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
1. Кондратьев К.Я., Смоктий О.И., Козодеров В.В. Влияние атмосферы на исследование природных ресурсов из космоса // М: Машиностроение. 1985. 272 с.
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.
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.
Опубликован
2014-12-16
Как цитировать
Смоктий, О. И. (2014). Влияние атмосферной турбулентности, молекулярно-аэрозольного рассеяния и параметров бортовой оптической аппаратуры на качество спутниковой видеоинформации при съемке земли из космоса. Труды СПИИРАН, 5(36), 215-246. https://doi.org/10.15622/sp.36.14
Раздел
Статьи
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
