Влияние атмосферной турбулентности, молекулярно-аэрозольного рассеяния и параметров бортовой оптической аппаратуры на качество спутниковой видеоинформации при съемке земли из космоса
Ключевые слова:
функция рассеяния, атмосферная турбулентность, молекулярно-аэрозольное рассеяние, бортовой оптический прибор, пространственно-частотное разрешение, линейная оптическая система, оптическая передаточная функция, Фурье-преобразование, структурная функция турбулентности, флюктуации показатели преломления, атмосферный пространственно-частотный фильтр, наземная мирра, пороговая пространственная частота, прямая и диффузная прозрачности атмосферыАннотация
Рассмотрена актуальная проблема совместного влияния развитой атмосферной турбулентности, рассеивающей молекулярно-аэрозольной атмосферы и параметров бортовой оптической аппаратуры на качество спутниковой многоспектральной видеоинформации о природной среде, получаемой при дистанционном зондировании Земли из космоса в видимой области спектра λ=400-850нм. Представленные результаты получены в рамках теории динамических систем и Фурье-преобразований линейных оптических сигналов. При анализе указанной проблемы использованы репрезентативные данные о вертикальной зависимости структурной функции атмосферной турбулентности, характеристиках бортовой оптической аппаратуры и параметрах пространственно-частотной фильтрации космической видеоинформации, определяемых многократным некогерентным рассеянием солнечных фотонов в подсистеме «молекулярно-аэрозольная атмосфера Земли – горизонтально-неоднородная подстилающая поверхность». Рассчитаны соответствующие передаточные функции и частотно-контрастные характеристики общего комплексного оптического канала. Показано, что в этом случае качество космических изображений и спектров яркости наземных (надводных) объектов среднего (Δ~10–102м) и низкого (Δ~103–104м) пространственного разрешения практически не зависит от атмосферной турбулентности. При этом ее влияние по сравнению с многократным некогерентным молекулярно-аэрозольным рассеянием и бортовым оптическим регистратором наиболее существенно только для наиболее высокочастотных и мелкомасштабных фрагментов космических изображений (Δ<<10м).
Литература
2. Смоктий О.И. Моделирование полей излучения в задачах космической спектрофотометрии // Л.: Наука. 1986. 352 с.
3. Kondratyev K.Ya., Kozoderov V.V., Smokty O.I. Remote Sensing of the Earth from Space: Atmospheric Correction // Springer-Verlag. 1992. 478p.
4. Smokty O. I., Guzzi R. The Influence of the Earth’s Atmospheric Turbulence on the Optical System Resolution // Proc. Progress in Electromagnetics Research Symp. (PIERS’1994). Noordwijk. 1994. pp. 2665–2669.
5. Smokty O.I. The Influence of the Earth’s Atmospheric Turbulence on the Space Optical System Resolution // Proc. Current Problems in Atmospheric Radiation (IRS’2012). New-York: American Inst. Phys. 2013. pp. 372–376.
6. Kawata Y., Kusaka T., Uenno S., Smokty O.I. Atmospheric Correction Algorithm for Remote Sensing Data with Multiviewing Angles // In: Proc. IGARSS'93. Tokyo. Japan. 1993. vol. 4. pp. 1113–1115.
7. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах // М.: Мир. 1981. Т.1. 280 с., Т.2. 317 с.
8. Кляцкин В.И. Статистическое описание динамических систем с флюктуирующими параметрами // М.: Наука. 1975. 239 с.
9. Smokty O.I., Kondratyev K.Ya. Analytical Approximation of the Spatial Frequency Filtration of Radiation Fields for the Space Spectrophotometry Problems // Appl. Math. and Computation. 1995. vol. 80. pp. 1–17.
10. Smokty O. I. Applied Mathematical Problems of Satellite Data Filtration and Atmospheric Correction // In: Proc. Current Problems in Atmospheric Radiation (IRS’2000). A.Deepak Publ.Co. Hampton (USA). 2001. pp. 433–437.
11. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере // М: Наука. 1967. 548 с.
12. Чандрасекар С. Перенос лучистой энергии // М.: ИЛ. 1953. 432 с.
13. Соболев В.В. Рассеяние света в атмосферах планет // М.: Наука, 1972, 335 с.
14. Чернов Л.А. Волны в случайно-неоднородных средах // М.: Наука. 1975. 174 с.
15. Татарский В.И. Теория флуктуационных явлений при распространении волн в турбулентной атмосфере // М.: Изд-во АН СССР. 1959. 127 с.
16. Апресян Х. А., Кравцов Ю.А. Теория переноса излучения // М: Наука. 1983. 216 с.
17. Алдошина О.А., Бачериков В.В., Смоктий О.И., Фабриков В.А. Влияние турбулентной атмосферы на формирование оптических изображений объектов // Л.: ЛИИАН. Препринт. 1991. №186. 61с.
18. Labeyrie A. Attainment of Diffraction Limited Resolution in Large Telescopes by Fourier’s Analysis Speckle Patterns in Star Images // Astron. and Astrophys. 1970. vol. 6. pp. 85–87.
19. Roddier F. The Effect of Atmospheric Turbulence in Optical Astronomy // Progress in Optics. 1981. vol. XIX. pp. 283–376.
20. Франсон М. Оптика спеклов // М: Мир. 1980. 171с.
21. Зуев В.У., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех) // М.: Советское радио. 1977. 367 с.
22. Смоктий О.И., Фабриков В.А. Методы теории систем и преобразований в оптике // Л.: Наука. 1989. 312 с.
23. Browne L.W., Antonia R.A., Rajagopalam S. The Spectral Derivative of Temperature in a Turbulent Flow and Taylor's Hypothesis // Phys. Fl. 1983. vol. 26. no. 5. pp. 1222–1227.
24. Клиффорд С.Ф. Классическая теория распространения волн в турбулентной среде // В кн.: Проблемы прикладной физики. М.: Мир. 1981. Т.25. С. 18–60.
25. Колмогоров А.Н. Рассеяние энергии при локально-изотропной турбулентности // Докл. АН СССР. 1941. Т. 32. C. 19–21.
26. Ламли Д., Пановский Г. Структура атмосферной турбулентности // М.: Мир. 1966. 264 с.
27. Борн М., Вольф Э. Основы оптики // М.: Наука. 1970. 856 с.
28. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Часть I. Случайные процессы // М.: Наука. 1976. 280 с.
29. Рытов С.М., Кравцов Ю.Ф. , Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Часть II. Случайные поля // М.: Наука. 1978, 463 с.
30. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения // М.: Мир. 1964. 295 с.
31. Hufnagel R.E., Stanley N.R. Modulation Transfer Function Associated with Image Transmission through Turbulent Media // Journ. Opt. Soc. Amer. (JOSA). 1964. vol. 54. no. 1. pp. 52–61.
32. Lutomirsky R.F., Yura H.T. Imaging of Extended Objects trough a Turbulent Atmosphere // Appl.Optics. 1974. vol. 13. pp. 431–437.
33. Fried D.L. Optical Resolution through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures // J.Opt.Soc.Amtr. (JOSA). 1966. vol. 56. no. 10, pp. 1372–1379.
34. Беленький М.С., Боронаев В.В., Гамбоев Н.Ц., Миронов В.Л. Оптическое зондирование атмосферы // Новосибирск: Наука. 1986. 91с.
35. Smokty O. I. Applied Mathematical Problems of Atmospheric Correction and Filtration of Multispectral Satellite Data // In: Proc. CEReS Intern. Symp. «The Atmospheric Correction of Satellite Data and Its Application to Global Environment». Chiba Univ. Japan. 1998. pp. 143–150.
36. Elterman L. Vertical Attenuation Model with Eight Meteorological Ranges 2 to 13 kilometers // Rep. ACCRL-70-0200. Environ. Res. Papers. Bedford. USA. 1970. vol. 318. 57p.
The Influence of Turbulent Atmosphere, Molecular-Aerosol Scattering and Board Optical Device on the Satellite Video-Information Quality at the Earth’s Remote Sensing from Space
Abstract
The actual problem influence of the developed atmospheric turbulence and multiple light molecular-aerosol scattering at board satellite devices spatial-frequency permission and received from space a videoinformation quality about the environment has been considered. Given consideration has been carried out in a frame of the linear optical system’s theory and optical signals Fourier transformations. Representative data of the structural function vertical dependence of developed atmospheric turbulence and board satellite devices parameters, formed the space environment’s, including the advanced modeling data about spatial-frequency filtration by the molecular-aerosol Earth’s atmosphere in a visual spectral region (λ=400-800nm) have been used. Optical transfer functions of atmospheric “turbulence- molecular-aerosol scattering-board satellite device” complex system have been calculated. It is shown, that in during of remote sensing of the Earth from space the quality of environment’s satellite images and spectral brightness’s, including a spatial frequence permission of a the board optical devices of middle (Δ~101–102)м and low (Δ~103–104)м spatial frequence permission don’t dependent from the atmospheric turbulence. It is important result that the influence of atmospheric turbulence comparison with noncoherent multiple light molecular-aerosol scattering and board satellite device is most significant only for high frequancies and a small scale fragments (Δ<<10)м of space images and appropriate spectral brightness’s.
