Способ дистанционного определения температуры поверхности океана

 

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 интенсивность 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 яркостной температуры между ним и исследуемым участком. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл. Ё

со s с .n=òñ;1

Сс(i " г1 .1С f И 1Есl jfх

РЕСПУБДИК

fsf) 5 G О1 N 22/00

ГОСУДl РCT 0Е1-НЬЯ KOMHTET

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯГ1 И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 4

О (21) 4693029/25 (22) 29,03.69 (46) 07.01.92. Бюл. tl 1 (71) Институт радиотехники и электротехник;1АН СССР (72) Л.Г.Гренков, БЛ!.Либерман и A.A.f;fèëüшин (53) 536.35{063.8) (56) Киреев l1,В.Современное состояние неконтактных средств измерения о еапографических параметров. — М.: Гидрометеоиздат, 1901, с. 11.

Гранксв А.Г. и др. Эффективность калибровки спутниковых многоканальных

СВЧ радиометрических систем с помощью реперггых областей в океане. — Исследоваlll1c Рег 1л11 из космоса, 1984, М 4, с. 55-102. (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕ14ПЕРАТУР61 ПОВЕРХНОСТ "(Of:EAf И

Изобретение относится к дистанционныгл cпсссбэгл ксггтрсл ссстоя.1ия есд«сй

nopcpxnccTи, мо;кет прил1енять fl дл>1 определения величины тел;пературы поверх»гости C >,oana (TfjO) с б "рта летательных аппаратов (ca..1олетси и искусственных спутников Зег1л11) B1111тересах океанслоги11, климатологии, рыбг ого хозяйства.

Аналогом предлагаемого способа является способ кон гактного(точечного) иэмереггия ТПО с помощью температурных днч11ксз (эог,дов), погружаемых непосредственцо в всдну1о псвсрхность, ко с рые размещаются lla кораблях, буйксвых станциях, платфop lax 11 т,п. Его сущ=-ственныгл

S U „1704044 А1 (57) 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

° kn, соответствующей максимальной величине Ь! {А) =1{Л) — 1„„{Л),где l {Х)— интенсивность излучения исследуемого участка водной поверхности 1лоп1л 1интенсив- . ность излучения дополнительного участка поверхности, от температуры Т. Найденная зависимость выражается формулой Т=60,1 -8,77 Яе+0,2Яп, . Поставленная цель достигается также тем, что измерения интенсивности излучения проволят в диапазоне длины волн 3,5-8,5 см, а дополнительный участок выбирают по наличию контраста яркостной температуры между ним и исследуемым участком. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл, недостатком является большая трудоемVCCT! 11Э " РСН1111.

Наиболее близким к предлагаемому споссбу является СВЧ радисметрический способ определения ТПО, основанный нд измерении вариаций интенсивности собственного СВЧ-излучения водной поверхности относительно известных (реперных э11ачений. По зтол1у способу измеряется интенсивность излучения 1(л1ерой величины I служит обычно антенная температура, либо уровень телеметрического сигнала) на фиксированной длине волны СВЧ-диапазона в за11энггогл (исследуел.ом) участке водной поверхности: измеряются на этой же длине

1704044 волны plfB ения и11теисионос и 1,„, по мень» шей мере в двух реперных участках водной поверхности с заведомо известными величинами температуры Т,з, находлтсл вариации Л I< „= I —, lg> измеренных значений l относительно реперных (,;,Я и с помощью известных для Ñ f-диапазона радиационно-температурных соотношений определяется разность Л Q,щ между искомым Т и реперными Т р значе «vise» температуры; опредеглется абсолютное значение температуры в исследуемом участке Т T> g +

+ Лфд.

Недостатком известного спогоба является необходимость проведения дополнительных трудоемких измерений в реперных областях, реализуемых с помощью контактных (корабельных, буйковых) средств. При проведе «ли продолжительных измерений, когда и«гервал времени между основ11ыми ренар« .;;..1 .=.меренилми составляет десятки и сотни минут, проявляется еще один недостаток даи«ого способа, обусловленfl лй наличием теплового дрейфа аппаратуры, ч о снижает точность определения температуры.

Цель изобретения — повышение точноСTLI 11эл1ЕРЕИИЯ тЕМПЕРатУРЫ И СНИЖЕНИЕ трудоемкости из 1ерений, Пос;а олен ная цель достигается тем, что

ИЗМЕРлЮт СПЕКтРаЛЬНУЮ ЗаВИСИЛ1ОСтЬ ИНтенсивности излучения (А) 0 диапазоне волн 3,5 — 8,5 см в эаданнсм участке поверхности океана; измеряют дополнитсль«о с1 ектральную эао1:сил.зс..ь 11!:,тенСИа «ОС; L1 ИЗЛУЧЕНИЯ !д л P) В ЗтОМ жЕ диапаэо«е ооf:;l о соседнем участке nooepxfIctcTLj с. ;с;на с Tà lt"!cратурой, Ccодо11" отfl LI ч а го ц, а и с л G T т с j i0 е р 3 т у р ы 3 ада н и ого у I ст!.а, нc",Г";-:: " " ."..ь .пе, тралbиl»i: 3c. о I j с 11 "1 u 7 с и A I (I ) = i ., д,t(t". ), с < I еде л QT дл«01у в: ы 1;,, с а1аетстоую" о мгксиt l

ТПО о за,.а1«101л участке пооерхиост11 океа«а иэ саотноша«11л Т =- 60,1 — 8,77 Лл+

+0.2 ).лР .

Способ пояс«летел фиг. 1-4.

Б изобретении предлагае.сл 0 качестве коли feci0" flной м=.ры ТПО использовать

E: ;! о Ljll t""==! lcl10I!Gcти собс. Го! I! ого . 1зл j че«1.л гс."ожение максимул;а сп. - ;тральной заоисимссTLI чувств.1;;:,":LI!GcTI:: полл к вариациям темгературы. f основе тof:îé пссылки лежа-. сла "1у.-сщ1«е с обе«ности озаи .ccc!,ill CB . рад:1ацион; ых характеристик с ТПО: чуостоительно.ть лркост«ой температуры Т" ..: оар11ацилм ТПО q

=д Т"/д Т о сантиметровом (см) диапазоне с увеличением дли: ы волны А сначале монотонно растет, а зате1л убывает, и так11л1 образом у спектральной зав1 .симости qT(я) в

СаНтИМЕтРОООл1 ДИаПаЗОНЕ СУЩЕСтВУЕт МаКсимулl (фиг, 1); в силу нелинейности радиа5 ционно-тел1пературного соот«ошения величина ТПО влияет на форму спектра

q (ф в частности величина ТПО определяет т положение максил1ума, т.е. длину волны ЯП1, соответствующую максимуму чувствитель10 ности (фиг. 1).

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

15 для величины Ял1 температурный фактор является определя1ощим. Увеличение (уменьшение) солености приводит к незначительному смещению температурной эависил1ости параметра Я, причем

20 определяемые с помощью смещения кривой ),(T) кажущ1есл з .ачения ТПО ниже (выше) L1cTI1! ых. Согласно фиг. 2 в условиях экстремальной изменчивости солености

Мирового o!:еана различие между кажущи25 мися 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, а соответствующая погрешность

30 определения ТПΠ— 0,1 — 0,3 С.

Иэ фиг. 2 (сплошная линия 1 означает соленость воды 387(„штрихпунктирная линия 2-33 =) следует, что при вариациях ТПО

s пределах естественной изменчивости Ми35 рсоого оке «: от 0 до 30 С параметр ) л меняетсл соо-ветстоенно от 8,5 до 3,5 см, что и определл=т рабочий диапазон дл,",н волн в предлагэе1 =м способе. В cooT0eicT01111 с предлагае1 ыил способом и" ходнымп да11«ы40 л и длл оп;:.:-:пения ТПО яолгютсл спектра-ьные =ао11сL1мост11 L1!lòåffñffâffîñTLI

,з..y-l"=I, л (,".j L çt.;.рлемые перисдичес..ие с гстате i f uго аппарата, например, с помощью flf алло перестра110аел1ого в диапазоне от 3,5 до 8,5 радиометра. Длл определения ТПО проводится сравнение спектраль« х заоис11л1осте11 интенсивности излуч н 1»1 .:а различных участках трассы полета. Pazffccif соответствующих измерен 111

Л1Я ) п. -.;и,.-., :о«аль«а чуостгителbfIEjcilj поля 1 .3:, у : «11 к оа 11ац11лл1 ТПО

Л !() =- P AT q g), (1) г козффп.,;".-.f. Tè,fè гропорцио11альности служат рзз:.;.--:ь ТПО о этих участках и аппаратная фу«.;цил Р а1 те«но-фидерного тракта. Из сраонсч«1л найденных спектральных заоисимостей определяют длину волны ), соотоетстоуюшую максимуму величины

Л !(Л) и далее по фор.луле Т = 60,1 — 8,771m

170-1 044

+ 0,2 4 определяют температуру поверхности океана. Флюктуационная чугствительность современных СВЧ-радиометров составляет десятые доли градусов Кельвина, что обеспечивает надежную фиксацию радиационного контраста Д! на спутниковых трассах протяженностью десятки километров за сравнительно небольшой промежуток времени Д t (единицы секунд), в течение которого аппаратную функцию Р прибора можно считать неизменной (постоянная времени вариаций Р, обусловленных тепловой нестабильностью антенно-фидерного тракта в открытом космосе, составляет единицы и десятки минут). Оптимальная разность температур Ь Т между дополнительным и основным участками составляет

0,3 — 1 С. Величина нижнего предела определяется флюктуационной фувствительностью радиометра, верхнего погрешностью, обусловленной заменой производной q =д Т"/д Т конечной разностью AT" /ДТ. Выбор дополнительного участка с температурой. заведомо отличающейся GT 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 разнесть (l3 астности, с учетом известного из атласов факта, что среднемесячное значение температурных градиентов на поверхности 0Koal а составляет 0,5-1 С на 100 км). . Результаты 1еоретического анализа составляющей погрешности определения

ТПО, обусловленной нестабильностью аппаратной функции Р, показывают, что предлагаемый способ обеспечивает выиг ыш по сравнению с известным в Д /Дт раз, где Дto — продолжительность полета летательного аппарата от репера а к реперуР (порядок величины At> 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 (среднеокеаническсм) э учении солености воды 35;ь. Погучена

10

35

45 В T0же время при использовании предлага50

30 температурная зависимость длины волны

4, соответствующей максимуму величины д T"/ä 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 Пб-23. Контроль температуры водной поверхности с точностью 0,1 С осуществлялся посредством ртутных термометров. Время накопления (постоянная времени интегрирования в оконечном устройстве радиометра) установлено равным 4 с. Для дополнительного снижения влияния флюктуационных шумов радиометра измерения выполнены с трехкратной повторностью и последующим усреднением результатов. На фиг. 3 приведены экспериментальная (1) и расчетная (2) зависимости параметра,4 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 поверхности на длине волны 6,67 см, соответствующей наибольшей чувствительности поля излучения к вариациям параметра Т. Из иллюстрации видно, что экспериментальная радиационно-температурная зависимость (1) заметно отличается от соответствующей расчетной (2). Такой результат обусловлен тепловым дрейфем "нуля" и коэффициента усиления радиометра. емого 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 ($ = 35 /00) в диапазоне волн 5 — 6 см с помощью радиометра

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

Разность Д((Л) = 1(Л) — 1д,,(Л) представлена в табл.3.

704044

Таблица 1

Л, см 5,0 5.1 5,2 5.3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6.0 пВ 266 258 251 245 240 235 231 226 222 218 215

Таблица 2

j7, .... сл 5,0 5,1, 5,2 5,3 5.4 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6,0! .}

262 i . 5 2."2 235 2 2 228 224 220 216 213 2 2

Таб. ица 3

5.5 5,6 5,7 l 5,8 5,9 6,0 с> 10 8 8 7 6 6 5 5

«4

Соглаc I -:-" ., ъи:I:> г,, соо1сетствующая алекси ..рлу Л (Л ), составляст

5,3 см. Из сост ошения Т = 60,1 — 8,77 Q +

0,2 л„, опре;, ".ена er:,",ынл темпер туры морской поверхi.oñòè, которая составила

T - 18,3 С.

Таким обре-ore, предлагаемый способ измерения ТПО обладает, по сравнению с известным, следующими преимуществами: снижает трудоемкость измерений за счет с беспсчения воэможности дистанционных из лерений в терминах абсолютных значений ПО без привлечения реперных оценок, а так:ке повышаег точность измерений эа счет устойчивости дистанционных оценок ! ПО к неконтролируемым вариациям параметров антенн и антенно-фидерных трак? JB.

Формула изобретения

1, Способ д,.станционного определения т;... ", ратуры поверхности скеана, включающий измерение интенсивности собствснного CD -!-иэл; -.< 12 в сант;мс.iðñýoì днапзэоне исследуемого участка водной поверхности, отличающийся тем, что, с целью псвышения точное-и определения темп ра5 туры и снижения трудоемкости измерений, определяют спектральную зависимость интенсивности собственного и=лучения исследуемого участка океана (Л) в диапазоне 3,5- 8,5 см дополнительно изме10 ряют спектральную зависимость интенсивности собственного излучения !д п(Л) участка с заведомо отличающейся температурой, находят разность ЬI (Л) = (Л)-, -!до@) определяют длину волны N, соответ15 ствующую максимуму величины Л !(Л) и находят величину температуры Т из соотношения Т = 60,1 — 8,77 Л + 0,2 Ьп, 2. Способ по и. 1, о тл и ч а ю щи и с я тем, что выбор участка с заведомо отли аю20 щейся температурой проводят по наличию контраста яркостной температуры между ним и исследуемым участком.

1704044,5 Ри г. 5

20 2

Редактор Е. Папп

Закаэ 58 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и откритиял при ГКНТ СССР

113035, Москаа, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-иэдатсльский комбинат "Патенг", г. Ужгород, ул,Гагарина. 101

50

Состae« еr s А. Гренков

Те= род t i t.1оргентал Корректор M. Дел1чик