизны Земли зона радиовидимости спутника составляет ±3400 км,

поэтому за один проход спутника удается получить информацию

по-

верхности около 3000x7000 км.

Солнечная батарея

Рис.

1.23. Спутник NOAA

Спектральные каналы сканера выбраны так, что попадают в окна

прозрачности атмосферы:

—

0,58—0,68

мкм (красный участок спектра);

—

0,725—1,0

мкм (ближний ИК);

3 —

3,55-3,93

мкм (участок ИК-диапазона, оптимальный для

измерения излучения от лесных и других пожаров);

—

10,3—11,3 мкм (канал для измерения температуры поверхнос-

ти суши, воды и облаков);

—

11,4-12,4 мкм (канал для измерения температуры поверхнос-

ти суши, воды и облаков).

На спутнике NOAA-15 установлен дополнительный канал, работа-

ющий на волне длиной около 1,6 мкм для распознавания снега

льда.

1 -м

и 2-м каналах, спектральные характеристики которых приве-

дены на

рис.

1.24, в качестве детекторов излучения применяются крем-

ниевые фотодиоды.

4-м и 5-м каналах установлены охлаждаемые до

5-е

Sg 40

s S

! 1 1

)

1 1

! 1

100

Till

пи

II11

v •

ттгп

^•--

1II1

IIII

If I

'Ml

500 i 600 650 700 750 800 6S0 740 S00 860 920 980 1040

Длина волны, нм Длина волны, нм

а) б)

Рис.

1.24. Спектральные характеристики 1-го (а) и 2-го (б) каналов сканера AVHRR

105 К

фоторезисторы па основе (HgCd)

Те,

в 3-м канале

—

охлаждаемый

фоторезистор на

oci юнс

InSb.

На

спутнике NOAA, как

и на других

спут-

никах, предусмотрена бортовая калибровка датчиков.

Сканер AVHRR имеет мгновенное поле зрения во всех каналах

Лф= 1,26-

К)--

рад, разрешение на местности в подспутниковой точке

выбрано AL

1,1 км. Это связано с тем. что скорость спутника на ор-

бите составляет 7,42 км/с, его проекция движется по поверхности Зем-

ли со скоростью 6,53 км/ч, сканер делает 6 сканов/с, за время одного

скана проекция перемещается на /=6,53/6

км

= 1,09

км.

Указанному по-

лю зрения в подспутниковой точке соответствует пиксел

1,1x1,1

км.

Сигналы каждого канала квантуются на

1024

уровня (10-битное кванто-

вание). Передатчик спутника имеет мощность 5,5

Вт,

частота 1700

Гц.

Скорость передачи цифровой информации со сканера AVHRR состав-

ляет 665,4 Кбит/с.

На

спутнике установлена аппаратура

H1RS

для определения темпе-

ратуры

тропосфере на разных высотах (вертикальные профили атмо-

сферы)

полосе обзора 2240

км.

Для этого НIRS содержит автоматиче-

ский сканирующий спектрофотометр ИК-диапазона, использующий

свойство углекислого газа изменять положение

ширину линии погло-

щения на длинах волн порядка (4-15 мкм в зависимости

от

давления.

Этот же прибор позволяет оценивать общее содержание озона ОСО

столбе атмосферы по поглощению теплового излучения от поверхно-

сти Земли

атмосферы надлине волны 9,59 мкм. И вертикальные про-

фили, и ОСО вычисляются на приемном конце путем решения обрат-

ных задач.

Кроме указанной аппаратуры на спутник установлены: прибор SSU

для исследования стратосферы; микроволновый прибор MSU для из-

мерения температурных профилей стратосферы; аппаратура поиска

и спасения по международной программе Kocnac/SARSAT; система

ARGOS для сбора метеорологической и океанографической инфор-

мации

автоматических метеостанций, морских

буев и

воздушных ша-

ров;

некоторые другие приборы. ARGOS позволяет следить за мигра-

цией крупных животных и птиц, если к их телу прикреплены

специальные малогабаритные передатчики (рис

1.25).

Спутник «Pecypc-Ol» (Россия). Высота орбиты 650 км, период об-

ращения 97,4 мин, угол наклонения орбиты 97°,97. Сканер МСУ-СК

с конической разверткой имеет скорость сканирования

12,5

дуг/с;

раз-

решение 150x250 м; полоса обзора 600 км; спектральные каналы:

0,5-0,6

мкм (зеленый участок

спектра),

0,6—0,7

мкм (красный участок),

0,7—0,8

мкм (красный и ближний ИК),

0,8—1,1

мкм (ближний ИК),

10,5—12,5 мкм (тепловой, в этом канале разрешение 500 м). Сигнал

каждого канала квантуется на 256 уровней. Масса сканера 55 кг.

fin

. 1.25. Маршрут весеннего перелета

(1995

г.)

самца сокола-сапсана

по

данным ARGOS

На спутнике «Ресурс-01» (рис. 1.26) установлены также два скане-

ря МСУ-Э

линейной разверткой, содержащие по

линейки на ПЗС

fto

1000

пикселов

(по

одной на каждый из

спектральных

каналов).

Раз-

решение 35x45 м, скорость сканирования 200 строк/с; полоса обзора

Каждого сканера 45 км; если включены оба сканера, то полоса обзора

доставляет 80 км, так как полосы обзора перекрываются. Над одной

И той же

точкой поверхности спутник пролетает один раз

в 14

дней.

Что-

бы повысить регулярность приема, предусмотрено отклонение оси ска-

Мера

на

±30°

от надира

направлении, перпендикулярном направлению

снижения спутника. Это позволяет смещать полосу обзора на ±400 км.

исктральные каналы сканера: 0,5—0,59; 0,61-0,69;

0,7-0,89

мкм. Мас-

Рис.

1.26. Спутнике Pecypc-Ol»

са прибора

кг.

Результаты измерений передаются по радиоканалу на

частоте около

8 ГГц со

скоростью 7,68 Мбит/с, мощность бортового пе-

редатчика 10 Вт.

Спутник LANDSAT-5

(США).

Высота орбиты 705 км, наклонение ор-

биты 98,2°, период обращения 98 мин. Над одной

той же точкой по-

верхности пролетает

один

раз в 16дней приблизительно

9ч

мин ме-

стного времени. Установлены

сканера

цилиндрической разверткой:

Multi-Spectral Scanner (MSS)

Thematic Mapper

(TM).

MSS имеет спект-

ральные каналы

0,49-0,605

мкм (зеленый участок спектра),

0,603-0,7

мкм (красный),

0,701-0,813

мкм (красный

—

ближний ИК),

0,808-1,023

мкм (ближний

К),

разрешение AL

80 м, зона обзора

185х

185

км. Сканирование осуществляется с помощью качающегося

зеркала диаметром

30 см с

частотой качания 13,62

Гц.

Выходной сигнал

квантуется на 64 уровня для каждого из каналов.

Thematic Mapper имеет разрешение Д

L = 30 м

во всех спектральных

каналах, кроме шестого, где оно равно AL=

120 м.

1—4-й каналы пере-

крывают диапазон

0,45—0,9

мкм; 5-й

—

1,55-1,75

мкм; 7-й

—

2,08-

2,35 мкм; 6-й канал тепловой (10,4-12,5 мкм). Формирование изобра-

жения осуществляется с помощью вращающегося зеркала диаметром

53 см с частотой 7 Гц. В 1-4-м каналах в качестве фотоприемников

применяются кремниевые фотодиоды, в 5-м и 7-м каналах

—

фоторе-

зисторы из InSb, охлаждаемые до 87 К, в 6-м канале использован фо-

торезистор из (HgCd)

Те.

ТМ имеет полосу обзора

185

км,

выходной сиг-