Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы дистанционных измерений нисходящего ИК-излучения 18
1.1. Основные задачи, которые позволяют решить применение ИК-радиометрического метода зондирования окружающей среды 18
1.2. Основные характеристики прозрачности атмосферы 19
1.3. Основные радиационные характеристики облаков 22
1.4. Влияние облачности на перенос радиации в атмосфере 45
1.5. Исследования переноса ИК-излучения в облаках по ослаблению излучения высокотемпературного источника 65
ГЛАВА 2. Разработка аппаратурного ИК-комплекса и методов измерений параметров атмосферы 77
2.1. Измерение радиационной температуры НГ облаков из стационарного положения 77
2.2. Температурное сканирование движущегося метеообъекта 87
2.3. Метод измерения плотности оптически полупрозрачных облаков по Солнцу 93
2.4. Методики обработки экспериментальных данных 98
ГЛАВА 3. Разработка и обоснование методов калибровки ИК-радиометрического комплекса 110
3.1. Повышение стабильности в работе ИК-радиометров 110
3.2. Методы градуировки ИК-радиометрической аппаратуры 122
ГЛАВА 4. Разработка фотографических методов определения некоторых параметров разорванной облачности 139
4.1. Фотографический метод определения высоты метеообъекта... 139
4.2. Методики расчета скорости движения облака по фотоснимкам, полученным цифровой камерой ИК-радиометрического комплекса 145
Заключение 151
Литература
- Основные характеристики прозрачности атмосферы
- Влияние облачности на перенос радиации в атмосфере
- Метод измерения плотности оптически полупрозрачных облаков по Солнцу
- Методики расчета скорости движения облака по фотоснимкам, полученным цифровой камерой ИК-радиометрического комплекса
Введение к работе
Работа посвящена разработке комплекса ИК-радио- и фотометрической аппаратуры, предназначенной для дистанционного контроля прозрачности пограничного слоя атмосферы, содержания в атмосфере водяного пара, а также метеопараметров облачности различных типов.
Применение для этих целей дистанционных методов - ИК-радиометрического и фотографического - позволяет оперативно определять основные параметры облачности (высота нижней границы, водность и водозапас облака, плотность оптически полупрозрачных облаков) и атмосферного пограничного слоя (тип стратификации, вертикальные профили ветра и его направление, прозрачность АПС).
Актуальность темы.
Разработка дистанционных методов и аппаратуры контроля текущего состояния атмосферы с поверхности земли и со спутников в течение многих лет привлекает внимание отечественных и зарубежных ученых и инженеров. Создан широкий арсенал приборов, работающих в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн. Эти приборы нашли широкое применение как в оперативной практике, так и в научных исследованиях, связанных с изучением строения атмосферы и динамических процессов, протекающих в ней.
Вместе с тем, совершенствование и создание новых дистанционных методов и аппаратурных комплексов дистанционного контроля атмосферы осталось, и еще в течение многих лет будет оставаться одним из наиболее перспективных направлений развития метеорологического приборостроения.
Особое внимание в этих работах занимает разработка аппаратурных комплексов, работающих в видимом диапазоне длин волн и в «окне
прозрачности» атмосферы 8-14 мкм. Показано, что использование этого диапазона в сочетании с приборами, работающими в ближней ИК-области спектра и микроволновом диапазоне, позволяет получить много полезной информации о состоянии атмосферы, которую можно использовать в оперативной метеорологической практике, экологии и для изучения физических процессов, протекающих в атмосфере.
Особый научный интерес представляют исследования процессов, протекающих на стадиях зарождения и начальных этапах развития кучевой облачности. Решение этой задачи необходимо для понимания термодинамического состояния атмосферы, приводящего к образованию мощно-кучевой и кучево-дождевой облачности. Для получения соответствующей информации роль оптических методов и приборов, В.ТОМ числе работающих в «окне прозрачности» атмосферы, трудно переоценить.
Несмотря на большие успехи и достижения в области оптического приборостроения, радиоэлектроники и вычислительной техники многие проблемы в метеорологии не решены. В частности, проведение высокоточных измерений радиационных потоков в условиях реальной атмосферы, когда температура и влажность окружающей среды может изменяться в очень широких пределах, представляет сложную и до сих пор до конца не решенную техническую задачу.
Вместе с тем, именно такая аппаратура необходима для оперативного определения загрязнения воздуха в приземном слое и определения параметров полупрозрачной облачности, особенно в зимний период.
Цель диссертационной работы.
Разработка ИК-радиометрического комплекса, обеспечивающего дистанционный контроль и исследование облаков различных типов и прозрачности атмосферы.
6 Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать методики измерений и алгоритмы, позволяющие при
известных характеристиках атмосферы и ИК-радиометрической
аппаратуры:
установить связи между уровнем нисходящего теплового излучения в спектральной полосе ДА, = 8 - 14 мкм, общим содержанием в атмосфере водяного пара и аэрозоля;
определить высоту нижней границы облака, используя модель: облако - атмосфера - подстилающая поверхность;
с учетом влияния подоблачного слоя определить водность, водозапас облаков, ледность оптически полупрозрачной облачности.
Создать автоматизированный прецизионный комплекс, включающий ИК- и микроволновую радиометрическую и фоторегистрирующую аппаратуру.
Разработать методы и устройства, обеспечивающие калибровку аппаратуры в широком диапазоне температур, включая низкотемпературную область, когда уровень радиационных потоков, несущих полезную информацию об атмосфере мал, а уровень излучения окружающей среды достаточно высок.
Исследовать функциональные возможности разработанной измерительной аппаратуры в реальных условиях.
Разработать оперативный метод непрерывного контроля за состоянием рабочей аппаратуры в лабораторных и полевых условиях.
Теоретические обоснования и задачи экспериментальных исследований.
Изучение комплекса проблем, связанных с переносом оптического излучения в безоблачной атмосфере и полупрозрачной облачности, оценка возможности решения обратной задачи определения водности облаков по результатам обработки данных совместных ИК- и СВЧ-радиометрических, лидарных и радиолокационных измерений. Такой подход позволяет существенно продвинуться в понимании того, как образуется, развивается или распадается облачность.
Решение этих сложных проблем невозможно без учета влияния термодинамического состояния атмосферы: вертикальных профилей температуры, влажности и ветрового поля, а также наличия и распределения в атмосфере аэрозоля и учета их влияния на перенос оптического и радиоизлучения в атмосфере. Последние сведения позволяют более полно и точно определить погрешности, которые могут возникнуть при решении обратных задач, связанных с определением водности, водозапаса, ледности, а также термодинамической стратификации атмосферы.
Постановка задачи и предполагаемый подход к ее решению.
Ранее в различных организациях, в том числе и в МГУПИ, были теоретически и экспериментально обоснованы методы, основанные на одновременном применении разрабатываемых лидарно-радиометрических методов. Для исследования использовалась высокочувствительная измерительная РІК- и СВЧ- радиометрическая аппаратура и высокочувствительный лидар.
Было показано, что использование одновременно информации, содержащейся в отраженном и рассеянном сигнале, угловой зависимости и уровне собственного излучения атмосферы, позволяет получать дшшые о прозрачности атмосферы, водозапасе облака, а также о распределении
водности внутри самого облака, и изменении этих величин во времени и пространстве.
Вместе с тем, существует комплекс вопросов, которые требуют своего решения. К числу таких вопросов относятся исследование переноса оптического излучения в оптически полупрозрачной облачности и переход от параметров отраженного (излученного) облаком сигнала к параметрам, характеризующим само облако (водность, микроструктура). Значительно осложняет осуществление этого перехода необходимость учета многократного рассеяния и поглощения оптического излучения ледяными кристаллами неправильной формы.
Решение всех перечисленных выше проблем требует создания прецизионной ИК-радиометрической и оптической аппаратуры.
Научная новизна работы.
1). Разработаны и исследованы методики проведения измерений параметров облачности различных типов на созданном наземном ИК-радиометрическом и фотографическом комплексе.
2). Разработаны и апробированы алгоритмы обработки измеряемых параметров облачности и атмосферы.
3). Разработан и исследован способ расширения измеряемого ИК-радиометром температурного диапазона.
4). Разработаны и апробированы оригинальные методы калибровки ИК-радиометрического комплекса.
5). Разработан и обоснован фотографический метод определения высоты нижней границы облачности.
Практическая ценность работы.
1). На основе элементной и аппаратурной базы последнего поколения изготовлен и апробирован прецизионный и автоматизированный ИК-радиометрический и фотографический комплекс
дистанциоішого зондирования для определения параметров облачности различных типов и контроля прозрачности атмосферы.
2). Впервые проведены долговременные ИК-радиометрические и оптические измерения и проанализированы их соответствие со спутниковыми наблюдениями при наличии различных форм облачности над районом Москвы. Они показали возможность определения и вариации содержания в атмосфере водяного пара при низких температурах, когда применение других методов, в том числе и традиционного радиозондового метода, мало эффективно, т.к. сопряжено с большими погрешностями.
3). Оригинальные методы калибровки ИК-радиометрического комплекса позволили проводить измерения радиационных потоков, величина теплового излучения которых соответствует температуре «черного тела» (в спектральной полосе 8-14 мкм) 180 - 200К.
4). Разработанный ИК-радио- и фотометрический комплекс и методика дистанционного зондирования облачности и контроля прозрачности атмосферы могут быть использованы при исследовании и прогнозировании метеорологичекой ситуации, а также для экологического мониторинга в отдельном регионе.
5). Полученные статистические данные об облачности над отдельным районом Москвы могут быть использованы при составлении краткосрочных и долгосрочных прогнозов погоды в мегаполисе.
На защиту выносятся:
ИК-радио и фотометрический комплекс и оригинальные, теоретически обоснованные методы его калибровки.
Методики дистанционного зондирования облачности и контроля прозрачности атмосферы.
Методики обработки полученных экспериментальных данных с учетом вклада в уровень принимаемого сигнала излучения
подоблачного атмосферного слоя, основанного на использовании данных температурно-влажностного радиозондирования. 4. Методика определения степени прозрачности атмосферы.
Апробация работы и публикации.
Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
XIII Международный НТК «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 2003 г.
XIV Международный НТК «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 2004 г.
XV Международный НТК «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 2005 г.
XVI Международный НТК «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта 2006 г.
VIII международной научно-практической конференции (г. Сочи,
2005 г.).
- IX международной научно-практической конференции (г. Сочи,
2006 г.).
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе научных статей - 1, публикаций в сборниках докладов и тезисов международных и российских конференций - 6.
Личный вклад автора.
Содержание диссертации является частью научной работы, проводимой на кафедре «Оптико-электронные приборы и системы» в рамках госбюджетной тематики «дистанционное зондирование атмосферы и экологический мониторинг окружающей среды». Работа велась в тесном сотрудничестве с ИФА РАН. Автор принимал непосредственное участие в разработке и изготовлении комплекса, в составлении программного
11 обеспечения, во всех измерениях, проводил первичную и статистическую обработку и обобщение данных.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и библиографии. Объем диссертации составляет 164 страницы, включая 55 рисунков и список литературы из 120 наименований, а также 3 приложения.
Во введении обосновывается актуальность исследований, сформулирована цель, научная новизна и практическая ценность работы, кратко излагается содержание диссертации по главам, приводятся основные научные положения, выносимые на защиту.
В главе 1 приводятся: сжатый исторический обзор методов дистанционного зондирования полупрозрачных типов облаков; теоретическое обоснование выбранных методов для измерения параметров оптически полупрозрачных облаков; обзор работ, посвященных данной тематике; оценка возможностей практического применения результатов данной работы.
В главе 2 приводится разработка методики измерения параметров облаков различных типов в ИК- и видимом диапазонах. Основными недостатками метода Вильсона являются: 1) теоретический расчет интенсивности излучения Солнца при различных моделях атмосферы; 2) необходимость последовательного наведения измерительной ИК-установки на Солнце, закрытое полупрозрачным облаком, потом на это же облако (или его фрагмент) без Солнца. Первый недостаток вносит ощутимые погрешности при измерениях полупрозрачных облаков в реальной атмосфере, а второй предполагает, естественно, проведения таких операций вручную, что сказывается в первую очередь на оперативности зондирования и требует постоянного участия и внимания обслуживающего персонала. Метод определения коэффициента
прозрачности облака, предлагаемый в данной работе, позволяет избежать отмеченных недостатков, но с другой стороны появляется погрешность в измерении излучения высокотемпературного источника. Суть метода заключается в постоянном (автоматическом) слежении за высокотемпературным источником (Солнцем), периодически перекрываемом полупрозрачными облаками. В этом случае реальное состояние атмосферы (прозрачность) учитывается в каждом цикле измерений. Для этого необходимо разработать следящую систему за перемещением Солнца, причем точность наведения и сопровождения Солнца должны обеспечивать погрешность измерения прозрачности облака значительно ниже, чем при методе Вильсона.
Однако измеряемый температурный диапазон ИК-радиометрическим способом ограничен. В лучшем случае современные ИК-радиометры промышленного исполнения измеряют температуру в интервале от - 50С до + 500С, в то время как радиационная температура Солнца составляет несколько тысяч градусов Кельвина, а температура облаков верхнего яруса и чистого неба составляет порядка -70К. В связи с этим была разработана методика расширения измеряемого температурного диапазона с применением при измерениях полиэтиленовой пленки, «прозрачной» в рабочем участке спектра.
Предложена и разработана экспериментальная установка для проведения натурных измерений, структурная схема которой представлена нарисі.
Кроме того, разработана сканирующая установка на базе ИК-термометра (рис.2) для измерения температуры нижней границы облаков, позволяющая получить после соответствующей обработки измеренных значений поверхностную температурную диаграмму и тепловую карту участка неба (рис. 3,4).
Блок приводов
Оптическая система
Блок
электроники
(БЭ)
Блок
питания
(БЭ)
Источник
излучения
(Солнце)
Объект -
полупрозрачное
облако
ИК-
термометр
Индикатор углов
Фотоаппарат
=ЗЕ
Блок питания ИК-термометра
Блок
питания
фотоаппарата
Рис. 1. Структурная схема следящей ИК-фотометрической установки
типа «Кимоно».
—1 г-
2. Датчик угла поворота
5. Блок электроники
Блок питания
1. Объект
З.Сканирующее зеркало
6.ИК-термометр
Блок питания
4. Привод зеркала
7. Мобильная ПЭВМ
Сканирующий узел
Узел приема и
обработки
сигнала
і і l :
Рис.2. Структурная схема сканирующей ИК-установки.
Рис.3. Поверхностная температурная диаграмма участка неба с облаком.
(fl*,t)
б 8
Рис. 4. Тепловая карта участка неба.
Проведена серия экспериментальных измерений, представлены первичные результаты, их анализ, обработка и систематизация. На основе этого были разработаны методики проведения измерений на данных ИК-установках.
Также в течение последних трех лет в г. Москве были проведены долговременные дистанционные наблюдения за облаками различных типов, осуществлен общий анализ полученного материала.
Основные характеристики прозрачности атмосферы
Условия переноса ИК-излучения в атмосфере весьма изменчивы в пространстве и времени. Это обусловлено в первую очередь географическими условиями формирования влагосодержания в атмосфере, количеством и свойствами содержащихся в ней аэрозолей, определяющих наряду с астрономическими факторами изменчивость прихода лучистой энергии Солнца.
Оптические свойства атмосферы характеризуются такими параметрами, как интегральная и спектральная прозрачность, оптическая плотность и толщина, фактор мутности.
Для оценки прозрачности атмосферы используется коэффициент прозрачности, определяемый по формуле Бугера (1.1): г(Ь,аЖ (1.1) где т - число оптических масс атмосферы.
Для естественного излучения в узких спектральных интервалах величина т(Х) является необходимым и достаточным критерием прозрачности атмосферы.
При прохождении солнечного излучения через атмосферу происходит селективное ослабление его спектральной энергетической плотности - поглощение в полосах перманентных атмосферных газовых составляющих, селективное молекулярное и аэрозольное рассеяние. Вследствие этого ослабление интегрального излучения отличается от закона Бугера.
Это обусловлено тем, что на начальном участке пути солнечной радиации в атмосфере, например, при прохождении одной относительной оптической массы (m = 1), из спектральной энергетической плотности исключается часть энергии путем поглощения атмосферными газами, селективного рассеяния. В результате максимум в спектральной энергетической плотности сдвигается в более длинноволновую область, чем в заатмосферном излучении. Для измененного спектрального состава излучения атмосфера оказывается более прозрачной, поскольку в нем возрастает доля длинноволновой радиации. Поэтому даже при неизменных оптических свойствах атмосферы в значениях коэффициента прозрачности, определенных при различных т по формуле (1.1), появляется виртуальный ход, известный как эффект Форбса.
В табл. 1.1 приведен виртуальный ход интегрального коэффициента прозрачности идеальной атмосферы (теоретическая атмосфера, не содержащая водяного пара и аэрозолей, т.е. сухая и чистая атмосфера).
Оптическая плотность идеальной атмосферы а(Х) является мерой оценки замутненности реальной атмосферы (фактор мутности Т).
Фактор мутности, предложенный Линке, представляет собой число оптических плотностей идеальной атмосферы, необходимых для ослабления энергетического потока, которое происходит в реальной атмосфере: Г(Л) = - = — , (1.2) аи(Л) 1пг„ где ар(Я)- оптическая плотность (коэффициент ослабления) реальной атмосферы; аи(Л)- оптическая плотность идеальной атмосферы, тр,ти соответствующие коэффициенты прозрачности.
Эффект Форбса в факторе мутности (7) проявляется существенно меньше, поскольку здесь исключается влияние на него сухой и чистой атмосферы. Виртуальный ход фактора мутности Линке обусловлен лишь селективностью поглощения водяным паром и аэрозольного рассеяния. Для полного исключения виртуального хода Линке предложил еще один фактор мутности, в котором за единицу фактической плотности атмосферы принимается не идеальная атмосфера, а атмосфера, содержащая кроме перманентных составляющих газов водяной пар в количестве 1 г в столбе единичного сечения. Его зависимость от массы атмосферы существенно меньше и лучше характеризует фактическое изменение прозрачности атмосферы.
Оптическую плотность атмосферы а(Х) иногда называют оптической толщиной. Если при этом не оговаривается, что это оптическая толщина единичной массы атмосферы, то необходимо употреблять термин «плотность», т.к. оптической толщиной в общем случае является величина am. Определение этой оптической характеристики является корректным лишь для монохроматического излучения.
Влияние облачности на перенос радиации в атмосфере
В связи с развитием дистанционных методов исследования атмосферы в последнее время значительно возрос интерес к изучению статистических характеристик полей радиации, их связи с метеопараметрами атмосферы. Расчеты статистических характеристик поля излучения облачности и различных типов подстилающих поверхностей, проведенные на основе данных метеорологических спутников, показали, что различные типы подстилающих поверхностей облаков отличаются по величине математического ожидания и дисперсии.
Однако для «окна прозрачности» атмосферы 8-14 мкм все еще недостаточно исследован вопрос о связи потоков излучения с термодинамическими параметрами атмосферы при наличии различных форм облаков. Поэтому целесообразно определить некоторые статистические характеристики излучения облачности различных форм по данным наземных измерений нисходящего излучения.
Учет влияния случайных вариаций параметров облачности на изменчивость радиационного поля атмосферы представляется чрезвычайно сложной задачей, которая требует одновременно данные о микроструктуре, геометрических размерах, излучающих и отражающих свойствах, высоте, конфигурации границ и температурном поле внутри облака. Отсутствие одновременных измерений радиационных свойств облаков и некоторых из вышеуказанных параметров облака затрудняет решение данной задачи.
До некоторой степени этот пробел должны были восполнить измерения противоизлучения атмосферы, выполненные в ЦАО Госкомгидромета в течение 1970-1974г.г. В этой работе одновременно с измерениями нисходящего излучения при помощи радиозондов определялись вертикальные профили температуры и влажности, были использованы светолокационные средства, при помощи которых регистрировалась высота нижней границы облаков. Анализ данных, полученных в этих экспериментах, позволил сделать некоторые выводы о связи статистических характеристик поля излучения с термодинамическими параметрами атмосферы. Измерения проводились в средних широтах для всех сезонов года. Это позволило выявить для отдельных форм облаков некоторые сезонные и среднегодовые изменения.
По результатам измерений противоизлучения атмосферы при наличии облаков различных форм рассчитаны средние величины энергетических яркостей нисходящего излучения L, их абсолютные о и относительные v отклонения, коэффициенты корреляции интенсивностей излучения с температурой ги, высотой нижней границы облаков гід и общим влагосодержанием атмосферы гдд.
Для расчета использовались обычные соотношения: L = ±L- (1.55) где Lt - измеряемая величина интенсивности нисходящего излучения атмосферы при наличии одного типа облаков; N- число случаев с облаками одного типа; X - значения температуры Т, высоты нижней границы облаков Н, или общего влагосодержания атмосферы R.
На рис. 1.9(а,б) представлены гистограммы распределения измеренных величин интенсивности направленного вниз излучения атмосферы при наличии облаков различных форм (St, Sc, Ас, Си med). Для построения выбраны облака с общим числом случаев наблюдения, превышающим 20. Из данных, представленных на рис. 1.9(а,б), следует, что для облаков нижнего яруса, имеющих сравнительно однородную поверхность нижней границы, распределение близко к нормальному с модальным значением, соответствующим 3,45 мВт/см "стер для слоисто-кучевых облаков и 3,55 мВт/см2,стер для слоистых облаков. Кроме того, нормальное распределение интенсивности нисходящего излучения для облаков нижнего яруса объясняется, по-видимому, особенностью сезонного хода повторяемости Sc и St.
В летний период эти типы облаков нами наблюдались чаще, чем весной или осенью. Для высококучевых Ас и облаков вертикального развития Си med наблюдается сложное нормальное распределение нисходящего излучения с двумя-тремя максимумами. Так, для Си med максимальное число случаев приходится на величину интенсивностей 2,6 9 9 9 мВт/см "стер, 3,15 мВт/см -стер и 3,55 мВт/см стер. По-видимому, это связано с сезонным ходом интенсивности нисходящего излучения, а также с физическими особенностями строения кучевых облаков. _l_J Последнее обстоятельство проиллюстрированного гистограммами, представленными на рис. І.Ю(а-в) для зимнего и весеннего периодов года и облаков типа Ac, Sc, Си. ЭТИ гистограммы построены по данным длительных измерений интенсивности нисходящего излучения при фиксированном направлении визирования и относятся к одному облачному массиву указанного вида. Для каждого облачного массива данные снимались с непрерывной записи противоизлучения атмосферы через 15 секунд, а затем подвергались статистической обработке. Были обнаружены значительные вариации интенсивности поля нисходящего излучения, что указывает на пространственно-временную неоднородность излучения облака.
В таблице 1.5 приведены рассчитанные по формулам (1.55 - 1.58) статистические характеристики поля нисходящей радиации атмосферы при наличии облаков различных форм, полученные за весь период измерений: конец весны - начало осени. (К сожалению, методика измерений, применяемая в зимнее время, не позволила получить достаточное для статистического анализа число случаев измерений противоизлучения атмосферы).
Метод измерения плотности оптически полупрозрачных облаков по Солнцу
Основными недостатками метода Вильсона для определения коэффициента пропускания полупрозрачного облака, рассмотренного в первой главе, являются: 1) теоретический расчет интенсивности излучения Солнца при различных моделях атмосферы; 2) необходимость последовательного наведения измерительной ИК-установки на Солнце, закрытое полупрозрачным облаком, потом на это же облако (или его фрагмент) без Солнца. Первый недостаток вносит ощутимые погрешности при измерениях полупрозрачных облаков в реальной атмосфере, а второй требует, естественно, проведения таких операций вручную, что сказывается в первую очередь на оперативности зондирования и требует постоянного участия и внимания обслуживающего персонала.
Метод определения коэффициента прозрачности облака, предлагаемый в данной работе, позволяет избежать отмеченных недостатков, но с другой стороны появляется погрешность в измерении излучения высокотемпературного источника.
Суть метода заключается в постоянном (автоматическом) слежении за высокотемпературным источником (Солнцем), периодически перекрываемом полупрозрачными облаками. В этом случае реальное состояние атмосферы (прозрачность) учитывается в каждом цикле измерений. Для этого необходимо разработать следящую систему за перемещением Солнца, причем точность наведения и сопровождения Солнца должны обеспечивать погрешность измерения прозрачности облака значительно ниже, чем при методе Вильсона.
Однако измеряемый температурный диапазон ИК-радиометрическим способом ограничен. В лучшем случае современные ИК-радиометры промышленного исполнения измеряют температуру в интервале от - 50С до + 500С, в то время как радиационная температура Солнца составляет несколько тысяч градусов Кельвина, а температура облаков верхнего яруса и чистого неба составляет порядка -70К. В связи с этим была разработана методика расширения измеряемого температурного диапазона с применением при измерениях полиэтиленовой пленки, «прозрачной» на рабочем участке спектра (подробно эта методика для низких температур описана в пункте 2.1).
Предложена и разработана экспериментальная установка для проведения натурных измерений, структурная схема которой представлена на рис.2.17.
Основными элементами оптической схемы являются объектив 2, формирующего изображение Солнца, четырехгранная пирамидка 3 с диффузным отражением (для равномерного распределения интенсивности излучения в пучках лучей, падающих на чувствительные площадки ПИ) и четырех приемников излучения (фотодиоды ФД-27К), расположенных в плоскости изображения объектива 2 под углом 90 друг к другу.
В электронном блоке (рис. 2.19) каждая противоположная пара фотодиодов соединена в мостовую схему, обеспечивающую слежение за смещением изображения Солнца в вертикальной или горизонтальной плоскостях. При смещении изображения Солнца в любой из плоскостей соответствующая мостовая схема вырабатывает разностный электрический потенциал, подающийся на электродвигатель ДПМ-30Н1-02. Этот двигатель через привод осуществляет в данной плоскости направленное смещение следящей системы (согласно знаку разностного сигнала) до выравнивания освещенности на соответствующей паре фотоприемников.
Динамический диапазон следящего канала определялся минимальным смещением Солнца относительно центра диаграммы направленности ИК-радиометра, вызывающим изменение измеряемой радиационной температуры на 0,5% (значительно меньше погрешности, получаемой при использовании метода Вильсона). Для этого была измерена температурная диаграмма Солнца методом, изложенном в п. 2.2. Анализ этой диаграммы показал, что требуемое минимальное изменение температуры вызывает смещение Солнца на 15 угловых минут (т.е. полдиска Солнца при диаграмме направленности, равной 1,6).
В соответствие с этим электрическая схема была рассчитана таким образом, чтобы при минимальном смещении Солнца (15 ) величина напряжения на двигателе достигала пускового значения.
По методам измерений, изложенным в п.п. 2.1 и 2.2, ИК-радиометром регистрируется радиационная температура, вычисляемая по величине ИК-излучения в рабочем спектральном диапазоне, попадающего во входной зрачок радиометра. Но для расчета основных характеристик необходимо знать температуру непосредственно нижней границы облака. Для ее определения необходимо предпринять следующие шаги:
1. Из экспериментальной температурно-временной диаграммы (поверхностной диаграммы), полученной при очередной серии измерений, выбрать участок с максимальной температурой, постоянной в пределах мгновенного угла поля зрения ИК-радиометра.
2. Из формулы (2.3) найти плотность потока излучения в измеряемом спектральном диапазоне от нижней границы облака: Л(ДЛ) Щ__МАЛ)ш_к(и) (23) где R(AX)4M. - плотность потока излучения чистого неба (фона) в измеряемом спектральном диапазоне; т(АХ)атм - коэффициент пропускания атмосферы в данном спектральном диапазоне; R(AX)omp - плотность потока излучения подстилающей поверхности (земли) и восходящего потока подоблачного слоя атмосферы, переотраженного вниз нижней границей измеряемого облака.
Если облако мощное (например Си), то излучательная (поглощательная) способность е(АХ) нижней границы стремится к единице, т.е. в этом случае альбедо нижней границы: Анг — 0 и R(AX)omp 0. В иных случаях R(AX)omp оценивается по эмпирическим данным в среднем 5-7 % от собственного излучения облака [66].
Методики расчета скорости движения облака по фотоснимкам, полученным цифровой камерой ИК-радиометрического комплекса
По результатам измерений и по результатам полученных фотографий можно определить скорость движения облаков.
А. Суть предлагаемого метода состоит в следующем: зная основные параметры фотографической съемки (увеличение, фокусное расстояние, размеры пиксела приемника излучения - первого элемента), можно определить размеры кадра, а также высоту облачности по линейной диаграмме.
Используя паспортные данные цифровой фотокамеры "Olympus С-2040ZOOM", рассчитываем угол обзора. 2(р= 2arctga /pf o6, (4.13) где а - половина диагонали матрицы фотокамеры, /? - увеличение фотокамеры, / об - фокусное расстояние объектива фотокамеры: 2(р = 2 arctg 6,25/2,5 21,3 = 12,58? Ннг = (ЛТ7град Т) 0,1 (4.14) где ННГ - высота нижней границы облака (км); ЛТ = Тв03д С - Тнг С - разность температуры приземного слоя атмосферы и нижней границы облачности соответственно; град Т = 0,67 / 100м - средний температурный градиент, учитывающий изменения в атмосфере за длительный период времени (аэрозоли, турбулентность, дымку). (Стрелкой показано направление ветра. В - точка привязки, А, С -положение определенного облака в пределах кадра в различные моменты времени).
Результаты, полученные по формуле 4.14, носят приблизительный характер. Чтобы определить высоту нижней границы облака более точно, используется например, метод, приведенный в подразделе 4.1. На рис. 4.4 и 4.5 представлены две фотографии, полученные цифровой камерой с одной и той же позиции через некоторый промежуток времени. А на рис. 4.6 - температурно-временная диаграмма рассматриваемого участка облачности по направлению ее перемещения, полученная ИК-термометром фирмы «Raytek». По этой диаграмме определяем температуру нижней границы исследуемого облака: Tfff = - 2,5 С; Тв03() = 17,8 С. Тогда, согласно формуле 4.14 получаем AT = 20,3; Ннг = 3,03 км. Зная высоту облака, можно определить масштаб его изображений, полученных на фотоснимках (рис. 4.4, 4.5). Размер участка облачности на высоте 3,03 км, ограниченного углом поля зрения цифровой фотокамеры, будет равен: L=2HHrg(p (4.15) L= 2-3,03-0,1173 = 0,71 км. Установим размер изображений исследуемого участка неба (рис. 4.4, 4.5), например, 9 х 12 см, следовательно, диагональ фотоснимков будет составлять 15 см. Отсюда получаем масштаб данных изображений: отрезок на фотоснимке в 1 см соответствует 47,3 м (М = 47,3м/см).
Смещение облака за время t по фотоснимкам размерами 9 х 12 см равно: АС = 4 см. Тогда скорость движения облаков равна: Vo6jl = b/t; (4.16) где b - расстояние, на которое сместилось облако, t - время смещения облака (временной промежуток между съемками), оно составляло / = б мин. С учетом масштаба изображений реальное смещение облака за 6 минут составит: Ь = М-АС = 4- 47,3 = 189,2м; В результате скорость движения исследуемого облака будет равна: V= 1,89 км/ч.
Другой метод определения скорости облаков заключается в сопоставлении фотоснимка, полученного цифровой фотокамерой и температурно-временной диаграммы ИК-термометра по характерным точкам или участкам облачности (рис. 4.7).
Зная основные параметры фотосъемки, определяем высоту данного облака и его реальный размер по методике, изложенной в пункте А. Определив по диаграмме время прохождения этого облака через точку зондирования, легко определить скорость движения облака.
Похожие диссертации на Разработка ИК-радиометрического комплекса, обеспечивающего дистанционный контроль и исследование облаков и прозрачности атмосферы
