168746 (599216), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

Рис. 3.16. Принцип дистанційного зондування за допомогою багатоспектрального сканера

3.8.6 Надвисокочастотні локатори

Цей вид техніки дистанційного зондування передбачає використання електромагнітних хвиль в області 0,1...2 м (що відповідає частотам від 100 МГц до 50 000 МГц). Надвисокочастотні (НВЧ) локаторні системи можуть бути активними (коли об’єкт дослідження опромінюється з подальшою реєстрацією відбитого випромінювання) і пасивні (коли реєструється природне випромінювання об’єкта). Принцип дії дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) за допомогою локаторів полягає у випромінюванні її діелектричних властивостей, що значною мірою залежать від вмісту вологи й температури ґрунту, нерівностей земної поверхні, рівня снігового покриву, типу рослинних покривів, і впливають на відбивальні та випромінювальні параметри, що вимірюються. НВЧ-локація надає змогу вивчати положення, рух та природу віддалених об’єктів. Основні типи локаторів, що застосовуються при ДЗЗ:

локатори зображення (вимірюють розсіяне випромінювання, висотоміри, НВЧ-радіометри);

локатор із синтетичною апертурою – ЛСА.

Завдяки високій проникності НВЧ-випромінювання повз хмари та листя, подібні локатори здатні створювати зображення земної поверхні у дрібних деталях (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Формування зображення за допомогою локатора

Об’єкти земної поверхні опромінюються локаторними імпульсами, що відбиваються, реєструються і перетворюються у зображення. Амплітуда відбитого імпульсу залежить від конкретного об’єкта спостереження. Альтернативним локатору зображення є ЛСА. Принцип дії такого локатора наведено на рис. 3.18, де представлене взаємне положення літака з локатором та об’єкта спостереження. У точці 1 об’єкт знаходиться поза діаграмою опромінювання локатора; у точках 2 й 3 об’єкт потрапляє до цієї області; у точці 4 він знову зникає із зони спостереження локатора. Тобто об’єкт з’являється у системі реєстрації локатора лише протягом певного проміжку часу; під час цього проміжку відбитий сигнал заноситься у пам’ять бортового комп’ютера. Всі таким чином записані сигнали дають змогу реконструювати повну картину усіх об’єктів, що опромінюються локатором з досить вузькою апертурою (звідси й термін – “синтетична апертура”). Слід зауважити, що сигнали локатора, які надсилаються у процесі руху літака, набувають зсуву до високих частот, тоді як сигнали, що посилаються назад, набувають зсуву до низьких частот завдяки ефекту Допплера. Реєстрація та аналіз подібних зсувів надає можливості точно визначити просторове положення наземних об’єктів. Техніка локаторів із синтетичною апертурою досить складна й дорога, але її можливості зумовлюють най поширене її застосування. Перевага – висока розрізнювальна здатність. Недолік – істотні впливи рослинного покриву та нерівності ґрунту на сигнал, що реєструється.

3.9 Лазерні системи

ДЗЗ на основі лазерів полягає в опромінюванні об’єктів навколишнього середовища та реєстрації відбитого від об’єкту або розсіяного від нього лазерного випромінювання. Прилад для дистанційного зондування компонентів біосфери називають ЛІДАРом (від англійської фрази Light Detection And Ranging). Коротко познайомимося з основними типами лідарів.

3.9.1 Лідар на основі реєстрації зворотного розсіювання

Рівняння лідара. Зворотне розсіювання описується наступним рівнянням:

(3.3)

де - миттєва потужність, яка реєструється приймачем у момент часу ;

- потужність, що пропускається об’єктом у момент часу

- швидкість світла;

- тривалість імпульсу;

- коефіцієнт об’ємного розсіювання атмосфери;

- дальність;

- ефективна площа приймача;

- коефіцієнт об’ємної інстинкції атмосфери.

Реєстрація рівня послаблення оптичного випромінювання лідара за його взаємодії з молекулами атмосфери або аерозолями дає змогу оцінити їх концентрацію.

Джерелом випромінювання у лідарі є лазер, що генерує світлові імпульси. Якщо лазерний імпульс поширюється в атмосфері до будь-якого об’єкта, то час проходження імпульсом відстані до об’єкта і назад до приймача дорівнює:

(3.4)

де - швидкість світла.

Реєстрація моменту сприйняття імпульсу приймачем дає змогу оцінити відстань до об’єкта.

Крім того, лазерний імпульс має певну тривалість . Якщо припустити, що передній фронт імпульсу досягає об’єкта на відстані то задній фронт імпульсу в цей час буде на відстані Співвідношення між часом та часом реєстрації імпульсу мають вигляд:

(3.5)

Звідси розмір об’єкта визначається за виразом:

(3.6)

Коефіцієнт об’ємної інстинкції атмосфери – частка падаючої енергії, на яку вона зменшується при проходженні одиниці довжини атмосфери. Одиниця вимірювання - Поглинання лазерного променя молекулярним газом (забрудненням) можна оцінити так:

3.7)

де - коефіцієнт поглинання, що випромінюється в (млн.^-1*см)^-1;

- число Лошмідта (2,69*10¹⁹ см^-3) – густина молекул газу в атмосфері за нормальних умов;

- переріз поглинання (см²).

У реальних ситуаціях (на рівні моря при 0 ⁰С) коефіцієнт об’ємної інстенкції дорівнює:

см^-3 (млн.*см)^-1. (3.8)

Коефіцієнт об’ємного розсіювання атмосфери визначається як частка падаючої енергії, що розсіюється в одиничному тілесному куті в обертальному напрямку на одиниці атмосферної довжини. Одиниця вимірювання - м^-1*ср^-1.

Пружне розсіювання оптичного випромінювання можна представити двома основними типами – розсіюванням Релея і розсіюванням Мі:

(3.9)

де - коефіцієнт розсіювання Релея;

- коефіцієнт розсіювання Мі.

Коефіцієнт розсіювання Релея визначають за виразом:

(3.10)

де - довжина хвилі, нм.

Приклад 3.1

Розрахувати коефіцієнт розсіювання Релея під час проходження в атмосфері випромінювання рубінового лазера, довжина хвилі якого дорівнює 694,3 нм.

Розв’язок

Підставимо числові дані у рівняння (3.10):

Контрольне завдання № 3.1

Визначити потужність лазерного випромінювання, яка реєструється фотоприймачем лідара на основі рубінового лазера з такими параметрами: нм, Вт, мкс, м², км, км^-1.

Коефіцієнт розсіювання Мі можна знайти за допомогою рівняння:

(3.11)

де для видимості км та для середньої видимості, якщо вимирюється в м^-1, - в м, - в нм.

Приклад 3.2

Визначити коефіцієнт розсіювання Мі випромінювання рубінового лазера з довжиною хвилі 694,3 нм, якщо видимість становить 10 000 м.

Розв’язок. Знаходимо показник ступеня :

Підставимо числові дані у рівняння (3.11):

м^-1.

Контрольне завдання № 3.2

Визначити коефіцієнт розсіювання Мі випромінювання лазера з довжиною хвилі 300б1 нм, якщо видимість становить 5 км.

Відповідь: 1,43 км^-1.

Коефіцієнт об’ємного зворотного розсіювання характеризує частку випромінювання, яке після розсіювання прямує по траєкторії лазерного променя. Зворотне розсіювання також має дві компоненти – Релея та Мі.

Коефіцієнт об’ємного зворотного розсіювання Релея визначається за виразом:

(м^-1ср^-1). (3.12)

Коефіцієнт об’ємного зворотного розсіювання Мі визначається за виразом:

(м^-1ср^-1). (3.13)

Повний коефіцієнт об’ємного зворотного розсіювання визначається як сума обох коефіцієнтів:

(3.14)

Приклад 3.4

Знайти повний коефіцієнт зворотного розсіювання випромінювання рубінового лазера (694,3 нм) на відстані 2 км.

Розв’язок

Коефіцієнт розсіювання Релея визначимо на підставі рівняння (3.10):

Коефіцієнт розсіювання Мі визначимо за допомогою рівняння (3.11):

м^-1.

Визначимо коефіцієнти зворотного розсіювання Релея й Мі:

м^-1ср^-1;

м^-1ср^-1.

Звідси повний коефіцієнт зворотного розсіювання дорівнює:

Приклад 3.5

Визначити потужність лазерного випромінювання, яка реєструється фотоприймачем лідара на основі рубінового лазера з такими параметрами: нм, Вт, мкс, м², км, км^-1.

Розв’язок. Вважаючи середовище, що аналізується, однорідним, можна припустити, що:

Підставляємо числові значення в останній вираз:

Розраховуємо тілесний кут:

ср.

Знаходимо параметр

Визначаємо коефіцієнт об’ємного розсіювання:

Обчислюємо коефіцієнт об’ємного зворотного розсіювання:

км^-1ср^-1.

Звідки

Контрольне завдання № 3.3

Визначити потужність випромінювання лазера на фарбниках, що застосовуються для дистанційного зондування туману ( =0,5 км^-1), якщо ним, Вт, мкс, см², км.

Відповідь: 3*10^-11 Вт.

Характеристики

Список файлов книги