СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОКРОВОВ Российский патент 2021 года по МПК G01J5/52 

Изобретение относится к области радиационной пирометрии и может быть использовано для дистанционного определения характеристик микроволнового излучения рассеивающих земных покровов, включая снег, в натурных условиях.

Основной величиной, измеряемой с помощью радиометров в радио диапазоне, является радиояркостная температура исследуемых объектов. Поскольку в радиодиапазоне выполняются условия приближения Релея-Джинса, то выходной сигнал радиометра имеет линейную зависимость от радиояркостной температуры объектов. Это означает, что для абсолютной калибровки достаточно использовать два эталонных излучателя с отличающимися радиояркостными температурами. Так, например, в качестве эталонных излучателей используют два черных тела, одно из которых имеет температуру приземного слоя атмосферы, а второе охлаждается жидким азотом [Голунов В.А., Живолковский В.Г., Панфилова Н.М., Тужилкин В.К., Фомина. А.Н. Аппаратура и методы измерения радиояркостной температуры земных покровов. III Всесоюзный симпозиум по миллиметровым и субмиллиметровым волнам, г. Горький. Тезисы докладов., М., 1981, с. 281].

Однако, при решении ряда задач необходимо иметь информацию не только об уровне радиояркостной температуры объектов, но также о характеристиках их собственного теплового излучения. Действительно, радиояркостная температура изотермического полубесконечного по толщине естественного покрова определяется в виде:

где κ и R - коэффициент излучения и полный коэффициент отражения покрова соответственно, Т₀ - его термодинамическая температура, которая, как правило, равна термодинамической температуре приземного слоя атмосферы, - радиояркостная температура подсвечивающего излучения атмосферы, представляющая собой свертку индикатрисы рассеяния покрова и индикатрисы радиояркостной температуры атмосферы [Голунов В.А., Короткое В.А., Сухонин Е.В. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М: ВИНИТИ, 1990. Т. 41. С. 68-136.]

Из закона сохранения энергии следует, что

Из (1) видно, что радиояркостная температура покровов определяется не только интенсивностью их собственного излучения, определяемой первым слагаемым в (1), но также интенсивностью отраженного излучения атмосферы, которая, как правило, варьирует вслед за изменениями метеоуловий [Голунов В.А., Короткое В.А., Сухонин Е.В. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 41. С. 68-136].

Для измерения коэффициента излучения естественных покровов в натурных условиях был разработан способ [Голунов В.А. Способ измерения излучательных характеристик естественных покровов // А.с. №1267865 А СССР, МПК G01J 5/52.], который является прототипом изобретения. В этом способе кроме двух черных эталонов, предназначенных для измерения радиояркостной температуры, использовали дополнительный эталон с идентичной с исследуемым покровом формой индикатрисы рассеяния. При этом должно выполняться условие, чтобы термодинамическая температура первого из двух черных эталонов и дополнительного эталона были равны термодинамической температуре исследуемого покрова. При выполнении заданных условий коэффициент излучения определяют по формуле

где κ₀, κ - коэффициенты излучения соответственно исследуемого естественного покрова и дополнительного эталона, n₀, n - разности интенсивностей теплового излучения соответственно исследуемого естественного покрова и первого черного эталона, и дополнительного и первого черного эталонов.

Недостатком прототипа является невозможность измерения коэффициента зеркального отражения рассеивающих естественных покровов, поскольку измеренные значения коэффициента излучения связаны законом сохранения только с полным коэффициентом отражения.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей способа, выражающееся в обеспечении измерения еще одной излучательной величины рассеивающих покровов -коэффициента зеркального отражения.

Технический результат достигается тем, что в способе, включающем последовательное измерение интенсивности теплового излучения исследуемого естественного покрова, двух черных эталонов с различными термодинамическими температурами и дополнительного эталона, последовательно измеряют интенсивности теплового излучения естественных покровов при установленном дополнительном эталоне и после его удаления из поля зрения антенны, интенсивности теплового излучения дополнительного эталона и атмосферы в зеркальном направлении, при этом коэффициент зеркального отражения исследуемого естественного покрова определяют по формуле

где θ - угол приема излучения, u₁ и u₂ - уровни выходного сигнала радиометра, соответствующие интенсивностям теплового излучения исследуемого естественного покрова при установленном дополнительном эталоне и после его удаления из поля зрения антенны, u_ДЭ и u_a - уровни выходного сигнала радиометра, соответствующие интенсивностям теплового излучения дополнительного эталона и атмосферы в зеркальном направлении, причем дополнительный эталон является черным телом с термодинамической температурой приземного слоя атмосферы, с угловыми размерами, равными угловым размерам главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны, и установлен перпендикулярно к направлению зеркального отражения.

Суть технического решения состоит в следующем. Рассмотрим случай рассеивающих покровов, индикатриса рассеяния которых имеет как зеркальную составляющую R_зерк, так и диффузную. Тогда коэффициент излучения можно представить в виде:

где - диффузный коэффициент отражения. Радиояркостная температура в этом случае в соответствии с (1) и (2) примет вид:

где - радиояркостная температура атмосферы в зеркальном направлении, - радиояркостная температура излучения атмосферы, подсвечивающего покров за счет диффузной составляющей его индикатрисы рассеяния.

Предлагаемый способ позволяет измерять R_зерк покровов в натурных условиях. Из (3) следует, что, если выполнить два измерения радиояркостной температуры Т₁, Т₂ при двух отличающихся значениях T_a1 и T_a2 соответственно, но при то

откуда следует

Однако, в натурных условиях изменение радиояркостной температуры Т_а чистой атмосферы приводит к изменению радиояркостной температуры

Задача решается, если при измерении Τ₁ вместо атмосферы с температурой излучения Т_а2 использовать, как показано на фиг. 1, дополнительный эталон (далее ДЭ) в виде черного тела при термодинамической температуре, не равной Т_а1, с угловыми размерами, равными угловым размерам главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны, и установленного перпендикулярно к направлению зеркального отражения.. Пусть тогда из (5) следует

С учетом линейной зависимости выходного сигнала радиометра и от радиояркостной температуры объекта соотношение (6) преобразуется к виду:

где u₁ и u₂ - уровни выходного сигнала радиометра, соответствующие интенсивностям теплового излучения исследуемого естественного покрова при установленном дополнительном эталоне и после его удаления из поля зрения антенны, u_ДЭ и u_а - уровни выходного сигнала радиометра, соответствующие интенсивностям теплового излучения дополнительного эталона и атмосферы в зеркальном направлении На фиг. 1 показана функциональная схема устройства, реализующего способ, где 1 - радиометр, 2 - поглощающий короб с линзой, 3 -исследуемый образец, 4 - дополнительный эталон (ДЭ). Способ реализован с помощью двухполяризационного радиометра на частоте 94 ГГц. В качестве приемной антенны использовалась диэлектрическая линза диаметром 0.2 м при фокусном расстоянии 0.4 м. Радиометр вместе с линзой размещались внутри поглощающего короба, что способствовало стабилизации температуры излучения бокового фона рупорного облучателя линзы. Тепловое излучение исследуемых образцов принималось при угле θ=55° от надира. Расстояние от линзы до образцов вдоль луча составляло 1.5 м. В качестве исследуемого объекта использовался слой снега, помещаемый поочередно на металлический лист, песчаный грунт, керамическую плитку и черное тело (ЧТ). Калибровка относительных и абсолютных измерений осуществлялась с помощью двух ЧТ, одно из которых имело равную со снегом термодинамическую температуру, а другое охлаждалось жидким азотом. Все выше перечисленные образцы и оба ЧТ имели прямоугольную форму при поперечных и продольных размерах 0.4 м и 0.6 м соответственно. Размеры сечения пучка антенны в плоскости образцов были в 1.5 раза меньше размеров образцов. При измерениях все образцы и черные тела поочередно устанавливались на одно и то же место на измерительном столе. Дополнительный эталон, предназначенный для создания зеркальной «теплой» подсветки, имел круглую форму диаметром 0.5 м. При измерениях он либо отсутствовал, либо устанавливался перпендикулярно зеркальному лучу на расстоянии 2.05 м от исследуемого образца и полностью перекрывал отраженный луч антенны. Интенсивности теплового излучения ДЭ и атмосферы в зеркальном направлении измерялись с помощью указанного выше металлического листа.

Был исследован достаточно однородный образец 4-х суточного свежевыпавшего снега, вырезанный из снежного покрова при минимальных нарушениях его структуры. Этот образец помещался в прямоугольный лоток с основанием из натянутой лавсановой пленки толщиной 40 мкм. Такой лоток позволял устанавливать образец снега на поверхности различных сред без нарушения граничных условий.

В таблице 1 приведены результаты измерения радиояркостных температур, полного и зеркального коэффициентов отражения слоя 4-х суточного свежевыпавшего снега толщиной 0.04 м и объемной плотностью ρ_v=0.177 при термодинамической температуре -2°С, лежащего на поверхностях керамики и металлического листа. Все перечисленные среды находились в термодинамическом равновесии со снегом и приземным слоем атмосферы, т.е. при температуре -2°С. Использованный радиометр имел чувствительность, которая позволила реализовать точность измерения не хуже 2К.

Выбор сухого снега в качестве исследуемого объекта обусловлен тем, что в нем происходит сильное объемное рассеяние миллиметрового излучения. Вследствие этого наблюдается достаточное сильное увеличение полного коэффициента отражения снега. Выделение из полного коэффициента отражения зеркальной составляющей представляет собой научный и практический интерес.

Полный коэффициент отражения рассчитывался по формуле

где Т_с - радояркостная температура слоя снега на подстилающей поверхности, Т_а - радиояркостная температура атмосферы в зеркальном направлении, которая при угле наблюдения θ=55° численно почти равна в (1) [Голунов В.А., Коротков В.А., Сухонин Е.В. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом // Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М.: ВИНИТИ, 1990. Т. 41. С. 68-136].

Отметим также, что в отличие от металлического листа, зеркальные коэффициенты отражения которого при всех углах и видов поляризации равны единице, керамическая плитка проявляет сильные поляризационные свойства, вследствие которых ее зеркальные коэффициенты отражения зависят от угла наблюдения и вида поляризации. Действительно, из таблицы 1 видно, что полные и зеркальные коэффициенты отражения зависят от вида подстилающей снег поверхности, при этом в случае керамической поверхности они особенно сильно зависят от вида поляризации.

На основе более глубокого анализа полученных экспериментальных данных было впервые обнаружено, что тепловое излучение на частоте 94 ГГц не преломляется на границе воздух-снег.

Таким образом, приведенные теоретические и экспериментальные данные показывают, что способ позволяет измерять не только радиояркостную температуру естественных покровов, но также дополнительную величину их излучения - коэффициент зеркального отражения.

Использование: для дистанционного определения характеристик микроволнового излучения рассеивающих земных покровов, включая снег, в натурных условиях. Сущность изобретения заключается в том, что последовательно измеряют интенсивности теплового излучения исследуемых естественных покровов при установленном перпендикулярно к зеркальному направлению дополнительном эталоне в виде черного тела и после его удаления из поля зрения антенны, а также последовательно измеряют интенсивности теплового излучения дополнительного эталона и атмосферы в зеркальном направлении, при этом коэффициент зеркального отражения исследуемого естественного покрова определяют по заданному математическому выражению, причем дополнительный эталон имеет равную с приземным слоем атмосферы термодинамическую температуру и равные с главным лепестком диаграммы направленности приемной антенны угловые размеры. Технический результат: расширение функциональных возможностей способа, выражающееся в обеспечении измерения еще одной излучательной величины рассеивающих покровов - коэффициента зеркального отражения. 1 ил.

Способ измерения излучательных характеристик естественных покровов, включающий последовательное измерение интенсивности теплового излучения исследуемого естественного покрова, двух черных эталонов с различными термодинамическими температурами и дополнительного эталона, отличающийся тем, что последовательно измеряют интенсивности теплового излучения естественных покровов при установленном дополнительном эталоне и после его удаления из поля зрения антенны, интенсивности теплового излучения дополнительного эталона и атмосферы в зеркальном направлении, при этом коэффициент зеркального отражения исследуемого естественного покрова определяют по формуле

где θ - угол приема излучения, и u₁ и u₂ - уровни выходного сигнала радиометра, соответствующие интенсивностям теплового излучения исследуемого естественного покрова при установленном дополнительном эталоне и после его удаления из поля зрения антенны, u_ДЭ и u_a - уровни выходного сигнала радиометра, соответствующие интенсивностям теплового излучения дополнительного эталона и атмосферы в зеркальном направлении, причем дополнительный эталон является черным телом с термодинамической температурой приземного слоя атмосферы с угловыми размерами, равными угловым размерам главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны, и установлен перпендикулярно к направлению зеркального отражения.