Способ дистанционного определения температуры поверхности океана Советский патент 1992 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к дистанционным способам контроле состояния DO/IHOH поиерхнссти, может применяться для определения величины температуры поверхности гксзпа (ТПО) с борта летательных ап- napOTOii (самолетов и искусственных спут- никоо Земли) в интересах океанологии, климатологии, рыбного хозяйства.

Аналогом предлагаемого способа является способ контактного (точечного) измере- ния ТПО с помощью температурных датчике (зондов), погружаемых непосредственно о йодную поверхность, которые размещаются нэ кораблях, буйкооых станциях, платформах и т.п. Его существенным

недостатком является большая трудоемкость измерений.

Наиболее близким к предлагаемому способу является СВЧ радиометрический способ определения ТПО, основанный на измерении вариаций интенсивности собственного СВЧ-излучения водной поверхности относительно известных (реперных значений. По этому способу измеряется интенсивность излучения I (мерой величины I служит обычно антенная температура, либо урооень телеметрического сигнала) на фиксированной длине волны СВЧ-диэпазонз в заданном (исследуемом) участке оодной поверхности; измеряются на этой же длине

VI

s I

волны значения интенсивности i по меньшей мере в доух реперных участках водной поверхности с заведомо известными величинами температуры ; находятся вариации Л „ I - jji измеренных значений I относительно реперных ,j и с помощью известных для СВЧ-диапазона рэдиацион- но-температурных соотношений определяется разность А (,# между искомым Т и реперными Г значениями температуры; определяется абсолютное значение температуры в исследуемом участке Т - Tj $ +

+ Л Ш Недостатком известного способа является необходимость проведения дополнительных трудоемких измерений в реперных областях, реализуемых с помощью контактных (корабельных, буйковых) средств. При проведении продолжительных измерений, когда интервал времени между основными и ремернымн измерениями составляет десятки и сотни минут, проявляется еще один недостаток дачного способа, обусловленный наличием теплового дрейфа аппаратуры, чю снижает точность определения температуры.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры и снижение трудоемкости измерений,

Пост а пленная цель достигается тем, что измеряют спектральную зависимость интенсивности излучения I; (A) D диапазоне воли 3,5 - 8,5 см в заданном участке поверхности океана; измеряют дополнительно спектральную зависимость интенсивности излучения доп $.} в атом же Л диапазоне вол;- о соседнем участке поверхности океана с температурой, згиодомо отличающейся от температуры заданного учаси.сч; на ход-; т г:; ;осгь спестрпльни:х зависимостей А(л) 1(л.) - 1Лсл{Я); определяют длину ATI . соответствующую максимуму Е .; .iviiiiibi Д i(A ); кзходлт величину ТПО о заданном участке поверхности океана из соотношения Т 60,1 - 8,77- Am + +0,2 А™2 ,

Способ поясняется фиг. 1-4.

В изобретении предлагается г, качестве количественной меры ТПО использовать L-MCCTO ингенсиспостп coCc -rc- : ого излучения положение максимума спектральной зависимости чувствительности поля к вариациям температуры. В основе такой посылки лежат следующиессоОеннпсти взаимосвязи СВЧ радиационных характеристик с ТПО: чувствительность яркостнсй температуры Т к вариациям ТПО q1

9 Т о сантиметровом (см) диапазоне с увеличением дли;;ы волны А сначале монотонно растет, а затем убывает, и таким образом у спектральной зависимости qT(A) в сантиметровом диапазоне существует максимум (фиг. 1); в силу нелинейности радиационно-температурного соотношения величина ТПО влияет на форму спектра qT(A), в частности величина ТПО определяет положение максимума, т.е. длину волны Am , соответствующую максимуму чувствительности (фиг. 1).

Найдено (фиг. 1), что при различных значениях температуры Т и солености S морской воды в интервале их естественной изменчивости (0 Т 30°С. 33 S 38°/00)

для величины Am температурный фактор является определяющим. Увеличение (уменьшение) солености приводит к незначительному смещению температурной зависимости параметра Am , причем

определяемые с помощью смещений кривой Am fO кажущиеся значения ТПО ниже (выше) истиных. Согласно фиг. 2 в условиях экстремальной изменчивости солености Мирового океана различие между кажущимися и истинными значениями ТПО может достигать 1 - 1,5°С. В стандартных ситуациях пространственные вариации солености на подспутниковых трассах не превышают 0,5-1°/00, соответствующая погрешность

определения ТПО - 0,1 - 0,3°С.

Из фиг. 2 (сплошная линия 1 означает соленость воды 38%, штрихпунктирная линия 2-33 %) следует, что при вариациях ТПО в пределах естественной изменчивости Ми- рсвсгоокеснз от 0 до 30°С параметр Am меняется соответстсенно от 8,5 до 3,5 см, что и определяет рабочий диапазон длин волн в предлагаемом способе. В соответствии с предлагаемым способом исходными дэпны1,-н для определения ТПО являются спект- зависимости интенсивности нзлучзнил (/.) измеряемые периодические с летательного аппарата, например, с помощью плавно перестраиваемого в диапазоне от 3,5 до 8,5 радиометра. Для определения ТПО проводится сравнение спектральных зависимостей интенсивности излучения ;;а различных участках трассы полета. Разность соответствующих измерений

Л (А ) ,ц -.опальна чувствительности поля из/./м-гнпг: к вариациям ТПО

Л 1(А) Р ATqty),(1) г коэффпинснтами пропорциональности служат разность ТПО в этих участках и аппарэтнэя Фун-сцпл Р Зитенно-фидерного тракта. Из сравнения найденных спектральных зависимостей определяют длину волны Am . соответствующую максимуму величины Д (А) и далее по формуле Т 60,1 - 8,77Ат

+ 0.2 Am2 определяют температуру поверхности океана. Флюктуационная чуротви- тельность современных СВЧ-рэдиометров составляет десятые доли градусов Кельвина, что обеспечивает надежную фиксацию радиационного контраста А I на спутниковых трассах протяженностью десятки километров за сравнительно небольшой промежуток времени At (единицы секунд), в течение которого аппаратную функцию Р прибора можно считать неизменной (постоянная времени вариаций Р, обусловленных тепловой нестабильностью антенно-фидер- ного тракта в открытом космоса, составляет единицы и десятки минут). Оптимальная разность температур А Т между дополнительным и основным участками составляет 0,3 - 1°С. Величина нижнего предела определяется флюктуационной фувстви- тельностью радиометра, верхнего погрешностью, обусловленной заменой производной q 5 Тя/д Т конечной разностью АТЯ/АТ. Выбор дополнительного участка с температурой, заведомо отличающейся от температуры основного участка на заданную величину, следует проводить по одному из следующих критериев: по величине контраста яркостной температуры между дополнительным и основным участками, измеряемого на любой фиксированной длине волны из спектрального интервала 3,5 - 8,5 см согласно известной методике относительных измерений; по величине, определяемой с помощью температурных морских атласов требуемого пространственного удаления летательного аппарата от основного участка, обеспечивающего необходимую температурную раз- нссть (и частности, с учетом известного из атласов факта, что среднемесячное значение температурных градиентов на поверхности океана составляет 0,5- 1°Снз 100км). Результаты теоретического анализа составляющей погрешности определения ТПО, обусловленной нестабильностью аппаратной функции Р, показывают, что предлагаемый способ обеспечивает выигрыш по сравнению с известным в VAto/At Раз, где Ato - продолжительность полета летательного аппарата от репера а к реперу/3 (порядок величины Ат0 в спутниковом варианте - единицы, десятки минут).

С целью экспериментальной проверки предлагаемого способа проведены лабораторные измерения спектральных характеристик излучения водной поверхности в интервале изменения температуры 5 - 22°С при фиксированном (средпеокеаническсм) значении солености ооды 35%. Получена

температурная зависимость длины волны Am , соответствующей максимуму величины Т в указанном интервале изменения параметра Т. В качестве СВЧ-радиометра использован серийно выпускаемый измеритель параметров антенн ПК7-19 с флюктуационной чувствительностью 1-1.5 К/с. обеспечивающий плавную перестройку частоты от 3.9 до 6,0 ГГц. Приемный датчик широкополосная лабораторная антенна типа П6-23. Контроль температуры водной поверхности с точностью 0,1°С осуществлялся посредством ртутных термометров.4 Время накопления (постоянная времени интегрирования в оконечном устройстве радиометра) установлено равным 4 с. Для дополнительного снижения влияния флюк- туационных шумов радиометра измерения выполнены с трехкратной повторностью и

последующим усреднением результатов. На фиг. 3 приведены экспериментальная (1) и расчетная (2) зависимости параметра А™ от температуры водной поверхности, которые хорошо согласуются между собой.

Выполнено сопоставление в лабораторных условиях предлагаемого способа определения температуры водной поверхности по положению спектрального максимума с известным способом определения температуры о величине яркостного контраста. В обоих случаях использованы данные одних и тех же измерений..На фиг. 4 приведен результат обработки измерений с помощью второго способа - зависимость радиояркостного контраста от температуры водной по- верхности на длине волны 6,67 см. соответствующей наибольшей чувствительности поля излучения к вариациям параметра Т. Из иллюстрации видно, что

экспериментальная радиационно-темперэ- турная зависимость (1) заметно отличается от соответствующей расчетной (2). Такой результат обусловлен тепловым дрейфом нуля и коэффициента усиления радиометра.

в то же время при использовании предлагаемого способа, основанного не на контрастном, а на спектральном признаке, влияние указанных источников нестабильности практически не проявляется.

Пример. Сделаны два (основное и дополнительное) измерения спектральных зависимостей интенсивности излучения морской поверхности (S 35°/00) в диапазоне волн 5 - 6 см с помощью радиометра

ПК7-19. Основное измерение представлено в табл. 1, а дополнительное - в табл. 2.

Разность Д1 (А) I (А) - 1д0п (А) представлена в табл.3.

СОГЛЗСНГ . О ЬиЛ. ЧИН /щ , C001D6Tствующап максимуму Д1(Я), составляет 5,3 см. Из соотношения Т 00,1 -8,77 Am + 0,2 А™ 2 оп рег.-леиа селимиmi температуры морской поверхности, которая составила Т- 18,3°С.

Таким образом, предлагаемый способ измерения ТПО обладает, по сравнению с известным, следующими преимуществами: снижает трудоемкость измерений за счет обеспечения возможности дистанционных измерений в терминах абсолютных значений ТПО без привлечения реперных оценок, а также повышает точность измерений за счет устойчивости дистанционных оценок 1 ПО к неконтролируемым вариациям параметров антенн и антенно-фидерных трактов.

Формула изобретения 1. Способ дистанционного определения темпе ргзгуры поверхности океана, включающий измерение интенсивности собственного СВЧ-излучсмид с сантимо.трсзом диапазоне исследуемого участка водной поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения темг.эратуры и снижения трудоемкости измерений, определяют спектральную зависимость интенсивности собственного излучения исследуемого участка океана I (Я)в диапазоне 3,5 - 8,5 см дополнительно измеряют спектральную зависимость интенсивности собственного излучения 1доп(А) участка с заведомо отличающейся температурой, находят разность Д1(А) 1(А}- , -1д0п(А) определяют длину волны Am , соответствующую максимуму величины А (А) и находят величину температуры Т из соотношения Т 60.1 - 8,77 Am + 0,2 Am

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что выбор участка с заведомо отличающейся температурой проводят по наличию контраста яркосткой температуры между ним и исследуемым участком.

Изобретение относится к дистанционным способам контроля температуры водной поверхности морей и океанов. Цель изобретения - повышение точности и снижение трудоемкости измерения температуры. Измерение температуры основывается на найденной зависимости длины волны j А™ , соответствующей максимальной величине А1(Я) 1(Я)-1Доп(А).где 1(Я)- ннтенсивность излучения исследуемого участка водной поверхности интенсив- ность излучения дополнительного участка поверхности, от температуры Т. Найденная зависимость выражается формулой Т 60,1 -8,77 Дт+0,2Ат2 . Поставленная цель достигается также тем, что измерения интенсивности излучения прово/пят в диапазоне длины волн 3,5-8.5 см. а дополнительный участок выбирают по наличию контраста яр- костной температуры между ним и исследуемым участком. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл. Ё

Г.ТТ

5,0 -1

Т а б л и ц а 1

Таблица 2

Т а б . и ц а 3

-0,1

5

Ю 12

К 15 ft

Фиг.з

20 Zl T,°C

ю и

;k

10 П Ю 22 14

.Ц