РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ САМОЛЕТНЫХ И КОРАБЕЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ИК - ИЗЛУЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ МОРЕ - АТМОСФЕРА
2.1. Необходимость в калибровках и проблемы при их проведении
В Разд. 1 показано, что попадающее на фотоприемник излучение Jd порождается исследуемым Ix, трансформированным элементами оптического блока, и совокупностью их излучений JОБ (см. рис. рис. 1.14 б, 1.15 б), в том числе входного окна, испытывающего внешние ветровое и термическое воздействие. Вследствие существования градиента температуры в тропосфере -4...-6.3 К/км в зависимости от широты [`18]), самолетные ИК измерения проходят в весьма широком (до десятков градусов) диапазоне изменения температуры воздуха при интенсивном ветровом обдуве входного окна, поэтому с изменением высоты величина JОБ также значительно меняется. Точно измерить ее невозможно; с другой стороны, всякая ее вариация ошибочно интерпретируется как изменение Ix. Кроме того, чувствительность некоторых типов ПИ имеет выраженную термическую и временную нестабильность [`7, `11]. Эти обстоятельства делают необходимым проведение регулярных калибровок - визирования внешних эталонов излучения (для достижения бoльших точностей калибровкой сопровождают каждое измерение [`97]), по которым и определяют истинные параметры прибора на текущий момент. Качество калибровки определяет достоверность полученных на ее основе измерений. Как показано в Разд. 1, при прочих равных условиях оно тем выше, чем ближе ?к к 1. Для обеспечения ?к > 1, поверхность калибраторов делают сложнорельефной - ячеистой, полостной и т.п. [`58, `59, `69, `91, `92]. Но характерный для самолетных измерений интенсивный ветровой обдув из-за неравномерного охлаждения рельефной поверхности такого калибратора нарушает ее термическую однородность и, как следствие, значительно смещает показания термодатчиков калибратора относительно его осредненной поверхностной температуры. Это ухудшает адекватность определения B(Тк) и в результате расчет Ix может содержать заметную ошибку. При применении плоских калибраторов, у которых термическая однородность лучше, Тк будет определяться адекватнее, но из-за значительного отличия ?к от 1, здесь весьма велика компонента погрешности, связанная с неучетом многократных отражений излучения при калибровке.
Эти соображения в основных чертах справедливы также для корабельных измерений ТПО и нисходящего излучения атмосферы Iа ввиду значительной изменчивости влияющих на термику входного окна скорости и направления ветра (здесь ТПО рассчитывают по измеренным величинам восходящего излучения воды и Iа [`28]).
На рис. 2.1 показаны схематические изображения неплоских калибраторов, применяемых в радиометрических комплексах, на рис. 2.2 - приведенные в [`92] данные тепловизионного исследования температуры излучающей поверхности пирамидально- игольчатого калибратора (к сожалению, скорость ветрового обдува калибратора не приведена), которые показывают, что его термическая неоднородность составляет единицы градусов (при желательной величине в 0.1° [`9]). Поскольку эта неоднородность определяется условиями ветрового обдува, которые сильно изменяются в зависимости от метеопараметров, скорости и направления ветра, то предлагаемый в [`92] способ ее коррекции путем размещения в калибраторе нескольких термодатчиков в разных областях и глубинах и нахождения регрессионной зависимости, связывающей их интегральные показания с показаниями радиометра, в натурных условиях может оказаться неадекватным.
Мы предлагаем простой способ уменьшения этих источников ошибок путем применения плоских зеркально отражающих калибраторов ориентированных так, что фоновым излучением при калибровке является не совокупность многократных отражений излучений от калибратора к радиометру, а исследуемое восходящее излучение: Iф = Ix (см. далее, разд. 2.3). Данное условие замыкает систему уравнений измерение - калибровка и позволяет аналитически точно определять Ix. Более адекватные в условиях интенсивного ветрового обдува показания термодатчиков плоских калибраторов, со своей стороны, понижают инструментальную ошибку определения B(Тк), позволяя более точно рассчитывать параметры калибровки А, us и, тем самым, более точно определять величину Ix.
Рис. 2.1. Схематические изображения калибраторов самолетных и корабельных радиометрических комплексов из [`91] (а), [`59] (б) (разрез; показан водяной насос), [`92] (в) (разрез; показаны термодатчики).
CALIB.tif
Рис. 2.2. Распределение температуры излучающей поверхности пирамидально- игольчатого калибратора [`92].
Проанализируем традиционную и модифицированную методики проведения самолетных измерений восходящего ИК излучения морской поверхности при двух вариантах работы радиометра. При варианте П: он пассивно отслеживает температуру воздуха, различную для разных полетных высот [`18] (при этом в случае применения термочувствительного ПИ параметры радиометра будут меняться с высотой). При варианте Т: оптический блок термостатирован на уровне, несколько превышающем приповерхностную температуру воздуха (при этом чувствительность фотоприемника за время проведения измерений не изменяется).
Рассмотрение проведем для радиометра, построенного по понижающей уровень шумов вида 1/f модуляционной схеме, с пироэлектрическим фотоприемником. Зависимость выходного напряжения U такого радиометра от направленного к нему излучения I линейна [`21]:
U(I) = А(I - Bм) + us.
Здесь А - чувствительность,
us - напряжение смещения,
Bм ? B(Тм), Тм - температура модулятора.
2.2. Анализ традиционной методики самолетных измерений
Как показано в Приложении А, в системе, состоящей из расположенных друг против друга двух излучающих поверхностей 1 и 2 (рис. А.1), в том числе и такой, как калибратор и оптический блок при калибровке, результирующее тепловое излучение, направленное от 1 к 2, порождается в результате МО между этими поверхностями. Так, направл