Многоспектральные методы коррекции излучательных характеристик поверхностей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Машков Юрий Александрович

МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ КОРРЕКЦИИ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность: 01.04.03 - Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Санкт-Пэтербургском государственном электротехническом университете 1шени В.И.Ульянова (Ленина).

Научные руководители:

доктор физико-матеиатических наук, профессор Барсуков К. А', кандидат технических наук, доцент Вербицкий В.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор ПихтинА.Н. кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Шульгина Е.М.

Ведущая организация - Арктический и Антарктический научно-последователь ский гаститут.

Защита диссертации состоится "А. ,9" сенту 199а г. в/Ь:-гчасов на заседании диссертационного совета К 063.36.11 Саакт-Петербургского государственного электротехнического университета имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Пэтербург, ул.проф.Попова, д.Б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан"^• 1993 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Соботковский В.Е.

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Термическое дистанционное вондироваши поверхностей для исследования тепловых полей объектов является одним из перспективных направлений науки, техшяш и других сфер деятельности человека.

По сравнению с традиционными контактными методами дистзяци-онные неконтактные методы ИК-радиометрии имеют ряд преимуществ, таких как:

-возможность оперативного сбора информации с обширной территории за небольшой промежуток времени;

-отсутствие непосредственного контакта измеряемой поверхности с датчиком, благодаря чему датчик не оказывает влияния на тепловое поле объекта;

-высокая чувствительность;

-небольшая инерционность используемых приемников излучения.

Однако, достигнутая в настоящее время абсолютная точность восстановления кинетических температур поверхностей составляем около 0.7 К, что накладывает некоторые ограничения на более широкое использование приборов и методов КК-радиометрии.

Точность решения задач термического зондирования зависит от точности, с которой известны излучательные характеристики исследуемых объектов, а также от влияния промежуточного слоя атмосферы (для приборов, устанавливаемых на авиационных носителях).

Особеннаспю излучательных характеристик является их многофункциональная зависимость от длины волны и поляризации излучения, от кинетической температуры и состояния поверхности (шероховатости, однородности, влажности, чистоты, наличия оксидной пленки и др.). Следовательно, излучательные характеристики необходимо определять иди коррелировать непосредственно во время термического зондирования в спектральном диапазоне конкретного измерительного прибора. Это требует, в свою очередь, усовершенствования известных и разработки новых методов учета и коррекции излучательных характеристик поверхностей.

Целью диссертационной работы является разработка методики и аппаратуры многоспектральной коррекции излучательных характеристик поверхностей. .Для достижения указанной цели были поставлены оледующие задачи:

-провести сравнительный анализ известных методов учета и

внесения поправок на излучательную способность поверхностей;

-исследовать влияние неопределенности коэффициента излуче-нш на погрешности восстановления кинетической температуры исследуемой поверхности;

-рассмотреть обобщенную методику использования ИК-радиомет-ров для намерения кинетических температур естественных поверхностей с учетом фонового отражения;

-разработать быстродействующий алгоритм расчета энергии ЮС-излучения в спектральном канале радиометра и выполнить расчет погреокости полиномиальной аппроксимации;

-разработать двух-и трехспектральный методы коррекции излу-чательных характеристик поверхностей при известном отношении ко-гффицкеитоз излучения в спектральных'каналах.

-рассчитать погрешности восстановления кинетической температуры и коэффициентов излучения поверхности в спектральных каналах в зависимости от величины погрешности исходных данных;

-с учетом предлагаемой методики коррекции разработать экспериментальные приборы для определения кинетических температур поверхностей по измерениям суммарного и нисходящего (фонового) ЯК-излучения в 2 и 3 спектральных диапазонах;

-провести эксперименты по дистанционному определению кинетических температур И коэффициентов излучения поверхностей различных объектов в спектральных диапазонах экспериментальных приборов.

-исследовать возможность восстановления кинетических температур поверхностей, когда спектральная излучателькая способность допускает линейную и квадратичную аппроксимации.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись с использованием методов математического моделирования оп-.тико-электронных систем, математического и регрессионного анализа, численных методов расчета с применением ЭВМ и пакета прикладных программ, в том числе, МАТНСАП.

Экспериментальные исследования выполнились при помощи многоканальных ЙК-рздиометров в спектральном. диапазоне 2-15 мкм. Градуировка приборов учитывала коэффициент излучения градуиро-вочного устройства и радиационную температуру фона. Статистическая обработка результатов измерений производилась на основе методов теории вероятностей, математической статистики и включала цензурирование выборок ■ и исключение промахов в соответствии с

критерием Романовского.

Научная новибнз работы состоит в следуЕ^еы,

1. Произведено теоретическое обоснование методики коррекции излучательных характеристик поверхностей по измерениям в 2 и 3 спектральных диалазонах. Выполнен расчет погрешностей методов в зависимости от величины неопределенностей отношения коэффициентов излучения и фоновой облученности.

2. разработаны теоретэтеские основы многоспектральной коррекции излучательных характеристик поверхностей при линейной и квадратичной зависимостях спектральной излучателькой способности.

3. Выполнен расчет погрешности восстановления кинетической температуры поверхности при радиометрических намерениях с учетом неопределенности коэффициентов излучения и при различных оЗяу-чеиностях поверхности фоном.

4. Исследовзна возможность полиномиальной аппроксимации энергии ИК-излучеши в спектральных каналах, позволяюсь обрабатывать результаты измерений в реальном масштабе времени. Произведена оценка погрешности и относительной скорости расчета кинетической температуры поверхности в зависимости ст степени интерполяционного полинома.

Практическая ценность работы.

1. Разработана экспериментальная 2 и 3 канальная методика дистанционного и независимого определения (синеткческих температур и излучательных характеристик исследуемых поверхностей при известных отношениях коэффициентов излучения б спектральных каналах.

2. Созданы экспериментальные 2 и 3 канальные ИК-радиометры' для решения указанных задач.

3. Предложена экспериментальная и&тоднка определения кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей при линейной и квадратичной аппроксимации спектральной иэлучательнон способности.

4. Разработана обобщенная методика использования ИК-радйо-метров в лабораторных и полевых услсзвиях, а также универсальный алгоритм расчета на микро-ЭВМ кинетической температуры поверхности по результатам измерений радиацконшк температур поверк-ности и фона.

5. Предложен быстродействувдга алгоритм расчета анергии

КК-излучения в спектральных каналах и составлены программы для микро-ЭБМ, позволяющие обрабатывать результаты измерений в реальном масштабе времени и производить оптимальный выбор спектральных каналов для достижения минимальной методической погрешности.

6. Результаты проведенных исследований использовались при разработке опытной серии иа 120 ИК-радиометров, предназначенных для измерений кинетических температур асфальтобетонных смесей, а а..КАе ведупцж валов машин при производстве бумаги.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Независимое друг от друга определение кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей может быть выполнено путем измерения суммарного и отраженного' фонового излучения в нескольких спектральных диапазонах.

2. При усдо/шении алгоритма обработки сигнала ИК-радиометра возможно дистанционное определение кинетической температуры и гаэффициентэ излучения поверхности без прямой информации о спектральной зависимости излучательных характеристик.

3. Выходные параметры многоканальных ИК-радиометров, изготовленных в соответствии с разработанными методами коррекции излучательных характеристик, обеспечивают возможность создания на их основе дистанционных измерительных систем для оперативного И точного исследования тепловых полей поверхностей естественных объектов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско - преподавательского состава СПбГЭТУ имени В.И.Ульянова(Ленинз) (1991-1993 г.г.,СПб),на научных семинарах НИИ РЭО ПЧС-"Прогноз"(1993-1995 г.г.,СПб),а'также на научных конферэнциях"Критерии экологэтеской безопасности"(1994г,СПб) «"Приборостроение в экологии и безопасности человека"(1ЕН5'96).-- СПб.,199В г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них тезисы 4 докладов и 8 статей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего СО наименований. Основная часть работы изложена на 123 листах машинописного текста. Работа содержит 49 рисунков и 13 таблиц.

- 5 -

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность и научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Термическое зондирование поверхностей: анализ причин погрешностей" рассматривается основное уравнение и ряд важных задач термического зондирования. К их числу относятся: определение температурных полей различных объектов(водоемов, почв, растительности .ледовых покрытий,зданий и др.)¡обнаружение тепловых контрастов (утечек тепла, поверхностных загрязнений водоемов,перегрева деталей машин и механизмов и т.д.); идентификация поверхностей путем дистанционного определения иэлучатель-ных характеристик (например, определение продукта загрязнения и пр.); термическое зондирование атмосферы для задач климатологии, океанографии.

Анализируются причины, обуславливающие методические погрешности термического зондирования:

Многофункциональность получательных характеристик (зависимость от температуры,спектрального состава,условий измерения).

Делается вывод, что для точного восстановления кинетической температуры поверхности, излучательные характеристики необходимо определять или корректировать непосредственно во время термического зондирования.

2. Влияние отраженного фонового излучения, искажающего общее тепловое поле объекта.

Источниками фена являются любые предметы, окружающие исследуемую поверхность, а также нисходящее излучение атмосферы и облаков. Интенсивность фонового излучения может сильно изменяться в процессе дистанционной съемки и вначительно отличаться но величине от фона при градуировке ИК-радиометрз. Его учет особенно важен при термическом зондировании объектов с естественными температурами поскольку собственное излучение и фон, в этом случае, соизмеримы.

3. Влияние излучения и коэффициента пропускания столба атмосферы между подстилающей поверхностью и уровнем дистанционной измерительной системы.

В настоящее время разработан ряд методов, позволяющих учитывать и корректировать влияние атмосферы:

-метод расчета передаточной функции атмосферы. Исходными данными являются средние значения температуры, давления и содержания водяного пара в слоях, на которые разбивается атмосфера. Модель поглощения также учитывает селективное поглощение водяным паром и поглощение аэрозолем. Учет этих факторов позволяет создать одноканальный алгоритм коррекции атмосферы.

-метод многоспектральной коррекции. При этом методе, с помощью измерений в нескольких спектральных диапазонах, где поглощение атмосферы различно, можно исключить влияние последней.

-разковысотные методы исследования подстилающей поверхности. Позволяют внести поправки на атмосферу сразу во время термического зондирования, используя для этого измерения с различных высот. Значение температуры поверхности может быть экстраполировано по полученным значениям температур с разных высот при многократном сканировании изучаемых поверхностей.

-многоугловые методы обзора подстилающей поверхности. При двухугловых методах используется два угла визирования 0 и 60°. При этом учитывается, что путь теплового излучения в атмосфере для угла 60° также удлиняется вдвое, что позволяет определить истинную температуру поверхности по разности температур каждого измерения.

В конце главы сформулированы кратгае выводы о необходимости разработки усовершенствованных методик и аппаратуры для исследования температурных полей объектов с коррекцией или определением излучательных характеристик непосредственно во время дистанционного зондирования.

Вторая глава,"Количественная оценка влияиий коэффициента излучения и фока при термическом зондировании поверхностей", посвящена исследованию влияния неопределенности коэффициента излучения поверхности и отраженного фонового излучения на результаты измерения энергетической яркости и восстановления кинетической температуры объектов.

В первом разделе главы исследуется влияние неопределенности коэффициента излучения поверхности,когда фоновым отражением можно пренебречь. Ошибка измерения температуры объекта достигает дТ -0.9 К при неспределенности коэффициента излучения д£>-0.01 для 6 -0.8 и Т -323 К. Погрешность возрастает с увеличением температуры поверхности, уменьшением ее коэффициента излучения и зависит от энергетики спектрального канала. Затем рассматривает-

ся возможность реализации некоторых методов учета нечерноты поверхности при измерении высокотемпературных объектов:

- спектрального отношения. Метод основан на зависимости распределения энергии излучения в спектре от кинетической температуры поверхности. Влияние атмосферы на прохождение ПК-излучения в этом случае слабее, чем при одноканальных измерениях (если промежуточная среда для выбранных участков спектра не обладает селективным поглощением). В то же время, для реализации метода достаточно знать не абсолютное значение излучателыюй способности, а характер изменения при переходе от одной длины волны к другой, т.е. надо знать отношение £,/Сг , являющееся более стабильной величиной при изменении внешних условий. Большое значение имеет выбор области спектра, для которой достаточные энергетические возможности сочетаются с минимальной селективностью излучатель ной способности.

- методы, основанные на специальных алгоритмах обработки сигнала. Эти методы позволяют в некоторых случаях измерять кинетическую температуру поверхности и при

Во втором разделе главы приводится оценка влияния фонового излучения на результаты термического зондирования поверхностей. Как показывают расчеты, неучет фонового излучения, когда его интенсивность соизмерима с собственным излучением поверхности, может привести к значительной погрешности восстановления кинетической температуры. Так,при £ -0.8;Т-270 К; Тр-280 К;дТ„-2.5 К, погрешность дТ-0.7-0.9 К, что требует применения методов коррекции фона, к числу которых относятся:

-использование для измерений поляризационного радиометра. Метод основан на измерении Ж-излучения, поляризованного в плоскости падения и направленного в радиометр под углом Ерюстера. Тогда в рабочем спектральном диапазоне коэффициент отражения поляризованной составляющей близок к нулю. Этот метод, однако, не является универсальным, требует информации об оптических свойствах объекта и точной ориентации прибора.

-двухугловой метод коррекции ¿¡юна при углах визирования 0 и 60°. Преимущество метода состоит в том,что возможно одновременно учитывать как эффект отражения, так и эффект атмосферного поглощения, поскольку при отклонении радиометра на 60° не только удваивается атмосферный путь, но и удваивается логрец-ность, обусловленная отражением. Однако, при наличии разрывов в

облачном покрове,ошибка отражения сильно флюктуирует и метод становится ненадежным.

-метод непосредственного измерения фонового излучения. Интенсивность фонового излучения может быть измерена тем же радиомэтром, которым измеряют поверхность, либо дополнительным радиометром. Реиив уравнение переноса излучения мы можем рассчитать кинетическую температуру поверхности при известных излучательных характеристиках. Этот метод является более надежным, т.к. позволяет оперативно учитывать изменения фонового излучения. Для его эффективного использования нужен быстродействующий алгоритм расчета энергии излучения в спектральном канале ИК-радиометра, позволяющий решить задачу в реальном масштабе времени. Подробно алгоритм рассмотрен в третьей главе.

Для коррекции фонового отражения и нечерноты поверхности можно использовать также таблицы поправок, аналогичные приведенным в третьем разделе второй главы. Величина поправки зависит от коэффициента излучения(отражения) поверхности, разности температур поверхности и фона, энергетики спектрального канала.

Повысить точность коррекции можно путем определения излучательных характеристик псверхностей непосредственно во время термического зондирования, что достигается при многоспектральных измерениях и усложнении алгоритма обработки сигнала радиометра.

В конце главы сформулированы краткие' выводы о целесообразности использования многоспектральных методик коррекции излучательных характеристик поверхностей для повышения точности измерений.

В третьей главе, "Многоспектральные методы независимого определения кинетических температур и коэффициентов излучения естественных поверхностей", рассмотрены двух-, трех- и четырехс-пектральные методы дистанционного и независимого определения излучательных характеристик и кинетических температур поверхностей путем измерений суммарного и фонового излучений.

В первом разделе главы рассматривается двухспектральный метод независимого определения кинетической температуры поверхности и коэффициентов излучения в спектральных каналах, в основе (которого лежат следующие соображения. При измерении с небольших высот (автомашин, судов,"низких" самолетов), когда можно пренебречь поглощением и восходящим излучением атмосферы, мы получаем простую систему уравнений для'энергетических- потоков:

1Д(ТР5) + ; £,= К£, ,

где Тр< и Трг -радиационные температуры, измеренные в • первом и во втором спектральном канале; Тр, и Три -радиационные температуры, характеризующие нисходящее излучение атмосферы (фон) в первом и во втором спектральном канале; и -коэффициенты излучения в спектральных каналах; К - коэффициент связи;

Ц , 14. -энергетические яркости абсолютно черного тела (АЧТ) в двух спектральных каналах при температурах, равных радиационным температурам поверхности и фона и кинетической температуре поверхности Т .

Энергетические яркости АЧТ в спектральных каналах рассчитываются ив соотношения (3) путем интегрирования функции Планка:

Ь-ГГ) =г)тх5[ехр(#)-1]" С±А , (3)

»11

где 4*1 -спектральный коэффициент пропускания оптической системы ИК-радиометра с учетом относительной спектраль"ой характеристики чувствительности приемника излучения; С^ ,Сг-пирометрические константы; -длина волны излучения; и граничные длины волн спектрального диапазона. Эдесь мы полагаем, что £(А) - £.

Решив систему уравнений (1) и (2) методом итераций, можно определить кинетическую температуру поверхности и коэффициенты излучения в спектральных каналах.

Погрешности двухспектрального метода исследовались с помощью численного моделирования на ЭВМ.

Расчеты показали, что общая погрешность при использовании для измерений ИК-радиометров о .чувствительностью 0.1-0.2 К и разности температур поверхности и фона « 25 К, лежит в пределах 0.8 - 0.8 К для пар спектральных каналов в диапазонах 2-5 и 8-12.6 мкм. Это дает возможность одновременно определять коэффициенты излучения исследуемых поверхностей с точностью до 0.01 - 0.04.

Отметим основные пути снижения погрешностей термического зондирования по двухспектральному методу:

- работа в оптимальных спектральных каналах:

- наличие сведений о коэффициенте связи, т.е. отношении ко-

(1) (2)

- 10 -

эффициентов излучения в спектральных каналах;

- использование для измерений ИК-радиометров с чувствительностью не менее 0.2 К;

- устранение влияния неравномерного солнечного излучения, особенно заметного в коротковолновом канале. Для этой цели необходимо тщательно экранировать измеряемый объект, работать' при наличии облачного покрова или в ночное время;

- обеспечение полного перекрытия изображением измеряемой поверхности приемников излучения;

- проведение большого числа однотипных измерений с последующей статистической обработкой результатов;

- работа при наличии необходимой разности радиационных температур исследуемой поверхности и фона.

Во втором разделе главы описан трехспектральный метод независимого определения кинетической температуры и коэффициентов излучения в спектральных каналах, являющийся . модернизацией двухспектрального метода и позволяющий производить сравнение поверхностей по известному спектральному распределению £ -/(А)и выявлять, например, поверхностные загрязнения водоемов.

В основе метода лежат следующие соображения. Выберем два.из трех спектральных каналов так, чтобы (например, каналы

расположены в спектре близко по отношению друг к другу или один канал находится "внутри" другого), а третий выбирается так, чтобы коэффициенты излучения сравниваемых поверхностей, в атом канале, максимальна отличались. Решив систему трех уравнений типа (1) и (2) методом итераций, можно определить коэффициенты излучения в спектральных каналах т.е. произвести идентификацию поверхностей.

Погрешность трехспектраяьного метода исследовалась, с помощью численного моделирования на ЭВМ. Расчет производился для троек спектральных каналов:(7.5-8.5, 8.8 - 9.8 мкм, 8-12.6 мкм); ( 8.8-10.3 мкм, 10.1 - 11.5 мкм, 8 - 12.6 мкм ); (2-5 мкм, 7.5 - 8.5 мкм, 8 - 12.6 мкм).

Результаты расчетов показали, что при чувствительности прибора 0.1-0.3 К и разности радиационных температур поверхности и фона более 20 К, возможно определение абсолютных значений коэффициентов излучения с точностью 0.01-0.02.

Следовательно, при рациональном выборе спектральных каналов, можно обнаруживать, например, нефтяные загрязнения водной

поверхности. Коэффициент излучения "среднего" нефтепродукта, согласно справочным данным, составляет 0.80 - 0.96, а для воды лежит в пределах 0.97 - 0.99, т.е. разница в излучатель ной способности достигает величины 0.10 и может надежно регистрироваться ИК-радиометром.

В третьем разделе главы приведено обоснование методов, позволяющих определять кинетическую температуру объектов ¡сак при наличии прямой информации об отношении излучательной способности поверхности в рабочих спектральных диапазонах, так и в случаях, когда спектральная излучательная способность допускает линейную (трехспектральный метод) и квадратичную (четырехспектральный метод) аппроксимации.

Используя, например, линейную аппроксимацию

где а„, а,- коэффициенты зависимости, рабочую систему уравнений можно представить в виде

= |^(д)([1;(т)-вд](а0+ са+^еЦм (5)

¡УЛ^Ма = ]Тги)([1;(т)-ЦМ(ав+а,А)+10я(т4с1А (6)

Ли

Я« Ьг

] %(«дтрз)с1Х-1 ^(ПЧ^т^Гси+сц^Ч^Тф,)} ¿А (7)

>51 Ял

Эта система содержит три неизвестные величины- й«, (X,, Т , которые определяются методом итераций.на ЭВМ.

Расчеты показали, что для спектральных каналов в диапазоне 7-15 мкм погрешность линейной аппроксимации излучательной способности типовых естественных поверхностей не превышает 3-й%, что приводит к погрешности восстановления кинетической температуры 0.4-0.5 К. Для уменьшения погрешности и улучшения сходимости итеративного процесса измерения следует производить при разности температур поверхности и фона 50-60 К и рзботать в спектральных канатах, где максимально отличаются радиационные температуры фонового излучения.

В четвертом разделе описывается быстродействующи алгоритм расчета энергии излучения в спектральном канала, основанный.на полиномиальной аппроксимации, и позволяющий проидводить все. вы-

- 12 -

числения в реальном масштабе времени.

Показано, что при ширине канала 3-4 мкм и точности 0.01 К скорость вычислений повышается в 20-40 раз.

В конца главы сформулированы краткие выводы о преимуществах многоспектралькых методов при дистанционном зондировании поверхностей.

В четвертой главе, "Экспериментальные приборы и результаты лабораторных исследований", рассмотрена экспериментальная проверка двух- и трехспектральных методов независимого определения излучательных характеристик и кинетических температур поверхностей.

В первом разделе проанализированы функциональные схемы энергетических ИК-радиомегров и обоснован выбор структурной схемы экспериментальных приборов.

Во втором разделе главы приводится энергетический расчет экспериментального ИК-радиометра. На основании' энергетического расчета выбраны элементы оптического блока прибора.

В третьем разделе анализируется факторы, приводящие к появлению случайной и систематической погрешности радиометра, а следовательно, влияющие на результаты определения кинетической температуры и коэффициента излучения поверхности.

Случайная инструментальная погрешность обусловлена следующими причинами: тепловым шумом приемника излучения, нестабильностью энергетической яркости опорного излучателя и коэффициента усиления электронной схемы, неточностью юстировки элементов оптической схемы, вибрациями радиометра при эксплуатации.

Показано, что компоненты оптического блока радиометра, выбранные на основании энергетического расчета,обеспечивают величину случайной инструментальной погрешности,не превышающую 0,15 К.

К числу факторов, влияющих на величину систематической инструментальной погрешности, следует отнести неточность градуировки прибора и изменение со временем характеристик его элементов (чувствительности приемника излучения, спектральной характеристики оптического фильтра, коэффициента усиления усилителя и т.д.

Нз погрешность градуировки радиометра окаэывзет влияние нестабильность собственного излучения входного окна, вызванная вариацией температуры окружающего воздуха.

Как показывает расчет, эта погрешность может достигать 1.9 К. Уменьшить ее можно путем уменьшения толщины вход-

кого окна и поддержания его температуры, по возможности,постоянной. Желательно, также, производить градуировку радиометра непосредственно во время измерений.

В четвертом разделе главы описаны экспериментал.ыгыс? приборы. Выбор варианта конструкции радиометров и оптимальных условий измерения произведен на основании численного моделирования на ЭВМ совместного вл)1яния фзкторов, определяющих погрешность восстановления кинетической температуры и коэффициентов излучения поверхности. При выборе конструкции приборов удовлетворяются требования по достижению необходимой точности измерений при простоте и удобстве эксплуатации.

В пятом разделе изложена методика обработки результатов измерений суммарного излучения поверхности с целью восстановления ее кинетической температуры и коэффициентов излучения в рабочих спектральных каналах измерительной аппаратуры. Обработка полученной информации производится на ЭВМ. Ее основные этапы сводятся к следующему:

-градуировка радиометра по АЧТ или воде с известными коэффициентами излучения и температурой и составление градуировсчных графиков и=|(Т), определяющих показания индикатора прибора и в зависимости от температуры объекта Т;

-расчет коэффициентов полинома по теоретической Ь — ^ (Т) или экспериментглъной V -] (Т) зависимости;

-определение кинетической температуры и коэффициентов излучения поверхности путем решения системы уравнений для энергетических потоков или показаний индикатора прибора,пропорциональных этим потокам. Входными данными для расчета являются либо радиационные температуры поверхности и фона, либо соответствующие показания индикатора;

-статистическая обработка результатов измерений. В конце раздела приведены результаты измерений кинетических температур и коэффициентов излучения некоторых поверхностей, а тагае результаты эксперимента по обнаружению нефтяных пленок на поверхности воды.

Предложенная методика гозволяет достаточно точно и в реальном масштабе (при наличии ЭЬМ с АЦП) восстанавливать кинетическую температуру и производить идентификацию поверхностей по их излучательным характеристикам, что существенно расширяет область применения приборов и методов термического зондирования.

В заключении приводятся основные результаты работы, которые состоят в следующем.

1. Проведен сравнительный анализ известных методов учета и внесения поправок на излучательную способность поверхностей, к числу которых относятся:

- метод спектрального отношения;

- методы, основанные на возведении в определенную степень электрических сигналов, пропорциональных потокам излучения;

- методы, основанные на формировании сигнала об излучатель-ной способности.

2. Исследовано влияние неопределенности предполагаемой величины коэффициента излучения на погрешность восстановления• кинетической температуры измеряемой поверхности в диапазоне электромагнитного спектра 2-15 мкм. Показано, что ошибка измерения кинетических температур естественных поверхностей может достигать дТ-0.9 К при величине коэффициента излучения £ -0.8 и ее неопределенности &Б -0.01. Погрешность возрастает с увеличением температуры поверхности, уменьшением коэффициента излучения и зависит от интенсивности фонового излучения и энергетики спектрального канала.

3. Теоретически обоснована методика использования ИК-радио-метров для измерения кинетических температур естественных поверхностей с учетом фонового отражения. Получено соотношение, позволяющее рассчитать поправки на нечерноту поверхности, учитывающее излучательные характеристики градуировочного устройства, измеряемой поверхности и радиационную температуру фона при градуировке прибора.

4. Разработаны двух- и трекспектральные методы коррекции излучательной способности поверхности при известном отношении коэффициентов излучения в рабочих спектральных каналах, находящихся в ИК-диапазоне 2-15 мкм. Методы основаны на одновременном измерении суммарного теплового излучения исследуемой поверхности и нисходящего излучения фона.

5. Рассчитаны погрешности восстановления кинетической температуры и коэффициентов излучения в зависимости от неопределенности исходных данных по двух- и трехспектралькым методам. Так, общая погрешность методов при использовании ИК-радиометров с чувствительностью 0.1-0.2 К составляет 0.2-0.8 К. Это дает возможность определять коэффициенты излучения с- точностью до

0.01-0.04 при разности температур поверхности и фона ~ 25 К.

6. Исследована возможность определения кинетических температур поверхностей, когда спектральная иалучательная способность допускает линейную (трехспектральный метод) и квадратичную ■ (че-тырехспектрадьный метод) аппроксимации. Относительная погрешность линейной аппроксимации излучательной способности для типовых естественных поверхностей (вода, глина, грунт, галька, трава, песок, листья) не превышает 3-6£, что приводит к погрешности восстановления кинетической температуры 0.4-0.5 К.

7. Предложен алгоритм расчета энергии излучения в рабочих спектральных каналах, основанный на полиномиальной аппроксимации и позволяющей производить вычисления в реальном масштабе времени. При ширине канала 3-4 мкм и точности 0.01 К скорость вычислений повышается в 20-40 раз.

8. Разработаны и изготовлены экспериментальные двух- и трехканальные ИК-радиометры для работы в диапазоне 2-15 мкм с-чувствительностью 0.1-0.2 К и постоянной времени 0.2-0.3 с.

9. Обоснована методика грздуировки ИК-радиометров с учетом влияний фонового излучения. Получена формула, учитывающая излу-чательную способность градуировочиого устройства, радиационную темперзтуру окружающего фона и позволяющая привести градуировку прибора по эталону к градуировке по АЧТ.

10. Проведены эксперименты по дистанционному определению ганетических температур и коэффициентов излучения поверхностей различных объектов в спектральных каналах экспериментальных приборов .

11. Предложена методика обработки результатов измерений, производящая цензурирование выборок и исключение промахов, обусловленных противоположными по знаку ошибками измерений радиационных температур в спектральных каналах приборов. Расчетные погрешности средних выборочных значений коэффициентов излучения и температур не превышают 0.012 и 0.23 К соответственно.

12. Результаты экспериментального определения коэффициентов излучения исследованных поверхностей соответствуют данным, полученным другими авторами, что подтверждает правильность теоретических предпосылок, положенных в основу работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Бзсецкий В.Я.,Вербицкий В.А..Машков Ю.А. и др. Малсгаба-

ритный. оптико-электронный спектрорадиометр//Деп. ВИНИТИ,3.08.88, per. N 6211 - В 88.

2. Еаоецкий В.Я..Вербицкий В.А..Машков Ю.А. и др. Оптическая схема целевого оптико-электронного спектрорадиометра// Деп. ВИНИТИ, 3.03.83, per. N 6212 - В 88.

3. Еасецкий В.Я.,Вербицкий В.А.,Маяков Ю.А.и др. Спектральная чувствительность оптико-электронного спектрорадиометра//Известия ЛЭТИ.- 1988.-Вып. 395. - С. 99-102.

4. Вербицкий В.А..Машков Ю.А. Алгоритмы расчета поправок ка отраженное фоновое излучение в нескольких спектральных диапазонах// Научно-техническая конференция ТЭТУ. - СПб., 1993. - С.11.

5. Барсуков К.А., Вербицкий В.А., Машков Ю.А. и др. Двух-спектральный метод коррекции излучательных характеристик поверх-ностей//Деп. ВИНИТИ, 02.03.93, per. N 512 - В 93.

6. Вербицкий В.А. .Машков ¡O.A. Инфракрасная радиометрия при экологическом контроле//Тез. докл. научной конференции "Критерии экологической безопасности". - СПб,, 1993.

7. Вербицкий В.А..Машков Ю.А..Стогниев E.G. и др. Оптический пирометр для нераэрушзющего контроля температур поверхноо-тей//Иэв. СПбГЭТУ. - 1993. - Вып. 456. - С. 21-24.

8. Машков ¡O.A. Полиномиальная аппроксимация энергии ИК-излучения в ограниченных участках спектра//Деп..ВИНИТИ, 16.12.94, per. N 2899 - В 94.

9. Машков ¡O.A. Применение многоспектральных методов измерений для определения поверхностных загрязнений воды//Научный семинар НИИ РЭС ПЧС "Прогноз". - СПб., 19S5.

10. Вербицкий В.А..Машков Ю.А. Применение многоспектральных радиометров для дистанционного измерения иэлучательных характеристик, термодинамических температур и выявления поверхностных загрязнение/Первая Международная Конференция "Приборостроение в экологии и безопасности человека (IEHS'96)".' - СПб.,' 1996.

11. Вербицкий В.А. .Машков-Ю.А. .Стогниев Е.С. и др. Контроль влажности воздуха и различных газов с помощью методов поглощения и пропускания лучистых потоков//Труды Санкт-Петербургского института машиностроения. - 1996..- Вып. 4. - С. 68-71.

12. Вербицкий В.А..Машков Ю.А..Стогниев Е.С.и др. Некоторые вопросы неразрушающего контроля неоднородности листового про-itaTaZ/Труды Санкт-Петербургского института машиностроения. -- 1996. - Вып. 4. - С. 64-67.

Подписано в печать 07.07.98. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ .

Издательско-полиграфический центр СПбГЭТУ 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

6Ь 99-/ 365-5

/

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет имени В.И.Ульянова (Ленина)

МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ КОРРЕКЦИЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Машков Юрий Александрович

Научный руководитель -докт. физ.-мат. наук, профессор Барсуков К.А канд. техн. наук,

доцент Вербицкий В.А.

/

Санкт-Петербург - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

отр

ВВЕДЕНИЕ. ................................................ 5

ГЛАВА 1. ТЕРМИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ: АНАЛИЗ

ПРИЧИН ПОГРЕШНОСТЕЙ............................. 12

1.1. Общие задачи и основное уравнение термического зондирования....................................................12

1.2. Факторы, обуславливающие погрешности термического зондирования........................................ 18

1.2.1. Излучательные характеристики поверхностей......... 18

1.2.2. Отраженное излучение объектов, создающих фон------ 33

1.2.3. Промежуточный слой атмосферы...................... 38

Краткие выводы........................................... 48

ГЛАВА 2. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА

ИЗЛУЧЕНИЯ И ФОНА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ ЗОНДИРОВАНИИ... 50

2.1. Оценка влияния излучательной способности на погрешность восстановления кинетической температуры....... 50

2.2. Методы коррекции излучатель ной способности.......... 52

2.2.1. Метод спектрального отношения..................... 52

2.2.2. Методы, основанные на возведении в определенную степень электрических сигналов, пропорциональных потокам излучения................................. 58

2.2.3. Методы, основанные на формировании сигнала об излучательной способности......................... 62

2.3. Расчет влияния фонового излучения................... 65

2.3.1. Расчет влияния коэффициента излучения при облучении исследуемой поверхности фоном.......................66

2.3.2. Расчет влияния вариаций фонового излучения........ 67

2.4. Методы учета отраженного излучения фона............. 70

2.5. Поправки на нечерноту поверхности при одноканальных

измерениях.......................................... 74

Краткие выводы........................................... 83

ГЛАВА 3.МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ НЕЗАВИСИМОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР И КОЭФФИЦИЕНТОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ........................ 84

3.1. Двухспектральный метод независимого определения кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей.......................................... 84

3.1.1. Измерения с малых дистанций....................... 86

3.1.2. Измерения с больших дистанций..................... 97

3.2. Трехспектральный метод определения излучательной способности......................................... 99

3.3. Многоспектральные методы независимого определения коэффициентов излучения и кинетических температур, основанные на полиномиальной аппроксимации спектральной излучатель ной способности................... 105

3.4. Полиномиальная аппроксимация энергии излучения в ограниченных спектральных диапазонах................ 110

Краткие выводы........................................... 120

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРИБОРЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ....................... 122

4.1. Анализ функциональных схем Ж-радиометров и описание структурной схемы экспериментальных приборов____ 122

4.2. Энергетический расчет ИК-радиометра................. 125

4.2.1. Расчет передаточной функции оптико-электронного блока экспериментального прибора.................... 127

4.2.2. Расчет отношения сигнал/шум на выходе оптико- электронного канала................................ 128

4.3. Оценка инструментальной погрешности экспериментальных ИК-радиометров.................................. 131

4.4. Конструкция экспериментальных Ж-радиометров....... 133

4.5. Методика обработки результатов измерений............ 135

4.5.1. Градуировка ЙК-радиометра по эталонной поверх-

4.5.8. Составление градуировочных таблиц и аппроксимация

таблично заданных функций о помощью полиномов....... 137

4.5.3. Определение кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей по двухспектральному

методу.............................................. 139

4.5.4. Экспериментальная проверка трехспектрального

метода.............................................. 144

Краткие выводы........................................... 149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................151

ЛИТЕРАТУРА............................................... 154

- 5 -ВВЕДЕНИЕ

Термическое дистанционное зондирование поверхностей для исследования тепловых полей объектов является одним из перспективных направлений науки, техники и других сфер деятельности человека.

Дистанционные неконтактные методы ИК-радиометрии имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными контактными методами, такие, как:

-возможность оперативного сбора информации с обширной территории за небольшой промежуток времени;

-отсутствие непосредственного контакта измеряемой поверхности с датчиком, благодаря чему датчик не оказывает влияния на тепловое поле объекта; -высокая чувствительность;

-небольшая инерционность используемых приемников излучения .

Однако, достигнутая в настоящее время абсолютная точность восстановления кинетических температур поверхностей составляет около 0.7 К, что накладывает некоторые ограничения на более широкое использование приборов и методов ИК-радиометрии.

Точность решения задач термического зондирования зависит от точности, с которой известны излучательные характеристики исследуемых объектов, а также от влияния промежуточного слоя атмосферы(для приборов, устанавливаемых на авиационных носителях).

Особенностью излучательных характеристик является их многофункциональная зависимость от длины волны и поляризации

излучения, от кинетической температуры и состояния поверхности (шероховатости, однородности, влажности, чистоты, наличия оксидной пленки и др.). Следовательно, излучательные характеристики необходимо определять или корректировать непосредственно во время термического зондирования в спектральном диапазоне конкретного измерительного прибора. Это требует, в свою очередь, усовершенствования известных и разработки новых методов учета и коррекции излучательных характеристик поверхностей.

Целью диссертационной работы является разработка методики и аппаратуры многоспектральной коррекции излучатель ных характеристик поверхностей. Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

-провести сравнительный анализ известных методов учета и внесения поправок на излучательную способность поверхности;

-исследовать влияние неопределенности коэффициента излучения на погрешность восстановления кинетической температуры исследуемой поверхности;

-рассмотреть обобщенную методику использования ИК-радиометров для измерения кинетических температур естественных поверхностей с учетом фонового отражения;

-разработать бьютродейотвуюший алгоритм расчета энергии ИК-излучения в спектральном канале радиометра и выполнить расчет погрешности полиномиальной аппроксимации;

-разработать двух-к трехспектральный методы коррекции излучательных характеристик поверхностей при известном отношении коэффициентов излучения в спектральных каналах.

-рассчитать погрешности восстановления кинетической температуры и коэффициентов излучения поверхности в опект-

ральных каналах в зависимости от величины погрешности исходных данных;

-с учетом предлагаемой методики коррекции разработать экспериментальные приборы для определения кинетических температур поверхностей по измерениям суммарного и нисходящего (фонового) ИК-излучения в 2 и 3 спектральных диапазонах;

-провести эксперименты по дистанционному определению кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей различных объектов в спектральных диапазонах экспериментальных приборов.

-исследовать возможность восстановления кинетических температур поверхностей, когда спектрзльная излучательная способность допускает линейную и квадратичную аппроксимации.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Произведено теоретическое обоснование методики коррекции излучательных характеристик поверхностей по измерениям в 2 и 3 спектральных диапазонах. Выполнен расчет погрешностей методов в зависимости от величины неопределенностей отношения коэффициентов излучения и фоновой облученности.

2. Разработаны теоретические основы многоспектральной коррекции излучательных характеристик поверхностей при линейной и квадратичной зависимостях спектральной излучатель-ной способности.

3. Выполнен расчет погрешности восстановления кинетической температуры поверхности при радиометрических измерениях с учетом неопределенности коэффициентов излучения и при различных облученностях поверхности фоном.

4. Исследована возможность полиномиальной аппроксимации энергии ИК-излучения в спектральных каналах, позволяющая об-

рабатывать результаты измерений в реальном масштабе времени. Произведена оценка погрешности и относительной скорости расчета кинетической температуры поверхности в зависимости от степени интерполяционного полинома.

Практическая ценность работы.

1. Разработана экспериментальная 2 и 3 канальная методика дистанционного и независимого определения кинетических температур и излучательных характеристик исследуемых поверхностей при известных отношениях коэффициентов излучения в спектральных каналах.

2. Созданы экспериментальные 2 и 3 канальные ЙК-радиометры для решения указанных задач.

3. Предложена экспериментальная методика определения кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей при линейной и квадратичной аппроксимации спектральной излучательной способности.

4. Разработана обобщенная методика использования Ж-радиометров в лабораторных и полевых условиях, а также универсальный алгоритм расчета на микро-ЭВМ кинетической температуры поверхности по результатам измерений радиационных температур поверхности и фона.

5. Предложен быстродействующий алгоритм расчета энергии ЙК-излучения в спектральных каналах и составлены программы для микро-ЭВМ, позволяющие обрабатывать результаты измерений в реальном масштабе времени и производить оптимальный выбор спектральных каналов для достижения минимальной методической погрешности.

6. Результаты проведенных исследований использовались при разработке опытной серии из 120 ЙК-радиометров, преднаэ-

наченных для измерений кинетических температур асфальтобетонных смесей, а также ведущих валов машин при производстве бумаги.

Научные положения,выносимые на защиту.

1. Независимое друг от друга определение кинетических температур и коэффициентов излучения поверхностей может быть выполнено путем измерения суммарного и отраженного фонового излучения в нескольких спектральных диапазонах.

2. При усложнении алгоритма обработки сигнала ИК-радиометра возможно дистанционное определение кинетической температуры и коэффициента излучения поверхности без прямой информации о спектральной зависимости излучательных характеристик.

3. Выходные параметры многоканальных Ж-радиометров, изготовленных в соответствии с разработанными методами коррекции излучательных характеристик, обеспечивают создание на их основе дистанционных измерительных систем для оперативного и точного исследования тепловых полей поверхностей естественных объектов.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав* и заключения.

В первой главе, "Термическое зондирование поверхностей: анализ причин погрешностей",приводится основное уравнение дистанционного зондирования поверхностей и перечисляется ряд важных задач, решаемых неконтактными методами. Рассматриваются факторы, обуславливающие методические погрешности термического зондирования. Анализируется влияние собственного излучения и коэффициента пропускания столба атмосферы между подстилающей поверхностью и уровнем дистанционной измери-

тельной системы.

Вторая глава, "Количественная оценка влияний коэффициента излучения и фона при термическом зондировании", посвящена исследованию влияний неопределенности предполагаемой величины коэффициента излучения и вариаций фонового излучения на результаты измерения энергетической яркости и кинетической температуры поверхности объекта. В этой главе также рассматриваются некоторые методы коррекции излучательных характеристик высокотемпературных и естественных объектов. Показано, что при измерении естественных поверхностей необходим учет отраженного фонового излучения.

В третьей главе, "Многоспектральные методы независимого определения кинетических температур и коэффициентов излучения естественных поверхностей", рассмотрены двух-, трех- и четырехспектральные методы дистанционного и независимого определения излучательных характеристик и кинетических температур поверхностей путем измерений суммарного и фонового излучений. При использовании трех- и четырехспектрального методов возможно определять кинетическую температуру объектов как при наличии прямой информации об отношении излучательной способности поверхности в рабочих спектральных диапазонах, так и в случаях, когда спектральная излучательная способность допускает линейную (трехспектральный метод) и квадратичную (четырехопектральный метод) аппроксимации. Подробно анализируются погрешности методов и приводится быстродействующий алгоритм расчета энергии ИК-излучения в спектральных каналах радиометра, позволяющий производить вычисления в реальном масштабе времени.

- 11 -

В четвертой главе,"Экспериментальные приборы и результаты лабораторных исследований", рассмотрена экспериментальная проверка двух-и трехспектральных методов независимого определения излучательных характеристик и кинетических температур поверхностей. Описана структурная схема экспериментальных ИК-радиометров, выполнен энергетический расчет оптико-электронного блока. Произведена оценка инструментальной погрешности и выбран оптимальный вариант конструкции ИК-радиометров на основании численного моделирования на ЭВМ совместного влияния факторов, определяющих погрешность измерений.

В заключении сформулированы кратко основные результаты работы.

- 12 -

ГЛАВА 1. ТЕРМИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ;

АНАЛИЗ ПРИЧИН ПОГРЕШНОСТЕЙ

1.1. Общие задачи и основное уравнение термического зондирования

К числу наиболее общих задач термического зондирования поверхностей в инфракрасной (ИК) области спектра относятся следующие:

- определение температурных полей поверхностей различных объектов (водоемов, почв, растительности, ледовых покрытий, зданий, движущихся и неподвижных деталей механизмов и ДР.);

- обнаружение тепловых контрастов (утечек тепла, загрязнений водоемов, океанических течений и т.д.);

- идентификация поверхностей путем определения их излучатель ных характеристик;

- термическое зондирование атмосферы.

Важным элементом дистанционной измерительной системы служит оптико-электронный прибор, действие которого основано на преобразовании оптического излучения, несущего информацию о температуре объекта, в электрический сигнал.

В настоящее время разработано множество приборов для решения указанных задач. К ним относятся энергетические, яр-костные, цветовые пирометры (радиометры), спектрорадиометры [18, 19, 201, тепловизоры, сверхизбирательные дистанционные измерители, основанные на гетеродинном методе приема оптического излучения [73 и др.

Спектральный поток излучения , попадающий на входной

зрачок дистанционного измерителя, равен

ФЛ = ФЛФ+ Ф ХОТр+ Флрлсс, (1.1)

где Фхо- поток, обусловленный собственным тепловым излучением поверхности; Ф>ф- отраженный от исследуемой поверхности поток излучения сторонних объектов (фон);Фда- излучение столба атмосферы между поверхностью и дистанционной измерительной системой; Ф^р "* отраженное от поверхности солнечное излучение;Фдрасс- рассеянное атмосферой солнечное излучение.

Соотношение (1.1) является одной из форм записи основного уравнения термического зондирования. При рациональном выборе рабочего спектрального диапазона прибора (или работе в ночное время суток) влиянием отраженного и рассеянного солнечного излучения можно пренебречь.

Собственное излучение является функцией кинетической •(истинной) температурыТ,коэффициента излучения 8 поверхности А и определяется уравнением

Фхо= Г 1)^(в>?;о1н)еА(01*)1\(тЦ051пбала0а*, и-?)

81А

где - спектральный коэффициент направленного излуче-

ния поверхности, для направления, задаваемого зенитным 0 и азимутальным ^ углами; ТдаЙВДН)-коэффициент пропускания слоя атмосферы между уровнями дистанционной измерительной системы, характеризующимся высотой Н и исследуемой поверхностью, находящейся у Земли (нулевой уровень); Т)- спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела (АЧТ) при температуре, равной кинетической температуре поверхности.

Для диффузных поверхностей определяется с помощью соотношения

10Л(тиХ 1т), (1.8)

где спектральная энергетическая светимость