Способ определения параметров взволнованной водной поверхности в инфракрасном диапазоне

Изобретение относится к области дистанционного зондирования и касается способа определения параметров взволнованной водной поверхности в инфракрасном диапазоне. Способ включает в себя регистрацию собственного излучения взволнованной водной поверхности и атмосферы по зеркальному лучу двумя приемниками ИК-излучения в диапазоне длин волн 8-14 мкм с одновременной регистрацией метеорологических параметров. Далее способом регрессионного анализа одновременно определяют коэффициент отражения, излучательную способность, температуру и диэлектрическую проницаемость водной поверхности в скин-слое, где формируется ИК-излучение. При подключении данных измерений излучения водной поверхности и атмосферы по зеркальному лучу на углах, меньших 30 градусов от горизонта, определяют дисперсию уклонов волнения из регрессионного анализа связи измеренного коэффициента отражения и вычисленного по формулам Френеля. Значение дисперсии используют вместо расчетной для уточнения коэффициента отражения, излучательной способности, температуры и диэлектрической проницаемости ε водной поверхности в скин-слое. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного дистанционного определения излучательной способности, температуры и диэлектрической проницаемости воды в пленочном слое водной поверхности. 6 ил.

 

Изобретение относится к дистанционному зондированию взволнованной водной поверхности по ее тепловому излучению в инфракрасном (ИК) диапазоне (пассивная радиолокация) и предназначено для дистанционного определения таких параметров, как излучательная способность, диэлектрическая проницаемость, температура, дисперсия уклонов взволнованной водной поверхности без использования априорных данных о ее температуре, дисперсии уклонов волнения.

Известен способ оценки температуры поверхности океана по измерениям спутниковых микроволновых радиометров (RU 2570836) путем получения значений радиояркостных температур по радиометрическим каналам и вычисления значения температуры поверхности океана с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостных температур и коэффициентов предварительно настроенной Нейронной Сети. Численные значения коэффициентов настроенной Нейронной Сети, входящих в зависимость для способа оценки температуры поверхности океана, корректировались с использованием совмещенных в пространстве и во времени спутниковых радиометрических данных и данных измерений буев Мирового океана. Недостатком этого способа, в отличие от заявленного, является то, что абсолютные величины температур получаются только при привязке (калибровке) спутниковых измерений к значениям температуры воды в нескольких подспутниковых точках на водной поверхности, измеряемых контактными методами с дрейфующих буев. Термодатчики на дрейфующем буе измеряют температуру воды на глубине от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров, которая отличается от температуры морской поверхности и температуры воды в скин-слое, где формируется принимаемое спутником излучение. В этом состоит неопределенность спутниковых данных и карт температурных полей морской поверхности и их недостаток для решения задач взаимодействия атмосферы и океана. Их удалось бы избежать, если калибровку спутниковых данных проводить по температуре воды, измеренной по излучению морской поверхности в подспутниковых точках предлагаемым способом.

В заявке на изобретение RU 2437068 предлагается способ измерения физической температуры объекта по его тепловому радиоизлучению, который позволяет измерить физическую температуру объекта, излучающего в широком диапазоне частот, с высокой точностью без использования табличных данных. Это достигается тем, что применяют модуляционный прием радиоизлучения объекта при периодическом облучении последнего шумовым излучением с известным спектром частот, соответствующим тепловому излучению объекта и перекрывающим спектр его радиоизлучения. Модуляционный прием заключается в приеме радиотеплового излучения объекта первым каналом пирометра в интервале времени Δτ1 и прием вторым каналом пирометра излучения, формируемого источником опорного излучения, в следующем интервале времени Δτ2=Δτ1. Принятое излучение в каждом канале после преобразования его в электрический сигнал используют для определения физической температуры Тх объекта. Периодическое облучение объекта шумовым излучением с заданной эквивалентной температурой Тэш в течение интервала Δτ3 времени, кратного Δτ1+Δτ2=т(Δτ1+Δτ2), где n=1, 2, 3,…), позволяет при обработке сигналов нейтрализовать влияние излучательной способности α и коэффициента β в принимаемом пирометром излучении, тем самым, обеспечить регистрацию физической температуры Тх объекта.

Однако этот способ может быть применим только к объектам, к которым можно приблизить приемное устройство на небольшое расстояние и проводить измерения в направлении, близком к нормали к поверхности объекта. Только в этом случае отраженное шумовое излучение, которым облучается объект, на входе приемного устройства будет иметь заметную величину. Эти условия, как правило, можно выполнить только в лабораторном эксперименте. При дистанционном зондировании природных сред, и особенно морской поверхности, в натурных условиях морского волнения эти условия не выполняются.

В качестве прототипа выбран способ определения диэлектрических параметров неметаллических материалов RU 2346266. Сущность заключается в поочередном измерении уровней сигнала падающего и отраженного излучений с вертикальной и горизонтальной поляризацией электромагнитной волны соответственно для каждого выбранного угла отражения из диапазона углов измерения с последующим вычислением модуля коэффициента отражения как отношения отраженного и падающего сигналов. При этом в качестве источника падающего излучения используют тепловое радиоизлучение неба, а прием отраженного излучения осуществляют радиометрическим методом. Кроме того, дополнительно измеряют уровень сигнала, источником которого является объект, находящийся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, после чего производят вычисление модуля коэффициента отражения из соотношений: , , где, модули коэффициентов отражения для вертикальной и горизонтальной поляризаций излучения при выбранном угле отражения соответственно, , где , - значения уровня принятого сигнала от исследуемой границы, неба, объекта в термодинамическом равновесии с окружающей средой для вертикальной (горизонтальной) поляризации соответственно. Технический результат: оперативное измерение параметров подстилающих поверхностей, особенно в полевых условиях.

Недостатком этого способа, в отличие от заявленного, является то, что должна быть известна температура исследуемой границы, так как приведенные соотношения справедливы только, если интенсивность сигнала, принятого от исследуемой границы, равна интенсивности сигнала, принятого от объекта, находящегося в термодинамическом равновесии с окружающей средой, что эквивалентно равенству температур зондируемой поверхности и окружающего воздуха.

Мировой океан занимает 75% поверхности нашей планеты. Фундаментальные физические процессы, формирующие климат, осуществляются через морскую поверхность. Излучательная способность поверхности и ее изменения непосредственно влияют на стабильность теплового баланса между притоком и потерей тепла планетой вследствие лучистого переноса. Тепло и газообмен между атмосферой и океаном, регуляция парникового эффекта идущие через морскую поверхность, влияют на структуру и физические параметры подповерхностного слоя.

Физические параметры тонкого верхнего слоя морской поверхности, получившего название пленочного слоя, даже для чистой морской поверхности в натурных условиях изучены недостаточно, и особенно при покрытии поверхностными органическими пленками. Причина того - отсутствие методов и приборов для исследования физических процессов в очень тонком (порядка 10 мкм) слое взволнованной поверхности, граничащем с атмосферой.

Излучательная способность воды в инфракрасном (ИК) диапазоне формируется в скин-слое толщиной 0.02 мм внутри пленочного слоя водной поверхности. Хотя чистая вода является главным компонентом морской воды, растворенные в ней газы, минеральные соли и органика, а также взвеси и поверхностно-активные вещества (ПАВ) воздействуют на излучательную способность водной поверхности. В существующей практике дистанционного зондирования природных сред пользуются величинами излучательной способности, полученными в лабораторных измерениях и моделями диэлектрической проницаемости воды (определяющей излучательную способность), обобщающими эти измерения. Однако в лабораториях не воспроизводятся все динамические процессы газообмена, идущие через пленочный слой морской поверхности в натурных условиях (диффузия, микроконвекция, перенос брызгами). Вследствие этого в лабораторных измерениях содержатся только данные о диэлектрических свойствах чистой воды и влияния на них соляных растворов. Имеющиеся дистанционные методы измерений диэлектрической проницаемости по излучательной способности в натурных условиях требуют наличия информации о температуре, которую получают контактными методами, но они не обеспечивают необходимую точность определения температуры в скин-слое толщиной в несколько сотых долей миллиметра.

Способ определения параметров взволнованной водной поверхности в инфракрасном диапазоне основан на линейной функциональной зависимости между интенсивностями излучений моря IM(θ) и атмосферы по зеркальному лучу IН(θ), представленной основным уравнением дистанционного зондирования водной поверхности в ИК-диапазоне при наблюдениях с берега или борта судна

где:

IM(θ) - интенсивность излучения водной поверхности;

IН(θ) - интенсивность излучения атмосферы по зеркальному лучу;

IW - интенсивность излучения воды в скин-слое;

RF(θ) - коэффициент отражения (или излучательная способность JF(θ)=1-RF(θ)) ИК-излучения по мощности в точке пересечения взволнованной водной поверхности моря с лучом зрения;

ξ(θ) - множитель, учитывающий корреляцию флуктуаций коэффициента отражения RF(θ) и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу IH(θ), которая имеет место вследствие изменения уклонов волны.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение технического результата, заключающегося в одновременном дистанционном определении в натурных условиях излучательной способности, температуры и диэлектрической проницаемости воды в пленочном слое водной поверхности по ее собственному ИК-излучению - величин, определяющих фундаментальные физические процессы тепло и газообмена.

Поставленная задача достигается тем, что производится одновременная регистрация излучения взволнованной водной поверхности IM(θ) и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу IH(θ) двумя приемниками ИК-излучения в диапазоне длин волн 8-14 мкм с одновременной регистрацией метеорологических параметров: температуры воздуха, скорости ветра, а также температуры воды на глубине 1 м. Временной масштаб длительности измерений определяется временем естественной изменчивости атмосферы, в течение которых интенсивность излучения воды в скин-слое может измениться. Величину множителя ξ(θ), учитывающего корреляцию флуктуаций коэффициента отражения водной поверхности и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу, которая имеет место вследствие изменения уклонов морской волны, определяют в два этапа, используя измеренные зависимости интенсивности излучения атмосферы IН(θ) от угла визирования θ и коэффициенты отражения RF(θ), измеренные или вычисленные в зависимости от углов визирования θ для волнения, дисперсия уклонов волн которого σ измеряется или задается известными моделями ветровой зависимости [см. Сох С., Munk W. // J. Opt. Soc. Amer. 1954. V. 44. №11. P. 838.].

На первом этапе множитель ξ(θ) получают [см. Бубукин И.Т. Радиометрия температурной пленки морской поверхности // Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. - Нижний Новгород. - 2014.], используя измеренные зависимости интенсивности излучения атмосферы IH(θ) от угла визирования θ, коэффициенты отражения RF(θ), вычисленные по формулам Френеля для диэлектрической проницаемости чистой воды и волнении, дисперсия уклонов волн которого σр задается моделями развитого волнения при средней скорости ветра за период измерений. Далее для определения излучательной способности и температуры взволнованной водной поверхности отбирают данные измерений IМ(θ) и IН(θ) для диапазонов углов, превышающих 30° от горизонта, так как на этих углах слабо сказывается волнение. Используют линейную функциональную зависимость между интенсивностями излучений водной поверхности IM(θ) и атмосферы IН(θ), представленной выражением (1), в которой изначально принимают, что интенсивность излучения воды в скин-слое IW и коэффициент отражения RF(θ) являются постоянными величинами, и, подставляя в зависимость (1), измеренные интенсивности излучений водной поверхности IM(θ) и атмосферы IH(θ), получают корреляционную зависимость, которая при ее построении на графике, где по оси ординат откладывается интенсивности излучений водной поверхности IM(θ), а по оси абсцисс произведение интенсивности излучений атмосферы и множителя, учитывающего изменения уклонов волны, IН(θ)⋅ξ(θ), представляет собой прямую линию, наклон которой, как следует из (1), определяет коэффициент отражения водной поверхности RF(θ). Также для определения коэффициента отражения водной поверхности RF(θ) используется учет тренда температуры воды в скин-слое из-за охлаждения в процессе измерений, для чего применяется метод последовательных приближений. В нулевом приближении температура воды в скин-слое ИК-излучения считается равной температуре, измеренной термометром T1 на глубине 1 м. По корреляции интенсивности излучения моря IM(θ,t) и интенсивности излучения воды IW(T1,t), вычисленной из измеренной температуры T1, с применением зависимости (1) проводится коррекция IM(θ,t). Полученные значения IM(θ,t), измеренные IH(θ,t) и вычисленное по экспериментальным данным ξ(θ) используются для определения коэффициента отражения Rf(θ) и интенсивности излучения в скин-слое в нулевом приближении. В первом приближении для исключения тренда температуры в скин-слое используется уже значение . Полученные в первом приближении коэффициент отражения и используются во втором приближении, где исключение тренда температуры проводится уже по радиационной температуре ИК-излучения воды и так далее. Критерием прекращения процедуры уточнения является требование, чтобы разность полученных в двух последовательных циклах температур в скин-слое ИК-излучения не превышала 0.01 K. После исключения температурного тренда из основного уравнения (1) дистанционного зондирования водной поверхности в ИК-диапазоне способом регрессионного анализа одновременно определяют коэффициент отражения, излучательную способность, температуру и диэлектрическую проницаемость ε водной поверхности в скин-слое, где формируется ИК-излучение.

Так как на первом этапе использовалась дисперсия σр уклонов развитого морского волнения, вычисленная по скорости ветра и справедливая только вдали от берега при длительном воздействии ветра на морскую поверхность, на втором этапе определяется реальная дисперсия σ уклонов морского волнения в месте проведения эксперимента по измерениям в широком диапазоне углов визирования θ (включая пригоризонтные). Для диагностики волнового состояния водной поверхности используется корреляционный множитель ξ(θ), который является функцией интенсивности волнения на углах, меньших 30 градусов от горизонта. Критерием выбора σ является минимум среднеквадратичного отклонения от линейной зависимости измеренных величин коэффициентов отражения в широком диапазоне углов RF(0) и вычисленных по формулам Френеля RFT(θ) с использованием экспериментально определенного ε. Далее производится повторная обработка данных с использованием экспериментально определенной величины σ.

Предлагаемый способ можно проиллюстрировать с помощью структурной схемы системы дистанционного зондирования водной поверхности в натурных условиях, которая показана на фиг. 1. В схему устройства входят: 1. Модуль ИК-приемника - 1, принимающий собственное излучение водной поверхности, направление визирования ниже горизонта на угол θ; 2. Модуль ИК-приемника - 2, принимающий собственное излучение атмосферы, направление визирования выше горизонта на угол θ; 3. Модуль измерения метеопараметров - температуры воздуха, направления и силы ветра, температуры воды Т1 на глубине 1 метр; 4. Аналого-цифровой преобразователь, производит квантование сигналов по времени и амплитуде; 5. Модуль запоминающего устройства, производит регистрацию отсчетов времени и амплитуды оцифрованных сигналов через интервал времени Δt; 6. Модуль преобразования сигналов приемников ИК-излучения по калибровочным коэффициентам, полученным при калибровке приемников по «черному» телу, находящемуся при температуре окружающего воздуха; 7. Модуль получения интенсивностей излучений морской поверхности IM(θ) и атмосферы IH(θ) по откалиброванным сигналам с выходов ИК-приемников; 8. Модуль определения величины множителя ξ(θ), учитывающего корреляцию флуктуаций коэффициента отражения RF(θ) и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу IH(θ), которая имеет место вследствие изменения уклонов волны, по экспериментальным данным; 9. Модуль выборки экспериментальных данных для углов, больших 30 градусов от горизонта, для которых несущественно влияние волнения на принимаемое излучение; 10. Модуль получения начальных значений интенсивности излучения воды в скин-слое , где формируется ИК-излучение по температуре воды, измеренной термометром на глубине 1 метр; 11. Модуль коррекции интенсивности излучения воды в скин-слое IW для исключения временного тренда температуры в скин-слое за период измерений; 12.Блок регрессионного анализа для получения корреляционной зависимости между IM(θ) и IH(θ)⋅ξ(θ), наклон которой определяет коэффициент отражения водной поверхности RF(θ) в натурных условиях; 13. Модуль получения следующего приближения коэффициента отражения RF(θ), излучательной способности JF(θ)=1-RF(θ) водной поверхности и интенсивности излучения воды в скин-слое IW; 14. Модуль проверки критерия прекращения процедуры уточнения: если разность полученных в двух последовательных циклах температур в скин-слое ИК-излучения не превышает 0.01 К, то выполняется передача денных в модуль 16, если превышает - выполняется передача данных в модуль 15; 15. Модуль передачи коэффициента отражения RF(θ), излучательной способности JF(θ)=1-RF(θ) водной поверхности и интенсивности излучения воды в скин-слое IW, полученных в текущем цикле в модуль 11 для выполнения следующего цикла уточнения; 16. Модуль определения диэлектрической проницаемости среды в слое, где формируется ИК-излучение, по полученной излучательной способности; 17. Модуль подключения данных измерений на углах, меньших 30 градусов от горизонта, для которых существенно влияние волнения на величину ξ(θ); 18. Модуль определения дисперсии уклонов волнения σ из регрессионного анализа измеренного коэффициента отражения RF(θ) и вычисленного по формулам Френеля; 19. Модуль передачи полученного значения дисперсии уклонов волнения σ, в модуль 8 для выполнения второго этапа обработки данных. Результатом является измеренные значения излучательной способности взволнованной водной поверхности JF(θ) (коэффициента отражения RF(θ)), температуры воды TW и диэлектрической проницаемости ε в скин-слое, где формируется ИК-излучение, дисперсия уклонов волнения σ.

Исследования радиоизлучения морской поверхности проводились в августе месяце в Отузском заливе Черного моря. Аппаратура была установлена на конце пирса Карадагского природного заповедника. Собственное ИК-излучение морской поверхности и атмосферы принималось приемником, установленным на поворотном устройстве, позволяющем принимать излучение морской поверхности и атмосферы в диапазоне углов возвышения -60°<h<+90°.

Кроме радиофизических измерений, на пирсе на высоте 5 м над уровнем моря одновременно регистрировались метеорологические параметры: температура воздуха, скорость ветра, а также температура воды на глубине 1 м.

Полный цикл измерений ИК-излучения морской поверхности и атмосферы занимал около 20 мин. Цикл состоял в последовательном измерении интенсивности ИК-излучения на углах от -60° до +90°, с шагом 10°.

Калибровка измеряемой приемником мощности излучения проводилась по излучению эталонного абсолютно черного тела с известной температурой Т° при ее изменении в интервале температур 246°…300° K, соответствующих температурам морской поверхности и атмосферы в натурных экспериментах.

По найденным данным IМ(θ) и IН(θ) были найдены температуры ИК-излучения морской поверхности ТM и радиационной температуры атмосферы ТH.

На фиг. 2 приведен пример временного хода температуры ИК-излучения морской поверхности ТM на угле возвышения h=-40° (пунктирная) и радиационной температуры атмосферы ТH при h=40° (сплошная). Как видно из графиков на фиг. 2 ИК-излучение атмосферы в интервале от 20 часов вечера до 3 часов ночи выросло приблизительно на 14° и возрастало линейно в интервале между 23 и 2 часами ночи. Скорость ветра в ночное время изменялась от 2 до 3.5 м/с. Температура воздуха и воды 25…26°С. Таким образом, метеорологическая ситуация в это время была благоприятна для peaлизации корреляционного метода определения коэффициентов отражения RF(θ) морской поверхности в ИК-диапазоне.

Множитель ξ(θ) учитывающий корреляцию флуктуаций коэффициента отражения RF(θ) и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу IH(θ), определялся угловой зависимостью коэффициента отражения RF(θ), которая, в свою очередь, является функцией комплексной диэлектрической проницаемости воды ε.

При построении регрессионных зависимостей использовались значения ξ(θ), вычисленные по измеренным коэффициентам отражения Rэкс (см. фиг. 3), где, как пример, изображена зависимость ξ(θ) от скорости ветра для угла возвышения зеркального луча h=30° в моменты времени 23 ч (график 1) и 3 ч ночи (график 2).

В работах (см. Бубукин И.Т., Станкевич К.С. // Изв. РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 42. №1. С. 115; Бубукин И.Т., Станкевич К.С. // Успехи современной радиоэлектроники. 2006. №11. С. 39) было получено основное уравнение переноса интенсивности излучения, адекватное для решения задач дистанционного зондирования морской поверхности в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. В уравнении учитывалась диффузная компонента из-за рассеяния электромагнитных волн на волнении, масштабы которого меньше длины волны принимаемого излучения. В ИК-диапазоне все морское волнение является крупномасштабным, т.е. горизонтальные размеры волн (в том числе и капиллярных) много больше длины волны принимаемого излучения λ. Следовательно, в ИК-диапазоне морское волнение не может быть источником диффузного рассеяния, и поэтому в уравнении для коэффициентов отражения R использованы формулы Френеля (описывающие отражение от ровной поверхности), а волнение учитывается путем введения наклонов волны в точке пересечения с лучом зрения (приближение Кирхгофа).

Основное уравнение для интенсивности ИК-излучения взволнованной морской поверхности в направлении угла визирования θ в имеет вид:

где:

RF (λ, θ, ς(t), η(t)) - коэффициент отражения ИК-излучения по мощности в точке пересечения взволнованной поверхности моря с лучом зрения, определяемый формулами Френеля;

IλW(λ) - интенсивность излучения воды в скин-слое на длине волны λ;

ς(t), η(t) - тангенсы углов наклона поверхности волны в точке пересечения с лучом зрения в двух ортогональных направлениях;

IλH(λ, θ, ς(t), η(t)) - интенсивность нисходящего излучения атмосферы по зеркальному лучу.

Преобразуя уравнение (2) получим:

где:

RK (λ, θ) - коэффициент отражения водной поверхности в приближении Кирхгофа;

ξ(θ) - множитель, учитывающий корреляцию флуктуаций коэффициента отражения RF (λ, θ, ς(t), η(t)) и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу IH (θ, ς(t), η(t)), которая имеет место вследствие изменения уклонов морской волны. Множитель ξ(θ) можно найти, используя измеренные зависимости интенсивности излучения атмосферы IH(θ), коэффициенты отражения RF(θ) от угла визирования θ и измеренные или вычисленные для волнения, уклоны волн которого ς(t) и η(t) измеряются или задаются известными моделями ветровой зависимости [см. Сох С., Munk W. // J. Opt. Soc. Amer. 1954. V. 44. №11. P. 838].

Крупномасштабное волнение принято учитывать как аддитивную добавку ΔRK(λ,θ) к коэффициенту отражения ровной поверхности;

RK(λ,θ)=RF(λ,θ)+ΔRK(λ,θ)

Величина ΔRK(λ,θ) была вычислена на основании [см. Бубукин И.Т., Станкевич К.С., Иванов В.П. // РЭ. 2000. Т. 45. №5. С. 531.] для скоростей ветра до 3 м/с, типичных в период натурных измерений. Для углов визирования от -20° до -60° величина ΔRK(λ,θ) оказалась незначительной, 0.0003≤ΔRK (λ, θ)≤0.0025, что дало основание ее не учитывать и упростить уравнение (3), заменив кирхгофовский коэффициент отражения RK(λ, θ) на френелевский коэффициент отражения RF(λ,θ). При этом получив уравнение (1).

Зависимость (1) характеризует излучение от поверхности, которая состоит из двух слагаемых: первое - это излучение самой поверхности моря, которая попадает в ИК-приемник, а второе - это отражение излучения атмосферы по зеркальному лучу, скорректированное множителем ξ(θ), учитывающим волнение водной поверхности. Множитель ξ(θ) учитывающий корреляцию флуктуаций коэффициента отражения и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу, определялся зависимостью коэффициента отражения RF(θ) от угла θ, которая, в свою очередь, является функцией комплексной диэлектрической проницаемости ε. На фиг. 4 приведены графики зависимости величины ξ от дисперсии уклонов морской поверхности, для углов визирования h=10; 30; 50 градусов от горизонта, полученные по измеренным зависимостям интенсивности излучения атмосферы от угла визирования. Как видно из графиков, зависимость ξ(θ) от волнения является оперативным индикатором состояния морской поверхности. Таким образом, корреляционный фактор может быть использован для дистанционной диагностики волнового состояния морской поверхности на углах, меньших 30 градусов от горизонта.

В таблице на фиг. 5 приведены экспериментальные значения коэффициентов отражения водной поверхности RF(λ,θ), а также значения коэффициентов отражения водной поверхности RFT(λ,θ) в полосе 8…14 мкм, рассчитанные по формулам Френеля с использованием спектральных значений диэлектрической проницаемости воды [см. Кондратьев К.Я., Бургов М.П., Гайнулин И.Ф., Тотунова Г.Ф. // Проблемы физики атмосферы. Сб. 2. Издательство ЛГУ, 1963. С. 87.], при температуре теплового ИК-излучения 298 K.

Натурные измерения мощности неполяризованного ИК-излучения моря и атмосферы проводились приемником в спектральной полосе 8…14 мкм, принимавшем 90% мощности излучения внутри конуса вращения с углом при вершине θа=4.8°. Нелинейный характер зависимости коэффициента отражения водной поверхности от угла визирования приводил к смещению отсчетного угла h из-за конечности поля зрения прибора. В интервале углов от -10° до -60° смещение Δh менялось от 0.13° до 0.09°. В дальнейшем, эти поправки учитывались в значениях углов визирования в таблице на фиг. 5.

Как видно из графиков на фиг. 2, температуры излучения моря и атмосферы в период измерений отличались не более чем на 50° K, а соответствующее различие в спектрах излучения несущественно сказывалось на результатах расчетов коэффициентов отражения в полосе приемника.

На фиг. 6 приведены экспериментальные значения коэффициента отражения RF(λ,θ) водной поверхности (дискретные нижние точки) и значения коэффициента отражения, измеренные в лабораторных условиях (дискретные верхние точки). В виде сплошной кривой 3 представлена расчетная кривая RFT(λ,θ). Из таблицы на фиг. 5 и графиков на фиг. 6 видно, что измеренное значение коэффициента отражения морской поверхности в натурных условиях существенно меньше расчетного и значений коэффициента отражения, измеренных в лабораторных условиях (фиг. 6 дискретные верхние точки). На фиг. 6 (сплошная кривая 4) представлена также зависимость экспериментально определенного коэффициента отражения Rэкс от h, полученная при аппроксимации угловой зависимости измеренных коэффициентов отражения в интервале углов -60…-10°. Сплошная кривая 4 получена путем вписывания в экспериментальные точки значений коэффициентов отражения, вычисленных по формулам Френеля, при подборе параметров диэлектрической проницаемости в скин-слое.

Критерием выбора εэкс из всех значений ε являлся минимум среднеквадратичного отклонения зависимости измеренных RF(λ,θ) от Rэкс (вычисленных по формулам Френеля) от линейной. В результате было получено экспериментальное значение диэлектрической проницаемости поверхностной пленки в натурных условиях при ветровом волнении:

εэкс=1.1411-i⋅0.1317

или nэ=1.07 и =0.0615 - действительная и мнимая части комплексного показателя преломления соответственно.

Для валидации данных натурного эксперимента по радиометрии водной поверхности на этой же аппаратуре были проведены лабораторные измерения коэффициента отражения чистой воды. Получено достаточно хорошее соответствие измеренных величин коэффициентов отражения ровной водной поверхности в интервале углов визирования -20…-60° и величин, вычисленных по формулам Френеля для тех же условий с использованием в полосе 8…14 мкм спектральных значений диэлектрической проницаемости воды [см. Кондратьев К.Я., Бургов М.П., Гайнулин И.Ф., Тотунова Г.Ф. // Проблемы физики атмосферы. Сб. 2. Издательство ЛГУ, 1963. С. 87]. В итоге по результатам лабораторного эксперимента независимо установлено соответствие измерительного ИК-комплекса и методов измерения для решения задач радиометрии водной поверхности.

Работа выполнена при финансовой поддержке со стороны Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания (проект 3.8070.2017/БЧ).

Способ определения параметров взволнованной водной поверхности в инфракрасном диапазоне, основанный на измерении излучения водной поверхности и атмосферы по зеркальному лучу, отличающийся тем, что измерение производят одновременно двумя приемниками ИК-излучения в диапазоне длин волн 8-14 мкм с одновременной регистрацией метеорологических параметров: температуры воздуха, скорости ветра, а также температуры воды на глубине 1 м, величину множителя, учитывающего корреляцию флуктуаций коэффициента отражения водной поверхности и интенсивности излучения атмосферы по зеркальному лучу, которая имеет место вследствие изменения уклонов морской волны, определяют, используя измеренные зависимости интенсивности излучения атмосферы от угла визирования и коэффициенты отражения водной поверхности, измеренные или вычисленные в зависимости от углов визирования, для волнения, уклоны волн которого измеряются или задаются известными моделями ветровой зависимости, а учет тренда температуры воды в скин-слое из-за охлаждения в процессе измерений проводят методом последовательных приближений на основе данных измерений излучения водной поверхности и атмосферы по зеркальному лучу на углах, больших 30 градусов от горизонта, при этом критерием прекращения процедуры уточнения является требование, чтобы разность полученных в двух последовательных циклах температур в скин-слое ИК-излучения не превышала 0.01 K, а после исключения температурного тренда из основного уравнения дистанционного зондирования водной поверхности в ИК-диапазоне способом регрессионного анализа одновременно определяют коэффициент отражения, излучательную способность, температуру и диэлектрическую проницаемость ε водной поверхности в скин-слое, где формируется ИК-излучение, а при подключении данных измерений излучения водной поверхности и атмосферы по зеркальному лучу на углах, меньших 30 градусов от горизонта, из регрессионного анализа связи измеренного коэффициента отражения и вычисленного по формулам Френеля определяют дисперсию уклонов волнения, которую используют вместо расчетной для уточнения коэффициента отражения, излучательной способности, температуры и диэлектрической проницаемости ε водной поверхности в скин-слое.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике диагностирования трансформаторного оборудования, а именно к контролю качества бумажно-масляной изоляции трансформаторов. Устройство для определения степени поляризации бумажной изоляции трансформатора состоит из оптико-волоконного кабеля с наконечником, источника излучения и приемника излучения с интерфейсом связи.

Способ определения коэффициентов отражения зеркал, размещаемых в комбинацию параллельно друг другу, состоит из последовательности этапов измерений, связанных с заменой зеркал в комбинации, измерением мощности излучения после отражений от них в каждой из комбинаций.

Группа изобретений относится к способам и устройствам для измерения и анализа концентраций газообразных и жидких сред. Сенсорный элемент для детектирования изменения состава исследуемой жидкой или газообразной среды представляет собой многослойный наноструктурированный материал с сенсорной поверхностью, выполненный в виде дифракционной решетки с периодом от 300 до 3000 нм, обеспечивающей возможность возбуждения на границе раздела сенсорная поверхность/исследуемая среда (диэлектрик) поверхностных плазмон-поляритонов.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения альбедо поверхности. Способ включает в себя измерение с помощью актинометрического устройства суммарной радиации Q в зоне исследуемой поверхности, определение яркости L исследуемой поверхности и вычисление значения альбедо А исследуемой поверхности по математической зависимости: А=αL+βQ+γ, где α, β, γ - коэффициенты уравнения регрессии.

Изобретение относится к области технической физики, к устройствам, предназначенным для детектирования молекул газов или жидкостей на основе многолучевой интерференции света, явления полного внутреннего отражения и капиллярной конденсации в порах пленки опалоподобного кремнезема.

Изобретение относится к способам экологического мониторинга акваторий аэрокосмическими средствами. Способ состоит в определении контуров и параметров загрязнений по отражательным характеристикам водной поверхности, отличающийся тем, что расчет признаков осуществляется одновременно в спектральных каналах, соответствующих максимальной величине обратного рассеивания взвешенными частицами, полосам поглощения органических примесей в виде фитопланктона, интервалам, близким к максимуму возбуждения люминесцентного свечения нефтяными фракциями в коротковолновой части видимого диапазона спектра, и имеющих ширину от нескольких до десятков нанометров.

Изобретение относится к устройствам, применяемым для детектирования аффинностей связывания, и может быть использовано в биодатчиках. Устройство содержит планарный волновод (2), размещенный на подложке (3), и оптическую развязку (4) для вывода когерентного света (1) заданной длины волны в планарный волновод.

Изобретение относится к системам и способам для определения различий спектральных характеристик разных оптических покрытий, находящихся между передатчиком и приемником.

Способ исследования изменений климата Земли заключается в том, что измерительную систему, включающую два идентичных оптических телескопа, располагают на видимой поверхности Луны.

Изобретение относится к инфракрасной (ИК) спектроскопии поверхности металлов и полупроводников, а именно к определению амплитудно-фазовых спектров как самой поверхности, так и ее переходного слоя, путем измерения характеристик направляемых этой поверхностью поверхностных плазмонов (ПП).

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий методом теплового контроля и может быть использовано для повышения надежности диагностики при ручном и автоматизированном активном тепловом контроле изделий из полимерных композиционных материалов.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости и температуры раскаленных газовых потоков, включая пламена.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для автоматического контроля размеров, шероховатости поверхности и температуры изделий. Технический результат – повышение точности измерений.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и касается способа измерения пороговой разности температур инфракрасного матричного фотоприемного устройства.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для определения повышенной сейсмической активности. Сущность: регистрируют тепловые аномалии земной поверхности и атмосферы пассивным СВЧ-радиометром, установленным на борту космического аппарата.

Изобретение относится к способу бесконтактного определения температуры движущегося объекта, имеющего неизвестный уровень излучения, в особенности объекта в виде металлического провода, транспортируемого вдоль его продольной оси.

Изобретение относится к оптоэлектронным измерительным устройствам и может быть использовано для бесконтактного измерения температуры объекта по его излучению. Устройство включает фокусирующую оптическую систему (2), фотодетектор (1), совмещенный с изображением измеряемой области (4) объекта (5), по меньшей мере три полупроводниковых излучателя (3) видимого диапазона спектра, расположенных вокруг оптической оси фокусирующей оптической системы (2).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения исправности бурового оборудования. Описывается система и способ определения исправности бурового оборудования.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит вакуумную камеру, исследуемый образец, механизм вращения образца, два плоских омических нагревателя с расположенными в них датчиками температуры и тепловых потоков.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании излучательных свойств материалов. Способ измерения интегральной излучательной способности заключается в закреплении в отдельной камере исследуемого образца твердого тела, нагревании указанного образца до установленной температуры T на его поверхности и регистрации термоприемником лучистой энергии, испускаемой с поверхности исследуемого образца.

Изобретение относится к области дистанционного зондирования и касается способа определения параметров взволнованной водной поверхности в инфракрасном диапазоне. Способ включает в себя регистрацию собственного излучения взволнованной водной поверхности и атмосферы по зеркальному лучу двумя приемниками ИК-излучения в диапазоне длин волн 8-14 мкм с одновременной регистрацией метеорологических параметров. Далее способом регрессионного анализа одновременно определяют коэффициент отражения, излучательную способность, температуру и диэлектрическую проницаемость водной поверхности в скин-слое, где формируется ИК-излучение. При подключении данных измерений излучения водной поверхности и атмосферы по зеркальному лучу на углах, меньших 30 градусов от горизонта, определяют дисперсию уклонов волнения из регрессионного анализа связи измеренного коэффициента отражения и вычисленного по формулам Френеля. Значение дисперсии используют вместо расчетной для уточнения коэффициента отражения, излучательной способности, температуры и диэлектрической проницаемости ε водной поверхности в скин-слое. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного дистанционного определения излучательной способности, температуры и диэлектрической проницаемости воды в пленочном слое водной поверхности. 6 ил.

Наверх