Опыт практического применения ИК-радиометрической и тепловизионной аппаратуры при решении задач, связанных с тепломассообменом на границе раздела двух сред

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Опыт практического применения ИК-радиометрической и тепловизионной аппаратуры при решении задач, связанных с тепломассообменом на границе раздела двух сред

С.С. Зенченко, В.М. Самков. ФГУП "Крыловский государственный научный центр" ГОИ им. С.И. Вавилова

вода воздух пленка радиационный

В докладе приведен перечень исследований, объединяющих гидрофизические и оптические направления. Результаты включают бассейновые, полунатурные, натурные эксперименты и направлены на метрологическое обеспечение исследований свойств морской поверхности с применением ИК-радиометрической и тепловизионной аппаратуры.

В связи с тем, что проведение настоящей конференции совпало с 40 летием совместной деятельности ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова и ГОИ им. С.И. Вавилова, в настоящем докладе представлены некоторые результаты исследований на стыке гидрофизики и оптики. Эти работы проводились на базе уникального открытого опытового бассейна (ООБ), а также с использованием научно-исследовательского судна НИС "Академик Алексей Крылов" на Черном, Баренцевом, Средиземном морях и Атлантике. Уникальность ООБ состояла в его большой водной акватории, размером 70 м на 180 м , а также в оснащении ООБ экспериментальными установками.

Рис. 1 Вид открытого опытового бассейна и технических экспериментальных установок

На фотографии Рис. 1 представлен вид ООБ. В центре бассейна оборудована площадка на высоте 1м от поверхности воды, с размещенными контактными системами контроля параметров среды на различных глубинах, свободной поверхности, а также устройствами для зондирования приповерхностных слоев и границы раздела вода-воздух. Над площадкой оборудован наблюдательный пост на высоте 5м от уровня поверхности. На берегу ООБ размещена наблюдательная вышка с постами на высоте 16 и 23 м соответственно. Наблюдательная вышка и площадка оснащены системами контроля гидрометеообстановки. Бассейн оборудован волнопродуктором гравитационных волн и генератором ветрового капиллярного волнения. Кроме того в различных точках акватории размещалось множество устройств, обеспечивающих тестирование, настройку в соответствии с заданным пространственным разрешением дистанционной аппаратуры, в качестве которой применялась многоканальная радиометрическая , типа ТС-130, и тепловизионная аппаратура.

Такая открытость и масштабность акватории ООБ сохраняли все существующие процессы тепломассообмена, присущие натурным условиям. По этой причине часть решаемых задач связана с определением места радиационной температуры, поскольку существовала дискуссия, в которой радиационная температура считалась некоторой псевдо температурой, не позволяющей ее сопоставить с данными контактных измерений. В настоящее время понятие радиационной температуры уже обозначено в стандартах РФ. С помощью специального устройства, защищенного авторскими правами, производился нагрев подповерхностных слоев и создание аномалий в соответствии с пространственным разрешением радиометра и контроля температуры на различных глубинах аномальной области. По данным измерений и пересчета значений температуры для слоя, формирующего ИК-сигнал (20 мкм), получены соотношения радиационной и термодинамической температуры, определяемые коэффициентом регрессии 0,98. На Рис.2 представлены такие зависимости.

Огромный объем измерений связан с исследованием границы раздела вода-воздух, а именно, поверхностной пленки воды (ППВ).

Рис.2 Соотношение радиационной и термодинамической температуры

Это своего рода наносубстанция, которая до сих пор мало изучена и должна занять соответствующее место в программах нанотехнологий. ППВ играет не последнюю роль в формировании климата над океаном, она является индикатором процессов, происходящих на глубинных горизонтах океана, с ней связаны изменения сигналов почти всей применяемой для зондирования морской поверхности дистанционной аппаратуры. На основании специальной разработанной методики пузырькового апвеллинга [1], проведены измерения перепада температуры, как в ООБ, так всех названных морских акваториях.

На рис.3 представлены некоторые данные, включающие зависимости перепада температуры в пленке от разности между температурой воды и воздуха для различных состояний волнения поверхности (Nбал).

Рис. 3 Характеристики ППВ для различных состояний волнения поверхности

Технические возможности размещения аппаратуры в ООБ на различных удалениях от свободной поверхности, обеспечивающие имитацию размещения на корабельных и авиационных носителях, позволили исследовать естественное влияние отраженной составляющей, обусловленной состоянием облачности, сменой суток, волнением поверхности.

Дополнительное воспроизведение состояния волнения поверхности волнопродуктором и генератором ветровых волн обеспечило повторяемость ситуации и детализацию влияния фоновых помех на формирование сигнала. На Рис.4 представлен некоторые результаты огромного массива измерений углового хода радиационной температуры при различной бальности облачности (n), скорости ветра (v) м/с. Результаты подтверждают идентичность фона для условий ООБ и морских условий. Кроме того выявлена особенность измерений при надирных углах визирования и наклонном зондировании.

Рис. 4 Угловые зависимости радиационной температуры при различных условиях измерений: 1 - день, n=0, v=0м/с; 2 - день, n=0, v =6м/с; 3 - день, n=4, v=2,5м/с; 4 - день, n=9, v=2-3м/с; 5-ночь, n=0, v=0м/с; 6- день, n=0, v=0м/с; 7 - день, n=0, v=2-3м/с; 8 - день, n=3, v=0,5-1м/с; 9 - день, n=0, v=0м/с; 10-ночь, n=0, v=0м/с.

На Рис.5 показана область максимальных изменений сигнала при изменении режима наблюдения водной поверхности. Кроме выше представленных источников формирования сигнала ИК-приборов, проводились измерения при наличии солнечной засветки (дорожки), сликовых образований, наличий усиленных поверхностно-активных веществ, загрязнений. Все это послужило базой для разработки специальных компенсационных каналов для защиты от случайных помех. В последующих модификациях радиометрических приборов ГОИ им.С.И. Вавилова эти факторы был использованы. Кроме того на основе материала разработан целый ряд выводов для метрологического обеспечения измерений, а также методик, например, для дистанционного измерения параметров ППВ с авиационного носителя, обеспечивая масштабность измерения водной акватории.

Рис. 5 Области максимального изменения радиационной температуры морской поверхности в зависимости от режимов зондирования

Ввиду ограниченных возможностей, в докладе представлен небольшой объем наработанного материала. Детали можно узнать из ссылок [2]-[5]. Практическая востребованность этого материала доказана при решении экологических задач, исследований арктических шельфов. Длительная и непрерывная отработка эксплуатационных свойств разработанных прибора показала высокую надежность его оптико-электронных и конструкционных элементов.

Наработанные аспекты метрологического обеспечения измерений радиометрической и тепловизионной аппаратурой остаются актуальны и по сегодняшний день, особенно при эксплуатации импортной техники. Заложенный огромный динамический диапазон измеряемых температур (от минусовых до тысяч градусов в положительной области измерений), установка и варьирование коэффициентом излучения от 0,1 до 1,0, а также унификация элементов, создают привлекательность и вид игрушки этим приборам. С таким подходом порой происходит их эксплуатация, без особого внимания о влиянии отраженного излучения посторонних предметов, нагретых тел, углов наклона прибора и т.п. По этой причине, при высокой чувствительности приборов, погрешности измерений могут достигать больших значений, о чем свидетельствует все сказанное ранее.

Авторы доклада вспоминают добрым словом и выражают признательность уникальным личностям, которые стояли у истоков совместного направления. Кроме М.М. Мирошникова, это Минеев Е.Н, Соловьев В.И., Петров Е.Н., Утенков Б.Н., Иванов Г.Н. Несмотря на большие потери интеллектуального и технического характера в период перестройки, ГОИ им. С.И. Вавилова удалось сохранить ряд моделей радиометров и тепловизоров, уникальные решения в которых актуальны и сегодня. Зарегистрированные эффекты, полученные зависимости, уникальные методики и изобретения легли в основу метрологических обоснований по применению любой ИК-радиометрической и тепловизионной техники, применяемой не только для гидрофизики, но и новых направлений , связанных с процессами тепломассообмена на границе раздела двух сред. К примеру, перспективно применение тепловизионной техники для определения теплофизических свойств композиционных материалов и развитии стелс-технологий.

Литература

1. Зенченко С.С., Гончаров В.К., Мельников Г.С. Способ определения перепадов температуры в поверхностной пленке воды. а.с. №1132670.1984г

2. Зенченко С.С., Поварков В.И., Самков В.М., Угловой и многоспектральный метод измерения характеристик морской поверхности в оптическом диапазоне спектра, Х Пленум "ОПТИКА ОКЕАНА" АН СССР, тезисы докладов, Ростов-на Дону, Ленинград 1988.

3. Зенченко С.С., Самков В.М., Особенности использования дистанционной аппаратуры при измерении температуры поверхности океана, Всесоюзная конференция "Проблемы метрологии гидрофизических измерений", тезисы докладов, Москва, 1990.

4. Зенченко С.С., Мельников Г.С., Поварков В.И., Самков В.М. Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов . Тезисы докладов. Таллин, "БИТ".1980.

5. Зенченко С.С., Самков В.М. Дистанционный метод прямого учета влияния небосвода на поле радиационной температуры поверхности океана. Оптика моря и океана. Тезисы доклада. Красноярск, 1990.

Размещено на Allbest.ru