Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров поверхности земли

Изобретение относится к дистанционным методам активного теплового неразрушающего контроля и может быть использовано для определения пространственного распределения теплофизических параметров поверхности земли. Сущность: измеряют радиационную температуру исследуемой поверхности земли (2) с помощью аппаратуры, установленной на беспилотном летательном аппарате (1) вертолетного типа. Рассчитывают теплопроводность и температуропроводность поверхности земли (2). Строят пространственное распределение полученных параметров. При этом на исследуемой поверхности земли (2) устанавливают эталонные материалы (3) с известными значениями теплофизических параметров. Подвергают эти материалы (3) воздействию солнечного излучения от восхода Солнца до его заката. Одновременно с заданной периодичностью регистрируют суммарную и отраженную солнечную радиацию, поступающую на исследуемую поверхность земли (2), и измеряют радиационный баланс исследуемой поверхности земли (2). Затем от захода Солнца до его восхода измеряют температуру окружающей среды и почвы, скорость ветра, радиационную температуру на поверхности эталонного материала (3) и исследуемой поверхности земли (2). С использованием полученных результатов измерений определяют усредненную энергетическую светимость эталонных материалов (3). Уточняют теплопроводность и температуропроводность исследуемой поверхности земли (2). Технический результат: повышение точности определения пространственного распределения теплофизических параметров поверхности земли. 1 ил.

 

Способ относится к методам активного теплового неразрушающего контроля, заключающимся в определении пространственного распределения теплофизических параметров путем дистанционного измерения радиационных температур во всех точках пространственной сетки видимой поверхности земли от захода Солнца до его заката тепловизионным приемником, расположенным на борту беспилотного летательного аппарата вертолетного типа.

Известен способ дистанционной диагностики магистральных трубопроводов (патент RU 2428722 C2, 13.07.2009), основанный на облете исследуемой территории дирижабельным тепловизионным комплексом высокого разрешения и получении снимков в видимом и дальнем инфракрасном диапазонах длин волн, их анализе с построением объемных моделей плотности потока теплового излучения зон залегания трубопроводов для решения геологических, техногенных и экологических задач.

Недостатком этого способа является низкая производительность, высокая погрешность измерения, обусловленная тем, что при расчетах математической модели не применяются эталонные материалы и не учитываются физические процессы, протекающие в динамике радиационного и конвективного теплообмена естественных условий.

Известен способ измерения пространственного распределения теплофизических параметров изотропных материалов, ближайший по технической сущности и принятый за прототип, заключающийся в измерении пространственного распределения теплофизических параметров изотропного материала с применением теплового воздействия от инфракрасного источника нагрева на поверхность изотропного материала и дистанционным измерением тепловизионным приемником радиационной температуры во всех точках пространственной сетки видимой поверхности исследуемого изотропного материала (патент RU 2544890, G01N 25/18, 20.03.15).

Недостатками этого способа является низкая точность исследования поверхности земли в естественных условиях.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения пространственного распределения теплофизических параметров поверхности земли.

Технический результат достигается тем, что в способе дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров поверхности земли, основанном на измерении радиационной температуры исследуемой поверхности земли с помощью аппаратуры, установленной на беспилотном летательном аппарате вертолетного типа, и расчете теплопроводности и температуропроводности и построения их пространственного распределения, на исследуемой поверхности земли устанавливают эталонные материалы с известными значениями теплофизических параметров, подвергают их воздействию солнечного излучения от восхода Солнца до его заката, одновременно с заданной периодичностью регистрируют суммарную и отраженную солнечную радиацию, поступающую на исследуемую поверхность, и измеряют радиационный баланс исследуемой поверхности земли, затем от захода Солнца до его восхода измеряют температуру окружающей среды и почвы, скорость ветра, радиационную температуру на поверхности эталонного материала и исследуемой поверхности земли, с использованием полученных результатов измерений определяют усредненную энергетическую светимость эталонных материалов и уточняют теплопроводность и температуропроводность исследуемой поверхности земли.

Сущность способа дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров поверхности земли заключается в дистанционном определении пространственного распределения теплопроводности и температуропроводности исследуемой поверхности земли и в уточнении их значений путем проведения измерений суммарной и отраженной солнечных радиаций, поступающих на поверхность земли, радиационного баланса, температуры окружающей среды и почвы, скорости ветра, а также за счет определения усредненной энергетической светимости эталонных материалов, расположенных на исследуемой поверхности земли.

Способ позволяет дистанционно определять теплофизические параметры поверхности земли в естественных условиях путем проведения дополнительных измерений суммарной и отраженной солнечных радиаций, поступающих на поверхность земли, радиационного баланса, температуры окружающей среды и почвы, скорости ветра. Дополнительные измерения позволяют при уточнении значений теплофизических параметров учесть факторы, влияющие на процесс формирования радиационных температур на исследуемой поверхности и определяющие климат на поверхности земли [Физика Атмосферы / под ред. Л.Т. Матвеева, СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. С. 215-250].

Точность определения значений теплофизических параметров повышается путем применения эталонных материалов с известными значениями теплофизических параметров [Алексеев В.В., Громов Ю.Ю., Губсков Ю.А., Ищук И.Н. Методология дистанционной оценки пространственных распределений оптико-теплофизических параметров объектов, замаскированных под поверхностью грунта. М.: ООО «Научтехлитиздат», 2014, 248 с.] для расчета усредненного значения энергетической светимости этих материалов, значение которой характеризует мощность оптического излучения сканируемой поверхности земли в инфракрасном диапазоне длин волн, так как включает вклад трех составляющих: отраженную, поглощенную (переизлученную) и собственную (внутреннюю) энергии [Матвеев Л.Т. Физика Атмосферы / под ред. Л.Т. Матвеева, СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. С. 215-250].

В способе реализуется задача определения теплофизических параметров поверхности земли, которая относится к классу обратных задач теплопроводности [Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. М.: Машиностроение, 1988, 280 с.], для корректного решения которой в условиях естественного теплообмена необходимо обладать полным набором исходных данных, которыми являются параметры, формирующие радиационные температуры поверхности земли в естественных условиях.

Способ может найти применение в задачах дистанционной диагностики технического состояния, в оптико-электронных системах идентификации тепловых свойств, при обслуживании технологической инфраструктуры жилищно-коммунального хозяйства, а также в задачах инфракрасной разведки с целью получения нового демаскирующего признака для оценки видимости объектов, расположенных на поверхности земли помимо радиационного теплового контраста.

Вариант схемы устройства, реализующего способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров поверхности земли, представлен на фигуре, где

1 - беспилотный летательный аппарат вертолетного типа с тепловизионным приемником;

2 - поверхность земли;

3 - эталонные материалы;

4 - блок вычисления пространственного распределения теплофизических параметров;

5 - блок регистрации суммарной и отраженной солнечных радиаций;

6 - блок регистрации радиационного баланса;

7 - блок регистрации температуры окружающей среды;

8 - блок регистрации температуры почвы;

9 - блок регистрации скорости ветра;

10 - блок вычисления усредненной энергетической светимости эталонных материалов;

11 - блок дистанционного управления беспилотного летательного аппарата.

Эталонные материалы 3 предназначены для получения значения усредненной энергетической светимости. В качестве эталонных материалов могут быть использованы силикатный кирпич, кварцевый песок, пенопласт, древесина, вода, бетон, асбест, чугун, сталь, алюминий, теплофизические параметры которых известны [Кауфман Б. Теплопроводность строительных материалов. М.: ГИЗСиА, 1955. С. 150-157].

Назначение блока регистрации суммарной и отраженной солнечных радиаций 5, поступающих на исследуемую поверхность, ясно из его названия. Измерения суммарной и рассеянной солнечных радиаций производятся с заданной периодичностью и могут быть выполнены, например, пиранометром [Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, С. 165-172].

Назначение блока регистрации радиационного баланса 6 ясно из его названия. Регистрацию радиационного баланса производят с заданной периодичностью, например, балансомером. [Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, С. 172-176].

Назначение блоков регистрации температуры окружающей среды 7 и температуры почвы 8 ясно из их названия. Температуру окружающей среды можно регистрировать, например, метеорологическим термометром. Температуру почвы можно регистрировать, например, почвенным термометром [Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, С. 27-67].

Назначение блока регистрации скорости ветра 9 ясно из его названия. Регистрацию скорости ветра можно производить анемометром [Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, С. 186-222].

Блоки 5-9 могут быть выполнены с помощью промышленно выпускаемых приборов (блок 5 - в виде пиранометра М-80М, блок 6 - в виде балансомера М-10М, блок 7 - в виде термометра ТМ-9, термометра Савинова, блок 8 - в виде почвенного термометра ТПВ-50, АМ-6, блок 9 - в виде анемометра МС-13, АРИ, М-25, М-92).

Блок вычисления усредненной энергетической светимости эталонных материалов 10 предназначен для вычисления усредненного значения энергетической светимости поверхности всех эталонных материалов.

Блок вычисления пространственного распределения теплофизических параметров 4 осуществляет расчет, вывод матриц и построение пространственного распределения оцененных значений теплопроводности и температуропроводности поверхности земли.

Усредненное значение энергетической светимости эталонных материалов, а также пространственное распределение теплофизических параметров может быть получено путем выполнения расчетов по алгоритму, описанному в работе [Ищук И.Н., Парфирьев А.В. Реконструкция кубоида ИК-изображений для обнаружения скрытых объектов Ч. 1. Решение на основе коэффициентной обратной задачи теплопроводности // Измерительная техника, 2013. №10. С. 47-50].

Блоки 10 и 4 могут быть выполнены на основе программируемой логической интегральной схемы CompactRIO компании National Instruments.

Назначение блока дистанционного управления беспилотного летательного аппарата 11 ясно из его названия. Он может быть выполнен на базе системы управления беспилотным летательным аппаратом (патент RU 2212702, G05D, 23.01.02).

Эталонные материалы 3 с известными значениями температуропроводности и теплопроводности располагают на поверхности грунта после рассвета. До захода Солнца они подвергаются воздействию солнечного излучения.

В течение дня до захода Солнца блоком регистрации суммарной и отраженной солнечных радиаций 5 с заданной периодичностью производят регистрацию суммарной и рассеянной солнечной радиации, поступающей на исследуемую поверхность, также с заданной периодичностью блоком регистрации радиационного баланса 6 измеряют радиационный баланс исследуемой поверхности.

Затем от захода Солнца до его восхода в моменты пролета беспилотного летательного аппарата 1 блоками регистрации температуры окружающей среды 7 и температуры почвы 8 регистрируют температуру окружающей среды и почвы, а также блоком регистрации скорости ветра 9 регистрируют скорость ветра.

Тепловизионный приемник, размещенный на беспилотном летательном аппарате 1, перемещают в заданную точку пространства и постоянно (с заданной периодичностью) в ней удерживают, при этом производят регистрацию радиационных температур на поверхности эталонного материала 3 и исследуемой поверхности земли 2. Беспилотным летательным аппаратом 1 управляют с помощью блока дистанционного управления беспилотным летательным аппаратом 11.

Съемку поверхности земли ведут с малых и сверхмалых высот 50-800 м при температуре воздуха не ниже 3°C в инфракрасном диапазоне длин волн. Для проведения измерений тепловизионным приемником используют коэффициент излучения поверхности земли, рассчитанный исходя из полученных измерений с блоков регистрации суммарной и отраженной солнечных радиаций 5, регистрации температуры окружающей среды 7 и регистрации температуры почвы 8 [Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль, 2009 г., 266 с.].

Далее информация о радиационных температурах на поверхности эталонных материалов 3 и исследуемой поверхности земли 2, вместе с данными, полученными от блоков регистрации суммарной и отраженной солнечных радиаций 5, регистрации радиационного баланса 6, регистрации температуры окружающей среды 7, регистрации температуры почвы 8 и регистрации скорости ветра 9 поступает на блоки вычисления усредненной энергетической светимости эталонных материалов 10 и вычисления пространственного распределения теплофизических параметров 4.

Рассчитанное усредненное значение энергетической светимости эталонных материалов передается на блок вычисления пространственного распределения теплофизических параметров 4, который осуществляет расчет, вывод матриц и построение пространственного распределения оцененных значений теплопроводности и температуропроводности поверхности земли.

Вывод рассчитанных значений энергетической светимости осуществляется в виде матриц - тепловых томограмм

по температуропроводности

по теплопроводности

где

- оцененное значение температуропроводности поверхности земли;

- оцененное значение теплопроводности поверхности земли.

Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров поверхности земли, основанный на измерении радиационной температуры исследуемой поверхности земли с помощью аппаратуры, установленной на беспилотном летательном аппарате вертолетного типа, расчете теплопроводности и температуропроводности и построении их пространственного распределения, отличающийся тем, что на исследуемой поверхности земли устанавливают эталонные материалы с известными значениями теплофизических параметров, подвергают их воздействию солнечного излучения от восхода Солнца до его заката, одновременно с заданной периодичностью регистрируют суммарную и отраженную солнечную радиацию, поступающую на исследуемую поверхность, и измеряют радиационный баланс исследуемой поверхности земли, затем от захода Солнца до его восхода измеряют температуру окружающей среды и почвы, скорость ветра, радиационную температуру на поверхности эталонного материала и исследуемой поверхности земли, с использованием полученных результатов измерений определяют усредненную энергетическую светимость эталонных материалов и уточняют теплопроводность и температуропроводность исследуемой поверхности земли.