1

БИЛЕТ 1

1.1 В зависимости от типа регистрируемого электромагнитного излучения, космические системы ДЗЗ делятся на активные и пассивные.

 — активная система ДЗЗ:

генерирует искусственное излучение, а затем регистрирует его отраженную часть.

К активным системам ДЗЗ относятся:

• радиолокационные (радарные), имеющие радиолокационную съемочную аппаратуру;

• лазерные (лидарные), имеющие лазерную съемочную аппаратуру.

— пассивная система ДЗЗ:

регистрирует отраженную солнечную энергию и тепловое излучение от объектов.

К пасcивным системам ДЗЗ относятся:

• оптико-электронные, имеющие оптико-электронную съемочную аппаратуру;

• тепловые, имеющие тепловую съемочную аппаратуру.

	Пассивные системы			Активные системы
	Отраженный солнечный свет	Тепловое излучение
		Инфракрасно е	Микроволно вое (радио)	Видимое	Микроволновое (радио)
Без изобра жения		Тепловая инфра­ красная радиометрия	Пассивная микроволнов ая радиометрия	Лазерное профилиро вание	Радарная альтиметрия Микроволновая скаттеро­ метрия
Получ ение изобра жения	Аэрофотосъемка Съемка в видимом и близ­ инфракрасном диапазоне	Тепловая инфракрасная съемка	Пассивная микроволно­ вая радиометрия		Радар с реальной апертурой антенны Радар с синтезированной апертурой антенны
Зонди ровани е	Ультрафиолетов ое зондирование	Тепловое ин­ фракрасное зондирование	Пассивное мик­ роволновое зондирование	Лидар

Датчик, является ли он частью пассивной или активной системы, воспринимает

электромагнитное излучение после того, как оно провзаимодействовало с материалом «мишени» или было испущено им. Каким образом это излучение может содержать полезную информацию о

«мишени»? есть только две переменные, описывающие принятое излучение:

1) сколько излучения получено;

2) когда оно прибыло.

Временная характеристика принятого излучения имеет смысл только для активных систем. В таких системах можно определить расстояние от датчика до «мишени», и на этом принципе действуют такие дальномерные системы, как лазерный профиломер, оптический локатор (лидар), радиолокационный высотомер и др. В системах другого типа доступна только информация о количестве излучения, поступившего на датчик. Если излучение является результатом тепловой эмиссии, его величина характеризует температуру источника и его излучательную способность, выражающую эффективность излучения тепловой энергии. В других случаях, когда используются пассивные и активные методы регистрации, количество принятой энергии определяется суммой излучательной и отражательной способности материала «мишени». Выходит,что непосредственно получаемая дистанционным зондированием информация об объекте в значительной степени ограничена: можно измерять только расстояние до него, его отражательные свойства и комбинацию температуры и излучательной способности. Однако измерения можно выполнять в различные моменты времени, на разных длинах волн и в ряде случаев при различной поляризации. Все это способствует повышению информативности получаемых данных и возможности косвенных определений большого числа переменных.

1.2 Диэлектрическая постоянная, является отношением электрической проницаемости материала ^{ к электрической проницаемости свободного пространства }₀ ^.

Д иэлектрическая постоянная газов:

^{где N – показатель концентрации молекул газа (т. е. числа молекул в единице объема), а  — показатель поляризуемости молекул. Поскольку для газов величина N/ 0 существенно меньше 1, достаточно хорошим приближением для показателя преломления будет:}

Величина ^/ ₀ имеет размерность объема, и ее реальное значение близко к физическому объему молекул.

Электрические свойства металлов определяются главным образом наличием в них большого количества свободных электронов. Формулы диэлектрической постоянной для металлов имеют следующий общий вид:

^{В этих выражениях}  ^{есть электрическая проводимость металла, a} τ ^{определяется} формулой:

^где m_e — масса электрона, е — заряд электрона, N — концентрация свободных электронов в ^{металле.}

этом вещественная и мнимая составляющие показателя преломления равны

^{Простые} неполярные материалы характеризуются постоянным (возможно комплексным) значением ^r , а для простых полярных материалов применяются уравнения Дебая (3.20), описывающие явление резонанса с постоянной времени τ (временем релаксации):

^{В этих уравнениях ∞ означает диэлектрическую постоянную на «бесконечной» частоте (практически на частоте, существенно большей, чем 1/ τ ), а p дает добавку, обусловленную полярностью материала. Например, для чистой воды в соответствии с уравнениями Дебая характеристики практически неизменны при частотах от 1 МГц до 1000 ГГц и составляют (при 20°С): ∞=5,0 ; p=75,4 ; τ=9,2 10-12с.} Соответствующие изменения ^{величин  ' и  ' ' показаны на рис. 3.2.}

^1.3 Этот критерий показывает, что при данной высоте неровностей отражение ближе к зеркальному для полого падающих лучей. Влияние неровностей земной поверхности сказывается тем сильнее, чем короче длина волны. В диапазоне УКВ даже небольшие неровности (шероховатости) Земли вызывают рассеянное отражение волн.

Неровной поверхностью для УКВ является также поверхность взволнованного моря, причем степень неровности зависит от силы волнения.

В диапазоне средних и длинных волн неровностями являются холмы высотой в десятки ветров и крупные строения.

^{Следовательно, поверхность может} считаться достаточно гладкой, если

На рисунке: Критерий Рэлея. Лучи отражаются зеркально под углом ^θ₀ от поверхности, участки которой дают колебания по высоте с СКО, равным Δ h . ^{Разность хода двух лучей составляет 2 Δ h cosθ} ₀ ^.

1.4 Датчики излучения в тепловом инфракрасном диапазоне делятся на два класса: квантовые приемники и приемники инфракрасного излучения. В квантовых приемниках фотоны взаимодействуют напрямую с материалом датчика и изменяют энергию электронов. В приемниках инфракрасного излучения изменяются электрические свойства материала датчика в зависимости от температуры. Тепловой инфракрасный диапазон электромагнитного излучения составляет от 3 до 15 мкм. Энергия теплового инфракрасного фотона составляет от 0,1 до 0,4 эВ, которая значительно меньше энергии фотона видимого диапазона. Поэтому изготовление соответствующих фотодиодов для квантовых приемников очень затруднительно. приемники инфракрасного излучения обладают широким спектральным диапазоном. Однако у них более низкая чувствительность и более высокое время срабатывания. Существуют три типа приемников инфракрасного излучения: термисторные болометры, термопары и пироэлектрические устройства. Основой термисторного болометра является материал, который изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры, например углерод, германий и различные составы из окислов металлов. Термопары используют так называемый эффект Зеебека: на двух границах между различными металлами при различных температурах на каждой возникает разница потенциалов. Для усиления сигнала термопары соединяются последовательно в термобатарею. Пироэлектрическое устройство — это кристалл, который изменяет свой внутренний заряд при изменении температуры. Если приложить к кристаллу разницу потенциалов, то внутренний заряд распределится на поверхности кристалла и его можно определить.

1.5

БИЛЕТ 2

1. С оотношение для плоских электромагнитных волн:

Основные параметры :

1 длина волны

2 период колебания волны

3 частота колебаний электромагнитного поля

4 скорость распространения волны

5 поляризация радиоволн

2. Поляриза́ция — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как направление колебаний в волнах этого типа всегда совпадает с направлением распространения^[1].

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Волновой вектор показывает направление распространения волны, а вектор поляризации представляет собой вектор напряженности электрического поля. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — вращение вокруг волнового вектора.

3. Рассеяние (отражение) излучения земной поверхностью является фундаментальным процессом для большинства систем дистанционного зондирования. Исключением из этого является разве что зондирование атмосферы, а также такие пассивные виды измерений инфракрасного или микроволнового излучений, в которых не участвует отраженный солнечный свет.

4. Поясните принципы формирования изображения в ИК системах.

Планарный ПЗС (прибор с зарядовой связью) формирует плоское изображение. Необходимо достаточно времени чтобы определенное количество фотонов от «картинки» попало на датчик. Если датчик находится в движении относительно цели, то применяется пошаговое формирование изображения, чтобы предотвратить его размывание. Изображение состоит из пикселей. Обычно их количество равно 1000 х 1000.

Вторым способ (при линейном ПЗС или одноэлементном датчике) является сканирование картинки с помощью механики. Датчики при таком способе называются датчиками с постоянным сканированием. Сканирование осуществляется построчно — платформа с датчиком перемещается так, что расстояние до картинки остается постоянным. Такой способ применяется в спутниковых системах. В случае формирования изображения одноэлементным датчиком требуется другая механика — линейный сканер, который сначала вращается для сканирования строки, а затем передвигается вперед. Такой метод применяется в бортовых системах (аэро и космических). Например, в приборе ТМ спутников Landsat. В данном методе очень важно согласовать скорость вращения датчика при сканировании одной строки со скоростью передвижения вперед, иначе изображение некоторых строк будет утеряно.

Если нет передвижения датчика относительно цели, то необходима другая механика для сканирования, которая позволяла бы осуществлять построчный охват картинки. Такой метод называется циркуляционным сканированием. Полное изображение части Земли система получает за 20—50 мин.

Екзаменаційний білет № 3

1. Что понимают под спектром электромагнитного излучения и какими функциями он описывается?

Э лектромагнитный спектр это-полный набор всевозможных частот, электромагнитной волны. Отдельным областям спектра условно приписаны свои наименования: свет, радиоволны, ультрафиолетовое излучение и т. п. Эти наименования обычно обозначают способ, которым излучение генерируется или фиксируется. скорость распространения волн:

К онстанта с — скорость света, а также и всех электромагнитных волн в свободном пространстве. Ее значение равно 2,99792458 • 10⁸ м/с. ^{Заметим, что мы использовали угловую частоту} ω ^{и волновое число k вместо привычны} Заметим, что мы использовали угловую частоту ω и волновое число k вместо привычных

Возвращаясь к уравнениям электромагнитных волн (2.2) и (2.3), отметим, что Е₀ представляет собой амплитуду электрического поля, а Е₀ /с — амплитуду магнитного поля, и хотя эти две амплитуды соотносятся с коэффициентом с, говоря об амплитуде волн, обычно имеют в виду Е₀. Энергия переносится волнами в направлении их распространения, соответствующем положительному направлению оси z. Плотность потока (или интенсивность) электромагнитной волны (количество энергии, пересекающей нормальную к направлению распространения волны поверхность единичной площади) определяется выражением:

г де коэффициент Z₀ (импеданс свободного пространства)

равен примерно 377 Ом.

2. Абсорбционная длина и от каких факторов она зависит? Практическое применение.

При отсутствии других факторов, влияющих на интенсивность излучения абсорбционная длина — это величина, позволяющая примерно оценить расстояние, которое может пройти излучение через среду, до того момента как интенсивность излучения значительно упадет. Например, после прохождения двукратной абсорбционной длины интенсивность уменьшается в e^2 раз, т. е. на 14 % по сравнению с ее исходным значением. После прохождения пятикратной абсорбционной длины интенсивность составит лишь 0,7 % исходного значения и т. д. демонстрирует зависимость абсорбционной длины от частоты для различных материалов.Она сильно зависит от таких факторов, как температура и содержание примесей, особенно при низких частотах. Применяется в спектральном методе зондирования земли, биологии, химии, промышленности.

3.14)

где F₀ — постоянная.

Уравнение (3.14) показывает, что плотность потока излучения уменьшается с коэффициентом e (≈2,718), когда волна проходит сквозь среду путь l_a, называемый

(3.15)

абсорбционной длиной и определяемый из соотношения:

3. Что понимают под спектральным рассеиванием? Запишите выражение для диффузного альбедо при спекулярном рассеянье.

Если рассеивающая поверхность очень гладкая, то ее свойства подобны зеркалу. В этом случае мы имеем дело с так называемым спекулярным рассеиванием. Излучение, приходящее с направления ,отражается только в направлении .

Следовательно, ДФРКО здесь является дельтафункцией, которая имеет вид:

отражательную способность r при угле падения :

диффузное альбедо:

Спекулярное рассеяние является лишь одним из частных случаев поверхностного рассеяния, и оно происходит от достаточно гладкой поверхности