Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности



Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности
Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности

Владельцы патента RU 2707387:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Изобретение относится к технике активного неразрушающего теплового контроля и может быть использовано в аппаратуре дистанционного зондирования земли. Согласно заявленному способу осуществляют съемку земной поверхности в ИК диапазоне, измеряют значения радиационной температуры исследуемой поверхности, определяют пространственное распределение значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения. Дополнительно осуществляют съемку земной поверхности в видимом диапазоне, усредняют полученные изображения видимого и ИК диапазонов, определяют коэффициент излучающей способности земной поверхности. Пересчитывают измеренные значения радиационных температур в термодинамические, выделяют фон на видимом и ИК изображениях, определяют структуру земной поверхности. С учетом полученных результатов уточняют граничные условия при расчете пространственного распределения значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения земной поверхности. Технический результат - повышение точности оценки значений теплофизических параметров за счет определения структуры земной поверхности и уточнения в соответствии с этим граничных условий сопряжения слоистых сред, а также определения коэффициента излучающей способности земной поверхности с расположенными на ней техногенными объектами при проведении дистанционного мониторинга. 2 ил., 1 табл.

 

Способ относится к методам активного теплового неразрушающего контроля, заключающийся в определении пространственного распределения теплофизических параметров путем совместной обработки изображений исследуемого участка земной поверхности в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах длин волн, полученных с помощью многоспектральной оптико-электронной системы.

Известен способ измерения пространственного распределения теплофизических параметров изотропных материалов, заключающийся в измерении пространственного распределения теплофизических параметров изотропного материала с применением теплового воздействия от ИК источника нагрева на поверхность изотропного материала и дистанционным измерением с помощью тепловизионного приемника радиационного температурного поля во всех точках пространственной сетки видимой поверхности исследуемого изотропного материала (патент RU 2544890, G01N 25/18, 20.03.15). Основным недостатком данного способа являются низкая точность результатов исследования и возможность его применения только в лабораторных условиях.

Известен способ определения пространственного распределения теплофизических параметров исследуемой земной поверхности с использованием эталонных материалов с известными значениями теплопроводности (патент RU 2659461 С2, 02.07.2018), ближайший по технической сущности и принятый за прототип. Данный способ основан на облете исследуемой территории беспилотным летательным аппаратом с установленным на нем тепловизионным приемником, измерении радиационной температуры поверхности земли и расчете теплопроводности и температуропроводности и построения их пространственного распределения.

Основные недостатки данного способа заключаются в том, что при измерении радиационных температур земной поверхности в ходе ведения дистанционного мониторинга не учитывается коэффициент излучательной способности земной поверхности, а также не учитывается неоднородность исследуемого участка земной поверхности из-за наличия на нем надповерхностных и подповерхностных объектов, обуславливающих его многослойность, что может вносить большие погрешности оценки значений теплофизических параметров земной поверхности.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности оценки значений теплофизических параметров за счет определения структуры земной поверхности и уточнения в соответствии с этим граничных условий сопряжения слоистых сред, а также определения коэффициента излучающей способности земной поверхности с расположенными на ней техногенными объектами при проведении дистанционного мониторинга.

Данный технический результат достигается тем, что в способе дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности, основанного на съемке земной поверхности в ИК диапазоне, измерении значений радиационной температуры исследуемой поверхности, и расчете и построении пространственного распределения значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения, дополнительно осуществляют съемку земной поверхности в видимом диапазоне, усредняют полученные изображения видимого и ИК диапазонов, определяют коэффициент излучающей способности земной поверхности, пересчитывают измеренные значения радиационных температур в термодинамические, выделяют фон на видимом и ИК изображениях, определяют структуру земной поверхности, с учетом полученных результатов уточняют граничные условия при расчете пространственного распределения значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения земной поверхности.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно осуществляют съемку земной поверхности в видимом диапазоне, усредняют полученные изображения видимого и ИК диапазонов, определяют коэффициент излучающей способности земной поверхности, пересчитывают измеренные значения радиационных температур в термодинамические, выделяют фон на видимом и ИК изображениях, определяют структуру земной поверхности, с учетом полученных результатов уточняют граничные условия при расчете пространственного распределения значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения земной поверхности.

На фиг. 1 представлен вариант схемы устройства, реализующего предлагаемый способ дистанционного определения теплофизических параметров и их пространственного распределения по поверхности исследуемого района земной поверхности, где:

1 - оптико-электронная система ИК диапазона;

2 - оптико-электронная система видимого диапазона;

3.1 - блок фильтрации изображений ИК диапазона;

3.2 - блок фильтрации изображений видимого диапазона;

4.1 - блок выделения фона на изображениях ИК диапазона;

4.2 - блок выделения фона на изображениях видимого диапазона;

5 - блок расчета термодинамических температур;

6 - блок определения структуры поверхности;

7 - блок параметров граничных условий поверхности;

8 - блок расчета пространственного распределения теплофизических параметров;

9 - блок регистрации и выдачи метеорологических условий;

10 - блок регистрации количества суммарной солнечной радиации;

11 - блок расчета температурного поля земной поверхности;

Блоки 1 и 2 предназначены для получения изображений исследуемой поверхности в ИК и видимом диапазонах соответственно. Съемка в ИК диапазоне осуществляется с заданной периодичностью в течение всего времени проведения мониторинга, а в видимом диапазоне - с заданной периодичностью только в светлое время суток. Таким образом, получают совокупность многовременных изображений исследуемого участка земной поверхности в ИК и видимом диапазонах длин волн соответственно.

Блоки 3.1 и 3.2 предназначены для фильтрации полученных ИК и видимых изображений путем получения среднего значения по нескольким изображениям в соответствии с выражениями:

Где Gk - матрицы отдельно взятых изображений ИК и видимого диапазонов соответственно из множества одновременных K и L выборок; - матрица усредненного видимого изображения; - матрица усредненного ИК изображения. [Яне Б. Цифровая обработка изображений Москва.: Техносфера, 2007 г. - с. 109].

Блоки 4.1 и 4.2 предназначены для выделения фона на усредненных ИК изображении и видимом изображении Операция выделения фона может быть выполнена, например, путем сегментации данных изображений, заключающейся в определении принадлежности каждого отдельно взятого пикселя изображения к фону или к объекту. Операция сегментации из исходного изображения образует бинарное изображение, каждый пиксель которого имеет значение единицы, если он принадлежит объекту, в противном случае он равен нулю и принадлежит фону. Операция сегментации выполняется в блоках 4.1 и 4.2 для усредненных ИК изображения и видимого изображения соответственно и может быть реализована, например, на основе метода анализа контуров. [Яне Б. Цифровая обработка изображений Москва.: Техносфера, 2007 г. - с. 445, 449-450]. В результате на выходе блоков 4.1 и 4.2 получают бинарные ИК изображение и видимое изображение на которых пиксели с нулевыми значениями соответствуют фону, а пиксели, значения которых равны единице соответствуют объектам.

Блок 6 предназначен для определения структуры земной поверхности. Эта задача может быть решена, например, путем совмещения бинарного видимого изображения G' с бинарным ИК изображением Y' и последовательного покоординатного сравнения между собой каждой пары совмещенных пикселей g' и у' видимого и ИК изображений соответственно, например, с использованием функции алгебраической логики в соответствии с таблицей истинности.

Из таблицы следует, что:

если на обоих изображениях присутствует фон (g'=0, y'=0), то принимается решение о наличии фона;

если на бинарном видимом изображении присутствует фон, а на бинарном ИК изображении - объект (g'=0, у'=1), то принимается решение о наличии подповерхностного объекта;

если на бинарном видимом изображении присутствует объект, а на бинарном ИК изображении - фон или объект (g'=1, y'=0; g'=1, у'=1), то принимается решение о наличии надповерхностного объекта в данной точке пространственной сетки земной поверхности.

Реализация данной логической функции может быть выполнена на основе функциональной схемы, представленной на фиг. 2.

На выходе блока 6 получают матрицу-вектор Z, элементы которой Z1 и Z2 являются управляющими параметрами, на основе которых уточняются граничные условия для каждой точки пространственной сетки земной поверхности.

Блок 7 предназначен для уточнения и выдачи параметров граничных условий сопряжения слоистых сред μ, определяющих тепловые состояния граничных поверхностей сред и описанных, например, в статье И.Н. Ищука, А.А. Долгова, А.А. Бебенина и С.А. Панова «Расчет пространственного распределения температурных полей при дистанционном мониторинге поверхности территорий с беспилотного летательного аппарата», журнал Сибирского федерального университета «Техника и технологии» №11(3), 2018 г., с. 273-279, на основе поступающих в него управляющих параметров Z1 и Z2 - элементов матрицы Z.

В блоке 11 осуществляется расчет пространственного распределения термодинамических температур на поверхности исследуемого района на основе уточненных граничных условий μ, поступающих с блока 7, значений суммарной солнечной радиации Q, поступающей с блока 10, а также метеорологических условий: температуры воздуха ТА и скорости ветра Fƒ в приземном слое, влажности U, поступающих с блока 9, путем численного решения прямой задачи теплопроводности для исследуемого участка земной поверхности с граничными условиями μ, задаваемыми управляющими параметрами Z1 и Z2 матрицы Z. Измерения значений метеорологических параметров и количества суммарной солнечной радиации производятся с периодичностью проведения съемки в ИК диапазоне.

Регистрация количества суммарной солнечной радиации Q, поступающей на земную поверхность может производиться пиранометром.

Значения измеренных радиационных температур ИК изображений земной поверхности, полученных с оптико-электронной системы ИК диапазона (блок 1), поступает на блок 5, осуществляющий расчет термодинамических температур. Пересчет значений радиационных температур в термодинамические осуществляется в соответствии с уравнением [Яне Б. Цифровая обработка изображений Москва.: Техносфера, 2007 г. - с. 183]:

где Tr - значение радиационной температуры поверхности исследуемой территории Т - значение термодинамической температуры поверхности исследуемой территории, ε - коэффициент излучательной способности для спектрального диапазона в котором работает телевизионный приемник, ТА - значение приземной температуры воздуха.

В большинстве случаев ИК термография оперирует с оптически непрозрачными средами, в которых коэффициент пропускания среды равен нулю [В.П. Вавилов Инфракрасная термография и тепловой контроль. - М.: ИД Спектр, 2009 - с. 263-264]. В результате имеет место следующее соотношение:

где ε - коэффициент излучательной способности; А - коэффициент отражательной способности поверхности.

Расчет значений теплофизических параметров и их пространственное распределение на исследуемой поверхности осуществляется в блоке 8 в два этапа.

На первом этапе решается многопараметрическая оптимизационная задача, учитывающая тепловой режим исследуемого района земной поверхности, находящейся в условиях естественного теплообмена с окружающей средой, которые описываются уравнением радиационного баланса земной поверхности. [Л.Т. Матвеев Курс общей метеорологии. Физика атмосферы, издание 2-е переработанное и дополненное, - Ленинград.: Гидрометеоиздат, 1984. - с. 198]. Решение оптимизационной задачи находится путем минимизации функционала невязки моделируемого Т и эмпирически измеренного температурных полей поверхности района мониторинга:

где ψ{Λ,h,Q,Fƒ,TA} - вектор оптимизируемых параметров математической модели для исследуемой поверхности; Λ{λi,Cii} - совокупность теплофизических параметров используемой математической модели; λi - теплопроводность i-го слоя, Ci - удельная теплоемкость i-го слоя, ρi - плотность i-го слоя - номер слоя; h - глубина моделирования; Q - поток суммарной солнечной радиации, приходящей на исследуемую поверхность; Fƒ - скорость ветра в приземном слое; ТА - температура воздуха в приземном слое; ξ12 - весовые коэффициенты; T[ψ] - температурное поле, полученное решением прямой задачи теплопроводности численными методами; t∈[0,τ] - временной интервал наблюдения; - матрица пространственного распределения теплофизических параметров на исследуемой поверхности; Ω - площадь исследуемой поверхности; Dƒ - множество допустимых значений ƒ.

На втором этапе, для температурного поля, полученного в результате решения оптимизационной задачи (5), решается коэффициентная обратная задача нахождения значений и пространственного распределения теплофизических параметров в каждой точке пространственной сетки исследуемого участка земной поверхности, которые могут быть представлены в виде следующих матриц [А.А. Самарский, П.Н. Вабишевич Численные методы решения обратных задач математической физики. М.: Едиториал УРСС, 2004. - с. 24-27]:

Здесь матрица (6) - распределение теплопроводности, а матрица (7) - распределение температуропроводности исследуемой земной поверхности.

По полученным распределениям теплопроводности и температуропроводности (6) и (7) определяют значения тепловой инерции земной поверхности [К.Ф. Фокин. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. - 4-е, переработанное и дополненное. - Москва: Стройиздат, 1973. - с. 117]:

а также коэффициенты теплоусвоения земной поверхности [К.Ф. Фокин. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. - 4-е, переработанное и дополненное. - Москва: Стройиздат, 1973. - с. 112-115]:

где τ - временной интервал наблюдения.

Из описания следует, что схема устройства, реализующая предлагаемый способ, может быть реализована на основе известных функциональных устройств: суммирующих и вычитающих устройств, устройств умножения и деления, возведения в степень и извлечения корня, а также логических и интегрирующих устройств, которые подробно описаны с конструктивными признаками их технической реализации, например, в книге: Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. / Под ред. Пестрякова В.Б. М.: Сов. радио, 1973. Все вычислительные операции в данном способе являются элементарными в техническом исполнении и могут быть реализованы в едином специально запрограммированном устройстве.

Таким образом, предлагаемый способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности не имеет принципиальных ограничений в техническом исполнении и может быть реализован на основе известных функциональных устройств радиоэлектроники.

Способ дистанционного определения пространственного распределения теплофизических параметров земной поверхности, основанный на съемке земной поверхности в ИК диапазоне, измерении значений радиационной температуры исследуемой поверхности и расчете и построении пространственного распределения значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют съемку земной поверхности в видимом диапазоне, усредняют полученные изображения видимого и ИК диапазонов, определяют коэффициент излучающей способности земной поверхности, пересчитывают измеренные значения радиационных температур в термодинамические, выделяют фон на видимом и ИК изображениях, определяют структуру земной поверхности, с учетом полученных результатов уточняют граничные условия при расчете пространственного распределения значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения земной поверхности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерениям и классификации тепловых полей объектов с использованием инфракрасных средств измерений, и предназначено для использования при испытаниях инфракрасной видности техногенных и биологических объектов.

Изобретение относится к операциям бурения ствола скважины, а конкретнее к мониторингу скважинных шламов в возвращающихся буровых растворах, определению размера и распределению по форме частиц, присутствующих в скважинных шламах.

Изобретение относится к области оптических методов геофизики и может быть использовано для поиска индикаторных веществ проявлений нефтегазовых углеводородов. Сущность: сканируют исследуемую поверхность посредством установленного на борту носителя твердотельного лазера (1), излучающего в одном луче синхронно или с перестройкой на трех дискретных длинах волн генерации в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано при поиске скоплений углеводородов. Предложен способ обнаружения углеводородов с использованием подводного аппарата, снабженного одним или несколькими измерительными компонентами.

Способ дистанционного зондирования Земли включает в себя получение потока светового излучения Солнца, отраженного от зондируемого участка земной поверхности. Далее поток разделяют на два пучка равной интенсивности, по одному из которых осуществляют преддетекторную адаптивную компенсацию случайных наклонов волнового фронта, обусловленных турбулентной атмосферой, а по другому - накопление адаптивно стабилизированных коротко-экспозиционных изображений.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поиска месторождений углеводородов на акватории моря. Способ включает в себя выполнение дистанционных сейсмических исследований места исследований для идентификации целевого места.

Изобретение относится к области оптических геологических поисков и может быть использовано при поиске углеводородов на лицензионных участках. Сущность: проводят самолетную съемку территории исследуемого участка в период отсутствия снежного покрова.

Изобретение относится к области систем оптико-электронного наблюдения вертолетного базирования. Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности обнаружения и наблюдения подстилающей поверхности.

Изобретение относится к области систем оптико-электронного наблюдения вертолетного базирования. Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение дальности наблюдения подстилающей поверхности и обнаружения различных объектов, расположенных на маршруте полета вертолета.

Изобретение относится к области дистанционного спектрозонального зондирования геологической среды и может быть использовано для выявления подземных вод. .

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники. Предложено устройство для определения содержания воды в потоке нефтепродукта, включающее отрезок трубы, усилитель и первичный преобразователь.

Изобретение относится к области термометрии и предназначено для измерения температуры на внутренней поверхности как однослойного текстильного материала, так и пакета одежды при воздействии высоких температур.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов и изделий неразрушающим методом путем экспериментально-расчетного способа определения кинетических теплофизических свойств тестируемых материалов.

Изобретение относится к теплофизическим измерениям и может быть использовано для определения теплофизических характеристик материалов и изделий неразрушающим методом путем экспериментально-расчетного способа определения теплофизических свойств тестируемых материалов.

Изобретение относится к области тепловых измерений, а именно к измерению коэффициента теплопередачи теплоизоляционных сэндвич-панелей с отражающим слоем. Предложен способ измерения коэффициента теплопередачи, включающий замкнутый объём со съемной крышкой, имеющий площадь поверхности внутри и снаружи Si и Se соответственно, изготовленные из панелей исследуемого материала, с нагревателем, вентиляторами и датчиками температуры воздуха, расположенными внутри, с последующим нагревом воздуха в объёме до равновесной температуры Ti путем подачи на нагреватель стабилизированной мощности W до достижения теплового равновесия за счет теплообмена воздуха внутри объема через его стенки с окружающим воздухом, температура которого Te поддерживается на неизменном уровне на протяжении всего цикла измерения, с последующим вычислением коэффициента теплопередачи замкнутого объема по формуле K = W/S·ΔT.

Использование: изобретение может быть использовано в практике теплофизических измерений, в строительной теплотехнике и различных отраслях промышленности. Сущность изобретения состоит в нагреве исследуемого объекта воздействием импульса СВЧ-излучения, сфокусированного в линию заданных размеров линзой из радиопрозрачного диэлектрического материала, измерении избыточной температуры на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого объекта в двух точках, находящихся на заданных расстояниях x1 и x2 от линии электромагнитного воздействия и определении искомых теплофизических характеристик по полученным математическим соотношениям.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения величины, характеризующей тепловое сопротивление любого типа разделительной стены между двумя средами, особенно стены здания, стены транспортного средства, стены печи, стены резервуара.

Изобретение относится к области определения теплофизических характеристик ограждающих конструкций и может быть использовано в строительстве для оценки теплозащитных свойств по результатам испытаний в натурных условиях.

Изобретение относится к области разработки способов и устройств для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей движения твердых частиц в жидкости.

Изобретение относится к технике наземных испытаний головных частей (обтекателей) летательных аппаратов (ЛА), а именно к способам контроля радиотехнических характеристик (РТХ) радиопрозрачного обтекателя (РПО) в условиях, имитирующих аэродинамический нагрев.

Изобретение относится к области исследования и анализа материалов, в частности к способам контроля целостности изделий из композиционных материалов на основе углеродного волокна, и может быть использовано для выявления производственных дефектов и эксплуатационных повреждений изделий из композиционных материалов, содержащих углеродное волокно.

Изобретение относится к технике активного неразрушающего теплового контроля и может быть использовано в аппаратуре дистанционного зондирования земли. Согласно заявленному способу осуществляют съемку земной поверхности в ИК диапазоне, измеряют значения радиационной температуры исследуемой поверхности, определяют пространственное распределение значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения. Дополнительно осуществляют съемку земной поверхности в видимом диапазоне, усредняют полученные изображения видимого и ИК диапазонов, определяют коэффициент излучающей способности земной поверхности. Пересчитывают измеренные значения радиационных температур в термодинамические, выделяют фон на видимом и ИК изображениях, определяют структуру земной поверхности. С учетом полученных результатов уточняют граничные условия при расчете пространственного распределения значений теплопроводности, температуропроводности, тепловой инерции и коэффициента теплоусвоения земной поверхности. Технический результат - повышение точности оценки значений теплофизических параметров за счет определения структуры земной поверхности и уточнения в соответствии с этим граничных условий сопряжения слоистых сред, а также определения коэффициента излучающей способности земной поверхности с расположенными на ней техногенными объектами при проведении дистанционного мониторинга. 2 ил., 1 табл.

Наверх