Основи формування і реєстраціi корисного сигналу в діапазоні

джерело випромінювання
період напіврозпаду
тип випромінювання
характерна енергія випромінювання
Джерела природного випромінювання
Крім того, існує багато джерел антропогенного характеру (в першу чергу – забруднень), а також задачі, пов'язані із визначенням ізотопів карбону, титану, свинцю, калію тощо

Реєстрація випромінювання високих енергій
Для реєстрації випромінювання високих енергій (високочастотного діапазону) використовують особливості взаємодії випромінювання високої енергії з матерією:
залежність швидкості вибитих електронів від довжини хвилі опромінення:
і ) Фотоефект (фотоелектричні ефекти): ефекти, пов’язані із вибиванням електронів із металів, окремих типів рідини та газів, використовуються для реєстрації випромінювань з низькими енергіями (< 0,5 МеВ)

Реєстрація випромінювання високих енергій
зміна довжини хвилі фотона при комптонівському розсіюванні на непорушному вільному електроні :
іі ) Комптон – ефект, явище непружного розсіювання фотонів на вільних заряджених частинках, використовується для реєстрації випромінювань середніх енергій (0,5 – 1,5 МеВ)

Реєстрація випромінювання високих енергій
інтенсивність народження пар (ймовірність утворення електрон – позитронних пар в одиниці об’єм за одиницю часу – формула Швінгера):
ііі ) Породження пар частинок - зворотний до анігіляції процес, в якому виникають пари частинка-античастинка, використовується для реєстрації квантів високих енергій (> 3 МеВ)

Реєстрація випромінювання високих енергій
Детектори, що реєструють індуковане світлове випромінювання, виготовляються з неорганічних кристалів активованого талієм йодиду калію, що завдяки високій щільності (3,67 г/см3) може реєструвати практично всі гамма-кванти,
Інший тип детекторів реєструє окремі заряди, виготовляються з напівпровідників, мають кращу спектральну розрізненість

Формування корисного сигналу в оптичному діапазоні

Розподіл видимої частини спектру
Формування сигналів в оптичному діапазоні

Розподіл спектральної щільності випромінювання в оптичному діапазоні

Взаємодія випромінювання з поверхнею
Основними процесами є розсіювання, поглинання та відбиття випромінювання поверхнею та середовищем

Терміни і визначення
ВІДБИТТЯ - повернення випромінювання об'єктом без зміни частот складових його монохроматичних випромінювань
ПРОПУСКАННЯ - проходження випромінювання через середовище без зміни частот його окремих складових монохроматичних випромінювань
ПРОЗОРІСТЬ - величина, що характеризує, яку саме частину світла пропускає середовище без зміни напрямку його розповсюдження. Визначається відношенням світлового потоку (потоку випромінювання), який пройшов у середовищі шлях, що дорівнює одиниці довжини, без зміни напряму, до світлового потоку (потоку випромінювання), який ввійшов у це середовище в вигляді паралельного пучка

Терміни і визначення
РОЗСІЯННЯ - зміна просторового розподілу пучка променів, що відхиляються у різних напрямках поверхнею або середовищем без зміни частот складових його окремих складових монохроматичних випромінювань
РОЗСІЯННЯ КОЕФІЦІЄНТ - в оптиці - відношення світлового потоку (потоку випромінювання), яке розсіюється даним тілом, до падаючого на нього світлового потоку (потоку випромінювання)
РОЗСІЯННЯ ПОКАЗНИК - в оптиці - величина, обернена відстані, на якій світловий потік (потік випромінювання) в вигляді паралельного пучка променів послаблюється за рахунок розсіяння світла в середовищі в 10 (десятковий Р. п.) або в e (натуральний Р. п.) разів. Р. п. істотно залежить від частоти вхідного оптичного випромінювання
РОЗСІЯННЯ СВІТЛА - зміна будь-яких характеристик потоку оптичного випромінювання (світла), що розповсюджується в неоднорідному середовищі, в результаті взаємодії з частинками речовини. Такими характеристиками можуть бути: розподіл інтенсивності, частотний спектр і поляризація світла

Взаємодія випромінювання з речовиною
механізм взаємодії
фізична основа взаємодії
приклад
геометричні механізми і фізична оптика
збудження вібраційних механізмів
збудження електронних механізмів
дисипативна рефракція, розсіювання, відбиття, інтерференція, дифракція
хроматична аберація, радуга, шорсткі поверхні, відображення, відбиваючі поверхні, плівки на водній поверхні, рідкі кристали, опали
молекулярні вібрації, іонні вібрації
вода, оксиди алюмінію і кремнію, гідроксильні іони
реакція кристалічних решіток під впливом домішок металів, зміни електронних орбіт, реакція сукупних хімічних зв’язків, енергетичні переходи в матеріалах
неорганічні пігменти, деякі флуоресцентні матеріали, осадкові породи, магнетит, сапфір, рослинні пігменти, метали, напівпровідники

Терміни і визначення
АБЕРАЦІЇ - перекручення (спотворення) спектрального відгуку та/або зображень, що формуються оптичними системами.
Проявляються у тому, що оптичні зображення не зовсім чіткі, не точно відповідають об'єктам (геометричні аберації) або виявляються зафарбованими (хроматичні аберації).
Хроматична аберація пов’язана з залежністю показника заломлення оптичного середовища від довжини хвилі світла. Наявність хроматичних аберацій може приводити до: зображення предметної точки, які утворюються в промінях різних довжин хвиль, відтворюються в різних місцях вздовж оптичної вісі (хроматизм положення); зображення позавісьових точок, створені оптичною системою в промінях різних довжин хвиль, розташовуються на різних відстанях від оптичної вісі (хроматизм збільшення); виникає помилка в зображенні вісьової точки, яке утворюється реальними промінями різних довжин хвиль внаслідок того, що сферична аберація в промінях з різними довжинами хвиль не однакова (сферохроматична аберація)

Терміни і визначення
ДИФРАКЦІЯ - відхилення напрямку розповсюдження випромінювання біля границі просторової апертури (непрозорої перешкоди), її огинання, яке не може бути з'ясовано в межах понять геометричної оптики. Явище Д. обумовлено хвильовою природою випромінювання і пояснюється законами хвильової оптики. При Д. відбуваються амплітудні або фазові порушення хвильового фронту випромінювання. Явище Д. найвиразніше проявляється, коли довжина хвилі випромінювання порівнянна з розмірами перешкоди
РЕФРАКЦІЯ СВІТЛА - Викривлення напрямків поширення світла у середовищі зі зміною показника заломлення у просторі

Відбиття від поверхні

θ – кут падіння, θt – кут поглинання, n - показник рефракції
Коефіцієнти поглинання для горизонтально і вертикально поляризованих хвиль
Для вертикального огляду:
Відбиття від поверхні

Відбиття від рівних поверхонь
Відбиття від шорстких поверхонь
Відбивна здатність поверхонь (поверхнева яскравість) описується:
В – яскравість об’єкту, В0 – яскравість ідеального відбивача, θі – кут падіння, θs – кут розсіювання, k – емпіричний коефіцієнт затемнення
відповідний закон для квазіідеальних (ламбертових) поверхонь:
Відбиття від поверхні

Глибина проникнення випромінювання
В абсорбуючому середовищі показник рефракції пов'язаний з електромагнітними властивостями і може бути представленим через хвильовий вектор:
Глибина проникнення випромінювання в середовище:

Реєстрація сигналу
Загальна енергія Еr, яку отримує сенсор з елементу поверхні А, що знаходиться на відстані r від сенсору, за час спостереження (сканування) τ, в смузі хвиль Δλ (від λ1 до λ2) з центральною довжиною смуги λ0 описується рівнянням:
h(λ) – функція передачі модуляції сенсору, а(λ) – функція передавання атмосфери, S(λ,Ts) – випромінювання ідеального випромінювача з температурою Ts, розміром Rs на відстані d, ρ(λ) – розподіл поверхневого випромінювання об’єкту (альбедо)

Засоби реєстрації сигналу

Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER)
Знімальна система сенсорів Thematic Mapper (TM/ETM) супутників Landsat
Порівняльна характеристика наявних сенсорів

Схема скануючого пристрою сенсору Thematic Mapper (TM) супутників Landsat
Схема пристрою реєстрації оптичного сигналу
Схема зондування супутника Landsat

Порівняльна характеристика наявних сенсорів

Порівняльна характеристика наявних сенсорів