Созданный в начале 80-х годов в НИИФ СПбГУ измерительный комплекс, к сожалению, в настоящее время не используется, и, учитывая современный уровень оптического приборостроения, подробности, касающиеся устройства спектрального прибора, вряд ли представляют интерес. Однако методические наработки, полученные в ходе многолетней эксплуатации комплекса в полевых условиях, в частности на борту самолета, несомненно, не утратили актуальности. Поэтому мы сосредоточимся в основном на них.
К началу 1980 годов аппаратура для измерений спектральных потоков и интенсивностей солнечной радиации (включая и самолетные измерения) лаборатории коротковолнового излучения НИИФ ЛГУ была объединена в комплекс: спектральную информационно-измерительную систему c. Измерительная часть указанного комплекса была представлена спектрометром К-3 [1] – дифракционным зеркальным спектрометром, в котором в качестве диспергирующего элемента использовалась дифракционная решетка 600штр/мм. Рабочий спектральный диапазон прибора составлял 330 – 978 нм, время регистрации спектра – 7 сек., развертка спектра – механическая. Спектрометр имел три перекрывающихся рабочих диапазона: ультрафиолетовый (УФ), видимый (ВД) и ближний инфракрасный (БИК), для которых в качестве приемников излучения использовались фотоумножители ФЭУ-67, ФЭУ‑51, ФЭУ-28. Применялась цифровая запись выходного сигнала прибора на магнитную ленту, что позволяло вести всю последующую обработку информации на ЭВМ.
Спектральная градуировка прибора, т.е. установление длин волн  'i, приписываемых дискретным точкам с номером i, определенным моментами времени в процессе механической развертки, осуществлялась в лабораторных условиях путем измерения спектров ртутной лампы и идентификации известных линий этих спектров в записях выходных сигналов прибора. В БИК диапазоне в качестве линии градуировки использовалась также полоса поглощения кислорода 760 нм в спектре рассеянного излучения неба. Вследствие механической развертки спектра, приводившей к смещению точек регистрации, градуировочные значения 'i определялись с достаточно большой погрешностью (как случайной, так и систематической). Погрешность приравнивалась к среднеквадратичному отклонению той же серии измерений спектра ртутной лампы и составляла 1 нм.
Спектральная аппаратная функция спектрометра К-3 f() (см. п.1.1) приведена в работе . Она получена в лабораторных условиях по регистрации линии излучения лазера (в видимом диапазоне) и может быть аппроксимирована треугольной функцией с полушириной  , равной 3 нм, а именно:
 |
(3.1.1) |
где =3 нм. Очевидно, что по условиям регистрации сигнала, на полуширину влияет и отмеченная выше погрешность градуировки. Сама точность аппроксимации f() треугольной функцией составляет порядка 1%. Следует заметить, что в большей части спектрального диапазона прибора К-3 измеряемая величина сигнала слабо меняется с длиной волны и при полуширине =3 нм можно не учитывать спектральную аппаратную функцию, а также погрешности градуировки, о чем говорилось выше в разделе 1.1. Исключение составляет лишь сравнительно узкая и сильная полоса поглощения кислорода 760 нм, а также некоторые сильные фраунгоферовы линии в спектре Солнца в УФ диапазоне (рис.1.3). Поэтому исследованию особенностей аппаратной функции прибора К-3 в свое время уделялось мало внимания. К сожалению, как будет отмечено в гл. 5, этот недостаток информации затрудняет применение современных комплексных методов интерпретации результатов описываемых измерений.
Самолетные измерения интенсивности солнечной радиации выполнялись с целью изучения спектральных отражательных свойств природных подстилающих поверхностей, для чего измерялись интенсивности в нижней полусфере. При этом одновременно выполнялись измерения нисходящих потоков. Вторым видом исследований было получение спектральных притоков радиации в слоях атмосферы, для чего выполнялись измерения нисходящих и восходящих потоков солнечной радиации. Все указанные измерения проводились с борта самолета ИЛ-14.
Для измерения интенсивностей солнечной радиации, спектрометр К-3 устанавливался в фотолюке самолета на специальном поворотном устройстве, которое позволяло проводить измерения для надирных углов визирования от 0 до 45° (угол отсчитывался от вертикали в направлении полета самолета). Изменение азимута визирования достигалось путем соответствующего изменения курса самолета, шкала отсчета азимута: 0° – по направлению к Солнцу, 180° – от Солнца. Угол зрения прибора при измерении интенсивности составлял 2°.
Для самолетных измерений нисходящих и восходящих потоков использовалось специальное приспособление – световод, который представлял собой металлическую трубу, проходящую насквозь через фюзеляж самолета и снабженную устройством, позволявшим направлять нисходящий или восходящий поток на вход спектрометра. Концы световода выступали на 30 см из фюзеляжа, и на них помещались интегрирующие (по всем направлениям небесной полусферы) насадки из молочного стекла МС-23. Края стекол были специально обработаны для лучшего обеспечения косинусной зависимости – см. раздел 1.1. На рис. 3.1 приведена полученная в лабораторных условиях кривая относительного отклонения реальной аппаратной функции световода f *( , ) от требуемой косинусной зависимости. Поскольку в условиях безоблачной атмосферы существенную долю в нисходящем потоке составляет прямое излучение Солнца, из рис. 3.1 следует, что систематическая погрешность при измерениях нисходящих потоков для зенитных углов Солнца, меньших 50°, не превышает 2%, но при бόльших значениях зенитного угла Солнца начинается ее рост. Этот факт учитывался как при проведении измерений, так и при их обработке, которая проводилась в два этапа.
Рисунок 3.1. Отклонение реальной аппаратной функции интегрирующей насадки световода от теоретической косинусной зависимости
Первым этапом компьютерной обработки результатов измерений была “первичная обработка” – получение из выходного сигнала прибора спектров потоков и интенсивностей солнечной радиации. В процессе первичной обработки определялась начальная точка отсчета спектра ('1) путем поиска при логическом анализе выходного сигнала специального репера – прямоугольного импульса, выдававшегося механической системой развертки. За начальную точку спектра принималась первая точка после репера. Затем по среднему значению сигнала в нескольких точках после репера вычислялось фоновое значение – значение темнового тока ФЭУ, который затем вычитался из величины сигнала. Заметим, что постоянство фона по всему спектру было установлено в ходе неоднократных лабораторных измерений. Далее по известным из градуировки номерам точек начала и конца спектральных диапазонов осуществлялась “стыковка” спектра путем исключения из него участков перекрытия диапазонов трех ФЭУ (УФ, ВИД, БИК). Поскольку шкалы градуировок 'i в разных экземплярах спектрометров отличались друг от друга, для получения единообразных данных проводилась линейная интерполяция полученных спектров от исходной шкалы 'i к единой шкале i . В качестве последней был выбран набор длин волн: от 330 до 410 нм с шагом 1 нм и от 412 до 978 нм с шагом 2 нм (всего 365 точек), при этом участками стыковок были 410 – 412 нм (конец УФ – начало ВД диапазона) и 698 – 700 нм (конец ВД – начало БИК диапазона).
Заключительный этап первичной обработки состоял в переводе измеренного спектра в энергетические единицы (размерность мвт.см-2.мкм-1 для потоков и мвт.см-2.мкм-1.стер-1 для интенсивностей). Калибровка проводилась в лабораторных условиях путем измерения сигнала от эталонной лампы СИ-8 , , спектр которой в энергетических единицах известен. Для питания лампы использовался специальный источник с высоким уровнем стабилизации электрического тока и напряжения. Результатом калибровки было отношение рассчитанной энергии, приходящей от лампы СИ-8 на входную щель прибора, к выходному сигналу прибора, на которое потом умножалась величина выходного сигнала при измерениях (см. теоретическую нормировку аппаратных функций – раздел 1.1). Точность калибровки определяется точностью известного спектра лампы СИ-8. Она составляла 15% в УФ и 10% в ВД и БИК диапазонах.
Для контроля стабильности чувствительности прибора в процессе измерений в нем был предусмотрен встроенный эталон – электрическая лампа накаливания со стабилизированным питанием. Для коррекции возможных отклонений чувствительности при измерениях периодически (примерно через каждые 5 минут) записывался спектр эталона, который сравнивался со средним спектром эталона, записанным во время калибровки. При этом, по специально выбранным участкам из 10-ти длин волн в каждом спектральном диапазоне прибора, вычислялось среднее отношение указанных спектров для диапазона, в результате чего получались 3 поправочных коэффициента, на которые делились измерен-ные спектры потоков или интенсивностей солнечной радиации. При калибровке прибора, измеряющего поток радиации, спектр лампы СИ-8, разумеется, записывался через световод. Для учета изменения прозрач-ности молочного стекла световода вследствие загрязнения в процессе измерений, а также разности прозрачности верхнего (для нисходящих потоков) и нижнего (для восходящих) молочных стекол, при калибровке записывались спектры “внешнего эталона” – аналогичной внутреннему эталону лампы накаливания, размещенной на кабеле вне прибора. В периоды проведения самолетных экспериментов, на борту самолета, находящегося на земле, производились записи внешнего эталона через молочные стекла световода. Аналогично процедуре, рассмотренной выше, вычислялось отношение сигналов внешних эталонов, из которого строилась поправочная кривая, учитывающая изменение прозрачности молочных стекол.
Программный код для первичной обработки, в последней своей версии реализованный на персональном компьютере, позволял проводить всю первичную обработку (включая градуировку и калибровку) в визуально-интерактивном режиме, причем предусматривался различный уровень вмешательства оператора в процесс обработки: от полного контроля всех операций – имитации обработки “вручную” ‑ до автоматического режима обработки, сразу выдававшего измеренный спектр. Этот код сделал возможным переход на оперативный режим обработки результатов измерений .
Все полученные спектры в настоящее время оформлены в виде компьютерной базы данных, содержащей результаты измерений радиаци-онных характеристик, начиная с осени 1983г., и насчитывающей около 30000 спектров. В архивной записи каждого спектра, помимо значений радиационной характеристики, содержится и вся необходимая информация о спектре (дата и время измерения, высота полета, зенитный угол Солнца и т.п.), что существенно облегчает и ускоряет дальнейшую обработку данных на компьютере. В базе данных предусмотрено осуществление различных элементарных операций, как с отдельным спектром, так и с группами спектров: вывод в виде таблиц, просмотр в виде графиков, коррекция в визуально-графическом режиме, арифметические операции (сложение, вычитание, умножение, деление спектров), сглаживание, аппроксимация полиномом, простейший статистический анализ (вычисление среднего значения и дисперсии).
Для получения спектральных отражательных характеристик природных поверхностей и значений лучистых притоков в слоях атмосферы, ради которых и проводились измерения, требуется дополни-тельная “вторичная” обработка полученных значений потоков и интенсивностей солнечной радиации. Особенности этой вторичной обработки уже определяются конкретными методиками измерений и получения результатов и будут рассмотрены в следующих разделах. Сейчас же продолжим обсуждение общих особенностей измерений и рассмотрим оценки погрешностей результатов, столь важные для их дальнейшей интерпретации.
Случайная погрешность измерений прибором К-3 оценивалась в лабораторных условиях по серии спектров от калибровочной лампы СИ-8 и составила 5% среднеквадратического отклонения (СКО) в УФ диапазоне и 1% в ВД и БИК диапазонах (эту погрешность не следует путать с приведенной выше систематической погрешностью калибровки). Однако реальная случайная погрешность самолетных измерений значительно больше, поскольку на результаты измерений дополнительно влияют факторы полета. Можно утверждать, что точность измерений на борту летящего самолета существенно хуже, чем точность измерений тем же прибором на лабораторном столе. Дополнительными “самолетными” факторами, ухудшающими точность измерений, являлись отклонения плоскости приемной поверхности молочных стекол световода от горизонтали; отклонения оптической оси прибора от заданного направления при измерении интенсивности; неравномерность освещения подстилающей поверхности и ее неоднородность.
Продольная координатная ось самолета, даже при полете на постоянной высоте, располагается не строго горизонтально поверхности земли, а под некоторым углом к ней. Этот угол называется угол тангажа или, кратко, тангаж. Им определяется и наклон световода. Для компенсации влияния тангажа световод устанавливался под специально подобранным углом к вертикали, однако, полностью исключить это влияние невозможно, поскольку тангаж зависит от загрузки самолета и меняется в процессе полета из-за выработки топлива. Как было отмечено выше, в условиях безоблачной атмосферы основную долю в нисходящем потоке солнечного излучения составляет прямое излучение Солнца. Влияние тангажа на учет прямой радиации в измеренном потоке, очевидно, происходит из-за изменения угла падения прямых солнечных лучей на молочное стекло световода. Из элементарных геометрических соображений следует, что это изменение будет максимальным для азимутов полета 0 и 180° и минимальным для 90 и 270°. Поэтому измерения, по возможности, выполнялись на азимутах 90 и 270°. Задав определенную модель атмосферы и используя закон Бугера (1.3.11), легко оценить систематическую погрешность измерения нисходящего потока вследствие тангажа. Заметим, что она тем больше, чем ниже положение Солнца и чем меньше оптическая толщина вышележащей атмосферы, т.е. чем больше высота полета и длина волны (1.2.14)1. Эту же погрешность несложно оценить экспериментально, проводя измерения на разных азимутах. Оценка погрешности обоими способами дала одинаковые результаты: погрешность менее 1% при измерениях на азимутах 90 и 270°, а на азимутах 0 и 180° возрастает до 5% в УФ и ВД и до 10% в ИК диапазонах. Для зенитных углов Солнца, превышающих 60°, эти значения увеличиваются соответственно до 10 и 15%.
Вследствие атмосферной турбулентности возникает состояние полета самолета, называемое «болтанкой», при котором постоянным случайным изменениям подвергаются все параметры полета: высота, углы тангажа, крена (угол между поперечной координатной осью самолета и плоскостью горизонта) и рысканья (угол между продольной координатной осью самолета и направлением полета). Эти случайные изменения приводят к соответствующим вариациям геометрических параметров измерения потоков и интенсивностей солнечной радиации, что вносит дополнительный вклад в случайную погрешность измерений. Из всех факторов полета наиболее значимо болтанка влияет на угол крена, при слабой болтанке его изменения могут достигать 10°. Причем болтанка становится заметной лишь при полетах ниже определенной высоты. По опыту полетов на самолете ИЛ-14 эта высота составляет 300 м для водных поверхностей и 500 м для прочих. В описываемых экспериментах все измерения проводились в условиях слабой (по авиационной классификации) болтанки.
Анализ, аналогичный проведенному выше, показывает, что влияние изменений крена на точность измерения нисходящих потоков теперь уже максимально, к сожалению, именно на азимутах 90 и 270°, что приводит к тем же оценкам для погрешности (но уже не систематической, а случайной).
Очевидно, что при измерениях восходящих потоков солнечной радиации влиянием тангажа и болтанки можно пренебречь, поскольку в этом случае нет какого-то существенно преобладающего по направлению излучения. Некоторым исключением могла бы стать водная поверхность, обладающая зеркальным отражением, однако под влиянием волнения поверхности воды, как будет показано в разделе 3.4, зеркальный максимум оказывается достаточно “размытым” и поэтому слабо влияет на величину потока отраженного излучения при незначительных изменениях горизонтальности молочного стекла световода. При измерениях интенсивностей случайные изменения углов крена, тангажа и рысканья приводят к случайным вариациям направления визирования. Однако, учитывая слабую зависимость отражательных свойств природных поверхностей от угла визирования, соответствующими погрешностями можно пренебречь. Опять же направление зеркального отражения для водной поверхности может в некоторых случаях вызывать увеличение этих погрешностей. Подчеркнем, что в условиях сплошной облачности, когда отсутствует прямое излучение, всеми рассмотренными выше погрешностями можно пренебречь.
Таблица 3.1.
Оценка погрешности (СКО) самолетных измерений радиационных характеристик
Эффекты влияния на точность измерений неравномерности освещения и неоднородности подстилающей поверхности связаны с конечным временем регистрации спектра (7 сек.). За это время самолет ИЛ-14 пролетает расстояние около 400 м и оказывается над другими точками поверхности. Понятно, что в случае безоблачной атмосферы влияние неравномерности освещения на измеренный нисходящий поток и на освещение подстилающей поверхности на такой дистанции пренебрежимо мало. Однако при полете ниже слоя сплошной облачности поток солнечной радиации, пропущенный облаком, может измениться вследствие возможной горизонтальной неоднородности облаков. Также весьма велико влияние неоднородности подстилающей поверхности при измерениях интенсивности, особенно над поверхностями суши, где на протяжении 400 м поверхность одного типа (пустыня, пахота и т.п.) может меняться. Заметим, что на суше вообще не так просто найти участок однотипной поверхности длиной более 400 м. Очевидно, что измерения восходящего потока имеет смысл проводить только над очень обширными (до горизонта) участками однородных поверхностей.
За все время измерений были найдены районы только для трех типов таких поверхностей: песчаная пустыня, вода и снег. На практике все измерения проводились только в тех случаях, когда влияние указанных факторов не превышало 10%, что контролировалось путем визуальной оценки вариаций выходного сигнала прибора на фиксированной длине волны в видимом диапазоне.
Заметим также, что погрешность, связанная с неоднородностью подстилающей поверхности резко уменьшается по мере увеличения высоты полета, потому что растет площадь подстилающей поверхности, попадающая в поле зрения прибора, что нивелирует влияние неоднородностей. Особенно заметным это становится при измерениях восходящего потока: соответствующие оценки показали, что выше границы «болтанки» погрешностью, обусловленной неоднородностью подстилающей поверхности, вообще можно пренебречь. В качестве резюме, приведем таблицу погрешностей самолетных измерений для информационно–измерительной системы на базе спектрометра К-3 в табл. 3.1.
1Напомним, что оптическая толщина молекулярного рассеяния атмосферы по закону Релея зависит от длины волны обратно пропорционально 4 . Литература:
-
|
