Tema 6. Medidas ambientales desde satélite

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1 Ingeniería Electrónica Instrumentación medioambiental Tema 6. Medidas ambientales desde satélite Javier Macías Guarasa Departamento de Electrónica Universidad de Alcalá Índice Introducción Principios físicos Métodos Dominio óptico Infrarrojo térmico Microondas Interacciones de la atmósfera Sistemas de teledetección Tipos y elementos Detectores de radiación Contenido procedente fundamentalmente de material generado por F.J. Meca de su autor Gráfico de portada tomado de de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 2 de 92 1

2 Índice Introducción Principios físicos Métodos Dominio óptico Infrarrojo térmico Microondas Interacciones de la atmósfera Sistemas de teledetección Tipos y elementos Detectores de radiación I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 3 de 92 Introducción Presentación Teledetección remote sensing Estrictamente: Adquisición de información de un objeto sin contacto físico Aplicación fundamental en observación remota de la superficie terrestre Primero se aplicó a imágenes aéreas desde globo o avión Nos centraremos en imágenes desde plataformas especiales, principalmente satélites I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 4 de 92 2

3 Introducción Presentación Historia: Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 5 de 92 Introducción Presentación Historia: 1800 Sir William Herschel descubre la luz infrarroja Se comienza el uso de fotografía fotografía desde globos 1873 Maxwell desarrolla teoría de energía electromagnética 1909 fotografía desde aviones ª Guerra Mundial, reconocimiento por foto aérea Desarrollo inicial en fotografía aérea y fotogrametría Desarrollo de radar en Alemania, EU, e Inglaterra ª Guerra Mundial, uso de la parte no visible del espectro electromagnético y entrenamiento en foto interpretación Desarrollo e investigación en el área militar 1956 Colwell investiga el uso de enfermedades con IR Material generado por Oscar Iván Varela Vélez de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 6 de 92 3

4 Introducción Presentación Primeras fotografías (J. Niepce, ~1830) Fotografías tomadas de material generado por Compton Tucker & Megan Weiner, UMaryland de sus autores I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 7 de 92 Introducción Presentación Fotografías desde globo: París, 1859 Fotografías tomadas de material generado por Compton Tucker & Megan Weiner, UMaryland de sus autores I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 8 de 92 4

5 Introducción Presentación Fotografías desde avión: U SR-71 Blackbird Fotografías tomadas de material generado por Compton Tucker & Megan Weiner, UMaryland de sus autores I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 9 de 92 Introducción Presentación Historia: De introduce el termino remote sensing 1972 Se inicia el Programa Landsat-1, el cual tenía una resolución de 80 metros USA pone en órbita el Seasat, 100 días en orbita Rápido avance en el procesamiento de imágenes digitales 1986 SPOT (satélite frances) 1999 Landsat NASA realiza un DEM (Modelo de elevación digital) de aproximadamente el 80% del globo con el Endeavour. Material generado por Oscar Iván Varela Vélez de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 10 de 92 5

6 Introducción Presentación Fotografías desde satélite: Programa CORONA (CIA) Fotografías tomadas de material generado por Compton Tucker & Megan Weiner, UMaryland de sus autores I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 11 de 92 Introducción Presentación Historia: Gráfico tomado de material generado por Qiming Zhou en de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 12 de 92 6

7 Introducción Presentación Fuentes de energía: Naturales (sol): Teledetección pasiva Artificiales (láser): Teledetección activa Gráficos tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 13 de 92 Introducción Ventajas Información complementaria (a fotografía aérea y trabajos de campo) Respecto a otras técnicas: Reducción de costes y tiempo de estudio Cobertura global y periódica Accesibilidad a zonas inaccesibles Visión panorámica: Observación de grandes espacios Homogeneidad temporal de los datos (mismo instante de muestreo y mismo sensor) Información extraida de regiones no visibles del espectro (IR,UV, microondas) Resultados digitales, fácilmente procesables I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 14 de 92 7

8 Introducción Plataformas Teledetección en distintas plataformas: Gráfico tomado de material generado por Qiming Zhou en de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 15 de 92 Introducción Aplicaciones Incontables (cada día más): Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 16 de 92 8

9 Introducción Aplicaciones Incontables (cada día más): Esquema tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 17 de 92 Introducción Aplicaciones Medida de calidad del aire Giovanni MODIS Terra AOD map Giovanni PM 2.5 Map (ug/m 3 ) Gráficos procedentes de NASA I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 18 de 92 9

10 Introducción Aplicaciones Monitorización vegetación vs factores climáticos: Gráficos procedentes de material generado por Sam Veloz, UC Davis de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 19 de 92 Introducción Aplicaciones Hidrología: Gráficos procedentes de material generado por Robert J. Kuligowski, NOAA/NESDIS de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 20 de 92 10

11 Introducción Aplicaciones Monitorización de desastres: Gráficos procedentes de material generado por Alexandre VASSILIEV, ITU de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 21 de 92 Índice Introducción Principios físicos Métodos Dominio óptico Infrarrojo térmico Microondas Interacciones de la atmósfera Sistemas de teledetección Tipos y elementos Detectores de radiación I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 22 de 92 11

12 Principios físicos Presentación Información captada por sensores Dependencia de la energía emitida por objetos Fenómenos: Reflexión de radiación solar Emisión (debido a su temperatura) Emisión-reflexión: Sensor emite y luego capta reflexión (sensores activos) Radiación electromagnética: Energía transportada por fotones Energía vs. frecuencia I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 23 de 92 Principios físicos Espectro electromagnético Energía electromagnética: c E = h f = h λ A menor f, mayor dificultad de detección Los sistemas que nos interesan trabajan de UV hasta microondas Imagen tomada de de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 24 de 92 12

13 Principios físicos Espectro electromagnético Frecuencia determina fenómeno explotado: Hasta IR cercano: Reflexión (corteza terrestre casi no radia a esas λ) En IR medio: Se mezcla reflexión y emisión En IR lejano (infrarrojo térmico): Emisión En microondas: Reflexión, pero de fuente artificial Interesante: nubes transparentes I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 25 de 92 Principios físicos Espectro electromagnético Energía emitida por un cuerpo a T (ley de Planck): W 8 3, W ( λ T ) = 2, 1, λ T 5 λ e m 1 Si integramos en todas las λ (ley de Stefan-Boltzman): μm 4 W No usada en W ( T ) = σ T 2 m teledetección Interesa info espectral! I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 26 de 92 13

14 Principios físicos Espectro electromagnético Más interés en pico espectral (ley de Wien): 2898 λ máx = [ μm] T Leyes válidas para cuerpos negros si no lo son, añadimos término de emisividad: Wr ε = W Depende de λ, T, condiciones de superficie, etc. cn Cuerpo gris si cte. Radiador selectivo si f(λ) Por ejemplo en incendios (~400ºC) λ = 4μm Fracción de emisión de cuerpo negro que puede radiar I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 27 de 92 Principios físicos Espectro electromagnético Emisividad I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 28 de 92 14

15 Principios físicos Espectro electromagnético En todo cuerpo se cumple (ley de Kirchoff): ε = α α = W W absorbida incidente α=absortividad De donde la energía que radia un cuerpo será: R ε WE + ( 1 α ) WI = ε WE + ( 1 ε ) WI ( λ) = ε ( λ) W ( λ) + [ 1 ε ( λ) ] W ( λ) W = W R E I Radiador selectivo I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 29 de 92 Índice Introducción Principios físicos Métodos Dominio óptico Infrarrojo térmico Microondas Interacciones de la atmósfera Sistemas de teledetección Tipos y elementos Detectores de radiación I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 30 de 92 15

16 Métodos Presentación Rango de frecuencia afecta a principio de detección Veremos: Dominio óptico del espectro Infrarrojo térmico Microondas Describiremos: Rango de longitudes de interés Efectos dominantes Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 31 de 92 Métodos Dominio óptico Incluye radiación correspondiente a la energía solar: Llegamos hasta IR medio (combinado con emisión de superficie por su temperatura) Pico de emisión (máxima energía radiada) entre 0,3 y 2μm Sensor capta emitido y reflejado: Emisividad Absortividad Otros factores Signatura espectral I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 32 de 92 16

17 Métodos Dominio óptico Incluye radiación correspondiente a la energía solar: Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor Signatura espectral I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 33 de 92 Métodos Dominio óptico Otros factores: Tipo de reflexión: Especular (sólo agua en visible) Lambertiana Depende de λ Emplazamiento de la cubierta: Ángulo con el que incide el sol Condiciones atmosféricas: Nubes absorben en ciertas λ Nubes emiten en ciertas λ Cambian signatura espectral Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 34 de 92 17

18 Métodos Dominio óptico Signaturas espectrales vegetación: Cuanto mayor contraste entre 0,645μm y 0,7-1,3 μm, mejor Si sube en 0,645μm menos actividad clorofílica Si en 1μm baja deterioro estructura celular Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 35 de 92 Métodos Dominio óptico Signaturas espectrales vegetación sana: Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 36 de 92 18

19 Métodos Dominio óptico Signaturas espectrales suelo: Depende de mineral Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 37 de 92 Métodos Dominio óptico Signaturas espectrales nieve: Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 38 de 92 19

20 Métodos Dominio óptico Signaturas espectrales agua: Se observa en azul y verde Materiales en suspensión Clorofila Nutrientes, etc. Aportaciones del fondo (algas, etc.) I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 39 de 92 Métodos Dominio óptico Color verdadero y falso (visible e IR cercano): Árboles indistinguibles en visible En IR cernano, coníferas aparecen más oscuras Fotografías tomadas de material generado por Compton Tucker & Megan Weiner, UMaryland de sus autores I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 40 de 92 20

21 Métodos Dominio óptico Color verdadero y falso (visible e IR cercano): Gráfico tomado de material generado por Qiming Zhou en de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 41 de 92 Métodos Infrarrojo térmico Incluye radiación térmica emitida: De 8 a 14μm: Predomina emisión de las superficies (no nos interesa reflexión energía solar) Valores de emisividad: Bastante constante con λ Material/objeto Vegetación densa Agua Suelo Metales ε 0,99 0,98 0,9-0,8 0,1-0,2 I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 42 de 92 21

22 Métodos Infrarrojo térmico El objetivo es medir temperatura de superficies: Para ello, se parte de estimación de emisividad Los sistemas miden la temperatura radiante A partir de la cual se calcula la temperatura termométrica: T ε = Termométrica 1/ 4 RAD T TER Factores: Tipo de cubierta Valores de capacidad, conductividad, difusividad e inercia térmica I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 43 de 92 Métodos Infrarrojo térmico Factores: Inercia térmica Baja inercia térmica: Severos contrastes díanoche Agua: alta inercia térmica Permite detectar lenguas procedentes de otras zonas Corrientes, vertidos, etc Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 44 de 92 22

23 Métodos Microondas Radiación artificial reflejada: Importante: atmósfera transparente También teledetección pasiva, pero radiación natural muy baja a esas frecuencias Uso de rádar (Radio Detection and Ranging) Emisión de haz de microondas Haz se dispersa en superficie según coeficiene de retro-difusión (simular a reflexión) Señal reflejada presenta patrón característico en función del material I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 45 de 92 Métodos Microondas Rádar: Tipos de retro-dispersión Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 46 de 92 23

24 Métodos Microondas Factores: Rugosidad del terreno: α Δaltura λ cosα 8 Si se cumple: rugosa reflexión difusa Geometría Ángulo de incidencia Polarización del haz Condiciones dieléctricas I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 47 de 92 Métodos Microondas Ecuación fundamental del rádar: P r Pt G λ = ( ) 2 2 λ σ 3 4 ( 4π ) r A mayor conductividad mayor energía reflejada: Agua veces más que materiales secos Sección eficaz de retrodifusion Factores afectan a σ Problema: Necesitamos conocer coeficientes de retrodifusión para distintas situaciones I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 48 de 92 24

25 Métodos Microondas Profundidad de penetración incluso bajo la superficie (para longitudes de onda largas) Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 49 de 92 Índice Introducción Principios físicos Métodos Dominio óptico Infrarrojo térmico Microondas Interacciones de la atmósfera Sistemas de teledetección Tipos y elementos Detectores de radiación I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 50 de 92 25

26 Interacciones de la atmósfera Presentación Atmósfera NO es transparente Efectos: Absorción en determinadas bandas de λ Dispersión en ciertas λ Emisión (como todo cuerpo caliente) No despreciables en mayoría de casos: Hay que introducir sus efectos en el modelo I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 51 de 92 Interacciones de la atmósfera Presentación Atmósfera NO es transparente Imagen tomada de de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 52 de 92 26

27 Interacciones de la atmósfera Absorción Ejemplos: Ozono: Elimina λ<0,3μm Vapor de agua: Elimina 6μm y algo en 0,6 y 2μm CO 2 : Elimina 15μm y entre 2,5 μm y 4,5μm Observación espacial se realiza sólo en ciertas bandas (ventanas): 0,3 1,35 μm; 1,5 1,8 μm; 2 2,4 μm 2,9 4,2 μm; 4,5 5,5 μm; 8 14 μm > 20μm I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 53 de 92 Interacciones de la atmósfera Dispersión y emisión Dispersión no es eliminable: Interacción de radiación con gases y partículas atmosféricas en suspensión Aumenta radiación difusa (causa del azul del cielo, por ejemplo) Partículas no conocidas de antemano Compensación se basa en comparación de distintas zonas de una imagen Factor fundamental: tamaño de partícula Dispersión de Rayleigh D>λ Emisión: Fundamentalmente en el IR térmico Fotografías tomadas de material generado por Compton Tucker & Megan Weiner, UMaryland de sus autores I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 54 de 92 27

28 Índice Introducción Principios físicos Métodos Dominio óptico Infrarrojo térmico Microondas Interacciones de la atmósfera Sistemas de teledetección Tipos y elementos Detectores de radiación I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 55 de 92 Sistemas de teledetección Presentación Tipos de sensores: Activos Radar (microondas) Lidar (luz polarizada o láser visible e IR cercano) Pasivos Fotográficos Óptico-electrónicos Antena Veremos características generales primero I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 56 de 92 28

29 Sistemas de teledetección Características de sensores: resolución Resolución espacial: Mínima separación entre detalles IFOV: Área visible por sensor a altura dada Fotografías tomadas de material generado por Compton Tucker & Megan Weiner, UMaryland de sus autores I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 57 de 92 Sistemas de teledetección Características de sensores: resolución Resolución espacial: Mars Face Viking 1976 Mars Orbiter 2000 resolution = ~200 m resolution = ~10 m Fotografías tomadas de material generado por Compton Tucker & Megan Weiner, UMaryland de sus autores I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 58 de 92 29

30 Sistemas de teledetección Características de sensores: resolución Resolución espectral: Nº y anchura de bandas que puede discriminar el sistema sensor Típicamente un sensor por banda (depende de aplicación) Ejemplo: MeteoSat: 1 visible (nubes) 1 IR medio (humedad) 2 IR térmico (temperatura nubes) I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 59 de 92 Sistemas de teledetección Características de sensores: resolución Resolución radiométrica: Sensibilidad, capacidad de detectar variaciones en la radiancia (limitada por cuantificación y SNR) Resolución temporal: Tiempo entre nuevas imágenes de una misma zona Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 60 de 92 30

31 Sistemas de teledetección Sensores pasivos Fotográficos: Películas fotosensibles (visible e IR cercano) Muy alta resolución espacial Fotografía tomada de Agencia estatal de meteorología Gráfico tomado de material generado por Qiming Zhou en de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 61 de 92 Sistemas de teledetección Sensores pasivos Fotográficos: Masas de aire e IR: Fotografías tomadas de Agencia estatal de meteorología I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 62 de 92 31

32 Sistemas de teledetección Sensores pasivos Exploradores de barrido (scanners): Espectro más amplio que fotográficos Sistema de prismas y filtros para analizar información en varias bandas Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 63 de 92 Sistemas de teledetección Sensores pasivos Exploradores de empuje: Array de sensores (evita espejo oscilante) Ventajas: Permite sensores más lentos o de mejores prestaciones Inconveniente: Ajuste de sensores para homogeneizar respuestas Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 64 de 92 32

33 Sistemas de teledetección Sensores pasivos Fotográficos: Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 65 de 92 Sistemas de teledetección Sensores pasivos Fotográficos: Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor Imágenes tomadas de material generado por Qiming Zhou en de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 66 de 92 33

34 Sistemas de teledetección Sensores pasivos Fotográficos: Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 67 de 92 Sistemas de teledetección Sensores pasivos Fotográficos: Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 68 de 92 34

35 Sistemas de teledetección Sensores activos Radar: 0,1 cm 1m Ok en países con nubosidad abundante Resolución espacial baja: λ h R = Radares de apertura sintética: Basados en efecto doppler Permiten aumentar resolución espacial I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 69 de 92 Sistemas de teledetección Sensores activos Radar: Interferometría Gráfico tomado de material generado por Oscar Iván Varela Vélez de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 70 de 92 35

36 Sistemas de teledetección Sensores activos Radar: Interferometría Gráfico tomado de material generado por Oscar Iván Varela Vélez de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 71 de 92 Sistemas de teledetección Sensores activos Lidar: Emite láser entre UV e IR cercano Recibe dispersión del haz (retardo e intensidad) Obtiene información de partículas Muy alta resolución (1 m 2 típico) Gráfico tomado de emapsite Gráfico tomado de geocomm Gráfico tomado de USGS I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 72 de 92 36

37 Sistemas de teledetección Elementos Espejos: Material altamente reflexivo para λ de interés Prismas: Basados en refracción Movimiento rotatorio u oscilante: Motores, piezoeléctrico, acústico-óptico (US) Chopper: Modula la información Concentradores de radiación (con tratamiento antireflexión) Filtros λ, divisores λ Refrigeración I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 73 de 92 Sistemas de teledetección Elementos Filtros: Gráfico tomado de [Chuviejo, 1990] de su autor I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 74 de 92 37

38 Índice Introducción Principios físicos Métodos Dominio óptico Infrarrojo térmico Microondas Interacciones de la atmósfera Sistemas de teledetección Tipos y elementos Detectores de radiación I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 75 de 92 Detectores de radiación optoelectrónicos Parámetros característicos Responsividad: [V/W, A/W] tras circuito de acondicionamiento Noise Equivalent Power (NEP): [W/raiz(Hz)] Potencia de señal para igualar ruido (SNR=0dB) Sensibilidad por unidad de área D*: Permite comparar detectores sin que influya el área ( T ª, f, B) D* chopper = A NEP I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 76 de 92 38

39 Detectores de radiación optoelectrónicos Parámetros característicos Tipos de detección: Térmicos: Radiación caliente y cambia característica eléctrica Funcionan a temperatura ambiente Menor detectividad Más lentos En bidimensional más tiempo expuesto y menos ruido Bolométricos, termovoltaicos, termoneumáticos y piroeléctricos Cuánticos o fotónicos: Calentamiento despreciable Absorción de fotones ionización (portadores carga) Fotoconductivos, fotovoltaicos, fotoelectromagnéticos y fotoemisivos I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 77 de 92 Detectores de radiación optoelectrónicos Parámetros característicos Sensibilidad por unidad de área D*: Tabla tomada de material de Hamamatsu (IR detectors) Hamamatsu I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 78 de 92 39

40 Detectores de radiación optoelectrónicos Parámetros característicos Respuesta espectral: Tabla tomada de material de Hamamatsu (IR detectors) Hamamatsu I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 79 de 92 Detectores de radiación optoelectrónicos Parámetros característicos Límites de detectividad teóricos: Térmicos: Fluctuaciones aleatorias en intercambio de radiación (fotones) con entorno Fluctuaciones por conducción de calor en la cápsula Ruido térmico Ruido 1/f Cuánticos: Fluctuaciones aleatorias en nº de fotones que llegan del entorno BLIP (límite de detectividad por radiación de fondo) Ruido térmico Ruido 1/f Tabla tomada de material de Hamamatsu (IR detectors) Hamamatsu I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 80 de 92 40

41 Detectores de radiación optoelectrónicos Acondicionamiento Fotoconductivos y fotovoltaicos los más usados Fotoconductivos: Buscamos R L =R d (difícil porque R d muy variable) Normalmente AC Fuerte dependencia con Tª necesidad de: Refrigeración, o Compensación Tª Si R d elevada, montajes diferenciales Esquema tomado de material de Hamamatsu (IR detectors) Hamamatsu I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 81 de 92 Detectores de radiación optoelectrónicos Acondicionamiento Fotovoltaicos: Circuito equivalente: I 0 = I L I S e q I0 R βkt sh I R 1 0 Rsh s Esquema tomado de material de Hamamatsu (IR detectors) Hamamatsu I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 82 de 92 41

42 Detectores de radiación optoelectrónicos Acondicionamiento Fotovoltaicos: Circuito de acondicionamiento: Esquema tomado de material de Hamamatsu (IR detectors) Hamamatsu I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 83 de 92 Detectores de radiación optoelectrónicos Acondicionamiento Fotovoltaicos: Circuito de acondicionamiento: Esquema tomado de material de Hamamatsu (IR detectors) Hamamatsu I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 84 de 92 42

43 Detectores de radiación optoelectrónicos Electrónica integrada Si array o matriz ROIC (Readout Integrated Circuit): Integra amplificación y multiplexación En su caso, también refrigeración Típicamente MOSFET (tamaño, integración, consumo) Interesan detectores sin polarización (bajo consumo) Esquema tomado de material de Hamamatsu (IR detectors) Hamamatsu I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 85 de 92 Detectores de radiación optoelectrónicos Electrónica integrada ROIC (Readout Integrated Circuit): Esquema tomado de material de Hamamatsu (IR detectors) Hamamatsu I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 86 de 92 43

44 Detectores de radiación optoelectrónicos Comerciales I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 87 de 92 Detectores de radiación optoelectrónicos Comerciales I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 88 de 92 44

45 Detectores de radiación optoelectrónicos Comerciales I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 89 de 92 Detectores de radiación optoelectrónicos Comerciales I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 90 de 92 45

46 Bibliografía Fundamentos de teledetección espacial Emilio Chuviejo Ediciones Rialp NASA Remote Sensing Tutorial. Disponible en línea en [última consulta Mayo 2008] I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 91 de 92 Bibliografía Remote Sensing: An overview. Disponible en línea en tml/remote.htm [última consulta Mayo 2008] Fundamentals of Remote Sensing Canada Centre for Remote Sensing Remote Sensing Tutorial Disponible en línea en ndam/index_e.php [última consulta Mayo 2008] I.E. Instrumentación Medioambiental Departamento de Electrónica UAH Javier Macías Guarasa 92 de 92 46