• سه شنبه ۱۴ مرداد ۱۳۹۹
  • |

آمار سایت

  • تمام بازديد‌ها: 2073176 بازدید
  • بازديد 24 ساعت قبل: 101 بازدید
  • مهمانان حاضر در زیرپورتال: 6 کاربر
  • کاربران حاضر در زیرپورتال:0 کاربر

ورود به سایت

اثرات جو بر روی امواج الکترومغناطیس و طراحی سنجنده

مقدمه
موج الکترومغناطیس در مسیر خود از منبع انرژی به سمت اشیاء از اتمسفر می گذرد. امواج تحت تاثیر مولکول ها و ذرات معلق در اتمسفر قرار گرفته و دچار تغییراتی می شوند. به طور کلی اتمسفر از دو طریق جذب (Absorption) و پراکنش (Scattering) بر روی امواج الکترومغناطیس اثر می گذارد. پراکنش باعث انحراف موج از مسیر اصلی آن می شود ولی جذب انرژی باعث تغییر انرژی درونی مولکول های اتمسفر خواهد شد. تاثیر این دو نوع تعامل اتمسفر و انرژی الکترومغناطیس در برخی از طول موج ها بسیار شدید است، بنابراین باید کاملاً از چگونگی مکانیسم انتقال امواج در اتمسفر آگاه باشیم. این اطلاعات در طراحی سنجنده ها و همچنین انجام تصحیحات بر روی تصاویر اخذ شده بسیار مهم و کارگشا هستند.
اتمسفر بخشی از انرژی الکترومغناطیس را از خود عبور داده و بخشی دیگر توسط مولکول های موجود در اتمسفر جذب می شوند. مهم ترین مواد جذب کننده در اتمسفر عبارتند از: ازن، اکسیژن، دی اکسید کربن و بخار آب. این مواد بخشی از انرژی رسیده را جذب کرده و تبدیل به گرما می کنند. جذب انرژی در برخی از بخش های طیف الکترومغناطیس بسیار زیاد بوده و در برخی دیگر پایین است. به آن قسمت هایی از طیف الکترومغناطیس که جذب اتمسفری در آنها در پایین ترین سطح قرار دارد "پنجره های اتمسفری" (Atmospheric Windows) می گویند. طراحان سنجنده ها، معمولاً باندهای سنجنده ها را در پنجره های اتمسفری طراحی کرده و سعی می کنند از بخش هایی که جذب اتمسفری در آنها بسیار بالاست، اجتناب کنند. شکل 1-1 تاثیر اتمسفر بر روی انرژی الکترومغناطیس را در طول موج های مختلف نشان می دهد.
شکل 1-1: تاثیر اتمسفر بر روی انرژی الکترومغناطیس
جذب اتمسفری در بخش فرابنفش، به علت وجود لایه ازن بسیار بالاست. در مقابل در بخش مرئی اتمسفر به صورت شفاف عمل کرده و جذب بسیار کمی دارد. این نقاط جذب ازن (در 0.6 µ) و مولکول های اکسیژن ( در 0.69 و  0.76 µ) می باشند. بنابراین مهم ترین پنجره های اتمسفری عبارت خواهند بود از:
•    بخش مرئی و مادون قرمز انعکاسی ( در 0.4 تا  2  µ)
•    دو پنجره باریک حول طول موج های 3 و 5 µ
•    یک پنجره قابل توجه در 14- 8 µ

1-1- پراکنش اتمسفری
پراکنش اتمسفری هنگامی اتفاق می افتد که انرژی الکترومغناطیس با مولکول ها و ذرات موجود در اتمسفر برخورد کرده و از مسیر اصلی خود منحرف می گردد. مقدار پراکنش به عوامل چندی بستگی دارد که مهم ترین آنها عبارتند از: طول موج، مقدار و غلظت مولکول ها و اجزای پراکنده در اتمسفر و میزان فاصله ای که انرژی از مبدأ تا مقصد در اتمسفر طی می کند. هرچه فاصله طی شده بیشتر باشد، یا مقدار و غلظت مولکول ها و ذرات پراکنده اتمسفر بالاتر باشد، پراکنش می تواند بیشتر شود. بیشترین سهم در پراکنش را مولکول های اکسیژن، نیتروژن، ازن و همچنین ذرات معلق در هوا نظیر ذرات بخار آب، گرد و غبار و دود دارا می باشند. جو زمین، لایه‌ای از گازها است که زمین را احاطه کرده‌اند و بوسیله جاذبه زمین نگهداشته شده‌اند. جو زمین شامل نیتروژن (78.1%) و اکسیژن (20.9%) همراه مقدار کمی از آرگون (0.9%) ، دی اکسید کربن (متغیر، ولی حدود 0.035%) ، بخار آب و دیگر گازها می‌شود. جو زمین موجودات روی زمین را از طریق جذب اشعه فرابنفش خورشید و کم کردن دمای بالای بین روز و شب محافظت می‌کند. مرز دقیقی بین لایه‌های مختلف جو وجود ندارد؛ ولی جو به سرعت با افزایش ارتفاع رقیق می‌شود و هیچ مرز مشخصی بین جو و فضای خارج از جو وجود ندارد. 75% از جو زمین تا ارتفاع 11 کیلومتر از سطح سیاره وجود دارد. همچنین ارتفاع 100 کیلومتری یا 62 مایلی به عنوان مرز بین اتمسفر و فضا بطور مکرر استفاده می‌شود.
پراکنش اتمسفری به دو دسته عمده "انتخابی" (Selective) و "غیر انتخابی" تقسیم می گردد. پراکنش انتخابی تنها بر روی دسته خاصی از طول موج ها اثر قابل توجه دارد، در صورتی که پراکنش غیر انتخابی وابستگی خاصی به طول موج نخواهد داشت. پراکنش انتخابی خود به دو دسته مهم تقسیم می گردد: پراکنش "ری لی" و پراکنش "می". در ادامه این پراکنش ها را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

1-1-1- پراکنش ری لی
این نوع پراکنش در اثر تعامل انرژی الکترومغناطیس با ذراتی است که از طول موج برخورد کرده، کوچک ترند. این نوع ذرات عمدتا از مولکول های اکسیژن، نیتروژن و ذرات بسیار ریز گرد و غبار تشکیل می شوند. مقدار این نوع پراکنش با توان چهارم طول موج نسبت عکس دارد. بنابراین هرچه طول موج کوتاه تر باشد، مقدار پراکنش آن نیز بیشتر است. عمده ترین نوع پراکنش، پراکنش نوع ری لی است که در بخش مرئی برای نور آبی (طول موجهای 0.5 -  0.4 µ) بیشترین مقدار را خواهد داشت. پراکنش ری لی عامل پراکنش نور آبی در اتمسفر است که در نهایت باعث می شود آسمان آبی رنگ به نظر برسد. همین مسئله در هنگام طلوع و غروب خورشید نیز اتفاق می افتد. در این اوقات نور خورشید که فاصله بیشتری را در اتمسفر نسبت به موقعیت های دیگر طی می کند، دچار پراکنش شده و نور قرمز با طول موج بزرگتر خود کمتر دچار پراکنش می شود و در نتیجه بیشترین نوری که به چشم ما می رسد نور قرمز بوده و عملاً خورشید به صورت قرمز یا نارنجی به نظر می رسد. در شکل 1-2  اثر طول موج در پراکنش ریلی نشان داده شده است.
 
شکل 1-2:  اثر پراکنش ری لی، طول موجهای کوتاهتر بیشتر دچار پراکندگی می شوند
1-1-2- پراکنش می
این نوع پراکنش بر اثر ذراتی در اندازه های  10 -  0.1 µ اتفاق می افتد. با توجه به این اندازه ها می توان گفت که این نوع پراکنش در اثر ذراتی در حد طول موج امواج الکترومغناطیس ( امواج مرئی، مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز حرارتی) ایجاد می شود. مقدار این پراکنش نیز با طول موج نسبت عکس دارد. البته در اینجا شدت آن نصف و یا کمتر از نصف شدت پراکنش نوع ری لی می باشد، بنابراین بر طول موج-های بزرگتر اثر بیشتری نسبت به پراکنش ری لی دارد. در شکل شماره 1-3  علت بوجود آمدن رنگ قرمز آسمان در هنگام غروب که در اثر پراکنش ریلی می باشد، نشان داده شده است.
 
شکل 1-3:  رنگ قرمز غروب و رنگ آبی آسمان بیشتر در اثر پراکنش ری لی به وجود می آید
1-1-3- پراکنش غیر انتخابی
پراکنش غیر انتخابی در اثر ذراتی از اتمسفر اتفاق می افتد که از طول موج های معمول ( مورد استفاده در سنجش از دور) بسیار بزرگتر هستند (مثلاً بزرگتر از 10 µ). بنابراین موج با هر طول موجی که باشد در اثر برخورد با اینگونه ذرات دچار پراکنش شده و به این ترتیب می توان گفت که پراکنش غیر انتخابی مستقل از طول موج است. بارزترین نمونه این نوع پراکنش رنگ سفید ابرهاست. قطرات درشت آب در ابرها باعث پراکنش تمامی امواج مرئی شده و از ترکیب آنها رنگ سفید ابرها به نظر می رسد. در شکل شماره 1-4 اثر ابرها و پراکنش غیر انتخابی بر روی امواج الکترو مغناطیس نشان داده شده است.
 
شکل 1-4: اثر ابر بر روی انرژی الکترومغناطیس و ایجاد پراکنش
1-2- اثرات اتمسفر بر روی امواج الکترومغناطیس
با توجه به آنچه که گفته شد، جو زمین به دو صورت بر روی امواج الکترو مغناطیس اثر می گذارد، اولا باعث جذب انرژی الکترو مغناطیس شده و بایستی محلهای جذبی مربوط به هر مولکول و عنصر موجود در جو، مشخص و معین شود؛ تا بتوان از آن در طراحی سنجنده ها استفاده نمود. اثر دیگر جو، بدین صورت است که باعث پراکنش امواج می-شود و بایست اثر آن از روی تصاویر حذف شود.
اثرات اتمسفر (مخصوصاً پراکنش) بر روی تصاویر متعددند. شکل 1-5 اثر اتمسفر بر روی مقدار انرژی یک پیکسل از تصویر را نشان می دهد.
 
شکل 1-5: اثر اتمسفر بر مقدار انرژی ثبت شده  (بازسازی شده از Richards, 1995)
در غیاب اتمسفر، مقدار انرژی ثبت شده برای یک جزء تصویر، تابعی از مقدار انرژی تابیده شده به جسم و خصوصیات شیمیایی- فیزیکی مؤثر آن بر مقدار انعکاس انرژی می باشد، اما حضور اتمسفر همانطور که شکل 1-5 نشان می دهد باعث پیچیدگی این سیستم می شود. همانطور که گفتیم در طراحی سنجنده ها سعی بر این است که از طول موج هایی که جذب اتمسفری در آنها زیاد است، استفاده نشود و به همین خاطر پراکنش اتمسفری مهم ترین و بیشترین تاثیر را روی تصویر دارد.
پراکنش انرژی باعث می شود یک قطعه بر روی زمین به غیر از موج هایی که مستقیم به سمت آن تابیده می شوند، بخشی از امواج حاصل از پراکنش نیز به آن برسند. این انرژی اضافه، به "تابش آسمانی" (Sky Irradiance) معروف است. بخشی از انرژی رسیده به پیکسل نیز ممکن است از طریق دیگری باشد. انرژی منعکس شده از قطعات مجاور دچار پراکنش شده و به جای طی مسیر مستقیم به پیکسل مورد نظر ما برخورد می نماید ( شکل 5). به این نوع انرژی اضافه، "مولفه دوم تابش آسمانی" (Sky Irradiance Component 2) گویند. اینها مجموعه ای از انرژی ها هستند که به قطعه ای بر سطح زمین به صورت مستقیم و یا بر اثر پراکنش اتمسفری می رسند. حال ببینیم اتمسفر بر روی انرژی رسیده به سنجنده، چه تاثیراتی خواهد داشت. بخشی از انرژی هایی که توسط اتمسفر دچار پراکنش شده اند، بدون اینکه به زمین برسند به سمت سنجنده هدایت و ثبت می شوند. بخشی از امواجی که از قطعات همسایه به سمت سنجنده حرکت می کنند نیز در اتمسفر دچار پراکنش شده و به انرژی های تابیده شده از قطعه مورد نظر ما اضافه می گردند، این نوع انرژی ها به "تابش انحرافی" (Path Radiance) معروفند.

اولین اثر بصری اتمسفر بر روی تصاویر، کاهش کنتراست تصویر است. کنتراست را می توان "نسبت میان روشن ترین و تاریک ترین مناطق یک تصویر دانست". با سیستم پیچیده ای که اتمسفر برای انرژی های ثبت شده پیش می آورد، انرژی ها به صورت واقعی ثبت نشده و معمولاً به مقدار انرژی های ثبت شده اضافه می گردد. کاهش کنتراست تصویر، باعث ضعیف نمودن قدرت آشکارسازی تصویر و پنهان شدن جزییات آن می شود. به جز از دست دادن جزییات با ارزش، اثرات اتمسفری، قدرت تمایز میان اشیا را نیز پایین می آورند، که عملاً باعث مشکل تر ساختن استخراج اطلاعات از تصویر می شوند. باید توجه داشت که بیشتر اثرات اتمسفری وابسته به طول موج هستند و بنابراین هنگام استفاده از باندهای مختلف یک سنجنده باید به این نکته توجه داشت. دومین عامل موثر بر روی اثرات اتمسفری طول مسیری است که امواج الکترومغناطیس تا رسیدن به سنجنده طی می کنند. بنابراین انتظار می رود که سنجنده های با زاویه دید (Field Of View) بزرگ دارای اثرات اتمسفری بیشتری در حاشیه های تصویر باشند و مرکز تصاویر آنها تاثیر کمتری از اتمسفر پذیرفته باشد. اثرات اتمسفری را در صورت حاد بودن معمولاً با الگوریتم های مختلفی بر روی تصویر کاهش می دهند.

ذرّات معلّق موجود در هوا (هوآویزها ) نقش اصلی در تعیین شرایط آب و هوایی ایفا کرده و تأثیر بسزایی بر سلامتی انسان دارند. از طرف دیگر مطالعه هوآویزها از ابعاد نظامی نیز حائز اهمیت است. همچنین هوآویزها بر تعادل و توازن انرژی تابشی زمین نیز بطور مستقیم یا غیر مستقیم اثر می گذارند. مطالعات نشان می دهد که اثر هوآویزها بر موجودی گازهای گلخانه‌ای نیز مطرح و غیر قابل انکار بوده و لزوم اهتمام به مطالعه این ذرّات را بیشتر محرز می‌کند. در اختیار نداشتن اطلاعاتی از چگونگی توزیع هوآویزها در جو کره زمین، مدلسازی وضعیت آب و هوا را دشوار می سازد. اما از همه مهمتر بدلیل تغییرات شدید مقدار هوآویز ها، اثر آنها بر آلبیدوی سطوح بسیار شدید بوده و در نتیجه استخراج اطلاعات از تصاویر ماهواره ای را با عدم قطعیتی غیر قابل پیش بینی روبرو می کند.

تا کنون از هردو طیف مرئی و فروسرخ، برای آشکارسازی هوآویزها استفاده شده است. در استفاده از طیف مرئی از تغییر مقدار انرژی تابشی بازتابیده (رادیانس) ناشی از حضور هوآویزها برای تشخیص آنها استفاده می‌شود. لذا آشکارسازی آنها با کسر کردن بازتابندگی ناشی از عوارض سطح زمین از تصویر صورت می‌گیرد. در محدوده‌های روزنه جوی در IR (InfraRed) از طیف فروسرخ برای آشکارسازی هوآویزها استفاده می‌شود که در این طیف، هوآویزها با اختلاف فاحشی در تصویر آشکار می‌شوند. زمانی که مقدار هوآویزها درجو اندک باشد، سیگنال اصلی دریافتی توسط سنجنده، مربوط به عوارض سطح زمین خواهد بود ولی اگر میزان آلایندگی هوآویزها بیشتر باشد و لایه ضخیمی را به خود اختصاص دهند، در اینصورت انرژی پراکنده شده و یا تابش شده از هوآویزها، بخش عمده سیگنال دریافتی را تشکیل داده و تبدیل داده های ماهواره ای را به اطلاعات زمینی با عدم قطعیت مواجه می سازند. در باندهای حرارتی در مجموع اندازه‌گیری‌ها بر اساس دمای درخشندگی (Brightness Temperature) می‌باشد. تغییرات غیر عادی در دمای درخشندگی، که با استفاده از محدوده مشخصی از طیف IR بدست می آیند، می تواند وسیله ای برای آشکار سازی هوآویزها شود. الگوریتمهای مورد استفاده به منظور بازیابی اجزای هوآویز، بایستی از یک مدل فیزیکی برای استخراج کل مقدار هوآویز ها تبعیت کنند. بدین منظور بایستی با استفاده از تجهیزات خاصی، ضخامت نوری هواویزها مورد مطالعه و اندازه گیری قرار گیرد.



CAPTCHA
دفعات مشاهده: 694 بار   |   دفعات چاپ: 123 بار   |   دفعات ارسال به دیگران: 0 بار   |   0 نظر