eng
Выпуск #3/2014
Э.Ибрагимов, К.Исмаилов
Измерение солнечной радиации с учетом старения оптических фильтров фотометров
Измерение солнечной радиации с учетом старения оптических фильтров фотометров
Просмотры: 9762
Временная деградация основных характеристик интерференционных фильтров в трехволновых солнечных фотометрах диктует необходимость введения параметрической коррекции этого фактора. Получены аналитические формулы для вычисления корректирующих параметров, использование которых позволяет осуществить высокоточные измерения радиационных параметров Солнца.
Спутниковые бортовые спектрографы для атмосферных исследований перед использованием обязательно проходят калибровку и валидацию. Традиционно эти процедуры проводят с помощью наземных спектрометрических и фотометрических систем. Например, спутниковая аппаратура TOMS, предназначенная для измерения общего содержания озона в атмосфере, калибруется с помощью данных наземной сети озонометрических измерений Всемирной метеорологической организации, а результаты бортовых аэрозольных измерений, осуществляемых такими спектрометрическими приборами, как POLDER, MODIS, PARASOL, обычно калибруются на основе данных Всемирной сети аэрозольных измерений AERONET. Все это подчеркивает важность и актуальность создания новых технических решений задач повышения точности калибровки фотометрических устройств. Но со временем интерференционные фильтры стареют и деградируют. Их основные спектральные характеристики оказываются в сильной зависимости от температурных и временных факторов. Это явление превращает нестабильность элементов оптико-электронного тракта в дополнительный источник систематических погрешностей фотометрических измерений.
Например, как отмечено в работе [1], при типичном изменении температуры в оптоэлектронном канале фотометра типа MFRSR на 2°С в течение дня и на 5°С в течение года выходной сигнал этого устройства может дрейфовать из-за изменения основных характеристик интерференционного фильтра до 5%. При этом, несмотря на значительный дрейф спектральных потоков, достигающих 50%, результаты измеренных величин оптических толщин не выходили за пределы установленных порогов. Деградация свойств элементов проявляется в значительном увеличении дрейфовой составляющей сигнала.
Следует отметить, что в мировой практике фотометрирования решению вопроса корректировки результатов в связи с влиянием временной и температурной нестабильностей уделяется большое внимание. Разрабатываются всевозможные коррекционные процедуры результатов фотометрирования для минимизации влияния деградации основных характеристик элементов оптико-электронного тракта с учетом старения элементов. Замена устаревших типов интерференционных фильтров новыми по ряду объективных причин не всегда возможна.
Как сообщается в работе [2], аналогичные проблемы, связанные с временным и температурным дрейфом характеристик интерференционных фильтров, также возникали при эксплуатации фотометра CIMEL во Всемирной сети аэрозольных измерений AERONET. Авторы [2] рассматривали оптические интерференционные фильтры в качестве ограничительного фактора в отношении долговременной стабильности коэффициентов калибровки фотометра CIMEL. Деградация интерференционных фильтров происходила в следующем порядке: в среднем за год характеристики изменялись на 1–5%, а через двухлетний срок некоторые экземпляры фильтров деградировали намного сильнее. В таблице приведены результаты экспериментальных исследований дрейфа показателей интерференционных фильтров различных каналов фотометра CIMEL.
Как отмечено в работе [2], замена интерференционных фильтров на ионно-осажденные фильтры (фильтры №11) позволила значительно улучшить точностные характеристики интерференционных фильтров.
Вместе с тем, как видно из данных, приведенных в таблице, точностные характеристики интерференционных фильтров солнечных фотометров нельзя считать удовлетворительными и при разработке новых типов солнечных фотометров должны быть предусмотрены специальные меры по компенсации погрешностей, вызываемых нестабильностью характеристик интерференционных фильтров.
Мы предлагаем к рассмотрению новый способ компенсации влияния дрейфа характеристик интерференционного фильтра в трехволновом солнечном фотометре с двухпараметрической коррекцией, основанный на принципах, изложенных в работе [3].
Для дальнейшего изложения предлагаемого метода коррекции рассмотрим закон Бугера-Бера, который применительно к монохроматической длине волны имеет вид
, (1)
где – интенсивность солнечного излучения на уровне Земли, на длине волны ; – величина Солнечной постоянной; – оптическая воздушная масса; – оптическая толщина атмосферы.
С учетом (1) выходной сигнал гипотетического одноволнового фотометра может быть определен как
, (2)
где – аппаратная функция фотометра, определяемая как
,
где – аппаратная функция интерференционного фильтра; – аппаратная функция других конструктивных, оптических и электронных узлов фотометра.
В свою очередь, аппаратная функция интерференционного фильтра определяется как
, (3)
где – убывающая функция времени, отображающая физическое старение интерференционного фильтра; – колоколообразная функция пропускания с центральной длиной волны и полушириной волны пропускания .
С учетом (2) и (3) имеем
. (4)
Хорошо известно, что при осуществлении двухпараметрической коррекции в трехволновых фотометрах вводится на рассмотрение параметр – функция промежуточного преобразования, определяемая как
. (5)
С учетом (4) и (5) имеем
(6)
Заметим, что при получении формулы (6) было учтено равенство
.
Из формулы (6) становится ясным, что при выполнении следующих равенств параметр оказывается функцией только и , то есть появляется возможность получения точных оценок триадных комбинаций :
, (7)
. (8)
При этом появляется возможность провести точные измерения путем предлагаемого способа коррекции деградации интерференционных фотометров, заключающегося в составлении и решении системы уравнений (7) и (8) в отношении коэффициентов коррекции и . Покажем предлагаемый вариант решения системы уравнений (7) и (8) относительно и . Из выражения (8) находим
. (9)
Учитывая выражение (9), в (7) получаем
. (10)
Логарифмируя выражение (10), получаем
. (11)
Из выражения (11) получаем
. (12)
С учетом выражений (9) и (12) получаем
. (13)
Таким образом, в трехволновых фотометрах двухпараметрическая коррекция позволяет осуществить коррекцию таких дестабилизирующих факторов, как временная деградация интерференционного фильтра и временная нестабильность оптической толщины атмосферы.
Очевидно, что предлагаемый метод не обеспечивает селективную компенсацию отдельных составляющих частей оптической толщины атмосферы. Раздельная компенсация, например, аэрозоля и озона в солнечном фотометре может быть обеспечена путем перехода на четырехволновую структуру измерителя, что, безусловно, значительно увеличит объем необходимых измерительных работ при проведении предлагаемой процедуры коррекции.
Поэтому для измерения параметров солнечной радиации с помощью многоволнового солнечного фотометра необходимо проводить коррекцию всех дестабилизирующих факторов, для чего вполне пригоден дву- и многопараметрический метод коррекции, впервые предложенный в работе [3].
В результате проведенного исследования показано, что временная деградация основных характеристик интерференционных фильтров в трехволновых солнечных фотометрах диктует необходимость введения параметрической коррекции этого фактора.
Так же подтверждено, что известный двухпараметрический метод коррекции атмосферных факторов в трехволновых фотометрах с учетом деградации характеристик интерференционных фильтров трансформируется в двухпараметрическую коррекцию деградации фильтров, а также коррекцию результатов, вызванных нестабильностью атмосферы.
Были получены аналитические выражения для вычисления корректирующих параметров и , используемых в процедурах измерений радиационных параметров Солнца.
Литература
Multi–Filter Rotatinq Shadowband Radiometer. Handbook. February, 2005. http://www.
Holben B.N., Eck T.F., Slutsker I., Tanre D. et al. AERONET – A Federated Instrument Network and data Archive for Aerosol Characterization. Remote Sensing of Environment. 1998, v.66, p. 1–16.
Асадов Х.Г., Сулейманов Ш.Т. Синтез трехволновых скорректированных измерителей малых компонент атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне. – Метрология, 2007, №9, с. 3–7.
Например, как отмечено в работе [1], при типичном изменении температуры в оптоэлектронном канале фотометра типа MFRSR на 2°С в течение дня и на 5°С в течение года выходной сигнал этого устройства может дрейфовать из-за изменения основных характеристик интерференционного фильтра до 5%. При этом, несмотря на значительный дрейф спектральных потоков, достигающих 50%, результаты измеренных величин оптических толщин не выходили за пределы установленных порогов. Деградация свойств элементов проявляется в значительном увеличении дрейфовой составляющей сигнала.
Следует отметить, что в мировой практике фотометрирования решению вопроса корректировки результатов в связи с влиянием временной и температурной нестабильностей уделяется большое внимание. Разрабатываются всевозможные коррекционные процедуры результатов фотометрирования для минимизации влияния деградации основных характеристик элементов оптико-электронного тракта с учетом старения элементов. Замена устаревших типов интерференционных фильтров новыми по ряду объективных причин не всегда возможна.
Как сообщается в работе [2], аналогичные проблемы, связанные с временным и температурным дрейфом характеристик интерференционных фильтров, также возникали при эксплуатации фотометра CIMEL во Всемирной сети аэрозольных измерений AERONET. Авторы [2] рассматривали оптические интерференционные фильтры в качестве ограничительного фактора в отношении долговременной стабильности коэффициентов калибровки фотометра CIMEL. Деградация интерференционных фильтров происходила в следующем порядке: в среднем за год характеристики изменялись на 1–5%, а через двухлетний срок некоторые экземпляры фильтров деградировали намного сильнее. В таблице приведены результаты экспериментальных исследований дрейфа показателей интерференционных фильтров различных каналов фотометра CIMEL.
Как отмечено в работе [2], замена интерференционных фильтров на ионно-осажденные фильтры (фильтры №11) позволила значительно улучшить точностные характеристики интерференционных фильтров.
Вместе с тем, как видно из данных, приведенных в таблице, точностные характеристики интерференционных фильтров солнечных фотометров нельзя считать удовлетворительными и при разработке новых типов солнечных фотометров должны быть предусмотрены специальные меры по компенсации погрешностей, вызываемых нестабильностью характеристик интерференционных фильтров.
Мы предлагаем к рассмотрению новый способ компенсации влияния дрейфа характеристик интерференционного фильтра в трехволновом солнечном фотометре с двухпараметрической коррекцией, основанный на принципах, изложенных в работе [3].
Для дальнейшего изложения предлагаемого метода коррекции рассмотрим закон Бугера-Бера, который применительно к монохроматической длине волны имеет вид
, (1)
где – интенсивность солнечного излучения на уровне Земли, на длине волны ; – величина Солнечной постоянной; – оптическая воздушная масса; – оптическая толщина атмосферы.
С учетом (1) выходной сигнал гипотетического одноволнового фотометра может быть определен как
, (2)
где – аппаратная функция фотометра, определяемая как
,
где – аппаратная функция интерференционного фильтра; – аппаратная функция других конструктивных, оптических и электронных узлов фотометра.
В свою очередь, аппаратная функция интерференционного фильтра определяется как
, (3)
где – убывающая функция времени, отображающая физическое старение интерференционного фильтра; – колоколообразная функция пропускания с центральной длиной волны и полушириной волны пропускания .
С учетом (2) и (3) имеем
. (4)
Хорошо известно, что при осуществлении двухпараметрической коррекции в трехволновых фотометрах вводится на рассмотрение параметр – функция промежуточного преобразования, определяемая как
. (5)
С учетом (4) и (5) имеем
(6)
Заметим, что при получении формулы (6) было учтено равенство
.
Из формулы (6) становится ясным, что при выполнении следующих равенств параметр оказывается функцией только и , то есть появляется возможность получения точных оценок триадных комбинаций :
, (7)
. (8)
При этом появляется возможность провести точные измерения путем предлагаемого способа коррекции деградации интерференционных фотометров, заключающегося в составлении и решении системы уравнений (7) и (8) в отношении коэффициентов коррекции и . Покажем предлагаемый вариант решения системы уравнений (7) и (8) относительно и . Из выражения (8) находим
. (9)
Учитывая выражение (9), в (7) получаем
. (10)
Логарифмируя выражение (10), получаем
. (11)
Из выражения (11) получаем
. (12)
С учетом выражений (9) и (12) получаем
. (13)
Таким образом, в трехволновых фотометрах двухпараметрическая коррекция позволяет осуществить коррекцию таких дестабилизирующих факторов, как временная деградация интерференционного фильтра и временная нестабильность оптической толщины атмосферы.
Очевидно, что предлагаемый метод не обеспечивает селективную компенсацию отдельных составляющих частей оптической толщины атмосферы. Раздельная компенсация, например, аэрозоля и озона в солнечном фотометре может быть обеспечена путем перехода на четырехволновую структуру измерителя, что, безусловно, значительно увеличит объем необходимых измерительных работ при проведении предлагаемой процедуры коррекции.
Поэтому для измерения параметров солнечной радиации с помощью многоволнового солнечного фотометра необходимо проводить коррекцию всех дестабилизирующих факторов, для чего вполне пригоден дву- и многопараметрический метод коррекции, впервые предложенный в работе [3].
В результате проведенного исследования показано, что временная деградация основных характеристик интерференционных фильтров в трехволновых солнечных фотометрах диктует необходимость введения параметрической коррекции этого фактора.
Так же подтверждено, что известный двухпараметрический метод коррекции атмосферных факторов в трехволновых фотометрах с учетом деградации характеристик интерференционных фильтров трансформируется в двухпараметрическую коррекцию деградации фильтров, а также коррекцию результатов, вызванных нестабильностью атмосферы.
Были получены аналитические выражения для вычисления корректирующих параметров и , используемых в процедурах измерений радиационных параметров Солнца.
Литература
Multi–Filter Rotatinq Shadowband Radiometer. Handbook. February, 2005. http://www.
Holben B.N., Eck T.F., Slutsker I., Tanre D. et al. AERONET – A Federated Instrument Network and data Archive for Aerosol Characterization. Remote Sensing of Environment. 1998, v.66, p. 1–16.
Асадов Х.Г., Сулейманов Ш.Т. Синтез трехволновых скорректированных измерителей малых компонент атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне. – Метрология, 2007, №9, с. 3–7.
Отзывы читателей
