Разработка методов и измерительных приборов для параметризации и объективного распознавания состояния природных сред

Третьяков, Николай Дмитриевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка методов и измерительных приборов для параметризации и объективного распознавания состояния природных сред
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов и измерительных приборов для параметризации и объективного распознавания состояния природных сред"

Государственное учреждение «Научно-производственное объединение «ТАЙФУН»

На правах рукописи

УДК 551 593 5 551 508 953

Третьяков Николай Дмитриевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ Й ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ Г ПАРАМЕТРИЗАЦИИ И ОБЪЕКТИВНОГО РАСПОЗНАВАНИЯ СОСТОЯНИЯ

ПРИРОДНЫХ СРЕД

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Специальность 25.00.30 — Метеорология, климатология, агрометеорология

Обнинск 2007

Диссертационная работа выполнена в~ государственном учреждении «Науяно-производственное объединение «ТАЙФУН» г Обнинск ^ ,

Научные консультанты. Заслуженный метеоролог, доктор технических наук, профессор Алленов МихаилИванович, доктор географическихнаук Вольвач Василий Васильевич

Официальные оппоненты

доктор фгойко-матемащческих наук Синькевич Андрей Александрович,

доктор физико-математическихнаук, профессор, - Заслуженный деятель науки РФ Арефьев Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор Федченко Пётр Петрович

Ведущая организация Институт мониторинга климатических в экологических систем : * СО РАН, г Томск

Защита состоится «31» октября 2007 г в 44 насована заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 327 005 01 при государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им А И Воейкова» по адресу 194021, Санкт-Петербург, ул^ Карбышева, 7 ~ ." -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного учреждения «Главная геофизическая обсерватория им А И Воейкова _ *

Отзывы в двух экземплярах, скреплённых гербовой печатью, просим направлять по адресу по адресу 194021, Санкт-Петербург, ул Карбышева, 7

Автореферат разослан «_»_-_2007 г _

Ученый секретарь совета , - ' - ~

по защите докторских и кандидатских диссертаций,

доктор географических наук д Мя^^р А В Мещерская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение природных сред осложнено слабым развитием методов исследования и экспериментальной базы по созданию средств контроля

Эти сложности особенно отягощают решение научных и производственных задач на предприятиях химической, пищевой, энергетической, нефтяной и других областей промышленности, которые связаны с большими потребностями исходных продуктов для обеспечения технологических процессов, влияющий на географическое и экологическое состояние Земли как планеты Иногда эти процессы сопровождаются непреднамеренными выбросами отходов производства и сопутствующих загрязнителей в атмосферу, почву, на растительные покровы, природные водоемы и др, вызывают нежелательные и даже опасные ситуации с жизнеобеспечением работающего персонала и проживающего вблизи предприятий населения Еще недостаточно развиты и методы оперативного контроля жидких сред, замутненных минеральными и органическими веществами, при производстве и сжигании углеводородного топлива, при производстве кисло'т, спиртов, Сахаров и др Существующие высокоточные резонансные и хроматографические методы контроля в промышленности часто не пригодны из-за сложности их эксплуатации, большой стоимости и медлительности проведения контрольных операций, поэтому их не всегда можно применить для управленческих функций, когда требуется мгновенная корректировка и исправление технологического процесса. Для этого необходимы «быстрые» методы, которые мы разработали, апробировали и предполагаем в дальнейшем более широко использовать в экологических и гидрометеорологических исследованиях и производственных технологиях

Чрезвычайно важным представляется также вопрос исследования спектральной и пространственной структуры излучения (отражения) подстилающей поверхности Результаты этих исследований все шире используются в задачах геофизического содержания и других приложениях, где важно знать собственное и отраженное излучение элементов земной поверхности Весьма активно они проводятся для поиска, исследования и охраны природных ресурсов и решения задач сельского хозяйства Однако в данном вопросе сделаны лишь первые шаги Спектральная структура отражения (излучения) элементов подстилающей поверхности исследовалась преимущественно в видимой и ближней ИК области спектра весьма несовершенной аппаратурой К настоящему времени практически не изучена стохастическая структура поля излучения различных поверхностей в условиях разорванной облачности Не определено влияние на излучение элементов подстилающей поверхности углового распределения излучения, обусловленного распределением облачности по небосводу Отсутствуют данные исследования корреляционных связей излучения по спектру длин волн и пространству элементов подстилающей поверхности Сделаны лишь первые попытки по исследованию тонкой спектральной (до 1 нм) и пространственной (до 5-20 м) структур отражения элементов, являющихся весьма информативными характеристиками при поиске природных ресурсов и очагов загрязнения природной среды

До настоящего времени остается нерешенной проблема определения формы и балла облачности, так как именно облака определяют количество приходящей коротковолновой солнечной радиации и противоизлучения, т е облака непосредственно влияют на радиационный баланс планеты, а следовательно и на климат в глобальном масштабе Но это важно и для целого ряда прикладных задач в сельском хозяйстве, где урожайность зависит от освещенности, или в авиации для аэродромных служб, где форма и балл облачности являются важными характеристиками Однако до сих пор определение этих параметров облачности производится субъективно, а в ночное время —не производится вообще Нам удалось восполнить этот пробел, для чего на основании планов и целевых научно - технических программ Росгидромета - «Краткосрочные и среднесрочные гидрометеорологические прогнозы и гелиофизические прогнозы и

обеспечение экономики» (1995 - 1996 гг), «Система наблюдений за состоянием и загрязнением окружающей природной среды и развитие технологий сбора, архивации, распространения и управления данными наблюдений» (2004г ), «Гидрометеорологическое обеспечение безопасной жизнедеятельности и рационального природопользования», Федеральная целевая программа «Экология и природные ресурсы России» (2002 — 2010гг)», «Изучение и исследование Антарктики», Федеральной целевой программы «Мировой океан» на период 2006 - 2007 гг по проекту № 9 «Исследовать условия формирования аэрозольно - оптических свойств атмосферы и составляющих радиационного баланса над Антарктикой» - была разработана автоматизированная система для объективной параметризации форм и балла облачности

Не менее важной является проблема определения влажности почвы сельскохозяйственных угодий

Получение в оперативном режиме информации об увлажнении почв на больших площадях возможно за счет использования аэрокосмических методов зондирования земной поверхности, однако применение этих методов будет зависеть от наличия наземного влагомера, обеспечивающего возможность увеличения объема измерений в полевых условиях на порядки по сравнению с принятой на сети станций методикой

Существенное снижение трудоемкости, повышение оперативности и увеличение объема полученной информации может обеспечить разработанный фотоэлектрический влагомер почв Принцип измерения влажности основан на зависимости интенсивности диффузно отраженного от анализируемого образца излучения от влажности Отношение коэффициентов отражения на определенных длинах волн может служить надежной мерой количества воды, содержащейся в образце Разработанный инфракрасный влагомер может быть использован как эталонный прибор

Одной из проблем, чрезвычайно важной в метеорологии, является определение размеров крупных (до 400 мкм) облачных капель Использовавшиеся для этих целей приборы, к примеру измеритель спектров размеров крупных частиц для высотного герметизированного самолета, не обеспечивали необходимой погрешности измерений менее 3% Разработанный фотоэлектрический седиментационный измеритель капель позволил решить поставленную задачу и снизить погрешность измерений крупных облачных капель до долей процента

Поставленные в работе проблемы являются важными и актуальными Их решение невозможно без поиска и всестороннего анализа новых путей и направлений, базирующихся на специфических физических эффектах

Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации государственных программ

Цель работы состоит в разработке методов и оптико-электронных приборов для параметризации природных сред облачных полей и подстилающей поверхности в спектральном диапазоне 0,4-13 мкм, оценке возможности аппаратурного определении формы и балла облачности, оценке возможности фотоэлектрических приборов для определения влажности почвы и определения размеров крупных облачных капель, оценке возможности использования спектрорадиометрических приборов для дистанционного оперативного определения загрязнения водной поверхности

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач.

1 Разработать комплекс спектрорадиометрической и фотоэлектрической аппаратуры

2 Изучить возможности аппаратуры и оценить погрешности измерений

3 Провести экспериментальные исследования в натурных условиях

4 Проанализировать результаты измерений и выявить основные закономерности стохастической структуры полей яркости облаков и подстилающей поверхности

5 Провести метрологические оценки методов измерения и реализующих их устройств в целях повышения их точности путем разработки мероприятий по уменьшению влияния неконтролируемых параметров на результаты измерений

6 Провести натурные испытания и внедрение результатов работы

Методы исследований. Поставленные в работе задачи решались с использованием аналитических методов исследований с использованием теории математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, теории измерений и метрологии и др

Научная новизна. Заключается в проведении законченных комплексных аппаратурно-методических разработок и натурных исследований включающих

- создание и исследование комплекса высокочувствительной быстродействующей оптико-электронной аппаратуры для изучения мелкомасштабных, полусферических и локальных пространственно-временных и спектральных структур излучения (отражения) природных сред в диапазоне длин волн 0,4 - 13 мкм,

- проведение натурных исследований для контроля состояния природных сред на базе разработанной аппаратуры, теоретическое обобщение данных натурных исследований, выявление закономерностей и оценки характеристик для параметризации состояния природных сред

При этом получены следующие основные научные результаты

- на основе спектральных исследований отражательных характеристик нефтепродуктов на поверхности водоемов разработан корреляционный метод и многоканальный (четырех канальный) радиометр для обнаружения нефтепродуктов на водной поверхности, заключающийся в одновременной регистрации отраженного солнечного излучения от нефтеобразующей пленки в полосах повышенного отражения в интервалах 1,2-1,3 и 1,5-1,7 мкм днем, а также собственного излучения неба отраженного от водной поверхности в диапазоне 8-13 мкм ночью,

- разработана быстродействующая высокочувствительная сканирующая система для параметризации и распознавания природных сред, состоящая из низкотемпературного радиометра и сканирующего устройства, отличающаяся от известных тем, что в ней используются разработанная сканирующая система, выполненная в виде вращающегося вокруг оптической оси по образующей конуса зеркала с изменяющимся углом между оптической осью и его плоскостью и проецирующее на приемное устройство радиометра с перестраиваемым (от десятков минут до единиц градусов) угловым разрешением полусферическое изображение поля собственного излучения природных сред и используется для распознавания форм облачности, определения направления и скорости движения облачности, радиационной температуры поверхности Земли и флуктуаций излучения водной поверхности, которая может использоваться для контроля загрязнений атмосферы вредными аэрозолями, для контроля теплозащиты зданий, для обнаружения объектов на стохастически изменяющихся фоновых полях,

- разработаны варианты и созданы широкоугольные спектрорадиометры для контроля загрязнений атмосферы и исследований аэрозольно-оптических характеристик облачного неба в диапазоне 0,4-2,9 мкм,

- на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований показана возможность использования фотоэлектрических методов для оперативного и точного определения влажности почвы Использование фотоэлектрического влагомера на гидрометеорологической станции с градуировочной зависимостью (или их набором) позволяет сократить время определения влажности почвы в 30 - 50 раз,

- разработан метод и спектрорадиометр для контроля замутненности водоемов (рек, озер, морей) минеральными веществами,

- в результате анализа, обобщения и развития методов определения размеров крупных (более 100 мкм) капель показана возможность седиментационного метода определения их размеров с высокой точностью,

- в целом разработанный комплекс аппаратуры и впервые полученная с его помощью информация о контроле состояния природных сред, их параметризации и выявленных закономерностях составляет решение крупной научно-технической проблемы прикладной оптики атмосферы и экологии, метеорологии и сельскохозяйственного производства

Практическая значимость.

Разработка автором самостоятельно и с соавторами спектрорадиометрической аппаратуры (1970 - 2006 гг), а также проведение с ее помощью комплексных исследований были осуществлены в связи с запросами заказчиков научно-исследовательских работ и направлены на непосредственное их практическое применение

1 Полученные результаты о пространственно-временной и спектральной структуре излучения облачных полей и подстилающей поверхности необходимы при исследовании различных природных процессов, нелинейно зависящих от воздействия радиации, таких как нагревание атмосферы, подстилающей поверхности, таяние снега, фотосинтез и т д

2 Результаты диссертации использованы при выполнении работ, связанных с определением условий наблюдаемости объектов на фоне облаков и подстилающей поверхности, которые в этом случае рассматриваются как случайным образом меняющаяся помеха для систем видения различного назначения

3 Результаты исследований пространственно-временной изменчивости облачных полей в различных спектральных интервалах 0,4-13 мкм используются при разработке спектрорадиометрических приборов различного назначения

4 Анализ экспериментальных данных позволил решить ряд методических проблем, в частности, показана возможность использования горизонтальных трасс для абсолютной калибровки спектрорадиометрической аппаратуры в полосах поглощения атмосферных газов СОг (4,3 мкм) и НгО (5,6 мкм)

5 Показана возможность аппаратурным методом с использованием специально разработанного сканирующего радиометра определения форм и балла облачности

Реализация результатов. Результаты исследований прошли промышленные испытания и внедрены на предприятиях

Государственном учреждении «НПО «Тайфун»,

Военной Академии войсковой противовоздушной обороны вооруженных сил Российской Федерации (г Смоленск, 1995,1999),

ГУ «Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной метеорологии» (г Обнинск, 2006),«ТАЛВИС» спиртзаводе «Волковский» (г Моршанск, 2006),

Государственном техническом университете атомной энергетики (г Обнинск, 2006),

Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (г С-Петербург, 2006), Кроме того, результаты исследований используются в научно-исследовательской и учебной работе в Тамбовском государственном техническом университете

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном совещании по распространению оптического излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1978 г), Всесоюзном совещании «Разработка и использование научных приборов в научно-исследовательских учреждениях Госкомгидромета» (Москва, 1979 г), XI Всесоюзном совещании по актинометрии (Таллинн, 1980 г), Первой Всесоюзной конференции «Биосфера и климат по данным космических исследований» (Баку, 1982 r),XTV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Ленинград, 1984 г), Третьей военно-научной конференции смоленского высшего зенитного ракетного инженерного училища (Смоленск, 1987 г), Всероссийской конференции (с

международным участием) «Микроклимат ландшафтов» (С -Петербург, 1995 г), II Межреспубликанском симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1995 г), IV Симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1997 г), Международной конференции «Прикладная оптика — 98» (С -Петербург, 1998 г ), Всероссийской научной конференции «Опыт агрометеорологического обеспечения аграрного сектора экономики «(Обнинск, 2000 г ), Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Муром, 2001 г), Технической конференции ВТО по приборам и методам наблюдений в области метеорологии и окружающей среды (Братислава, Словакия, 2002 г), Научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах- участниках СНГ (С -Петербург, 2002 г ), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2) (С -Петербург, 2002 г ), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (С -Петербург, 2004 г ), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (С -Петербург, 2006 г)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 научных работ, в том числе 2 авторских свидетельства и 1 патент ( 15 работ опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ)

Структура и объемы работы. Диссертация состоит из 6 глав, введения, заключения, списка литературы, приложения Работа изложена на 252 страницах, содержит 87 рисунков, 73 таблицы Список литературы включает 140 наименований

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи, раскрыты научная новизна и практическая значимость, приведены результаты апробации работы Дана краткая характеристика содержания диссертации по главам Сформулированы результаты исследований, выносимых на защиту

В первой главе рассмотрены спектрорадиометрические приборы комплекса аппаратуры, используемые в измерениях, приведены основные характеристики приборов, описана методика градуировки Комплекс включает приборы

- многоканальный радиометр на область спектра 1,5-2,86 мкм,

- быстродействующий клиновой спектрорадиометр на область спектра 0,4 -2,9 мкм,

- клиновой спектрорадиометр на область спектра 1,8 — 5,6 мкм,

- низкотемпературный радиометр на область спектра 8,0 -13,0 мкм,

- сканирующий радиометр высокого пространственного разрешения на область спектра 1,4 - 13,0 мкм,

- широкоугольные спектрорадиометры,

- автоматизированную систему для наблюдений и распознавания форм и количества облачности

Многоканальный радиометр (Рис 1) объединяет четыре радиометра, размещенных в общем корпусе, каждый из которых является независимым от других и состоит из зеркального объектива с интерференционным светофильтром, фотоприемника и предусилителя В качестве приемников излучения используются фотосопротивления из РЬЭ, РЬ8е, пироэлектрические приемники Модуляция исследуемого излучения осуществляется с помощью маски и прерывателя, являющихся общими для всех четырех каналов радиометра. Частота модуляции (2 кГц) при необходимости может быть изменена в широких пределах Эффективная пороговэя чувствительность г ш (В) для различных спектральных интервалов и приемников излучения составляет 5 10~8 - 1,3 10~8 Вт см" 2 ср-1 Угловое разрешение равно 10-30 угловым минутам

Рис. I Многоканальный радиометр Скорость сканирования, в зависимости от условий эксперимента, устанавливается с помощью редукторов таким образом, чтобы за время регистрации Д1 яркость В] соответствующего пространственного элемента поля Дх^у, не изменялась на величину кРл,(В). Здесь к — коэффициент, характеризующим шаг квантования но уровню I т (В) -пороговая чувствительность.

В, = | | | | В(х, йхфйШ.

Лу Л>. Л!

Быстродействующий клиновой спектрораяиометр на область спектра 0,4 - 2,9 мкм выполнен на основе интерференционного циркулярного клинового светофильтра, специально разработанного для этого прибора. Прибор работает в радиометрическом и спектрометрическом режимах Опектрорадкометр имеет следующие основные параметры:

- быстродействие, спектров в минуту....................................................... до 20;

- максимальная пороговая чувствительность, Вт/(м2'срмкм) ...............10-3;

- пространственное разрешение, минут дуги............................................. 12;

- спектральное разрешение АХ/Х, %..............................................................2-5,

- спектральный диапазон, мкм ................................................................0,4-2,9;

- частота модуляции в радиометрическом режиме, кГц.......................... до 2;

- потребляемая от сети 220 В, 50 Гц мощность, Вт....................................... 15;

- габариты, мм ................................................................................ 300x300x500;

- масса, кг........................................................................................................... 10

Оптико-механическая схема спеетрорадиометра на клиновом интерференционном

светофильтре и квантовом охлаждаемом жидким азотом приемнике InSb на область спектра 1,8-5,6 мкм (рис.2) имеет .много общего с оптико-механической схемой спектрорадиометра на область 0,4—2,9 мкм, однако использование охлаждаемого квантового приемника, имеющего значительные габариты, потребовало переноса изображения, для чего был применен двухзеркальный конденсор. В приборе предусмотрены три различных режима работы:

— со скоростью развертки один спектр за 30 с;

"I-1---Г • 1

- со скоростью развертки один спектр за 1 с (регистрация осуществляется на ШМРС),

- радиометрический режим, когда клиновой интерференционный светофильтр фиксируется на выбранной длине волны

Рис 2 Оптико-механическая схема спектрорадиометра на область 1,8-5,6 мкм

- 1,2- входной объектив Кассегрена, 3 - модулятор,

- 4 - полевая диафрагма, 5 - клиновой интерференционный фильтр,

- 6 - редуктор, 7 - конденсор, 8 - приемник, 9,12 - светодиод,

- 10 - зеркало, 11,13 - фотодиод

- Спектрорадиометр имеет следующие основные параметры

- быстродействие, спектров в минуту до 60, максимальная пороговая чувствительность, Вт/(см2 ср мкм) 2 10

- пространственное разрешение, минут дуги 15,

- спектральное разрешение ДXIX, % 2,5,

- спектральный диапазон, мкм 1,8-5,6,

- частота модуляции в радиометрическом режиме, кГц до 2,

- потребляемая от сети 220 В, 50 Гц мощность, Вт 16,

- габариты, мм 300x310x500,

- масса, кг 11

Малогабаритный низкотемпературный радиометр на область спектра 8-13 мкм выполнен на основе двухзеркального параболического объектива системы Кассегрена с фокусным расстоянием 155 мм и относительным отверстием 1 1,4 В качестве приемника излучения используется пироэлектрический приемник МГ-30 с интегральным предусилителем Вольтовая чувствительность приемника - 2900 В/Вт, пороговая чувствительность - 1,710"' Вт Гц"1'2, размер чувствительной площадки - 1x1мм2 Приемник размещен в термостатированной камере , температура которой устанавливается в интервале 5-30°С и поддерживается термостатом с точностью ОДК Перед приемником установлен интерференционный светофильтр на область спектра 8-13 мкм

Перед приемником и фильтром нормально к оптической оси прибора установлен зеркальный модулятор, с помощью которого на приемник попеременно направляется излучение исследуемого объекта и эталонного излучателя, в качестве которого служит

внутренняя полость термостатированной камеры приемника Электрический сигнал с выхода интегрального предусилителя приемника МГ-30 поступает на селективный усилитель, затем синхронно преобразуется в постоянное напряжение

Эффективная пороговая чувствительность для различных приемников излучения составляет (1-2) Ю-5 Вт см-2 ср-1 Мгновенное поле зрения прибора, снятое по бесконечно удаленному точечному источнику, составляет 23 минуты Частота модуляции радиометра - 800 Гц, полоса регистрируемых частот - 0-20 Гц

Блок-схема сканирующего радиометра высокого пространственного разрешения на область 1,4-13 мкм приведена на рис 3 В его корпусе установлены поворотное плоское зеркало 13, объектив Кассегрена, состоящий из параболического зеркала 9 и плоского 10, модулятор8, турель с фильтрами 18, устройство визуального наблюдения за объектом исследований, содержащее плоские зеркала 11, 12 и не показанный на схеме 20-кратный оптический прицел, приемник лучистой энергии 6, предусилитель 5, фазочувствительный усилитель с синхронным детектором 4, синхродатчик 7 и блок вертикального сканирования 14 Корпус установлен на вращающейся платформе 16 Измеряемый поток, обозначенный стрелками, направляется зеркалом 13 и фокусируется системой Кассегрена на площадку приемника 6 Диаметр параболического зеркала 9-300 мм, фокусное расстояние 500 мм, диаметр пятна рассеяния в фокусе меньше 0,03 мм В качестве приемника используется фотосопротивление на основе Сс1ЩТе, помещенное на внутренней стенке сосуда Дьюара 6 и охлаждаемое жидким азотом Размеры чувствительной площадки приемника 0,5 х 0,5 мм Этот размер и фокусное расстояние объектива определяют пространственное разрешение прибора. Мгновенный угол поля зрения составляет »3' Спектральная чувствительность радиометра определяется фильтрами

Зеркальный модулятор периодически прерывает поток с частотой 500 Гц (или 3000 Гц), направляя на приемник в эти моменты излучение внутренней полости В результате на приемнике выделяется амплитудно-модулированное напряжение с несущей частотой, равной частоте модуляции, и амплитудой, пропорциональной разности между потоками излучений измеряемого и отраженного от лопастей модулятора После усиления в блоке 5 осуществляется демодуляция сигнала в блоке 4 На выходе прибора регистрируется напряжение, пропорциональное разности измеряемого и опорного излучений В результате градуировки была определена пороговая чувствительность радиометра по яркости Она составила 3 10"6 Вт см"2 ср-1

1314

Рис 3 Блок-схема сканирующего радиометра высокого пространственного ргврешения

Рис. 4. Сканирующий радиометр высокого пространствешюго разрешения

Блок-схема широкоуголного растрового спсктро радиометр а для измерения полусферических и Зональных распределений спектральных потоков излучения приведена на рис. 5,

Прибор содержит выпуклое сферическое (1) и плоское (2) зеркала. Излучение со веек направлений полусферы неба направляется на приемник (7) с помощью дополнительной оптической системы (зеркала 3 и 4). В плоскости изображения зеркальной системы (1) и (2) размещен клиповой интерференционный циркулярный светофильтр (6). Может быть использована и турель с высокор¡«решающими фильтрами.

- а) - частотный растр-модулятор: светлые ячейки - зоны, через которые проходит излучение фона,

— б) — оптико-электронная система;

— I, 2, 3, 4 - зеркала оптической системы; 5 частотный растр-модулятор:

- 6- интерференционный фильтр;

— 7 - прнсмиик тлучения;

- 8 - система регистрации, обработки и отображения информации

Для определения величин яркости излучения п зонах небосвода с зенитными углами и азимутальными углами га от 0 до 360° черкало (2) разбито на к круговых топ, которые представляются в пиле чередующихся, равных между собой высокоотражаю щих и поглощающих ячеек Растр-модулятор (5) разбит на такое же число круговых зон, в котирых размещены такие же по размерам, как и на зеркале, непрозрачные ячейки.

Рис. 5. Широкоугольный растровый eneктрорадиометр

излучающие подобно модели абсолютно черного тела (АЧТ), и прозрачные ячейки При вращении растра все отражающие ячейки на зеркале будут одновременно либо открыты, либо закрыты Таким образом происходит модуляция излучения, распределенного по всей полусфере с частотами

^ _ 2тс пк _ Ж1к

к -~Т~

где к =1,2, 3, - номер зоны, Пк - количество отражающих ячеек в зонах 1,2, , к

Спектр частотных сигналов с приемника (7) поступает на систему регистрации и обработки информации, которая производит их частотную селекцию Суммарный поток с полусферы неба определяется по формуле

В = В +В + +В ,

1 2 к'

где В1, Вг, Вк, - спектральная энергетическая яркость в зонах 1,2, , к

2,т ^

Вк =1китвкКвк | | Лв,а,Х)АМа,

О А,

где Д0к - интервал зенитных углов,

1(9,а,Я,) - энергетическая яркость неба в точке небосвода, 1к - масса атмосферы в направлении зенитного угла 6к

Оценка форм и балла облачности является чрезвычайно важной задачей, тк именно они определяют количество приходящей коротковолновой солнечной радиации и противоизлучения, то есть облака непосредственно влияют на радиационный баланс планеты, а, следовательно, и на климат в глобальном масштабе Но это важно и для целого ряда прикладных задач - в сельском хозяйстве, где урожайность зависит от освещенности, или в авиации для аэродромных служб Форма и балл облачности являются важными характеристиками, однако до сих пор определение этих характеристик производится субъективно, а в ночное время практически не производится

Предварительно проведенные нами натурные измерения и статистический анализ полученных данных подтверждают возможность и перспективность создания прибора для объективной параметризации форм и количества облачности по ее собственному излучению в интервале длин волн 8-13 мкм Макет такого прибора разработан и создан В отличие от использованных ранее приборов, он позволяет оперативно, а в перспективе - в реальном масштабе времени получать объективную информацию о форме и количестве облаков

Блок-схема макета прибора приведена на рисунке 6

Он содержит охлаждаемый приемник излучения на основе 1, который

находится в фокусе двухкомпонентного зеркального объектива Кассегрена 2 Перед объективом установлена маска модулятора 3 и далее модулятор 4 с таким же числом лопастей Частота вращения модулятора 800 Гц Промодулированный сигнал с приемника 1 поступает на предусилитель 5, масштабный усилитель 6, двухполупериодный синхронный детектор 7, фильтр нижних частот 8 и далее на аналоговый вход АЦП платы сопряжения ЛА70М4-9 с РС 10 Управление шаговыми двигателями 11, 12 сканирующей системы осуществляется персональным компьютером 10 Обмен командами происходит через цифровые входы (выходы) платы ЛА70М4-9 и блок управления 13 Сканирующее зеркало обеспечивает полный оборот вокруг своей оси за одну секунду За это время регистрируется 360 значений энергетической яркости облачного поля через каждый градус После завершения записи данных, поступает сигнал на шаговый двигатель 12, и

зеркало меняет угол наклона на 1°, цикл повторяется После следующего оборота угол меняется еще на один градус Через заданное число шагов (строк) например 17, шаговый двигатель 12 возвращает сканирующее зеркало в исходное начальное положение, цикл повторяется и записывается следующий кадр Таким образом, мы получаем набор матриц, где по горизонтали 360 значений, а по вертикали - 16 (или другое, заданное нами число строк) Каждое из 6120 значений представляет собой конкретную область - изображение в ИК области на небесной сфере

5 6 7

макета прибора

11рнбор имеет следующие основные характеристики:

- чувствительность 1,3-Ю"5, Вт-см"2 ер"1 или 0,1К;

- спектральный диапазон -8-13 мкм;

- поле зрения - 10 минут дуги;

- шпвмтескиИ диапазон регистрируемых энергетических яркостей - 60 дБ:

- угловая ск'орость сканирования - 360с,/с; быстродействие -360 Гц;

- дискретность углов по вертикали —1°;

- дискретность углов по горизонтали -Io;

- количество задаваемых строк - 1-40;

- масса прибора (без системы регистрации) 8 кГ

В качестве иллюстрации на рис. 7 представлена диаграмма ноля кучевой облачности 4 балла, когда в поле зрения прибора попадает- Солнце. По горизонтальной оси отложены градусы кругового сканирования по ; i Tf.MyViti пирату, по вертикальной оеи-отклик системы (мВ,), а но диагональной оси-- помер строки вертикального сканирования от 49 до 56 градусов относительно горизонта. Горизонтальная темная область на диаграмме— калибровочный отклик системы от модели АЧТ при окружающей температуре.

Рис 7. Диаграмма поля кучевых облаков

На рис.8 представлена временная изменчивость поля кучевых облаков 4 балла. 11о горизонтальной осп отложены градусы кругового сканирования но альмукантарату, по вертикальной оси— отклик системы (м В.), по диагональной оси- временной сдвиг (кадр) через каэкдыс 30 секунд. Горизонтальные площадки па диаграмме, соответствующие min выходному сигналу (около —800мВ ) характеризуют безоблачное небо. Максимальное значение выходного сигнала (около 0 мВ,)- отклик системы на плотные кучевые облака.

Рис. 8 Временная изменчивость поля кучевых облаков балла)

На рис.9 приведено сравнение балла облачности определённое штатным оператором (1) на полигоне Высотной метеорологической мачты (ВММ) г. Обнинска и данной системой для объективной параметризации форм и балла облачности (2),

Рис. 9 Сравнение балла облачности, определенное штатным оператором (I) и данной системой (2) для объективной параметризации форм и балла облачности па полигоне

ВММ г. Обнинска

Но второй гласе представлены фотоэлектрические приборы для измерения влажности почвы и размеров крупных (> 15 мкм) облачных капель.

Полевой фотоэлектрический влагомер почв

Влажность деятельных поверхностей Земли является одним из главных погодо — и климаггообразутощлх факторов. Через испарение она или нет на составляющие теплового и радиационного баланса, в связи с чем в последнее время ставится задача ее учета в гидродинамических моделях прогнозов погоды.

В разные периоды времени влажность почвы ежегодно измерялась на 10-15 тысячах наблюдательных участков. 11ри этом использовался исключительно прямой метод непосредственного измерения количества имеющейся в почве влаги, основанный на сушке образцов почвы. Метод чрезвычайно трудоемкий и энергозатратый, в связи с чем объемы измерений на сечи в последние годы неуклонно уменьшаются. Существенное снижение трудоемкости, повышение оперативности и увеличение объема получаемой информации может обеспечить портативный фотоэлектрический влагомер почв.

Таким образом, и в настоящее время разработка портативного влагомера для массовых измерений остается актуальной.

13 разработанном полевом фотоэлектрическом влагомере почв (рис.! 0) использован тот факт, что отношение интенсив но стей отраженного от почвы излучения на длинах волн 1.У5 мкм (полоса поглощения ЬЬО) и 1,75 мкм (окно прозрачности) служит мерой влажности почвы.

Влякшер ия протяжении нескольких вегетационных сезонов использовался для регулярных сопряженных с термостатно-весовым методом измерений па территории полигона Высотной метеорологической мачты ГУ НПО «Тайфун» (г. Обнинск) и на полях Малоярославецкого района Калужской области. В лабораторных условиях проведена градуировка влагомера на образцах почв, полученных из 7 УГМС для 65 наблюдательных участков.

Статистическая обработка данных сопряженных наблюдений указывает па высокую их корреляцию - коэффициенты корреляции во всех случаях находятся на уровне не ниже 0,99. Диапазон изменения влажности при этом составляет от пуля до полной влагоемкости. ! 1огренгность определения влажности с использованием разработанного влагомера для исследованных типов почв не превышает 2% весовых на 95% уровне значимости

На рис, II в качестве примера показаны связи измеренных значений влажности для дерново-подзолистой почвы (точки) на глубине 20 см и расчетных значений по градуировочной кривой. Как видно, они отличаются не более чем на 2%.

Рис. 10 Полевой фотоэлектрический н.и.: омер ПОЧВ.

Многолетние испытания влагомера в натурных (более 10000 измерений} и лабораторных условиях подтверждают' тот факт, что примененный высокоточный оптический метод измерения влажности почвы может быть успешно использован на сети гидрометслужбы и может заменить термостат»го-весовой метод.

20см

Рис 11 Пример связи измеренных значений влажности для дерново-подзолистой почвы (точки) на глубине 20 см и расчетных значений по градуировочной кривой

Фотоэлектрический измеритель размеров капель

Проблема измерения крупных (> 75 мкм) облачных капель весьма актуальна, т к нет приборов, которые имели бы достаточную счетную площадь (> 6 см2) и погрешность единичного измерения менее 3% Использовавшийся ранее прибор имел достаточную счетную площадь, но погрешность единичного измерения размеров капель этим прибором более 6%

Это вынуждает искать другие альтернативные пути измерения размеров крупных облачных капель

Одной из наиболее удобных форм выходного сигнала является представление его в виде отрезка времени Преобразование контролируемой величины в отрезок времени легко реализуется предложенным нами седиментационным методом Способ измерения размеров капель по их скорости седиментации является достаточно распространенным и точным

Такой прибор был изготовлен и испытан Идея его заключается в том, что падающая через рабочий объем прибора капля последовательно пересекает два луча, расположенных один над другим на фиксированном расстоянии Частично экранированный пролетающей каплей свет регистрируется фотоприемником, работающим в режиме постоянной засветки, в виде двух сдвинутых во времени импульсов Временной интервал между этими импульсами однозначно связан со скоростью капли и ее размерами

При сравнении описываемого метода с весовым, в котором размер капель определялся по их весу (погрешности весового способа для 106 капель в пробе не превышают 0,01%), было получено хорошее совпадение результатов Например, радиус монодисперсных капель, определенный с помощью весового метода и фотоэлектрического измерителя размеров капель при учете атмосферных условий, в одном опыте оказался равным соответственно 166 и 166,1 мкм, в другом— соответственно 133 и 133,1 мкм

Фотоэлектрический седименгационный измеритель размеров крупных облачных капель защищен авторским свидетельством и на протяжении многих лет успешно используется в ГУ НПО «Тайфун» для измерения укрупнения облачных капель при их пролете через искусственные туманы в Вертикальной аэродинамической трубе при моделировании облако- и осадкообразования В результате проведенных экспериментов были получены величины скорости роста капель при различных значениях водности Эти

данные для близких размеров капель приведены на рис12 Начальный размер капель от эксперимента к эксперименту менялся в пределах 158,4<Лд<163,2 мкм со средним значением Н„ =161,1 мкм, средневзвешенный по водности радиус - от 4,8 до 7,2 мкм Максимальная абсолютная ошибка при определении сШ/Ж не превышала 0,04 мкм/с

Рис 12 Зависимость скорости роста капли с К„ =161,1 мкм от водности

В третьей главе диссертации рассматриваются научно-методические вопросы погрешностей спекгрорадиометрической аппаратуры Любая оптико-электронная система (ОЭС) содержит приемник инфракрасного излучения (ПИИ), фильтры электромагнитного излучения, оптическую систему, опорный источник, а также другие элементы, которые могут служить источником неучтенных погрешностей Эти элементы имеют различные характеристики, которые со временем могут изменяться Это относится, в частности, к ПИИ, которые изменяют со временем внутреннее сопротивление, вольтовую и спектральную чувствительность, а также к интерференционным светофильтрам, которые изменяют не только характеристики пропускания, но и фоновые характеристики Нестабильны также параметры источников излучения, по которым определяются характеристики ОЭС

Изменяют свои характеристики и другие элементы ОЭС, особенно при изменении окружающей температуры Таким образом, на точность измерений влияет множество факторов, учет которых с точки зрения методической и практической оказывается сложной задачей

Были оценены погрешности ОЭС с различными ПИИ ш8Ь(77К), РЬ8(77К), СсЕ^Те(77К) для различной температуры эталонного источника (223-6000К), его нестабильности (±2, ±5, ±10К), для различных спектральных характеристик интерференционного светофильтра, смещаемых по спектральной характеристике чувствительности ПИИ, различного уровня фона вне полосы фильтра (10"2, 10"3, 10"4 относительно пропускания в максимуме) Расчет погрешностей проводился по формуле

~=± а г]=

)г(л,Т„° )?„, (%„„ {Х\1Х + )г(л, Т„° ± АТ^пр (Х)гф (Л, АЛ, Л0 >И

__о_о_

]г(л,г„%(л)г,(л,ллл^л

где Хф (X, АХ, Ао) - спектральная характеристика фильтра с конкретной шириной АХ,

X о - центр полосы пропускания фильтра, относительно которого смещается фильтр,

8пр (X) - относительная спектральная характеристика приемника излучения, Тфон (X) - спектральное пропускание фильтра вне полосы (фон фильтра), Тп° — температура источника излучения, В - энергетическая яркость,

г(А,Тп°), т(А,Тп° ± ДТ) - спектральная плотность излучения стабильного и нестабильного источников излучения

Результаты расчета, представленные в виде таблиц и графиков, позволили оценить возможные погрешности градуировки ОЭС при различных комбинациях исследуемых параметров, выбрать оптимальные параметры для минимизации погрешностей ОЭС и снизить погрешности градуировки ОЭС на 4-6%

В качестве примера на рис 13 представлена расчетная относительная погрешность измерения энергетической яркости излучателя при 223-6000 К приемником РЬ8(77К) в полосе 0,04 мкм с уровнем фона вне полосы 10"3 Из рисунка следует, что при температуре излучателя 1323К, Ао=0,5 мкм и ДХ=0,04 мкм, Тф„„(1)=10"3 относительная погрешность равна 102 Такая высокая погрешность для конкретно выбранного примера объясняется тем, что максимум спектральной плотности излучателя лежит за полосой пропускания фильтра и даже сравнительно низкий уровень фона фильтра вне полосы пропускания (10'3) вносит существенный вклад С увеличением температуры, когда максимум спектральной плотности излучателя смещается в область коротких длин волн и одновременно возрастает плотность излучения, погрешность резко уменьшается и для этих же условий, но для Т=6000К становится равной 1,2 10~2 Все это еще раз подтверждает, как важен вопрос выбора ПИИ, фильтра для конкретной экспериментальной задачи

В четвертой главе описывается методика измерений и обработки результатов Построение модельных зависимостей, связывающих характеристики радиационной структуры реальной атмосферы с метеорологическими параметрами и состоянием облачности основывается на данных натурных наблюдений Наиболее распространенным и доступным видом наблюдений является измерение локальной энергетической яркости исследуемого облачного поля В(0,у), где 0 - зенитный угол, у - азимутальный При этом, как правило, 0 и у связаны зависимостью, которая задается методикой измерений при отсутствии сканирования или же законом сканирования Следует отметить, что выбор тех или иных значений 0 и у, а также закона сканирования весьма сложен и диктуется, как правило, намеченными к изучению параметрами и характеристиками объектов В конкретном случае методика проведения измерений учитывала мгновенное поле зрения конкретного прибора, те регистрируемый размер элемента исследуемого объекта и быстродействие регистраторов

Длюа ВОШ1М.НМ1

^-^е&ок;.....

Рис 13 Относительная погрешность измерения энергетической яркости излучателя при 223-6000К приемником РЬ8(77К) в полосе 0,04 мкм с уровнем фона вне полосы 10"3 1-Т„ = 223,2-273, 3-723, 4-1023,5-1323, 6-1623, 7-1923, 8-3000, 9-6000К

Экспериментальные данные обрабатывались статистически Непрерывные записи сигналов энергетической яркости исследуемых объектов преобразовывались в ряды дискретных чисел Для каждого временного ряда или фотометрического разреза реализации, представляющего собой одну из компонент г - компонентного ряда, известным способом определялись

средние значения , дисперсии с2, нормированные автокорреляционные функции Я/к)

ад

нормированные спектральные плотности 0/1)

ОЙ)=2

1 + 22Я (к>о(к)сов^

к=1 ' г

где 1 = 0,1, , Р,

и плотность распределения Р/к) путем деления числа наблюдений, попадающих в к -й разряд на общее число наблюдений N

ш(к) обозначает корреляционное окно с точкой отсечения Ь Использовалось окно Тьюки

а(к)={ К-?)}"

1А Б - шаг по частоте для спектральной плотности (Б в 2-3 раза больше Ь)

Спектральные плотности вычислялись при условии, что расстояние между отсчетами Д равно 1 Для построения графиков реальных плотностей в зависимости от Д менялся масштаб осей

Для исследования пространственных неоднородностей определялись совместные плотности распределения РщДкД) путем деления на N числа наблюдений, попавших одновременно в к-й разряд т-й компоненты и в 1 разряд п-й компоненты, нормированные взаимно-корреляционные функции между различными компонентами г - компонентного временного ряда р ш,п(к)

сглаженные взаимные амплитудные спектры Ащ,п (1)

А (о=/ (О+о2 То,

т.п 4 ' у т,п х ' т,а 4 '

где 0< 1<Р,

сглаженные фазовые спектры Рт п(1)

К (1)=акЗё

Р (1)1 Ь (1)

сглаженные квадраты спектров когерентности

к2 (1)=

КЛ) «ЖО)'

где Ь (1)=2

си,т(°)+2Есш,а(кМк)со8

я1к

От„(0=4Ью>)В(к)со3 р ,

Как уже отмечалось, при сканировании по азимутальному углу ИК-радиометром можно ожидать, что статистическая структура различных компонент г - компонентного временного ряда одинакова В этом случае статистический процесс можно представить как множество реализаций, представляющих собой зависимости от а электрических сигналов на выходе ИК-радиометра. Для каждой реализации среднее, дисперсии, плотности вероятности, нормированные корреляционные функции и спектральные плотности определялись по представленным выше формулам Только суммирование и,1 проводилось по J при фиксированном 1

После расчета средние значения в вольтах переводились в абсолютные величины средних яркостей (спектральных яркостей) Дисперсия переводилась в абсолютные величины дисперсии яркостей (Вт см ср"1)2, или спектральные яркости по формуле

где S - вольт-ваттная чувствительность прибора. Эта формула верна не только для сигналов, пропорциональных яркостям, но также и для сигналов, пропорциональных разностям яркостей неба В и опорного излучателя Вш (например, с выхода ИК-радиометра) Действительно, в этом случае

<т =Ь а

так как Вго = const Все остальные характеристики нормированы и являются статистическими характеристиками поля яркости

Кроме таких широко распространенных статистических характеристик, как среднее, дисперсия, корреляционная функция, спектральная плотность и плотность вероятностей для описания стохастической структуры полей яркости облаков используются и другие статистические параметры Нами предложен новый статистический параметр, который обладает большей точностью, чем традиционные статистические характеристики

Для каждого временного ряда определялись перечисленные выше статистические характеристики в абсолютных величинах энергетической яркости, которые дают весьма полное представление о структуре облачного поля или подстилающей поверхности

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований облачных

полей

1 В результате анализа впервые проведенных исследований установлена сильная зависимость статистических характеристик энергетической яркости кучевых (Си) облаков от угла Q между направлением на Солнце и «центр» исследуемого облачного поля в спектральном интервале 1,5-1,8 мкм Корреляционные функции для различных углов Q хорошо аппроксимировались уравнением вида

#(r0)=R(6)expcos/jr''(-ar0)

Анализ спектральных плотностей для всех исследованных углов Q показал, что в области высокочастотных пространственных частот ( а, рад'1 >20 ), спектр близок к закону со"5'3

В результате анализа взаимнокорреляционных флуктуаций энергетической яркости для области рассеянного коротковолнового излучения солнца (1,5-1,8 мкм) и собственного теплового излучения (8-13 мкм) для различных углов Q установлено, что с увеличением Q коэффициенты взаимной корреляции увеличиваются Так для углов 30 < Q < 60° он колеблется в пределах 0,38-0,7, при 30 < Q < 90" - 0,5-0,75, при Q >90° он изменяется в пределах 0,63-0,91

2 Впервые получены данные о флуктуациях энергетической яркости слоисто-кучевых облаков одновременно в четырех спектральных интервалах диапазона 1,5-2,86 мкм В стохастической структуре флуктуаций энергетической яркости слоисто-кучевых облаков в окнах относительной прозрачности атмосферы до 2,5 мкм обнаружены весьма сильные корреляционные связи Коэффициенты взаимной корреляции близки к единице, а автокорреляционные функции имеют одинаковый вид, что указывает на тот факт, что в этих спектральных интервалах пространственная структура поля яркости облаков практически одинакова В полосе поглощения 2,6-2,86 мкм и окнах прозрачности ближней ИК-области спектра корреляционные связи ослаблены Обнаружено отличие и автокорреляционных функций, что связано с поглощением солнечного излучения парами

воды и углекислым газом, т е структура флуктуаций энергетической яркости в полосе поглощения 2,6-2,86 мкм имеет заметное отличие от структуры в окнах прозрачности

Обнаружено уменьшение средних значений и дисперсий с увеличением длины волны Так, для спектрального диапазона 1,5-1,8 мкм дисперсия в 10 раз больше, чем для спектрального интервала 2,04-2,32 мкм (смещение центра полосы на 0,4) В полосе поглощения 2,6-2,86 мкм дисперсия в 5 102 раз меньше, чем в спектральном интервале 1,51,8 мкм Спектральные плотности исследуемых диапазонов длин волн весьма быстро спадают в области высоких пространственных частот, что говорит о том, что дисперсии процесса сосредоточены в основном на низких частотах Спектральные плотности флуктуаций энергетической яркости диапазона 2,6-2,86 мкм спадают более резко, чем для других спектральных интервалов Анализ плотностей вероятностей показал, что для спектрального интервала 2,6-2,86 мкм она имеет одномодальную структуру, близкую к нормальной, в то время как для других спектральных интервалов плотность вероятностей имеет четко выраженную двухмодальную структуру (мода в отрицательной области соответствует яркости просветов, в положительной — облаков) (рис 14)

По оси X отложены центрированный значения энергетической яркости, умноженные на 104 для спектрального интервала 2,6-2,86 мкм и на 102 для остальных (К соответствует 3 сг)

3 Исследована стохастическая структура спектральной плотности энергетической яркости кучевых, слоисто-кучевых облаков в области спектра 1,8-5,6 мкм Обнаружено, что в области 1,8-2,5 мкм энергетическая яркость облаков сильно зависит от угла места и изменяется в широких пределах от 8 10"4 до 1,5 10"6 Вт см"2 ср"1 мкм"1 Это объясняется тем, что в этом спектральном интервале вклад в измеряемую энергетическую яркость вносит рассеянное солнечное излучение Область 2,5-3 мкм характеризуется минимальными энергетическими яркостями, уровень которых находится вблизи порога чувствительности аппаратуры (10" Вт см"2 ср мкм"1) Рассеянное солнечное излучение здесь минимально, кроме того, оно в значительной мере ослаблено на длине волны 2,7 мкм (полоса поглощения С02) В области 3-5,6 мкм экспериментальные значения энергетической яркости атмосферы в интервале углов 0-20° слабо зависят от угла места и достаточно хорошо совпадают с описываемой законом Планка яркостью АЧТ при окружающей температуре Причем в центрах полос поглощения (4,3 и 5,6 мкм) энергетическая яркость облачного и безоблачного неба практически равна энергетической яркости АЧТ при окружающей температуре и почти не зависит от угла места Для угла места 0° (горизонт) даже для безоблачной атмосферы регистрируемое излучение полностью совпадает с излучением АЧТ при окружающей температуре(рис 15) Этот факт позволяет сделать вывод о возможности использования горизонтальных трасс для абсолютной калибровки ОЭС в полосах поглощения атмосферных газов СОг (4,3 мкм) и НгО (5,6 мкм)

Для слоисто-кучевой и кучевой облачности дисперсии флуктуаций энергетической яркости в полосах поглощения области 3-5,6 мкм мало отличаются от дисперсии шума аппаратуры (2 10"п (Вт см"2 ср"1 мкм"1)2) В окнах прозрачности дисперсии выше на 1-2 порядка В окне 2,24 мкм дисперсии максимальны и достигают не в окне значений 1,31,5 10"8 Вт см"2 ср"1 мкм'1, что обусловлено влиянием рассеянного и прямого солнечного излучения, которое зависит не только от положения солнца, но и от изменчивости прозрачности атмосферы Наименьшие дисперсии зарегистрированы для слоистой и высокобалльной (9-10 баллов) кучевой и слоисто-кучевой облачности, наибольшие - для 3-4 балльной кучевой облачности

Достаточно тесные корреляционные связи проявляются для окон прозрачности во всей области 1,8-5,6 мкм Коэффициенты взаимной корреляции превышают 0,57 (максимальное значение 0,88) Причем в области 3-5,6 мкм, где преобладает собственное излучение облаков, коэффициенты взаимной корреляции более высокие (0,72-0,88) В полосах поглощения связи практически отсутствуют

Рис 14 Плотности вероятностей флуктуаций энергетической яркости слоисто-кучевых облаков (Эс) для различных спектральных интервалов 1- 1,5-1,8, 2 - 2,04-2,32, 3- 1,6-2,86,4- 2,6-2,86 мкм

Выявлено сильное изменение дисперсий флуктуаций энергетической яркости кучевых облаков 4 балла над морем в зависимости от угла между направлениями на солнце и «центр» исследуемого поля облаков Наибольшие дисперсии зарегистрированы для длины волны 2,24 мкм, соответствующей окну относительной прозрачности атмосферы, наименьшие - для длины волны 1,88 мкм (полоса поглощения Н20 ) Дисперсии здесь меньше на 1-2 порядка В полосах поглощения атмосферных газов (4,3 мкм - СОг и 5,6 мкм - НгО) дисперсии минимальны для всех О и близки к дисперсиям шума аппаратуры (=2 10"п (Вт см"2 ср"1 мкм"1)2)

4 Исследовано распределение яркости излучения в условиях ясного неба в спектральных интервалах 1,5-1,8 мкм, 2,04-2,32 мкм, 1,6-2,86 мкм, 2,6-2,86 мкм Выявлено удовлетворительное согласие экспериментальных данных с расчетными

В шестой главе представлены экспериментальные исследования спектральной и пространственной структуры полей яркости подстилающей поверхности и элементов ландшафта в спектральном интервале 0,4-2,9 мкм

Приводятся результаты измерений спектрального распределения яркости элементов ландшафта в области 0,4-1,2 мкм (трава, лес, промышленные сооружения)

Исследованы временные корреляционные связи яркостных характеристик элементов ландшафта при различных метеоусловиях и условиях освещенности

Определена статистическая структура спектрального распределения яркости элементов ландшафта

Приведены результаты оценки мутности водных бассейнов дистанционными методами

Рис 15 Экспериментальные спектральные энергетические яркости безоблачного неба над морем для разных углов визирования 1- 20°, 2-10°, 3 - 0°, морской поверхности - 4, облачного неба (Си, 4 балла) над сушей (угол визирования 40°) - 5, (6,7,8 - излучение АЧТ при температурах 300,290,280К соответственно

Для проведения достоверной классификации элементов подстилающей поверхности по их оптическим свойствам необходимо изучить зависимость их спектральных характеристик от различных условий Исследования, основанные на измерениях, проведенных в полевых условиях и на моделях, показывают, что спектральные плотности энергетической яркости (СПЭЯ) элементов поверхности и ее спектральный ход в значительной степени зависят от угла визирования, положения Солнца, состояния атмосферы, геометрических свойств поверхности земли и растительного покрова, причем последние связаны с метеорологическими условиями Однако в настоящее время нельзя дать однозначную характеристику типичного дневного хода СПЭЯ растительности, зависимости СПЭЯ от направления визирования, кроме того, не исследовано влияние облачности на спектральный ход СПЭЯ

Для изучения спектрального хода СПЭЯ различных типов поверхности нами были проведены измерения с Высотной метеорологической мачты (ВММ) Обнинска с высоты 300 метров над землей В поле обзора попадали разные типы поверхности травяной покров, лес, здания, асфальтовые дороги и др Измерения проводились с помощью спектрорадиометра на область спектра 0,4 - 1,2 мкм

Представлены результаты измерений спектров яркости травы, леса и здания в безоблачные дни и в условиях сплошной облачности При таких условиях происходят медленные изменения яркости, связанные главным образом и изменением положения Солнца и оптическим состоянием атмосферы и подстилающей поверхности

В качестве примера на рисунке 16 приведены распределения по спектру СПЭЯ травы, леса, здания, измеренные в мае при безоблачном небе и сплошной облачности Надирные углы визирования прибора у указаны на рисунке Из него видно, что у всех спектров наблюдаются провалы около 0,8, 0,94 и 1,2 мкм, связанные с поглощением водяного пара и кислорода (0,8 мкм) в атмосфере Провал в спектре яркости травы и леса

при X < 0,7 мкм, связанный с поглощением хлорофилла и других пигментов, у спектра излучения здания не наблюдается Хорошо выражено характерное дня растительных покровов увеличение спектрального альбедо при переходе от X = 0,4 мкм к X = 0,55 мкм и при дальнейшем увеличении длины волны уменьшение альбедо, обусловленное наличием в этой области главной полосы поглощения хлорофилла (0,65 — 0,68 мкм) При X > 0,8 мкм альбедо мало меняется и уменьшение СПЭЯ с увеличением X связано с уменьшением яркости Солнца

Вт-смг- тм*1-ср'

.^г

(Ю*-В)

0,4 О,в 1,2Лят

Рис 16 СПЭЯ леса, травы и бетонных зданий при безоблачном небе

1 - трава, 25 мая, 13 ч 45мин, 1)0=56°, у =42,5°, у =133°,

1 - лес, 25 мая, 13 ч 45мин, Ьв=56°, у =82,5°, у =89°,

2 - трава, 15 мая, 17 ч, 00 мин, 110=37°, у =42,5°, \|/ =164°,

3 - лес, 15 мая, 17 ч, 00 мин, 110=37°, у =82,5°, у =146°,

4 - здание, 25 мая, 13 ч 45мин, Ь®=56°, у =70,5 , у =112°,

5 - (правая ось) здание, 12 июня, 14 ч 45мин, 110=55°, у =70,5°, у/ =146°,

Относительное распределение по спектру яркости травы и леса глубина провала в полосе поглощения хлорофилла зависит от положения Солнца, т е от времени суток Это показывает рисунок, где приведены спектры яркости леса и травы, измеренные в 13 часов 45 минут (азимутальный угол между направлением на Солнце и плоскостью визирования Ф = 100°, высота Солнца Ь® = 56°, угол между направлением на Солнце и направлением визирования 89 и 133° соответственно) и в 17 часов ( ср = 163°, И® = 37°, \|/= 146 и 164° соответственно) Видно, что у травы СПЭЯ для X > 0,7 мкм больше при высоком Солнце, у леса - при низком В полосе поглощения хлорофилла наблюдается обратная зависимость С увеличением высоты Солнца увеличивается величина прямой солнечной радиации Отсюда можно сделать вывод о том, что с увеличением Ь% коэффициент отражения травы в области >-<0,7 мкм уменьшается, у леса это происходит для длин

волн, больших 0,7 мкм Для бетонных строений изменение положения Солнца влияет только на абсолютные величины яркости и не влияют на относительное распределение СПЭЯ по спектру Неодинаковое влияние высоты Солнца на спектральное распределение яркости разных типов поверхностей связано с различием геометрических структур поверхностей Различия следует ожидать и при угловой зависимости СПЭЯ (например, в зависимости от надирного угла прибора у)

При больших надирных углах становится заметным вклад радиации, рассеянной слоем атмосферы между прибором и измеряемым элементом ландшафта. Это приводит к уменьшению относительных изменений СПЭЯ при переходе от 0,8 мкм в область поглощения хлорофилла, так как релеевского рассеяния больше при меньших X Как и следовало ожидать, спектры СПЭЯ травы и леса, полученные в осеннее время, меньшей относительной величиной провала в области поглощения хлорофилла

При сплошной облачности СПЭЯ природных объектов на порядок ниже, чем при безоблачном небе, при этом отличается относительное изменение яркости по спектру В условиях сплошной облачности больше относительные перепады СПЭЯ, связанные с поглощением атмосферными газами и хлорофиллом, и уменьшение СПЭЯ с увеличением X (при X > 0,8 мкм) происходит быстрее Отличие обусловлено тем, что при безоблачном небе основную роль в освещении элементов подстилающей поверхности играют потоки прямой солнечной радиации, а при сплошной облачности основной вклад вносит рассеянная радиация При этом рассеянная радиация многократно отражается от подстилающей поверхности и облаков, это вызывает углубление полос поглощения хлорофилла и атмосферных газов В результате многократного отражения и рассеяния исследуемый элемент ландшафта освещается излучением от других элементов Это приводит к нивелированию различий в спектрах излучения разных типов элементов ландшафта (в спектре бетонных строений появляется полоса поглощения хлорофилла)

Любые природные среды - леса, поля, болота, водоемы - со временем изменяются Растения зацветают, в воде появляются водоросли и тд, и среды изменяют свои яркостные признаки При разработке методов распознавания изменчивость сред должна периодически контролироваться С этой целью мы провели сравнение эталонных реализаций, полученных 3 и 13 июля для травы Оказалось, что коэффициенты корреляции для отдельных длин волн очень сильно изменились Такие данные представлены в таблице

Как видно из таблицы, все коэффициенты уменьшились, причем особенно сильно для коротковолновой части спектра Наиболее сильные связи остались для полуденного времени для красной и инфракрасной части спектра Однако и здесь они не превышают значений 0,8

Таким образом, для распознавания и параметризации структур, яркостных полей необходимо знать их временную изменчивость Если параметризация проводится по значениям СПЭЯ, интервалы между измерениями, даже для такого мало изменчивого элемента ландшафта, как трава, должны быть меньше 10 дней

Контроль и охрана природной среды рассматриваются как важная государственная задача Масштабность и требование оперативности диктуют применение новых прогрессивных методов контроля, к которьм, например, относятся дистанционные методы с использованием авиации и ИСЗ Одной из важнейших задач является определение замутненности водных бассейнов, необходимое, в частности, для оценки выноса минеральных частиц в акваторию водного бассейна

Таблица

Коэффициенты взаимной корреляции, определенные по эталонным реализациям за 3 июля и реализациям за 13 июля для травы (время московское)

Время Длина волны А, мкм

измерений, ч

3 13 0,43 0,48 0,54 0,66 0,77 0,80 0,86 0,93 1,02 1,12 1,21

июля июля

09 09 0,4 0,41 0,46 0,52 0,52 0,50 0,51 - 0,5 - 0,51

09 И 0,4 0,43 0,44 0,5 0,49 0,47 0,49 - 0,4 - 0,49

09 13 - - - 0,42 0,42 0,4 0,41 - - - 0,4

09 14 - - - - - - - - - - -

09 16 - - - - - - - - - - -

и 09 - - - 0,49 0,49 0,46 0,48 - 0,44 - 0,46

11 11 0,5 0,54 0,57 0,66 0,65 0,64 0,63 0,42 0,62 0,42 0,6

11 13 0,49 0,51 0,53 0,60 0,62 0,61 0,59 0,40 0,60 0,43 0,54

11 14 0,40 0,49 0,47 0,58 0,57 0,54 0,55 - 0,54 - 0,54

11 16 - - 0,43 0,43 0,41 0,41 0,41 - 0,40 - 0,41

13 09 - - 0,48 0,56 0,55 0,54 0,54 - 0,53 0,4 0,53

13 11 0,49 0,51 0,53 0,64 0,63 0,63 0,60 - 0,60 0,43 0,59

13 13 0,56 0,54 0,64 0,76 0,77 0,74 0,72 0,45 0,69 0,67 0,7

13 14 0,55 0,54 0,60 0,71 0,70 0,69 0,69 0,42 0,68 0,51 0,68

13 16 0,41 0,50 0,56 0,62 0,61 0,60 0,59 0,4 0,54 0,5 0,6

14 09 - - - 0,51 0,50 0,50 0,48 - 0,46 - 0,51

14 11 0,42 0,48 0,46 0,61 0,58 0,56 0,58 0,41 0,57 0,41 0,56

14 13 0,56 0,56 0,51 0,68 0,68 0,66 0,68 0,50 0,67 0,5 0,66

14 14 0,58 0,60 0,62 0,72 0,70 0,71 0,69 0,52 0,68 0,54 0,69

14 16 0,54 0,54 0,56 0,62 0,60 0,57 0,58 0,46 0,59 0,5 0,58

16 09 - - - - - - - - - - -

16 11 - - 0,40 0,42 0,41 0,43 0,42 - 0,41 - 0,46

16 13 0,41 0,48 0,54 0,61 0,61 0,61 0,6 0,41 0,52 0,5 0,58

16 14 0,52 0,56 0,57 0,63 0,62 0,6 0,58 0,50 0,60 0,51 0,59

16 16 0,54 0,58 0,60 0,64 0,64 0,61 0,58 0,52 0,62 0,54 0,6

Оценена возможность использования спектрорадиометритеской аппаратуры для определения замугненности водного бассейна с вертолета. Для измерения использовался разработанный нами клиновой спектрорадиометр на область спектра 0 4-2 9 мкм В качестве объекта исследования было выбрано Кайраккумское водохранилище Методика измерения сводилась к определению в безоблачных условиях энергетической яркости отраженного от водохранилища солнечного излучения в различных его точках Ось визирования спектрорадиометра, установленного на вертолете, была направлена в надир Полеты проводились в июне с 11 до 13 часов местного времени, когда положение солнца и состояние атмосферы мало менялись Для уменьшения влияния атмосферы на результаты оптических измерений, полеты проводились на высоте не более 100 м Всего было сделано шесть разрезов, и в каждом из них зарегистрировано в среднем по 10 спектров

По полученным данным были построены поперечные фотометрические разрезы водохранилища в относительных единицах На рис 17 представлены такие разрезы, полученные в 12 и 2 км от устья Отрезок маршрута между 1 и 8 км соответствует водной поверхности В 12 км от устья глубина водохранилища составляет 5 - 7 м, а на расстоянии

2 км, - 1,5 м, концентрации взвеси, полученные одновременно со спектрорадиометрированием, составили 0,8 и 27 г/ м3 соответственно

Анализ результатов измерений показал, что разность абсолютных значений яркости между берегом и водохранилищем возрастает с увеличением длины волн Важным обстоятельством является то, что увеличение объемной концентрации взвеси в воде приводит к тому, что яркость отраженного водохранилищем излучения возрастает практически во всем исследуемом диапазоне длин волн Исследование спектрограмм показало, что максимальное изменение яркости при переходе от более глубокой части водохранилища с менее мутной водой (рис 17) к мелководной с более мутной водой наблюдается в окрестностях длин волн ~ 0,65 мкм Для этой длины волны на рис 18 приведена схема с изолиниями энергетической яркости Из рис 18 видно, что энергетическая яркость по водохранилищу изменяется в 5 - 6 раз При этом измеренная объемная концентрация взвеси варьируется от 0,8 до 27 г / м3 Данная схема с изолиниями энергетической яркости может быть использована для оценки объемной концентрации взвеси водохранилища

км

Рис17 Поперечный фотометрический разрез водохранилища в 2 км (1,2,3) и 12 км (1', 2', 3 ) от устья для разных длин волн 1,1- 0,65 мкм, 2, 2' - 0,56 мкм, 3,3' - 1,07 мкм

Важным является вопрос нахождения X отраженного излучения эффективной индикации замутненности Регистрируемая прибором яркость формируется отражением от дна и поверхности раздела воздух — вода, а также рассеянием молекулами воды и частицами взвеси Значительное влияние оказывает поглощение воды Максимум отраженного излучения около 0,65 мкм при увеличении замутненности от 0,8 до 27 г / м3, по-видимому, определяется поглощением желтого ила и воды Показатель поглощения желтого ила может составлять 10 м"1, что соответствует ослаблению излучения в е раз на глубине 10 см поэтому яркость отраженного сигнала для области X < 0,65 мкм может, определятся френелевским отражением от границы вода - воздух и обратным рассеянием тонкого слоя воды с примесью Уменьшение относительной яркости сигнала в области X > 0,65 мкм связано с увеличением поглощения воды при увеличении X В области 0,8 - 0,9 мкм вода практически полностью поглощает падающее излучение Вследствие этого яркость срп-нала в ближней ИК-области спектра определялась рассеянием частицами в поверхностном слое воды Однако для установления количественных зависимостей требуются дополнительные исследования Между яркостью отраженного водной поверхностью сигнала и концентрацией взвеси в воде существует сильная статистическая

связь Обнаружено, что максимум отраженного излучения находится в области 0,6 - 0,7 мкм Его вариации в зависимости от концентрации взвеси и ее состава, а также метеорологических условий предполагается исследовать с помощью быстродействующего спектрорадиометра в последующих экспериментах

Рис 18 Схема части водохранилища (2-12 км от устья) с изолиниями энергетической яркости (1 2-6 отн ед )для длины волны 0,65 мкм

Основные результаты н выводы по работе

1 Создан комплекс спектрорадиометрической и фотоэлектрической аппаратуры для исследования стохастической структуры полей яркости природных объектов (облаков, атмосферы и подстилающей поверхности) в спектральном интервале 0,4-13 мкм, который по совокупности основных характеристик не имеет аналогов в России При разработке приборов комплекса использованы новейшие отечественные и зарубежные достижения, а также собственные изобретения и патент

2 Исследованы погрешности градуировки спектрорадиометрической аппаратуры, при которой учитывались температура и нестабильность температуры АЧТ, юменение полосы пропускания интерференционного фильтра, изменение длины волны максимального пропускания и уровня фона вне полосы пропускания фильтра, характеристики конкретных приемников ИК-излучения Результаты проведения исследований позволили сократить погрешности измерений до 4-8% Проведена градуировка приборов комплекса по источникам излучения - Государственным эталонам

3 С помощью приборов комплекса впервые исследована пространственная и спектральная структура полей излучения кучевых (Си) и слоисто-кучевых (Б с) облаков в различных спектральных интервалах диапазона 0,4-13 мкм

3 1 Обнаружены тесные корреляционные связи между флуктуациями энергетической яркости (ЭЯ) форм облаков (Си) и (Бс) в спектральных интервалах 1,5-1,8, 2,04-2,32, 1,6-2,86 мкм Коэффициент взаимной корреляции ЩХ] Х2) 0,98 Корреляционные связи в указанных интервалах и полосе поглощения 2,6-2,86 мкм (НгО, СОг) ослаблены, что говорит о различной пространственной структуре форм облаков (Си) и (Эс) в полосе поглощения и окнах прозрачности атмосферы

3 2 Установлены зависимости статистических характеристик от угла О между направлениями на солнце и «центр» исследуемого поля кучевой облачности в диапазоне 1,5-1,8 мкм Средние значения, дисперсии и пространственные спектры флуктуаций СПЭЯ заметно уменьшаются с увеличением <2 В области пространственных частот ш, рад"1 >20, пространственные спектры могут быть аппроксимированы зависимостью со"5'3 для всех углов (2 в интервале 30-90° и количества облаков 4-6 баллов

км

4 При исследовании стохастической структуры полей энергетической яркости (Си) и (Бс) облаков в диапазоне 1,8-5,6 мкм для углов О >60° и углов места у 0-40° обнаружены тесные корреляционные связи между флуктуациями для длин волн, относящихся к окнам прозрачности атмосферы, как в области рассеянного солнечного излучения, так и собственного излучения облаков указанного диапазона (ЩХ^ к2) ~ 0,7 -0,88 В полосах поглощения связи практически отсутствуют

5 Определено распределение СПЭЯ (Си) и (в с) облаков 6-9 баллов в области 1,8-5,6 мкм в пригоризонтной зоне (у = 0 - 40°) над морем и сушей В области 1,8-2,9 мкм структура СПЭЯ обусловлена рассеянием солнечного излучения и сильно изменчива Область 3-5,6 мкм наиболее стабильна практически для всех условий измерений, СПЭЯ близки к излучению абсолютно черного тела (АЧТ) при температуре окружающего воздуха. Максимальные дисперсии СПЭЯ обнаружены в окрестностях длины волны 2,24 мкм (1,5 10"8 (Вт см"2 ср"1 мкм"1)) 2, минимальные - в полосах поглощения данного диапазона (5,5 10"12(Втсм"2 ср"1 мкм"'))2

6 Выявлены зависимости дисперсий флуктуаций СПЭЯ формы облаков (Си) и (Б с) для различных длин волн диапазона 1,8-5,6 мкм и различных углов О

7 Показана возможность использования горизонтальных трасс для абсолютной калибровки оптико-электронных приборов по излучению атмосферных газов (СОг - 4,3 мкм и Н20- 5,6 мкм)

8 Экспериментально определены изофоты безоблачного неба в четырех различных спектральных интервалах ближней ИК-области спектра (1,5-1,8, 2,04-2,32,1,6-2,86, 2,6 - 2,86 мкм) в абсолютных величинах энергетической яркости Выявлено удовлетворительное согласие экспериментальных данных с расчетными

9 На основе многолетних исследований оптико-физических, агрометеорологических, фитоактинометрических и других характеристик природных сред и элементов ландшафта по устойчивым признакам (яркосгным, радиационным, корреляционным, пространственным и др), приведены данные по оптимизации временных интервалов между измерениями яркостных характеристик при различных метеорологических условиях и освещенности

Проведена систематизация данных по распределению энергетической яркости элементов ландшафта в области 0,4-1,2 мкм (трава, лес, промышленные сооружения)

Выявлены временные корреляционные связи яркостных характеристик элементов ландшафта при различных метеоусловиях и условиях освещенности

Приведена оценка мутности водных бассейнов дистанционными методами Разработан и используется в экспериментальных исследованиях облакообразования седиментационный метод определения размеров крупных облачных капель

Разработаны научно-методические основы регулярных измерений влажности различных типов почв на полях Мапоярославецкого района фотоэлектрическим измерителем влажности Среднеквадратичная погрешность измерений при этом в сравнении с термосгатно-весовым методом не превышала 2% при 95% доверительном интервале

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях Министерств сельского хозяйства, природных ресурсов, Управления Росгидромета и Регионального Управления сельского хозяйства РФ

Таким образом, совокупность выполненных исследований представляет собой решение важной научно-технической проблемы - разработки методов и оптико-электронных приборов для параметризации природных сред облачных полей и подстилающей поверхности в спектральном диапазоне 0,4-13 мкм, аппаратурного определении формы и балла облачности, разработки фотоэлектрических приборов для определения влажности почвы и определения размеров крупных облачных капель, подтверждении возможности использования спектрорадиометрических приборов для дистанционного оперативного определения загрязнения водной поверхности нефтепродуктами и минеральными частицами

Личный вклад автора. Разработка комплекса спектрорадиометрической и фотоэлектрической аппаратуры и проведение экспериментальных исследований было бы невозможно без сотрудничества с коллегами из НПО «ТАЙФУН» и других организаций

Создание комплекса осуществлялось под научно- методическим руководством автора и при его непосредственном участии ( разработка и расчет оптико- механических узлов, расчет и изготовление блоков электроники, моделей АЧТ и других поверочных средств)

Исходные идеи методики экспериментальных исследований и статистической обработки результатов измерений были сформулированы совместно с Алленовым МИ, Вольвачем В В

Анализ возможных погрешностей спектрорадаометрической аппаратуры проводился совместно с Булгаковым В Г, Мамоновой И Г

Программно- алгоритмическое обеспечение работ, статистический анализ экспериментальных данных был выполнен в тесном сотрудничестве с Булгаковым В Г, Шкодкиным А В , Яхрюшиным В Н

Автору принад лежит формулировка основных идей, методов и задач исследований, изложенных в диссертации, непосредственное участие в создании аппаратуры, проведении измерений, а также ведущая роль в интерпретации данных

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

(* - работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования

РФ)

1* Третьяков НД Решающий усилитель для вычисления логарифма отношения // Приборы и техника эксперимента -1976 - №6 -С 89-91

2* Третьяков НД Фотодатчик с логарифмической передаточной характеристикой // Приборы и техника эксперимента - 1978 - №4 - С 93-98

3* Третьяков Н Д Импульсный стабилизатор скорости электродвигателя постоянного тока И Приборы и техника эксперимента - 1982 -№5 -С 208-210

4* Третьяков Н Д Фазочувствительный демодулятор с импульсными выборками для фотоприемника //Приборы и техника эксперимента -1983 - №4 -С 146-148

5* Третьяков Н Д , Вишератин КН Малощумящий измерительный усилитель с синхронным детектором для фотоприемника // Приборы и техника эксперимента - 1989 -№4 -С 142-143

6* А с №526826 РФ от 30 08 76 РФ МПК GOlp 3/68 Устройство для измерения линейной скорости / Третьяков Н Д №2014575/10, заяв 17 04 74, опубл бюл №32, с 120

7* Алленов М И Осипова Н И, Третьяков Н Д Быстродействующий клиновой спектрометр //Приборы и техника эксперимента -1980-№2 -С 224

8* Алленов МИ, Ген А А, Марциновский С А, Птахин В И, Третьяков НД Быстродействующий клиновой спектрометр на область 0,4-2,9 мкм // Приборы и техника эксперимента - 1980 - №6 - С 215

9* Алленов М И, Булгаков В Г, Третьяков Н Д Сканирующий низкотемпературный радиометр // Приборы и техника эксперимента - 1983 - №2 -С 256

10* А С №1062533 (СССР) МКИ3 3/48 Широкоугольный спектрорадиометр // Алленов МИ, Булгаков ВГ, Третьяков НД - №3408839/25, заявл 19 03 82, опубл 23 12 83 Изобретения -1983 -№12-С 169

11* Алленов МИ, Булгаков ВГ, Иванова НП, Третьяков НД Исследование распределения излучения облачной атмосферы по направлениям в спектральном

интервале 8-13 мкм // XIV Всесоюз конф по распространению радиоволн Тез докл -Л Наука, 1984 - С 123-124

12* Алленов М И, Булгаков В Г, Третьяков Н Д Исследование флуктуаций спектральной яркости атмосферы в области спектра 1,8-5,6 мкм //XIV Всесоюз конф по распространению радиоволн Тез докл - Л Наука, 1984 - С 14-16

13* Алленов АМ, Иванова НП, Овчинников ВВ, Третьяков НД Пространственные корреляционные связи флуктуаций энергетической яркости облачности в интервалах диапазона 1,4-13 мкм // Оптический журнал — Т 66, №12 -1999 - С 99-100

14* Патент №2125250 РФ от 21 01 99 РФ МПК 6 в 01 1 3/28 Широкоугольный спектрорадиометр / Алленов А М, Богданович С А, Гусев А И, Иванов В Н, Соловьев В А, Третьяков НД -№97114541/25(014620), заявл 11 08 97,опубл бюл №2, с 199

15* Алленов М И, Остова Н И, Третьяков Н Д Быстродействующий клиновой спектрометр //Приборы и техника эксперимента -1980 - №2 -С 224

16 Третьяков НД Экспериментальные исследования пространственной и спектральной структуры полей яркости кучевой и слоисто-кучевой облачности в спектральном интервале 1,5-5,6 мкм Дис канд физ-мат наук -Обнинск, 1985 -176 с

17 Третьяков НД Фотоэлектрический измеритель размеров капель // Труды ИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1976 -Вып 14(59) -С 60-66

18Третьяков НД Коммутатор аналоговых сигналов //Труды ИЭМ - М Гидрометеоиздат 1983 -Вып 4(83) -С 78-81

19 Третьяков Н Д Прецизионное пропорциональное термостатирующее устройство // Труды ИЭМ- М Гидрометеоиздат, 1983 -Вып 6(107) - С 97-100

20 Третьяков Н Д Решающий усилитель для вычисления логарифма отношения // Разработка и использование научных приборов в научно-исследовательских учреждениях Госкомгидромета Сб докл научной конференции - Обнинск, 1979 - С 23

21 Третьяков Н Д, Алленов М И, Иванов В Н, Коваленко В А, Новиков Н Н, Бирюков В Г, Вольвач В В Экспериментальные результаты исследований спектральной структуры отражения загрязненных элементов ландшафта // Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» Тез докл - С-Петербург, 2006 -С 122-123

22 Третьяков Н Д, Алленов М И, Иванов В Н, Кондратюк В И Автоматизированная система параметризация и распознавания форм облачности // Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» Тез докл -С-Петербург, 2006 -С 137

23 Третьяков Н Д Решающий усилитель для вычисления логарифма отношения // Разработка и использование научных приборов в научно-исследовательских учреждениях Госкомгидромета - Тез докл Всесоюз совещания - Москва, 1979 -С 6

24 Алленов М И, Мамонов В К, Матвеев О М, Печорин В Т, Третьяков Н Д Многоканальный радиометр для исследования радиационной структуры полей природных образований //ТрудыИЭМ -Вып 4(61) -М Гидрометеоиздат, 1976 --С 3-10

25 Алленов М И, Осипова Н И, Третьяков Н Д Быстродействующий спектрометр на область спектра 0,4-1,1 мкм // Всесоюз совещание по распространению оптического излучения в дисперсной среде/ Обнинск - М Гидрометеоиздат, 1978 - С 170-172

26 Алленов М И, Булгаков В Г , Третьяков Н Д Низкотемпературный радиометр на область спектра 8-13 мкм // Труды ИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1983 Вып 6(107) -С 43-47

27 Конов А Ф, Третьяков Н Д Быстродействующий биометрический фотометр //ТрудыВНИИСХМ - Л Гидрометеоиздат, 1981 -Вып 5-С 25-28

28 Алленов М И, Осипова Н И, Третьяков Н Д Быстродействующий клиновой спектрометр//Труды ИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1980 -Вып 5(94)-С 59-62

29Апленов МИ,Осипова НИ, Смирнова ЕП, Третьяков НД, Шишкина ЛП Комплекс для исследования спектральных и энергетических характеристик атмосферы, облаков и подстилающей поверхности в области 0,4-13 мкм // Тез докл XI Всесоюз совещания по актинометрии / Таллин, 1980 -ЧП - С 97-90

30 Алленов М.И, Булгаков В Г, Смирнова Е П, Третьяков Н Д, Шишкина Л П Низкотемпературный радиометр на область 8-13 мкм // XI Всесоюз совещание по актинометрии Тез докл - Таллин, 1980 - Ч П - С 168-171

31 Алленов М И, Осипова Н И, Третьяков Н Д Аппаратура для исследования оптических характеристик атмосферы и других природных образований (обзор) // Гидрометеорология Серия Автоматизация сбора и обработки гидрометеорологической информации Обзорная информация - Обнинск, ВНИИГМИ-МЦД, 1981 -Вып 2 -48 с

32 Алленов М И, Третьяков Н Д Клиновой спектрорадиометр на область спектра 1,8-5,6мкм//ТрудыИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1985 -Вып 9(124) С 62-68

33 Алленов М И, Третьяков Н Д Быстродействующий спектрометр на область спектра 0,4-1,1 мкм / Всесоюз совещание «Разработка и использование научных приборов в научно-исследовательских учреждениях Госкомгидромета» Тез докл - Москва, 1979 -С 5-6

34 Конов АФ, Сулимов НН, Третьяков НД Оптический влагомер // Микроклимат ландшафтов Тез докл Всероссийской конф (с международным участием) - С -Петербург, 1995 - С 88-89

35 Алленов МИ, Третьяков НД Портативный инфракрасный радиометр для дистанционного определения температуры объектов // Труды ИЭМ - С -Пб Гидрометеоиздат, 1995 -Вып 25(160) -С 126-132

36 Алленов МИ , Третьяков НДСканирующий абсолютный радиометр для измерения низкотемпературных излучений // Труды ИЭМ - С -Пб Гидрометеоиздат, 1995 -Вып 25(160) - С 132-138

37 Алленов М И, Вольвач В В , Коваленко В Ф, Конов А Ф , Третьяков Н Д Полевой фотоэлектрический (инфракрасный) влагомер почв // Труды ВНИИСХМ-Обнинск2006 -Вып 35 -С 159-165

38 Беляев С П, Захарюженков П И, Ким В М, Матвеев В Н, Третьяков Н Д Некоторые результаты определения ядра столкновения облачных капель // Труды ИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1976 -Вып 14(59) ~С 41-49

39 Вольвач В В , Алленов М И, Конов А Ф, ТретьяковН Д Оптический влагомер почв // Техническая конференция ВМО по приборам и методам наблюдений в области метеорологии и окружающей среды - Братислава, Словакия, 2002-С 105-108

40 Гусев АИ, Алленов AM, Алленов МИ, Иванов ВН, Третьяков НД Оптико-электронная система измерений полусферической спектральной плотности энергетической яркости неба в диапазоне 0,35-2,9 мкм // Техническая конференция ВМО по приборам и методам наблюдений в области метеорологии и окружающей среды -Братислава, Словакия, 2002 - С 118-120

41 Гусев А И, Алленов А М, Алленов М И, Иванов В Н, Третьяков Н Д Метод и радиометр для определения форм и количества облачности // Техническая конференция ВМО по приборам и методам наблюдений в области метеорологии и окружающей среды - Братислава, Словакия, 2002-С 131-133

42 Бирюков В Г, Алленов М И, Третьяков Н Д, Юдин С Г Экспресс-метод для оценки загрязнений жидких сред и осадков // Сб докладов науч конф по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах - участниках СНГ, посвященной 10-летию образования МСГ, Санкт-Петербург, 2002 -С 152-155

43 Алленов М И, Третьяков Н Д Быстродействующий спектрометр на область спектра 0,4-1,1 мкм //Разработка и использование научных приборов в научно-

исследовательских учреждениях Госкомгидромета Сб докл научной конференции -Обнинск, 1979 -С 23

44 Алленов М И, Вольвач В В, Коваленко В А, Конов А Ф, Третьяков Н Д Результаты натурных испытаний оптического влагомера почв //Опыт агрометеорологического обеспечения аграрного сектора экономики Сб докл Всероссийской научной конференции - Обнинск, 2000 -С 88-101

45 Алленов М И, Гусев В И, Иванова Н П, Третьяков Н Д Об устойчивости (изменчивости) яркостных признаков элементов подстилающей поверхности по данным дистанционного зондирования с летательных аппаратов // Опыт агрометеорологического обеспечения аграрного сектора экономики Сб докл Всероссийской научной конференции - Обнинск, 2000 -С 54-55

46 Алленов М И, Васильев А С, Давлетшина Р А, Коваленко В А, Иванов В Н, Третьяков Н Д Методы, спектрорадиометрическая аппаратура и результаты исследований оптических характеристик типовых элементов ландшафта с высотной метеорологической мачты (ВММ-313) высотой 313 м // Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2), 18-21 июня 2002 г - Санкт-Петербург, 2002 -С 3437

47 Алленов МИ, Гусев В И, Иванова НП, Сулимов НН, Третьяков НД Оптимизация временных интервалов между измерениями яркостных характеристик растительных покровов при различных разорванных формах облачности // Опыт агрометеорологического обеспечения аграрного сектора экономики Сб докл Всероссийской научной конференции - Обнинск, 2000 -С 28-29

48 Алленов М И, Третьяков Н Д Полусферический спектрорадиометр // IV Симпозиум «Оптика атмосферы и океана» -Томск, 1997-С 68-69

49 Алленов М И, Мамонова И Г, Третьяков Н Д О возможных погрешностях радиометрической аппаратуры//Труды ИЭМ - М Гидрометеоиздат, 1981 -Вып 10(84) - С 7-16

50 Алленов М И, Мамонова И Г , Третьяков Н Д О некоторых погрешностях радиометрической аппаратуры // XI Всесоюзное совещание по актинометрии Тезисы докладов -Таллин, 1980 - С 171-173

51 Алленов МИ, Осипова НИ, Третьяков НД Методы энергетической градуировки радиометрической аппаратуры (обзор) // Труды ИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1985 -Вып 8(117) -С 3-30

52 Алленов МИ, Буханцов НИ, Третьяков НД О погрешностях измерений низкотемпературных излучений в области спектра 8-13 мкм нетермостабилизированными оптическими приборами //Труды ИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1986 -Вып 40(123)-С 88-92

53 Булгаков В Г, Третьяков Н Д, Хананьян М Ю О некоторых погрешностях спектрорадиометрической аппаратуры с интерференционными светофильтрами // Труды ИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1987 -Вып 19(125) - С 45-47

54 Алленов М И, Третьяков Н Д, Васильев А С, Давлетшина Р А, Коваленко В А, Иванов В Н Методы, спектрорадиометрическая аппаратура и результаты исследований оптических характеристик типовых элементов ландшафта с высотной метеорологической мачты (ВММ-313) высотой 313 м // Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2) Санкт-Петербург, 2002 -С 34-36

55 Алленов МИ, Булгаков ВГ, Иванова НП, Третьяков НД Исследование флуктуаций яркости слоисто-кучевых облаков // Труды ИЭМ — М Гидрометеоиздат, 1981 -Вып 10(84) - С 43-48

56 Булгаков В Г, Иванова Н П, Третьяков Н Д Исследование полей яркости различных форм облаков с помощью многоканального ИК-радиометра // XI Всесоюз совещание по актинометрии Тез докл -Таллин, 1980 -Ч IV -С 123-126

57 Алленов М И, Иванов В Н, Савин Г А, Третьяков Н Д О возможности оценки мутности водных бассейнов дистанционным методом // Труды ИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1984 - Выл 14(110) - С 36-40

58 Алленов М И, Третьяков Н Д Исследование угловой зависимости пространственной структуры полей яркости кучевых облаков в спектральном интервале 1,5-1,8 мкм // Труды ИЭМ - М Гидрометеоиздат, 1985 -Вып 17(116) -С 37-40

59 Алленов МИ, Третьяков НД Исследование спектральной энергетической яркости облаков в области 1,8-5,6 мкм // Труды ИЭМ - М Гидрометеоиздат, 1985 -Вып 9(124) - С 57-65

60 Алленов М И, Иванов В М, Савин Г А, Третьяков Н Д Некоторые возможности оценки оптическим методом загрязнений водного бассейна минеральными выносами рек // Биосфера и климат по данным космических исследований Первая Всесоюз конф Тез докл -Баку, 1982 -Изд-во«ЭЛМ» -С 338-339

61 Алленов МИ, Булгаков В Г, Иванова НП, Третьяков НД Угловые зависимости статистических характеристик излучения кучевых и высококучевых облаков // Труды ИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1986 -Вып 17(116) - С 34-37

62 Алленов МИ, Булгаков ВГ, Иванова НП, Осипова НИ, ТретьяковыД Исследование связей флукгуаций яркости облачной атмосферы в двух и 10 микрон-ных окнах прозрачности // Труды ИЭМ - М Гидрометеоиздат, 1987 - Вып 19(125) -С 41-45

63 Алленов МИ, Булгаков ВГ, Денисов АБ, Иванова НП, Третьяков НД Статистическая структура спектрального распределения яркости элементов ландшафта в области 0,4-1,2 мкм // Труды ИЭМ - М Гидрометеоиздат, 1988 - - Вып 47(137) -С 113-122

64 Алленов М И, Булгаков В Г, Денисов А Б, Осипова Н И, Третьяков Н Д Результаты измерений спектрального распределения яркости элементов ландшафта в области спектра 0,4-1,2 мкм//Труды ИЭМ -М Гидрометеоиздат, 1988 -Вып 47(137) -С 123-126

65 Алленов М И, Булгаков В Г, Денисов А Б, Иванова Н П, Осипова Н И, Третьяков Н Д Результаты экспериментальных исследований спектрального распределения излучения земной поверхности в интервале 0,4-1,2 мкм // В кн «Распространение оптических волн в атмосфере и адаптивная оптика» - Томск, Институт оптики атмосферы, 1988 - С 37-40

66 Алленов МИ, Богданович С А, Матвеев ОМ, Третьяков НД, Хананьян М Ю, Ярыгин Е Г Экспериментальные исследования тонкой пространственной структуры полей излучения в области 1,8-13 мкм в пригоризонтной зоне над морем // П Межреспубликанский симпозиум «Оптика атмосферы и океана» Тез докл - Томск, 1995-С 51-53

67 Алленов М И, Бурдюг В Б, Овчинников В В, Третьяков Н Д Пространственные корреляционные связи флукгуаций энергетической яркости облачности в интервалах диапазона 1,4-13 мкм // Международная конференция «Прикладная опгика-98» Тез докл - С -Петербург, 1998 - С 152

68. Алленов МИ, Гусев АИ, Сулимов НН, Третьяков НД Распознавание элементов ландшафта системами дистанционного зондирования в интервале 0,4-1,2 мкм // Международная конференция «Прикладная оптика-98» Тез докл - С -Петербург, 1998 -С 67-68

69 Алленов М И, Бурдюг В Б, Овчинников В В , Третьяков Н Д Пространственные корреляционные связи флуктуаций энергетической яркости облачности в интервалах диапазона 1,4-13 мкм / / Международная конференция «Прикладная оптика-98» Тез докл - С-Петербург, 1998 -С 152

70 Алленов М И , Булгаков В Г, Денисов А Б, Иванова Н П, Третьяков Н Д Статистическая структура спектрального распределения яркости элементов ландшафта в

области 0,4-1,2 мкм // Труды ИЭМ - М Гидрометеоиздат, 1988 - Вып 47(137) -С 113-122

71 Алленов М И, Булгаков В Г,Денисов А Б, Иванова Н П, Третьяков Н Д Результаты измерений спектрального распределения яркости элементов ландшафта в области спектра 0,4-1,2 мкм//Труды ИЭМ - М Гидрометеоиздат, 1988 -Вып 47(137) -С 123-126

72 Алленов М И, Булгаков В Г, Матвеев О М, Соловьев В П,Тихомиров Ю Ф , Третьяков Н Д, Хананьян М Ю , Ярыгин Б Г Предварительные результаты измерений пространственного распределения яркости пригоризонтной зоны ИК-радиомегром на область спектра 8-12,5 мкм //Труды ИЭМ-М Гидрометеоиздат, 1990 -Вып 22(144) -С 69-75

73 Алленов М И, Иванов В Н, Клещенко А Д, Третьяков Н Д О полигоне и некоторых результатах оценки состояния природных сред, полученных с высотной метеомачты г Обнинска // Сб докл Всероссийской науч конф «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» - Муром, 2001 -С 566-568

74 Алленов М И, Васильев А С , Давлетшина Р А , Коваленко В А, Иванов В Н, Третьяков Н Д Методы, спектрорадиометрическая аппаратура и результаты исследований оптических характеристик типовых элементов ландшафта, полученных с высотной метеорологической мачты (ВММ-313) высотой 313 м// Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация (МСАР-2) Тез докл - Санкт-Петербург, 2002 - С 159

75 Алленов М И, Иванова Н П, Овчинников В В , Радионов В Ф, Третьяков Н Д Методологические аспекты и разработки дистанционных средств измерений составляющих радиационного баланса // Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» Тез докл - С-Петербург, 2004 -С 148-149

Подписано к печати 27 08 2007 г Формат 60x84/16 Уел п л 2 0 Тираж 100 экз. Заказ № 19 Отпечатано в AHO ВНИИГМИ-МЦД, 249035 Обнинск, ул Королева, 6

Содержание диссертации, доктора технических наук, Третьяков, Николай Дмитриевич

Введение

1. Комплекс аппаратуры для исследования спектральных и энергетических характеристик атмосферы, облаков и подстилающей поверхности в области 0,4 - 13 мкм

1.1. Многоканальный радиометр для исследования радиационной структуры полей природных образований

1.2. Быстродействующий клиновой спектрорадиометр на область спектра 0,4 - 2,9 мкм

1.3. Клиновой спектрорадиометр на область спектра 1,8-5,6 мкм

1.4. Малогабаритный низкотемпературный радиометр на область спектра 8-13 мкм

1.5. Сканирующий низкотемпературный радиометр на область спектра 8-13 мкм

1.6. Широкоугольные спектрорадиометры

1.7. Автоматизированная система для наблюдений и распознавания форм и балла облачности

1.8. Выводы по первой главе

2. Фотоэлектрические приборы для измерения влажности почвы и размеров крупных (> 75 мкм) облачных капель

2.1. Полевой фотоэлектрический влагомер почв

2.2. Фотоэлектрический измеритель размеров капель

2.3. Выводы по второй главе

3. О возможных погрешностях радиометрической аппаратуры

3.1. О влиянии полосы пропускания интерференционного фильтра, уровня фона вне полосы, температуры эталонного источника для различных приемников инфракрасного излучения

3.2. О погрешностях измерений низкотемпературных излучений в области спектра 8-13 мкм, нетермостабилизированными оптическими приборами

3.3. О влиянии уровня фона вне полосы пропускания клинового интерференционного светофильтра на коэффициент передачи спектрорадиометра на область спектра 1,8 - 5,6 мкм

3.4. О влиянии полосы пропускания фильтра и нестабильности эталонного источника при градуировке радиометрической аппаратуры

3.5. Выводы по третьей главе

4. Методика проведения измерении и статистической обработки результатов измерений

4.1. Методика проведения измерений

4.2. Методика статистической обработки результатов измерений

4.3. Выводы по четвертой главе

5. Экспериментальные исследования спектральной и пространственной структуры полей яркости облаков

5.1. Исследование угловой зависимости пространственной структуры полей яркости кучевых облаков в спектральном интервале 1,5-1,8 мкм

5.2. Исследование флуктуаций энергетической яркости слоисто-кучевых облаков

5.3. Совместные измерения яркости излучения атмосферы в различных спектральных интервалах

5.4. Исследования спектральной энергетической яркости облаков в области 1,8 - 5,6 мкм

5.5. Распределение излучения в условиях ясного неба в области 1,5- 2,86 мкм

5.6. Выводы по пятой главе

6. Экспериментальные исследования спектральной и пространственной структуры полей яркости подстилающей поверхности и элементов ландшафта

6.1. Результаты измерений спектрального распределения яркости элементов ландшафта в области спектра 0,4 - 1,2 мкм

6.2. О временных корреляционных связях яркостиых характеристик элементов ландшафта в видимой и ИК-областях спектра

6.3. Корреляционные связи яркостных характеристик элементов ландшафта в диапазоне 0,4 - 1,2 мкм при различных метеоусловиях

6.4. Статистическая структура спектрального распределения яркости элементов ландшафта в области 0,4 - 1,2 мкм

6.5. О возможности оценки мутности водных бассейнов дистанционными методами

6.6. Результаты исследования некоторых элементов ландшафта при различных метеорологических условиях и условиях освещенности

6.7. Выводы по шестой главе

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методов и измерительных приборов для параметризации и объективного распознавания состояния природных сред"

Излучение облаков, неоднородное излучение атмосферы и подстилающей поверхности обладают той особенностью, что созданное ими поле излучения описывается лишь случайной функцией энергетической яркости, подчиняющейся некоторым статистическим законам.

Исследования стохастической структуры облаков представляют большой научный интерес для изучения ряда физических процессов в атмосфере, поскольку облака, аэрозоль и водяной пар с точки зрения радиационного климата, являются ключевыми объектами, которые отличаются максимальной изменчивостью, подвижностью и многообразием процессов взаимодействий. Именно облака, являясь естественным модулятором приходящего коротковолнового солнечного излучения и уходящего длинноволнового собственного излучения, непосредственно влияют на радиационный баланс планеты, а, следовательно, на климат в глобальном масштабе. Характеристики пространственной структуры облачных полей являются важнейшим источником метеорологической информации и учитываются при оперативном прогнозе погоды [1].

Вследствие нелинейности многих природных процессов, например, нагревания атмосферы, подстилающей поверхности, таяния снега и т.д., воздействие радиации на эти процессы определяется не только средним количеством поступающей энергии, но также и ее пространственно-временной изменчивостью, определяемой в основном стохастической структурой облачных полей.

Кроме задач геофизического характера, исследования пространственной и спектральной структуры полей яркости облаков имеют большое значение для решения ряда задач прикладного характера, таких, например, как видимость сквозь облака с летательных аппаратов, задач определения условий наблюдаемости объектов на фоне переменной облачности, слежения, навигации и многих других. В этом случае спектральная и пространственная структура излучения облаков является оптическим фоном, который, наряду с полезным сигналом неизбежно присутствует на входе любой оптико-электронной системы (ОЭС) как мешающий сигнал (помеха), и его параметризация помогает во многих случаях правильно спроектировать ОЭС, оценить их возможности для решения практических задач, увеличить надежность, чувствительность, дальность действия и многие другие параметры.

Для решения многих задач, связанных со стохастической структурой излучения облачных полей, особый интерес представляет спектральный диапазон 1,5-5,6 мкм, так как в нем мало как рассеянное коротковолновое солнечное излучение, так и собственное, тепловое излучение облаков, что и создает предпосылки для построения ОЭС, работающих в этом спектральном интервале [2].

Однако до настоящего времени стохастическая структура полей яркости объектов в этом исключительно важном с многих точек зрения спектральном интервале практически не изучена. Проведенные другими авторами исследования относятся к спектральному интервалу 0,4-1,5 мкм, 6,3 мкм и частично к диапазону 8-13 мкм [1, 3-22].

Основная причина - отсутствие промышленных высокочувствительных, высокоразрешающих по пространству спектрорадиометрических приборов для диапазона 1,5-5,6 мкм, создание которых является сложной научной и технической задачей [23].

Чрезвычайно важным представляется также вопрос исследования спектральной и пространственной структуры излучения (отражения) подстилающей поверхности [24-30]. Результаты этих исследований все шире используются в задачах геофизического содержания и других приложениях, где важно знать собственное и отраженное излучение элементов земной поверхности. Весьма активно они используются для поиска, распознавания и охраны природных ресурсов и для решения задач сельского хозяйства. Однако, как подчеркивают авторы, в данном вопросе сделаны лишь первые шаги. Спектральная структура отражения (излучения) элементов подстилающей поверхности исследовалась преимущественно в видимой области спектра весьма несовершенной аппаратурой. К настоящему времени практически не изучена стохастическая структура поля излучения различных поверхностей в условиях разорванной облачности. Не определено влияние на излучение элементов подстилающей поверхности углового распределения излучения, обусловленного распределением облачности по небосводу. Отсутствуют данные исследований корреляционных связей излучения по спектру длин волн и пространству элементов подстилающей поверхности. Сделаны лишь первые попытки по исследованиям тонкой спектральной (до 1 нм) и пространственной (до 5-20 м) структур отражения элементов, являющихся весьма информативными характеристиками при поиске природных ресурсов и очагов загрязнения природной среды [24].

Такое состояние в вопросе исследования структуры излучения связано со следующим.

Во-первых, природные объекты весьма разнообразны и изменчивы. Их оптические свойства зависят от множества факторов: метеорологических условий, фенологических особенностей, воздействия человека на природную среду, положения Солнца, температуры, влагосодержания, структуры и химического состава почв и др. Поэтому их чрезвычайно трудно параметризовать по определенным признакам.

Во-вторых, в настоящее время еще слабо развиты физико-технические основы дистанционных методов исследования, не совершенны современные средства анализа и обработки полученной информации. В практике не приняты унифицированные единые методы исследований, поэтому появляются противоречивые результаты даже при изучении оптических (яркостиых) и других признаков сходных объектов [31, 32].

В - третьих, отсутствие промышленных высокочувствительных, высокоразрешающих по пространству спектрорадиометров, создание которых, как отмечалось ранее, является сложной научной и технической задачей.

Целью настоящей работы является, создание комплекса спектрорадиометрической и фотоэлектрической аппаратуры для экспериментальных исследований спектральной и пространственной структуры излучения полей рассеянного солнечного и собственного теплового излучения облаков, атмосферы и подстилающей поверхности для выявления закономерностей флуктуаций излучения при различных состояниях атмосферы и подстилающей поверхности и получении количественных оценок основных статистических характеристик радиационной структуры атмосферы и подстилающей поверхности в рамках корреляционной теории.

А также оценка возможности использования радиометрической аппаратуры диапазона 0,4-13 мкм для дистанционного оперативного определения загрязнений водных бассейнов нефтепродуктами и минеральными частицами.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1) разработать комплекс спектрорадиометрической и фотоэлектрической аппаратуры ;

2) изучить его возможности и оценить погрешности измерений;

3) провести экспериментальные исследования в натурных условиях;

4) проанализировать на основе статистических методов результаты измерений и выявить основные закономерности стохастической структуры полей яркости облаков, атмосферы и подстилающей поверхности;

5) оценить возможности спектрорадиометрической аппаратуры для оперативного дистанционного определения загрязнения водных бассейнов нефтепродуктами и минеральными частицами;

6) оценить возможность распознавания состояния элементов ландшафта по яркостным признакам в диапазоне 0,4-1,2 мкм; 7) оценить возможность и перспективность использования на сети гидрометеослужбы разработанного фотоэлектрического измерителя влажности почвы.

Научная новизна заключается в проведении законченных комплексных аппаратурно-методических разработок и натурных исследований включающих:

При этом получены следующие основные научные результаты:

2.Результаты диссертации использованы при выполнении работ, связанных с определением условий наблюдаемости объектов на фоне облаков и подстилающей поверхности, которые в этом случае рассматриваются как случайным образом изменяющаяся помеха.

3.Результаты исследований пространственно-временной изменчивости облачных и радиационных полей в различных спектральных интервалах 0,4-13 мкм используются при разработке спектрорадиометрических приборов различного назначения.

4. Анализ результатов дистанционного зондирования элементов ландшафта позволяет сделать вывод о возможности и перспективности разработанной спектрорадиометрической аппаратуры для оперативной оценки урожайности сельскохозяйственных культур, определения очагов загрязнений водных бассейнов нефтепродуктами и минеральными частицами.

5.Предложенный на основе ИК-спектроскопии метод измерения влажности почвы может рассматриваться как эталонный для наземной агрометеорологической сети Росгидромета, как наиболее точный, мобильный и оперативный.

6. Анализ экспериментальных данных позволил решить ряд методических проблем, в частности, показана возможность использования горизонтальных трасс для абсолютной калибровки спектрорадиометрической аппаратуры в полосах поглощения атмосферных газов СО? (4,3 мкм) и Н20 (5,6 мкм).

7.Показана возможность аппаратурным методом с использованием специально разработанного сканирующего радиометра определения типа и балла облачности.

Реализация научно-технических результатов

Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли промышленные испытания и внедрены на предприятиях:

Государственном учреждении «НПО «Тайфун», Военной Академии войсковой противовоздушной обороны вооруженных сил Российской Федерации (г. Смоленск, 1995, 1999), ГУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной метеорологии» (г. Обнинск, 2006), «ТАЛВИС» спирт заводе «Волковский» (г. Моршанск, 2006), Государственном техническом университете атомной энергетики (г. Обнинск, 2007), Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (г. С-Петербург, 2006); Кроме того, результаты исследований используются в научно-исследовательской и учебной работе в Военной Академии войсковой противовоздушной обороны вооруженных сил Российской Федерации.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзном совещании по распространению оптического излучения в дисперсной среде (Обнинск, 1978 г.), Всесоюзном совещании «Разработка и использование научных приборов в научно-исследовательских учреждениях Госкомгидромета» (Москва, 1979 г.), XI Всесоюзном совещании по актинометрии (Таллинн, 1980 г.), Первой Всесоюзной конференции «Биосфера и климат по данным космических исследований» (Баку, 1982 г.),XIV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Ленинград, 1984 г.), Третьей военно-научной конференции смоленского высшего зенитного ракетного инженерного училища (Смоленск, 1987 г.), Всероссийской конференции (с международным участием) «Микроклимат ландшафтов» (С.-Петербург, 1995 г.), II Межреспубликанском симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1995 г.), IV Симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1997 г.), Международной конференции

Прикладная оптика - 98» (С.-Петербург, 1998 г.), Всероссийской научной конференции «Опыт агрометеорологического обеспечения аграрного сектора экономики «(Обнинск, 2000 г.), Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» (Муром, 2001 г.), Технической конференции ВТО по приборам и методам наблюдений в области метеорологии и окружающей среды (Братислава, Словакия, 2002 г.), Научной конференции по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах- участниках СНГ (С.-Петербург, 2002 г.), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2)(С.-Петербург, 2002 г.), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (С.-Петербург, 2004 г.), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (С.-Петербург, 2006 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 72 научных работ, получено 2 авторских свидетельства и 1 патент.

На защиту выносятся:

1 .Разработанный комплекс спектрорадиометрической и фотоэлектрической аппаратуры для исследования стохастической структуры полей природных образований в спектральном интервале 0,4-13 мкм;

2.Анализ погрешностей спектрорадиометрической аппаратуры, который включает влияние полосы пропускания интерференционного светофильтра, уровня фона вне полосы пропускания, температуры и нестабильности температуры эталонного излучателя для различных приемников инфракрасного излучения, влияние собственного излучения оптических элементов и элементов конструкции приборов.

3.Экспериментальные результаты исследования спектральной плотности энергетической яркости облаков в диапазоне 1,8-5,6 мкм и 8-13 мкм.

Экспериментальные результаты исследований угловой зависимости полей яркостей кучевых облаков в спектральном интервале 1,5-13 мкм.

5.Экспериментальные результаты исследования связей флуктуаций яркости облачной атмосферы в двух- и десяти микронных окнах прозрачности. б.Экспериментальные результаты исследований при совместных измерениях яркости излучения атмосферы в различных спектральных интервалах.

7.Эксперименталоьные исследования спектральной и пространственной структуры полей яркости подстилающей поверхности и элементов ландшафта, в том числе спектрального распределения яркости элементов ландшафта в области спектра 0,4-1,2 мкм, временных корреляционных связей в видимой и ИК-областях спектра, возможности оценки загрязнения водных бассейнов нефтепродуктами и минеральными частицами

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 236 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка, 29 таблиц. Список литературы включает 112 наименований. Приложение содержит 9 страниц.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Третьяков, Николай Дмитриевич

Результаты работы позволяют сделать следующие основные выводы.

1. Создан комплекс спектрорадиометрической аппаратуры для исследования стохастической структуры полей яркости природных объектов (облаков, атмосферы и подстилающей поверхности) в спектральном интервале 0,4-13 мкм, который по совокупности основных характеристик не имеет аналогов в России. При разработке приборов комплекса использованы новейшие отечественные и зарубежные достижения.

2. Исследованы возможные погрешности градуировки спектрорадиометрической аппаратуры, при которой учитывались: температура и нестабильность температуры АЧТ, изменение полосы пропускания интерференционного фильтра, изменение длины волны максимального пропускания и уровня фона вне полосы пропускания фильтра, характеристики конкретных приемников ИК-излучения. Результаты проведения исследований позволили сократить погрешности измерений на 48%. Проведена градуировка приборов комплекса по источникам излучения -Государственным эталонам.

3. С помощью приборов комплекса впервые исследована пространственная и спектральная структура полей излучения кучевых (Си) и слоисто-кучевых (8с) облаков в различных спектральных интервалах диапазона 1,5-5,6 мкм.

Обнаружены сильные корреляционные связи между флуктуациями энергетической яркости (ЭЯ) (Си) и (Бс) в спектральных интервалах 1,5-1,8; 2,04-2,32; 1,6-2,86 мкм. Коэффициент взаимной корреляции ИДі, Х2) 0,98. Корреляционные связи в указанных интервалах и полосе поглощения 2,6-2,86 мкм (Н20, С02) ослаблены, что говорит о различной пространственной структуре (Си) и (8с) в полосе поглощения и окнах прозрачности атмосферы.

Установлены зависимости статистических характеристик от угла Q между направлениями на солнце и «центр» исследуемого поля кучевой облачности в диапазоне 1,5-1,8 мкм. Средние значения, дисперсии и пространственные спектры флуктуаций ЭЯ сильно уменьшаются с увеличением (). В области пространственных частот со, рад"1 >20, пространственные спектры могут быть аппроксимированы зависимостью а/5 3 для всех углов () в интервале 30-90° и количества облачности 4-6 баллов.

4. При исследовании стохастической структуры спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ) (Си) и (8с) облаков в диапазоне 1,8-5,6 мкм для углов () > 60° и углов места у 0 - 40° обнаружены сильные корреляционные связи между флуктуациями СПЭЯ для всех длин волн, относящихся к окнам прозрачности атмосферы, как в области рассеянного солнечного излучения, так и собственного излучения облаков указанного диапазона (Я(Х], Х2) ~ 0,7-0,88.) В полосах поглощения связи практически отсутствуют.

5. Определено распределение СПЭЯ (Си) и (8с) облаков 6-9 баллов в области 1,8-5,6 мкм в пригоризонтной зоне (у = 0 - 40°) над морем и сушей. В области 1,8-2,9 мкм структура СПЭЯ обусловлена рассеянием солнечного излучения и сильно изменчива. Область 3-5,6 мкм наиболее стабильна практически для всех условий измерений, СПЭЯ близки к излучению абсолютно черного тела (АЧТ) при температуре окружающего воздуха.

Максимальные дисперсии СПЭЯ обнаружены в окрестностях длины волны 2,24

8 2 1 11 2 мкм (1,5-10" (Вт-см" -ср" -мкм" ) , минимальные - в полосах поглощения

12 ^ 1 112 данного диапазона (5,5-10" (Вт-см"" -ср" -мкм" ) .

6. Выявлены зависимости дисперсий флуктуаций СПЭЯ (Си) и (8с) облаков для различных длин волн диапазона 1,8-5,6 мкм и различных углов () .

7. Показана возможность использования горизонтальных трасс для абсолютной калибровки оптико-электронных приборов по излучению атмосферных газов (С02 - 4,3 мкм и Н20- 5,6 мкм).

8. Экспериментально определены изофоты безоблачного неба в четырех различных спектральных интервалах ближней ИК-области спектра (1,5 - 1,8; 2,04 - 2,32; 1,6 - 2,86; 2,6 - 2,86 мкм) в абсолютных величинах энергетической яркости. Выявлено удовлетворительное согласие экспериментальных данных с расчетными (отличие не более 30%).

В заключении дадим некоторые рекомендации по проведению дальнейших исследований. Как показано в диссертационной работе, отдельные состояния атмосферы поддаются параметризации. С целью более полной и объективной параметризации, необходимо продолжить исследования с помощью комплексов спектрорадиометрической аппаратуры, которые позволили бы измерять как полусферическую энергетическую яркость и спектральную плотность энергетической яркости небосвода, так и маломасштабную структуру (до 1-5 мин. дуги) небосвода в области рассеянного солнечного и собственного излучения атмосферы. Такие исследования целесообразно провести для различных географических районов и метеорологических условий.

Ближайшие этапы работы должны быть направлены на исследования спектральной и пространственно-временной структуры излучения облачного и безоблачного неба в диапазоне 0,4-5,6 мкм. Из сказанного следует, что для проведения таких работ в первую очередь необходимо создать широкоугольные (измеряющие спектры излучения в полусфере) и узкоугольные с разрешением до десяти мин. дуги спектрометры и радиометры, а также быстродействующие и мобильные системы регистрации и обработки данных метеорологии.

Автор выражает глубокую благодарность доктору технических наук, профессору Алленову Михаилу Ивановичу, доктору географических наук,

236 доценту Вольвачу Василию Васильевичу, кандидату физико-математических наук, доценту Иванову Владимиру Николаевичу за всестороннюю помощь, консультации и поддержку при выполнении работы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Третьяков, Николай Дмитриевич, Обнинск

1. Малкевич М.С. Пространственная структура поля излучения как источник метеорологической информации / М.С. Малкевич, A.C. Монин, Г.В. Розенберг // Изв.АН СССР, сер. Геофизика. 1964, №3. - С. 394 - 407.

2. Гущин А.Н. Исследование пространственной структуры полей яркости Земли. / А.Н. Гущин, СТ. Слуцкая, Б.И. Шкурский // Оптико-механическая промышленность. 1977. - №6 - С. 10-13.

3. Авасте O.A. / O.A. Авасте, Т.Ф. Вийкт, JI.P. Дмитриева-Арраго // АН СССР, ФАО, 1978. Т. 14, №9. - С. 932 - 938.

4. Глазов Г.Н. Уравнения корреляционной функции интенсивности излучения для разорванной облачности / Г.Н. Глазов, Г.А. Титов // Изв. АН СССР, ФАО, 1976. Т. 12, №9. - С. 963 - 968.

5. Истомина Л.Г. Определение статистических характеристик пространственной структуры облачных полей по аэрофотографиям // Изв. АН СССР, ФАО, 1966. Т.2, №3. - С. 263 - 271.

6. Истомина Л.Г. О двумерной пространственной структуре яркости облачных полей / Л.Г. Истомина, Е.М. Козлов // Изв. АН СССР, ФАО, 1968. -Т.4, №7.-С. 717-727.

7. Кондратьев К.Я. Термическое зондирование атмосферы со спутников / К.Я. Кондратьев, Ю.Я. Тимофеев. Л.: Гидрометеоиздат, 1970- 409 с.

8. Малкевич М.С. Определение статистических характеристик радиционных полей над облаками / М.С. Малкевич, И.П. Малков, Л.А. Пахомова, Г.В. Розенберг, Г.П. Фарагонтова // Космические исследования. -1965. Т.З, вып.З. - С. 341 - 359.

9. Малкевич М.С. Об учете рассеяния при определении статистических характеристик поля отраженной солнечной радиации // М.С. Малкевич, Л.Г. Истомина // Изв. АН СССР, ФАО, 1971. Т.7, №2. - С. 133 - 138.

10. Мулламаа Ю.-А.Р. О статистических характеристиках радиционного поля облачного неба / Ю.-А.Р. Мулламаа, М.А. Сулев, В.К. Пылдмаа // Сб.

11. Радиация и облачность (исследования по физике атмосферы №12), Тарту, 1969. -С. 130 154. (АН ЭССР, Институт физики и астрофизики).

12. Наймуллер М.Г. Анализ облачности по данным инфракрасной съемки Земли со спутников экспериментальной системы «Метеор» / М.Г. Наймуллер, Д.М. Сонечкин, Т.А. Яковлева // Метеорология и гидрология. 1968. - №11. -С. 67 - 79.

13. Обухов A.M. О статистических ортогональных разложениях эмпирических функций /A.M. Обухов // Изв. АН СССР, сер. Геофизика. 1960. - №3. - С. 432-439.

14. Стохастическая структура полей облачности и радиации / Под ред. Ю.-А. Р. Мулламаа// АН ЭССР, Институт физики и астрофизики Тарту, 1972. -281 с.

15. Чапурский Л.И. Спектральная яркость облаков и объектов ландшафта в видимой и ближнем РЖ-участках спектра // Труды ГГО, 1968. Вып. 221. - С. 56-62.

16. Dowerty J.M. Some observation of the optical properties of clouds in the near infrared / J.M.Dowerty, Y.T, Houghton // Infrared Phys. 1984. - V. 24, No. 1. -P. 15-20.

17. Leese J.A. Application of two-dimensional spectral analysis to the Quantification of satellite cloud photographs /J.A. Leese, S. Epstein // J. Appl. Met. -1963. V. 2, No. 5. - P. 629-644.

18. Twomey S. Spectral reflactance of clouds in the near-infrared comparison of measurements and calculations / S. Twomey, J. Cocks // J. Meteorol. Soc. Of Japan. 1982/ - V. 60, No. 1. - P. 583-592.

19. Yamamoto C. Radiative transfer in water clouds in the 10-micron window region / C. Yamamoto, M. Tanaka, R. Kamitani // J. Atmos. Sci. 1966/ - V. 23, No. 3.-P. 305-313.

20. Andrey A. Sinkevich. A Survey of Temperature Measurements in Convective Clouds / Andrey A. Sinkevich, R. Paul Lawsow // American Meteorological Society, 2005. Vol. 44. - P. 1133-1145.

21. Синькевич A.A. Применение радиометра РЖ-диапазона для измерения термических характеристик облаков //Труды ГГО, 1979. Вып. 420. -С. 105-112.

22. Синькевич A.A. Исследование термических характеристик мощных кучевых облаков с помощью ИК радиометра/А.А. Синькевич // Метеорология и гидрология, 1984. №1. - С. 40-45.

23. Руднева Л.Б. Оценка герметрической толщины слоя, формирующего излучение черного тела в облаках различных форм /Л.Б. Руднева, A.A. Синькевич// Труды ГГО, 1981. Вып. 448. - С. 76-85.

24. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов / Ю.Г. Якушенков // М.: Советское радио. 1971. - С. 320.

25. Алленов М.И. Структура оптического излучения природных объектов /М.И. Алленов // М.: Гидрометеоиздат, 1988. 165 с.

26. Алленов М.И. Методы и аппаратура спектрорадиометрии природных сред / М.И. Алленов // М.: Гидрометеоиздат, 1992. 264 с.

27. Альбедо и угловые характеристики отражения подстилающей поверхности и облаков / Под ред. К.Я. Кондратьева // Л.: Гидрометеоиздат, 1981.- 232 с.

28. Баррет Э. Введение в космическое землеведение. Дистанционные методы исследования Земли / Э. Баррет, Л. Куртис //М.: Прогресс, 1979. 368 с.

29. Рачкулик В.И. Отражательные свойства и состояния растительного покрова / В.И. Рачкулик, М.В. Ситников // М.: Гидрометеоиздат, 1981. 288 с.

30. Сафронов Ю.П. Инфракрасные распознающие устройства / Ю.П. Сафронов, Р.И. Эльдман // М.: Воениздат, 1976 207 с.

31. Федченко П.П. Спектральная отражательная способность некоторых почв / П.П. Федченко, К.Я. Кондратьев // Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 231 с.

32. Кондратьев К.Я. Дистанционное зондирование атмосферы и земной поверхности /К.Я. Кондратьев // Тезисы докладов XI Всесоюзного совещания по актинометрии., ч.1. Пленарное заседание / Таллинн, 1980. С. 34 - 40.

33. Вечкасов И.А. Приборы и методы анализа в ближней инфракрасной области / И.А. Вечкасов, H.A. Кручинин, А.И. Поляков, Р.Ф. Резинкин // М.: Химия, 1977.- 280 с.

34. Алленов М.И. Многоканальный радиометр для исследования радиационной структуры полей природных образований / М.И. Алленов, В.К. Мамонов, О.М. Матвеев, В.Т. Печорин, Н.Д. Третьяков // Труды ИЭМ. М.: Гидрометеоиздат, 1976 - Вып. 4(61). - С. 3 - 10.

35. Козырев Б.П. Многокамерное черное тело / Б.П. Козырев, A.A. Бузников // Известия ЛЭТИ им. Ульянова (Ленина), 1966. Вып. 55. - С. 87-94.

36. Холопов Г.К. Расчет коэффициентов излучения макетов АЧТ / Г.К. Холопов, B.C. Струков // Оптико-механическая промышленность. 1963. -№ 7.

37. Алленов М.И. Распознавание состояния некоторых элементов ландшафта по яркостным признакам в диапазоне 0,4 1,2 мкм / М.И. Алленов, Г.А. Савин, H.H. Сулимов, Н.Д. Третьяков // Труды ИЭМ. - С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 1996. - Вып. 26(161). - С. 69 - 89.

38. Алленов М.И. Быстродействующий клиновой спектрорадиометр на область 0,4 2,9 мкм / М.И. Алленов, A.A. Ген, В.А. Марциновский, Н.Д. Третьяков // Приборы и техника эксперимента. - 1980. - №6. - С. 215.

39. Алленов A.M. Стохастическая структура излучения облачности / A.M. Алленов, М.И. Алленов, В.Н. Иванов, В.А. Соловьев // С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 2000. 164 с.

40. Третьяков Н.Д. Фазочувствительный демодулятор с импульсными выборками для фотоприемника /Н.Д. Третьяков // Приборы и техника эксперимента. 1989. - №4 - С. 146.

41. Алленов М.И. Низкотемпературный радиометр на область спектра 813 мкм / М.И. Алленов, В.Г. Булгаков, Е.П. Смирнова, Н.Д. Третьяков, Л.П.

42. Шишкина // Тезисы докладов XI Всесоюзного совещания по актинометрии. Ч. II. Приборы и методы наблюдений. -Таллинн, 1980. С. 168-176.

43. АлленовМ.И. Низкотемпературный радиометр / М.И. Алленов, В.Г. Булгаков, Н.Д. Третьяков // Труды ИЭМ. М.: Гидрометеоиздат, 1982. - Вып. 6(107).-С. 10-12.

44. King M.D. Determination of the ground albedo and the index of absorption of atmospheric particulates by remote sensing. / M.D. King // Part II. Application // J. Atm. Sol. 1979. - Vol. 36. -N 6. - P. 1072-1083.

45. Алексеев Ю.В. Сканирующий радиометр/ Ю.В. Алексеев, С.Н. Ислямова, Е.Н. Новикова, А.К. Павлюков, Я.Н. Пузанов, Е.К. Шарабрин // Третья Всесоюзная научно-техническая конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение»: Тез. докл., М., 1979. С. 93.

46. А.с. 1062533 (СССР) МКИЗ G01J 3/48. Широкоугольный спектрорадиометр / М.И. Алленов, В.Г. Булгаков, Н.Д. Третьяков. № 1062533; заявл. 19.03.82; опубл. 23.12.83. Открытия. Изобретения, 1983. -№ 12. - С. 169.

47. Алленов A.M. Стохастическая структура излучения облачности / A.M. Алленов, М.И. Алленов М.И., В.Н. Иванов, В.А. Соловьев // С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 2000. 176 с.

48. Патент №2125250. Широкоугольный спектрорадиометр / A.M. Алленов, С.А. Богданович, В.Н. Иванов, А.И. Гусев, В.А. Соловьев, Н.Д. Третьяков. Бюлл. №2. - 1999.

49. Kelton I. et. al. Infrared Target and Background Radiometric Measurements Concepts, units and Techniques// Infrared Phys. - 1963. - V. 3, N 3. -P. 139-169.

50. Бендат Дж. Измерения и анализ случайных процессов / Дж. Бендат, А. Пирсол//М.: Мир, 1971,- 408 с.

51. Вериго С.А. Почвенная влага / С.А. Вериго, JI.A. Разумова // JL: Гидрометеоиздат, 1973. 327 с.

52. Использование современных технических средств по влагометрии в практике обеспечения сельскохозяйственного производства / Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 130 с.

53. Вечкасов И.А. Приборы и методы анализа в ближней инфракрасной области /А.И. Вечкасов // М.: Химия, 1977. 280 с.

54. Толчельников Ю.С. Оптические свойства ландшафтов / Ю.С. Толчельников // Л.: Наука, 1974. 250 с.

55. Невзоров А.Н. Измеритель спектров размеров крупных частиц для высотного герметизированного самолета / А.Н. Невзоров // Труды ГГО. 1972. - Вып. 276. - С. 189-195.

56. Арефьев В.Н. Устройство для измерения спектра облачных и дождевых капель / В.Н. Арефьев, Б.И. Аксаментов, Б.А. Горев, ГО.Я. Куриленко // Бюлл. изобретений и товарных знаков, №6, 1963, а.с. №15387.

57. Беляев С.П. Лабораторная установка для изучения траектории и скоростей частиц аэрозоля в неоднородном потоке / С.П. Беляев //Труды ИЭМ.- М.: Гидрометеоиздат, 1969. Вып. 1. - С. 130 - 135.

58. Леончик Б.И. Измерения в дисперсных потоках / Б.И. Леончик, В.П. Маякин // М. : Энергия, 1971. 248 с.

59. Маякин В.П. Импульсный метод измерения дисперсных потоков / В.П. Маякин // Доклады научно-технической конференции за 1968 1969 г. МЭИ, 1969.

60. Gunn R. The terminal velocity of fall for water droplets in stagnants air / R. Gunn, G.D. Kinzer // J. Met. 1949. - V. 6, N. 4. - P. 243.

61. Физика облаков / Под ред. А.Х. Хргиана // Л.: Гидрометеоиздат, 1961.- 459 с.

62. Третьяков Н.Д. Фотоэлектрический измеритель размеров капель / Труды ИЭМ. М.: Гидрометеоиздат. - 1976. - Вып. 14(59). - С. 80-93.

63. A.C. №526826. Устройство для измерения линейной скорости / Н.Д. Третьяков. Заяв. 17.04.74; опубл. 30.08.76; бюл. №32. - 30.08.76.

64. Беляев С.П. Некоторые результаты определения ядра столкновения облачных капель / С.П. Беляев, П.И. Захарюженков, В.М. Ким, В.Н. Матвеев, Н.Д. Третьяков // Труды ИЭМ. М.: Гидрометеоиздат, 1976. - Вып. 14(59). - С. 41-49.

65. Джемиссон Дж.Э. Физика и техника инфракрасного излучения / Дж.Э. Джемиссон, Р.Х. Мак Фи, Дж.Н. Пласс, Р.Г. Грубе, Р.Дж. Ригардс // Перевод с англ.- М.: Сов. радио, 1965. - №6. - 235 с.

66. Алленов М.И. О возможных погрешностях радиометрической аппаратуры / М.И. Алленов, И.Г. Мамонова, Н.Д. Третьяков // Труды ИЭМ. -М.: Гидрометеоиздат, 1981. Вып. 10(84). - С.7- 16.

67. Алленов М.И. Исследование структуры излучения облаков в диапазоне 8-13 мкм с помощью быстродействующего радиометра-пирометра /

68. М.И. Алленов, Ю.А. Шуба // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1971.- Т. 7, № 9. С. 956-962.

69. Алленов М.И. О пространственной структуре флуктуаций излучения облачных полей в диапазоне спектра 1,4 12,5 мкм/ М.И. Алленов, Л.Г. Чубаков // В кн.: Радиационные процессы в атмосфере и на земной поверхности / Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - С. 128 - 135.

70. Рийвес Л. Изменчивость облачности и полей радиации / Л. Рийвес // Тарту, Институт астрофизики и физики атмосферы АН ЭССР, ФАО, 1968. Т.4, №7.-С. 717-727.

71. Холопов Г.К. Методика энергетической градуировки радиометрической аппаратуры / Г.К. Холопов // Облачность и радиация. -Тарту, 1975.- С. 174-190.

72. Холопов Г.К. О нормировании чувствительности радиометров / Г.К. Холопов, Ю.А. Шуба // Оптико-механическая промышленность. 1977. - №10.-С. 6-8.

73. Тимановская Р.Г. Описание состояния облачного неба по данным регистрации потоков излучения / Р.Г. Тимановская, Л.Б. Руднева // Труды ГГО.- 1976. Вып. 375. - С. 79-89.

74. Itakura Y. Statistical properties of the background noise for the atmospheric windows in the intermediate region / Y. Itakura, S. Tsutsumi, T. Takagi // Infrared Phys. 1974. - V. 14, No. 1. -P. 17-29.

75. Мулламаа Ю.-А.Р. О возможности определения структурных неоднородностей в облаке по данным радиометрических наблюдений / Ю.-А. Р. Мулламаа, A.B. Чугунов // В сб. «Изменчивость облачности и полей радиации»/- Тарту, 1978. С. 88-93.

76. Чугунов A.B. Определение некоторых параметров облачных полей для их классификации / A.B. Чугунов, Ю.А. Шуба // В сб.: Изменчивость облачности и полей радиации. Тарту, 1978. - С. 81-87.

77. Облачность и радиация / Под. Ред. Л. Рийвес // Тарту, Институт астрофизики и физики атмосферы АН ЭССР, 1975. 263 с.

78. Сныков В.П. Фотодатчик с логарифмической передаточной характеристикой / В.П. Сныков, Н.Д. Третьяков // Приборы и техника экспиремента. 1978. - № 4. - С. 206-210.

79. Третьяков Н.Д. Решающий усилитель для вычисления логарифма отношения / Н.Д. Третьяков // Приборы и техника эксперимента. 1976. - № 6. -С. 89-92.

80. Сафронов Ю.Г. Инфракрасная техника и космос / Ю.Г. Сафронов, Ю.Г. Андрианов // М.: Сов. радио, 1978. 248 с.

81. Левшин В.И. Пространственная фильтрация в оптических системах индикации / В.И. Левшин // М.: Сов. радио, 1971. 320 с.

82. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов / Ю.Г. Якушенков // М.: Сов. радио, 1971. 320 с.

83. Бендат Дж. Измерение и анализ случайных процессов / Дж. Бендат, А. Пирсол // М.: Мир, 1971.-408 с.

84. Островский Е.И. Оценка спектрального параметра случайного процесса, имеющего повышенную точность/ Е.И. Островский, А.И. Перегуда, Н.Д. Третьяков // Труды ИЭМ. М.: Гидрометеоиздат, 1984. - Вып. 14 (110). -С. 51-59.

85. Якушенков Ю.Г. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах / Ю.Г. Якушенков, В.Н. Луканцев, М.П. Колосов / М.: Радио и связь, 1981.- 179 с.

86. Алленов М.И. Быстродействующая аппаратура регистрации и обработки измерений флуктуаций радиационных полей природныхобразований / М.И. Алленов, A.B. Афонин, М.Ф. Ахметзянов М.Ф. и др.// В кн.: Облачность и радиация. Тарту, 1975. - С. 142-168.

87. Алленов М.И. Исследование флуктуаций яркости слоисто-кучевых облаков / М.И. Алленов, В.Г. Булгаков, Н.П. Иванова, Н.Д. Третьяков // Труды ИЭМ. М.: Гидрометеоиздат, 1981. - Вып. 10(84). - С. 43-48.

88. Алленов М.И. Исследование изотропности облачных полей в диапазоне 8,4-12,5мкм / М.И. Алленов, В.В. Михайлова, Л.Г. Чубаков, Ю.А. Шуба // В кн.: Радиационные процессы в атмосфере и на земной поверхности. -Л.: Гидрометеоиздат, 1974. С. 86-89.

89. Уверский A.B. Практические аспекты спектрального анализа пространственной структуры облаков / A.B. Уверский, A.B. Чугунов // В кн.: Изменчивость облачности и полей радиации. Тарту, 1978. - С. 62-69.

90. Яглом A.M. Корреляционная теория стационарных случайных функций / A.M. Яглом // Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 280 с.

91. Котюк А.Ф., Олыпевскй В.В., Цветков Э.И. Методы и аппаратура для анализа характеристик случайных процессов / А.Ф. Котюк, В.В. Олыпевскй, Э.И. Цветков // М.: Энергия, 1967. 240 с.

92. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения / Г. Дженкинс, Д. Ватте//М.: Мир. Вып.1, 1971, с. 317. - Вып. 2, 1972, с. 288.

93. Кузнечык А.П. Энергетычныя яркость неба у вобласщ 1,8-5,2 мкм / А.П. Кузнечык // Весщ АН БССР, серыя физка-матэматычных навук, 1970. -№2.

94. Ely E.B. Spectral radiance of sky and terrain at wavelength between 1 and 20 microns. II Sky measurements / E.B. Ely // J. Opt. Soc. Am. 1960. - v. 50, No. 12. -P. 112.

95. Horis W.A., Tobin M. Spectral measurements from 1,6 to 5,4 of natural surfaces and clouds / W.A. Horis, M. Tobin // Appl. Opt. 1967. - V. 6, No. 8. - P. 1399-1402.

96. Rayleigh, Lord (J.W. Strutt). On the light from the sky, its polarization and color. Phil. Mag.,-1871.-V. 41.-P. 107-120.

97. Pocrowski G.J. Uber einen scheinbaren Mie-Effect und seine mögliche Rolle in der Atmosphärenoptik /G.J. Pocrowski //Z. Phys. 1929. - V. 53. - S. 97-71.

98. Hopkinson R.G. Measurements of sky luminance distribution at Stockholm / R.G. Hopkinson // J. Opt. Soc, Amer. 1954. - No. 44. - P. 455-459.

99. Guyot G. Variability angulaire et spatiale des donnees spectrales dans le visible et le proche infrarouge / Gl Guyot II Les Colloques de I'INRA. 1984. - N 23. - P. 27 - 44.

100. Кондратьев К.Я. Спектральные отражательные свойства растительности и почв / К.Я. Кондратьев, П.П. Федченко // JL: Гидрометеоиздат, 1982. -216 с.

101. Алленов М.И. Результаты измерений спектрального распределения яркости элементов ландшафта в области 0,4 1,2 мкм / М.И. Алленов, В.Г. Булгаков, А.Б. Денисов, Н.Д. Третьяков // Труды ИЭМ. - М.: Гидрометеоиздат, 1988. - Вып. 47 (137). - С. 123 - 126.

102. Алленов М.И. Статистическая структура спектрального распределения яркости элементов ландшафта в области спектра 0,4-1,2 мкм /

103. М.И. Алленов, В.Г. Булгаков, А.Б. Денисов, Н.Д. Третьяков // Труды ИЭМ. -М.: Гидрометеоиздат, 1988. Вып. 47(137). - С. 113-122.

104. Лучинин А.Г. Некоторые закономерности формирования изображения шельфа при его наблюдении через взволнованную поверхность моря / А.Г. Лучинин // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1981. -Т. 17, №7. - С. 732-745.

105. Иванов А.П. Оптические свойства Саргассова моря / А.П. Иванов, В.И. Маньковский, И.И. Калинин // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1980. -Т. 16, №3. - С. 313-320.

106. Космическая съемка и тематическое картографирование / Под ред. К.А.Салищева, Ю.Ф. Книжникова // М.: изд-во МГУ, 1980. 320 с.

107. Иванов А.П. Физические основы гидрооптики / А.П. Иванов // Минск: Наука и техника, 1975. 503 с.

108. Федченко ПЛ. О некоторых факторах, влияющих на спектральные отражательные свойства почв / П.П. Федченко// Труды ВНИИСХМ. 1978. -Вып.5. - С. 45-51.

109. Кондратьев К.Я. Биосфера: Методы и результаты дистанционного зондирования / К.Я. Кондратьев, В.В. Козодеров, П.П. Федченко, А.Г. Топчиев // М.: Наука, 1990. -224 с.250

110. УТВЕРЖДАЮ Директор ГУ «ДАНИИ» доктор географі профессор»^ч'л ' 1>уі*1 ^ *1. АКТиспользования результатов докторской диссертации Третьякова Николая Дмитриевича

111. НАЧАЛЬНИК ВОЕННОЙ АКАДЕМИИ

112. Третьякова Николая Дмитриевича

113. Радиометр высоког о пространственного разрешения при исследованиях излучения облачных полей.

114. Методики оценки погрешностей измерений радиационных полей облачности в инфракрасном диапазоне спектра, проводимых в Академии при помощи спектрорадиометричсской аппаратуры.

Информация о работе

Третьяков, Николай Дмитриевич
доктора технических наук
Обнинск, 2007
ВАК 25.00.30

Диссертация

Разработка методов и измерительных приборов для параметризации и объективного распознавания состояния природных сред - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы