Orbita, scansione e strumenti
Limitazioni ‘strumentali’ del prodotto telerilevato
SALVARE VITE UMANE E STRUTTURE DALLE
CONSEGUENZE DI EVENTI DI PRECIPITAZIONI INTENSE
FARE UNA PREVISIONE DELLA PRECIPITAZIONE AL SUOLO CON 48 ORE DI
ANTICIPO, UN ERRORE SULLA PRECIPITAZIONE DEL 30%, SULLA SUA
LOCALIZZAZIONE DI 5 KM E SUL TEMPO DI 1 ORA E TRASMETTERE LA
PREVISIONE AGLI ORGANISMI COMPETENTI ENTRO 1 ORA.
MISURARE OGNI 6 ORE (ALL WEATHER) ENTRO 1000 KM PROFILI DI
VAPOR D’ACQUA CON UN ERRORE DEL 10%, UN CAMPIONAMENTO
VERTICALE DI 2 KM NELLA TROPOSFERA, ED UN CAMPIONAMENTO
ORZZONTALE DI 50 KM E TRASMETTERE LA MISURA AI CENTRI DI
PREVISIONE ENTRO 1 ORA.
AVERE UNA RETE DI 2 SATELLITI IN ORBITA BASSA ELIOSINCRONA E TRA
LORO PERPENDICOLARE CON RADIOMETRI A MICROONDE CON
UN’ANTENNA DI 2 M, MISURE NELLE BANDE DI ASSORBIMENTO DELL’02 (E
DEL VAPOR D’ACQUA PER UN TOTALE DI xxx CANALI ALLE FREQUENZE
yyy E RISPETTIVAMENTE DI LARGHEZZA SPETTRALE zzz CON UN
ERRORE RADIOMETRICO MASSIMO ASSOCIATO DI vvv K
Orbita, scansione e strumenti
Limitazioni ‘strumentali’ del prodotto telerilevato
•
•
•
•
•
Campionamento temporale
Campionamento (risoluzione) orizzontale
Campionamento (risoluzione) verticale
Copertura
Accuratezza
Overall observation characteristics are determined
by the combination of
Radiometric factors +
scanning system +
orbit characteristics
Accellerazioni agenti su
un satellite in orbita in
funzione dell’altitudine
Accellerazioni agenti su
un satellite in orbita in
funzione dell’altitudine
Fg=GMeMs/r2
Fc=Msv2/r
Fc=Fg
T=F(r)
Relazione tra periodo T e
distanza dal centro della
terra r di un satellite in
orbita circolare
Intervallo d'interesse per la maggior parte
delle missioni meteorologiche (la linea
trattegiata si riferisce al caso dell'orbita
geostazionaria).
Intervallo d'interesse per i satelliti in
orbita bassa come i satelliti in orbita
eliosincrona.
Equator Crossing Times for NOAA Polar Orbiters
• ORBITE
•
GEOSTAZIONARIA
•
POLARE - ELIOSINCRONA
•
POLARE - NON-ELIOSINCRONA
•
PUNTO LAGRANGIANO L1
INCLINAZIONE
Orbita eliosincrona
www.educnet.education.fr/orbito/orb/logiciel/logi11.htm
Subsatellite track
ESEMPI DI SCANSIONI
ESEMPI DI SCANSIONI: MODIS
X/H=D/F
x
Esempio:
D=20 micron
X=1 m
H=1000 km
F=20 m !!!!!
D=20 micron
X=100 m
H=1000 km
F=20 cm
DIFFRAZIONE
Il diametro dello specchio usato nella scansione determina la capacità del
radiometro di risolvere 2 punti differenti alla superficie terrestre. Il criterio di
Rayleigh indica che l’angolo di separazione, θ, tra 2 punti risolvibili (il massimi
dele figure di diffrazione di un punto cade nel minimo dell’altro) e’:
sin θ = λ / d
Dove:
d: e’ il diametro dello specchio
λ: la lunghezza d’onda.
Per esempio uno specchio di 30 cm su un satellite geostazionario (H=36000 km)
alla lunghezza d’onda di 10 micron da una risoluzione di circa 1 km:
10-5 m / 0.3 m = 3.3 x 10-5
sin θ ~ θ
X = H*θ = 36.000 * 3.3 x 10-5 = 1.2 km
L'ampiezza d dei dispositivi dove si raccoglie la luce, nel fuoco di una lente
λ: lunghezza d'onda della radiazione e.m.,
f : distanza focale della lente
a: diametro del raggio di luce o (se il raggio di luce è più ampio della lente) il
diametro della lente.
L'ampiezza risultante contiene circa il 70% dell'energia della luce e corrisponde al
raggio del primo minimo del disco di Airy, approssimato con il criterio di Rayleigh
• GEOMETRIE D'OSSERVAZIONE:
•
Nadir
•
Limb
ENVISAT INSTRUMENTS
SCANNING GEOMETRY
NADIR
LIMB
ceos.cnes.fr:8100/cdrom-00b/ceos1/satellit/envisat/insnts00/index.htm
Scansione Cross-track
Limb emission measurements
Limb measurements resolve the vertical structure of the atmosphere and
emission measurements provides continuous (global) geographical coverage.
http://modis.gsfc.nasa.gov/about/specifications.php
Caratteristiche di piattaforma
•
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•
•
•
Dimensioni
Massa
Consumo energetico
Presenza di parti mobili
Posizione particolare
Data rate
Interferenze e.m.
Caratteristiche Geometriche
•
•
•
•
Stabilita’ dell’orbita (2-3 cm per altimetri)
Accuratezza geometrica assoluta e relativa
Copertura (swath) & Geometria di scansione
Risoluzione spaziale & caratteristiche (per
es.forma) del campo di vista (Instantaneous
Field of View)
• Posizione relative dei campi di vista dei
differenti canali (Channel co-registration)
• Risoluzione Verticale (limb viewer)
DIFFRAZIONE
Il diametro dello specchio usato nella scansione determina la capacità del
radiometro di risolvere 2 punti differenti alla superficie terrestre. Il criterio di
Rayleigh indica che l’angolo di separazione, θ, tra 2 punti risolvibili (il massimi
dele figure di diffrazione di un punto cade nel minimo dell’altro) e’:
sin θ = λ / d
Dove:
d: e’ il diametro dello specchio
λ: la lunghezza d’onda.
Per esempio uno specchio di 30 cm su un satellite geostazionario (H=36000 km)
alla lunghezza d’onda di 10 micron da una risoluzione di circa 1 km:
10-5 m / 0.3 m = 3.3 x 10-5
sin θ ~ θ
X = H*θ = 36.000 * 3.3 x 10-5 = 1.2 km
Chen, H.S., 1985. Space Remote Sensing Systems: An introduction. Academic Press. 258 pp.
Orbit
W/m2
α
β<α
W/m2sr
α
Channel co-registration
Channel co-registration
Caratteristiche
Temporali
• Campionamento temporale
• Ripetitività
• Ora di passaggio (Eliosincronicità)
Atmospheric Water Vapor (mm)
2007/05/26, UTC AM, AMSR-E
2007/05/28, UTC AM, AMSR-E
Atmospheric Water Vapor (mm)
2007/05/27, UTC AM, AMSR-E
Caratteristiche Spettrali
•
•
•
•
Intervallo (Range): Es. Visibile, Infrarosso, Microonde
Risoluzione spettrale (Spectral resolution)
Numero di canali
Risposta spettrale del singolo canale: funzione di
risposta (per es. Trasmittanza del filtro), lunghezza
d’onda centrale e larghezza del filtro (central
wavelength & bandwidth), trasmittanza del filtro fuori
della banda (out of band response)
• Stabilità spettrale: e.g. la risposta del filtro rimane la
stessa nel tempo?
• Crosstalk: independenza tra le misure
Metodi per separare lunghezze d’onda
+Gas cell
Si
Si
InGaAs
Fig. 8. Spectral response of the InGaAs
photodiode. The response depends
greatly on the temperature in the region
below 0.95 pm and between
1.6 and 1.8 pm.
IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL 38, NO 2, APRIL 1989, 578-580
Precise Measurement of Photodiode Spectral Responses Using the Calorimetric Method
HIDEAKI YAMAGISHI, YASUYUKI SUZUKI, AND AKIO HIRAIDE
Fig. 7. Spectral response of commercially available Ge photodiode.
Polarization characteristics
• Capability to measure polarization components
• Response of the instrument to polarized signal
Carateristiche Radiometriche
•
•
•
•
•
Risoluzione Radiometrica
Dinamica del segnale (Dynamic Range):
Discretizzazione
Calibrazione
Accuratezza radiiometrica assoluta e
relativa.
• Sensibilità (Sensitivity)
• Rumore (Noise)
A general problem: noise
•
•
•
•
•
Time sampling
Horizontal resolution
Vertical resolution
Coverage
Accuracy
EXAMPLE: Noise equivalent radiance for infrared detector can be expressed as
NEDR() =  [Ad Δf] 1/2 / [Ao (Δ) Ω D* Δ]
where
 is preamplifier degradation factor
Ad is detector area in cm2
Δf is effective electronic bandwidth of radiometer
Ao is mirror aperture area in cm2
(Δ) is transmission factor of radiometer optics in spectral interval Δ
Ω is solid angle of FOV in steradians
D* is specific spectral detectivity of detector in spectral band in cm Hz1/2 / watt, and
Δ is spectral bandwidth of radiometer at wavenumber  in cm-1.
Fattori operativi
• Accessibilita’ ai dati
• Tempo di
acquisizione+distribuzione+processamento
• Rete di distribuzione e di supporto utenti
www.ecmwf.int/products/forecasts/d/charts/monitoring/coverage/
Fattori economici
• Costi missione (output)
• Supporti missione (input)
Non-instrumental limiting factors
•
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•
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Sunglint (VIS)
Cloud contamination (VIS-IR)
Mixed surface type (land contamination)
Large aerosol load (VIS)
Precipitation (MW)
Night-time (VIS)
Large viewing angle
•
•
•
•
STRUMENTI
RADIOMETRI
INTERFEROMETRI
RADAR
LIDAR
modis.gsfc.nasa.gov/about/specifications.php
ESEMPIO DI STRUTTURA DI RADIOMETRO: MODIS
STRUTTURA GENERALE DI UN RADIOMETRO
1.
2.
3.
4.
5.
6.
SCANSIONE
TELESCOPIO
SEPARAZIONE SPETTRALE DELLA RADIAZIONE
MISURA DELLA RADIAZIONE
CONVERSIONE A/D E TRASFORMAZIONE DELLE MISURE PER TRASMISSIONE
CALIBRAZIONE
SCANSIONE DI MODIS
http://www.eohandbook.com/eohb05/pdfs/instruments_alphabetical.pdf