Способ дистанционного определения температуры поверхности океана

(5 ) АНИЕ ИЗОБРЕТЕН ГОСУД/ РСТБЕ НЬЯ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт радиотехники ц электротехники АН СССР(56) Киреев И,В.Современное состояниенеконтактных средств измерения океаОграфических параметров. - М.: Гидрометеоиздат, 1961, с. 11,Грацксв А.Г. и др, Эффективность калибровки спутниковых многоканальныхСВЧ радиометрических систем с помощьюреперггых областей в океане. - Исследовагц;е Регллц иэ космоса, 1984, М 4, с. 55-102,54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕ 14 ПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАН 1 Л Изобретение относится к дистацционныгл спсссбэгл ксггтрсл ссстояция есдцсй псеерлг 1 ссти, мо;кет приг.ецяться для Определения велцчицы тел;пературы псверхцсстц гг,еаа (ТПО) с берта летательных аппаратов (са.лолетсв и цсусственцых спутников Зегллц) в иггтересах океаггслогии, клцматолсгиц, рыбгсго хозяйства.Аналогом предлагаемого способа является способ ксцгактного(точечного) иэмереггия ТПО с помощью температурных днч)1 ксз (эог,дев), погружаемых непосредственно о водную псвсрхность, которые размещаются ца кораблях, буйксвых станциях, платформах ц т,п, Его сущ:ственныгл(57) Изобретение относится к дистанционным способам контроля температуры водной поверхности морей и океанов. Цель изобретения - повышение точности и снижение трудоемкости измерения температуры. Измерение температуры основывается на найденной зависимости длины волны Ап, соответствующей максимальной величине Ь)(А) =(Л) - доп(Л),где (Х) - интенсивность излучения исследуемого участка водной поверхности лопал 1 интенсивность излучения дополнительного участка поверхности, от температуры Т. Найденная зависимость выражается формулой Т=60,1-8,77 Яе+0,2 ЯпР . Поставленная цель достигается также тем, что измерения интенсивности излучения проволят в диапазоне длины волн 3,5-8,5 см, а дополнительный участок выбирают по наличию контраста яркостной температуры между ним и исследу 1 ым участком. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 таб недостатком является большая трудоемкость цэ ерсц 1Ниболее близким к предлагаемому споссбу является СВЧ раднсметрический способ определения ТПО, Основанный нд измерении вариаций интенсивности собственного СВЧ-излучения водной поверхности относительно известных (реперных значений. По зтол 1 у способу измеряется интенсивность иэлучеция 1 (л 1 ерой величины 1 служит обычно антенная температура, либо уровень телеметрического сигнала) на фиксцрованной длине волны СВЧ-диапазона в эаэнггогл (исследуел.ом) участке водной поверхности: измергцотся на этой же длиневолны заления итеьсивнос 1 и по мень,ошей мере в двух реперных участках воднойповерхности с заведомо известными величинами температуры Т з, находлтсл вариации Л=- , 1 измеренных значенийотносительно реперных Ц,.Я и с помощьюизвестных для СВЧ-диапазона радиационно-температурных соотношений определяется разность ЬЦ,В между искомым Т иреперными Ть р значениями температуры;определяется абсолютное значение температуры в исследуемом участке Т Т д ++ Ьфд.Недостатком известного спогоба является необходимость проведения дополнительных трудоемких измерений в реперныхобластях, реализуемых с помощью контактных (корабельных, буйковых) средств. Припроведе:,;1 и продолжительных цзмерений,когда и;грвал времени между основ.ымиц репер; .ь. ц змеренцлмц составляет десятки и сотни минут, проявляется еще одинне;остаток да,ного способа, обусловленый налцчием теплового дрейфа аппаратурыы, ч 1 о снижает точность определениятемпературы,Цель изобретения - повышение точнос 1 ц цзлеренця температуры и снижениетрудоемкости цз 1 еренцй,Псс;а ален ная цель достигается тем, чтоизмеряют спектральную зависимость интенсивности излучения 3, (Л) о диапазоне волн 3,5 - 8,5 см в заданном участкеповерхности океана; измеряют дополнительно сь ектральную эавцси л-,с.ь цьтенсцвностц излучения дл(Л) взтомжедцапаэое волн в соседнеьл участь:е поверхос 1 ц сг .а с -, .е,лпсрауро,; зад, вдомелчаоц ьсл от тспературы задан,огоуесть а, на" Г "," тстьпеьтралъных завьсцлатсй (Л) = (., - дл(Л); сь ь;еде "лютсл 1 гу вг ьы л, сса 1 вет; т вуюц ю м, к и/ТПО с зааном участке поверх.ости океана цэ саотношс;цл Т60, - 8,77 Лл++0,2 Лл .Способ пояс;летел ф г. 1-4.Б изобретении предлагае;сл качествеколичественной меры ТПО цспользоватьто ы 1;есь;сост;собс.гсц.ого "злученил пс." оженце максиьлуьла с и.;трал ьнойзавьсимссти уястгь;таль 1 ость Голл к вариаццлм теь пературьь. В осьосе та;ой пссылкц лежа-, сладуьсщце с;обеннпстивзац лссглзц СВ-. радиаццокп ых характерцстцк с ТПО: чувствительость лркостойтемпературы Т" .: варцаццльл ТПО о=ОТ"/д Т о сантиметровом(см) диапазоне суселцченцеьл длц; ы волны Л сначале монотонно растет, а затеьл убывает, и таким образом у спектральной зависимости ц(Л) в сантиметровом диапазоне существует максимум (фиг, 1); в силу нелинейности радиа ционно-температурного соотношениявеличина ТПО влияет на форму спектра о (Л), в частности величцна ТПО определяеттположение максимума, т.е, длину волны Лль, соответствующую максимуму чувствитель ности(фиг, 1).Найдено (фиг. 1), что при различных значениях темературы Т и солености 3 морской воды в интервале их естественной изменчивости(0Т 30 С. 33Я38/00) 15 для величины Ллтемпературный факторявляется определяьощим, Увеличение (уменьшение) солености приводит к незначительному смещению температурной зависимости параметра Лл, причем 20 определяемые с помощью смещения кривой 4,(Т) кажущ ьесл заления ТПО ниже (выше) цстцых. Согласно фцг, 2 в условцях экстремальной изменчивости солености Мирового о:еана различие между кажущи мися и истинными значениями ТПО можетдостигать 1 - 1,5 С. В стандартных ситуациях пространственные вариации солености на подспутниковых трассах не превышают 0,5-1/00, а соответствующая погрешность 30 определения ТПО - 0,1 - 0,3 С.Иэ фиг. 2 (сплошная линия 1 означаетсоленость воды 3876, штрихпунктирная линия 2- ЗЗ Д сгедует, что при вариациях ТПО в пределах естественной изменчивости Мц рсвого о;еаьот 0 до 30 С параметр Ап меняется соо-ветственно от 8,5 до 3,5 см, что и определл т рабочий дапазон длин волн впредлагэеьл способе. В соответствии с предлагаеь ььл способом и" ходнымц даььны ь, и дльог;:. аления ТПО явлльотсл спект.а-ьные:аь цсцмостц цьтенсцвностц из.уче, л ,(.цз л рлемые перцсдцчес.це с гстателього аппарата, например, с помощью плаао перестрацваемого в диапа зоне от 3,5 до 8,5 радиометра, Дллопределения ТПО проводится сравнение спектральных зеснсымостей интенсивности иэлученцы.:а различных участках трассы полета. Разность соответствуощцх цзмеренцй 50 .Я ) п.:-.г о;оьальна чуаствцтельностыполя ;3: лн ь ваьаццл,л ТПОЛ (3 =- Р ЛТ ц Я),г козфф;.,; ,тами пропорциоальностц служат рзз;:ть ТПО в этих участках и аппаратнал фунцьл Р гч тенно-фидерного тракта. Из сравнеия найденных спектральных зависимостей определяют длину волны Лп, соответствуюшую мЭксцмуму величины Ь (Л) и далее по форьлуле Т = 60,1 - 8,77 Лп+ 0,2 4 определяют температуру поверхности океана. Флюктуационная чуг.твительность современных СВЧ-радиометров составляет десятые доли градусов Кельвина, что обеспечивает надежную фиксацию радиационного контраста Ь на спутниковых трассах протяженностью десятки килол 1 етроо за сравнительно небольшой промежуток времени Ь 1(единицы секунд), в течение которого аппаратную функцию Р прибора можно считать неизменной (постоянная времени вариаций Р, обусловленных тепловой нестабильностью антенно-фидер- ного тракта в открытом космосе, составляет единицы и десятки минут). Оптимальная разность температур Ь Т между дополнительным и основным участками составляет0,3 - 1 С. Величина нижнего предела определяется флюктуационной фувствительностью радиометра, верхнего погрешностью, обусловленной заменой производной ц =д Т"/д Т конечной разностью ЬТ" /ЬТ. Выбор дополнительного участка с температурой, заведомо отличающейся от температуры основного участка на заданную величину, следует проводить по одному из следующих критериев: по величине контраста яркостной температуры между дополнительным и основным участками, измеряемого на любой фиксированной длине волны из спектрального интервала 3,5 - 8,5 см согласно известной методике относительных измерений; по величине, определяемой с помощью температурных морских атласов требуемого пространственного удаления летательного аппарата от основного участка, обеспечиваюгцего необходимую температурную разнесть (о: астности, с учетом известного из атласов факта, что среднемесячное значение температурных градиентов на поверхности океа а составляет 0,5-1 С на 100 км).Результаты 1 еоретического анализа составляющей погрешности определения ТПО, сбусловленной нестабильностью аппаратной функции Р, показывают, что предлагаемый способ обеспечивает выиг ыш по ф сравнению с иэвестныл в дС /дт раз, где Лто - продолжительность полета летательного аппарата от репера а к реперу/3 (порядок величины Лт в спутниковом варианте - единицы, десятки минут),С целью экспериментальной проверки предлагаемого способа проведены лабораторные измерения спектральных характеристик излучения водной поверхности в интервале изменения температуры 5 - 22 С при фиксированном (среднеокеаническсм) значении солености воды 35;ь. Получена5 10 15 35 40 45 В то же врел 1 я при использовании предлага 50 55 20 25 30 температурная зависимость длины волны Л, соответствующей максимуму величины д Т"/д Т в указанном интервале изменения параметра Т. В качестве СВЧ-рэдиометра использован серийно выпускаемый измеритель параметров антенн ПК 7-19 с флюктуационной чувствительностью 1 - 1,5 К/с, обеспечивающий плавную перестройку частоты от 3,9 до 6,0 ГГц, Приемный датчик - широкополосная лабораторная антенна типа Пб. Контроль температуры водной поверхности с точностью 0,1 С осуществлялся посредством ртутных термометров. Время накопления (постоянная времени интегрирования в оконечном устройстве радиометра) установлено равным 4 с. Для дополнительного снижения влияния флюктуационных шумов радиометра измерения выполнены с трехкратной повторностью и последующим усреднением результатов. На фиг. 3 приведены экспериментальная (1) и расчетная (2) зависимости параметра Лп от температуры водной поверхности, которые хорошо согласуются между собой.Выполнено сопоставление в лабораторных условиях предлагаемого способа определения температуры водной поверхности по положению спектрального максимума с известным способом определения температуры о величине яркостного контраста, В обоих случаях использованы данные одних и тех же измеренийНа фиг. 4 приведен результат обработки измерений с помощью второго способа - зависимость радиояркостного контраста от температуры водной поверхности на длине волны 6,67 см, соответствующей наибольшей чувствительности поля излучения к вариациям параметра Т. Из иллюстрации видно, что экспериментальная радиационно-температурная зависимость (1) зал 1 етно отличается от соответствующей расчетной (2), Такой результат обусловлен тепловым дрейфем "нуля" и коэффициента усиления радиометра. емого способа, основанного не на контрастном, а на спектральнол 1 признаке, влияние указанных источников нестабильности практически не проявляется.П р и м е р. Сделаны двэ (основное и допог,нительное) измерения спектральных зависимостей интенсивности излучения морской поверхности (3 = 35 О/00) в диапазоне волн 5 - 6 см с помощью радиометра ПК 7-19. Основное измерение представлено в табл. ., а дополнительное - в табл. 2. Разность ЬЛ) = 1(Л) - 1 д(Л)представлена в табл.3.704044 5 10 15 20 Таблица 1 Таблица 2 Таб. ица 3Л,;.:, 50 8 Соглвс : -:-",; .,зи: л г, соо 1 ветстврсщая лаксил 1 рлу Ь(Л), составляет 5,3 см. Рэ сост ошения Т = 60,1 - 8,77 4, + 0.,2 /ьщ ОГ 1 ре;,тена сеГичпнл температуры морской поверхности, которая составила т -18,3 С,Таким образовал, предлагаемый способ иэл 1 ерения ТПО обладает, по сравнению с известным, следующими преимуществами: снижает трудоемкость измерений за счет с беспечения воэможности дистанционных иэслерений в терминах абсолютных значе- ний 1 ПО без привлечения реперных оценок, а так:ке повышаег точность измерений эа счет устойчивости дистанционных оценок ПО к неконтролируемым вариациям параметров антенн и антенно-фидерных тракт .г в.Формула изобретения 1, Сг 1 особ д,.станционного определения те .с", рвтуры поверхности скеана, включающий измерение интенсивности собственно см 5,0 5.1 5,2 5.3 5,4,пВ 266 258 251 245 240 Г, с л 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 262252 2 235 2 2 го СО+целув .1 д в сант метрсвом дпапээоне исследуемого участка водной поверхности, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью псвышения точности определения температуры и снижения трудоемкости измерений, определяют спектральную зависил 1 ость интенсивности собственного и:лучения исследуелфого участка океана(А)в диапазоне 3,5- 8,5 см дополнительно измеряют спектральную зависимость интенсивности собственного излучения Доп(А)участка с заведомо отличающейся температурой, находят разность Ь Л) = 1(А).-добей) определяют длину волны А, соответствующую максимуму величины Ь (А) и находят величину температуры Т из соотношения Т = 60,1 - 8,77 Ьл + 0,2 Ясп,2. Способ по п.1, о тл и ч а ю щи йс я тем, что выбор участка с заведомо отли ающейся температурой проводят по наличиюконтраста яркостной температуры междуним и исследуемым участком. 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6.0 235 231 226 222 210 215 5,5 5,6 5,7 5,8 5,9 6,0 228 224 220 216 213 2,2 5.5 5,6 5,75,0 5,9 6,7 6 6 5ГКНТ ССС роизводстоепно-иадатсльский комбинат "Патенг", г. Ужгород, ул,Гагарина. 1 О Тиражственного комитета и113035, Москаа, ЖПодписноеретениям и откритиял пиская наб 4/5