Способ дистанционного измерения коэффициента спектральной яркости моря Советский патент 1989 года по МПК G01N21/27 

Изобретение касается фотометрических измерений и может быть использовано для дистанционного определения оптических характеристик морской среды (коэффициента спектральной яркости - КСЯ) и получения связанных с ними сведений о различных процессах в море, применяемых для определения поглощающих и рассеивающих характе ристик, концентрации и состава взвешенных в воде частиц, концентрации хлорофилла, для визуализации течений, выявлейия потенциальных рыбопромысловых районов, изучения динамики слоя скачка, картирования потоков терригенного материала, классификации типов вод и т.п.

Целью изобретения является повы- щение точности и упрощение процесса измерения в условиях пасмурного неба.

Способ осуществляется с помощью стандартного многоканального спектр фотомет.ра видимого диапазона, позволяющего работать в диапазоне длин волн, включающих ( нм. Перед началом измерений КСЯ проводится в пасмурную погоду однократное изме- рение спектральных яркостей В(Д.) и В(Л(,) небосвода в зените на длинах волн Л| и Д ,

Измеренные значения используются в дальнейшем при замерах КСЯ как постоянные характеристики прибора, и по этим значениям,можно нормировать сигналы измеряемых в полете спектральных яркостей восходящего илучения с поверхности моря. Измере- ния величин В„(д.) и Вц(Ар) могут проводиться и после окончания из- мерейий спектральных яркостей восходящего от моря излучения (в условях пасмурного неба).

Затем измеряют спектральную яркость восходящего от моря излучения в видимом диапазоне электромагнитны волн, одновременно измеряют спектральную яркость восходящего излуче- I ния на длине волны, лежащей в крас- 1 ной области спектра ( Л, 700 нм), и

определяют коэффициент спектральной яркости моря по выражению

j где о(А-) - коэффициент спектраль- ;ной яркости моря на

длине волны Л,- ;

: В ()

и В (Л о) спектральные яркости :восходящего излучения

моря соответственно

на длинах волн Л; и i 700 нм;

: вЛл.)

и В(Д) - спектральные яркости небосвода, однократно измеренные в зените тем же спектрофотометром .в. произвольное время соответственно на длинах волн Л и Аj,

; 700 нм; .

а J,J3 - постоянный коэффициен

R - коэффициент френелев- ского отражения поверности раздела вода воздух, равный 0,02 при измерении в надир. Изобретение основано на следующих положениях.

При определении КСЯ поверхности моря с помощью вертикального дистанционного зондирования поглощение света морской водой в красной области оптического диапазона (АО 700 нм) становится значительным, свет практически перестает проникать в воду, поэтому рассеянное морем излучение определяется только светом, отраженным от границы раздела вода - воздух, т.е.

Б (;) в,(л„) R.B,(;J, (2)

где Bj|(o) - спектральная яркость

света, отраженная по- j верхностью моря на дли-к не волны АО о

Наиболее сложным является измерение КСЯ в пасмурную погоду, когда из-за переменных толщин и состава облачности велика временная изменчивость измеряемых величин. В этом случае зависимость спектральной яркости неба, обусловленная многократным рассеянием на крупном аэрозоле, практически однородна по небосводу, а угловая зависимость имеет кардиоидный вни. При кардиоидном распределении яркости небосвода величины Bj и BIJ могут быть связаны выражением

В„(Д.) а.В,(Л,.),

(3)

где а - коэффициент, зависящий от состава и вида облачности, меняется в пределах 1,25- 1,43.

Относительная спектральная характеристика суммарного излучения, падающего на.поверхность моря, практически не зависит от состояния атмосферы в больщом диапазоне зенитных углов Солнца ( б с 60). Это положение справедливо и для отнощения

В (А )

пасмурную погоду и для

В„(Л;)

отношения ;;-т--т. Следовательно,

последнее отношение может быть измерено однократно и независимо от проведения измерений спектральной яркости восходящего излучения В ( А,-).

Измерение спектральной яркости В (До) позволяет учитывать суммарную изменчивость уровня освещенности поверхности и коэффициента отражения поверхности раздела вода - воз- ДУХ.

Учитывая рассмотренные положения и формулы (2) и (3) , из известного выражения

f()

В (Л;) - R BH(Ai)

где В(А;) - спектральная яркость

участка небосвода, можно вьшести соотношение (1) для коэффициента спектральной яркости моря j (л ,).

При линейной зависимости сигнала спектрофотометра от измеряемой яркости выражение (1) можно преобразовать следующим образом:

p .- V-HolriTr

4

„в,, ч и(Л;)

гдви„{Д;) окшсигнал спекUH(

трофотометра при измерении В(Л;), нормированный на значение ), полученное при .. измерении ВСЛ.) j

)

-я- сигнал спектрои -рс)

фотометра при измерении В (Д.), нормированный на значение и С Д.д), полученный при измерении Вц(Лр), Как бьшо отмечено выше, в пасмурВнСЛ; ) нук) погоду отношение не зави-

сит от состояния атмосферы и уровня освещенности, поэтому функция ), зависящая от спектрального состава излучения небосвода и спектральной чувствительности спектрофотометра, может считаться некоторой заданной калибровочной функцией, определяемой независимо от измерения

.

Таким образом, для определения КСЯ в пасмурную погоду необходимо измерять только нормированную спектральную яркость восходящего излучения .

Благодаря синхронному измерению спектральной яркости восходящего излучения на некоторой фиксированной длине волны .Лд 700 нм, а также

525753.6

одйократному независимому измерению в произвольное время спектральных яркостей небосвода на длинах волн Л; и /Ij, упрощается процесс проведения измерений КСЯ поверхности юря и повышается точность определения КСЯ за счет уменьшения влияния изменчивости коэффициента френелевйко- го отражения поверхности раздела вода - воздух и отсутствия погреш- кости из-за пространственно-временной изменчивости освещения при несинхронных измерениях.

10

Формула изобрет.ения

Способ дистанционного измерения коэффициента спектральной яркости моря, заключающийся в том, что измеряют спектральную яркость В () восход$паего от поверхности моря излучения в вчцимом диапазоне длин . .электромагнитных волн и определяют коэффициент спектральной яркости моря, отличающийся тем, что, с -целью повьшения точности и упрощения процесса измерения в условиях пасмурного неба, одновременно измеряют спектральную яркость восходящего излучения на длине волны Л большей 700 нм, в произвольное время до или после указанных измерений в условиях пасмурного неба однократно измеряют спектральную яркость небосвода в зените в том же диапазоне длин / электромагнитных волн и на той же длине волны Д , а коэффициент спектральной яркости Iопределяют по выражению

оГЛ - « ) SH(«) il р(Л;). -а, - - 1,

гдер(Д.) - коэффициент спектраль- ;ной яркости моря на длине волны Д;;

а 1,33 - постоянный коэффициент; R - коэффициент френелев- ского отражения поверхности раздела вода-воз- -ДУХ, равный 0,02 при измерении в надир; В(Л,)

и В(А|,) - спектральные яркости восходящего излучения моря соответственно на длинах волн Д; и Д 7 700 нм;

)

и B(Ap) - спектральные яркости небосвода, измеренные однократно в зените в про-

8

извольное время соответственно на длинах волн Д| и Ло 700 нм.

ИЗОБРЕТЕНИЕ ОТНОСИТСЯ К ФОТОМЕТРИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ И МОЖЕТ БЫТЬ ИСПОЛЬЗОВАНО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ МОРЯ ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ ЗОНДИРОВАНИИ С НИЗКОЛЕТЯЩИХ НОСИТЕЛЕЙ АППАРАТУРЫ. ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ - ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И УПРОЩЕНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ПАСМУРНОГО НЕБА. ЭТО ДОСТИГАЕТСЯ ПУТЕМ СИНХРОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ ВОСХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ, ЛЕЖАЩЕЙ В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И КРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА (Λ₀*98700 НМ) И ОДНОКРАТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ В ПРОИЗВОЛЬНОЕ ВРЕМЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ НЕБОСВОДА В ЗЕНИТЕ НА ТЕХ ЖЕ ДЛИНАХ ВОЛН В ЗАДАННОМ ДИАПАЗОНЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И В КРАЙНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ МОРЯ ПО ВЫРАЖЕНИЮ ρ(Λ_I)=A^.R[(B(Λ_I)/B(Λ_O)^.(B_Н(Λ_O)/B_Н(Λ_I)-1], ГДЕ ρ(Λ_I) - КОЭФФИЦИЕНТ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ МОРЯ НА ДЛИНЕ ВОЛНЫ ΛI

B(Λ_I) И B(Λ₀) - СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЯРКОСТИ ВОСХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ МОРЯ СООТВЕТСТВЕННО НА ДЛИНАХ ВОЛН Λ_I И Λ_O *98 700 НМ

B_Н(Λ_I) И B_Н(Λ_O) - СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЯРКОСТИ НЕБОСВОДА, ИЗМЕРЕННЫЕ ОДНОКРАТНО В ЗЕНИТЕ В ПРОИЗВОЛЬНОЕ ВРЕМЯ СООТВЕТСТВЕННО НА ДЛИНАХ ВОЛН Λ_I И Λ_O *98 700 НМ

А = 1,33 - ПОСТОЯННЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ

R - КОЭФФИЦИЕНТ ФРЕНЕЛЕВСКОГО ОТРАЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ РАЗДЕЛА ВОЗДУХ-ВОДА, РАВНЫЙ 0,02 ПРИ ИЗМЕРЕНИИ В НАДИР.