TRANSFER RADIATIV SI SENZORI PENTRU

TELEDETECTIE

Transfer radiativ (1)

Transferul radiativ este definit ca procesul de transmisie a radiatiei electromagnetice prin atmosfera si influenta acestui proces asupra

atmosferei. Efectele asupra atmosferei se pot clasifica in efecte multiplicative si aditive (tabelul de mai jos).

Transfer radiativ (2)Efectul multiplicativ provine din extinctia cu care energia incidenta din directia Pamantului catre un anumit senzor se reduce datorita absorbtiei si imprastierii radiatiei electromagnetice. Efectul aditiv provine din emisia de radiatie termica din atmosfera si din imprastierile ce au loc in atmosfera. Aceste efecte se suprapun pe senzor cu radiatia care provine de la obiectul masurat.

Model de extinctie prin absorbtie

Figura alaturata ilustreaza un model schematic pentru absorbtia radiatiei electromagnetice intre un obiect si un senzor. Absorbtia apare la lungimi de unda specifice la care energia electromagnetica se transforma in energie termica.

Model de de extinctie imprastiere

Figura alaturata ilustreaza un model schematic pentru imprastiere. Acest fenomen este remarcabil in domeniul lungimilor de unda mici, unde nu apar disipari de energie ci numai schimbari ale directiei de propagare.

Model de emisie (radiatie termica)

Dupa cum se observa in figurile urmatoare, pe senzor ajunge, in afara de semnalul util, si energie emisa sau imprastiata de atmosfera. Radiatia termica a atmosferei, caracterizata de legea lui Plank este uniforma in toate directiile. Emisia si imprastierea in atmosfera influenteaza senzorul ca input indirect, provenit din alte surse de energie decat obiectul investigat.

Model de emisie prin imprastiere (difuzie)

Imprastierea depinde de marimea particulelor si de directia luminii incidente.

Radiatia termica este dominanta in domeniul IR termic, iar imprastierea este dominanta in domeniul lungimilor de unda mai scurte

Ecuatia de transfer radiativ (1)

In general, cum extinctia si emisia apar simultan, ambele efecte trebuie considerate in ecuatia de transfer radiativ, dupa cum este indicat in relatia alaturata.

Notatii:

I - radianta incidenta

- Densitatea mediului absorbant/difuziv

, j - coeficienti de absorbtie si emisie

dIIdsI

dsjdsIdI

Ecuatia de transfer radiativ (2)

Se poate rescrie aceasta ecuatie in functie de adancimea optica, , si de raportul dintre coeficientii de emisie si absorbtie (functia de sursa) S. Se obtine astfel forma unidimensionala a ecuatiei de transfer radiativ. In aczul atmosferei terestre domina de regula absorbtia, S<I , astfel incat radianta scade cu distanta parcursa de lumina.

dsd /jS

SIddI /

Ecuatia de transfer radiativ (3)

Se poate rezolva ecuatia precedenta prin inmultire cu factorul integrant exp():

d

dIeIeIe

d

d)( , de unde:

SeIe

d

d)(

000

][)( SedSedIed

d

sau:

Ecuatia de transfer radiativ (4)

Folosind conditia la limita:

II o

0)0( II

se obtine:

)1(0

eSIeI

)1(0

eSeII

Tipuri de senzori pentru teledetectie (1)Figura alaturata sintetizeaza tipurile de senzori folosite in prezent sau aflate in stadii de dezvoltare. Senzorii pasividetecteaza radiatia electromagnetica reflectata sau emisa de surse naturale. Senzorii activi detecteaza raspunsul reflectat de obiecte iradiate de surse artificiale de energie, cum ar fi radarul. Fiecare din aceste doua categorii se pot clasifica mai departe in sisteme cu sacanare sau fara scanare.

Un senzor functionand dupa o combinatie de metode pasive, fara scanare si fara imagerie este un tip de inregistrator de profile, ex. un radiometru de microunde. Un senzor functionand dupa o combinatie de metode pasive, fara scanare si cu imagerie este ceea ce numim o ”camera”, cum se afla de exemplu la bordul satelitului rusesc COSMOS

Tipuri de senzori pentru teledetectie (2)

Senzorii functionand ca si combinatii de imagerie pasiva cu scanare se pot clasifica in continuare in senzori cu scanare planara de tip imagine (camere TV sau scanere cu semiconductori) si senzori cu scanare planara de tip obiect(cum ar fi scanerele multispectrale (opto-mecanice) si radiometre de microunde cu scanare

Ca exemplu de senzor activ fara scanare si fara imagerie este orice inregistrator de profile, cum ar fi un spectrometru cu laser sau un altimetru cu laser. Un senzor activ, cu scanare si imagerie este radarul, ex. un radar cu apertura sintetica (SAR), care poate produce imagerie de inalta rezolutie, atat ziua cat si noaptea, chiar si sub acoperire de nori.

Tipuri de senzori pentru teledetectie (3)Cei mai raspanditi senzori folositi in teledetectie sunt camerele, scanerul cu semiconductori (cum ar fi cele de tip CCD-charge coupled device), scanerul multi-spectral si, in viitor, radarul cu apertura sintetica pasiva.

Senzorii cu laser au inceput recent sa fie folositi pentru monitorizarea poluarii aerului cu spectrometre laser si pentru masurarea distantelor in altimetre cu laser.

Figura alaturata arata cei mai comuni senzori si benzile lor spectrale.

Acei senzori care folosesc lentile in vizibil si IR reflectiv se numesc senzori optici.

Caracteristicile senzorilor optici (1)

Senzorii optici sunt caracterizati prin specificarea a trei tipuri de performante: spectrala, radiometrica si geometrica.

Caracteristicile senzorilor optici (2)

Tabelul alaturat prezinta definitiile elementelor de caracterizare a senzorilor optici

Caracteristicile senzorilor optici (3)

Caracteristicile spectrale sunt banda spectrala si largimea ei, lungimea de unda centrala, sensibilitatea de raspuns la extremitatile benzii, sensibilitatea spectrala la lungimi de unda din afara benzii si sensibilitatea la polarizare. Astfel, senzorii care folosesc filme se caracterizeaza prin sensibilitatea filmului si calitatea lentilelor. Senzorii de tip scanner sunt specificati prin caracteristicile spectrale ale detectorului si ale divizorului spectral. In plus, aberatiile cromatice constituie un factor de influenta.

Caracteristicile radiometrice ale senzorilor optici sunt specificate de transformarile radiatiei electromagnetice care trece prin sistemul optic. Ele sunt: radiometria senzorului, sensibilitatea la tensiunile de zgomot, domeniul dinamic, raportul semnal/zgomot si alte zgomote (inclusiv cele de natura cuantica).

Caracteristicile geometrice sunt specificate prin factori geometrici cum ar fi: campul vizual, campul vizual instantaneu, distorsiunile geometrice si alinierea elementelor optice.

Campul vizual instantaneu (CVI) se defineste ca unghiul subantins de aria minima ce poate fi detectata de un senzor de tip scaner. De exemplu, in cazul unui CVI de 2.5 milli radiani, aria detectata la sol este de 2.5 m x 2.5 m, la o altitudine a senzorului de 1,000 m.

Rezolutia senzorilor optici

Rezolutia este o masura a limitei de observatie spatiala. In optica, cea mai mica distanta detectabila intre douapuncte se numeste putere de separare. Inversul acestei marimi defineste rezolutia.

Exista mai multe metode de a masurarezolutia sau puterea de separare. Doua exemple sunt introduse in continuare: (1) puterea de separare prin refractie si (2) MTF.

Puterea de separare prin refractie (1)

Teoretic, un obiect punctiform este proiectat ca un punct in planul imaginii daca sistemul optic nu are aberatii. Totusi, datorita difractiei, imaginea unui punct este un cerc de raza comparabila cu lungimea de unda a luminii, numit pattern Airy, asa cumse arata in figura alaturata. Exista prin urmare o limita a puterii de separare a doua puncte, chiar daca nu exista aberatii.

Puterea de separare prin refractie (2)

Limita rezolutiei depinde de cum se defineste distanta minima dintre doua imagini Airy. Exista doua definitii, dupa cum urmeaza:

a) Rezolutia de tip Rayleigh, adica distanta dintre picul Airy din stanga si cel din dreapta. In figura alaturata, rezolutia este 1.22u.

Puterea de separare prin refractie (3)

Puterea de separare de tip Sparrow: este distanta dintre cele doua picuri cand minimulceentral este estompat. In figura alaturata, puterea de separare Sparrow este 1.08u.

Functia de transfer modular (1)

Rezolutia masurata pe o harta de etalonare de un ochi omenesc depinde de abilitatile individuale, de forma si contrastul hartii. Pe de alta parte, MTF nu prezinta astfel de probleme intrucat provine dintr-o definitiestiintifica in care raspunsul frecventei spatiale, in raport cu amplitudinea, considera sistemul de imagerie optica ca un filtru de frecvente spatiale.Cum frecventa spatiala este definita ca frecventa unei unde sinusoidale , MTF indica masura descresterii amplitudinii inainte si dupa un sistem deimagerie optica in raport cu frecventa spatiala. Asa cum este indical in fgura alaturata.

Functia de transfer modular (2)

MTF coincide cu spectrul energetic obtinut prin transormarea Fourier a unei imagini punctiforme. In general, un sistem de imagerie optica se comporta ca un filtru de frecventa spatiala joasa (figura alaturata). Modulatia (M), contrastul () si densitatea (D) au urmatoarele relatii:

= max/min

D = log(max/min)M = (max - min)/(max + min)

= ( - 1)/( + 1).Rezolutia (sau frecventa spatiala) se obtine din diagrama MTF pentru un contrast dat, care poate fi convertit in modulatie.

Elemente dispersive (1)

Un fascicol luminos splitat in ordinea lungimilor de unda se numeste spectru. Spectroscopia se defineste ca studiul dispersiei luminii in spectrul sau. Exista doua tipuri de elemente dispersive: prisma si reteaua de difractie.

Fiecare din aceste tipuri are diverse varietati, asa cum se arata in schema alaturata.

Elemente dispersive (2)

In figurile de mai sus sunt ilustrate mecanismele de dispersie ale prismei si retelei de difractie (cazul retelei cu reflexie).

Elemente dispersive: prismaO prisma proiectata pentru spectroscopie se numeste prisma de dispersie. Ea se bazeaza pe variatia indicelui de refractie cu lungimea de unda. Rezolutia spectrala a prismei este insa in general destul de mica. Daca se doreste o rezolutie mai mare se pot fabrica prisme stratificate, desi este destul de greu sa se obtina un material omogen la o greutate rezonabila.

Elemente dispersive: reteaua de difractie

O retea de difractie este un element de dispersiv functionand pe baza interferentei luminii provenite de la surse multiple (figura alaturata). Cele mai multe retele de difractie sunt de tip reflectiv. Cu toate ca dispersia speculara produce un maxim pronuntat de intensitate la ordinul zero, acest ordin nu poate fi folosit intrucat nu produce un spectru. Prin urmare trebuie ajustat un plan reflectiv pentru a putea avea un unghi potrivit de observare a unui spectru suficient de intens.

Caracteristicile detectorilor optici

Exista trei tipuri de detectori optici: de fotoemisie, de excitatie opticasi cu efect termic.

Detectori optici de fotoemisie

Curbele de sensibilitate ale unor

tuburi catodice

Tubul catodic sifotomultiplicatorulsunt exemple de detectori cu fotoemisie sensibile din zona UV pana in vizibil.

Detectori de excitatie optica

Exemple: fotodiodele, fototranzistorii si elementele fotoconductive.

Au sensibilitate buna in IR.

Fotodiodele raspund printr-o tensiune produsa de electronii excitati, iar fototranzistorii si elementele fotoconductive au ca raspuns un curent electric.

Detectori cu efect termic

Bolometrele cu termocuplu si bolometrele piroelectricesunt exemple de detectori cu efect termic.

Sunt sensibile din IR apropiat pana in IR indepartat, dar raspunsul lor este relativ slab.

In figura alaturata se prezinta detectivitatea unui bolometru piroelectric.

Scanerul opto-mecanic (1)Un scanner opto-mecanic este un radiometru multispectral cu care se poate inregistra imagerie bidimensionala folosind o combinatie de miscare a platformei si a unei oglinzi rotitoare sau oscilanta, scanand perpendicular pe directia de zbor.Scanerele opto-mecanice se compun dintr-un sistem optic, un sistem spectrografic, sistemul de scanare, un sistem de detectie si un sistem de referinta.

Functiile acestor componente sunt urmatoarele:

Sistemul optic: pentru a evita aberatiile cromatice se foloseste un telescop reflectiv de tip Newton, Cassegrain sau Ritchey-Chretien.

Sistemul spectrografic: se folosesc oglinzi dicroice, retele de difractie, prisme, sau filtre.

Sistemul de scanare: se folosesc oglinzi rotative sau oscilante pentru a scana perpendicular pe directia de zbor.

Sistemul de detectie: transforma energia electromagnetica in semnal electric; fotomultiplicatorii sunt folositi in UV apropiat si vizibil, diodele cu siliciu se folosesc in IR apropiat si vizibil, diodele cu InSb racit se folosesc in IR scurt si bolometrele termice sau diode cu CdTe racite se folosesc in IR termic.

Sistemul de referinta (compensare): Sensibilitatea detectorului variaza in general in timp. Din acest motiv se folosesc surse de lumina sau termice de intensitate sau temperatura constanta se folosesc pentru calibrarea semnalului.

Scanerul opto-mecanic (2)

Scanerele opto-mecanice se pot monta pe sateliti cu orbite polare sau pe avioane.

Figura alaturata ilustreaza conceptul de de scaner opto-mecanic.

Scanerul opto-mecanic (3)

Figura alaturata ilustreaza schema procesului optic al unui scaner opto-mecanic.

Radarul laserDispozitivele carea masoara caracteristici fizice ca: distanta, densitatea, viteza, forma etc., folosind imprastierea, timpul de ecou, intensitatea, frecventa si/sau polarizarea luminii se numesc senzori optici. Totusi, cum lumina folosita de senzorul optic provine in mod esential de la un laser, dispozitivul se numeste radar lasersau lidar (light detection and ranging).

Radarul laser este un senzor activ folosit la masuratori de poluare atmosferica, caracteristicile fizice ale constituentilor atmosferici din stratosfera si distributia acesteia. Teoria radarului laser este de asemenea utilizata la masurarea distantelor, caz in care dispozitivul se numeste altimetru laser.

Obiectul principal al masuratorilor este atmosfera, dar radarul laser se poate folosi si la masurarea adancimii apelor, la grosimea petelor de petrol, sau la evaluarea starii clorofilei dintr-o zona cu vegetatie.

Teoria lidaruluiFigura alaturata arata schema unui sistem lidar. Puterea luminii receptionate, Pr(R), reflectate de la o distanta R, poate fi exprimata dupa cum urmeaza:

2

0 2r b

Y RP R P K Ar q b R T R P

R

unde: P0 este puterea luminii transmise, Keste eficienta sistemului optic, Ar este apertura, q este semilungimea de unda, b(R) este coeficientul de retroimprastiere, T(R) este transmitanta atmosferei, Y(R) este eficienta geometrica, iar Pb este zgomotul luminos de fond.

Distanta efectiva a lidarului depinde de relatia dintre intensitatea luminoasa receptionata si nivelul zgomotului.

Tipuri de lidar

Lidar de absorbtie diferentiala