Ответы на вопросы к экз. (зима 2018-2019) / 14. Пассивные и активные виды съемки. Виды пассивных и активных сенсоров

Дистанционное зондирование Земли из космоса включает наблюдение за объектами с использованием активных или пассивных методов съемки. Данные
дистанционного зондирования (спутники и наземные радары) крайне важны для оперативных прогнозов погоды, т.к. они заполняют пробелы в данных сети метеорологических станций. Дистанционное зондирование обеспечивает метеорологов детальной метеорологической информацией, которую они не
могли бы получить, наблюдая за погодными условиями только с поверхности земли. Эти данные дополняют наземные наблюдения и данные с атмосферных зондов, создавая более полную и непрерывную картину атмосферных условий.

Как радары, так и спутниковые сенсоры чувствительны к электромагнитному излучению. Погодные радары используют электромагнитную радиации, чтобы получать данные об осадках, в то время как погодные спутники используют ее, чтобы наблюдать за облачностью, концентрацией атмосферных газов и земной поверхностью.


Существует вида съемки: пассивная и активная. Пассивная съемочная система нуждается во внешнем источнике энергии. В большинстве случаев этим источником является солнце. При этом виде съемки, в общем, регистрируют отраженную или излученную энергию от объекта. Активные системы обеспечивают свой собственный источник энергии. Например, радары посылают радиоволны и регистрируют отраженный от поверхности сигнал. Пассивный вид съемки намного более обычны. Метеорологи используют два типа погодных спутников, полярноорбитальные
(например, Aura) и геостационарные (например, GOES),
для своих наблюдений.

ПАССИВНЫЕ СЕНСОРЫ. Солнце обеспечивает очень подходящий источник энергии
для дистанционного зондирования. Солнечная энергия или отражается, как в
случае видимой радиации, или поглощается, а затем переизлучается
как в случае теплового ИК излучения. Системы ДЗ, которые измеряют
энергию, которая доступна из естественных источников называются пассивными. Отраженная энергия может существовать только когда солнце освещает Землю. Не существует никакой отраженной энергии ночью. Энергия, которая естественным образом излучается (такая как тепловая ИК)) может быть измерена как днем ,так и ночью, пока мощность ЭМ излучения достаточна, чтобы быть зарегистрированой.

Пассивные сенсоры чувствительны только к радиации, излученной объектом наблюдения или к
энергии из источника вне сенсора, отраженной от объекта. Наиболее обычным внешним
источником энергии является отраженный солнечный свет.
Ученые используют широкое разнообразие систем пассивной съемки.

РАДИОМЕТР.
Прибор, который количественно измеряет интенсивность ЭМ радиации в одном диапазоне длин волн ЭМ спектра. Обычно радиометры идентифицируются диапазоном спектра, к длинам волн которого они чувствительны, например, видимый, инфракрасный или микроволновый.
Сканирующий радиометр.
Радиометр, который обеспечивает возможность сканирования для получения двухмерной матрицы пикселов из которой может быть синтезировано изображение, называется сканирующим радиометром. Сканирование может быть выполнено механическим или электронным методом с использованием линейки оптико-электронных датчиков.
Спектрометр.
Прибор, сконструированный для измерения, и анализа спектральных характеристик падающей ЭМ энергии называется спектрометром. Традиционные сканирующие спектрометры используют линзы, или призмы для разложения радиации на спектральные составляющие.
Спектро-радиометры.
Измеряют интенсивность излучения во множестве спектральных диапазонов (например, мультиспектральные). Зачастую каналы с высоким спектральным разрешением были сконструированы для дистанционного зондирования специфических характеристик, таких как температура поверхности моря, характеристики облачности, цветность океана, характеристики растительного покрова, концентрации примесей в атмосфере, и т.д.

Радиометр Крукса (или вертушка Крукса).
Прибор, который измеряет интенсивность лучистой энергии, прежде всего интенсивность ИК излучения. На борту спутника часто устанавливаются радиометры для измерения потока ЭМ радиации от облаков, снега, льда, водных объектов, поверхности Земли и Солнца. Простейший вид радиометра , известный как Радиометр Крукса, названный по имени его изобретателя Уильяма Крукса, состоит из стеклянной колбы с разреженным воздухом, содержащей вертикально установленную вращающуюся металлическую клыльчатку, лопасти которой зачернены с одной стороны. Падающая радиация сильнее поглощается зачерненной стороной лопасти и сила, вызванная разницей кинетической энергии непоглощенных молекул газа заставляет крыльчатку вращаться со скоростью пропорциональной интенсивности излучения.
Активные сенсоры, с другой стороны, обеспечивают свой собственный источник освещения. Прибор излучает импульс радиации, который
распространяется в сторону объекта исследования. Отраженная от объекта радиация измеряется датчиком. Преимущества активных видов съемки включают: способность производить измерения в любое время, независимо от времени суток или сезона. Активные сенсоры могут работать в
диапазонах, в которых энергия солнечного света недостаточна, такой как микроволновый, или для более надежного освещения объекта. Однако, активные системы требуют генерации большого количества энергии для
достаточного освещения объекта. Примерами активных сенсоров
являются флуоресцентные сенсоры и радар с синтезированной апертурой (РСА).

Активные системы обеспечивают свой собственный источник ЭМ излучения для освещения объектов или сцены, за которыми они ведут наблюдения. Они посылают импульс энергии от антенны к объекту, а затем принимают радиацию, которая отражается и рассеивается от этого объекта. Ученые используют много типов активных датчиков.

Радиолокатор (радары) (Radio Detection and Ranging).
Радиолокаторы используют передатчик, работающий в радио или в микроволновом диапазоне длин волн для излучения ЭМ радиации, и направленную антенну или приемник для измерения времени возврата отраженного импульса от удаленных объектов. Отсюда может быть определено расстояние до объекта т.к. ЭМ волны распространяются со скоростью света.

Скаттерометр (радиолокационный рефлектометр).
Скаттерометр – это микроволновый радиолокатор высокой частоты, сконструированный специально для измерения обратного рассеяния. Над океанской поверхностью измерения обратного рассеяния в микроволновом диапазоне спектра могут использоваться для картирования направления и скорости приповерхностного ветра.

Лидар (лазерный дальномер).
Лидары используют лазер для передачи импульса света и приемник с чувствительными датчиками для измерения обратного рассеяния или отражения света. Расстояние до объекта определяется также как и в случае радиолокаторов. С помощью лидаров можно получать вертикальные профили аэрозолей, облачности и других компонентов атмосферы.

Лазерный альтиметр (высотометр).
Лазерные альтиметры используют лидары для измерения высоты платформы, на которой он установлен, над поверхностью. Зная высоту платформы по отношению к среднему уровню земной поверхности, можно определить ее топографию.