Тема: Инфракрасная радиометрия параметров подстилающей поверхности

Освоение человеком космического пространства, начавшееся с 1957г., открыло новую эпоху во многих отраслях науки. Впервые стало возможным наблюдать родную планету со стороны ("из вне"),рассматривая ее главные объекты в совокупности на всей поверхности. Естественно первое внимание уделялось исследованию из космоса океанов, континентов, крупных рек, ледников и прочих важных составляющих Земли. Среди этого не последнее место занимало наблюдение за метеорологическими объектами, в первую очередь за облаками, которые, как известно, широко различаются своей формой, внутренним строением, горизонтальной и вертикальной протяженностью, а также подвержены изменению своей структуры, зачастую очень быстрому. Все развитие космической техники, идущее от запуска первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) до наших дней, шло по пути получения максимально возможной информации обо всех геофизических оболочках и объектах на нашей планете.
Все ИСЗ на орбите Земли, если они запущены не для военных целей и не для осуществления связи, служат науке, а именно геофизике, проводя детальное исследование всех оболочек Земли и их взаимодействия в глобальном масштабе. Источником информации для космических аппаратов является излучение, идущее с поверхности исследуемого объекта, в данном случае с Земли. В первую очередь это солнечная радиация, по -разному отраженная различными земными объектами, а также собственное тепловое излучение поверхности различных участков суши, воды, облаков и льдов.
Поначалу исследование Земли носило исключительно обзорный характер. Проводились просто наблюдения за природными ресурсами, оценивался их общий объем, динамика изменения, влияние антропогенных воздействий и пр. Однако вскоре появилась потребность на основе принятого излучения получать информацию о многих физических характеристиках и явлениях, таких как:
- температура и влажность воздуха в атмосфере;
- температура поверхности суши и океана;
- наличие в земной коре определенных элементов;
- уровень солености и степень взволнованности водной поверхности;
- высота верхней границы, водность и «ледность» облаков в атмосфере, направление и скорость перемещения облачных масс;
- зарождение таких опасных атмосферных явлений как тайфуны, шквалы, ливневые осадки, градовые и грозовые процессы в облаках.
Используемые в настоящее время приборы для проведения дистанционного зондирования системы «подстилающая поверхность - атмосфера» представляют собой семейство весьма разнообразной регистрирующей аппаратуры (многоканальные радиометры и спектрометры), предназначенной для регистрации электромагнитного излучения в различных спектральных диапазонах. Классификацию этой аппаратуры можно осуществить, исходя из:
- организации измерений (аппаратура для пассивного и активного дистанционного зондирования);
- используемой геометрии измерений (надирные и лимбовые);
- области спектра, в которой осуществляется регистрация электромагнитного излучения (УФ, видимый, ИК и СВЧ диапазоны длин волн);
- особенностей организации измерений (с пространственным сканированием или нет) и т.д.
С учетом отмеченной классификации разработана и успешно используется обширная и разнообразная серия радиометров и спектрометров для самолетных, аэростатных, ракетных и спутниковых измерений уходящего излучения. Причем ИК -радиометры нашли широкое применение
для дистанционного измерения температуры подстилающей поверхности или верхней границы облаков с борта самолетов, вертолетов и, особенно, метеорологических спутников Земли.
Большинство спутниковых радиометров являются приборами сканерного типа, поскольку именно этот тип радиометров обеспечивает основное преимущество спутниковой аппаратуры - оперативный просмотр протяженных территорий, а также обеспечивает их картирование с высоким пространственным разрешением.
Первый ИК-сканер был выведен на орбиту в составе бортовой аппаратуры ИСЗ "Нимбус-2" в 1964 г. Точность прибора была еще далека от совершенства - погрешность измерений температуры подстилающей поверхности достигала нескольких градусов. Однако уже этот прибор выявил высокие потенциальные возможности такого типа измерительной спутниковой аппаратуры и позволил получить информацию, имеющую большую практическую ценность.
После испытаний радиометрической аппаратуры на экспериментальных ИСЗ серии "Нимбус" усовершенствованный ИК - радиометр был установлен на оперативных метеорологических ИСЗ серии ИТОС/НОАА с полярной орбитой. Оперативность МИСЗ, возможность обеспечения регулярного и непрерывного поступления данных от ИК - радиометров непосредственно к потребителям (последнее обусловлено передачей информации с МИСЗ в режиме непосредственной передачи данных) обусловили широкое использование спутниковых данных в различных областях геофизической науки.
Следующим шагом в развитии спутниковой ИК-радиометрии был запуск первого геостационарного МИСЗ "Метеосат-1". В настоящее время на орбите одновременно функционирует несколько геостационарных МИСЗ, оснащенных ИК-радиометрами. Геостационарные МИСЗ обеспечивают большую повторяемость данных по сравнению с МИСЗ на полярных орбитах, имеют больший срок службы. Однако пространственное разрешение и точность регистрации теплового излучения у радиометров геостационарных МИСЗ хуже, чем у радиометров МИСЗ, находящихся на полярных орбитах.
С 1978 г. заработал МИСЗ четвертого поколения "Тайрос-Н", усовершенствованный вариант которого составил основу американской космической системы до конца 80-х годов. На этом МИСЗ был установлен радиометр A VHRR,который использовался также для проведения океанологических исследований на ИСЗ НОАА НРОСС (NROSS).
По мере создания более совершенных приемников ИК-излучения техника ИК-радиометрии постепенно сблизилась с техникой ИК- спектроскопии, что повлекло за собой необходимость разработки новых совершенных методов обработки спутниковых данных. В первых радиометрах в качестве приемника излучения использовались термоэлементы и болометры, обладающие высокой чувствительностью и не требующие охлаждения. Однако, такие тепловые приемники излучения имеют относительно большую (с учетом специфики проведения спутниковых измерений) постоянную времени - порядка десятков и сотен миллисекунд, что не позволяет обеспечить высокое пространственное разрешение прибора. Для сравнения отметим, что в радиометре сверхвысокого разрешения A VHRR время просмотра одного элемента разрешения составляет 0,25 мс. Достигнутые в настоящее время успехи в создании радиометров высокого разрешения связаны, прежде всего, с появлением фотоэлектрических приемников излучения, спектральная чувствительность которых лежит в диапазоне 8-14 мкм. Наибольшее применение сейчас находят фоторезисторы и фотодиоды на основе HgColTe.Максимум их спектральной чувствительности при охлаждении приемника излучения до 77 К приходится на 10 мкм, постоянная времени составляет всего 50-500 нс. Достоинством фотоэлектрических приемников является также возможность изготовления линеек и матриц приемников излучения, позволяющих отказаться от применения в радиометрах сложных систем оптико-механического сканирования. Вместе с тем, появление новых приемников излучения поставило перед разработчиками спутниковой аппаратуры и новые проблемы: необходимость разработки специальных микрокриогенных систем для охлаждения приемников излучения (систем, имеющих малую массу и малое энергопотребление); технологические трудности получения приемников излучения одинаковых по всем своим параметрам (что особенно важно для многоэлементных приемников излучения).
Повышение точности измерения в настоящее время идет и по пути совершенствования методики многоканальных измерений - определяются оптимальные спектральные диапазоны, их число. Принципиальных технологических трудностей в разработке многоканальных радиометров для сегодняшнего уровня техники нет. Иначе обстоит дело с перспективными конструкциями, а именно - гетеродинными радиометрами, ИК-спектрометрами, назначение которых - обеспечить качественный скачок в улучшении точностных характеристик радиометров. Так как для создания эксплуатационных гетеродинных радиометров требуется разработка стабильных источников излучения с высокой степенью когерентности (т.е. значительное усовершенствование лазеров и светодиодов), то спутниковые ИК-спектрометры необходимо оснастить криогенными системами.
Градуировка спутниковых радиометров является важнейшей операцией по подготовке прибора к работе. От ее результатов во многом зависит точность дистанционного измерения метеорологических величин. Предполетная градуировка спутниковых радиометров должна проводиться в условиях, приближенных к реальным условиям его работы на борту МИСЗ.
Однако, даже обширная и тщательно выполненная программа предполетной калибровки радиометра еще не обеспечивает необходимой точности радиационных измерений. В частности, при использовании данных, получаемых со сканирующих радиометров, установленных на борту МИСЗ, следует учитывать тот факт, что с момента запуска спутника необходимо 1 - 2 месяца для выхода радиометра на номинальный режим, когда стабилизируются все его параметры. В качестве одной из причин, требующих учитывать время стабилизации параметров радиометра, можно указать пример с радиометром HCMR.В номинальном режиме температура приемника излучения этого радиометра должна составлять 150 К, однако реальная температура приемника в первые 70 суток после запуска превышала 200 К и уменьшалась на 0.14 К в сутки в течение первых 30-50 суток полета.
Орбитальная калибровка производится в течение всего периода функционирования прибора. Ее необходимость объясняется следующими факторами:
- "старением" электроники, из-за которого происходит изменение чувствительности прибора;
- изменением условий нагрева Солнцем корпуса МИСЗ;
- на холодных элементах конструкции вблизи охлаждаемых приемников излучения из-за процессов дегазации и конденсации может осаждаться лед.
Поэтому помимо предполетных градуировок спутниковые радиометры нуждаются в проведении постоянных орбитальных калибровок в процессе их функционирования на борту МИСЗ. Это необходимо для оперативной коррекции градуировочных характеристик. Орбитальная калибровка производится по опорным измерениям излучения открытого космоса и бортовых имитаторов АЧТ. Опыт показал, что для обеспечения надежной градуировки спутникового радиометра, орбитальная коррекция градуировки должна "опираться", как минимум, на два источника - излучения космоса и АЧТ. Абсолютная градуировка только по данным АЧТ недостаточно надежна. [1]

Купить

Целью работы было изучить возможности ИК -радиометра «Кельвин».
В ходе работы была проведена калибровка ИК радиометра методом сравнения показаний ИК радиометра с показаниями эталонного термометра. Результаты поверки обрабатывались с помощью программы, в результате чего были получены скорректированные показания ИК-радиометра. Далее был изучен метод измерения и вычисления излучательной способности с помощью ИК-радиометра, были проведены расчёты этой характеристики с помощью программы.
Далее была проведена оценка случайной составляющей погрешности дистанционного измерения температуры подстилающей поверхности, а так же оценка доверительных интервалов для среднего арифметического значения и для дисперсии.

Купить