Способ определения температуры подстилающей поверхности с летательных аппаратов Советский патент 1983 года по МПК G01J5/00 

Изобретение относится к области бесгконтактной те1эмо1Яетрии.

Оно может быть использовано в океанологии, метеорологии, геофизике при определении температуры подстилающей поверхности (ТПП) - водной поверхности, снежного и ледового покровов, земной поверхности в труднодоступных райои нах, массивов под с/х культурами и т.д.- с летательных аппаратов, в том числе со спутников,.

Известен спектральный способ определения ТПП по измерениям излучения в нескольких интервалах спектра Щ . В спектральном способе интенсивность излучения для двух или более диапазонов спектра связывается, регрессионным соотношением, параметрами которого являются температура И угол визирования. Однако коэффициенты в уравнении регрессии и- ошибки метода оказываются зависящими от оптической толщины атмосферы и принятой модели поглощения водяным паром. Кроме того, в области спектра 3,6-3,9 мкм отраженное излуче 1ие сопоставимо с тепловым излучением, поэтому метод применим только в ограниченных условиях (ночью).

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ опрделения температуры подстил а юще1| поверхности с летательных аппаратов, включающий измерение интенсивности суммарного излучения.участка подстилающей поверхности и атмосферы и определение температуры по выделенному собственному излучению участка подстилающей поверхности 2 , Для уменьшения иска жающего влияния атмосферы выбирается узкий спектральный интервал вне полос и достаточно сильных групп линий поглощения водяного пара. Недостатком способа является то, что сужение спектрального интервала чувствительности радиометра не позволяет учесть полностью поглощение в атмосфере, которое включает помимо газовой также и аэрозольную компоненту. Кроме того, сужение спектрального диапазона уменьшает энергетический поток и ухудщает отношение сигнал/шум на выходе радиометра. Все это приводит к недостаточной точности определения температуры.

Целью изобретения является повыщение точности определения температуры подстилающей поверхности.

Цель достигается тем, что по способу включающему измерение интенсивности

суммарного излучения участка подстилающей поверхности и атмосферы и определение температуры по выделенному собственному излучению участка подстилаю5 щей поверхности, квазисинхронно измеряют интенсивность излучения одного и того же участка подстилающей поверхности и атмосферы по крайней мере .под тремя углами Визирования, причем углы

0 визирования выбирают по соотношению воздушных масс 1,2 и 3.

На фиг. 1 показана схема измерений; на фиг. 2 - последовательность перехода от измеренной интенсивности изяуче5 НИН поверхности к собственной.

На фиг, 1 отмечены последовательные положения радиометра 1,2 и 3. Измеряемой величиной является интенсивность излучения системы поверхность -

0 атмосфера , 12 ® интервале прозрачности ИК-области спектра над выделенным участком поверхности при значении поздущной массы in sec0, Ш 1,2 и 3 соответственно, б - угол

5 визирования (между нормалью к поверхности и направлением визирования). На фиг. 2 в двух первых квадрантах с помощью стрелок показан переход от измеренной интенсивности ( ) к из 0 лучению водной поверхности (акватории)

т

l-g .в этом случае на основе аппроксимации точного решения интегральгного уравнения переноса излучения в плоско-параллельном слое

ie , J1)

( и поправоч-,

где

г г ный коэффициен т il (+c3)(UbV),

t

. где W - приведенная масса водяного пара в атмосферном столбе в сантиметрах

5 йлоя осажденной воды (ос.см). Для используемого на практике интервала спектра 11-1.2 мкм численные значения регрессионного Коэффициента d 0,002, в О,ОО65 ос. см .

Для восстановления интенсивности излучения поверхности суши 1, при диффузном отражении с излучательной способностью О необходим дополнительный

5 переход, показанный в третьем квадранте

(2)

Здесь второй поправочный коэффициент

iz btexpl-otvA/)l(-(c)/(U6t.y Для указанного интервала 11-12 мкм OL 0,23.

Значение W , определякидее относительную поправку на селективное поглощение и интенсивность противоизлучения атмосферы за счет водяного пара, находится по результатам дополнительных дистанционных измерений с помощью СВЧрадиометров или фотометров, или берется по прогностическим или климатическим данным.

Излучательная способность поверхности в зависимости от. ее типа может заметно отличаться от 1. Средние значения (Гдля различных поверхностей суши и для водной взволнованной поверхности приводятся в литературе. Значения б

учитываются в выражении (1) выбором направлений измерений.

Таким образом, для перехода к восстановленной интенсивности излучения необходимо по проведению основных и до полни гельных (для определения W ) измерений рассчитать значения П , i. и i2 этим начальным значениям на фиг. 2 построены точки 4,5,6 (их вторые координаты равны 1), через коTOfflbie проведены радиальные лучи. Исходной точкой перехода от измеренной интенсивности служит точка 7. Точки 8,9, 10 получены пересечением лучей с , параллельными осям координат.

Восстановленная интенсивность отсчиты- вается в точке 11, Для удобства чте|ния рисунка шкалы интенсивности 1 и t(. параллельно снесены от осей х ,в i случае водной поверхности переход заканчивается в точке 12.

Термодинамическая температура поверхности Tfj вычисляется по функции В определяемой из условия В 1 в случае суши или В Ig для водной поверхности. Здесь ( Т, ),й ),взвешенная с учетом спектральной чувствительности аппаратуры функция, излучения черного тела.|

S

Для проверки способа проведено численное решение уравнения переноса из- 71учения. Расчеты выполнены с псмошью ЭВМ для ряда модельных профилей температуры, влажности и аэрозоля, охватывающих сезонные вариации метеорологических параметров рри значительных вариациях оптической толщины атмосферы. Регресионный анализ исходных и восстановленных по настоящему способу значений интенсивности излучения поверхности показывает, что обеспечивается учет основных факторов, определяющих- излучение системы поверхность-атмосфера - вариаций профилей температуры, континуального и аэрозольного поглощения, селективного газового поглощения, противоизлучения атмосферы, отраженного поверхностью. При точных значениях, интенсивности излучения системы 1 , 12 , 1 среднеквадратичная ошибка восстановления температуры поверхности пО 20 реа лизациям, CS 0,2К. Введение ошибки измерений в 1 , 1 g 1Э приводит, как видно нз выражений (1), (2), к усилению ошибки восстановления Т . Одншс благодаря тому, что для различных направлений границы выделенного участка поверхности неизменньт, угловой раствор попей зрения и, следовательно, энергетический поток и о тношениесигнал/шумдля интенсивностей 1 и 1 больше, чем для l(j . Это уменьшает относительную ошибку определения квадрата отношения 1 /Ij . Кроме того, использование отношений l,;(/l2 и /Ij приводит к ослаблению роли абсолютных ошибок перехода от измеряемых сигналов к энергетическим единицам ввиду общего масштабного множителя и ограничивает ошибку восстановления температуры поBepXHocTH&T ilK при ошибках измерения радиационной температуры То 0,10,2К.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ С ЛЕТАТЕЛЬНЫХ; АППАРАТОВ, вкпючакиций измерение интенсивности суммарного излучения участка подстилающей поверхности и атмосферы и определение темпера уры по выделенному собственному излучению участка подстилающей поверхности, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности определения температурь подстилающей поверхности, квазисиихрон о измеряют интенсивность излучения одного и того же участка подстилающей поверхности и атмосферы по крайней мере под тремя углами визирования, причем визирования выбирают по соотношению воздуш(Л иых масс 1,2 и 3.