Широкоугольные средства измерений структур излучения облачности, подстилающей поверхности и других природных сред

Размещено на http://www.allbest.ru/

Широкоугольные средства измерений структур излучения облачности, подстилающей поверхности и других природных сред

М.И. Алленов, В.Н. Иванов, Н.Д. Третьяков, В.О. Федоров

ФГБУ «НПО «Тайфун», г. Обнинск Калужской обл.

Тел. (48439)71730, e-mail: allenov@typhoon.obninsk.ru

Аннотация

спектрорадиометрический природный оптический волна

В докладе представлены широкоугольные спектрорадиометрические приборы и методические аспекты обработки данных результатов исследований структур излучения природных сред в оптическом диапазоне длин волн.

Результаты исследований полей излучения природных сред представляют научный интерес для изучения физических процессов в атмосфере. Облачные поля, аэрозоль, водяной пар и другие газовые составляющие атмосферы являются ключевыми объектами с точки зрения изучения климата. Они отличаются высокой изменчивостью и порождают многообразие процессов взаимодействия Земли как планеты [1-3].

Характеристики пространственн0-временных структур облачности и других природных сред являются важнейшим источником метеорологической информации и учитываются в прогностической деятельности гидрометслужб России и зарубежных государств.

Кроме задач геофизического характера изучение процессов излучения (отражения и рассеяния) природных сред имеют важное значение как фоновое состояние при разработках и применении оптико-электронных систем видения различного назначения [4-6].

В докладе представлены в основном сведения о новых средствах измерений и научно-методических аспектах обработки полусферических изображений облачности и элементов подстилающей поверхности, полученных запатентованными широкоугольными приборами, приводятся параметры, новые конструктивные решения схемотехники [7-9].

Проблема параметризации оптических характеристик атмосферы Земли и прогнозирования оптического состояния атмосферы (оптической погоды, оптических помех, воздействующих на различные системы видения, атмосферных загрязнений) затрагивалась в многих работах [1,2,4,6].

Для ее решения требуются средства, с помощью которых можно было бы измерять суммарное рассеянное излучение с полусферы неба и локальное, когда регистрируются флуктуации, обусловленные маломасштабными оптическими неоднородностями. Причем наиболее информативными данными о состоянии атмосферы являются данные о полусферической спектральной плотности энергетической яркости и ее распределениях по небосводу, измеряемой в полосах поглощения атмосферных газов и окнах прозрачности, когда сравнительно легко выявляются процессы, связанные с замутненностью атмосферы и загрязнением ее вредными веществами. Для решения таких задач разработан прибор в ФГБУ «НПО «Тайфун» [10], рис. 1.

Прибор содержит выпуклое сферическое (1) и плоское (2) зеркала. Излучение со всех направлений полусферы неба направляется на приемник (7) с помощью дополнительной оптической системы (зеркала 3 и 4). В плоскости изображения зеркальной системы (1) и (2) размещен клиновой интерференционный циркулярный светофильтр (6). Может быть использована и турель с высокоразрешающими фильтрами.

Для определения величин яркости излучения в зонах небосвода с зенитными углами _k и азимутальными углами от 0 до 360 зеркало (2) разбито на k круговых зон, которые представляются в виде чередующихся, равных между собой высокоотражающих и поглощающих ячеек. Растр-модулятор (5) разбит на такое же число круговых зон, в которых размещены такие же по размерам, как и на зеркале, непрозрачные ячейки, излучающие подобно модели абсолютно черного тела (АЧТ), и прозрачные ячейки.

Рис. 1. Широкоугольный растровый спектрорадиометр: а) - частотный растр-модулятор: светлые ячейки - зоны, через которые проходит излучение объекта; б) - оптико-электронная система: 1, 2, 3, 4 - зеркала оптической системы; 5 - частотный растр-модулятор; 6 - интерференционный фильтр; 7 - приемник излучения; 8 - система регистрации, обработки и отображения информации

При вращении растра все отражающие ячейки на зеркале для конкретной кольцевой зоны будут одновременно либо открыты, либо закрыты. Таким образом происходит модуляция излучения, распределенного по всей полусфере с частотами:

,

где k =1, 2, 3, ... - номер зоны; n_k - количество отражающих ячеек в зонах 1, 2,..., k .

Спектр частотных сигналов с приемника (7) поступает на систему регистрации и обработки информации, которая производит их частотную селекцию.

Суммарный поток с полусферы неба определяется по формуле:

где B₁ , B₂ , B_k , - спектральная энергетическая яркость в зонах 1, 2, ..., k.

где _k - интервал зенитных углов [10].

Оценка форм и балла облачности (как отмечалось ранее) является чрезвычайно важной задачей, т.к. именно они определяют количество приходящей коротковолновой солнечной радиации и противоизлучения, то есть облака, как естественный модулятор,. непосредственно влияют на радиационный баланс планеты, а, следовательно, и на климат в глобальном масштабе. Но форма и балл облачности важны и для целого ряда прикладных задач - в сельском хозяйстве, где урожайность зависит от освещенности, или в авиации для аэродромных служб,. где форма и балл облачности являются важными характеристиками. Однако до сих пор определение этих характеристик производится субъективно, а в ночное время вообще не производится. Нами на основании планов Росгидромета выполняется работа по созданию автоматизированной системы для объективной параметризации форм и балла (количества) облачности [7].

Оптико-электронная система содержит низкотемпературный радиометр, объединенный со сканирующей системой, системой регистрации и обработки. Блок-схема сканирующего полусферического радиометра приведена на рис. 2.

Он содержит охлаждаемый жидким азотом приемник излучения на основе СdHgTe 1, который находится в фокусе двухкомпонентного зеркального объектива Кассегрена 2. Перед объективом установлена маска модулятора 3 и далее модулятор 4 с таким же числом лопастей. Частота вращения модулятора 800 Гц. Промодулированный сигнал с приемника 1 поступает на предусилитель 5, масштабный усилитель 6, двухполупериодный синхронный детектор 7, фильтр нижних частот 8 и далее на аналоговый вход АЦП. Управление шаговыми двигателями 11, 12 сканирующей системы осуществляется персональным компьютером 10. Обмен командами происходит через цифровые входы 9 и блока управления 13. Сканирующее зеркало обеспечивает полный оборот вокруг своей оси за время 1 сек, т.е. полное круговое сканирование по альмукантарату осуществляется за 1 секунду. За это время регистрируется 360 значений энергетической яркости облачного поля через каждый градус. После завершения записи данных поступает сигнал на шаговый двигатель 12 и зеркало меняет угол наклона (от 20 минут до нескольких градусов в зависимости от задачи), и цикл повторяется. После следующего оборота угол меняется на заданную величину. Через заданное количество шагов (строк), например 17, шаговый двигатель 12 возвращает сканирующее зеркало в исходное начальное положение, цикл повторяется и записывается следующий кадр. Таким образом, мы получаем набор матриц, где по горизонтали 360 значений, а по вертикали - 17 (или другое, заданное нами количество строк). Каждое из 6120 значений матрицы представляет собой конкретную область - изображение в ИК области на небесной сфере [ 7].

Для определения направления движения облачного поля осуществляется его проекция на декартову систему координат, после чего программно определяется наиболее контрастный участок, который разбивается на энергетические слои для i-того и i+1 кадров. По смещению выбранного фрагмента программно определяется направление и скорость перемещения облачного поля на различных высотах [8, 9].

Методы представления стохастически изменяющегося во времени и пространстве поля собственного излучения облачности набором статистических характеристик широко утвердились в практике и используются во многих научно- технических приложениях для параметризации стохастических полей и процессов [1, 2, 4-6].

По параметризованным данным конкретных форм облачности и ее количества (балла облачности) осуществляется распознавание и может проводиться наблюдение эволюции и движения облачных полей.

Рис. 2. Блок-схема прибора

В рамках дальнейшего усовершенствования автоматизированной системы параметризации и распознавания форм облачности [7] были проведены работы по использованию для этих целей многоэлементной ИК- матрицы на основе ИК- камеры и вторичного зеркального сферического объектива. Внешний вид макета устройства представлен на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид измерительной системы на основе ИК-матрицы с дополнительным сферическим зеркальным объективом

Спектральный диапазон регистрируемых энергетических яркостей от 8 до 13 мкм. Тип детектора - матрица в фокальной плоскости, неохлаждаемый микроболометр с разрешением 489 х 640 пикселей.

Разработанная ОЭС на базе ИК-матрицы и дополнительного широкоугольного объектива превосходит систему, изображенную на рис. 3, по многим основным параметрам, в частности по быстродействию, пространственному разрешению, по конструктивному исполнению, простоте эксплуатации, а главное - по надежности, так как в ней отсутствуют движущиеся механические узлы. Предварительная эксплуатация системы подтвердила тот факт, что она может быть использована не только для определения формы и количества облачности, но и для определения таких важных параметров, как движение облачности на различных высотах в тропосфере. Имеется в виду аппаратурное определение скорости и направления движения облачности и определения ее высоты, включая высоту нижней границы [8-9].

В докладе представляются также снимки различных форм облачности, их параметры излучения, движения и эволюции на различных высотах тропосферы.

Литература

1. Алленов М.И. Структура оптического излучения природных объектов. - М.: Гидрометеоиздат, 1988. - 165 с.

2. Алленов М.И. Методы и аппаратура спектрорадиометрии природных сред. - М.: Гидрометеоиздат, 1992. - 264 с.

3. Алленов А.М., Алленов М.И., Иванов В.Н., Соловьев В.А. Стохастическая структура излучения облачности. - С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 2000. - 164 с.

4. Алленов М.И., Бирюков В.Г., Иванов В.Н. Распознавание природных сред, веществ и их загрязнений. - С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 2004. - 268 с.

5. Алленов М.И. Параметризация природных сред для их распознавания. - Обнинск, 2011. - 180 с.

6. Алленов М.И., Иванов В.Н., третьяков Н.Д. Параметризация структур излучения и эволюции облачности. - Обнинск, 2013. - 168 с.

7. Алленов М.И., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д. Устройство распознавания форм облачности. - Патент РФ №2331853 от 20.08.2008. Бюлл. №23.

8. Алленов М.И., Артюхов А.В., Иванов В.Н., третьяков Н.Д. Способ определения направления и скорости движения нижней границы облачности. Патент РФ №2414728 от 20.03.2011. Бюлл. №8.

9. Алленов М.И., Иванов В.Н., Третьяков Н.Д., Федоров В.О. Способ определения высоты нижней границы облачности. - Патент РФ №2497159 от 27.10.2013. Бюлл. №30.

10. Алленов М.И., Богданович С.А., Гусев А.И., Иванов В.Н., Соловьев В.А., Третьяков Н.Д. Широкоугольный спектрорадиометр. - Патент РФ №2125250 от 20.01.1999. Бюлл. №2.

Размещено на Allbest.ru