МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ
НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ
ЛЕБЕДЄВ Микола Євгенович
УДК 551.521.324
ФІЗИЧНІ І МЕТОДИЧНІ ПРИНЦИПИ ДОСЛІДЖЕННЯ
ХАРАКТЕРИСТИК МОРСЬКОЇ ПОВЕРХНІ
НА ОСНОВІ НАТУРНИХ IНФРАЧЕРВОНИХ
РАДІОМЕТРИЧНИХ ВИМІРЮВАНЬ
04.00.22 - геофiзика
А в т о р е ф е р а т
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Севастополь - 2005
Дисертація є рукописом.
Робота виконана в Морському гідрофізичному інституті Національної академії наук України.
Науковий керівник:
кандидат фізико - математичних наук, старший науковий співробітник
Станичний Сергій Володимирович,
Морський гідрофізичний інститут НАН України, старший науковий співробітник.
Офіційні опоненти:
доктор фізико - математичних наук, професор
Єфімов Володимир Васильович,
Морський гідрофізичний інститут НАН України, завідувач
відділу взаємодії атмосфери і океану;
кандидат фізико - математичних наук, старший науковий співробітник
Комяк Володимир Олександрович,
Інститут радіофізики та електроніки НАН України, старший науковий співробітник.
Провідна організація: Одеський державний екологічний
університет Міністерства освіти і науки України, м. Одеса.
Захист відбудеться “ 25 ” листопаду 2005 р. о “ 1300” годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д50.158.02
Морського гідрофізичного інституту Національної академії наук України
за адресою: 99000, м. Севастополь, вул. Капітанська, 2,
малий конференц - зал.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Морського гідрофізичного інституту за адресою: 99000, м. Севастополь, вул. Капітанська, 2.
Автореферат розісланий “ 20 ” жовтня 2005 р.
Вчений секретар Спеціалізованої
вченої ради Д50.158.02,
кандидат фізико - математичних наук ________________ Кубряков О. І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Супутникове зондування океану в IЧ - діапазоні є винятково важливим джерелом оперативної інформації про глобальні поля його поверхневої температури Т0 для вирішення задач океанології, кліматології, прогнозування погоди, екомоніторингу. Нинішня його точність складає 0.5…1°. З другого боку, вимоги якi часом пред'являються до неї, бiльш жорсткі. Так, для засвоєння в чисельних моделях прогнозу погоди і для цілей рибальства допустима погрішність розрахунку Т0 = 0.5°, а для дослідження кліматичного тренда ? 0.3°.
Для подальшого вдосконалення супутникових алгоритмів визначення Т0 необхідне проведення відповідних опорних – калібрувальних корабельних і літакових IЧ - радіометричних вимірювань Т0 з погрішністю на рівні 0.1°, на даний момент поки не досягнутою. Її забезпечення в умовах супроводжуючих натурні вимірювання значних варіацій температури навколишнього середовища та інтенсивності вітрового обдування, що помітно впливають на результати вимірювань, вимагає всестороннього аналізу джерел систематичних погрішностей і можливостей їх мінімізації, який, не дивлячись на наявні публікації, ще є далеко не повним.
Великий практичний інтерес має двохканальний IЧ - радіометричний спосіб вимірювання потоку тепла Q на межі розділу море – атмосфера, що дозволяє дистанційно визначати локальні величини Q. Фізичні і методичні джерела помилок цього способу, що визначають його адекватність, також вивчені зовсім не достатньо.
Таким чином, актуальність теми обумовлена потребою в забезпечен-ні високоточних натурних IЧ - радіометричних вимірювань: опорно - калібрувальних для розвитку і вдосконалення алгоритмів супутникового розрахунку Т0, для дослідження термічних процесів приповерхнєвого шару води, потоків тепла через нього і вирішення інших задач; наявністю великої кількості джерел погрішностей радіометричних вимірювань, що виявляються на практиці, і нинішніми недостатніми розумінням їх виникнення і можливістю корекції.
Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Результати, покладені в основу дисертаційної роботи, були одержані в рамках наступних наукових програм і проектів, які виконуються в Морському гідрофізичному інституті НАНУ:
- Програма фундаментальних досліджень Національної академії наук України (проект "Дослідження закономірностей еволюції морських екосистем на основі комплексного використання супутникових дистанційних вимірювань і моделей морського середовища", шифр "Супутникова океанологія", номер державної реєстрації (ДР) 0101U001018) - виконавець;
- Програма Національного космічного агентства України (проект "Вивчення глобальних і регіональних змін навколишнього середовища на підставі дистанційних методів в частини дослідження морів і океанів", шифр "Зондування", ДР 0103U006581) - виконавець;
- Державна науково-технічна програма "Екологічна безпека прибережної смуги Чорного і Азовського морів і комплексне використання ресурсів шельфу" (шифр "Моніторинг", ДР 0197U017081) - виконавець;
- Національна програма досліджень і використовування ресурсів Азово – Чорноморського басейну, інших районів Світового океану на період до 2000 р. Міністерства України у справах науки і технологій (проект "Створення постійно діючої системи спостережень в Азовському і Чорному морях на основі розвитку комплексних технологій гідрофізичних, гідрохімічних, гідрологічних, радіологічних вимірювань з суднових, буйкових, придонних станцій, космічних і авіаційних засобів" шифр "Спостереження", ДР 0194U038247) - виконавець.
Мета і задачі роботи. Мета роботи: провести аналіз фізичних чинників, що впливають на результати натурних IЧ - радіометричних вимірювань теплового випромінювання в системі море - атмосфера, на основі якого розробити вдосконалені вимірювальні методики характеристик морської поверхні з необхідними рівнями точності для задач супутникової гідрофізики і радіометричного визначення потоку тепла на межі розділу море – атмосфера.
Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати задачі:
- провести розрахунок теплових випромінювань в системі море – атмосфера – радіометричний комплекс з урахуванням багатократних віддзеркалень випромінювань і подальший аналіз впливу на показання радіометра нечорноти калібратора і зовнішнього середовища;
- провести аналіз відомих і оригінальних способів розрахунку випромінювальної здатності плоских поверхонь, зокрема морської;
- проаналізувати фізичні особливості і обмеження способу визначення потоку тепла через межу море – атмосфера за даними двохспектральних ІЧ- радіометричних вимірювань.
Об'єкт дослідження: сукупність теплових потоків в системі море – атмосфера – радіометричний комплекс.
Предмет дослідження: фізичні чинники, якi впливають на ці теплові потоки і призводять до похибок результатів ІЧ радіометричних вимірювань характеристик морської поверхні і атмосфери.
Методи дослідження: апарат математичного аналізу, лінійної алгебри, багатовимірного кореляційного і регресійного аналізу; розрахунки з використанням моделей атмосфери LOWTRAN-7.
Наукова новизна одержаних результатів. На основі проведеного аналізу формування теплового випромінювання в системі море - атмосфера - прилад з урахуванням багатократних віддзеркалень одержані уточнені розрахункові вирази досліджуваного випромінювання, а також одержані вперше або уточнені розрахункові вирази основних складових систематичної похибки натурних IЧ - радіометричних вимірювань, які спричинені широким рядом чинників, зокрема: помилками калібрування, нечорнотою калібратора, забрудненням вхідного вікна в процесі вимірювань і дрейфом його температури під впливом навколишнього середовища, ненульовим кутом зору.
Запропоновані оригінальні методики калібрування IЧ - радіометричних вимірювань з повною корекцією нечорноти калібратора, а також із спеціально орієнтованими плоскими калібраторами.
Представлені одна модифікована і дві оригінальні методики визначення випромінювальної здатності е плоских поверхонь, зокрема морський.
Виявлені фізичні і методичні особливості і обмеження способу двохканального IЧ - радіометричного визначення теплового потоку Q на межі море – атмосфера, пов'язані з нелінійністю і невизначеністю профілю температури верхнього міліметрового шару води, неточністю знання коефіцієнта поглинання і випромінювальної здатності води, рівнями прозорості атмосфери і варіаціями її випромінювання, впливом сонячної радіації.
Наукове і практичне значення одержаних результатів. Аналіз джерел систематичних помилок, що мають різну природу, IЧ - радіометричних вимірювань і запропоновані вдосконалені методики калібрування дають основу для забезпечення необхідної точності натурних вимірювань температури водної поверхні ? 0.1°. Представлені методики літакових і корабельних вимірювань випромінювання та температури водної поверхні більш точні, ніж традиційні.
Одержаний результат про слабий вплив на результати IЧ - радіометричних вимірювань величини випромінювальної здатності модулятора допомагає спростити і полегшити конструкцію оптичного блоку радіометра, позбавляючи від необхідності вживання усередині нього еталонного джерела випромінювання.
Представлений спосіб розрахунку теплових випромінювань з урахуванням багатократних віддзеркалень і одержані на його основі вирази розрахунку випромінювань усередині оптичного блоку можуть бути використані при розробці IЧ - радіометрів.
Представлені оригінальні методики вимірювання випромінювальної здатності є придатними для визначення оптичних властивостей чистої і забрудненої морської води, плоских калібраторів і інших об'єктів; у багатьох випадках вони більш точні порівняно з відомими.
Виявлені фізичні особливості формування висхідного випромінювання водної поверхні дають оцінку максимальної точності IЧ - радіометричного способу визначення теплового потоку Q на межі розділу море – атмосфера, а методичні аспекти визначають сукупність вимог до вимірювального радіометричного комплексу, точності знання оптичних параметрів води, погодних умов, і указують шляхи забезпечення найбільшої адекватності даного способу вимірювань Q.
Особистий внесок здобувача. У процесі виконання роботи автор дисертації брав безпосередню участь в постановках задач, отриманні та інтерпретації результатів.
У сумісних публікаціях: [1] - здобувачу належить аналіз точності знаходження потоку тепла через межу море - атмосфера за даними супутникових вимірювань, співавтору – аналіз застосовності даних супутникового зондування для вирішення задач динамічної океанографії; [2] - здобувачу належить частина радіометричних вимірювань, мультирегресійний аналіз даних вимірювань переносним радіометром для встановлення зв'язку перепаду температури в скін шарі з метеопараметрами і розрахунок теплових потоків, співавторам – проведення радіометричних і метеовимірювань; [3] – здобувачу належить основна частина модельних розрахунків по виявленню зв'язку пропускання атмосфери з її випромінюванням і метеопараметрами, співавтору – первинне аналітичне дослідження такого зв'язку і експериментальне підтвердження; [4] - здобувач розвинув методику I, запропоновану співавтором, і запропонував дві інші; [5] – здобувачу належить ідея модифікованої методики і зіставлення її з традиційною, співавтору – виклад традиційної методики.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи повідалися на наукових конференціях і семінарах, зокрема VII Всесоюзній конференції – семінарі по супутниковій гидрофізиці (Севастополь, МГІ АН УРСР, 1990 р.), Міжнародній конференції "Осeanography eastern Mediterranean and Black Sea" (Athens, Institute Осeanography National Center for Marine Research, 1999), 3-й Всеросійській екологічній конференції (Москва, фізфак МДУ, 2001 р.), Міжнародному науково - технічному семінарі "Системи контролю нав-колишнього середовища - 2004" (Севастополь, МГІ НАН України, 2004 р.).
Публікації. Наукові результати дисертації опубліковані в 5 статтях в наукових журналах і 2 статтях в збірниках наукових робіт. Всі публікації відповідають вимогам ВАК України до наукових видань, в яких публікуються результати дисертаційних робіт, і в них достатньо повно відображені результати роботи.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку цитованої літератури, додатку. Загальний обсяг дисертації 165 сторінок (рисунки і таблиці які повністю займають сторінку – 4 стор., бібліографія – 10 стор., додаток – 6 стор.), бібліографія включає 107 найменувань вітчизняної та зарубіжної літератури. В дисертацію включено 47 рисунків і 6 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Перший розділ присвячений складанню і рішенню рівнянь, що описують натурні IЧ - радіометричні вимірювання випромінювання в системі море – атмосфера неідеальним приладом, в ньому проведений аналіз зсувів результатів вимірювань, спричинених різними чинниками: помилками калібрування, нечорнотою калібратора і малості його розмірів, дією на радіометр навколишнього середовища, ненульового кута зору, термічного відхіду чутливості фотоприймача, нестабільності оборотів модулятора.
У першому пiдроздiлі отримано вираз спричиненої неминучими помилками калібрування т.зв. базової систематичної помилки dТx вимірювань досліджуваної температури Тx при калібруванні радіометра по абсолютно чорному тiлу (АЧТ). Аналіз цього виразу дає оцінку найкращої можливої точності радіометричних вимірювань. Вона має вигляд:
dТx (‹Тк› Тx)dA/A + dТм, де dA/A - відносна помилка чутливості приладу, ‹Тк› - середня температура калібратора при калібруванні, dТм - погрішність значення температури модулятора (для приладу модуляційного типу). При реалістичних |dA/A| = 0.4 %, |‹Тк› Тx| = 20°, |dТм| = 0.05°: |dТx| .1° - таким чином, базова помилка досить мала.
Далі приводиться опис виміру з калібруванням по нечорному калібратору для радіометра з оптичним блоком найпростішої конструкції (один лише фотоприймач з модулятором або без нього), отримані вирази зсувів результатів вимірювань, які спричинені різними варіантами неповної корекції нечорноти калібратора, і наведена схема повної її корекції.
Для нульового варіанту неповної корекції - при ігноруванні нечорноти калібратора (якщо покласти сумарне випромінювання калібратора Iк ? В(Тк) - функції Планка від температури калібратора; апроксимація випромінювань функціями Планка правомірна внаслідок вузькосмужності радіометра) - зсув dIхр справжньої величини досліджуваного випромінювання Ix від її розрахункового значення dIхр є:
dIхр = rк(Bd - Ix)еd/ек, де Bd ? В(Тd), Тd - температура фотоприймача; еd,к – випромінювальні здатності фотоприймача і калібратора, rd,к = 1- еd,к. При калібруванні по воді, що має в IЧ діапазоні найвищу випромінювальну здатність і внаслідок цього часто застосується як калібратор, залежно від л = 3...13 мкм і Тх ...30°, величина |dТxр | лежить у межах 0...1.5 °.
Для першого варіанту - з корекцією на ек (у припущенні Iк = екВ(Тк)): dIхр = rк((Ix - Bм)rd + (Bd -Bм)еd), де Bм ? В(Тм), Тм - температура модулятора.
Для другого варіанту - з корекцією на ек і віддзеркалене від калібратора фонове випромінювання, рівне властивому випромінюванню оптичного блоку еdBd (тобто якщо ухвалить Iк = екВ(Тк) + rкеdBd):
dIхр = rк(rdIx-Bм). Тут потрібне знання властивостей оптичного блоку як цілого, які в цьому найпростішому випадку представлені параметрами rd, еd. Їхнє практичне визначення розглянуте в роздiлi 3.4.
Зсуви dIхрвимірювань, якщо вони проводяться по безмодуляційній схемі (тобто безмодуляційним радіометром, або модуляційним, - але по безмо-дуляційнiх початкових виразах: Ux =AIx + us замість Ux =A(Ix - Bм) + us), описуються вищенаведеними формулами, у яких Вм = 0.
Аналіз варіантів часткової корекції нечорноти калібратора показує, що для неохолоджуваного безмодуляційного радіометра найбільш оптимальним є нульовий варіант, а для модуляційного - перший. Для радіометра з охолоджуваним оптичним блоком вимоги до чорноти калібратора найвищі - наприклад, для забезпечення точності його вимірювань ? 0.1°, потрібне калібрування по еталонах з rк < 0.006 (л = 3 мкм)…0.0015 (л = 12 мкм). Зсуви розрахункової температури Тxрдля різних варіантів корекції i = 0...2 представлені на рис. 1.
Далі розглянута схема повної корекції нечорноти калібратора і спричинених нею багатократних віддзеркалень випромінювання між калібратором і радіометром, що призводять до зміщення розрахованих шляхом калібрування чутливості та напруги зсуву радіометру щодо їхніх справжнiх значень, і дана оцінка її точності:
. Тут Ак - розрахована з калібрування чутливість радіометра, яка є відмінною від реальної, екd = 1- rкrd. Для реалізації цієї схеми необхідно знати величину rd (спосіб її визначення викладений у розділі 3.4). Така корекція досить ефективна - її погрішність відрізняється від погрішності при калібруванні по АЧТ на величину меншу, чим зсуви dТхр для варіантів 0 - 2 неповної корекції. Так, для нетермостатованого оптичного блоку dТxр = 0.1...0.4° (безмодуляційний), 0.02...0.2° (модуляційний); dТxр полн .02...0.1° (безмодуляційний), 0.06...0.13° (модуляційний радіометр). Для термостатованого оптичного блоку |dТx| у всіх випадках, як правило, вище.
Рис. 1. Величини dТхр, залежно від л = 3 -13 мкм (вісь х), Тx = 0-30°C (вісь y) для rк = 0.01, rd = 0.2, Тd = Тм = 77К (верхній ряд графіків) і 20°С (нижній ряд). У фігурних дужках показані номери варіантів корекції нечорноти калібратора; індекс м відповідає модуляційному радіометру.
У другому пiдроздiлі проведений аналіз систематичної погрішності вимірювань, спричиненої влученням випромінювання розміщених по краях калібратора елементів конструкції у фотоприймач при калібруванні. Вона має вигляд: , де г - питома частина випромінювання, що попадає при калібруванні на фотоприймач від прилеглих до калібратора елементів конструкції, Вп = В(Тп), Тп - температура елементів конструкції, rп - їхній коефіцієнт віддзеркалення, епd = _ rпrd. Прийнятна величина г = 0.01.
У третьому пiдроздiлі проведений аналіз систематичної погрішності вимірювань, спричиненої ненульовим кутом зору радіометра б0, отриманої для сукупності спрощень (необхідних і достатніх для аналітичного рішення даного завдання): а) досліджуваний об'єкт має властивості АЧТ, б) у межах кута зору б0 чутливість радіометра не залежить від напрямку випромінювання, в) лінійні розміри калібратора і торцевої частини оптичного блоку необмежено великі. У випадку корекції по нульовому варіанту вираз цієї погрішності має вигляд:
, тут ж=H tg(0.5б0)/r,
де H- відстань між калібратором і корпусом оптичного блоку, r- радіус вхідного вікна радіометра, F(ж) = {1 + 2ж 2, ж > 1; 1.5 ж 2/(1 - 0.5ж 2), ж = 1}, Тп - температура зовнішньої поверхні торцевої частини оптичного блоку, rп- - її коефіцієнт віддзеркалення; еij = rirj. Для корекції по першому і другому варіантах замість ек буде стояти 1, для повної корекції- екd. Як видно, dТxp(ж) значно залежить від різниці Тп Тd або Тх Тd (при rп ? 1), яка мінімальна для радіометра з нетермостатованим оптичним блоком. Оцінка цього зсуву при калібруванні по воді залежно від величин б0, H, r становить 0.01...0.04 і 0.05...0.3° для не- і термостатованого оптичного блоку відповідно.
У четвертому пiдроздiлі проведений аналіз систематичної помилки вимірювань, спричиненої дрейфом температури нетермостатованого оптичного блоку між калібруванням і вимірами, який вiдбуваеться при зміні температури повітря. У цьому випадку при значно рознесених у часі калібрування і вимірів, відповідні їм температури оптичного блоку можуть не співпадати, що призведе до виникнення додаткового зсуву dIД? між реальною Ix і розрахунковою Ixр, який обумовлений термічною залежністю чутливості фотоприймача. Припустимо, що ця чутливість має лінійну температурну залежність: А(Т0 + Д?) А0 + а?Т, де А0 = А(Т0), а = ?А/?Т; нехай при калібруванні температура елементів оптичного блоку рівна Т0, а при вимірі - Т0 + Д?. Тоді при нульовому варіанті корекції нечорноти калібратора:
(для безмодуляційного радіометра у цьому виразі rк, Вм ? 0); при першому варіанті корекції: dIД? = екdIД? . Нижнім індексом К позначені величини, які відповідають часу проведення калібрування. Видно, що для модуляційного радіометра цей зсув набагато менший.
У п'ятому пiдроздiлі проведений точний розрахунок формування випромінювання для реального радіометра, оптичний блок якого складається iз вхідного вікна, модулятора, оптичного фільтра, фокусувальної лінзи і фотоприймача, і отримані вирази dТxр залежно від величин оптичних параметрів і температур елементів оптичного блоку (методологія цього розрахунку наведена в Додатку А). Вони відрізняються від величин dТxр, отриманих для найпростішої конструкції оптичного блоку, у середньому на ± 40%, залежно від параметрів його елементів.
Цей розрахунок дозволив провести аналіз зсувів результатів вимірювань, якi спричинені: а) діями навколишнього середовища варіацій температури вхідного вікна, б) забруднення поверхні вхідного вікна в процесі вимірювань. Відповідні оцінки мають вигляд:
а) , де ео, фо - випромінювальна здатність і пропускання вхідного вікна, ба = (Во-ВОБ)/(Ва-ВОБ) - параметр впливу повітря температури Та на температуру вхідного вікна То при температурі ТОБ всередині оптичного блоку; його можна апроксимувати як ба = 1 - 2-v/u, де v - швидкість вітру в зовнішнiй поверхні вхідного вікна, u - швидкість спричиненого обертанням модулятора руху повітря у внутрішній поверхні вхідного вікна; бк = ‹(Во - ВОБ)/(Вк - ВОБ)› - емпіричний коефіцієнт впливу випромінювання калібратора на температу-ру вхідного вікна при калібруванні. Для термостатованого оптичного блоку (ТОБ = 30°, Та = 20°) при реалістичних бк = 0…0.01, ео = 0.1, фо = 0.8, u = 2.7 м/с, v = м/с: |dТхр| > 0.26° - як видно, необхідно ретельне екранування від вітрового обдуву радіометра з термостатованим оптичним блоком;
б) dIхр г(Iх-BОБ) = (Iхр-BОБ) г/(1-г), де г - питома частина вхідного вікна, яка в процесі вимірювань покривається абсолютно чорним брудом; То - температура вхідного вікна. Для нетермостатованого оптичного блоку цей зсув теж, як правило, менший.
У шостому пiдроздiлі був проведений аналіз систематичної погрішності вимірювань, спричиненої нестабільністю оборотів модулятора, і була запропонована її корекція, у випадку А(f)~f--1 (піроелектричний фотоприймач) що має вигляд Iх=Iхр+(fх/‹fк›-1)(Iхр-Вм), де ‹fк› - середня частота модулятора при калібруванні; fх - миттєва, яка відповідає виміру Іх.
Аналіз отриманих виразів показує, що погрішності радіометричних вимірювань (крім пов'язаної з термічним дрейфом чутливості фотоприймача) не залежать від величини випромінювальної здатності модулятора, що робить зайвою необхідність його особливо ретельного зачорніння або застосування усередині оптичного блоку додаткового джерела опорного випромінювання.
Другий розділ присвячений аналізу методик проведення літакових вимірювань висхідного IЧ випромінювання системи море - атмосфера Iх і корабельних вимірювань поверхневої температури Tх та низхiдного IЧ випромінювання атмосфери Iа.
У першому пiдроздiлі показано, що проведення калібрувань у натурних умовах пов’язано з можливою великою погрішністю визначення яскравiсної температури неплоского калібратора, що підігрівається.
У другому пiдроздiлі проведений аналіз традиційної (із застосуванням неплоских калібраторів) методики літакових IЧ вимірювань.
У третьому пiдроздiлі представлена модифікована методика літакових IЧ вимірювань висхідного випромінювання води Ix із застосуванням плоских калібраторів спеціальної орієнтації, коли фоновим випромінюванням при калібруванні є саме досліджуване випромінювання Іx, причому внаслідок шорсткості досліджуваної поверхні та її віддаленості від радіометра, багатократні віддзеркалення випромінювання між калібратором і радіометром у процесі калібрування відсутні. Відмінною особливістю розрахункового виразу для Ix є відсутність у ньому випромінювальної здатності калібраторів (для обох калібраторів вона повинна бути однаковою): Ix = B1 +B2-B1)(Ux-U1)/(U2-U1), де B1,2 – випромінювання “пасивного” і нагрітого калібраторів, U1,2 - відповідні напруги радіометра.
У четвертому пiдроздiлі приведено зіставлення точності вимірювань традиційної і модифікованої літакових методик і показано, що модифікована має менший рівень систематичних погрішностей. Це пов'язане з тим, що нечорнота плоских калібраторів у цьому випадку не призводить до додаткових помилок калібрування, виявлених у роздiлi 1, а конструктивна простота позитивно позначається на адекватності визначення їхньої температури.
У п'ятому пiдроздiлі викладено аналіз застосування модифікованої методики при проведенні корабельних вимірювань поверхневої температури Тх.
Систематична помилка визначення випромінювання води Вх має вигляд:
, де е - випромінювальна здатність води, r = 1 - е, Iа - низхідне випромінювання атмосфери під кутом, який відповідає куту візування води. Зіставлення модифікованої методики із традиційною також показує перевагу першої за точнiстю і можливістю забезпечити вимірювання Тх з точністю ? 0.1°.
Ця методика малочутлива до розходження випромінювальних здатностей калібраторів: якщо г - а частина поверхні підігрівного калібратора покрита забрудненням з випромінювальною здатністю, на Дек більшою, ніж чиста, а "пасивний" калібратор є повністю чистим, то це забруднення призведе до зсуву:
- досить малому (< .05° в одиницях температури) при реалістичних значеннях гДек/ек = 0.005.
Третій розділ присвячений методикам проведення вимірювань випромінювальної здатності е плоских поверхонь, знання якої потрібно для визначення випромінювальних властивостей чистої і покритої забрудненнями водної поверхні, а також в рамках методології IЧ радіометричних вимірювань, яка розвивається здобувачем. Характерною особливістю методик I - V є можливість роботи з некаліброваним приладом, який має лінійну передавальну характеристику, і без залучення контактних температурних вимірів.
У першому пiдроздiлі приводиться аналіз традиційної Т методики визначення е морської поверхні, що включає вимірювання її температури Т0 контактним датчиком і два вимірювання попередньо відкаліброваним радіометром: випромінювання цієї поверхні I0, а також засвiчувального її низхідного випромінювання атмосфери Ia: е = (I0 – Ia)/(В0 – Ia).
У другому пiдроздiлі наведена i проаналізована методика I, яка була вперше запропонована Станiчним С.В. i застосовувалася в нашій спільній роботі [2] для визначення випромінювальної здатності води в натурних умовах. Вона заснована на чотирьох візуваннях: двох перших - досліджуваної поверхні при двох значно різних фонових випромінюваннях (перше має природний характер - це низхiдне випромінювання безхмарної атмосфери, яке в IЧ діапазоні складає (0.1...0.4)Ва, друге ? Ва - штучно створене за допомогою непрозорого екрану), і двох останніх - візувань цих фонових випромінювань.
У дисертації запропонована модифікація І’ цієї методики, яка заснована на тому, що якщо радіометр і досліджувана поверхня мають однакову температуру, то кількість рівнянь скорочується і результуюча шумова помилка вимірювань зменшується в 1.4 рази.
У третьому i четвертому пiдроздiлах представлені дві оригінальні методики (відповідно ІІ і ІІІ). Методика ІІ заснована на трьох візуваннях: досліджуваної поверхні при холодному фоні, якій її засвічує; поверхні з відомою випромінювальною здатністю при тому ж фоні, і самого цього холодного фону.
Методика ІІІ заснована на візуванні досліджуваної поверхні і поверхні з відомою випромінювальною здатністю при двох парах відомих і досить різних температур. Показано, яка помилка виникає при вертикальному візуванні поверхонь внаслідок появи багатократних віддзеркалень випромінювання між візованою поверхнею і радіометром, і наведена корекція цієї помилки.
У п'ятому пiдроздiлі проаналізовані методики ІV і V з роботи You Wen-Zhang, 1986 [7].
У підрозділах з першого по п'ятий також всебічно розглянуті методичні аспекти проведення всіх методик, для кожної знайдені властиві їй інструментальні і методичні помилки і дані конкретні рекомендації для їх проведення.
У шостому пiдроздiлі дається зіставлення всіх методик. Порівняння їх помилок представлені на діаграмах рис. 2.
Рис. 2. Зіставлення інструментальних помилок (стовпці I) і повних (інструментальні + методичні) помилок (стовпці П), 10-2, методик Т, І - V для л = 3 мкм (верхня діаграма) і 12 мкм (нижня) при е = 0, 0.2, 0.8, 1.
Як видно, пропоновані методики як правило більш точні.
Четвертий розділ присвячений аналізу способу знаходження потоку тепла Q через межу море - атмосфера по двохспектральних IЧ - радіометричних вимірах теплового випромінювання водної поверхні. Він дозволяє неконтактно визначати локальні величини Q, що важливе для досліджень дрібномасштабних процесів формування Q, наприклад, над хвилями на різних фазах хвилювання.
У першому пiдроздiлі викладені фізичні основи IЧ - радіометричних вимірювань Q, що базуються на більших значеннях коефіцієнта погли-нання водою IЧ радіації (як наслідок - малих значень ефективної глибини випромінювання води zef від одиниць до сотень мкм), і тривалої лінійності профілю температури води T(z) біля поверхні (яка в реальності обмежена при штилі глибиною 1...3 мм, при значному хвилюванні < 0.3 мм).
У другому пiдроздiлі проведений огляд нечисленних оцінок точності цього способу визначення Q, які є в літературі.
У третьому пiдроздiлі показано, що величина ефективної глибини випромінювання води не визначається тільки коефіцієнтом поглинання води, але також залежить від конкретного виду T(z), у зв'язку із чим розкриті та досліджені методичні помилки, пов'язані з незнанням реального ходу T(z). Так, неврахування цієї залежності для кусково - лінійної та експонентної апроксимацій T(z), якi широко використовуються, призводить до заниження розрахункової Q на 10 % і більше (при значному хвилюванні до ? 100 -200%).
У четвертому пiдроздiлі сформульовані вимоги до точності радіометричних вимірювань. Наприклад, для забезпечення точності визначення Q на рівні дQ = 20 Вт/м2, припустимі погрішності обумовлених по радіометричних вимірах яскравiсних температур становлять від 8.7 мК до 0.35 мК залежно від вибору робочих iнтервалiв IЧ діапазону.
У п'ятому пiдроздiлі в розгорнутому виді приведена методика вимірювань Q. Вона заснована на двохканальних вимірах висхідних випромінювань води I і відповідних спадних фонових випромінювань Ф. Показано, що ці виміри потрібно проводити при невертикальних кутах візування.
У шостому пiдроздiлі проведений всебічний аналіз складової методичної погрішності вимірювань Q, пов'язаної з неточністю калібрування, шумами радіометра і дрейфами висхідного випромінювання водної поверхні і низхідного випромінювання фону, неточністю знання випромінювальної здатності води, нечорнотою калібратора, а також аналіз оригінального способу калібрування безпосередньо по Q, запропонованого McKeown у 1999 р. [7].
Погрішність, пов'язана з неточністю знання випромінювальної здатності води, має вигляд: dT0(dе) = 6л[мкм](1 - Ф/B0)dе/е, де л[мкм] - середина робочого iнтервалу даного каналу радіометра, Ф - засвічуючий воду фон, B0- ? В(Т0)- власне випромінювання води, що має температуру Т0 на глибині, рівній ефективній глибині випромінювання води; dе/е - погрішність знання випромінювальної здатності води.Оцінка dе/е отримана на основі зіставлення даних е води по різних незалежних джерелах. Рівень її виявився таким, що якщо Ф суть низхiдне випромінювання атмосфери (Ф/B0 = 0.1...0.4 для безхмарної і до 0.8 у присутності хмар), то спричинена dT0(dе) погрішність дQ виявляється неприпустимо великою - на рівні dQ1,3 = 0.6...5.7 (при використанні пари iнтервалiв довжин хвиль W1,3, де W12.0...2.4 мкм, W3 = 4.5...5.1 мкм) , dQ2,3 = 12...76 (при використанні пари W2,3 з W2 = 3.5...4.1 мкм) або dQ4,5 = 3660...8740 Вт/м2 (при використанні пари W4,5 з W4 = 8...9.5 мкм і W5 = 12...14 мкм).
Для зменшення цієї погрішності до прийнятної величини запропоновано застосувати додатковий екран з температурою Tе T0, якiй формує фонове випромінювання, близьке до випромінювання води. Тоді
dT0(dе) тут еэ-- випромінювальна здатність екрана. При T0-Tе =1°, ее =0.9, відповідні помилки розрахунку Q складуть: dQ1,3 = 0.2…0.4, dQ2,3 = 1.8…3.2, dQ4,5 = 100...116 Вт/м2.
Таким чином, застосування цього екрану забезпечує достатню малість dQ для пар діапазонів W1,3 і W2,3; але для W4,5 dQ залишається надмірно великою.
Модельний аналіз запропонованого McKeown калібрування безпосередньо по Q показав повну неприйнятність у натурних умовах і досить обмежену у лабораторних умовах, внаслідок надзвичайної чутливості до всього набору умов в циклi калібрування - вимірювання (температура води, повітря, випромінювання атмосфери, температурний профіль води і інтенсивність турбулентного перемішування).
У сьомому пiдроздiлі на основі розрахунків по моделях атмосфери LOWTRAN-7 досліджений вплив сонячної радiацiї на профіль приповерхневої температури води і на результати вимірювань Q. Розраховано об'ємну густину спричинених поглинанням сонячної радіації джерел тепла в приповерхньому шарі води і показано, що в умовах вільної конвекції можливі випадки, коли дія сонячного прогріву може привести до досить вираженого дрейфу розрахункової Q - на десятки і сотні Вт/м2.
Аналiз оцінок необхідної точності окремих величин, де кожна окремо відповідає величині дQ = 20 Вт/м2, а також оцінок впливу на точність розрахунку Q окремих факторів, приведені в табл. 2.
Табл. 2. Оцінки необхідної точності вимірювань, калібрування і спричинених різними факторами погрішностей вимірювань. У косих дужках представлені оцінки при використанні даних Marley [7].
Діапазони робочих довжин хвиль >
Необхідні параметри / оцінки помилок v | W1,3 | W2,3 | W4,5
Порядок припустимої систематичної
помилки температури калібратора, мК |
4.6 | 0.53
/3.6/ |
0.12
Порядок зрушення розрахункової Q, Вт/м2,
при вертикальному зондуванні води |
36 | 120
/19/ |
1460
Максимально припустимий коефіцієнт
віддзеркалення калібратора rк |
8·10-4 | 2.2·10-4
/1.2·10-3/ |
1.9·10-5
Необхідна десяткова розрядність АЦП
на виході радіометра |
5 |
6 /5/ |
7
Необхідна точність калібрування, % | 0.014 | 2 /12/10-3 | 4·10-4
Зсув розрахункової Q, Вт/м2, при зміні температури яскравості фону Ф між
вимірюваннями I0 і Ф на 1° |
56 |
126 /20/ |
570
У восьмому пiдроздiлі на основі аналізу оптичних властивостей води і атмосфери робиться висновок про те, що пари діапазонів електромагнітних хвиль, потенційно прийнятних для проведення вимірювань Q, обмежені комбінаціями вже відомих.
У Додатку А приводиться виклад способу розрахунку теплових випромінювань у системі оптичних елементів та її інтегральних оптичних параметрів з урахуванням багатократних віддзеркалень. Він застосований в роздiлi 1 для опису циклу вимірювання - калібрування, проведеного радіометром з реальним оптичним блоком, і подальшого аналізу впливу зовнішніх факторів на терміку елементів оптичного блоку.
ВИСНОВКИ
На основі аналізу формування випромінювання в системі море - атмосфера - радіометричний комплекс з урахуванням багатократних віддзеркалень одержані оцінки основних фізичних чинників, що визначають точність натурних IЧ радіометричних вимірювань, і розроблені вдосконалені вимірювальні методики температури і випромінювальної здатності морської поверхні, а також випромінювання атмосфери, якi відповідають вимогам до точності з боку задач супутникової гідрофізики і радіометричного визначення потоку тепла на межі розділу море – атмосфера. Одержані уточнені розрахункові вирази випромінювань океану і атмосфери і виразу систематичних погрішностей, радіометричних вимірювань, спричинених неточністю калібрування, нечорнотою калібратора, забрудненням вхідного вікна і його впливу до дії навколишнього середовища, ненульовим кутом зору радіометра, термічним відходом чутливості фотоприймача, нестабільністю частоти модулятора. Запропоновані методики калібрування, більше точніші, ніж традиційні. Перша заснована на повній корекції багатократних віддзеркалень, які спричинені нечорнотою калібратора, друга - на застосуванні спеціальної орієнтації плоских калібраторів, яка вилучає багатократні віддзеркалення. Аналіз цих методик і виразів для систематичних погрішностей дає реальну основу забезпечення точності натурних IЧ радіометричних вимірювань температури морської поверхні на рівні 0.1°, для чого необхідно застосувати запропоновані методики калібрування по твердотiльному плоскому калібратору, або використовувати нетермостатований модуляційний радіометр, що калібрується по воді з корекцією її нечорноти по першому варіанту. Представлені оригінальні методики визначення випромінювальної здатності води та плоских поверхонь в багатьох випадках більш точні, ніж відомі.
5. Виявлені значні фізичні, методичні та інструментальні особливості і обмеження способу визначення теплового потоку Q на межі море - атмосфера по даних двохспектральних IЧ радіометричних вимірювань. Ці виміри можливі в парах діапазонів 1,3 і 2,3 на невертикальних кутах візування безпосередньо поблизу водної поверхні при слабких вітрах із застосуванням додаткового екрану, при калібруванні по високостабiльному еталону випромінювання при повній ізоляції системи оптичний блок радіометра + еталон випромінювання від вітрового і сонячного впливу. Внаслідок загальної нелінійності приповерхнєвого профілю температури води і зменшення його лінійної частини із зростанням поверхневого хвилювання, абсолютне значення розрахункової величини Q є заниженим на 10% і більше. Сонячна радіація при зенітних кутах сонця < ° через формування профілю приповерхневої температури води суттєво впливає на величину розрахункового значення Q. Показано, що погрішності радіометричних вимірювань слабо залежать від величини випромінювальної здатності модулятора. Це дозволяє спростити оптичний блок без погіршення точності вимірювань. Показано, що термостатування оптичного блоку радіометра може призводити до росту систематичних помилок вимірювань - як через бiльшi різниці його температури з вимірюваною, так і внаслідок варіацій температури вхiдного вiкна, які виникають під дією умов зовнішнього середовища, що змінюються.
Основні результати дисертації опубліковані в роботах:
1. Гришин Г.А., Лебедев Н.Е. Исследование ИК- данных ИСЗ при мониторинге океана и атмосферы: состояние и проблемы // Иссл. Земли из космоса. -1990. -№6. -С. 97 – 104.
2. Лебедев Н.Е., Савоськин В.М., Станичный С.В. Определение поверхностной температуры и перепада температуры в скин-слое с борта движущегося судна по данным ИК- измерений // Морской гидрофизический журнал. -1994. -№2. -С. 83 – 88.
3. Лебедев Н.Е., Станичный С.В. Связь нисходящего излучения атмосферы в ИК- диапазоне 10...12 мкм с интегральным пропусканием // Оптика атмосферы и океана. -1994. –Т. 7. -№ 10. -С. 1398 – 1402.
4. Лебедев Н.Е., Станичный С.В. Измерение излучательной способности плоских поверхностей // Оптика атмосферы и океана. -2000.-Т.13. -№ 11. -С.1011 - 1014.
5. Лебедев Н.Е., Станичный С.В. Методики проведения самолетных ИК- измерений подстилающей поверхности // Морской гидрофизический журнал. -2002. -№3. -С. 61 – 70.
6. Лебедев Н.Е. Анализ систематических ошибок подспутниковых ИК радиометрических измерений // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь: ЭКОСИ- Гидрофизика, 2004. -Вып. 10. – С.332 –347.
7. Лебедев Н.Е. Анализ способа нахождения потока тепла через гра-ницу море - атмосфера по данным двуспектральных ИК радиометрических измерений теплового излучения водной поверхности // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь: ЭКОСИ - Гидрофизика, 2004. -Вып.10. - С. – 371.
АНОТАЦІЯ
Лебедєв М.Є. Фізичні і методичні принципи визначення характеристик морської поверхні на основі натурних інфрачервоних радіометричних вимірювань . - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - Геофізика. Морський гідрофізичний інститут НАН України, Севастополь, 2005.
Дисертація присвячена кількісному аналізу фізичних чинників і методичних аспектів, що впливають на результати натурних IЧ - радіометричних вимірювань характеристик морської поверхні (теплове випромінювання, температура, випроміню-вальна здатність) і розробці відповідних вдосконалених вимірювальних методик з високими рівнями точності, необхідними для вирішення задач розвитку супутникових методів вимірювання температури поверхні і визначення потоку тепла на межі розділу море - атмосфера.
Проведений уточнений аналіз формування випромінювання в системі море - атмосфера – радіометр з урахуванням багатократних віддзеркалень випромінювання, на основі якого отримані розрахункові вирази досліджуваних випромінювань і їх похибок внаслідок ряду чинникiв, зокрема дiя навколишнього середовища на радіометр, нечорнота калибратора, ненульовий кут зору.
Аналіз запропонованих методик калібрування і виражень для помилок та зсувiв дає реальну основу забезпечення точності проведення натурних IЧ - радіометричних вимірів ТПО на рiвнi ? 0.1°.
Представлені нові методики визначення випромінювальної здатності плоских поверхонь, якi в багатьох випадках бiльш точнi, нiж відомі.
Всебічно проаналізований спосіб визначення теплового потоку на межі розділу море- атмосфера по даних двохканальних IЧ радіометричних вимірів; виявлені його фізичні і методичні особливості та запропонована вдосконалена методика його вимірювань.
Ключові слова: натурні IЧ - радіометричні вимірювання, погрішність, ТПО, випромінювальна здатність, теплові потоки.
АННОТАЦИЯ
Лебедев Н.Е. Физические и методические принципы исследова-ния характеристик морской поверхности на основе натурных инфракрасных радиометрических измерений. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - Геофизика. Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь, 2005.
Диссертация посвящена количественному анализу физических факторов, влияющих на результаты натурных ИК - радиометрических измерений характеристик морской поверхности (теплового излучения, температуры, излучательной способности), и разработке соответствующих усовершенствованных измерительных методик с высокими уровнями точности, необходимыми для решения задач развития спутниковых методов измерения поверхностной температуры и определения потока тепла на границе раздела море - атмосфера.
Проведен уточненный анализ
