Результат интеллектуальной деятельности: Способ бескалибровочного радиометрического измерения эффективного коэффициента излучения шероховатой подстилающей поверхности

Изобретение относится к методам дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), в том числе из космоса. Может применяться в задачах радиометрического зондирования Земли с целью получения метеопараметров атмосферы: влажности, водозапаса облачности, интенсивности осадков, а также для получения параметров подстилающей поверхности: ее температуры, скорости и направления ветра над океаном, параметров растительности или снежных покровов. В частности, к вопросу учета влияния параметров атмосферы и подстилающей поверхности при расчете эффективного коэффициента излучения такой поверхности и расчете собственного излучения, регистрируемого на спутнике.

При дистанционном зондировании Земли из космоса многоволновыми радиометрическими методами проводится решение обратных задач, в которых необходимо знание информации об эффективном коэффициенте излучения Е_эф подстилающей поверхности (или об эффективном коэффициенте отражения (R_эф = 1 - Е_эф) и его зависимости от параметров атмосферы и подстилающей поверхности (углов зондирования, температуры подстилающей поверхности, от степени шероховатостей или взволнованности морской поверхности, которая зависит от скорости и направления ветра V и т.д.).

Известны методы расчета коэффициента излучения Е_эф или R_эф для взволнованной поверхности моря по известной функции уклонов Ф(γ), которая, в свою очередь, зависит от вектора скорости ветра V [1]. Недостатком данного способа является неопределенность параметров данной функции и границ применимости метода, кроме того, сложность учета капиллярных волн.

Наиболее близким аналогом является способ определения эффективного коэффициента излучения взволнованной поверхности моря по совместным измерением радиометрических сигналов (яркостной температуры) с борта космического аппарата и наземным данным о параметрах взволнованной поверхности [2]. Указанные измерения коэффициента излучения взволнованной поверхности моря являются непрямыми, подвержены влиянию многих факторов, например неопределенности параметров атмосферы, неоднородности поверхности в различных частях элемента разрешения, который обычно составляет не менее 100 км². Это приводит к значительному разбросу результатов и погрешностям расчетов.

Технический результат предложенного способа заключается в прямом характере измерений, в гармоническом соответствии измеряемого эффективного коэффициента излучения или эффективного коэффициента отражения с их величинами, которые требуются при решении обратных задач многоволнового радиометрического зондирования Земли из космоса.

Для достижения технического результата предлагается способ бескалибровочного прямого радиометрического измерения эффективного коффициента излучения шероховатой (или взволнованной морской) подстилающей поверхности для заданных углов падения θ и азимута α и заданных параметрах вектора поляризации p, основанный на измерении радиометрического сигнала от подстилающей поверхности U_s(θ, α, p) при заданных параметрах,

при котором радиометр располагают над поверхностью на высоте Н, при которой вкладом слоя атмосферы (0, Н) в радиометрический сигнал от поверхности можно пренебречь, дополнительно при данном азимуте α и тех же параметрах поляризации p измеряют радиометрический сигнал от атмосферы U_a(θ, α, p) под зенитным углом θ, дополнительно измеряют радиометрический сигнал U₀ от черного тела, имеющего термодинамическую температуру шероховатой поверхности Т₀, а эффективный коэффициент излучения определяют по формуле:

Второй вариант заключается в измерении радиометрических сигналов U₀₁ и U₀₂ не от одного, а от двух черных тел, имеющих термодинамические температуры Т₁ и Т₂, соответственно, а радиометрический сигнал U₀ от черного тела с термодинамической температурой Т₀ вычисляют по линейному закону:

Предложенные методы позволяют измерять также эффективный коэффициент отражения шероховатой поверхности R_эф, поскольку R_эф = 1 - Е_эф.

Нередко подстилающая поверхность имеет перемежаемые свойства (например, ледяные торосы, сельскохозяйственные или лесные массивы). В этом случае для усреднения эффективного коэффициента излучения по неоднородной подстилающей поверхности (или поверхности с перемежаемыми свойствами) радиометр устанавливают на подвижный носитель, а полученные величины усредняют.

Предложенные методы позволяют в процессе измерений автоматически учитывать ширину диаграммы направленности антенной системы радиометра и дополнительный вклад атмосферы, обусловленный шероховатым характером поверхности.

На фиг. 1 изображен радиометр 1, который установлен на платформе 2 на высоте Н, при которой вкладом слоя (0, Н) в радиометрический сигнал можно пренебречь. Радиометр может изменять направление зондирования как по углу азимута α, так и по зенитному углу θ. При зондировании вниз под углом падения θ измеряют радиометрический сигнал U_s(θ, α, p) от шероховатой поверхности 3, при зондировании вверх под зенитным углом θ и азимутом α измеряют радиометрический сигнал U_a(θ, α, p) от атмосферы. При зондировании в направлении черного тела 4, которое имеет температуру, равную температуре подстилающей поверхности Т₀, получают радиометрический сигнал U₀.

На фиг. 2 представлены экспериментальные угловые зависимости эффективного коэффициента излучения взволнованной морской поверхности Е_эф (θ, α, p, V) от угла падения θ для вертикальной и горизонтальной поляризаций при различных скоростях ветра. Скорость ветра V измерена на высоте 10 метров над уровнем моря и указана точками различной формы: кружки соответствуют скорости ветра V = 1 м/с, ромбы - 5 м/с, а прямоугольники получены при скорости ветра 15 м/с.

Известно, что яркостную температуру, измеряемую радиометром Т_я,s при измерении вниз в сторону поверхности, при принебрежении вкладом слоя (0, Н) можно описать соотношением:

где Т₀ - термодинамическая температура поверхности, Т_я,а - яркостная температура атмосферы, отраженная от шероховатой поверхности с коэффициентом отражения R_эф = 1 - Е_эф. Из уравнения (1) получаем:

Радиометр обладает тем свойством, что его сигнал U пропорционален яркостной температуре излучения Т_я, падающего на его премную антенну. Следовательно, радиометрические сигналы от поверхности U_s(θ, α, p), атмосферы U_a(θ, α, p) связаны с Т_{я, s} и Т_{я, s} соотношениями:

где величины А и В - постоянны. Подставляя (3) в соотношение (2), получим:

где мы учли, что величина А + В⋅Т₀ будет формироваться сигналом, яркостная температура которого равна термодинамической температуре Т₀ подстилающей шероховатой поверхности. И именно такой радиометрический сигнал U₀ формирует абсолютно черное тело, имеющее температуру Т₀.

Примером использования предложенного способа могут явиться натурные измерения, проведенные 6-8 сентября 2016 года на морской платформе, установленной вблизи г. Кацивели, Крым. Радиометр работал на частоте 37,5 ГГц, регистрировал две поляризации, вертикальную и горизонтальную, и был установлен на высоте Н = 16 метров над уровнем моря, фиг. 1. Платформа с радиометром могла поворачиваться по углу места β от +90° (зенит) до -90° (надир), и по углу азимута α в интервале углов 0-360°. Регистрировались также сигналы от двух черных тел, имеющих термодинамические температуры Т₁ = 286,5° и Т₂ = 323,0° Сканирование морской поверхности и атмосферы проводилось по углу места β от -70° до +90°, а по углу азимута в интервале Δα = 90°-270°. Обработка радиометрических сигналов проводилась раздельно для каждой поляризации по следующей схеме. Для некоторого фиксированного азимута α_i проводился вертикальный разрез с изменением угла места β от -70° до +90°. При зондированиии вниз, для каждого -70° ≤ β_j ≤ -10°, что соответствовало углам падения на поверхность 20° ≤ θ_j ≤ 80°, регистрировались сигналы U_s(θ_j, α_i, р). При зондировании вверх регистрировались сигналы под углами U_a(θ_j, α_i, p), где угол θ_j - зенитный угол. Дополнительно измерялись радиометрические сигналы U₀₁ и U₀₂ от двух черных тел, имеющих термодинамические температуры Т₁ и Т₂, соответственно, а радиометрический сигнал U₀ от черного тела с термодинамической температурой Т₀ вычислялись по линейному закону:

Зависимость эффективного коэффициента излучения поверхности от угла θ_j при различных скоростях ветра V вычислялась по формуле (4) для конкретных углов:

На фиг. 2 приведены экспериментальные зависимости Е_эф(θ_j, α_i, p, V) от угла падения θ, полученные для различных поляризаций и при различных скоростях ветра в период 6-8 октября 2016 г.

Полученные зависимости Е_эф(θ_j, α_i, p, V) обладают преимуществом перед традиционными методами измерения, связанными с тем, что они прямые, не требуют учета сторонних неконтролируемых факторов, не зависят от состояния атмосферы, а определяются только состоянием подстилающей поверхности. Это относится, например, к вычислению ветровых добавок в яркостную температуру или азимутальной анизотропии, связанной с направлением волнения. Способ может применяться к поверхности земли, сельскохозяйственным посадкам и другим шероховатым поверхностям.

Полученные предложенным способом зависимости Е_эф(θ, α, p, V, λ, T, S) (где θ, α, p, V, λ, Т, S - угол падения на поверхность, азимут, вектор поляризационных параметров, скорость ветра, длина волны излучения, температура подстилающей поверхности, соленость или влажность поверхности, соответственно) автоматически учитывают как диаграмму направленности антенны, так и влияние шероховатости поверхности, поэтому гармонично соответствуют задачам радиометрического зондирования из космоса.

Изобретательский уровень предлагаемого изобретения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

Литература

1. Садовский И.Н. Особенности учета вклада длинноволновых компонент волнения в приращение излучательной способности морской поверхности. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. РАН. 2012. Т. 9. №1. С. 228-239.

2. Meissner Т., Wentz F.J. The emissivity of ocean surface between 6 and 90 GHz over a large range of wind speed and earth incidence angles. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. Vol. 50. No.8. 2012, pp. 3004-3026.