Проект космической системы

Проект космической системы. Требования к космической системе охраны лесов от пожара.

Космическая система контроля и охраны лесов должна обеспечивать получение информации о пожарной опасности в лесах охраняемой территории, об обнаруженных лесных пожарах и динамике их развития, о состоянии и качестве лесов. Для определения степени пожарной опасности, в соответствии с показателем Нестерова, необходимы данные о температурном режиме земной поверхности и атмосферы, наличии лесных горючих материалов ЛГМ и их состоянии - все эти параметры могут быть определены по результатам космической съемки земной поверхности.

Для решения задач оценки состояния лесов в зоне обслуживания Забайкальской авиабазой Бурятия и прогнозирования пожарной опасности в данном районе, космическая система контроля и охраны лесов от пожаров должна удовлетворять следующим требованиям 1. В области создания и эксплуатации космических аппаратов - носителей регистрирующих систем повышение надежности функционирования космических систем и увеличение их ресурсов, включая жесткие требования к габаритам, массе, потребляемой мощности, учитывая сложные условия эксплуатации, такие как вибрации, значительные ускорения, перепады температуры, воздействие радиации и т.д. Для обнаружения и слежения за крупными пожарами целесообразно использовать космические аппараты, располагаемые на геостационарных орбитах.

Комплекс космических аппаратов должен обеспечивать получение изображения всего земного шара одновременно. 2. В области регистрирующих систем создание комплекса регистрирующих систем, имеющих возможность работать при низких уровнях освещенности и в широком диапазоне изменения освещенности, обеспечивающих пользователей всей необходимой информацией, в соответствии с их заявками и требованиями регистрирующая система должна иметь сравнительно узкую рабочую полосу частот, занимаемую сигналом и соответственно, высокую помехозащищенность необходимо достижение высокого уровня автоматизации управления работой регистрирующих систем.

Влияющие на информативность изображений показатели регистрирующих систем могут быть разделены на 2 группы I-оптические показатели спектральная чувствительность, количество воспроизводимых градаций яркости и однородность их воспроизведения по полю изображения, четкость изображения и др. П - геометрические показатели размер изображения, формат апертуры, мгновенное и общее поле зрения, захват на местности, нелинейные и геометрические искажения, разрешающая способность на местности и др. Съемка Земли требует обеспечения для изображения заданной как правило высокой разрешающей способности.

Под разрешением на местности понимается минимальный размер элемента местности, который разрешает аппаратура.

Основные трудности наблюдения за лесными пожарами из космоса - зависимость аппаратуры от облачности и дымовых образований.

Аппаратура должна обеспечить заданный уровень вероятности обнаружения лесных пожаров. К числу задач, которые должна решать регистрирующая аппаратура следует в частности отнести изучение снежного покрова и его состояния в зависимости от различных природных и антропологенных факторов оперативная оценка состояния растительного покрова изучение облачного покрова в научных и прикладных целях, в том числе определение состояния облачности для организации искусственным путем осадков в районе массовых пожаров обнаружение и контроль развития лесных пожаров и оценка ущерба. 3. В области систем и средств передач данных создание надежных и емких носителей данных создание надежных средств приема-передачи данных с использованием различных каналов связи повышение пропускной способности каналов передачи данных большого количества информации, содержащейся в одном кадре изображения разработка для этой цели методов сжатия данных. 4. Система космических летательных аппаратов должна обеспечить определенную заданную оперативность и периодичность получения информации. Оперативность определяется временем от момента обнаружения до момента принятия решения о выделении необходимых сил и средств для тушения пожара до 30 мин. Периодичность получения информации должна составлять при наблюдении за состоянием леса в районах с повышенной возгораемостью пожароопасный сезон - не менее 4-х раз в сутки при наблюдении за динамикой развития пожаров и принятия решений для борьбы с ними - каждые 1-2 суток. 3.2. Параметры приемников ИК излучений.

Каждый приемник инфракрасных излучений ИК является преобразователем подающих на него лучистой энергии в электрический сигнал.

В таких устройствах все количественные параметры непосредственно связаны с достаточно отчетливым выделением электрического сигнала на фоне возникающих в преобразующем устройстве шумов.

Таким образом, успешная передача приемником информации о принятом им лучистом потоке определяется соотношением сигнал - шум. Именно уровень шумов определяет главный параметр приемников излучений - пороговую чувствительность Пороговая чувствительность Фпор - определяется минимальным значением сигнала, различаемого на фоне шумов МЭШ Фпор Иш-2, где Иш - напряжение шума. В этом случае полезный сигнал уже не различается.

Пороговая чувствительность Фпор МЭШ измеряется в Ваттах, отнесенных к единичной полосе пропускания Уровень напряжения шумов на выходе приемника среднеквадратичное значение Иш-2 Интегральная чувствительность коэффициент преобразования S - есть отношение электрического сигнала на выходе приемника Ис, к суммарному лучистому потоку Ф, подающему чувствительный элемент приемника S Ис Ф 3.2.1. Величину S измеряют в В х Вт-1. Чем больше значение интегральной чувствительности приемника, тем меньшим может быть выбран коэффициент усиления усилительного устройства Спектральная чувствительность S , представляет собой коэффициент преобразования приемником монохроматических лучистых потоков Ф , зависящий в общем случае от длины волны 3.2.2 Относительная спектральная чувствительность приемника S 3.2.3 Площадь чувствительного элемента S и Ф возрастают обратно пропорционально аn Обнаружительная способность Д , это величина, обратная пороговой чувствительности приемника, измеренной при 1 Гц, и приведенная к единичной площадки чувствительного элемента 3.2.4 3.2.5. где W - спектральная плотность потока излучения или М - спектральный радионный выход.

Вт 10-5 10-6 10-7 10-8 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 К рис. 3.2.1. Зависимость пороговой чувствительности Фпор сернисто-свинцового фоторезистора от температуры Т излучателя.

В общем случае приемник излучений селективен, то есть чувствительность его распределена по спектру сообразно с его спектральной характеристикой чувствительностью S . 3.3. Детекторы излучения.

Детекторы излучения - решающие части любой системы дистанционного зондирования. Спектральные компоненты излучения, полученные оптической части системы, попадают в детекторы излучения и переводятся в форму, подходящую для преобразования из в данные. Природа детекторов излучения в системе дистанционного зондирования оказывает значительное влияние на качество получаемых данных.

Необходимо, чтобы аналитик представлял, как влияют на качество данных различные детекторы излучения, чтобы отклонения, вызванные детекторами, не принимались за аномалии объектов. Фотонные и тепловые детекторы. Обычно используемые в дистанционном зондировании детекторы излучения делятся на две обширных класса фотонные и тепловые. Тепловой детектор существенно изменяет свою температуру в ответ на падающее излучение, и в большинстве случаев его электрического сопротивление - функция температуры.

Преимущество тепловых детекторов в том, что их отклик не зависит от длины волны падающего излучения, они реагируют на излучение всех длин волн. Недостаток в том, что тепловой детектор вообще не способен на быстрый отклик быстро меняющемуся входному излучению и, как правило, менее чувствителен, чем фотонный детектор.

Следует отметить, что фотонные детекторы способны на быстрый отклик поступающего излучения и поэтому часто используются в схемах детектирования систем дистанционного зондирования. По существу, фотонные детекторы основаны на том принципе, что приходящее излучение возбуждает носители электрических зарядов заставляя их переходить с одного энергетического уровня кристаллической решетки детектора на другой. Считают, что носители зарядов, занимающие нижние энергетические уровни, находятся в валентной зоне кристаллического детектора.

Если носитель заряда возбуждается и переходит на такой энергетический уровень, что он может свободно двигаться по всей кристаллической структуре детектора, говорят, что он находится в зоне проводимости. Вследствие квантово-механических свойств прибора носитель заряда переходит с энергетического уровня валентной зоны на энергетический уровень зоны проводимости через запрещенную энергетическую зону. На рисунке 3. .1. дано схематическое представление такой структуры энергетических зон. рис. 3.3.1. Схема энергетической зоны фотонного детектора.

Если рассматривать излучение с точки зрения квантовой механики, то можно говорить, о нем как о волновом или корпускулярном. Рассматривая излучение с точки зрения его волнового характера, мы говорим о длине волны. Однако рассматриваемая излучение как корпускулярное, мы говорим о частицах, называемых фотонами, каждый фотон обладает энергией, равной h, где h- постоянная Планка частота излучения.

Этот двойственный характер излучения - один из основных принципов современной физики. Когда фотон или квант излучения попадает на фотонный детектор, носитель электрического заряда выбивается из валентной зоны и переходит в зону проводимости всякий раз, когда h больше или равно Еg, где Eg - расстояние в энергетическом смысле между валентной зоной и зоной проводимости. Точнее, фактически получается два носителя зарядов. Один из них, носитель положительного заряда дырка, остается на энергетическом уровне валентной зоны, носитель отрицательного заряда электрон двигается в зону проводимости. оба эти носителя зарядов способствуют образованию в фотонном детекторе электрического сигнала.

Поскольку электрон перемещается в зону проводимости только тогда, когда приходящий фотон имеет энергию h, большую или равную Еg, то детектор поглощает излучение и является непроницаемым для этого излучения. Отклик фотонного детектора пропорционален числу носителей зарядов в зоне проводимости, то есть отклик пропорционален числу переходов электронов, вызванных приходящими фотонами.

Чувствительность детектора - мера электрического отклика т.е. число электронных переходов на Ватт приходящего излучения. Поскольку фотонный детектор регистрирует так только когда, где С - скорость света длина волны, то отклик детектора имеет место всякий раз, когда 3.3.2. Это выражение определяет пороговую длину волны детектора.

Мощность падающего пучка Ф определяется 3.3.3. где Nф - число падающих на детектор за 1с фотонов - энергия фотона. прямая относительность Nф, имеем 3.3.4. Чувствительность детектора будет 3.3.5. где К - коэффициент пропорциональности - квантовый выход. Отсюда 3.3.6. где На рисунке 3.3.2. дан график этого отклонения. Для сравнения в той же системе координат приведен относительный отклик теплового детектора. Отметим, что чувствительность теплового детектора не зависит от длины волны и меньше, чем чувствительность фотонного детектора в диапазоне длин волн, близких и . рис. 3.3.2 Идеальные отклики теплового и фотонного детекторов. Вообще, как уже говорилось, максимум чувствительности фотонного детектора больше и быстрота реакции выше, чем у теплового.

Чтобы покрыть широкую полосу длин волн, обычно необходимо несколько различных фотонных детекторов, поскольку они не могут обнаруживать излучение за пределами своих собственных пороговых длин волн. Кроме того, по мере того, как длина волны уменьшается, чувственность данного фотонного детектора снижается до такой величины, что обычно используются детекторы с более низкими значениями. Кристаллические материалы, которые часто используются для изготовления детекторов - это кремний, сульфид свинца, антимонит индия, ртутно-кадмиевый теллурий, свинцово-словянный теллурий и германий легированный ртутью или золотом.

Чтобы выбрать детектор для данного диапазона длин волн, необходимо знать критерий качества датчика.

Аналитик данных дистанционного зондирования должен хорошо знать чувствительность и характеристику шума применяемых детекторов, т.к. это необходимо при выборе процедуры анализа данных, которые будут хорошо работать, несмотря на присутствие шума. Хорошо, если этот критерий качества относительно прост для измерений и зависит только от материалов, из которого изготовлен детектор, а не от его размеров. Качество детектора определяют две основные характеристики чувствительность детектора, т.е. величина его отклика, и генерируемый им внутренний шум. Первая характеристика количественная, определяется предыдущим уравнением Rф. Последняя шум нежелательный сигнал, генерируемый внутри детектора из-за термически возбужденных, случайно генерируемых носителей зарядов.

Количественно, внутренний шум выражается в терминах мощности, эквивалентной шуму МЭШ детектора, определяемой как мощность, необходимая для получения отношения сигнал-шум детектора, равного 1. Поскольку обычно мы хотим, чтобы по мере улучшения детектора, критерий качества увеличивался, вводится другой символ - Д, обозначающий величину обратную МЭШ. Для многих детекторов величина МЭШ пропорциональна квадратному корню из площади, но как отмечено выше, желательно, чтобы критерий качества не зависел от площади детектора.

Поскольку определяем способность к обнаружению обозначенную Д , как 3.3.7. где А - площадь детектора. Д зависит от длины волны, электрической полосы частот, ВW регистрирующей системы, подсоединенной к детектору и частоты работы, d, объединенных с детектором системой оптической обработки и усиления электрических сигналов.

Тогда способность к обнаружению в функциональной форме выглядит так Д Д d, ,B, W . После зрения иногда также определяется обычно 2Пср. Фотонные детекторы должны работать и при температурах, значительно более низких, чем действительная радиационная температура объекта, излучение которого они обнаруживают. Это необходимо для того, чтобы термически индуцируемый, внутренне генерируемый шум детектора сделать существенно ниже действительной радиационной температуры сигнала.

В ближней и средней ИК областях спектра обычно нет необходимости охлаждать детекторы до температуры ниже температуры окружающей Среды, поскольку наблюдаемая радиационная температура Солнца, которое является источником отраженной энергии, преобладающей в этой части спектра, гораздо выше температуры самого детектора. Однако в дальней области спектра действительная радиационная температура объекта примерно равна температуре окружающей Среды и шумовой температуре детектора, поэтому детектор необходимо охлаждать до температуры значительно более низкой, чем окружающая Среда. В качестве охладителя часто используют жидкий азот, поскольку он более доступен.

Охлажденные жидким азотом детекторы работают приблизительно при температуре 77 К. Исходя из вышеизложенного, для аппаратуры, представленной в данной дипломной работе выбираем следующие два типа детекторов излучения германий, легированный ртутью и германий, легированный золотом.

Германий, легированный ртутью Ge Hg Основные характеристики приемника Используемый эффект - фотопроводимость р-типа Температура, К - 35 max, мкм -11 Частота модуляции, Гц - 800 60о Д 500 К, d, см х Гц1 2Вт-1 черное тело - 7 х 103 Д max, d , см х Гц1 2Вт-1 - 3 х 1010 Постоянная времени, мксек - 0,1 Преобладающий шум токовый Оптимальная частота модуляции, Гц - 1500. Ge Hg - наилучший детектор для работы приемника ИК излучения в окне прозрачности атмосферы 8-14 мкм. Материал получают, выращивая кристаллы Ge в атмосфере, содержащей пары ртути.

Фотопроводимость р-типа обусловлена переходами между валентной зоной и уровнем, отстоящим на 0,077 эв от её верхнего края. Порог спектральной чувствительности - около 13,9 мкм. Приемник требует охлаждения до Т 35 К, при Т 40 К Обнаружительная способность уменьшается вдвое. В качестве хладагентов можно пользоваться жидким гелием, водородом или неоном.

Сопротивление приемника при 30 К равно около 50 кОм, постоянная времени лежит в пределах от 0,1 до 1 мк.сек. Германий, легированный золотом Ge Au. Основные характеристики приемника Используемый эффект - фотопроводимость р-типа Температура, К-65 mах 4,7 мкм Д 500К,d, см х Гц1 2 х Вт-1 черное тело - 1,7 х 1010 Д mах, d , см х Гц1 2 х Вт-1 - 4 х 1010 Оптимальная частота модуляции, Гц - 40 Постоянная времени, мксек - 1 Преобладающий шум - токовый и генерационно-рекомбинационный. Ge Au - наилучший детектор для работы приемника ИК излучения в окне прозрачности 3,5-5 мкм. При введении в Ge Au - возникают 3 акцепторных и 1 допорный уровень. 3.4. Многоспектральный построчно-прямолинейный сканер.

Многоспектральный построчно-прямолинейный сканер дает изображение последовательно. Работу много спектрального сканера описывает блок-схема, представленная ниже. рис. 3.4.1. Блок-схема много спектрального построчно-прямолинейного сканера. Объект сканируется растровым образом строка за единицу времени. Система получения информации методом сканирования сложна и состоит их 4-х основных звеньев оптической системы и устройств приема, обработки и выдачи информации.

Функциональная схема работы двухспектрального сканера представлена на рис. 3. .2. Излучение проходит через собирательную систему, создающую мгновенное поле зрения МПЗ . Оптическая система представляет собой сканирующее устройство, генерирующее на фотоумножителе сигнал, пропорциональный яркости сканирующего элемента.

Общее поле зрения местности создается вращающимся клинообразным зеркалом, при этом сканирование в одном направлении осуществляется за счет движения самолета или спутника вперед, а в другом направлении за счет вращения или колебания призмы или зеркала или вращения ИСЗ вокруг своей оси. Колебательное перемещение зеркала в сочетании с движением самолета или спутника обеспечивает непрерывный охват определенной полосы местности, размер которой зависит от применяемой аппаратуры и высоты полета.

Движение элемента, точно нацеливает сканер на различные точки поверхности объекта. Затем приходящее излучение проходит через собирающую оптическую систему сканера, которая фокусирует поток излучения на дисперсирующую оптическую систему и детекторы. С помощью дисперсирующих призм, дифракционных решеток и фильтров, излучение разлагается на спектральные составляющие. Набор детекторов улавливает дисперсированное излучение. Приемники излучения в пространстве расположены так, чтобы составляющие их детекторы могли улавливать тот диапазон длин волн, к которому они чувствительны.

Сигналы, идущие с каждого детектора, усиливаются и обрабатываются проходя через фильтры и оцифровываются, далее записываются на борту ИСЗ или посредством радиоканала или телеметрии передаются сразу на пункт приема и обработки аэрокосмической информации. Также записывается или передается информация, касающаяся источников калибровки, они также сканируются между собой видами калибровочных источников, точностью ориентации и слежения, а также методами регистрации получаемой информации.

Результат регистрации излучения при ИК съемке методом оптико-механического сканирования, представляет собой матрицу многомерных векторов. Каждый вектор такой матрицы отображает определенную точку на Земле, о каждая его компонента соответствует одному из спектральных каналов. Большинство сканирующих систем включают в себя в основном отражающие оптические системы. Собирающая оптика может быть либо отражающей, либо преломляющей, либо их сочетание катадиоптрической. Отражательные системы обладают рядом преимуществ, на них не влияет хроматическая аберрация, они обладают высоким пропусканием, относительно недорогие и в них легче корректируются другие аберрации.

Однако для данной эффективной аппаратуры преломляющая система может меньший размер, чем эквивалентная отражательная система. Она может быть сделана более эффективной с точки зрения первичного маскирования, и в некоторых случаях она может обеспечить свое собственное окно прозрачности и пространственную спектральную фильтрацию.

Аналоговый сигнал, записанный на магнитную ленту или МД, преобразуется в цифровую форму, корректируется для комплексации угла поворота, симметрируется и нормируется относительно калибровочных сигналов. Зоны спектра могут быть объединены в любом сечении для получения любого черно-белого или цветного изображения. Материалы ИК съемки, записанные на МЛ или МД, вводятся в ЭВМ и анализируются для каждой точки земной поверхности в каждой зоне съемки.

Затем, сопоставлением полученных значений с заданным эталоном, оценивается их соответствие материалов, на печатающее устройство, выдается карта, с нанесенными на ней различными объектами, в нашем случае лесными пожарами, с указанием площади и некоторых характеристик каждого очага. Поток энергии сигнал и шум. Многоспектральный сканер можно рассматривать как датчик излучения, дающий изображение в спектральном виде, излучение приходит от значительно удаленного объекта.

Энергия идет от элемента разрешения на местности через атмосферу сканера. Размер эффективной апертуры сканера определяется площадью собирающего зеркала. Фокусное расстояние сканера и, следовательно, его поле зрения определяется фокусным расстоянием собирающего зеркала и оптической входной щели. монохроматора. Электромагнитная энергия в монохраматоре и в диапазоне длин волн от до выражается так 3.4.1. где Ф - поток энергии для абсолютно черного тела при Т 300К в спектральном диапазоне 10-12 мкм 5,1 х 10-7Вт - прозрачность атмосферы 0,5 - спектральная плотность энергетической яркости элемента разрешения на местности 9,5 Вт м2 х ср. мкм 2 мкм - МПЗ сканера, раз - апертура сканера, м2 Ар х В2 5,37 х 10-8м2 х ср. мкм. рис. 3.4.3. Схема ИК сканера на борту летательного аппарата.

Спектральная плотность энергетической яркости элемента размещения на местности Z , есть тепловое излучение площади земли, зависящее от её температуры. Спектральная плотность энергетической яркости сцены, если рассматривать, что исследуемый объект представляет собой абсолютно черное тело с излучательной способностью Е около 1 при температуре 300 К 3.4.2. где Е - излучательная способность коэффициент излучения, безразмерная величина Е 1 для А П С1- первая константа излучения 3,7413 х 108 Вт мкм 4 м2 - длина волны излучения, мкм С2 - вторая константа излучения 1,4388 х 104 мкм х К Т - абсолютная температура излучения, К. Изменение потока энергии, попадающей в сканер, вызванное изменением Z , следующее 3.4.3. тогда 3.4.4. В дальней инфракрасной области спектра, изменение Z , как показано на рисунке 3.4.4 могут возникнуть из-за изменений температуры.

Поскольку мы можем показать, что 3.4.5. Для представляющих интересов диапазона длин волн и температур, это выражение может быть записано и записываем в виде 3.4.6. Тогда образом изменение энергии, вызванное изменением температуры от 300 К до 301 К для 11 мкм Шум ограничивает способность сканера различать изменения в температуре в той части спектра, где преобладает тепловые эффекты. рис. 3.4.4. Шумовые ограничения на разрешение изменения температуры.

Выражение Ф 5,1 х 10-7 Вт и Ф Т 7,41 х 10-9 Вт, дают нам представление о средних уровнях мощности сигнала и об изменении уровней мощности сигнала, имеющих место в дистанционном зондировании. Рассмотрим детали процесса сканирования рис.3.4.5 Предположим, что имеем плоское сканирующее зеркало и детекторную сетку и q детекторов.

Главное фокусное расстояние зеркала d, а эффективная площадь первичного зеркала П 4 Д2. Временный интервал в сек необходимый для сдвига элемента разрешения на одну единицу вдоль растровой линии сканирования, В W, где W- скорость вращения зеркала. Площадь детектора Вd 2. рис. 3.4.5. Схема сканирующей системы.

Время нарастания детектора усилителя записывающей системы должно составлять часть этого времени, то есть 3.4.7. где g - константа, значение её принимают обычно между 5 и 10. Для смежного сканирования сканирующее зеркало должно повернуться на полный угол сканирования Q за время продвижения носителя аппаратуры на расстояние qBH, т.е. за, сек, таким образом, рад 3.4.8. Зеркало должно вращаться со скоростью, рад с 3.4.9. Полоса пропускания системы детектор - усилитель - записывающее устройство , Гц 3.4.10 где а - константа, обычно её значение между и, тогда , Гц 3.4.11 Мощность, эквивалентная шуму детектора будет равна , Вт 3.4.12 где - способность обнаружения А - площадь детектора. Мощность входного сигнала с учетом ситической эффективности , Вт 3.4.13 Разделив на МЭШ получим отношение сигнал шум 3.4.14 для управления примем а 3 g 2П q 6 0,34 3.4.15 Заметим, что отношение сигнал шум увеличением светосилы оптической системы Д d. Отклонение сигнал шум также улучшается при увеличении чувствительности квантового детектора и при увеличении имеющегося сигнала. Это отношение зависит от квадрата мгновенного поля зрения сканера и пропорционально ширине спектральной полосы.

Заметим, что отношение сигнал шум, обратно пропорционально корню квадратному из отношения V H. Это подчеркивает, насколько мы должны поступиться качеством сигнала, чтобы получить более высокое пространственное или спектральное разрешение.

Однако заметим, что увеличение отношения V H не сказывает большого влияния на отношение сигнал-шум. Геометрические характеристики сканирования.

Рассмотрим запись j-го элемента разрешения произвольной строки сканирования i. Предположим, что спутник лежит строго прямолинейно на постоянной орбите высоте относительно спарной плоскости, движется с постоянной скоростью относительно Земли. Координаты спутника Х ,У ,Z . рис. 3.4.6. Геометрические параметры сканирования.

Не изменяются элементы внешнего ориентирования. Кроме того, предполагается, что каждая строка сканирования мгновенно записывается. рис. 3.4.7. Идеальная геометрия много спектрального сканера а - вдоль направления полета б - направления полета. На рисунках 3.4.6. и 3.4.7. В - угловое разрешение сканера по оси Х, т.е. физическое разрешение сканера - действительное угловое разрешение вдоль линии сканирования, или по оси У, которое в конечном счете ограничено физическим разрешениям сканера, а также на него влияет шаг квантовых в процессе преобразования аналог - код цифра, которому подвергаются данные.

Углы и В определяют мгновенное поле зрения МПЗ . Полный угол сканирования - общее поле зрения ОПЗ - равно 2 . Действительное фокусное расстояние сканирующей системы - d. Скорость сканирования выбирается такой, чтобы не было пропусков между сканами при скорости спутника V. Тогда среднее продвижение для каждой строчки сканирования будет dх - ширина скана на уровенной поверхности dх Нс х В, где Нс - высота спутника над уровнной поверхностью при записи сканером i-й строки сканирования. Размер элемента изображения по направлению вниз по полосе dх d x B, где d- фокусное расстояние оптики сканирующей системы V x dt dx. Объединяя эти результаты, получим выражение для 3.4.16 где хо - координата по х первой строки сканирования.

Используя рис. 3.4.7.б, можно вычислить наземную координату полета 3.4.17 где - наземная координата точки j - координата сканера по оси У в момент записи J-й строки сканирования - превышение точки местности принятый уровень - угол сканирования в момент записи - положение изображения на круглой цилиндрической поверхности изображения, сосной с линией полета.

Таким образом, рассмотрев основные параметры и принципы работы приемников ИК-излучений, детекторов излучения и много спектрального построчно-прямолинейного сканера, а также исходя из основных требований к космической системе охраны лесов от пожаров, можно перейти к выбору самой системы. 3.5. Обоснование выбора космического летательного аппарата и регистрирующей аппаратуры, устанавливаемой на его борту.

Научно-исследовательские работы в области оперативного обнаружения возгораний в лесных массивах ведутся как в нашей стране, так иза рубежом.

В настоящее время созданы и активно развиваются спутниковые системы и целые сети спутников различного назначения. Так, в нашей стране разработана и введена в эксплуатацию космическая природоресурсная система Ресурс-01 3 и 4 . Уже давно функционирует сеть метеорологических спутников, в которую входят геостационарные Meteosat, GOES, GMS и низкоорбитальные спутники, выведенные на полярные орбиты NOAA, Meteor. Существуют и коммерческие спутниковые программы SPOT и Londsat. Так же, используются космические аппараты типа Мояния, достоинством которых является возможность контроля больших участков поверхности суши и оперативность получения информации о возникновении и развитии пожаров.

Но есть и недостатки, основным из которых является необходимость оснащения КА высокочувствительной аппаратурой, способной обнаружить пожар на расстоянии 40000 км. Поэтому среди действующих в настоящее время космических систем, наиболее адекватными представляются системы низкоорбитальных метеорологических спутников NOAA. В настоящее время в оперативной работе используются 3 спутника - NOAA-12, NOAA-14 и NOAA-K 15 . Эти спутники обращаются на почти круговых, солнечно-синхронных орбитах с высотой 850 км и наклонением около 90о. Одновременно на орбите находятся не менее двух спутников, что позволяет получать информацию о состоянии окружающей среды заданного региона с периодичностью не менее 4 раз в сутки и, как правило, в утренние и вечерние часы местного времени. На широтах России соседние ветки спутника заметают всю поверхность Земли без пропусков.

Для полного покрытия всей России необходимо 5-6 пролетов спутника.

Основной поток информации, поступающей с ИЗС NOAA, составляют данные прибора AVHRR Advanced Very High Resolution Radiometer. Информация поступает в цифровом виде, что значительно повышает помехозащищенность. Прибор AVHRR измеряет собственное и отраженное Землей излучение в пяти спектральных каналах 0,58-0,68 0,725-1,1 3,55-3,93 10,3-11,3 11,5-12,5 мкм. В режиме HRPT на Землю передаются данные со всех пяти каналов в цифровом виде, с пространственным разрешением 1 км на частоте 1,7 Ггц. Изображение захватывает полосу на земной поверхности шириной около 2500 км по трассе пролета спутника.

В соответствии с международным соглашением о свободном использовании информации с метеорологических ИСЗ - Open skies, каждый пользователь, имеющий приемную станцию, может получать информацию непосредственно с этих спутников. Одной из таких станций является станция Scanor, которая была приобретена Институтом солнечно-земной физики ИСЗФ СО РАН в декабре 1993г при финансовой поддержке администрации Иркутской области для решения задач охраны окружающей Среды. Установленный в ИСЗФ СО РАН аппаратурно-программный комплекс приема и обработки данных дистанционного зондирования, позволяет получать данные об отражательных свойствах объектов в видимом диапазоне и об их температуре, используя данные инфракрасных каналов.

Отметим, что данные инфракрасных каналов позволяют определять температуру поверхности с точностью лучше 1 градуса.

Известно, что основным дешифровочным признаком очага пожара является его инфракрасное излучение, максимум которого приходится на спектральный диапазон 3,1-3,7 мкм, т.е. на третий канал прибора AVHRR и, следовательно, этот канал используется для обнаружения пожаров, размеры которых значительно меньше пределов пространственного разрешения. Информация, поступающая с других спектральных каналов, помогает отделить облака, что очень важно, т.к. в третьем спектральном канале отклик от освещенных солнцем облаков сравним, а иногда и превышает отклик от пожара.

Четвертый и пятый каналы AVHRR позволяют получать информацию о температуре и влажности на земной поверхности и могут быть использованы для обнаружения и прогноза пожароопасных районов. С января 1994 года ведутся регулярные наблюдения за состоянием окружающей Среды и помощью приема цифровой информации со спутников серии NOAA. В результате первых же изменений, были обнаружены на снимках два открытых источника огня факелы предприятия Ангарскнефтеоргсинтез, размеры которых не превышают 20м2 см. рисунок . рис. 3.5.1. Изображение юго-западной части территории Забайкальской авиабазы факелы указаны черными точками . 17.01.94г. Эти источники имеют определенные географические координаты и четко фиксировались на протяжении зимне-весеннего периода.

Иркутским ИСЗФ СО РАН был проведен цикл исследований в период весна-осень 1994г. по обнаружению лесных пожаров с целью проверки возможностей прибора AVHRR. Технология экспериментальных работ заключалось в следующем. Космические снимки на определенные даты с указанием координат возможных лесных пожаров передавалось Нижнейлимскому авиа отделению лесоохраны и кем-либо проводилось сопоставление с данными авиа охраны, либо выполнялся облет указанных точек с фиксацией площадей очагов возгорания. рис. 3.5.2. ИК-снимок Братского и Нижнеилимского районов пожары указаны черными точками 16.05.94г. На приведенном снимке от 16.05.94г. рис. 3.5.2. было идентифицировано 12 очагов пожаров, что на 100 подтвердилось данными авиа лесоохраны.

Зарегистрированные площади лесных пожаров составили от 0,01 до 200 га. Затем был проведен анализ данных дистанционного зондирования и авиа лесоохраны, по снимкам за 16 дней пожароопасного периода.

В средней обнаружение действующих пожаров по указанной статистике на гари предыдущего года, песчаные карьеры, на потушенные, но еще теплые пожары.

Вообще, основным отрицательным показателем любой регистрирующей ИК-аппаратуры является, реагирование её на так называемые ложные очаги отражения солнечного света от поверхности воды, металлических кровель, железнодорожного полотна и т.п. Основным способом борьбы с этим негативным явлением является создание алгоритмов распознавания и разделения бликов, по разности альбедо. Из отечественных спутниковых систем, использующихся в настоящее время для обнаружения лесных пожаров, наиболее соответствует система типа Ресурс-01 . Сейчас на орбите находятся два спутника Ресурс-01 3 и Ресурс-01 4 . Спутники вращаются по солнечно-синхронной орбите на высоте 650-830 км, с наклонением 98 градусов.

Оснащены трехканальной оптической аппаратурой высокого размещения 160м видимая и 600м ИК много спектральной аппаратурой с разрешающей способностью 5-15м радиометр высокого разрешения с синтезированной апертурой и экспериментальный СВЧ радиометр. Причем ИК аппаратура, работающая в диапазоне 3,1-3,7 мкм имеется только на 4. Соответственно обнаруживать очаги лесных пожаров можно только с помощью спутника Ресурс-01 4 . Информация со спутников поступает в Региональные Центры Спутниковой Информации РЦСИ , расположенные в городах Обнинске Московской области , Новосибирске и Хабаровске. На малые станции приема спутниковой информации, коих по России уже более двадцати, поступает информация только со спутника Ресурс-01 3 . На данных пунктах приема спутниковой информации используется аппаратура двух типов ScanER и ScanEX. Разрозненность центров приема информации и ненадежная связь между ними, ведет к увеличению времени между приемом сигнала, его обработкой и передачей на центральный пункт приема и обработки Центральная авиабаза, г. Пушкино, Московской обл для принятия конкретных оперативных решений.

Кроме того, еще более важным недостатком спутниковой системы Ресурс-01 является то, что спутники двигаясь по солнечно-синхронной орбите, способны пролетать над одной и той же точкой местности с частотой примерно 1 раз в двое суток.

Все это заметно снижает возможности данной спутниковой системы, в области использования её для оперативного обнаружения лесных пожаров в пожароопасный период, на данной территории.

Исходя из всего вышеизложенного в 3-ей главе, приходим к выводу, что использование низкоорбитальной метеорологической спутниковой системы NOAA с аппаратурой AVHRR, с целью оперативной оценки метеообстановки, контроля динамики лесных пожаров, быстрого обнаружения пожаров на территории Республики Бурятия, представляется наиболее рациональным и доступным. ГЛАВА 4