eng
Выпуск #3/2011
Х.Асадов, Э.Аббасзаде, Н.Джавадов
Метод синтеза многоволновых скорректированных солнечных фотометров
Метод синтеза многоволновых скорректированных солнечных фотометров
Просмотры: 2946
Методы фотометрирования помогают в изучении законов движения аэрозольных облаков в сложных воздушных течениях прибрежных зон. Исследуя механизмы их образования, удается выявить степень влияния облаков на изменение климата. Продемонстрирована возможность совершенствования методов численного моделирования в задачах развития климатических моделей, предложен алгоритм синтеза многоволновых солнечных фотометров.
Исторически параметрическая коррекция в солнечных фотометрах была предложена в работе [1]. В этой работе авторами было показано, что введение одного корректировочного параметра позволяет осуществить неизбирательную компенсацию почти всех составляющих оптической толщины атмосферы, которые мешают измерению определенной компоненты суммарной оптической толщины.
Далее, в работе [2], авторами была предложена двухпараметрическая избирательная коррекция, позволяющая скомпенсировать отдельные составляющие оптической толщины атмосферы. Вместе с тем, возможности введения параметрической коррекции не ограничиваются идеями, изложенными в [1, 2].
В настоящей статье мы рассмотрим возможность осуществления комплексной параметрической коррекции в солнечных фотометрах, смысл которой заключается в последовательном осуществлении двухпараметрической и однопараметрической коррекций. Целью настоящей статьи является изложение предлагаемого метода синтеза многоволновых фотометров с комплексной трехпараметрической коррекцией.
До изложения предлагаемого метода синтеза рассмотрим формальную модель многоволнового солнечного фотометра в виде таблицы (рис.1). Как видно из рис.1, предлагаемая табличная модель содержит строки, обозначенные как Mi; i = 1,4, а также столбцы, обозначенные как . Крестики, имеющиеся на пересечении соответствующей пары (Mi, λj), означают возможность измерения вещества Mi на длине волны λj.
Математическое выражение для фотометрического измерения на одной длине волны по модели, показанной на рис.1, имеет вид
(1)
где
Следует отметить, что формула (1) является математическим выражением закона Бугера–Бера, где I(λj) – выходной сигнал фотометра; d(λj) – аппаратная функция откалиброванного фотометра; I0(λj) – интенсивность солнечной радиации на внешней границе атмосферы; αi(λj) – коэффициент поглощения i-го вещества с общим количеством Mi на длине волны λj; m – оптическая воздушная масса.
Предлагаемый метод табличного синтеза многоволновых солнечных фотометров с комплексной многопараметрической коррекцией алгоритмически состоит из следующих нескольких пунктов, в каждом из которых следует ответить на определенных вопрос, касающийся синтеза конкретного устройства:
1. Определение измеряемого вещества и количества используемых длин волн. При этом рассматривается два варианта:
точечный метод измерения вещества Mi, т. е. измерение на одной длине волны;
усредненный метод измерения вещества Mi, т. е. измерение на нескольких длинах волн с последующим усреднением.
Выбор точечного или усредненного метода измерения вещества Mi осуществляется по следующему критерию:
(2)
где ψMi (lj) – отношение сигнал/шум результата измерения вещества Mi на длине волны λy.
Как видно из условия (2), для выбора одноволнового метода отношение сигнал/шум результата измерения на длине волны λj должно быть больше усредненного значения сигнал/шум по всем длинам волн. Для примера на рис. 2 показана табличная модель фотометра с усредненным измерением.
2. Далее рассматриваются вопросы синтеза усредненных измерителей. Для практического осуществления синтеза применяются следующие правила составления таблиц синтеза:
2.1. Выбираются длины волн, из числа , которые будут участвовать в осуществлении двухпараметрической коррекции в трехволновых измерениях. Допустим, этими волнами являются λ1, λ2 и λ3.
2.2. Уточняется четвертая длина волны λ4, необходимая для дальнейшей однопараметрической коррекции. Комплексная функция промежуточного преобразования в рассматриваемом случае будет иметь вид
(3)
2.3. Осуществляется ввод корректирующих параметров в таблицу синтеза. В таблице синтеза, показанной на рис.3, λ3 является третьей длиной волны в двухпараметрической коррекции, а λ4 является четвертой длиной волны, сигнал которой не возводится на степень. По этой причине все коэффициенты, имеющиеся в таблице на рис. 3, умножаются на величину 1/k3, за исключением элементов в столбце λ4.
Одним из основных правил предлагаемого метода синтеза многоволновых фотометров с комбинированной трехпараметрической коррекцией является то, что ни одна компонента таблицы не должна оставаться неучтенной в трех уравнениях нулевого баланса, два из которых характеризуют двухпараметрический метод коррекции, а третий – однопараметрический метод.
3. Вычисление суммы всех оптических толщин, представленных в таблице синтеза. Логарифмируя уравнение (3), получим
(4)
Уравнение (4) перепишем в следующем виде:
(5)
Обозначим левую сторону уравнения (5) как ϕ, т. е.
(6)
Таким образом, сумма всех частных оптических толщин, представленных в таблице на рис.3, определяется по формуле (6).
4. Составление трех уравнений нулевого баланса. Для этой таблицы составляются три уравнения нулевого баланса.
(7)
(8)
Уравнения (7) и (8) характеризуют операцию двухпараметрической коррекции, охватывающей частные оптические толщины, входящие в контур 1 (рис.3).
Третье уравнение нулевого баланса характеризующее однопараметрическую коррекцию, охватывающую частные оптические толщины, входящие в контур 2 (рис.3), запишем в следующем виде:
(9)
5. Вычисление общего количества искомого вещества-компоненты атмосферы. С учетом выражений (5) и (6) получаем следующее уравнение для суммы частных оптических толщин, имеющихся в заштрихованной зоне в таблице на рис. 3.
(10)
Уравнение (10) позволяет вычислить искомую величину M4. Общий алгоритм синтеза многоволнового усредненного измерителя показан на рис. 4.
Следует отметить, что предложенный в этой статье табличный метод синтеза многоволновых скорректированных солнечных фотометров может иметь многочисленные применения в различных модификациях. Это обусловлено, прежде всего, следующими причинами:
вид комбинированной функции промежуточного преобразования может быть выбран иначе, чем (3);
контуры 1 и 2 (см. рис.3) для составления уравнений нулевого баланса могут быть выбраны другими.
В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования:
1. Предложено совмещение трехволновых солнечных фотометров с двухпараметрической коррекцией и однопараметрической коррекцией с помощью комбинированной функции промежуточного преобразования.
2. Предложен метод табличного синтеза многоволновых солнечных фотометров с комбинированной функцией промежуточного преобразования.
3. Предложен операционный алгоритм синтеза многоволновых солнечных фотометров с трехпараметрической коррекцией.
Литература
Асадов Х.Г., Исаев А.А. Общая теория трехволновых озонометрических измерений. – Измерительная техника, 2005, № 8, с. 66.
Асадов Х.Г., Сулейманов Ш.Т. Синтез трехволновых измерителей малых компонентов атмосферы. – Метрология, 2007, № 9, с. 3.
Далее, в работе [2], авторами была предложена двухпараметрическая избирательная коррекция, позволяющая скомпенсировать отдельные составляющие оптической толщины атмосферы. Вместе с тем, возможности введения параметрической коррекции не ограничиваются идеями, изложенными в [1, 2].
В настоящей статье мы рассмотрим возможность осуществления комплексной параметрической коррекции в солнечных фотометрах, смысл которой заключается в последовательном осуществлении двухпараметрической и однопараметрической коррекций. Целью настоящей статьи является изложение предлагаемого метода синтеза многоволновых фотометров с комплексной трехпараметрической коррекцией.
До изложения предлагаемого метода синтеза рассмотрим формальную модель многоволнового солнечного фотометра в виде таблицы (рис.1). Как видно из рис.1, предлагаемая табличная модель содержит строки, обозначенные как Mi; i = 1,4, а также столбцы, обозначенные как . Крестики, имеющиеся на пересечении соответствующей пары (Mi, λj), означают возможность измерения вещества Mi на длине волны λj.
Математическое выражение для фотометрического измерения на одной длине волны по модели, показанной на рис.1, имеет вид
(1)
где
Следует отметить, что формула (1) является математическим выражением закона Бугера–Бера, где I(λj) – выходной сигнал фотометра; d(λj) – аппаратная функция откалиброванного фотометра; I0(λj) – интенсивность солнечной радиации на внешней границе атмосферы; αi(λj) – коэффициент поглощения i-го вещества с общим количеством Mi на длине волны λj; m – оптическая воздушная масса.
Предлагаемый метод табличного синтеза многоволновых солнечных фотометров с комплексной многопараметрической коррекцией алгоритмически состоит из следующих нескольких пунктов, в каждом из которых следует ответить на определенных вопрос, касающийся синтеза конкретного устройства:
1. Определение измеряемого вещества и количества используемых длин волн. При этом рассматривается два варианта:
точечный метод измерения вещества Mi, т. е. измерение на одной длине волны;
усредненный метод измерения вещества Mi, т. е. измерение на нескольких длинах волн с последующим усреднением.
Выбор точечного или усредненного метода измерения вещества Mi осуществляется по следующему критерию:
(2)
где ψMi (lj) – отношение сигнал/шум результата измерения вещества Mi на длине волны λy.
Как видно из условия (2), для выбора одноволнового метода отношение сигнал/шум результата измерения на длине волны λj должно быть больше усредненного значения сигнал/шум по всем длинам волн. Для примера на рис. 2 показана табличная модель фотометра с усредненным измерением.
2. Далее рассматриваются вопросы синтеза усредненных измерителей. Для практического осуществления синтеза применяются следующие правила составления таблиц синтеза:
2.1. Выбираются длины волн, из числа , которые будут участвовать в осуществлении двухпараметрической коррекции в трехволновых измерениях. Допустим, этими волнами являются λ1, λ2 и λ3.
2.2. Уточняется четвертая длина волны λ4, необходимая для дальнейшей однопараметрической коррекции. Комплексная функция промежуточного преобразования в рассматриваемом случае будет иметь вид
(3)
2.3. Осуществляется ввод корректирующих параметров в таблицу синтеза. В таблице синтеза, показанной на рис.3, λ3 является третьей длиной волны в двухпараметрической коррекции, а λ4 является четвертой длиной волны, сигнал которой не возводится на степень. По этой причине все коэффициенты, имеющиеся в таблице на рис. 3, умножаются на величину 1/k3, за исключением элементов в столбце λ4.
Одним из основных правил предлагаемого метода синтеза многоволновых фотометров с комбинированной трехпараметрической коррекцией является то, что ни одна компонента таблицы не должна оставаться неучтенной в трех уравнениях нулевого баланса, два из которых характеризуют двухпараметрический метод коррекции, а третий – однопараметрический метод.
3. Вычисление суммы всех оптических толщин, представленных в таблице синтеза. Логарифмируя уравнение (3), получим
(4)
Уравнение (4) перепишем в следующем виде:
(5)
Обозначим левую сторону уравнения (5) как ϕ, т. е.
(6)
Таким образом, сумма всех частных оптических толщин, представленных в таблице на рис.3, определяется по формуле (6).
4. Составление трех уравнений нулевого баланса. Для этой таблицы составляются три уравнения нулевого баланса.
(7)
(8)
Уравнения (7) и (8) характеризуют операцию двухпараметрической коррекции, охватывающей частные оптические толщины, входящие в контур 1 (рис.3).
Третье уравнение нулевого баланса характеризующее однопараметрическую коррекцию, охватывающую частные оптические толщины, входящие в контур 2 (рис.3), запишем в следующем виде:
(9)
5. Вычисление общего количества искомого вещества-компоненты атмосферы. С учетом выражений (5) и (6) получаем следующее уравнение для суммы частных оптических толщин, имеющихся в заштрихованной зоне в таблице на рис. 3.
(10)
Уравнение (10) позволяет вычислить искомую величину M4. Общий алгоритм синтеза многоволнового усредненного измерителя показан на рис. 4.
Следует отметить, что предложенный в этой статье табличный метод синтеза многоволновых скорректированных солнечных фотометров может иметь многочисленные применения в различных модификациях. Это обусловлено, прежде всего, следующими причинами:
вид комбинированной функции промежуточного преобразования может быть выбран иначе, чем (3);
контуры 1 и 2 (см. рис.3) для составления уравнений нулевого баланса могут быть выбраны другими.
В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования:
1. Предложено совмещение трехволновых солнечных фотометров с двухпараметрической коррекцией и однопараметрической коррекцией с помощью комбинированной функции промежуточного преобразования.
2. Предложен метод табличного синтеза многоволновых солнечных фотометров с комбинированной функцией промежуточного преобразования.
3. Предложен операционный алгоритм синтеза многоволновых солнечных фотометров с трехпараметрической коррекцией.
Литература
Асадов Х.Г., Исаев А.А. Общая теория трехволновых озонометрических измерений. – Измерительная техника, 2005, № 8, с. 66.
Асадов Х.Г., Сулейманов Ш.Т. Синтез трехволновых измерителей малых компонентов атмосферы. – Метрология, 2007, № 9, с. 3.
Отзывы читателей
