Limitazioni ‘strumentali’ del prodotto telerilevato

Orbita, scansione e strumenti

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

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

Orbita, scansione e strumenti

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)

Intervallo d'interesse per la maggior parte delle missioni meteorologiche (la linea trattegiata si riferisce al caso dell'orbita geostazionaria).

Relazione tra periodo T e distanza dal centro della terra r di un satellite in orbita circolare

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

X/H=D/F

Esempio:D=20 micronX=1 mH=1000 kmF=20 m !!!!!

D=20 micronX=100 mH=1000 kmF=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 ~ θX = H*θ = 36.000 * 3.3 x 10-5 = 1.2 km

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

L'ampiezza d dei dispositivi dove si raccoglie la luce, nel fuoco di una lente

• GEOMETRIE D'OSSERVAZIONE:

• Nadir

• Limb

ENVISAT INSTRUMENTSSCANNING GEOMETRY

ceos.cnes.fr:8100/cdrom-00b/ceos1/satellit/envisat/insnts00/index.htm

NADIRLIMB

Scansione Cross-track

Limb measurements resolve the vertical structure of the atmosphere and emission measurements provides continuous (global) geographical coverage.

Limb emission measurements

http://modis.gsfc.nasa.gov/about/specifications.php

Caratteristiche di piattaforma• 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 ~ θX = 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

α

β<α

W/m

2 sr

W/m

2sr

W/m

2 sr

Channel co-registration

Channel co-registration

Caratteristiche Temporali

• Campionamento temporale• Ripetitività• Ora di passaggio (Eliosincronicità)

2007/05/28, UTC AM, AMSR-E

Atmospheric Water Vapor (mm)2007/05/27, UTC AM, AMSR-E

Atmospheric Water Vapor (mm)2007/05/26, 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’ondaMetodi per separare lunghezze d’onda

+Gas cell

IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL 38, NO 2, APRIL 1989, 578-580Precise Measurement of Photodiode Spectral Responses Using the Calorimetric Method

HIDEAKI YAMAGISHI, YASUYUKI SUZUKI, AND AKIO HIRAIDE

Si

Fig. 8. Spectral response of the InGaAs photodiode. The response dependsgreatly on the temperature in the region below 0.95 pm and between1.6 and 1.8 pm.

Fig. 7. Spectral response of commercially available Ge photodiode.

SiInGaAs

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 factorAd is detector area in cm2Δf is effective electronic bandwidth of radiometerAo is mirror aperture area in cm2(Δ) is transmission factor of radiometer optics in spectral interval ΔΩ is solid angle of FOV in steradiansD* 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

• 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. SCANSIONE2. TELESCOPIO3. SEPARAZIONE SPETTRALE DELLA RADIAZIONE4. MISURA DELLA RADIAZIONE5. CONVERSIONE A/D E TRASFORMAZIONE DELLE MISURE PER TRASMISSIONE6. CALIBRAZIONE

SCANSIONE DI MODIS

http://www.eohandbook.com/eohb05/pdfs/instruments_alphabetical.pdf