авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Величко, Александр Павлович Разработка ИК­радиометрического комплекса, ...»

-- [ Страница 2 ] --

б) Облака среднего яруса. Типичные угловые зависимости противоизлучения атмосферы при наличии облаков среднего яруса показаны на рис. 1.136. Характер угловой зависимости в этом случае существенно отличается от угловой зависимости ясного неба и облаков верхнего яруса. Причем, для плотных облаков это отличие проявляется более отчетливо. Так, при изменении направления визирования от в = 0° до в = 72° вклад просвечивающих облаков среднего яруса (например, кривая 1) относительно ясного неба увеличивается на 58,4%, а в случае плотных облаков (кривая 2) на 122,2%. Зимние облака проявляют аналогичную тенденцию к трансформации собственного нисходящего поля радиации атмосферы, однако величины А (в) существенно увеличиваются.

Так, при плотных облаках среднего яруса (кривая 4) величины А (в) могут составлять в зените около 700%, а в направлении в = 72% - 400%.

в) Облака нижнего яруса. Для облаков типа Sc и St типичные угловые зависимости нисходящего излучения представлены на рис. 1.1 Зв.

Для большинства случаев величина нисходящего излучения атмосферы в широком диапазоне углов визирования практически не зависит от зенитного угла и приближается к излучению абсолютно черного тела с температурой, близкой к температуре воздуха на уровне нижней границы облака.

Отметим, что летом облака нижнего яруса увеличивают уровень нисходящего излучения атмосферы на 200-300%;

для зимы и весны это увеличение может достигать 700-800%. При больших углах визирования, нанример, в = 72°, вклад собственного излучения облаков существенно уменьшается, оставаясь все же значительным по величине.

Систематизируя результаты измерений противоизлучения атмосферы для облаков различных форм, целесообразно сослаться на зависимость относительного вклада излучения облаков А (в) в нисходящую радиацию от зенитного угла. В качестве примера на рис. 1.14 представлена зависимость А(в) для облаков различных форм, нолученная по данным летних измерений. Подобные же зависимости А (в) от угла визирования получены и для других сезонов года. Кривые, представленные на рис. 1.14, удобны для анализа влияния облаков, поскольку указывают не только на приращение радиации за счет излучения облаков, но и на изменение характера угловой зависимости нисходящего излучения. Данные, приведенные на рис. 1.14, указывают также на то, что с увеличением плотности облаков и уменьщения их высоты растет вклад в величину нисходящей радиации собственного излучения облаков, а крутизна спада А(в) увеличивается с ростом зенитного угла.

в SeeB Рис. 1.13. Угловые зависимости нисходящего излучения атмосферы при наличии облаков (сплошные кривые) а) верхнего, б) среднего, в) нижнего ярусов.

SOQ гоо т о 1*0 60 80 G Рис. 1.14. Влияние облаков различных форм на характер угловой зависимости нисходящего излучения атмосферы:

_-St, Ас op, Sttg, ^-Actg, -Ci (плотные), - Ci (слабые).

Угловые зависимости могут оказаться полезными при идентификации форм облаков по спутниковым измерениям восходящего излучения, а также при разработке методов измерения высоты нижней границы облаков, не требующих абсолютной калибровки РЖ радиометрической аппаратуры.

Действительно, сопоставляя и анализируя данные, приведенные на рис. 1.1 Зв, можно прийти к выводу о том, что углы, на которых наблюдается излом зависимости L(sec в), связаны с высотой, где зарегистрировано облако. Наличие такой связи создает определенную основу для разработки методов измерения высоты нижней границы облаков с помощью относительно простой радиометрической аппаратуры.

1.5. Исследования переноса ИК-излучения в облаках по ослаблению излучения высокотемпературного источника.

Выше описана методика и приведены результаты, полученные при измерениях собственного излучения облачности. Однако значительные возможности дает изучение переноса РЖ-излучения в облаках при помощи аппаратуры, фиксирующей особе1шости трансформации излучения, идущего от интенсивного источника, который может находиться и за пределами атмосферы, например. Солнца. При этом может быть определено не только общее ослабление в облаках излучения, идущего от Солнца, но и разделен вклад в ослабление поглощения и рассеяния.

Излучательную способность облаков типа Ci, Ас tg можно определять методом, которым пользовался Вильсон. Этот метод был применен им для определения микроволнового ослабления в дождях. При обработке результатов измерений этот метод учитывал переотражение восходящего излучения атмосферы и подстилающей поверхности.

Вильсон, пользуясь той же методикой, также провел некоторые эксперименты в ИК области спектра. Однако, так как его аппаратура не имела абсолютной калибровки, то им были получены лшиь относительные величины ослабления излучения Солнца облаками верхнего яруса.

Метод Вильсона состоит в следующем. СВЧ и ИК-измерительный комплекс последовательно измеряет ослабленное атмосферой и облаками излучение Солнца и собственное излучение атмосферы и облаков.

При наведении на Солнце прибор регистрирует сигнал Ь'{в, О), обусловленный:

- излучением Солнца, ослабленного атмосферой и облаками LifO, О);

- собственным излуче1шем облаков, ослабленным ниже лежащим слоем атмосферы Ь2(в, О);

- собственным излучением атмосферы Ьз(в, О);

- собственным излучением атмосферы, отражеьшым от облаков и земной поверхности L^d, О);

т.е.

(1.61) l!(e,O)=Y,L,(0,O), Прибор, отведенный по азимуту на угол, больший его угла зрения, если считать параметры облака неизменными, зарегистрирует сигнал обусловленный лишь тремя последними компонентами Ь"(в,О), соотношения (1.61). Таким образом, излучение Солнца, ослабленное атмосферой и облаками, на уровне земной поверхности в направлении зенитного угла в будет определяться:

(1.62) ф,0)=^ 11(9,6)-1!'(в,0\ С другой стороны, если пренебречь рассеянием в облаках, значение Li(e,O) можно рассчитать, используя соотношение:

(1.63) Ч"2У О X, где Ех[То(Х)]^^ - спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела при температуре диска Солнца Тс(Х). В литературе имеются данные о спектральном распределении внеатмосферных значений радиационных температур солнечного диска в интервале длин волн 8 14мкм. Были проведены расчеты с использованием данных этих работ.

Сопоставление результатов таких расчетов показало, что значения интенсивности излучения Солнца в полосе 9,6 - 10,6мкм, полученные с использованием отличаются друг от друга всего лишь на 1,5%;

TQ,(X) Q2' апертура ИК-радиометра;

Qi - телесный угол Солнца {Qi = i^aJ2, ПС - угол, под которым виден диск Солнца, равный 30');

xi(e,Z) - спектральная функция пропускания реальной атмосферы на высоте Z в направлении зенитного угла В.

В расчетах принималось, что фушщия пропускания облачной атмосферы на высоте Z, где находится облако, равна произведению функций пропускания атмосферы Txi(e,Z) и облака Tn(O,Z), т.е.

(1.64) где Z/ и Z2 - верхняя и нижняя граниЩ)! облака.

Вне облака функция пропускания xx(e,Z) равна лшиь функции пропускания свободной атмосферы, т.е.

(1.65) Tx(e,Z)=xxi(e,Z), ZZj,ZZ2:

Такое представлегше функции пропускания облачной атмосферы предполагает облако с плоскопараллельными границами.

Воспользовавщись соотношениями (1.61 - 1.65) и подставляя в них экспериментальные данные Ь'(в,О) и Ь"(в,О), можно получить выражение для определения усреднешшх по спектру и толщине значений пропускания облака в направлении зенитного угла в:

л \'"-2yl О При этом функция xxi(9,Z) может быть рассчитана по данным радиозондирования, проводимого одновременио с ИК-радиационными измерениями. Однако, рассчитанная величина пропускания атмосферы, обусловленного лишь ее газовыми компонентами, выше реально существующей, поскольку аэрозоль и другие факторы могут вносить свой вклад в ослабление Ж-радиации. Учет их влияния на ослабление солнечной радиации проводится по средним данным, используя соотношение:

(1.67) т^{9,0)=Т;

,е-'^-^'';

где Ahonm - аэрозольная оптическая толпщна.

В реальной атмосфере наблюдается значительный разброс Ahonm Использование средних величин Ahonm приводит к погрешности определения реальной функции пропускания атмосферы на 5%. Однако, по разработанной выше методике можно определить реальную оптическую толщину атмосферы по измерениям собственного излучения безоблачной атмосферы. Такой способ применим только при условии разорванной облачности.

Измерений пропускания облаков по описанной выше методике проводились ранее в условиях сплошной и разорванной облачности осенью 1972 г. в районе г. Приозерска.

На основе полученных данных о пропускании облаков различных ярусов были рассчитаны их оптические толщины, принимая, что ослабление в облаках подчиняется закону Бугера;

Г2(^)=е-''-^';

(1.68) В процессе измерений высота Солнца менялась 30° до 12°. По рассчитанным значениям оптических толщин облаков в направлении зенита Иобл определялось пропускание облака в зените и его излучательная способность:

(1.69) е = 1-Т2(0°) Последнее выражение не учитывает отражательных свойств облаков.

Расчеты дают основания полагать, что ощибка в определении е для кристаллических облаков будет пренебрежительно мала, поскольку величина альбедо облаков верхнего яруса по данным различных работ составляет всего лишь 0,05 - 2%. Для облаков среднего и нижнего ярусов не учет отражения может привести к погрещностям определения е порядка 8% и выше.

В результате измерений оптических характеристик облаков верхнего яруса и просвечивающих облаков среднего яруса типа Ас tg в области спектра 9,6 - 10,6мкм были получены некоторые статистические параметры этих облаков, которые представлены в таблице 1.8. В таблице приняты следующие обозначения:

X - среднее значение параметров;

Хтсвс, Хтт - соответственно максимальные и минимальные значения параметров;

О - среднеквадратичное отклонение;

V - относительное отклонение в процентах;

Т - пропускание облака;

S - шлучательная способность;

- оптическая толщина облака.

к Таблица 1.8.

Тип обла- Actg Ci ка Пара мет- V V •^тах ^тах а X X G ры 0,48 0,88 0, 0,23 0,18 37,1 0,75 0,67 08, 0, 0,52 0,77 0,24 0,25 0, 0,18 34,6 0,33 0,06 24, 0,73 0,27 54,2 0,08 24, 1,47 0,39 0,29 0,4 0, Кбл Гистограммы в процентах случаев для излучательной способности Ci и Ас tg представлены на рис. 1.15.

Видно, что для Ci распределение достаточно узкое с наивероятнейшим значением излучательной способности, лежащим в интервале от 0,2 до 0,3. Для Ас tg отмечено два максимума: один находится в интервале значений е от 0,2 до 0,4 и, по-видимому, соответствует наивероятнейшим значениям е для просветов в облаках, другой - при е, равной около 0,7, который соответствует, вероятно, наиболее плотным областям облака.

Анализ таблицы 1.8 и рис. 1.15 показывает, что излучательная способность облаков типа Ас tg варьирует в довольно широких пределах относительно среднего значения (v=34,6%).

Сопоставление полученных данных е с теоретически рассчитанными и измеренными величинами приведено в таблице 1.9. Такое сопоставление показывает, что наблюдается хорошее соответствие между полученными данными и теми, которые приводятся в ряде работ.

Таблица 1.9.

Экспериментальные данные Теоретические данные Методы Измерения с земли Высотные измерения измерений Нас Тип тоя обл S [118] [120] [121] [122] [123] [115] [ПО] [119] [117] [113] [142] [143] [114] [116] щие аков изм.

0,10 0,45 0,10 0,01 0,05 0,20 0,20 0,08 0,55 0,02 0, 0,02 0,05 0, 1, Ci 0,75 0,47 1,00 0,68 0,34 0,80 1,00 0,70 0, 1,00 0,95 0,88 - - 0,35 0,14 0,24 0,16 0,30 0, - - 0,56 - - - - 0,15 0,30 - - - - - - 0, 0,60 0,10 0,50 Ас - 0,79 - - - - - - - 0, 0,75 1,00 0, - 0, пих 0,79 0, - - - - - - - - - - - 0, tg В таблице 1.10 представлены минимальные и максимальные значения излучательной способности облаков верхнего и среднего ярусов, полученные из одновременных ИК-радиометрических и радиозондовых измерений. Эти данные, приведенные для сравнения с теми значениями s, которые получены при измерениях по Солнцу, рассчитывались из соотношения:

Ц0)=(Г^К(0)+(1-^)1_(0), (1.70) где L{To6j - энергетическая яркость абсолютно черного тела при температуре воздуха на уровне облака;

^атм(О) - яркость нисходящего излучения атмосферы;

Хэ(О) - функция пропускания подоблачного слоя реальной атмосферы;

L(0) - измеренная величина излучения атмосферы при наличии облаков.

80 • ВО ? Н Г" о.г Ок 0.6 03 10 Е Рис. 1.15. Гистограмма случаев (в %) распределений излучательной способности 8 облаков типа Ci ( ) и Ас tg ( ).

Таблица 1.10.

Ci Ас Тип облаков Периоды года Лето-осень Зима-весна Лето-осень Зима-весна 0,17 0, 0,09 0, Smin 0,44 0,78 0,99 0, Ктм(О) И Хэ(О) рассчитывались по методу, изложенному ранее. Так как высота облака неизвестна, то для определения е температура воздуха бралась на уровне 7 и 9 км для Ci, 3 - 3,5 км для облаков среднего яруса.

Lj(O) равна 0,95 от пропускания всей толщи атмосферы.

Сопоставление результатов, представленных в таблицах 1.8 и 1. показывает, что наблюдается достаточно хорошее соответствие значений излучательных способностей, полученных двумя различными методами.

Используя данные таблиць1 1.8, можно определить вклад облаков среднего яруса в величину радиационных температур подстилающей поверхности Т„, измеряемых со спутника по восходящему излучению. Этот вклад может составлять в среднем около 10°. Если излучательная способность данного перистого облака отличается от среднего, то с учетом среднеквадратичного отклонения Б, представленного в таблице 1.8, погрешность определения Т„, вызванная влиянием Ci, будет составлять ± 2,4°. При измерении высоты верхней границы низких облаков со спутников в случае многослойной облачности ошибка будет составлять около ± 350 м относительно той величины, которая будет получена при учете влияния перистых облаков по средним значениям их излучательной способности.

Учет влияния тонких облаков среднего яруса типа Ас tg таким способом, как и перистых, приводит к значительным ошибкам определения температуры подстилающей поверхности. Эта ошибка может достигать ± 7,5° относительно той величины, которая получается, если использовать среднюю s для Ас tg, представленную в таблице 1.8.

Отметим, что данный метод измерений и расчета, применяемый для определения пропускания облаков, учитывает лишь ослабление излучения Солнца непосредственно облачными элементами. Вклад же собственно толщи атмосферы, находящейся в пределах облака, не входит в измеренную величину пропускания. Оценки показали, что в случае облаков верхнего яруса, расположенных на высотах 7 - 9 км, величина изменения пропускания Jг очень мала, составляя всего 0,001 - 0,002.

Для облаков среднего яруса, которые находятся в среднем на высотах 3,0 - 3,5 км, вклад атмосферы, расположенной в пределах облака.

достигает 0,01. При этом оптическая толщина облака может увеличиваться всего на 0,02.

Используемый метод с успехом можно применять не только для определения ослабления в тонких облаках, но и в более плотных облаках, почти полностью не пропускаюЕщх излучение Солнца. Принципиальное ограничение метода измерения больших оптических толщин связано с «шумовыми» характеристиками принимаемого излучения и шумами самого ИК-радиометра. Эквивалентный аппаратурный «шум» составляет 0,025 мВт/см^хтер. При этом предельное значение оптической толщины hnp, которое можно измерить для идеально прозрачной атмосферы [xi(9,Z)=l] при условии, что Солнце находится в зените, составит около 8,5. Однако, во время проведения измерений высота Солнца была значительно ниже и влагосодержание атмосферы изменялось от 6 до кг/м^, что снижало предельные значения оптических толщин облаков, которые могли быть измерены данным методом.

В таблице 1.11 приведены предельные значения к„р, которые могли быть измерены в условиях проведения эксперимента (б' - зенитный угол Солнца).

Таблица 1.11.

0° 70° 80° Ш(кг/м')\О 10° 20° 30° 40° 50° 60° 8,41 8,41 8, 8,41 8,40 8, 6,0 8.39 8,33 8, 8,30 8,26 7, 16,0 8,29 8,28 8,18 8, 8,23 7, Анализ результатов, представленных в таблице 1.11, показывает, что высота Солнца в меньшей степени влияет на предел измерений Иобл, чем прозрачность атмосферы. Поэтому, даже зимой в средних широтах появляется возможность измерить большие по абсолютной величине значения оптических толщин облаков, чем на экваторе. Однако, если использовать секансную зависимость оптической толщины облака от зенитного угла при определении Кбл в направлении зенита, то, несмотря на значительно более низкую прозрачность атмосферы на экваторе, предельные значения измерений к„р там будут значительно выше.

Существует еще одно важное обстоятельство, которое ограничивает использование данного метода измерения оптических толщин плотных облаков. Оно связано с пространственной и временной изменчивостью поля собственного излучения облаков, о котором говорилось выще. Для оптически тонких облаков этот фактор не играет существенной роли, поскольку величина сигнала, идущего от Солнца, L'(9,0) значительно превышает сигнал от облака Ь"(в,О). При наличии же плотных облаков величины Ь'(в,О) и Ь'ЩО) становятся одного порядка, и различие между ними может определяться как добавкой в излучение Солнца, так и статистическими особенностями собственного излучения облаков.

Для оценки возможных пределов измерений Иобд, связанных с пространственно-временными вариациями поля нисходящего излучения атмосферы, были использованы записи противоизлучения атмосферы при наличии облаков различных форм, которые были получены при длительном наблюдении в направлении зенита. Такого рода ИК-измерения проводились во все сезоны года. Для получения статистических независимых результатов показания прибора снимались через 15 сек. Для каждого облачного массива по снятым величинам интенсивности противоизлучения атмосферы определялись минимальные, максимальные и средние значения вариаций излучения AL, а затем определялись минимальные, максимальные и средние AL для всех облачных массивов одного типа. По полученным таким способом величинам AL рассчитывались предельные значения оптических толщин облаков различных форм, которые можно измерить указанным методом. Для различных форм облаков результаты этих оценок приведены в таблице 1.12.

Таблица 1.12.

Вид Число AL, мВт/см'^'стер hnp обла- случа- max min средн. max min средн.

ков ев 0, 2,62 1,45 4, Ас 6 3,85 6, 0,06 5, 1.81 0,68 4,22 7, Асор Actg 0,99 1,77 4,82 4, 6 3,16 2, 1,67 4, Sc 12 3,21 0,10 3,65 7, 1,62 0,78 7,12 5, Scop 7 0,10 4. 4, Си 0,09 1,39 3,86 6, 51 2, В таблице указано также число обработанных и проанализированных массивов облаков данного типа. В виду того, что число случаев наблюдений массива облаков каждого типа (за исключением Си) явно недостаточно для получения статистически обеспеченных результатов, данные, представленные в таблице 1.12, следует рассматривать как оценочные. Они дают общее представление о пределах измерений Иобл плотных облаков, обусловленных собственными вариациями поля излучения. Анализ результатов, приведенных в таблице 1.12, показывает, что оптические толщины плотных облаков варьируют от 4 до 7 в зависимости от вида облака. Наиболее плотные облака, имеющие, как правило, однородное поле излучения, имеют более высокие предельные значения Нобл- Следует отметить, что для облаков, оптическая толщина которых порядка 5 - 7, начинают играть заметную роль эффекты рассеяния, которые трудно учесть при обработке результатов измерений.

Значительное число случаев наблюдений массивов типа Си позволили проследить за сезонными изменениями И„р. Значения предельных значений оптических толщин кучевых облаков для различных сезонов года представлены в таблице 1.13.

Таблица 1.13.

Число AI, мВт/см''*стер Сезон hnp случа- max min min средн. max средн.

ев 4 2,57 1,47 3,86 4, Зима 2,07 4, 2, 16 1,24 3,88 6, Весна 0,09 4, 19 2, Лето 0,38 1,27 4,09 5,78 4, Осень 12 2,50 0,14 1,55 3,90 6,78 4, Анализ данных таблицы 1.13 ноказывает, что нраьстически не наблюдаются сезонные различия в предельных величинах онтических толщин кучевых облаков, измеренных методом но Солнцу.

Были нроведены измерения оптических толщин облаков нижнего яруса типа Sc и Sc tg. Всего было проанализировано 150 случаев. Анализ полученных данных показал, что лишь в 35% случаев оптические толщины облаков тина Sc и Sc tg меньше 5 и могли быть надежно зарегистрированы разработашюй установкой.

Техническое улучшение характеристик радиометра и методики измерений может значительно поднять указанный предел оптических толщин, которые могут быть измерены по Солнцу. Действительно, если использовать модуляционную методику, т.е. осуществить быстрое сканирование направления визирова1шя, при котором на радиометр будет поочередно попадать то излучение Солнца и атмосферы, то одной атмосферы, влияние пространственных вариаций может быть уменьшено более чем на порядок. Это дает возможность надежно определить оптические толщины облаков около десяти, т.е. величины, когда на вход ИК-радиометра поступает лишь тысячная часть излучения Солнца, приходящего на верхнюю границу облака.

Глава 2. Разработка аппаратурного ИК-комплекса и методов измерений параметров атмосферы 2,1. Измерение радиационной температуры НГ облаков из стационарного положения при различных углах зондирования (расширение измеряемого температурного диапазона) Методика совместных измерений в ИК- и видимом спектральном диапазонах на стационарной установке заключается в следующем.

Например, в качестве радиометра применяем современный ИК термометр фирмы «Raytek», программа которого позволяет получить на выходе непосредственно радиационную температуру поверхности измеряемого объекта (в °С) в аналоговом и цифровом виде. Рабочий спектральный диапазон прибора АХ = 8-^14 мкм, диапазон измерений температуры AT = 223 -f773°K, угол поля зрения 1,6°, точность измерений ± 0,6° К [37].

ИК-термометр и цифровая фотокамера соосно устанавливаются на единой платформе, способной перемещаться по градуировочной дуге в диапазоне углов места от зенита до горизонта с точностью до Г. ИК термометр и фотокамера работают в течение некоторого интервала времени, который выбирается в зависимости от скорости прохода метеообъекта (облака) через область зондирования. Причем, должны быть зарегистрированы сигналы от всего облака на фоне чистого неба. В течение этого времени радиометр работает непрерывно, а фотокамера дискретно производит съемку исследуемого участка неба для визуального контроля облака (определение типа облака, качественная оценка оптической плотности).

На рис. 2.1 представлена функциональная схема установки.

Излучение, идущее от участка неба, через входное окно попадает на объектив ИК-термометра 2, объектив фокусирует излучение па приемной площадке фотоприемника ИК-термометра. От ИК-термометра сигнал, обработанный и представленный в цифровом виде, поступает на компьютер 4, 5 для систематизации данных и построения диаграмм с температурно-временной разверткой (рис,2,2). От фотокамеры фотоснимок в цифровом виде также поступает на компьютер (рис.2.3).

Рис.2.1. Функциональная схема ИК-установки.

1 - измерительный блок на платформе;

2 - ИК-термометр;

3 цифровая фотокамера;

4 - системный блок компьютера;

5 - монитор.

Данная установка позволяет проводить измерения температуры нижней границы облачности или участка ясного неба только в одном направлении. Дискретное сканирование атмосферы по разным углам места осуществляется при помощи перемещения по градуировочной дуге измерительного узла.

При размещении установки необходимо учитывать, чтобы радиационное влияние окружающих объектов на результаты измерения было минимальным, и им можно было бы пренебречь.

Калибровку ИК-радиометра необходимо проводить регулярно после каждого сеанса измерений. Она осуществляется по двум объектам, радиационные характеристики которых максимально приближены к излучению абсолютно черного тела: талому льду и модели черного тела (массивный зачерненный алюмшшевый диск с электроподогревом и платиновым термометром у излучающей поверхности). Методика калибровки подробно изложена в главе 3.

Рис. 2.2. Температурно-временная диаграмма слоисто-кучевого облака при вертикальном зондировании (по ординате - температура в °С). Нижняя кривая - приземная температура воздуха.

Рис. 2.3. Фотоснимок слоисто-кучевого облака в направлении зондирования.

Однако при зондировании облаков верхнего яруса и ясного неба нижний уровень измеряемого интервала темнератур составляет порядка минус 70°С (температура верхней границы тропопаузы), в то время как у Ж-термометра только - 50°С.

Ограниченность измеряемого температурного диапазона ИК радиометров (ИК-термометров) различного назначения обусловлена несколькими причинами. Ограничение в области низких температур объясняется отсутствием в этом диапазоне стабильных эталонных черных тел, по излучеьшю которых можно было бы произвести калибровку радиометра;

в области высоких температур ограничение накладывается приемником излучения.

Применение современных ИК-радиометров для измерения объектов в более широком температурном диапазоне возможно, если использовать дополнительный объект (среду) с известной температурой (например, температура окружающей среды), прозрачный в рабочем спектральном диапазоне и перекрывающий угол поля зрения объектива радиометра. При измерении низкотемпературного тела это будет дополнительно излучающий объект, а при измерении высокотемпературного тела поглощающий. Причем интенсивность излучения (поглощения) будет зависеть от оптической толщины этого объекта (среды). Таким образом, варьируя оптической толщиной дополнительного объекта, можно получить общую температуру (исследуемое тело + дополнительный объект), значение которой попадает в измеряемый температурный интервал радиометра. Зная вклад дополнительного объекта фиксированной толщины, легко определить истинную температуру исследуемого тела.

Поскольку необходимость расширения температурного диапазона возникла при исследовании облаков и ясного неба в "окне прозрачности" атмосферы ( 8 - 1 4 мкм), то наиболее подходящим материалом для дополнительного объекта может служить пищевая полиэтиленовая пленка определенной толщины (например, 10 мкм), при десяти слоях имеющая спектральный коэффициент пропускания в данном диапазоне длин волн т ис. 2.4) [32].

j 4 в m Рис. 2.4. Спектральный коэффициент пропускания полиэтилена толщиной 0,1 мм.

Применяя различное количество слоев пленки, можно варьировать интенсивностью излучения (температурой), регистрируемой ИК радиометром.

Прозрачность пленки в данном спектральном диапазоне была изучена с помощью инфракрасного спектрофотометра ИКС - 29, предназначенного для регистрации спектров поглощения и отражения различных веществ и измерения коэффициентов пропускания в диапазоне от 2,38 до 25 мкм.

Для определения вклада, вносимого полиэтиленовыми пленками в излуче1ше, принимаемое РЖ-радиометром, был проведен следующий лабораторный эксперимент (рис. 2.5). Полиэтиленовая пленка в один слой наклеивалась на специальные квадратные рамки, устанавливаемые в кассете. При этом особое внимание уделялось процедуре наклеивания, поскольку малейшее натяжение пленки приводит к изменению ее толщины. На оптической скамье устанавливался РПС-термометр фирмы Raytek, программное обеспечение которого позволяет определить непосредственно температуру исследуемого объекта. Перед объективом термометра располагается кассета с пленками. В качестве макета исследуемого объекта используется дистиллированная вода в прозрачном контейнере (выполнен из той же полиэтиленовой пленки), так как при зондирова1гаи атмосферы в "окне прозрачности" основным поглощающим (излучающим) компонентом являются пары воды Н2О, облака, как исследуемый объект, имеют также водную структуру с спектральным коэффищ1ентом излучения = 0,93. Контейнер изготавливается такого размера, чтобы он гарантировано заполнял угол поля зрения ИК термометра на определенном расстоянии (от 1 м до 4 м).

Контейнер Кассета с ИК-термометр с водой пленками Рис.2.5 Структурная схема эксперимента.

Контейнер с водой охлаждался в морозильной камере до температуры, близкой к 0°С (до перехода в другое агрегатное состояние), а затем помещался на экспериментальную установку. Измерения температуры воды ИК-термометром проводились сериями с определенной периодичностью (через 5°С) по мере ее нагревания до комнатной температуры. Одна серия измерений проводилась за время относительной температурной стабильности объекта (AT ~ О, Г) с последовательным увеличением слоев пленки от О до 5.

Аналогично проводились измерения в интервале температур, превышающем температуру окружающей среды. Дистиллированная вода предварительно нагревалась, и по мере ее охлаждения также проводились периодические измерения. Однако степень нагрева воды ограничивалась механическими свойствами пленки (до +50°С).

Поскольку целью проводимого эксперимента было расширение измеряемого температурного интервала в сторону низких температур, то в качестве измеряемого объекта необходима среда, аналогичная по основным оптическим параметрам водной, не изменяющая своих характеристик в низкотемпературной области (вода при 0°С изменяет свое агрегатное состояние). За основной экспериментальный компонент был взят этиловый спирт (температура замерзания порядка -115°С).

ИК-термометр наводили на боковую поверхность емкости, находящейся на расстоянии 1 м и производили измерения ее температуры сначала без пленки, затем с одним слоем пленки, потом с двумя слоями и так до пяти слоев пленки. Затем емкость ставили от ИК-термометра на расстоянии 2, 3, 4 м и производили измерения температуры емкости со спиртом в том же порядке. Расстояния до измеряемого объекта изменялись для оценки степени влияния этого объекта на температуру пленки. Было установлено, что при дистанции 2 м от объекта температура пленки в естественных условиях соответствует температуре окружающей среды независимо от температуры объекта. По мере естественного нагревания спирта до комнатной температуры измерения производили с такой же определенной периодичностью, как и с контейнером с водой. Для получения высоких температур емкость со спиртом нагревали с помощью горячей воды, в которую ее помещали на некоторое время. Измерения проводилась в максимально широком температурном диапазоне от -27 °С до +45 "С (при низких температурах во время измерений необходимо постоянно удалять образующийся слоя инея с контролируемой поверхности).

Результаты измерений были сведены в таблицы, на основании которых были построены графики зависимостей температуры спирта и воды от количества накладываемых пленок (рис. 2.6,2.7).

24 т • ;

'. 1 ^ ) 1г I — I - 5сл»

Li \ — -л - 4 ел 10 — — се 8 / у р.

/ 6 у^ ч 5 / «ЛОЙ тт 1РНлеи А 3 Г ъ !мт1ература юще» 22,3° 2 ВДВ) О о 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Температура воды, измеренная без пленки, t°C Рис. 2.6. График зависимостей температуры воды от количества слоев полиэтиленовой пленки.

^_ —, - -— — - :

-- —t 45 • — i i — t \ О — -5 i, 4" - -4-- 3^ -15,/^ — ^/ - / - - - - ii — -45 - л емпература окружаювцей cp€ды22,3° - - ! j — - - - - -70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5 О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Температура спирта, измеренная без пленки, t°C Рис. 2.7. График зависимостей температуры этилового спирта от количества слоев полиэтиленовой пленки.

Из Э И графиков видно, что температурные зависимости имеют ТХ практически пропорциональный характер, их угол наклона к оси абсцисс зависит только от количества слоев пленок (угол наклона температурной прямой, полученной без пленки, составляет 45°.

Для сопоставления данных, полученных при измерениях, проведенных со спиртом и водой, графики зависршостей совместили (рис.

2.8). В области положительных температур они совпали, таким образом, можно предположить, что вода и спирт обладают одинаковыми оптическими свойствами в данном спектральном диапазоне.

I - 1 * / • ~т г - - / — / • у — '^-^ у „J. -. — о 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Рис. 2.8. Совмещенный график зависимостей температур воды и спирта.

Приняв экспериментальный график этилового спирта за основной, температурные значения усреднили под пропорциональную зависимость и достроили полученные прямые до точки -70°С. Окончательный график представлен на рис. 2.9.

Для применения этого графика в экспериментальных измерениях низкотемпературных объектов (облаков верхнего яруса и чистого неба) необходимо учитывать температуру плеьжи (окружающей среды): точка пересечения прямых перемещается по «нулевой» прямой до положения, соответствующего данной температуре.

Разработанный способ расширения низкотемпературной области температурного интервала прошел тщательную проверку при проведении натурных измерений радиационной температуры нижней границы облаков различных типов и по чистому небу. Метеообъекты выбирались с температурой, измеренной без пленки, значение которой гарантированно входило в измеряемый температурный интервал ИК-радиометра. Затем этот же объект зондировался через различное количество слоев полиэтиленовой пленки. Результаты очень хорошо согласовывались с экспериментальным графиком: абсолютная погрешность не превышала 0,2°С. При ИК-радиометрическом зондировании окружающей среды такая точность измерения низкотемпературных метеообъектов вполне приемлема.

j —— 45 • i V ч — \- О щ - то? пленки ^ ^ в - -И у i г 1 - - - - - А Лбезл ' ^ - 1 i - ТеMI»натура ок каюшеЙС |)еды22,3' - - !i _| / - - -70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5 О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Температура, измерзшая без пленки, t°C Рис. 2.9. Экспериментальный график коррекции температуры метеообъектов для полиэтиленовой пленки толщиной 10 мкм.

2.2, Температурное сканирование движущегося метеообъекта Для получения наиболее полной информации обо всем облаке или иного подвижного метеообъекта при дистанционном зондировании наиболее приемлем метод сканирования.

Приведем в качестве примера сканирующую установку, разработанную на базе того же ИК-радиометра фирмы «Raytek».

Поскольку эта установка предназначена для измерения параметров облаков (т.е. объектов, обладающих направленным движением), то их сканирование можно осуществить на неподвижной наземной ИК установке следующими способами:

- внедрить в ее оптический тракт сканирующий элемент (плоское зеркало, либо зеркальный барабан);

- разработать сканирующий узел крепления самого ИК-радиометра.

При этом плоскость сканирования должна быть перпендикулярна направлению движения метеообъекта.

Использование качающегося плоского зеркала или подвижного узла крепления ИК-радиометра позволяет осуществить пилообразное сканирование объекта, а зеркального барабана - построчное сканирование.

Второй вариант, конечно, более предпочтителен, поскольку позволяет получить более подробную информацию об объекте. Однако при небольщих углах сканирования (20° -^ 40° - средний угловой размер облаков нижнего яруса) зеркальный барабан будет представлять собой довольно громоздкую конструкцию. Применение сканирующего ИК радиометра возможно при определенных погодных условиях (отсутствие дождя).

Поэтому ИК-установка со сканирующим (качающимся) зеркалом с внешним зеркальным покрытием позволяет избежать отмеченных недостатков, хотя и предполагает некоторое ослабление сигнала от метеообъекта (коэффициент отражения зеркала в рабочем спектральном диапазоне составляет порядка 0,7).

функциональная схема сканирующей ИК-установки представлена на рис.2.10.

Датчик угла Блок Блок эле1сгроиики поворота питания Сканирующее Блок ИК-термометр Объект \ зеркало питания Мобильная Привод зеркала ПЭВМ Сканирующий Узел приема и обработки узел сигнала.^ L.

Рис.2,10. Функциональная схема сканирующей ИК-установки.

Разработка сканирующего узла основывалась на следующих исходных параметрах.

Угловая скорость сканирования ИК - системы должна обеспечить получение наиболее полной информации о движущемся объекте: с одной стороны получение максимального количества точек при каждом проходе, с другой стороны - как можно большее число проходов. Предпочтение одному условию влечет за собой уменьшение другого. Для компенсации этих противоречий оптимальная угловая скорость сканирования рассчитывалась, исходя из быстродействия (постоянная времени приемника) и угла поля зрения ИК-радиометра:

2W (2.1) где со - угловая скорость сканирования;

2W- угол поля зрения ИК-радиометра (равен 1,6°);

т - быстродействие приемника (равно 250 мс).

Угол сканирования принимаем равным 9 = 40° (примерно в этот угловой диапазон впишется любое отдельное облако на фоне чистого неба).

Число проходов при зондировании в этом случае зависит от высоты метеообъекта и скорости его движения: чем ниже находится объект и чем выше его линейная скорость перемещения, тем меньшее число проходов удается осуществить. Так, при зондировании облака нижнего яруса высотой Н=1000м, имеющего угловые размеры а = 20° и скорость V = 10м/с, количество проходов п будет равно:

2H-tg{a/2)) (2.2) п= где tcK. - время одного прохода (/„ = ^'^ ').

со Отсюда п = 5,64, т.е. при низко расположенном облаке, обладающем достаточно высокой скорости (сильный ветер) получаем число проходов сканирования более 5 (свыше 140 точек, из которых 70 приходится на данное облако). Этого, конечно, мало, но, с одной стороны, неселективные приемники РЖ-излучения, применяемые в данном рабочем спектральном диапазоне, имеют большую инерщюнность, с другой - в примере использованы максимально невыгодные для измерения параметры метеообъекта.

На рис. 2.11 представлена кинематическая схема разработанного сканирующего узла.

Плоскость 3q)Ka.Ta Фршщиошия передача Ведомый шиш (кривошип) /Вал двигателя Рис. 2.11. Кинематическая схема сканирующего узла.

На основе кинематического расчета был разработан и изготовлен сканирующий узел, позволяющий зондировать метеообъект в пределах 38° и с угловой скоростью со = 0,1117 рад/с. "Нулевое" положение зеркала относительно оптической оси ИК-радиометра составляет угол 45°, качание зеркала относительно этого положения - ±9,5°. К оси качания зеркала через простую кинематическую пару, удваивающую угол качания, подключен датчик углов, выполненный на основе однооборотного потенциометра. Электрический сигнал с датчика, величина и знак которого меняются пропорционально углу поворота зеркала, поступает в блок обработки выходных параметров синхронно с величиной радиационного излучения метеообъекта, измеренной ИК-радиометром под этим углом.

Платформа сканирующей ИК-установки может быть выставлена горизонтально с помоодью юстировочного механизма, либо по определенному углу места (в зависимости от местонахождения метеообъекта), перемещая один ее край относительно другого по градуировочной кривой. Общ^ш вид макета сканирующей ИК-установки представлен на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Общий вид сканирующей ИК-установки.

Блок обработки измеренных данных ИК-радиометра позволяет получить в среде Microsoft Excel температуно-временную и угловую развертку каждой серии измерений, а также запись измеренных значений в текстовом формате. Пример серии измерений показан на рис. 2.13, 2.14.

28-09- —\ W тм тшш ТЕЁ О W - - - " - - О 300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 t Рис. 2.13. Пример записи чистого неба при приземной температуре воздуха 18°С.

300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 t Рис. 2.14. Пример записи отдельного облака.

Дальнейшую обработку текстового формата данных можно провести с использованием пакета компьютерных программ Matcad и в результате получить поверхностную температурную диаграмму метеообъекта в угловых координатах и тепловую карту этого объекта с цветовой градацией температуры. На рис. 2.15, 2.16 представлены соответственно поверхностная температурная диаграмма и тепловая карта серии измерений, первоначальный вид которой представлен на рис. 2.14.

Рис. 2.15. ЗБ-диаграмма распределения температуры нижней границы облака (пространственно-временная развертка).

б 300 «М 900 Ша 1500 1300 3100 1400 3700 Рис. 2.16. 20-диаграмма распределения температуры нижней границы облака (пространственно-временная развертка).

2.3. 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 Ж-радиометрическим способом ограничен. В лучшем случае современные ИК-радиометры промышленного исполнения измеряют температуру в интервале от - 50°С до + 500°С, в то время как радиационная температура Солнца составляет несколько тысяч градусов Кельвина, а температура облаков верхнего яруса И Ч С О О неба составляет порядка -70°К. В связи с этим была разработана ИТГ 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.

Блок приводов Оптическая Блок Блок электроники система питания (БЭ) (БЭ) Источник Объект - ИК излучення полупрозрачное термометр (Солнце) облако Фотоаппарат Блок питания ИК-термометра Блок питания ПК фотоаппарата Рис. 2.17. Структурная схема следящей ИК-фотометрической установки типа «Кимоно».

Автоматическое слежение за Солнцем обеспечивается специальным каналом, состоящим из оптической схемы, четырехэлементного приемного узла оптического юлучения (видимый и ближний ИК-диапазоны), электронного блока и системы приводов.

Оптическая схема следящего канала представлена на рис. 2.18.

с,пич^-кь ли 1 *я !3/'!а1ил1чг Ч.-Х' } t |\ ил J Рис. 2.18. Оптическая схема следящего канала.

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.

mi-m ФЛ-2Я m-m KS6A m-VOI2 /7*4 УП —Того* ci •1 ' as ' - 71 i'^Kien I—г • ' r — flO -СЭ— \Z} W Rim ~и Ri m KISS шп-шш von WI с 1, C6 5O tie 15 к J mx Рис. 2.19, Электрическая функциональная схема следящего канала.

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.

Кинематическая схема приводов для коррекции системы по азимуту и углу места представлена на рис. 2.20.

НвтО! шЛедения Iteimximm пжккт •If-r,ytrf 1 : ")?

i -V U !?

ЛР fJi I 0.2 '2S !-i V X •V • •'/ A Г/ / • / ' / /.

7 ^ CL?

U2 •v a n hi 9 т -^ I Нехашзп набедеюя б горишташт плхкхт ж V t ж Н h Рис. 2.20. Кинематическая схема приводов следящей системы.

После отработки выходных параметров отдельных узлов следящего канала и макета установки в целом была собрана экспериментальная следящая система, общий вид которой представлен на рис. 2.21.

Рис. 2.21. Общий вид следящей ИК-установки.

На рис. 2.22 представлен экспериментальный график радиационной температуры Солнца в спектральном диапазоне 8 - 14 мкм при автоматическом слежении в течерше 6 секунд, когда Солнце было закрыто полупрозрачным облаком переменной плотности в течение 4,35 сек.

М м Qrtfiti Seli« Help c-jr с CJBStBC •му 11 ^ 1! j,1 :

I.-et— • / n- • \ ^ ^ ^ /' 85- \ А^ // ^ :

И- • Г V——1— ••••) 78- \^ \//'\ II 70 • M- ;

\ i j! i —М—' «5- 35,- - j 1 30- !

т X- И- :J - IS- t! i 10- : '• s ~| 1 €• т 1 •i i' -10 П •\t * -20- 3»- ~ 1** i SSI • un., Itac Рис. 2.22. Экспериментальный график.

2.4. Методики обработки экспериментальных данных.

2.4.1 • Методика расчета основных характеристик облака.

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 щаги:

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:

(2.3) где ЩЛ1)г,м. - 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: Аиг -^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].

3. Для вычисления Я{АХ)изм определить интегральную плотность измеряемого излучения:

(2.4) Ru^=^^, где Тизм - радиационная температура, измеренная ИК-радиометром;

о- постоянная Стефана-Больцмана;

s - интегральный коэффициент излучения нижней границы облака.

4. Рассчитать плотность излучения R(AX)U3M ДЛЯ спектрального интервала 8,0 - 14,0 мкм с использованием безмерных коэффициентов (табл. 1 Прилож. 1):

2898. п ч где Л^^ = —— (закон Вина).

UV •* tt-.

5. Аналогично определить плотность потока излучения чистого неба в этом же спектральном диапазоне (радиационная температура чистого неба определяется по той же температурно-временной диаграмме).

6. Определить коэффициент пропускания атмосферы Хатм(^^) по следующей методике:

а). Определить коэффициент Гя^о(АЯ), зависящий от содержания паров воды в подоблачном слое атмосферы:

- известную высоту подоблачного слоя Hj,j. разбить на п-ое количество подслоев, считая, что в каждом из них относительная влажность постоянная (большее количество подслоев дает более точный результат);

- по средней высотной точке подслоя определить относительное содержание водяного пара в каждом подслое (табл. 2, Прилож. 1) в зависимости от приземной относительной влажности;

- определить толщину слоя осажденной воды для каждого подслоя, учитывая зенитный угол зондирования в [32]:

, 216,7-10'. Я,,^,.

(26) " f ^ ^ где Tjj^- температура воздуха /-го подслоя (°К);

/,- относительная влажность /-Г0 подслоя;

е,- упругость насыщающих паров (Па) для Г^ ^^ температуры воздуха;


Я,- средняя толщина /-го подслоя;

упругость насыщающих паров в зависимости от температуры воздуха можно определить по табл. 3 Приложения 1 [32];

- определить общую толщину осаждешюй воды подоблачного слоя:

±r, (2.7) - П таблице спектральных коэффициентов пропускания излучения парами О воды для количества осажденной воды (см. приложение 1, табл. 4) с учетом интерполяции определить приближенно спектральные коэффициенты пропускания подоблачного слоя в рабочем диапазоне 8- мкм через определенный спектральный шаг (для более точного результата необходимо взять значения спектральных коэффициентов пропускания с наименьшим шагом);

- определить коэффициент пропускания Тл^о{АЛ)ддя всего рабочего спектрального диапазона как среднее значение спектрального коэффициента пропускания в данном диапазоне;

б). Определить коэффициент ГсоДАА), зависящий от концентрации углекислого газа в подоблачном слое:

- зная высоту нижней границы облака Hj,j., разбить ее на п-ное количество подслоев (как и в предыдущем пункте);

- по средней высотной точке для каждого подслоя определить поправочный коэффициент ki^^ по таблице 5 Приложения 1 [32];

- определить эквивалентную толщину каждого поглощающего подслоя по формуле:

л..=^,со/л.;

(2.8) - по известной эквивалентной толщине поглощающего подслоя атмосферы определяем спектральные коэффициенты пропускания излучения углекислым газом с таким же спектральным шагом, как и в пункте а) (Прилож. 1, табл. 6);

-определить спектральные коэффициенты пропускания излучения углекислым газом всего подоблачпого слоя:

(2.9) й - определить коэффициент пропускания ГсоДАЯ) для всего рабочего спектрального диапазона как среднее значение спектрального коэффициента пропускания в данном диапазоне;

в). Определить коэффициент пропускания Тр(АЛ), обусловленный явлением рассеяния и зависящий от количества и размера (радиуса) частиц воздуха, а также от рабочего спектрального диапазона:

- спектральный коэффициент пропускания Тр{Л) определяется по формуле:

(2.10) ^ ехр(-шКУ-Н,,,), где п - число частиц в 1 см^ атмосферы;

г - радиус частиц;

Ко эффективный коэффициеит рассеяния, сильно зависящий от г/Я;

в вертикальном нодоблачном слое молекулы газов атмосферы (без учета дымки и аэрозоли) имеют размеры порядка 10"^ мкм, поэтому при соотношении г/Х ~ 10'^ (рэлеевское рассеяние) коэффициент Ко —* О, и спектральные коэффициенты пропускания Тр(Л)~ 1;

соответственно и коэффициент пропускания Гр(АЯ), обусловленный явлением рассеяния в рабочем спектральном диапазоне, можно с достаточной точностью принять за единицу.

г). Определить коэффициент пропускания подоблачного слоя г ^ ( М ) по формуле:

(2.11) т^(АЛ) = т„^о(^ЯУтсо,(АЛ)-т^(АЛ).

7. По формуле (2.3) определить плотность потока излучения Я{АЛ)^„ от нижней границы облака в рабочем спектральном диапазоне.

8. Определить радиационную температуру нижней границы облака по известной плотности потока Я{АЛ)^^, используя таблицу 7 Приложения 1.

9. Рассчитать среднюю водность облака w по формулам (1.9 и 1.10).

10. При известной мощности облака П определить водозапас облака W по формулам (1.15,1.16,1.17) в зависимости от формы облака.

11. Определить альбедо облака по формуле (1.24).

12. Определить коэффициент пропускания облака г по формуле (1.24).

13. Определить оптическую толщину облака Ьобл по формуле (1.3).

14. Определить истинную поглощательную способность а* по формуле (1.25).

15. Определить эффективную поглощательную способность а^ф по формуле (1.27).

16. Определить эффективную излучательную способность по г формуле (1.36).

2.4.2. Методика расчета плотности оптически полупрозрачных облаков Как следует из описания метода измерения плотности полупрозрачных облаков (п. 2.3) ИК-радиометр благодаря автоматической системе наведения и сопровождения постоянно направлен на Солнце.

Поскольку измеряемый температурный интервал ИК радиометром ограничен (AZ' = -50°C-f+500''C), то для измерений по Солнцу требуется ослабление его потока с помощью п-го количества слоев полиэтиленовой пленки (см. п. 2.1). При этом плотность потока излучения Ко(Щ, соответствующая температуре Т^^^, измеренной ИК-радиометром без облаков, будет определяться следующим соотношением:

(2.12) R,{AX) = [R,{AA)-T^(AA) + R^(AA)]-TjAA), где 11с{АЯ)-т^{АЛ)- ПЛОТНОСТЬ солнечного потока излучения на входном зрачке ИК-радиометра в рабочем спектральном диапазоне;

г коэффициент пропускания п-го количества слоев пленки;

Я^ шютность потока излучения безоблачной атмосферы.

При ослаблении солнечного излучения полупрозрачным облаком плотность потока RiiAA), соответствующая измеренной ИК-радиометром температуре T^^^, будет равна:

(AX)-T(AA) +R i A Z ) + где Л„„р(ЛЯ)- плотность потока излучения подстилающей поверхности (земли), отраженная вниз полупрозрачным облаком;

R^{AA)- плотность потока излучения вниз полупрозрачного облака;

т^{АЛ)- коэффициент пропускания атмосферы в данном спектральном диапазоне;

г^(АЛ) коэффициент пропускания полупрозрачного облака в измеряемом спектральном диапазоне.

Из уравнений (2.12) и (2.13) выразим Rci^X)•т^^X) и приравняем их:

(2.14) Отсюда коэффициент пропускания полупрозрачного облака будет равен:

В полученном выражении (2.15) значения R p очень малы по сравнению с R^{M,) и RQ{M), И ИМИ МОЖНО пренебречь до определенной оптической плотности облака.

В этом случае можно записать:

(2.16) Как известно, оптическая плотность какой-либо среды D определяется следующим выражением:

^ = lg[^), (2.17) где г - коэффициент пропускания этой среды.

Поэтому плотность оптически полупрозрачных облаков можно получить ю выражения:

/^^1. (2.18) Оценим, в каких пределах можно использовать формулу (2.16) с достаточной точностью. Известно, что метод Вильсона (п. 1.5) дает погрешность в определении коэффициента пропускания полупрозрачного облака свыше 5%. Поскольку разработанный метод должен быть по крайней мере не хуже, примем Лг^,(А/1)5%. Погрешность наведения разработанной следящей системы составляет 0,5%. Тогда в уравнении (2.15) не учтенная часть в числителе должна составлять не более 5% от основной величины 7?i(AA) с учетом коэффициента пропускания полиэтиленовой пленки. По прежним измерениям различными методами определено, что полупрозрачные облака имеют температуру нижней границы не более -25°С (248°К), температура чистого неба в направлении Солнца в средних широтах составляет порядка -45 °С (228°К), коэффициент пропускания атмосферы в среднем составляет 0,7;

/^„^^(АЯ) не превышает 7% от плотности излучения облака. Тогда, используя данные из таблицы 7 Приложения 1, получаем, что вклад неучтенной части в плотность общего регистрируемого потока излучения составляет:

Тогда с учетом требуемой погрешности величина /г, (ЛЯ) должна составлять:

ДD /?,(АЯ) = —-100 = П34Вт/м^.

Верхняя граница измеряемого температурного диапазона ИК радиометра составляет 500°С (773°К). Следуя методике расчета, изложенной в п. 2.4.1., получим:

Отсюда минимальный коэффициент пропускания полупрозрачного облака, который может быть определен по формуле (2.16):

Т.е. таким образом можно определять коэффициенты пропускания облаков верхнего яруса (Ci) и некоторых менее плотных облаков среднего яруса (Ас tg) (см. табл. 1.8).

Исходя из вышеизложенного, методика расчета оптической плотности прозрачных облаков выглядит следующим образом:

1. Рассчитать плотность излучения R^{AA) на входном зрачке ИК радиометра по измеренной температуре Т^^ (ф-лы 2.4 - 2.5, либо табл. Прилож. 1);

2. Рассчитать плотность излучения Л, (ЛЯ) на входном зрачке ИК радиометра по измеренной температуре Ti^ (ф-лы 2.4 - 2.5, либо табл. Прилож. 1);

3. По формуле (2.16) определить коэффициент пропускания облака 4. По формуле (2.18) определить оптическую плотность облака 5. По формуле (1.3) определить оптическую толщину облака.

Если коэффициент пропускания т^(АЛ){0,5, то для обеспечения требуемой точности необходимо дополнительно измерить температуру полупрозрачного облака на фоне чистого неба. Для этого применяется метод и установка, представленные в п. 2.2, параллельно со следящей установкой. Плоскость сканирования устанавливается непосредственно за Солнцем по ходу измеряемого облака и перпендикулярно движению этого облака. Обработка измеренных параметров осуществляется по методике, изложенной в п. 2.4.1. Полученные таким образом значения R^iAZ);

Rosjii^^yJamMi^^) учитываются, и коэффициент пропускания облака определяется по формуле 2.15.

2.4.3. Методика определения степени прозрачности атмосферы Степень прозрачности атмосферы оценивается коэффициентом прозрачности, который можно определить по известной формуле Бугера (1.1), измеряя ослабление излучения Солнца в реальной атмосфере.

Условия применимости данного закона в «окне прозрачности» атмосферы 8-14 мкм соблюдаются, когда: а) излучение Солнца неселективно, поэтому закон справедлив в спектральной полосе любой ширины;

б) собственным излучением атмосферы можно пренебречь по сравнению с прямой солнечной радиацией;

при отсутствии тумана и густой дымки в рабочем спектральном диапазоне имеет место рэлеевское рассеяние излучения Солнца.

Закон Бугера можно представить в виде:

lR{AA,m) где R^it^X)- знергетическая плотность прямой солнечной радиации на верхней границе атмосферы в рабочем спектральном диапазоне;

R{ts.X,m) энергетическая плотность прямой солнечной радиацией, измеряемой ИК радиометром в том же спектральном диапазоне;

т - количество оптических масс.

Поскольку температурный диапазон, измеряемый данным ИК радиометром, ограничен (до 500°С), необходимо применить ослабление солнечного излучения (см. п. 2.1) с помощью полиэтиленовой пленки.


Оценаш коэффициент пропускания п - го количества слоев полиэтиленовой пленки определенной толщины, уменьшающий плотность потока солнечного излучения, измеряемого ИК-радиометром, до величины, соответствующей 500°С (773 °К), в условиях идеальной атмосферы (т.е. сухой и чистой, основные ослабляющие излучение компоненты - СО^ и (9з) [58]. Коэффициент прозрачности идеальной атмосферы при одной онтической массе ( т = 1), согласно таблице 1.1, составляет:

^«а.™, = 0, 9 0 6.

Величину RQ{M) ДЛЯ «окна прозрачности» атмосферы определяем по методике, изложенной в п. 2.4.1.

Тогда из формулы 2.19 следует, что = 0,906-8,23-10^ = 7, 4 5 - 1 ^ ^ С другой стороны плотность излучения в спектральной полосе 8- мкм, соответствующей 500°С (773°К), была определена в п. 2.4.2 и составляет:

Коэффициент пропускания полиэтиленовой пленки определяем из выражения:

г„ (АЛ) = ;

(2.20) г^(АЯ) = 0,049.

Итак, учитывая применение расчетного количества слоев полиэтиленовой пленки, коэффициент прозрачности атмосферы будет определяться выражением:

(2.21) К{АЯ) где R^{AX,m) - измеренная ИК-радиометром плотность солнечного излучения;

я'о{АЛ) - расчетная плотность излучения Солнца с учетом ослабления, равная:

^^^^ ';

(2.22) ид.атм Количество оптических масс т в формуле (2.21) зависит от зенитного угла Солнца вс. Для зенитных углов Солнца ^^-60° с погрешностью 0,5% количество оптических масс можно определить из выражения [58]:

m = sec^cj (2.23) При больших зенитных углах Солнца погрешность в определении т возрастает, и следует применять выражение, учитываюш;

ее сферичность атмосферы (формула Ламберта):

^c+0,002514 - cos 9с) (2.24) т= Исходя из предварительных выводов, изложенных выше, методика определения степени прозрачности атмосферы в спектральном диапазоне 8 - 14мкм будет заключаться в следующем.

1. Следящую ИК-устаповку ориентировать на Солнце при чистом небосклоне;

перед объективом ИК-радиометра расположить расчетное количество слоев полиэтиленовой пленки;

2. Фиксируем температуру, измеренную ИК-радиометром, и зенитный угол Солнца вс по датчику угла места;

3. Определить плотность потока солнечного излучения в рабочем спектральном диапазоне по измеренной температуре, следуя методике, изложенной в п. 2.4.1;

4. Рассчитать количество оптических масс т по формулам (2.23 или 2.24) в зависимости от измеренного зенитного угла Солнца;

5. Определить коэффициент прозрачности атмосферы по формуле (2.21);

6. Рассчитать оптическую плотность атмосферы в рабочем спектральном диапазоне по формуле:

а(АЛ, т) = In т(АЛ, т);

(2.25) 7. Определить фактор мутности атмосферы Т{АЛ,т) по формуле (см.

п. 1.2):

, (2.26) где г„^^ - коэффициент прозрачности идеальной атмосферы.

no Глава 3. Разработка и обоснование методов калибровки ИК-радиометрического комплекса 3.1. Повышение стабильности работы ИК-радиометров Для повышения стабильности ИК-радиометра необходимо сначала провести поэтапные исследования радиометра в реальных условиях в течение длительного периода его работы совместно с другой наземной радиометрической аппаратуры.

Пример экспергшенталъной оценки и повышения стабильности ИК радиометра.

Для обеспечения работы в полевых условиях в ИК-радиометр был установлен специально разработанный термостабилизированный опорный излучатель. Результаты показаний радиометра выводились на компьютер для последующей обработки. Проведенные исследования показали, что ИК-радиометр функционирует крайне нестабильно (рис.3.1.а).

Среднеквадратичная ошибка измерения лучистости контрольного излучателя составила 1087 мкВт/см^-стер.

Далее были проведены исследования стабильности ИК-радиометра в зависимости от элементов его схемы: электронного усилителя приемника излучения, модулятора и оптической схемы.

Для того, чтобы определить степень нестабильности радиометра, вызванной работой электронного усилителя, последний был заменен специальным усилителем, стабильность которого была повышена введением в схему усилителя системы автоматической стабилизации коэффициента усиления. В результате стабильность ИК-радиометра значительно улучшилась. Среднеквадратичная погрешность измерения снизилась до 612 мкВт/см^-стер, (рис.3.1.6).

Влияние приемника излучения на стабильность радиометра исследовано в лабораторных условиях. Экспериментально были получены Ill температурная характеристика и вольтамперные характеристики приемника излучения (болометра) при различных температурах в интервале рабочих температур (5° - 60°С) (рис.3.1,г).

Температурная характеристика болометра может быть аппроксимирована экспонентой:

v^ (3.1) где А - характеристика, обратно пропорциональная величине энергии, необходимой для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости;

Т- температура полупроводника (°К).

В ИК-радиометре в цепь питания болометра включено нагрузочное сопротивление R^ (рис.3.2), которое одновременно выполняет роль сопротивления фильтра нижних частот. При определенной рабочей температуре на вольамперной характеристике можно подобрать рабочую точку и наклон нагрузочной прямой таким образом, что в некотором рабочем интервале (порядка 10° - 20°) статистическая вольтваттная чувствительность будет близка к постоянной (рис.3.4.). Для этого необходимо выполнение условия:

^=0;

(3.2) Из этого условия можно найти оптимальную величину сопротивления нагрузки:

,0,75 + ^ - ^ —V-;

(3-3) Для более надежной работы ИК-термометра в заданном температурном интервале величину необходимо определять А экспериментально, используя уравнение аппроксимации. В динамическом диапазоне комплексное сопротивление нагрузки значительно ниже Я„ опт. Для рассматриваемого измерительного устройства динамическая вольтваттная чувствительность:

RiT) EAG (3.4) где Е - напряжение источника питания;

G - сопротивление теплообмена болометра;

R(T) - сопротивление чувствительного элемента болометра при температуре Т;

со - частота модуляции радиациошюго потока;

т постоянная времени болометра.

Динамическая вольтваттная чувствительность измерительного устройства зависит от температуры болометра и от частоты модуляции. В конструкциях некоторых ИК-радиометров термостабилизация болометра часто отсутствует.

Оценку зависимости динамической вольтваттной чувствительности радиометра от частоты модуляции можно получить из последней зависимости. Выполнив дифференцирование и упростив, получим;

1 / \А0) ^-5 гч (\ /71У|*, 1.Э.Э) Р[СО) Разделив левую и правую части уравнения на р(а)), получим выражение относительной ошибки, вызванной изменением частоты модуляции:

(3.6) р{й)) 2 6) Результаты исследования стабильности ИК-радиометра в зависимости от частоты модуляции представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Частота модуляции, Гц 240 250 Выходные показания ИК-радио 84 83 81 метра по излучению источника по- 84, стоянной яркости Относительная ошибка радио- 1,8 2,4 3, 1, метра, % Стабильность частоты модуляции в исследуемом ИК-радиометре была улучшена синхронизацией модулятора камертонным генератором.

Кроме того, болометр был помещен в специальный термостат, температура в котором автоматически поддерживалась на уровне 35°С с точностью до 0,Г.

После включения в схему радиометра камертонного генератора и термостатирования болометра стабильность ИК-радиометра значительно возросла: среднеквадратичная погрешность составила 242 мкВт/см -стер, (рис.3.1.в).

На завершающем этапе была исследовано влияние оптической системы на стабильность работы радиометра.

В оптической схеме радиометра на приемник воздействует помимо излучения исследуемого объекта и опорного излучателя излучение и взаимное переотражение излучения деталей оптической схемы. Общее энергетическое уравнение ИК-радиометра с учетом оптической системы можно записать в виде:

Й'!.];

(3.7) где и - напряжение на входе синхронного детектора электронного усилителя;

К[р(Х,ю,Т,1)] - комплексный коэффициент передачи приемника излучения совместно с электроршым усилителем;

p(X,co,T,i) - динамическая вольтваттная чувствительность приемника излучения;

Ао, rjp, & характеристики оптической системы ИК-радиометра: площадь входного зрачка, коэффициент полезного действия, мгновеьшый пространственный угол зрения;

Е„ - интегральное значение облученности приемника излучения опорным излучателем в спектральном диапазоне АХ;

EL. интегральное значение облученности приемника излучения i - ой деталью измерительного канала;

Ео.и. - то же для канала опорного излучателя.

Полная компенсация излучения деталей оптической системы возникает лишь тогда, когда разность сумм "засветок" в приведенном уравнении будет равна 0. Реально, в условиях эксплуатации, ИК термометр подвергается случайному воздействию температуры. Это приводит к тому, что каждая деталь оптической системы характеризуется собственным температурным полем вдоль ее излучающей поверхности, которое непрерывно меняется, т.к. оптическая система стремится войти в термодинамическое равновесие с окружающими излучателями, температура которых непрерывно изменяется.

Благодаря внешнему воздействию температуры составляющая излучения оптической системы имеет случайный характер и не может быть учтена с помощью калибровки ИК-термометра по эталошюму излучателю.

Для оценки ошибки ИК-радиометра, вызванной излучением деталей оптической системы, последняя была помещена в термостат, температура в котором поддерживалась автоматически с точностью ±2° на уровне 32°С.

Испытания Ж-радиометра в реальных условиях с термостатированной оптической системой, дополнительно термостатированным приемником излучения, камертонным генератором и стабильным электронным усилителем показали, что измерения таким радиометром отличаются высокой точностью независимо от метеорологических условий. Среднеквадратичная погрешность составила 22 мкВт/м^ -стер.

Таким образом, благодаря введенным техническим усовершенствованиям, среднеквадратичную ошибку ИК-радиометра удалось понизить с 1087 мкВт/см^ -стер, до 22 мкВт/см^ -стер., что составило 0,4% шкалы прибора.

Результаты поэтапных исследований ИК-радиометра, проведенные при различных метеорологических условиях, приведены на рис.3.1 (а - г).

R(t) a) t°C 40 -•+ fC I I 0 20 R(t) B) 40 R(t) г) t°C О 20 40 Рис.3.1. Результаты исследований стабильности ИК-радиометра:

а) - первоначальные результаты многократной градуировки;

б) - после замены электронного усилителя стабильным усилителем;

в) - после термостабилизации болометра и стабилизации частоты модуляции;

г) - после термостабилизации оптической системы.

R« JL R I —Ih^ IB RK i • Ь • Рис.3.2. Схема измерительного устройства ИК-радиометра.

LLI LL О °K 280 290 300 310 320 3.3. Температурная характеристика приемника излучения.

i 7Л 320°/ X /310° /300° ''290° 100 "^280° 1 ^ и, В Рис.3.4. Вольтамперные характеристики приемника ИК-радиометра.

Опорный излучатель.

В ИК-термометрах благодаря модулятору на приемник излучения попеременно с частотой со направляется либо измеряемый поток, либо поток опорного излучения. В результате ИК-термометр регистрирует разность потоков:

ГЗ 8^ Кф z:z0 —ф ' где Фоб - поток излучения от объекта на входном зрачке оптической системы;

Фои. - поток излучения опорного излучателя.

Для реализации измерений с высокой точностью излучение онорного излучателя должно быть высокостабильным независимо от внеиишх факторов. Это является основным требованием к опорному излучателю.

Лучистость онорного излучателя:

(3.9) В^„,«В,ЛАЯ)+[1-е{АЛ)]Вф;

где Вом. - лучистость опорного излучателя;

Вч,т. - лучистость черного тела;

Вф - лучистость онтической системы (дана без учета спектральной характеристики);

е{АЯ)- среднее значение коэффициента излучения опорного излучателя в снектральном диапазоне АХ.

Т.к. Вф является случайной величиной, то из последнего уравнения следует, что стабильность Во.и. зависит от величины Чем больше S{AX).

{АЛ) приближается к единице, тем выше стабильность излучения поверхности опорного излучателя.

Определим вариации плотности излучения в зависимости от вариаций температуры излучающей поверхности опорного излучателя и вариаций коэффициента излучения. Очевидно, что ^ = е(АЛ1 jг{Я,T)dX AT;

(3.10) (3.11) где R - шютность излучения поверхности опорного излучателя;

г(Х,,Т) спектральная шютность излучения;

АХ = Х2 - Xj - рабочий спектральный диапазон (интервал интегрирования).

На рис. 3.5 приведена зависимость при различных АЛ = /[А:(АЯ),ЛГ] значениях температуры поверхности опорного излучателя.

R, мкВт/см 'ЗО АГ, 100Д е О Рис.3.5. Вариации плотности излучения опорного излучателя при различных температурах от вариаций температуры и коэффициента излучения его поверхности.

При температурах опорного излучателя более 250°С вариации плотности излучения значительно возрастают, и требуется высокая точность термостабилизации излучающей поверхности опорного излучателя (порядка сотых долей градуса) и однородность температурного поля вдоль поверхности, что представляет собой сложную техническую задачу.

Схема устройства опорного излучателя, установленного при исследованиях в радиометр, изображена на рис. 3.6. Опорный излучатель изготовлен из толстого алюминиевого диска. На одной поверхности диска специальным резцом нанесены концентрические канавки клиновидной формы глубиной 0,5 мм. Среднее значение коэффициент излучения зачерненной электрохимическим способом гладкой поверхности алюминия в спектральном диапазоне 5 - 1 5 мкм составляет 0,91 - 0,93, а зачерненной поверхности, покрытой концентрическими канавками клиновидного сечения - 0,998. Т.е. коэффициент излучения такой поверхности по величине близок к излучению абсолютно черного тела и достаточно стабилен во времени.

В теле диска опорного излучателя на расстоянии 1 мм от излучающей поверхности размещен спещ1альный платиновый термометр, с помощью которого измеряется с повышенной точностью температура алюминия вблизи излучающей поверхности в центре диска. Одновременно термометр является звеном отрицательной обратной связи системы автоматического терморегулирования опорного излучателя.

На противоположной поверхности диска вырезаны концентрические пазы прямоугольной формы, в которые уложены витки обмотки электрообогревателя из медной проволоки, обеспечивающие равномерный приток тепловой энергии к рабочей поверхности диска. Опорный излучатель помещен в термоизолирующдй корпус из пенопласта и закрыт полиэтиленовым фильтром.

Рис.3.6. Схема устройства опорного излучателя.

1 - теплоизолирующий корпус;

2 - полиэтиленовая пленка;

3 - излучающая поверхность;

4 - платиновый термометр;

5 - прижимной винт;

6 нагреватель из медной проволоки;

7 - крышка.

Расчеты температурных градиентов вдоль излучающей поверхности диска и его пограничном слое показали, что градиент температуры вдоль излучающей поверхности диска меньше 0,0017см, а градиент температуры В пограничном слое диска при максимальной разности температур диска и окружающей среды в 10° составляет менее 0,0017см.

Электрообогрев опорного излучателя с целью термостабилизации излучающей поверхности осуществляется автоматически. Расход электроэнергии на обогрев опорного излучателя составляет примерно Вт/час.

В схеме автоматического термостатирования опорного излучателя предусмотрена возможность регистрации температуры поверхности диска.

Колебания температуры поверхности опорного излучателя относительно установленного уровня 310°К не превосходит 0,05°.

Устройство для термостатирования оптической системы.

Термостат оптической системы ИК-радиометра изготовлен в виде герметизированного цилиндра, в стенках которого имеются окна прозрачности из тонкой пленки полиэтилена. Термостат наполнен сухим азотом, который находится под небольшим избыточным давлением.

Компенсация излучения окна прозрачности из полиэтиленовой пленки осуществляется размещением такой же пленки в канале опорного излучателя. Термостат теплоизолирован фетром и окрашен специальной краской, защищающей термостат от нагрева прямой солнечной радиацией.

В термостате на поверхности корпуса оптической системы закреплен платшювый терморезистор, который соединен с измерительной мостовой схемой системы терморегулирования трехпроводной линией, обеспечивающей компенсацию сопротивления проводников линии.

Термометр включен в плечо оптимального моста. Напряжение разбаланса моста поступает на вход операционного усилителя, у которого дрейф нуля незначителен. При уменьшении темнературы в термостате на 0,02° от заданного уровня исполнительное устройство включает обогрев термостата. После подогрева термостата и увеличения в нем температуры на 0,02° от заданного уровня электрообогрев также автоматически выключается.

Получение высоких показателей термостатирования достигнуто конструкцией элемеьпов электрообогрева. Эти элементы выполнены из медной проволоки, изолированной эмалью. Преимущества таких нагревателей по сравнению с проволочными нагревателями из высокоомных сплавов состоит в следующем;

- больщая площадь поверхности нагревателя;

- высокая однородность температурного поля вдоль поверхности нагревателя;

- сравнительно невысокая, порядка 40° - 50°С, температура поверхности нагревателя, что гарантирует высокую техническую надежность термостата;

а также позволяет использовать для термоэлектроизоляции нежаропрочные обычные материалы;

- электронагреватель можно наклеивать на поверхность термостатируемого устройства.

Вся внутренняя поверхность термостата покрыта наклеенной одним слоем обмотки электрообогревателя из медной проволоки, что способствует получению однородной температуры во всем термостатируемом объеме. Согласно результатам испытаний, температура деталей оптической системы ИК-радиометра поддерживается на заданном уровне с точностью ±1,5° независимо от внешних метеорологических условий при общем энергопотреблении термостата не более 15 Вт.

3.2, Методы градуировки ИК-радиометрической аппаратуры Градуировка ИК-радиометров необходима для определения коэффищ1ентов преобразования, т.е. множителей, позволяющих осуществить переход от выходных показаний радиометра к энергетической яркости абсолютно черного тела, приведенного ко входу радиометра. Результаты градуировки обычно оформляются в виде графиков или таблиц, где в качестве независимого переменного принимается температура абсолютно черного тела.

Градуировку ИК-радиометров, предназначенных для работы на борту искусственных спутников, обычно осуществляют в вакуумной камере. В некоторых работах приводится описание способов градуировки ИК-радиометров с использованием моделей черного тела. На самом деле, градуировку в специальной вакуумной камеры необходимо проводить только для таких радиометров, приемник излучения которых не герметизирован и находится в открытом пространстве. Если эти радиометры градуировать в условиях воздушной среды, то помимо теплообмена между приемником и визируемой поверхностью черного тела возникает конвективный теплообмен и теплообмен между приемником и термодинамической системой за счет теплопроводности воздушной среды, что не позволяет получить надежные результаты градуировки.

ИК-радиометры и спектрорадиометры метеорологических спутников в большинстве случаев конструктивно выполнены таким образом, что их приемник размещен в герметизированном отсеке достаточно большого объема, который заполнен инертным газом при постоянном давлении.

Радиационный теплообмен герметизированного приемника с визируемой поверхностью осуществляется через одномерный ИК-фильтр.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.