Eφαρμογές του SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field of view Sensor)

Από RemoteSensing Wiki

Στόχος μεθόδου

Η αποστολή του τηλεπισκοπικού οργάνου SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field of view Sensor) αποτελεί μέρος της αποστολής MTPE (Mission to Planet Earth) της NASA, η οποία σχεδιάστηκε με σκοπό την παρατήρηση του πλανήτη μας από το διάστημα και την καλύτερη κατανόηση του συστήματός της και της εξέλιξής της. Ο αισθητήρας SeaWiFS ακολούθησε την αποστολή του τηλεπισκοπικού οργάνου ανίχνευσης της παράκτιας ζώνης CZCS (Coastal Zone Colour Scanner), το οποίο αποτελεί τον πρώτο αισθητήρα που προοριζόταν ειδικά για την παρακολούθηση των ωκεανών της γης και των υγρών σωμάτων και που ολοκλήρωσε τη λειτουργία του τον Ιούνιο του 198

Περιγραφή Μεθόδου

Ο αισθητήρας SeaWiFS αποτελεί μέρος του ωφέλιμου φορτίου του δορυφόρου SeaStar της εταιρείας τροχιακής επιστήμης OSC (Orbital Science Corporation) που τέθηκε σε τροχιά την 1 Αυγούστου του 1997. Πρόκειται για έναν οπτικό αισθητήρα με ευαισθησία στο χρώμα (colour sensitive) που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση των χρωματικών μεταβολών των ωκεανών της γης. Ο σκοπός του είναι η συνεχής παροχή στοιχείων σχετικά με τις βιο-οπτικές ιδιότητες των ωκεανών (εκείνες τις ιδιότητες των οργανισμών που μπορούν ουσιαστικά να καταγραφούν). Παρακάτω φαίνεται μια όψη του αισθητήρα. Ο αισθητήρας έχει τη δυνατότητα παρατήρησης και ανίχνευσης της ακτινοβολίας σε 8 διαφορετικές ζώνες, οι οποίες εκτείνονται από την ορατή μέχρι την εγγύς υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. Αποτελείται από μια μονάδα οπτικών συστημάτων για παρακολούθηση και από μια μονάδα ηλεκτρονικών συστημάτων για επεξεργασία της συλλεγόμενης πληροφορίας, αποθήκευση και μετάδοση. Το δυναμικό εύρος του αισθητήρα επεκτάθηκε ώστε να μην κορεστεί (θαμπωθεί) υπό την επίδραση υψηλών συγκεντρώσεων ανακλώμενης ακτινοβολίας, όπως από τα σύννεφα ή από τους μεγάλους όγκους πάγου.

                                                                            Σχήμα 1: Αισθητήρας SeaWiFS

Ο αισθητήρας SeaWiFS χρησιμοποιεί μια πολυκαναλική τεχνική επεξεργασίας TDI (time-delay and integration) σε καθεμία από τις 8 φασματικές ζώνες προκειμένου να επιτύχει τον απαιτούμενο σηματοθορυβικό λόγο SNR. Αυτή η ικανότητα επιτρέπει μια μικρότερη οπή συλλογής του φωτός για τον αισθητήρα με αποτέλεσμα τη δυνατότητα κατασκευής ενός μικρότερου και ελαφρύτερου οργάνου. Ολόκληρος ο αισθητήρας μπορεί να λάβει κλίσεις –20ο, 0ο ή +20ο προκειμένου να αποφύγει την ηλιακή λάμψη που ανακλάται από τους ωκεανούς. Το συνολικό βάρος του οργάνου ανέρχεται στα 50,8kg. Ο τηλεπισκοπικός αισθητήρας SeaWiFS μπορεί να παράγει περισσότερη πληροφορία σχετικά με την επιφάνεια των ωκεανών σε 2 λεπτά από αυτή που θα μπορούσε να παράγει ένα πλοίο σε διάστημα 10 χρόνων.

Τρόπος Λειτουργίας

Ο SeaWiFS είναι ένας παθητικός οπτικός αισθητήρας που ανιχνεύει μόνο εκείνη την ακτινοβολία που ανακλάται από τη γήινη επιφάνεια πίσω στο διάστημα. Ο αισθητήρας έχει την ικανότητα να συλλαμβάνει και να επεξεργάζεται εικόνες ως εξής: • Αρχικά, η εισερχόμενη ακτινοβολία συλλέγεται από ένα περιστρεφόμενο τηλεσκόπιο και κατόπιν ανακλάται πάνω σε ένα κάτοπτρο το οποίο περιστρέφεται με τη μισή ταχύτητα. Τα δύο αυτά συστήματα είναι συγχρονισμένα κατά φάση ώστε να ελαχιστοποιείται η πόλωση στη σχεδιαζόμενη εικόνα. (Το τηλεσκόπιο εκτελεί 6 περιστροφές το δευτερόλεπτο σαρώνοντας ένα μονοπάτι στη γη με κατεύθυνση εγκάρσια ως προς την τροχιά.)

• Η ανακλώμενη εικόνα οδηγείται σε ένα διαχωριστή ακτίνων, ο οποίος χωρίζει την ακτινοβολία σε 4 περιοχές μηκών κύματος-σε κάθε τέτοια περιοχή περιέχονται 2 από τις 8 φασματικές ζώνες του οργάνου.

• Στη συνέχεια, η ακτινοβολία από τις 4 παραπάνω περιοχές μηκών κύματος οδηγείται μέσω δύο ξεχωριστών φασματικών ζωνοπερατών φίλτρων και τελικά χωρίζεται στις 8 απαραίτητες φασματικές ζώνες του SeaWiFS.

• Τα ανιχνευόμενα σήματα οδηγούνται σε προενισχυτές και κατόπιν στην ηλεκτρονική μονάδα για ψηφιοποίηση και TDI επεξεργασία.

• 􀂃Στην ηλεκτρονική μονάδα τα σήματα ενισχύονται και φιλτράρονται και πάλι, ώστε να περιοριστεί ο θόρυβος. Το φιλτραρισμένο σήμα ψηφιοποιείται μέσω ενός 12-bit αναλογικού-ψηφιακού μετατροπέα.

• 􀂃Μετά την ψηφιοποίηση, οδηγείται σε έναν επεξεργαστή για την TDI λειτουργία, η οποία λαμβάνει χώρα σε πραγματικό χρόνο καθώς καταγράφονται οι εικόνες.

• 􀂃Τέλος, τα επεξεργασμένα σήματα προστίθενται, διαιρούνται δια 4 και στρογγυλοποιούνται σε 10-bit αριθμούς για αποθήκευση. Οι 10-bit αριθμοί στέλνονται σε ένα σύστημα πληροφοριών πάνω στο δορυφόρο με ρυθμό 1.885 Mbps. Επίγειοι σταθμοί μετάδοσης εικόνων υψηλής ανάλυσης HRPT (High Resolution Picture Transmission), λαμβάνουν τα δεδομένα καθώς ο δορυφόρος SeaStar περνά πάνω από αυτούς.

Εφαρμογές

Η κύρια εφαρμογή του αισθητήρα είναι η ανίχνευση των μεταβολών στο χρώμα των ωκεανών. Συγκεκριμένα, οι χρωματικές μεταβολές αποτελούν ένδειξη της περιεκτικότητας του φυτοπλαγκτού, των αιωρούμενων ιζημάτων και της παρουσίας των διαλυμένων οργανικών ουσιών. Το φυτοπλαγκτόν αποτελείται από μονοκύτταρους φυτικούς ωκεάνιους οργανισμούς που περιέχουν χλωροφύλλη για φωτοσύνθεση. Το πράσινο χρώμα της χλωροφύλλης είναι ευδιάκριτο από τα μπλε νερά των ωκεανών, επομένως ο SeaWiFS μπορεί να ανιχνεύσει τις συγκεντρώσεις του φυτοπλαγκτού στον ωκεανό. Ακριβώς επειδή το φυτοπλαγκτόν αποτελεί συχνά τον κύριο ενδείκτη περιβαλλοντικών μεταβολών, η παρακολούθηση της συγκέντρωσής του μπορεί να παρουσιαστεί ιδιαίτερα χρήσιμη για πολλές εφαρμογές. Παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών, είναι:

• Παροχή πληροφοριών σχετικά με τους παγκόσμιους κύκλους του άνθρακα, του οξυγόνου και του αζώτου μέσα και έξω από τους ωκεανούς.

• Ενίσχυση των ερευνητών στην προσπάθειά τους να καθορίσουν τη συνεισφορά του φυτοπλαγκτού στη μείωση των παγκοσμίων συγκεντρώσεων του CO2.

• Επίδειξη περιοχών με έντονη παρουσία μολυσματικών στοιχείων.

• Παροχή πληροφοριών σχετικά με επιβλαβή και επικίνδυνα βακτήρια.

• Παροχή πληροφοριών σχετικά με τις ακριβείς τοποθεσίες των πληθυσμών των ψαριών για τις εμπορικές αλιευτικές δραστηριότητες.

• Παροχή στοιχείων σχετικά με τα ωκεάνια ρεύματα για τη βιομηχανία των πλοίων.

                                                                                  True color                                              

                                                                                  Chlorophyll-A 

Οι παραπάνω εικόνες έχουν καταγραφεί από τον αισθητήρα SeaWiFS την ίδια χρονική στιγμή και απεικονίζουν την περιοχή του Κόλπου του Μεξικού. Η δεξιά εικόνα δείχνει τον κόλπο όπως ακριβώς φαίνεται από το διάστημα, ενώ η εικόνα αριστερά έχει ψευδή χρώματα και έχει παραχθεί από τα φασματικά δεδομένα που καταγράφηκαν από τον αισθητήρα. Διαφορετικές συγκεντρώσεις της χλωροφύλλης-Α μπορούν να διακριθούν στην εικόνα με χρώματα από το κόκκινο (υψηλή συγκέντρωση) έως το ιώδες (χαμηλή συγκέντρωση). Η παρουσία σύννεφων στην εικόνα με τα πραγματικά χρώματα, έχει προκαλέσει την εμφάνιση σκούρων περιοχών στη δεξιά εικόνα, κάτι που δείχνει χαρακτηριστικά την ανικανότητα του αισθητήρα SeaWiFS να ανιχνεύσει την εισερχόμενη ακτινοβολία σε περιοχές πάνω από τις οποίες επικρατεί έντονη νέφωση και γενικά άσχημες καιρικές συνθήκες, κάτι που ήταν αναμενόμενο αφού πρόκειται για ένα οπτικό φασματόμετρο.