Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Физические основы решения задач исследования природных ресурсов Земли.





Для дистанционного наблюдения за Землей может быть использовано электромагнитное излучение, магнитное и гравитационное поля, лидары.

Электромагнитное излучение может использоваться в оптической части спектра: ультрафиолетовом (УФ), видимом, ближнем инфракрасном (БИК), среднем и дальнем инфракрасном (ДИК) диапазонах, а также в радиодиапазонах (СВЧ и KB). При наблюдении в оптическом диапазоне на спутнике принимается отраженное солнечное излучение от объектов, прошедшее через атмосферу. Поэтому наблюдение в этом диапазоне возможно в дневное время (при высоте Солнца более 10 ... 30°) и притом объектов, не прикрытых для спутников облаками. Кроме того, учитывая свойства электромагнитного излучения особенно ультрафиолетового и видимого диапазонов, наблюдать можно за объектами и процессами, находящимися на поверхности Земли и не закрытыми никакими твердыми предметами (листьями деревьев, травой, пылью, снегом, льдом и т.д.).

Вместе с тем в этом диапазоне спектра возможно получение видео изображений большой информативности (высокое пространственное и фотометрическое разрешение при достаточно большой ширине обзора) с помощью разнообразной аппаратуры (фотографической, телевизионной и спектрометрической), обладающей сравнительно малыми массами. Поэтому аппараты оптического диапазона нашли широкое применение при наблюдении за Землей из космоса.

Дальний инфракрасный диапазон спектра электромагнитного излучения позволяет наблюдать за объектами, используя для этого их собственное радиационное излучение. Наилучшим временем наблюдения является ночь, когда наименьшим образом влияют помехи от нагретых Солнцем наземных объектов (объекты не должны быть прикрыты облаками). При этом могут быть выявлены не только объекты, находящиеся на поверхности Земли, но и те, которые имеют некоторое заглубление под поверхностью.



Наблюдение за объектами в радио диапазоне свободно от влияния облачности и времени суток. Это определяет возможность широкого использования радиодиапазона для оперативного наблюдения при неблагоприятных метеорологических условиях и наблюдения за областями Земли с недостаточной освещенностью (приполярные области).

Сверхвысокочастотный (СВЧ) диапазон спектра позволяет получить радиолокационное изображение (радиолокационный портрет) поверхности Земли, удобное для визуального восприятия и весьма информативное.

Однако аппаратура СВЧ требует мощных источников энергии для генерирования зондирующих импульсов и антенных устройств значительных габаритных размеров и масс. СВЧ – диапазон дает возможность обнаруживать и несколько заглубленные природные образования, которые сами генерируют излучение в этом диапазоне. Применение сканирующих радиометров позволяет получить радиометрический портрет в СВЧ – диапазоне наземных сюжетов. Многоспектральная съемка дает возможность получать синтезированные цветные изображения. Радиолокация в СВЧ – диапазоне по направлению местной вертикали позволяет определить высоту полета спутника относительно рельефа суши и поверхности океана и, наконец, радиолокация в нескольких направлениях относительно местной вертикали и трассы полета дает возможность, используя СВЧ – диапазон, выявлять несимметрию формы водной поверхности, а по ней балльность волнения, направление и скорость ветра. Более длинные радиоволны позволяют в принципе построить радиолокационную систему для зондирования глубинных образований Земли. Глубина зондирования тем больше, чем больше длина волны зондирующего импульса.

Наземные объекты по разному отражают электромагнитное излучение Солнца. Кроме того, разница яркостей отраженного излучения двух различных объектов может существенно изменяться при переходе от одного диапазона длин волн к другому. При малом числе исследуемых объектов (вода, снег, растительность, пустыни, горы) допустимо использование одного узкого диапазона или всего видимого. С ростом числа объектов необходимо или повышать количество градаций измерения яркости в пределах одного диапазона (точность измерения яркости), или же увеличивать число диапазонов, в которых ведется наблюдение. В последнем случае отождествление проводится по совпадению яркостей с каталожными во всех используемых диапазонах, что существенно расширяет измерительные возможности системы. Так, если каждый из диапазонов имеет десять градаций по яркости, то использование одного из них позволяет (только по фотометрическому признаку) отождествить десять различных объектов; два диапазона — сто объектов, три диапазона — тысячу и т.д. Проведенные исследования на основе наземных, самолетных и космических измерений показали, что при современном уровне точности измерения яркостей, допустимой узости спектра наблюдения, числе исследуемых объектов и процессов, а также фаз их состояния целесообразно использование четырех — шести диапазонов видимой области, трех для инфракрасной, четырех — шести для СВЧ и одного — двух в радиодиапазоне.

Измерение со спутников параметров магнитного поля Земли дает возможность уточнить представление о происходящих в недрах Земли физических процессах и геологическом строении глубинных слоев. Гравитационное поле отражает распределение масс в теле Земли. Спутниковые методы позволяют уточнить параметры гравитационного поля Земли, что способствует уточнению ее геологического строения.

При создании картографической основы необходимо опознать наземные объекты. Опознавание может быть проведено по геометрическим признакам (форме, размерам) и поэтому для съемки может быть использована черно - белая пленка. Это упрощает требования к светотехническим характеристикам оптики фотоаппарата, упрощает обработку пленки, уменьшает ее стоимость, и, наконец, самое главное — позволяет получить наибольшее разрешение по сравнению с другими видами пленок (цветных, спектрозональных, многоспектральных). Надежное отождествление (с вероятностью, большей 0,9) фрагментов изображения, полученного на пленке, с объектами местности достигается при использовании фотоаппаратуры, обеспечивающей разрешение на местности (условная величина, соответствующая ширине чередующихся черных и белых полос на поверхности Земли, которые могут быть различимыми на фотоизображении) около 10м.

Геометрическая точность аппаратуры наблюдения зависит от качества приемного устройства (объектива, антенны), от точности установки приемного устройства относительно чувствительных элементов (пленки, мишени видикона) и метрических характеристик этих чувствительных устройств (подверженность деформации в процессе наблюдения или при последующей работе, точность их изготовления).

Шестидесятипроцентное перекрытие позволяет проводить стереоскопическую обработку изображений. В этом случае используется свойство зрения видеть объемно сюжет, если его изображения получены с двух точек, и каждый глаз может видеть их раздельно. Объемное видение позволяет определить не только геометрические размеры в плане, но и измерить высоту отдельных точек объектов. Шестидесятипроцентное перекрытие обычно проводится вдоль маршрута съемки. Перекрытие маршрутов съемки составляет около 10 % и преследует цель более точно увязать взаимное положение объектов наблюдения.

Нагретые объекты излучают энергию в виде электромагнитных волн. Интенсивность излучения зависит от температуры объекта и его излучательной способности. Излучательная способность объекта каждого типа различна для диапазонов длин волн. Поэтому измерение интенсивности излучения в одном диапазоне позволяет определить температуру объекта известного типа или тип объекта при известной его температуре. Измерения в двух диапазонах дают возможность определить температуру и тип объекта, поэтому использование двух диапазонов волн инфракрасной области позволяет дистанционно определить температуру верхнего слоя Земли и воды, а также сами объекты.

Пористые объекты существенно изменяют свою излучательную способность в зависимости от содержащегося в них количества влаги. При этом излучательная способность также зависит от диапазона длин волн. Поэтому измерение интенсивности излучения в инфракрасной области спектра в двух диапазонах для известных объектов позволяет определить температуру и его влажность. Таким образом, проводится изучение температуры и влагосодержания верхнего слоя почв.

Излучение от заглубленных объектов сильно задерживается верхними слоями Земли, отражаясь от них, и за пределы поверхности в атмосферу и космос выходит незначительная его часть. Особенно сильное поглощение имеет место для сред с хорошей электрической проводимостью (проводников), например морской воды. При заглублении излучающего объекта на величину, равную одной трети длины волны, интенсивность излучения уменьшается примерно в 10 раз. Это означает, что при использовании излучений на длине волны 30 см подповерхностные слои более нагретой морской воды (или менее нагретой), лежащие на глубине 10 см, будут обнаруживаться с трудом. То же относится и к другим объектам с отличной от окружающей воды температурой, заглубление которых больше, чем 10 см. Среды с меньшей электрической проводимостью (полупроводники), например влажные грунты и почвы, пресная вода в водоемах, слабее поглощают электромагнитное излучение: десятикратное ослабление имеет место при глубинах погружения излучающего слоя (или объекта), составляющих примерно две трети длины волны. Поэтому при длине волны 30 см обнаружение объектов практически возможно при их заглублении до 20 см. Диэлектрики (сухой песок, лед из конденсата атмосферной влаги, дистиллированная вода, сухое дерево) обладают малой поглощательной способностью: десятикратное поглощение наступает при глубине, равной примерно десяткам длин волн, т.е. для рассматриваемой длины волны 30 см объекты могут быть обнаружены до глубины, примерно 3 ... 10 м.

Если объект по своим свойствам близок к проводнику (морская вода) или полупроводнику (соленый лед) и лежит на поверхности, и на видимом изображении будут отражены его размеры и форма, близкие к истинным. Диэлектрические объекты будут изображаться с заметно искаженными размерами и формами. Кроме того, если под диэлектриком на небольшой глубине (меньшей нескольких десятков длин волн) располагается объект со свойствами, приближающимися к полупроводникам и проводникам, то могут быть обнаружены и эти объекты. При этом может быть получена и глубина их залегания, которая пропорциональна разнице времени прихода отраженного сигнала от поверхности и границы, разделяющей диэлектрик и объект. На этом основано, например, глубинное зондирование форм поверхности материка, покрытого льдом из конденсата атмосферной влаги определение источников подземных вод, площади и динамика снежного и ледового покровов. При весьма малом поверхностном слое диэлектрики (растительность, сухой песок, торф) лежащие под ним объекты будут выглядеть так, как будто бы они лежат на поверхности, т.е. получится изображение поверхности Земли без верхней оболочки (изображение оскальпированной Земли). Это весьма важно при решении таких задач, как обнаружения элементов тектонических структур, и при геологическом картировании.

Качество наблюдения в радиодиапазоне не зависит от погодных условия и освещенности Солнцем. Поэтому его использование перспективно в полярных районах со слабой освещенностью и в районах циклонической деятельности. Так, могут успешно решаться задачи определения форм и размеров ледяных полей, обнаружения трещин в них, разводий и местоположения айсбергов в приполярных районах и при плохих метеоусловиях, предупреждения о наводнениях, селях и лавинах.

Заболевание растительности и наличие вредителей на ней ведет к изменению ее цвета и отражательных характеристик в видимой и ИК – областях. Кроме того, у заболевших растений изменяется и собственная температура на несколько градусов. Поэтому для решения задачи обнаружения мест заражения и вредителей также необходимо использовать видимый и ИК – диапазоны.

Лесные пожары могут быть обнаружены по многим признакам в видимой, ИК и СВЧ – областях электромагнитного излучения: в видимой — по изменению цвета пятна пожара относительно окружающего леса и по шлейфу дыма; в ИК и СВЧ – диапазонах — по собственному излучению пламени нагретого пожарища.

Загрязнение суши и воды сопровождается изменением их отражательных характеристик и температуры. Поэтому выявление и наблюдение за загрязнениями может быть проведено в видимом, ИК и СВЧ – диапазонах. Загрязнение атмосферы изменяет ее светотехнические характеристики (отражательные свойства и пропускание солнечных лучей и отраженного излучения Земли, а также интенсивности излучения в различных узких полосах, свойственных присутствующим в атмосфере газам). Наилучшим образом эти изменения в свойствах атмосферы могут быть обнаружены на основе спектрометрирования атмосферы, т.е. определения зависимости интенсивности излучения от длины волны в широком диапазоне.

При определении физического состояния объектов по светотехническим признакам необходимо одновременно измерять характеристики атмосферы. Это позволит определить ее отличие от номинальной (при которой составлен каталог) и затем вычислить соответствующие поправки для последующего использования каталога при дешифрировании. Возможен и другой путь. В каждой из типичных областей Земли (тайга, степь, горы) имеется тестовый полигон с набором наиболее часто встречающихся объектов, состояние которых в каждый момент известно на основе наземных наблюдений. Сравнивая результаты дистанционного наблюдения этих объектов с исследуемыми, можно определить разницу из физического состояния. Кроме того, сравнивая результаты наблюдений объектов с данными каталога, можно вычислить поправки на атмосферу и затем ввести их для исследуемых объектов.

 

3. Аппаратура для космического мониторинга.

Рис. 70. Схема устройства кадрового фотоаппарата для съемок из космоса:

1 - кассета с пленкой; 2 - кадровая рамка и механизм компенсаций сдвига изображения; 3 — затвор; 4 - объектив; 5 – светофильтр.

Рис. 71. Схема работы сканирующего телевизионного устройства.

Рис. 72. Схема работы видикона кадрового телевизионного устройства.

Рис. 73. Схема работы кадрового телевизионного устройства на видиконе с обратным ходом луча.

Рис. 74 Схема ИК – радиометра.

Рис. 75. Схема работы СВЧ – радиометра с механическим сканированием

Рис. 76. Схема работы системы глубинного зондирования

Рис. 77. Схема работы спектрофотометра

Рис. 78. Схема спектрометра с дифракционной решеткой

Рис. 79. Схема работы интерферометра Майкельсона:

1 — источник; 2 - модулятор; 3 - коллиматор; 4 - светоделитель; 5 — подвижное зеркало; 6 ~ компенсатор; 7 - неподвижное зеркало; 8 — фокусирующее зеркало; 9 – приемник


Приложение.

Таблица 9.

ИЗМЕРЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ВЕЛИЧИН

Принципиальная схема пояснения
Механические а - с измерительным стержнем б — с роликом 1 — объект измерения 2 — измерительный стержень (щуп – ролик) 3 – редуктор 4 — шкала  
Пружинно оптический прибор 1 — объект измерения 2 — измерительный наконечник (щуп) 3 - рычажная передача 4 — пружинная передача 5 — зеркальце 6 - осветитель 7 — объектив
Преобразователи приборов контактных методов измерения а — электроконтактный; б — резистивныи; в – емкостной; г – индуктивный. 1 - объект измерения 2 - щуп 3 — подвижные контакты 4 - неподвижные контакты 5 - потенциометр 6 - движок 7 - емкостный преобразователь  
Акустические измерители размеров (толщины) а - работающий на просвет; б - с отраженным сигналом; в — толщин покрытии. 1 — объект измерения 2 - генератор 3 - излучатель 4 - приемник 5 — электронная схема 6 – индикатор
Электронно-оптический измеритель с кодированной шкалой 1 — кодированная шкала 2 — осветитель; 3 — диафрагма 4 — блок фотоприемников 5 — электронная схема, 6 — индицирующее устройство  
Электронно-оптический интерференционный преобразователь 1 — оптическая система ОКГ 2 — неподвижный отражатель 3 — полупрозрачное зеркало 4 — объект измерения 5 — оптическая система ФП  
Пневматический измеритель размеров а - бесконтактный б - контактный с измерительным штоком 1 - объект измерения 2 — сопло 3 измеритель расхода воздуха 4 — стабилизатор давления воздуха 5 — воздушная mагистраль 6 — измерительный шток  
Радиационный измеритель а — толщин (размеров) б - толщин покрытий 1 — объект измерения 2 — радиационный излучатель 3 — приемник излучения 4 - электронный блок 5 - индицирующее устройство

Таблица 10.

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ

Принципиальная схема пояснения
1 — сердечник индуктивного преобразователя 2 — якорь 3 — опора щупа 4 — щуп 5 — обмотка 6 — магнитопровод 7 - генератор 8 - трансформатор 9 — усилитель 10 — фазовый детектор 11 — фильтр 12-УПТ 13 — индикатор  
1 — постоянный магнит 2 — подвижной сердечник 3 — обмотка 4 — пружины подвеса 5 - щуп 6 — исследуемая поверхность  
1 — исследуемая поверхность 2 — объектив, 3 — осветитель, 4 — линза, 5 — фотоприемник
1 — исследуемая поверхность, 2 – диэлектрик, 3 — пластина электрода, 4 — генератор, 5 — колебательный контур  
1 — исследуемая поверхность; 2 — измерительное сопло, 3 — манометр, 4 — диафрагма

Таблица 11.

ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ.

Принципиальная схема пояснения
Аэрометрический измеритель скорости 1 – приемник статического давления 2 – приемник полного давления 3 – трубопроводы 4 – корпус 5 – манометрическая коробка 6 – стрелка
Манометрический измеритель скорости 1 — турбинка 2 – пневмореле 3 — электродвигатель
Термодинамический измеритель скорости 1 – открытая термопара 2 – экранированная термопара 3 — сумматор 4 – делитель
Корреляционный измеритель скорости БРЗ — блок регулируемой задержки реализующий функции f(t - τ -∆т)и f(t — т+∆т) 1 и 2—приемные элементы О — излучатель 3 - умножитель Wф — фильтр Ус — усилитель ИО — исполнительный орган 4 - движущийся объект
Инерциальный измеритель скорости V — ускорение (слева) V — скорость ki и k2 — коэффициенты усиления g ускорение силы тяжести R — радиус Земли 2 — сигнал внешней навигационной информации
Турбинный измеритель скорости а тангенциальная турбинка б аксиальная турбинка  
Доплеровский измеритель скорости а — схема однолучевого измерителя б - сплошной спектр отраженного сигнала в — схема четырехлучевого измерителя W — путевая скорость β угол сноса
Центробежные тахометры а - конический, б — кольцевой; 1 — муфта, 2 — пружина
Магнитоиндукционные тахометры а — с полым ротором, б — с диском, 1 — магнит, 2 — чувствительный элемент, 3 — термомагнитныи шунт, 4 — магнитопровод
Электрические тахометры постоянного тока а — тахогенератор с φ≤φ0, б — тахогенератор постоянного тока, 1 — магниты, 2 — обмотка якоря, 3 — коллектор
Тахометры переменного тока а — тахогенератор переменного тока, б — измеритель частоты φ = S, f, в - измеритель напряжения φ = S, V  
Индукционный тахометр 1 и 2 — магнитопроводы, 3 — обмотка, 4 — ротор, Uc = Sw S — αf sin 2rft – f -частота напряжения питания
Стробоскопическии тахометр 1 — объект исследования, 2 — источник света, 3 - глаз, 4 - отметка УРВ - устройство регулирования вспышек

Литература.

  1. Бошняк Л.Л. «Измерения при теплотехнических измерениях» М., Маш, 1974.
  2. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. «Качество измерений» метрологическая справочная книга. Лениздат, 1987.
  3. Преображенский В.П. «Теплотехнические измерения и приборы» Энергия 1978.
  4. Иванова Г.М., Чистяков В.Е., Кузнецов Н.Д. «Теплотехнические измерения и приборы» - учебник Энергоиздат, 1984.
  5. «Измерения в промышленности» справочник в 3-х томах под ред. Профоса. М., Металлургия, 1980.
  6. Кремлевский П.П. «Расходомеры и счетчики количества» М., Маш., 1989.
  7. «Руководство по контролю загрязнения атмосферы» руководящий документ РД 52.04.186-89.
  8. Справочник по физико – химическим методам исследования объектов окружающей среды. Ред. Г.И. Аранович. Л.: Судостроение, 1979.
  9. В.А. Боднер, А.В. Алферев. «Измерительные приборы». Учебник для вузов в 2-х томах. Изд.-во стандартов, 1986.
  10. В.С. Авдуевский, Г.Р. Успенский. «Народно – хозяйственные и научные космические комплексы». М, Маш., 1985.
  11. Авдеев Б.Я. и др. Основы метрологии и электрические измерения. Энергоатомиздат 1987 г.
  12. Б.В. Бирюков, М.А. Данилов, С.С. Кивилис, «Средства испытаний расходомеров». М., Энергоатомиздат, 1983.
  13. В.М. Немец, А.А. Петров, А.А. Соловьев. «Спектральный анализ неорганических газов». «Химия», Ленинградское отделение, 1988.

Содержание.









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.