Способ бескалибровочного радиометрического измерения эффективного коэффициента излучения шероховатой подстилающей поверхности
METHOD FOR NON-CALIBRATION RADIOMETRIC MEASUREMENT OF EFFECTIVE EMISSIVITY OF ROUGH UNDERLYING SURFACE

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.
эф
эф
эф
При дистанционном зондировании Земли из космоса многоволновыми радиометрическими методами проводится решение обратных задач, в которых необходимо знание информации об эффективном коэффициенте излучения Е подстилающей поверхности (или об эффективном коэффициенте отражения (R = 1 - Е) 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.).
эф
эф
Известны методы расчета коэффициента излучения Е или R 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.
2
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 км. 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.
s
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(θ, α, p) при заданных параметрах,
a
0
0
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(θ, α, p) под зенитным углом θ, дополнительно измеряют радиометрический сигнал U от черного тела, имеющего термодинамическую температуру шероховатой поверхности Т, а эффективный коэффициент излучения определяют по формуле:
01
02
1
2
0
0
Второй вариант заключается в измерении радиометрических сигналов U и U не от одного, а от двух черных тел, имеющих термодинамические температуры Т и Т, соответственно, а радиометрический сигнал U от черного тела с термодинамической температурой Т вычисляют по линейному закону:
эф
эф
эф
Предложенные методы позволяют измерять также эффективный коэффициент отражения шероховатой поверхности R, поскольку R = 1 - Е.
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.
s
a
0
0
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(θ, α, p) от шероховатой поверхности 3, при зондировании вверх под зенитным углом θ и азимутом α измеряют радиометрический сигнал U(θ, α, p) от атмосферы. При зондировании в направлении черного тела 4, которое имеет температуру, равную температуре подстилающей поверхности Т, получают радиометрический сигнал U.
эф
На фиг. 2 представлены экспериментальные угловые зависимости эффективного коэффициента излучения взволнованной морской поверхности Е (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.
я,s
Известно, что яркостную температуру, измеряемую радиометром Т при измерении вниз в сторону поверхности, при принебрежении вкладом слоя (0, Н) можно описать соотношением:
0
я,а
эф
эф
где Т - термодинамическая температура поверхности, Т - яркостная температура атмосферы, отраженная от шероховатой поверхности с коэффициентом отражения R = 1 - Е. Из уравнения (1) получаем:
я
s
a
я, s
я,
s
Радиометр обладает тем свойством, что его сигнал U пропорционален яркостной температуре излучения Т, падающего на его премную антенну. Следовательно, радиометрические сигналы от поверхности U(θ, α, p), атмосферы U(θ, α, p) связаны с Т и Т соотношениями:
где величины А и В - постоянны. Подставляя (3) в соотношение (2), получим:
0
0
0
0
где мы учли, что величина А + В⋅Т будет формироваться сигналом, яркостная температура которого равна термодинамической температуре Т подстилающей шероховатой поверхности. И именно такой радиометрический сигнал U формирует абсолютно черное тело, имеющее температуру Т.
1
2
i
j
j
s
j
i
a
j
i
j
01
02
1
2
0
0
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 Т = 286,5° и Т = 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 проводился вертикальный разрез с изменением угла места β от -70° до +90°. При зондированиии вниз, для каждого -70° ≤ β ≤ -10°, что соответствовало углам падения на поверхность 20° ≤ θ ≤ 80°, регистрировались сигналы U(θ, α, р). При зондировании вверх регистрировались сигналы под углами U(θ, α, p), где угол θ - зенитный угол. Дополнительно измерялись радиометрические сигналы U и U от двух черных тел, имеющих термодинамические температуры Т и Т, соответственно, а радиометрический сигнал U от черного тела с термодинамической температурой Т вычислялись по линейному закону:
j
Зависимость эффективного коэффициента излучения поверхности от угла θ при различных скоростях ветра V вычислялась по формуле (4) для конкретных углов:
эф
j
i
На фиг. 2 приведены экспериментальные зависимости Е(θ, α, p, V) от угла падения θ, полученные для различных поляризаций и при различных скоростях ветра в период 6-8 октября 2016 г.
эф
j
i
Полученные зависимости Е(θ, α, 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.
эф
Полученные предложенным способом зависимости Е(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.