Оптико-электронные приборы научных исследований

Инфракрасный радиометрический комплекс наземного базирования

Назначение: ИК-радио- и фотометрической комплекс предназначен для дистанционного контроля прозрачности пограничного слоя атмосферы, содержания в атмосфере водяного пара, а также метеопараметров облачности различных типов в «окне прозрачности» атмосферы 8 – 14 мкм (высота нижней границы, водность и водозапас облака, плотность оптически полупрозрачных облаков).

Основные задачи, которые позволяет решить применение ИК-радиометрического метода зондирования окружающей среды

Применение инфракрасных систем (радиометров) совместно с техникой, работающей в соседних спектральных диапазонах (фоторегистрирующей аппаратуры видимого диапазона и СВЧ-установки для параллельного зондирования) дает возможность измерить и определить следующие радиационные характеристики атмосферы и подстилающих поверхностей:
1.Распределение по высоте в атмосфере температуры, влажности и плотности воздуха, скорости и направления ветра;
2.Пространственное распределение облачности, высота и температура нижней границы, водность, водозапас и некоторые другие характеристики облаков;
3.Температура, влажность воздуха и параметры ветра в приземном слое атмосферы, дальность видимости, характеристики осадков, температура и влажность поверхности почвы;
4.Лучистость атмосферы и облаков (в спектральных диапазонах, разрешаемых приборами аппаратурного комплекса) при различных углах зондирования;
5.Яркость излучения Солнца на фоне атмосферы и облаков в разных спектральных диапазонах;
6.Спектральная излучательная способность различных естественных поверхностей, в том числе покрытых растительностью;
7.Зависимость лучистости атмосферы от влагосодержания, в том числе и угловые зависимости;
8.Оптические толщины атмосферы;
9.Коэффициенты черноты облаков различной формы;
10. Влияние подоблачного слоя атмосферы и подстилающей поверхности на излучение облаков;
11. Пропускание облаками излучения Солнца в «окне прозрачности» атмосферы (8 – 14 мкм);
12. Оценка зависимости коэффициентов черноты облаков от их водности.

Кроме того, различные сочетания измерительных ИК-систем с другими промышленными или научно-исследовательскими комплексами и установками позволят решить множество задач в области бесконтактного измерения и контроля технических параметров изделий, технологических процессов и т.д.

Практическая ценность.

1. На основе элементной и аппаратурной базы последнего поколения изготовлен и апробирован прецизионный и автоматизированный ИК-радиометрический и фотографический комплекс дистанционного зондирования для определения параметров облачности различных типов и контроля прозрачности атмосферы.
2. Впервые проведены долговременные ИК-радиометрические и оптические измерения и проанализированы их соответствие со спутниковыми наблюдениями при наличии различных форм облачности над районом Москвы. Они показали возможность определения и вариации содержания в атмосфере водяного пара при низких температурах, когда применение других методов, в том числе и традиционного радиозондового метода, мало эффективно, т.к. сопряжено с большими погрешностями.
3. Оригинальные методы калибровки ИК-радиометрического комплекса позволили проводить измерения радиационных потоков, величина теплового излучения которых соответствует температуре «черного тела» в спектральной полосе 8 – 14 мкм соответствует 180 - 200°К.
4. Разработанный ИК-радио- и фотометрический комплекс и методика дистанционного зондирования облачности и контроля прозрачности атмосферы могут быть использованы при исследовании и прогнозировании метеорологичекой ситуации, а также для экологического мониторинга в отдельном регионе.
5. Полученные статистические данные об облачности над отдельным районом Москвы могут быть использованы при составлении краткосрочных и долгосрочных прогнозов погоды в мегаполисе.

Научная новизна.

1.Разработаны и исследованы методы проведения измерений параметров облачности различных типов на созданном наземном ИК-радиометрическом и фотографическом комплексе.
2.Разработаны и апробированы алгоритмы обработки измеряемых параметров облачности и атмосферы.
3. Разработан и исследован способ расширения измеряемого ИК-радиометром температурного диапазона.
4.Разработаны и апробированы оригинальные методы калибровки ИК-радиометрического комплекса.
5.Разработан и обоснован фотографический метод определения высоты нижней границы облачности.

Описание.

Общий вид ИК-радиометрического комплекса.

ИК-радиометрический комплекс состоит из следующих измерительных систем: сканирующая ИК-установка, следящая ИК-установка, метеомачта.

Сканирующая ИК-установка

Сканирующая ИК-установка позволяет измерять радиационную температуру движущегося метеообъекта (облака) под разными зенитными углами.

Пример одного измерения

Фотоснимок сканируемых облаков (Cumulus fractus).

Последовательность предварительной компьютерной обработки экспериментальных данных

По разработанному алгоритму компьютерная программа рассчитывает основные характеристики облака: водность, водозапас, коэффициент излучения нижней границы облака, альбедо.

Результаты сезонных измерений облаков над Москвой в 2006 году

Среднемесячные значения высоты нижней границы облаков.

Среднемесячные значения температуры нижней границы облаков.

Среднемесячные значения средней водности облаков.

Следящая ИК-установка

Суть метода заключается в постоянном (автоматическом) слежении за высокотемпературным источником (Солнцем), периодически перекрываемом полупрозрачными облаками. Измеряемый температурный диапазон ИК-радиометра выдерживается при помощи применения калиброванного поглотителя на входном зрачке системы. Автоматическое слежение за Солнцем обеспечивается специальным каналом, состоящим из оптической схемы, четырехэлементного приемного узла оптического излучения (видимый и ближний ИК-диапазоны), электронного блока и системы приводов.

Экспериментальный график полупрозрачного облака на «фоне» Солнца.

По разработанному алгоритму компьютерная программа рассчитывает коэффициент пропускания облака и его оптическую плотность.

Эта же установка позволяет оценить степень прозрачности атмосферы в спектральном диапазоне 8 – 14 мкм путем слежения за Солнцем при чистом небосклоне.

Метеомачта для измерения параметров приземного слоя атмосферы

Измеряет основные параметры приземного слоя воздуха: давление, влажность, температуру, направление и скорость ветра.

4. Актуальность.

Разработка дистанционных методов и аппаратуры контроля текущего состояния атмосферы с поверхности земли и со спутников в течение многих лет привлекает внимание отечественных и зарубежных ученых и инженеров. Создан широкий арсенал приборов, работающих в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн. Эти приборы нашли широкое применение как в оперативной практике, так и в научных исследованиях, связанных с изучением строения атмосферы и динамических процессов, протекающих в ней.

Вместе с тем, совершенствование и создание новых дистанционных методов и аппаратурных комплексов дистанционного контроля атмосферы осталось, и еще в течение многих лет будет оставаться одним из наиболее перспективных направлений развития метеорологического приборостроения.

Особое внимание в таких работах занимает разработка мобильных аппаратурных комплексов наземного базирования, работающих в видимом диапазоне длин волн и в «окне прозрачности» атмосферы 8 – 14 мкм. Использование этого диапазона в сочетании с приборами, работающими в ближней ИК-области спектра и миллиметровом волновом диапазоне (СВЧ), позволяет получить много полезной информации о состоянии атмосферы, которую можно использовать в оперативной метеорологической практике, экологии и для изучения физических процессов, протекающих в атмосфере.

Особый научный интерес представляют исследования процессов, протекающих на стадиях зарождения и начальных этапах развития кучевой облачности. Решение этой задачи необходимо для понимания термодинамического состояния атмосферы, приводящего к образованию мощно-кучевой и кучево-дождевой облачности. Для получения соответствующей информации роль оптических методов и приборов, в том числе работающих в «окне прозрачности» атмосферы, трудно переоценить.

5. Изготовлены и апробированы опытные образцы инфракрасных установок, проведены натурные долговременные испытания ИК-радиометрического комплекса, получен ряд научных результатов, которые были внедрены в некоторых организациях соответствующего профиля (ФГПУ «Гидрометпоставка», ГПУ «Мосэкомониторинг», ЦАО Росгидромета).

6. Годовой экономический эффект от использования разработанного комплекса (исходя из объема в 10 шт./год) оценен в 1500000 руб.

7. Патент отсутствует, но по предварительному анализу ИК-радиометрический комплекс вполне патентноспособен.

8. Использование ИК-радиометрического комплекса, а также результатов измерения целесообразно в ЦАО Росгидромета, НЦ Оперативного мониторинга Земли Федерального космического агентства, МНПО «Спектр», ГПУ «Мосэкомониторинг», ИФА им. А.М. Обухова РАН, ГГО им. А.И. Воейкова, в ВУЗах для оптических и смежных специальностей и в других организациях, связанных с исследованием и прогнозированием метеорологической ситуации, а также экологическим мониторингом в каком-либо регионе.

9. Необходимые инвестиции для дальнейшей модернизации комплекса, комплектации его современными обрабатывающими и анализирующими устройствами, а также для проведения долговременных измерений параметров атмосферы и метеообъектов с целью исследования и прогнозирования метеорологической ситуации, экологического мониторинга в отдельных регионах по предварительным оценкам составляют порядка 1,5 млн. рублей в год.

10. В ближайшей перспективе для получения более объективной и полной информации об окружающей среде (атмосферы) и метеообъектах предполагается расширение комплекса за счет новых приборов и систем, разрабатываемых на кафедре «Информационные оптико-электронные системы» МГУПИ, предназначенных для работы в видимом, в ближнем инфракрасном и СВЧ диапазонах спектра.