СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЯРКОСТИ И АБСОЛЮТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ И ОБЛУЧЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ
METHOD FOR DETERMINING THE SPECTRAL LUMINANCE COEFFICIENT AND ABSOLUTE VALUES OF SPECTRAL BRIGHTNESS AND IRRADIATION OF THE SEA SURFACE

Изобретение относится к спектрофотомерии и может быть использовано для измерения спектрального коэффициента яркости, абсолютных значений спектральной яркости восходящего из водной толщи излучения и облученности морской поверхности при решении широкого ряда задач океанографии, оптики и биологии моря.
Известен морской спектрофотометр [Артемьев В.А., Буренков В.И., Вортман М.И., Григорьев А.В., Копелевич О.В., Храпко А.Н. Подспутниковые измерения цвета океана: новый плавающий спектрорадиометр и его метрология // Океанология, 2000, т. 40, №1, с.148-155], в основу работы которого заложен способ измерения спектрального коэффициента яркости, выбранный в качестве прототипа заявленного изобретения. Согласно прототипу солнечное излучение, падающее на поверхность моря (через канал облученности), и излучение, восходящее из водной толщи (через канал яркости), попадают в спектрофотометр, где модулятором осуществляется их поочередное перекрытие и перенаправление на входную щель монохроматора, на выходе из которого монохроматический свет попадает на фотоприемник (ФЭУ). Оптронными парами, расположенными на модуляторе, вырабатываются два синхронных импульса, соответствующие моменту попадания светового потока от каждого измерительного канала. По дополнительному импульсу проверочного канала производится оценка темнового тока. Затем сигналы от ФЭУ и оптронных пар усиливаются, регистрируются и преобразуются в аналоговом блоке в напряжение, соответствующее абсолютному значению яркости В и абсолютному значению облученности Е. Спектральный коэффициент яркости получается как отношение В/Е на этапе цифровой обработки.
Прототип содержит следующие признаки, сходные с существенными признаками заявленного изобретения: два световых потока (солнечное излучение, падающее на поверхность моря, и, излучение, восходящее из водной толщи) через каналы облученности и яркости соответственно направляют в прибор, где модулятором осуществляют их поочередное перекрытие и перенаправление на входную щель монохроматора, на выходе из которого монохроматический свет попадает на фотоприемник (ФЭУ). Момент попадания в ФЭУ светового потока от каждого измерительного канала определяют по синхронному импульсу, который вырабатывает оптронная пара, расположенная на модуляторе. Далее сигналы от ФЭУ и оптронной пары усиливают, регистрируют и преобразуют в напряжение в аналоговом блоке.
Недостатком прототипа является недостаточная точность измерения абсолютных величин яркости моря и облученности в широком диапазоне значений. Это связано с тем, что, во-первых, величины яркости и облученности отличаются друг от друга на один-два порядка и, во-вторых, в зависимости от условий освещенности (облачность, солнечный день) величины яркости и облученности могут меняться на несколько порядков, и изменения эти могут происходить мгновенно и несколько раз за время измерений. Измерение двух отличающихся по величине и сильно изменяющихся в зависимости от условий освещенности световых потоков в абсолютных значениях с помощью ФЭУ с высокой точностью затруднено из-за необходимости поддерживать в течение длительного времени постоянной световую чувствительность ФЭУ. Прибор представляет собой два фотометра для измерения яркости и облученности, совмещенные в одном корпусе, что требует отдельной калибровки для каждого оптического канала, обеспечение высокой точности которой в экспедиционных условиях затруднено, следовательно, также влияет на точность измерений.
Спектральный коэффициент яркости является основным параметром, содержащим информацию о восходящем из моря излучении, получаемым на основе измерений спутниковых сканеров цвета океана. Для калибровки спутниковых сканеров предъявляются высокие требования к точности подспутниковых измерений коэффициента яркости моря. Известно, что качество интерпретации космической информации можно существенно улучшить, если данные спутниковых сканеров цвета периодически сравнивать с результатами непосредственных биооптических наблюдений спектра восходящего излучения с уровня поверхности моря. Современные требования к качеству контрольно-калибровочной информации выявили настоятельную необходимость выработки совершенно новых подходов к подспутниковому обеспечению, начиная с разработки методов повышения точности полевых измерений и кончая поисками путей согласования экспериментальных данных с новейшими теоретическими представлениями распространения излучения в реальной водной среде.
В основу изобретения поставлена задача создания нового нетривиального подхода к измерениям спектральных характеристик восходящего излучения моря, к измерениям спектрального коэффициента яркости, представляющего собой отношение яркости моря к облученности В/Е, и абсолютных значений облученности.
Совокупностью существенных признаков изобретения обеспечивается получение нового технического свойства - совмещение в одном устройстве преимуществ двулучевого фотометра с фотоумножителем в качестве приемника светового излучения и фотометра прямого отсчета с высокостабильным кремниевым фотодиодом для обеспечения его абсолютной калибровки в энергетических единицах.
Указанное новое техническое свойство обусловливает достижение технического результата изобретения - возможность одновременного определения спектрального коэффициента яркости и абсолютных значений спектральной яркости и облученности поверхности моря, а также повышение точности измерений.
Поставленная задача решается тем, что до попадания в монохроматор световой поток от канала облученности (поток, падающий на поверхность моря) разделяют на два пучка, верхний и нижний, причем верхний пучок создают более интенсивным, а нижний - значительно менее интенсивным (более чем на порядок меньшей интенсивности, чем верхний). Эти два пучка направляют на разные участки (зоны) входной щели монохроматора. Пучок большей интенсивности направляют через одну зону входной щели монохроматора и далее через выходную щель монохроматора - на фотоприемник (на высокостабильный кремниевый фотодиод), реализуя на этом выходе схему фотометра прямого отсчета для измерения абсолютных значений облученности. Пучок меньшей интенсивности поочередно со световым потоком от канала яркости направляют (с потоком, восходящим из водной толщи) через другую зону входной щели монохроматора и далее через другую выходную щель монохроматора - на другой фотоприемник (ФЭУ), реализуя на этом выходе прибора схему двулучевого фотометра с одним приемником. По средним величинам полученных от ФЭУ сигналов с помощью обратной связи обеспечивают постоянство светочувствительности ФЭУ (регулируют светочувствительность ФЭУ, обеспечивая ему оптимальные условия работы). Регистрируемые ФЭУ сигналы преобразуют в пару напряжений, соответствующих сигналам каналов яркости и облученности, и по отношению этих напряжений вычисляют спектральный коэффициент яркости. Регистрируемый фотодиодом сигнал преобразуют в напряжение и по нему определяют абсолютное значение облученности. Определяют абсолютное значение яркости моря по абсолютному значению облученности и спектральному коэффициенту яркости.
Преимущественно, пучок большей интенсивности создают отражением светового потока от поверхности с коэффициентом отражения 98%, а пучок меньшей интенсивности - отражением от поверхности с коэффициентом отражения 5%.
Сущность изобретения заключается в следующем. На входной порт монохроматора с двумя выходными портами устанавливается специально разработанный фотометрический блок, в котором имеется два оптических канала - яркости восходящего излучения и облученности поверхности моря падающим солнечным светом. От этих двух каналов с помощью вращающегося электродвигателем модулятора внутрь монохроматора поочередно с большой скоростью направляются три луча: один - от канала яркости и два - от канала облученности. Модулятор представляет собой диск с чередующимися вырезами и секторами из темного полированного стекла. На полированных секторах нанесена полоска зеркального покрытия, поэтому падающее на эти сектора излучение от коллектора облученности отражается двумя лучами, один из которых отражается от полированной поверхности стекла, а другой - от зеркальной его части, и его интенсивность, соответственно, во много раз больше. Оптическая схема прибора устроена таким образом, что луч от канала яркости и луч малой интенсивности от канала облученности направляются модулятором в одну половину входной щели монохроматора, а луч большой интенсивности - в другую. Соответственно, на выходе монохроматора эти лучи направляются на разные выходные его порты. В результате на одном из выходных портов, куда поступает излучение яркости восходящего излучения и облученности поверхности моря, удается реализовать двулучевой фотометр для измерений спектра коэффициента яркости моря. На выходе другого порта монохроматора, куда поступает высокоинтенсивный луч от коллектора облученности, установлено соответствующее светоприемное устройство, обеспечивающее одновременное измерение абсолютной облученности.
На чертеже представлена схема морского спектрофотометра, реализующего заявленный способ.
Устройство содержит: фотометрический модуль, состоящий из косинусного коллектора 1 и светозащитного экрана (не показан), канала облученности, плоско-выпуклой линзы 2 и эллипсоидного зеркала 3 канала яркости, размещенных в поворотной головке, модулятора 4 с зеркальными секторами 5, оптронной пары 6 и светоразделительной пластины (не показана); монохроматор, состоящий из входной 7 и двух выходных щелей 8 и 9, плоских и вогнутых зеркал 10, 11 и 12, вращающихся дифракционных решеток 13; фотоэлектронный блок двулучевого фотометра на основе фотоэлектронного умножителя 14; фотоэлектронный блок фотометра прямого отсчета для измерения абсолютных значений облученности 15 на основе высокостабильного кремниевого фотодиода.
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
Прямой солнечный поток и рассеянный небосводом световой поток попадают на косинусный коллектор 1 канала облученности. Внутри корпуса фотометрического модуля световой поток от косинусного коллектора 1 проходит вдоль светозащитного экрана (не показан) и через соответствующую щель модулятора 4 попадает на зеркальный сектор 5. Восходящий от моря световой поток попадает на плоско-выпуклую линзу 2 канала яркости. Оптическая головка канала яркости способна вращаться относительно корпуса фотометрического модуля, позволяя направлять ее в район морской поверхности, свободный от солнечного блика. Световой поток от плоско-выпуклой линзы 2 (на чертеже обозначен линией с тремя стрелками) перенаправляется эллипсоидным зеркалом 3 и, проходя соответствующую щель модулятора 4, фокусируется на соответствующей части входной щели 7 монохроматора. Наклоненный под углом 45° модулятор 4 через чередующиеся щели, выполненные в секторе 90°, с высокой скоростью (порядка 4000 об/мин) осуществляет попеременное направление световых потоков яркости и облученности на входную щель 7 монохроматора. Оптронная пара 6 вырабатывает синхронные импульсы, соответствующие моменту попадания каждого из потоков на ФЭУ 14. Напротив щели модулятора 4, через которую проходит световой поток канала облученности, расположен зеркальный сектор 5 из темного стекла, разделенный на две части: верхнюю - с передним зеркальным покрытием и коэффициентом отражения 98% и нижнюю - без покрытия и с коэффициентом отражения порядка 5%. Световой поток от канала облученности после отражения от зеркального сектора разделяется на два потока: верхний, более интенсивный (обозначен линией с одной стрелкой), и нижний, более чем на порядок меньшей интенсивности (обозначен линией с двумя стрелками), которые перенаправляются каждый на свою часть входной щели 7 монохроматора. Дополнительно для разделения световых потоков от канала облученности (на верхний и нижний) перед входной щелью 7 монохроматора установлена тонкая светоразделительная пластина (не показана). Нижний световой поток от канала облученности нижней частью зеркального сектора 5 совмещается с оптической осью потока от канала яркости (на чертеже эти потоки для удобства изложения изображены смещенными относительно друг друга). Через монохроматор эти потоки поочередно направляются на его первый выход 8, где попадают в фотоэлектронный блок с фотоэлектронным умножителем ФЭУ 14, реализуя, таким образом, схему двулучевого фотометра с одним фотоприемником. После ФЭУ последовательные сигналы канала яркости и облученности (нижний поток) поступают в регистратор и далее в аналоговый блок (не показаны) для измерения спектрального коэффициента яркости, равного отношению этих сигналов. Измеряя отношение сигналов двух каналов, отпадает необходимость в поддержании постоянной величины световой чувствительности ФЭУ, что необходимо при измерении абсолютных величин облученности и яркости. С помощью обратной связи (не показана) регистратора с ФЭУ на делитель ФЭУ подается высокое медленно меняющееся напряжение, регулирующее светочувствительность ФЭУ пропорционально средней величине сигналов, обеспечивая этим оптимальные условия работы фотоприемника в двулучевом спектрофотометре. В монохроматоре верхний световой поток от канала облученности сканируется по спектру и направляется зеркалом 11 на второй выход 9 монохроматора, где попадает в фотоэлектронный блок с высокостабильным кремниевым фотодиодом 15, реализуя на этом выходе схему фотометра прямого отсчета для измерения абсолютных значений облученности. В результате измерений в блоке электроники будут получены напряжения, соответствующие абсолютным величинам облучения Е и спектральному коэффициенту яркости В/Е, по которым на этапе цифровой обработки также могут быть восстановлены абсолютные величины яркости моря В.