RU2729171C1 - Method of determining optical thickness of atmosphere - Google Patents

Method of determining optical thickness of atmosphere Download PDF

Info

Publication number
RU2729171C1
RU2729171C1 RU2019143714A RU2019143714A RU2729171C1 RU 2729171 C1 RU2729171 C1 RU 2729171C1 RU 2019143714 A RU2019143714 A RU 2019143714A RU 2019143714 A RU2019143714 A RU 2019143714A RU 2729171 C1 RU2729171 C1 RU 2729171C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
atmosphere
optical
sky
horizon
angular
Prior art date
Application number
RU2019143714A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Иванович Титов
Виктор Владимирович Баханов
Эмма Михайловна Зуйкова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority to RU2019143714A priority Critical patent/RU2729171C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2729171C1 publication Critical patent/RU2729171C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to diagnostics of atmosphere characteristics and method of determining optical thickness of atmosphere. Method includes obtaining optical images of sky near horizon with capture of horizon line in at least three spectral windows of optical spectrum, plotting the angular dependence of the sky brightness near the horizon and calculating the value of the angular height of the sub-horizon maximum of the cloudless sky brightness in each spectral window. Optical thickness of the atmosphere is obtained by solving the problem of reversing the model dependence of the angular height of a sub-horizon maximum of the brightness of the cloudless sky on the optical thickness of the atmosphere. Sky images are obtained using synchronized optical systems with the same azimuthal direction and sensitivity in different narrow spectral windows. At the same time either optical systems scanning by azimuth or at least two sets of optical systems which observe in different azimuthal directions are used.EFFECT: technical result consists in improvement of spectral accuracy in a wide spectral range and improvement of spatial and time resolution of conducted measurements.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к средствам диагностики характеристик атмосферы, в частности к дистанционному определению оптической толщины безоблачной атмосферы в широком спектральном диапазоне.The invention relates to a means of diagnosing the characteristics of the atmosphere, in particular to the remote determination of the optical thickness of a cloudless atmosphere in a wide spectral range.

Оптическая толщина (далее ОТ) атмосферы определяется рассеянием света на аэрозольных частицах (аэрозольное рассеяние) и на молекулах (молекулярное рассеяние или рассеяние Рэлея).The optical thickness (hereinafter OT) of the atmosphere is determined by the scattering of light on aerosol particles (aerosol scattering) and on molecules (molecular scattering or Rayleigh scattering).

Аэрозольные частицы, присутствующие в атмосфере, непосредственно влияют на величины составляющих радиационного баланса системы «Земля-атмосфера»: ослабляют потоки прямой солнечной радиации, приходящей к поверхности; активно участвуя в процессах конденсации водяного пара, приводят к изменению характеристик облачного покрова, т.е. к изменению суммарного альбедо облачного покрова Земли. В некоторых случаях, если аэрозольные частицы обладают поглощающими свойствами, они влияют на перераспределение теплового излучения в толще атмосферы. Таким образом, атмосферный аэрозоль может вызывать климатические изменения посредством так называемого «радиационного форсинга». Суммарный прямой эффект влияния аэрозольной составляющей на радиационное выхолаживание атмосферы оценивается величиной от -0,9 до -0,1 Вт/м2. В среднем это компенсирует 1/3 величины радиационного прогрева атмосферы за счет углекислого газа. В условиях сегодняшнего внимания к проблеме климатических изменений необходимо получение экспериментальных данных о вариациях аэрозоля в различных регионах планеты. Известны «всплески» аэрозольного замутнения после взрывных извержений вулканов Эль-Чичон (1982 г.) и Пинатубо (1991 г.). В этих эпизодах увеличение оптической толщины определялось, прежде всего, выбросом продуктов вулканической деятельности в стратосферу, т.е. стратосферным аэрозолем.Aerosol particles present in the atmosphere directly affect the values of the components of the radiation balance of the "Earth-atmosphere" system: weaken the fluxes of direct solar radiation coming to the surface; actively participating in the processes of condensation of water vapor, lead to a change in the characteristics of the cloud cover, i.e. to a change in the total albedo of the Earth's cloud cover. In some cases, if aerosol particles have absorbing properties, they affect the redistribution of thermal radiation in the atmosphere. Thus, atmospheric aerosol can induce climate change through the so-called "radiation forcing". The total direct effect of the influence of the aerosol component on the radiation cooling of the atmosphere is estimated at a value from -0.9 to -0.1 W / m 2 . On average, this compensates for 1/3 of the amount of radiation warming up of the atmosphere due to carbon dioxide. With today's attention to the problem of climate change, it is necessary to obtain experimental data on aerosol variations in different regions of the planet. There are known "bursts" of aerosol turbidity after the explosive eruptions of the volcanoes El Chichon (1982) and Pinatubo (1991). In these episodes, the increase in optical thickness was determined, first of all, by the release of products of volcanic activity into the stratosphere, i.e. stratospheric aerosol.

ОТ атмосферы играет важную роль в дистанционном зондировании морской поверхности. ОТ атмосферы определяет угловое распределение яркости безоблачного неба. Знание ОТ позволяет моделировать угловое распределение яркости неба в задачах оптической дистанционной диагностики морской поверхности, таких как определение спектра волнения по оптическому изображению морской поверхности, загрязнений на морской поверхности, проявлений приповерхностных процессов (нестационарных ветров, внутренних волн и т.д.).OT atmosphere plays an important role in remote sensing of the sea surface. FROM the atmosphere determines the angular distribution of the brightness of the cloudless sky. Knowledge of OT makes it possible to simulate the angular distribution of the sky brightness in problems of optical remote diagnostics of the sea surface, such as determining the wave spectrum from an optical image of the sea surface, pollution on the sea surface, manifestations of near-surface processes (unsteady winds, internal waves, etc.).

ОТ атмосферы определяется по результатам фотометрирования прямого солнечного излучения (метод прозрачности) в нескольких спектральных участках из соотношения (Е.Н. Русина, В.Ф. Радионов, Е.Е. Сибир. Результаты мониторинга аэрозольной составляющей атмосферы в средних и высоких широтах и над акваторией мирового океана. Проблемы Арктики и Антарктики. 2016, №2):OT of the atmosphere is determined by the results of photometry of direct solar radiation (transparency method) in several spectral regions from the ratio (EN Rusina, VF Radionov, EE Sibir. Results of monitoring of the aerosol component of the atmosphere in middle and high latitudes and above the water area of the World Ocean. Problems of the Arctic and Antarctic. 2016, No. 2):

Figure 00000001
Figure 00000001

где Sh - измеренная при высоте Солнца h и приведенная к среднему расстоянию от Земли до Солнца прямая солнечная радиация (кВт/м2); S0 - заатмосферная солнечная постоянная; Р2 - коэффициент интегральной прозрачности. ОТ позволяет косвенно судить об аэрозольном ослаблении в атмосфере, поскольку представляет собой ОТ атмосферы для прямой солнечной радиации в диапазоне длин волн Δλ=0,3-4 мкм. Ее вариации в этом диапазоне длин волн определяются главным образом содержанием в атмосфере аэрозоля и водяного пара.where S h - measured at the height of the Sun h and reduced to the average distance from the Earth to the Sun direct solar radiation (kW / m 2 ); S 0 - transatmospheric solar constant; Р 2 - coefficient of integral transparency. OT allows us to indirectly judge the aerosol attenuation in the atmosphere, since it is the OT of the atmosphere for direct solar radiation in the wavelength range Δλ = 0.3-4 μm. Its variations in this wavelength range are mainly determined by the content of aerosol and water vapor in the atmosphere.

В измерениях используются стандартные солнечные фотометры с узкоугольным полем зрения. Например, в сети солнечных фотометров AERONET ОТ атмосферы определяется в нескольких узкополосных спектральных диапазонах (шириной 5-10 нм). Знание ОТ в определенных спектральных диапазонах необходимо для восстановления дисперсного состава аэрозоля в атмосфере, также рассчитывается влагосодержание атмосферы по данным измерения солнечной радиации в каналах 0,97 мкм (полоса поглощения водяного пара) и 0,87 мкм.The measurements are made using standard solar photometers with a narrow field of view. For example, in the network of solar photometers AERONET, the atmosphere is determined in several narrow-band spectral ranges (5-10 nm wide). Knowledge of OT in certain spectral ranges is necessary to restore the dispersed composition of the aerosol in the atmosphere; the moisture content of the atmosphere is also calculated based on the measurement of solar radiation in the channels of 0.97 microns (water vapor absorption band) and 0.87 microns.

Также для измерений аэрозольной оптической толщины используется фотометр SPM, разработанный в ИОА СО РАН, который регистрирует и записывает сигналы, приходящие от Солнца при безоблачном небе в 10 узкополосных спектральных каналах 339, 373, 439, 499, 673, 871, 939, 1044, 1555 и 2139 нм (К.М. Фирсов, Е.В. Бобров. Восстановление оптической толщи аэрозоля из наземных измерений солнечным фотометром SPM. ISSN 2222-8896. Вестн. Волгогр. гос. ун-та. Сер. 1, Мат. Физ. 2014. №2 (21)). В определении прямой солнечной радиации участвует весь атмосферный слой, поэтому ОТ атмосферы, определенная солнечным фотометром, еще называется интегральной ОТ.Also, for aerosol optical thickness measurements, the SPM photometer, developed at the IOA SB RAS, is used, which registers and records signals coming from the Sun in a cloudless sky in 10 narrow-band spectral channels 339, 373, 439, 499, 673, 871, 939, 1044, 1555 and 2139 nm (KM Firsov, EV Bobrov. Reconstruction of the optical thickness of aerosol from ground measurements with a solar photometer SPM. ISSN 2222-8896. Bulletin of Volgograd State University. Ser. 1, Mat. Phys. 2014. No. 2 (21)). The entire atmospheric layer participates in the determination of direct solar radiation; therefore, the FROM of the atmosphere, determined by the solar photometer, is also called the integral RT.

Солнечные фотометры требуют периодической калибровки коэффициента пропускания света во всех спектральных диапазонах, знания заатмосферной солнечной постоянной. Кроме того, они определяют ОТ только в направлении на Солнце и не могут регистрировать пространственное распределение ОТ.Solar photometers require periodic calibration of light transmittance in all spectral ranges, knowledge of the transatmospheric solar constant. In addition, they determine OT only in the direction of the Sun and cannot register the spatial distribution of OT.

Также известны лидарные и спутниковые методы измерения ОТ атмосферы. Достоинством спутниковых систем является широта охвата, позволяющая описывать поля распределения оптических характеристик атмосферы и подстилающей поверхности Земли (например, радиометры MODIS на спутниках TERRA и AQUA). Однако неопределенность в отражательной способности поверхности над территорией суши приводит к тому, что аэрозольная оптическая толща измеряется в ограниченном спектральном интервале, и как следствие, восстановление дисперсного состава аэрозоля представляет значительную проблему.Also known are lidar and satellite methods for measuring atmospheric OT. The advantage of satellite systems is the breadth of coverage, which makes it possible to describe the distribution fields of the optical characteristics of the atmosphere and the underlying surface of the Earth (for example, MODIS radiometers on the TERRA and AQUA satellites). However, the uncertainty in the reflectivity of the surface over the land area leads to the fact that the aerosol optical depth is measured in a limited spectral range, and, as a consequence, the restoration of the dispersed composition of the aerosol is a significant problem.

Все эти способы требуют дорогостоящего оборудования, специальной калибровки оборудования, программного обеспечения для восстановления оптической толщины на основе различных моделей атмосферы.All these methods require expensive equipment, special equipment calibration, and software for optical thickness reconstruction based on various atmospheric models.

Основной особенностью, отличающей дистанционные методы исследования от контактных, является непрямой характер наблюдения физических процессов и измерения их параметров. Дистанционные методы определения ОТ основаны на моделях атмосферы, среди которых наиболее распространена модель непоглощающей плоскопараллельной атмосферы.The main feature that distinguishes remote sensing methods from contact ones is the indirect nature of observing physical processes and measuring their parameters. Remote sensing methods are based on atmospheric models, among which the most widespread is the non-absorbing plane-parallel atmosphere model.

Наиболее близким по технической сущности к разработанному способу является описанный в работе Баханов В.В., Демакова А.А., Титов В.И. «Пригоризонтный максимум яркости безоблачного неба» (Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34. №6(204). С. 477-488,. doi:10.22449/0233-7584-2018-6-477-488) способ определения ОТ атмосферы с помощью фотоаппарата в R,G,B спектральных диапазонах света в реальном времени, который не требует сложного дорогостоящего оборудования и его калибровки.The closest in technical essence to the developed method is the described in the work Bakhanov V.V., Demakova A.A., Titov V.I. "Near-horizon maximum brightness of a cloudless sky" (Marine Hydrophysical Journal. 2018. T. 34. No. 6 (204). Pp. 477-488, doi: 10.22449 / 0233-7584-2018-6-477-488) atmosphere using a camera in the R, G, B spectral ranges of light in real time, which does not require complex expensive equipment and its calibration.

В данной работе показано, что в рамках модели однократного рассеяния света в плоскопараллельной атмосфере описывается так называемый пригоризонтный максимум яркости неба. В частности, оказалось, что угловая высота над горизонтом максимума яркости безоблачного неба зависит от длины волны света: при увеличении длины волны света угловая высота уменьшается. В работе предложен алгоритм оценки ОТ атмосферы, в котором используется значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба для трех спектральных окон оптического спектра R,G,B. С помощью предложенного алгоритма по цифровым фотоснимкам горизонта моря получены оценки ОТ атмосферы для трех спектральных окон оптического спектра R, G и В. Полученные оценки ОТ находятся в согласии с известными результатами натурных измерений ОТ атмосферы (Д.В. Калинская. Исследование особенностей оптических характеристик пылевого аэрозоля над Черным морем. Морской гидрофизический институт НАН Украины, г. Севастополь. 2012).In this work, it is shown that, within the framework of the model of single scattering of light in a plane-parallel atmosphere, the so-called near-horizontal maximum of the sky brightness is described. In particular, it turned out that the angular height above the horizon of the maximum brightness of a cloudless sky depends on the wavelength of light: with an increase in the wavelength of light, the angular height decreases. The paper proposes an algorithm for estimating the OT of the atmosphere, which uses the value of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of a cloudless sky for three spectral windows of the optical spectrum R, G, B. Using the proposed algorithm, based on digital photographs of the sea horizon, estimates of the atmospheric OT were obtained for three spectral windows of the optical spectrum R, G, and B. The obtained OT estimates are in agreement with the known results of field measurements of the atmospheric OT (DV Kalinskaya. Investigation of the features of the optical characteristics of dust aerosol over the Black Sea. Marine Hydrophysical Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Sevastopol. 2012).

В данном способе с помощью фотоаппарата получают оптическое изображение неба вблизи горизонта с «захватом» линии горизонта в трех спектральных окнах оптического спектра, сканируют оптические изображения в направлении, перпендикулярном изображению линии горизонта от некоторой точки на линии горизонта для получения углового распределения яркости неба вблизи горизонта в каждом спектральном окне, изменением положения точки на линии горизонта определяют азимутальную зависимость ОТ, строят экспериментальную угловую зависимость яркости неба вблизи горизонта и вычисляют экспериментальное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба в каждом спектральном окне, при этом ОТ атмосферы получают, решая задачу «обращения» модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ атмосферы в некотором направлении визирования, определяющемся выбором точки на линии горизонта, причем для решения задачи «обращения» в каждой точке модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ атмосферы для середины каждого спектрального окна используют сравнение с угловой высотой пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба, определенной по экспериментальной угловой зависимости яркости неба вблизи горизонта, при этом в расчетах модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ атмосферы учитывают зенитное и азимутальное угловые расстояния солнца относительно направления наблюдения в момент регистрации углового распределения яркости неба вблизи горизонта и длину волны света, соответствующую середине каждого спектрального окна.In this method, using a camera, an optical image of the sky near the horizon is obtained with the "capture" of the horizon line in three spectral windows of the optical spectrum, optical images are scanned in a direction perpendicular to the image of the horizon line from a point on the horizon line to obtain the angular distribution of the sky brightness near the horizon in each spectral window, by changing the position of a point on the horizon line, the azimuthal dependence of the OT is determined, the experimental angular dependence of the sky brightness near the horizon is plotted and the experimental value of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky in each spectral window is calculated, while the OT of the atmosphere is obtained by solving the problem of "inversion" the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on the OT of the atmosphere in a certain direction of sight, determined by the choice of a point on the horizon line, and to solve the problem of "inversion" at each point model The dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on the OT of the atmosphere for the middle of each spectral window is compared with the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky, determined from the experimental angular dependence of the sky brightness near the horizon, while calculating the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum the sky from the OT atmosphere take into account the zenith and azimuthal angular distances of the sun relative to the direction of observation at the time of registration of the angular distribution of the sky brightness near the horizon and the wavelength of light corresponding to the middle of each spectral window.

Такой способ позволяет получать пространственное распределение ОТ по азимуту с одного снимка в угловом диапазоне, определяемом направлением визирования фотоаппарата и угловой шириной диаграммы направленности объектива фотоаппарата. Пространственное распределение ОТ может определяться изменчивостью пространственного распределения аэрозоля (например, так называемые «выносы» аэрозоля). Также такой способ не требует калибровки коэффициента пропускания света, так как основан не на измерении пропускания света (метод прозрачности), как в солнечных фотометрах, а на регистрации положения угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба. Способ не требует сложного дорогостоящего оборудования.This method makes it possible to obtain the spatial distribution of OT in azimuth from one image in the angular range determined by the direction of sight of the camera and the angular width of the directional pattern of the lens of the camera. The spatial distribution of OT can be determined by the variability of the spatial distribution of aerosol (for example, the so-called "carry-over" of aerosol). Also, this method does not require calibration of the light transmittance, since it is not based on measuring the light transmittance (transparency method), as in solar photometers, but on recording the position of the angular height of the near-horizontal maximum of the brightness of the cloudless sky. The method does not require complex expensive equipment.

Недостатками прототипа являются невозможность получения значений ОТ с высоким спектральным разрешением (в случае фотоаппарата ширина спектральных окон R,G,B достаточно велика: они имеют ширину 50-100 нм и даже частично перекрываются) в широком спектральном диапазоне, а также низкое временное разрешение, которое ограничивается временем получения одного снимка фотоаппаратом.The disadvantages of the prototype are the impossibility of obtaining OT values with a high spectral resolution (in the case of a camera, the width of the spectral windows R, G, B is quite large: they have a width of 50-100 nm and even partially overlap) in a wide spectral range, as well as a low temporal resolution, which limited by the time taken by the camera to take one picture.

Таким образом, существует потребность в разработке способа определения оптической толщины атмосферы, имеющего такие преимущества прототипа, как отсутствие калибровки, простота и дешевизна, но обеспечивающего измерение ОТ атмосферы в узких спектральных окнах в широком диапазоне оптического спектра, как в солнечных фотометрах в сети AERONET, а также хорошим пространственным и временным разрешением, что позволит решать новые задачи такие, как восстановление дисперсности аэрозоля.Thus, there is a need to develop a method for determining the optical thickness of the atmosphere, which has such advantages of the prototype as the absence of calibration, simplicity and low cost, but which provides the measurement of the atmospheric OT in narrow spectral windows in a wide range of the optical spectrum, as in solar photometers in the AERONET network, and also with good spatial and temporal resolution, which will allow solving new problems, such as reconstructing aerosol dispersion.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа определения ОТ атмосферы, который обладает более высокой по сравнению с прототипом спектральной точностью (более высоким спектральным разрешением) в широком диапазоне оптического спектра, как у фотометра, а также высоким пространственным и временным разрешением.The problem solved by the present invention is to develop a method for determining the OT of the atmosphere, which has a higher spectral accuracy (higher spectral resolution) compared to the prototype (higher spectral resolution) in a wide range of the optical spectrum, like a photometer, as well as a high spatial and temporal resolution.

Положительный эффект достигается тем, что в способе определения оптической толщины атмосферы получают не менее чем одно оптическое изображение неба вблизи горизонта с «захватом» линии горизонта не менее чем в трех спектральных окнах оптического спектра, строят экспериментальную угловую зависимость яркости неба вблизи горизонта и вычисляют экспериментальное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба в каждом спектральном окне, при этом оптическую толщину атмосферы получают, решая задачу «обращения» модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы в некотором направлении визирования, причем для решения задачи «обращения» в каждой точке модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы для середины каждого спектрального окна используют сравнение с угловой высотой пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба, определенной по экспериментальной угловой зависимости яркости неба вблизи горизонта, при этом в расчетах модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы учитывают зенитное и азимутальное угловые расстояния солнца относительно направления наблюдения в момент регистрации углового распределения яркости неба вблизи горизонта и длину волны света, соответствующую середине каждого спектрального окна.The positive effect is achieved by the fact that in the method for determining the optical thickness of the atmosphere at least one optical image of the sky near the horizon is obtained with the "capture" of the horizon line in at least three spectral windows of the optical spectrum, an experimental angular dependence of the sky brightness near the horizon is plotted and the experimental value is calculated the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky in each spectral window, while the optical thickness of the atmosphere is obtained by solving the problem of "inverting" the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on the optical thickness of the atmosphere in a certain direction of sight, and to solve the problem of "inversion" in at each point of the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum of the cloudless sky brightness on the optical thickness of the atmosphere for the middle of each spectral window, a comparison with the angular height of the near-horizontal maximum of the cloudless sky brightness is used, determined from the experimental angular dependence of the sky brightness near the horizon, while calculating the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on the optical thickness of the atmosphere, the zenith and azimuthal angular distances of the sun relative to the observation direction at the time of recording the angular distribution of the sky brightness near the horizon and the wavelength of light are taken into account corresponding to the middle of each spectral window.

Новым является то, что получают одномерные оптические изображения неба вблизи горизонта с «захватом» линии горизонта с синхронизированных оптических систем с высокой частотой кадров (десятки и сотни герц) на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковым азимутальным направлением с чувствительностью в различных узких спектральных окнах в широком диапазоне оптического спектра, определяемых установленными на объективах линеек узкополосными оптическими интерференционными фильтрами либо наборами узкополосных быстросменных оптических интерференционных фильтров, при этом повышения пространственного разрешения достигают путем использования оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, сканирующих по азимуту, либо путем использования не менее чем двух наборов оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования, осуществляющих наблюдение в разных азимутальных направлениях.The novelty is that one-dimensional optical images of the sky near the horizon are obtained with the "capture" of the horizon line from synchronized optical systems with a high frame rate (tens and hundreds of hertz) based on CCD photodiode arrays with the same azimuthal direction with sensitivity in different narrow spectral windows in a wide range of the optical spectrum determined by the narrow-band optical interference filters installed on the objectives of the arrays or by sets of narrow-band quick-change optical interference filters, while increasing the spatial resolution is achieved by using optical systems based on CCD photodiode arrays scanning in azimuth, or by using at least two sets of optical systems based on CCD photodiode arrays with the same sighting directions, observing in different azimuthal directions.

Способ поясняется следующими чертежами:The method is illustrated by the following drawings:

Фиг. 1а. Одномерные оптические изображения с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами наблюдения для трех длин волн света 450 нм, 520 нм и 670 нм, соответствующих серединам трех узких спектральных окон.FIG. 1a. One-dimensional optical images capturing the horizon line and part of the sky at small viewing angles for three wavelengths of light 450 nm, 520 nm and 670 nm, corresponding to the middle of three narrow spectral windows.

Фиг. 1б. Зависимость угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ для длины волны света 520 нм. Зенитное угловое расстояние солнца 60°, азимутальное угловое расстояние от солнца до направления наблюдения ψ=180°.FIG. 1b. Dependence of the angular height of the near-horizontal maximum of the brightness of a cloudless sky on OT for a light wavelength of 520 nm. The zenith angular distance of the sun is 60 °, the azimuthal angular distance from the sun to the direction of observation is ψ = 180 °.

Фиг. 1в. Оптические толщины атмосферы, восстановленные по одномерным оптическим изображениям части неба с захватом линии горизонта для трех длин волн света 450 нм, 520 нм и 670 нм, соответствующих серединам трех узких спектральных окон (фиг. 1а). Сплошная линия 1 - ОТ (сумма аэрозольной и рэлеевской оптических толщин), штрих-пунктирная линия 2 - аэрозольная оптическая толщина, штриховая линия 3 - рэлеевская оптическая толщина.FIG. 1c. Optical thicknesses of the atmosphere, reconstructed from one-dimensional optical images of a part of the sky with the capture of the horizon line for three light wavelengths 450 nm, 520 nm and 670 nm, corresponding to the middle of three narrow spectral windows (Fig. 1a). Solid line 1 - OT (sum of aerosol and Rayleigh optical thicknesses), dash-dotted line 2 - aerosol optical thickness, dashed line 3 - Rayleigh optical thickness.

Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.

Получают одномерные оптические изображения неба вблизи горизонта с «захватом» линии горизонта с синхронизированных оптических систем с высокой частотой кадров (десятки и сотни герц) на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковым азимутальным направлением с чувствительностью в различных узких спектральных окнах в широком диапазоне оптического спектра, определяемых установленными на объективах линеек узкополосными интерференционными фильтрами либо наборами узкополосных быстросменных интерференционных фильтров, при этом повышения пространственного разрешения достигают путем использования оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, сканирующих по азимуту, либо путем использования не менее чем двух наборов оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования, осуществляющих наблюдение в разных азимутальных направлениях, считывают с изображений экспериментальную угловую зависимость яркости неба вблизи горизонта и вычисляют экспериментальное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба в каждом узком спектральном окне, при этом оптическую толщину атмосферы получают, решая задачу «обращения» модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы в некотором направлении визирования, причем для решения задачи «обращения» в каждой точке модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы для середины каждого узкого спектрального окна используют сравнение с угловой высотой пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба, определенной по экспериментальной угловой зависимости яркости неба вблизи горизонта, при этом в расчетах модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы учитывают зенитное и азимутальное угловые расстояния солнца относительно направления наблюдения в момент регистрации углового распределения яркости неба вблизи горизонта и длину волны света, соответствующую середине каждого узкого спектрального окна.One-dimensional optical images of the sky near the horizon are obtained with the "capture" of the horizon line from synchronized optical systems with a high frame rate (tens and hundreds of hertz) based on CCD photodiode arrays with the same azimuthal direction with sensitivity in various narrow spectral windows in a wide range of the optical spectrum, determined by the narrowband interference filters installed on the objectives of the arrays or by sets of narrow-band quick-change interference filters, while the spatial resolution is increased by using optical systems based on CCD photodiode arrays scanning in azimuth, or by using at least two sets of optical systems based on CCD arrays - photodiodes with the same sighting directions, observing in different azimuthal directions, read the experimental angular dependence of the sky brightness near the horizon from the images and calculate the experimental value the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky in each narrow spectral window, while the optical thickness of the atmosphere is obtained by solving the problem of "inverting" the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on the optical thickness of the atmosphere in a certain direction of sight, and for solving the problem of "inversion" at each point of the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on the optical thickness of the atmosphere for the middle of each narrow spectral window, a comparison with the angular height of the near-horizontal maximum of the cloudless sky brightness determined from the experimental angular dependence of the sky brightness near the horizon is used, while calculating the model dependence of the angular the altitudes of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky from the optical thickness of the atmosphere take into account the zenith and azimuthal angular distances of the sun relative to the direction of observation at the time of recording the angular race the definition of the brightness of the sky near the horizon and the wavelength of light corresponding to the middle of each narrow spectral window.

В частном случае реализации способа по п. 2 дополнительно определяют значения аэрозольной толщины атмосферы, чтобы, например, точнее определять дисперсный состава аэрозоля в атмосфере, как это делают солнечные фотометры.In the particular case of the implementation of the method according to claim 2, the values of the aerosol thickness of the atmosphere are additionally determined in order, for example, to more accurately determine the dispersed composition of the aerosol in the atmosphere, as solar photometers do.

В качестве примера далее рассмотрено использование трех оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования. Данный пример иллюстрирует предлагаемое изобретение, но не ограничивает его.As an example, the use of three optical systems based on CCD photodiode arrays with the same viewing directions is considered below. This example illustrates the invention, but does not limit it.

Для данного конкретного примера вычисление модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости от ОТ атмосферы для безоблачного неба проводили в приближении однократного рассеяния солнечного света в плоскопараллельной непоглощающей атмосфере, как и в прототипе, в соответствии с формулой (Chapman, R.D. Visibility of RMS variations on the sea surface // Applied Optics. 1981. Vol. 20, iss. 11. P. 1959-1966):

Figure 00000002
For this particular example, the calculation of the model dependence of the angular height of the near-horizontal brightness maximum on the OT of the atmosphere for a cloudless sky was carried out in the approximation of single scattering of sunlight in a plane-parallel nonabsorbing atmosphere, as in the prototype, in accordance with the formula (Chapman, RD Visibility of RMS variations on the sea surface // Applied Optics. 1981. Vol. 20, iss. 11. P. 1959-1966):
Figure 00000002

где I- яркость неба,

Figure 00000003
πSλ - табулированная спектральная солнечная постоянная, h и zs - угловая высота точки неба и зенитное угловое расстояние солнца, ϕ=coszs sinh+sinzs coshcosψ - угол рассеяния солнечного света, ψ - азимутальное угловое расстояние солнца относительно направления наблюдения, ƒn(ϕ) - безразмерная нормированная индикатриса рассеяния света, которая является суммой релеевской и аэрозольной индикатрис рассеяния.where I is the brightness of the sky,
Figure 00000003
πS λ is the tabulated spectral solar constant, h and z s are the angular height of a point in the sky and the zenith angular distance of the sun, ϕ = cosz s sinh + sinz s coshcosψ is the scattering angle of sunlight, ψ is the azimuthal angular distance of the sun relative to the direction of observation, ƒ n (ϕ) - dimensionless normalized light scattering indicatrix, which is the sum of Rayleigh and aerosol scattering indicatrices.

Figure 00000004
Figure 00000004

Здесь ОТ атмосферы в рамках этого приближения представляется суммой рэлеевской и аэрозольной толщин атмосферы, значения которых зависят от длины волны света:Here, the OT of the atmosphere within the framework of this approximation is represented by the sum of the Rayleigh and aerosol thicknesses of the atmosphere, the values of which depend on the wavelength of light:

Figure 00000005
Figure 00000005

где τr и τ а - безразмерные рэлеевская и аэрозольная толщины атмосферы, значения которых зависят от длины волны света.where τ r and τ а are dimensionless Rayleigh and aerosol thicknesses of the atmosphere, the values of which depend on the wavelength of light.

Для вычисления модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости от ОТ атмосферы для безоблачного неба зададим рэлеевскую (или молекулярную) оптической толщины в зависимости от длины волны света λ в нм следующим модельным выражением (Л.С. Долин, И.М. Левин. Справочник по теории подводного видения. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 229 с.):To calculate the model dependence of the angular height of the near-horizon brightness maximum on the atmospheric temperature for a cloudless sky, let us set the Rayleigh (or molecular) optical thickness depending on the light wavelength λ in nm by the following model expression (LS Dolin, IM Levin. Handbook on theory of underwater vision.L .: Gidrometeoizdat, 1991.229 p.):

Figure 00000006
Figure 00000006

Значение рэлеевской оптической толщины для света с длиной волны 550 нм задают равным: τr(550)=0,098.The value of the Rayleigh optical thickness for light with a wavelength of 550 nm is set equal to: r (550) = 0.098.

Для вычисления модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ атмосферы для середины каждого узкого спектрального окна задают значения зенитного углового расстояния солнца zs, азимутального угловго расстояния солнца относительно направления наблюдения ψ в момент регистрации экспериментальной зависимости углового распределения яркости неба вблизи горизонта, длины волны света λ в нанометрах и задают некоторое значение ОТ атмосферы τ. После этого по формулам (2) - (5) вычисляют модельную зависимость углового распределения яркости неба вблизи горизонта в направлении наблюдения и по этому распределению определяют модельное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба для данного значения ОТ атмосферы. Модельную зависимость угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ атмосферы вычисляют путем «перебора» значений ОТ в некотором диапазоне значений. Диапазон значений ОТ задают исходя из предположительных значений ОТ, известных по литературным данным. Если полученное экспериментальное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба не совпадает с модельным значением угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба в выбранном диапазоне значений ОТ, диапазон значений ОТ при вычислении модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от ОТ расширяют до определения ОТ по экспериментальному значению угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба.To calculate the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on the OT of the atmosphere for the middle of each narrow spectral window, set the values of the zenith angular distance of the sun z s , the azimuthal angular distance of the sun relative to the observation direction ψ at the time of recording the experimental dependence of the angular distribution of the sky brightness near the horizon, the length light waves λ in nanometers and set some value of the atmospheric temperature τ. After that, using formulas (2) - (5), the model dependence of the angular distribution of the sky brightness near the horizon in the direction of observation is calculated, and from this distribution, the model value of the angular height of the near-horizon maximum of the cloudless sky brightness for a given value of the atmospheric OT is determined. The model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum of the brightness of a cloudless sky on the OT of the atmosphere is calculated by “enumerating” OT values in a certain range of values. The range of OT values is set based on the estimated OT values known from the literature. If the obtained experimental value of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky does not coincide with the model value of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky in the selected range of OT values, the range of OT values when calculating the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on OT is expanded to determine OT by the experimental value of the angular height of the near-horizontal brightness maximum of the cloudless sky.

На фиг. 1а приведен пример угловых распределений яркости неба с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами наблюдения для трех узких спектральных окон света с центрами 450 нм, 520 нм и 670 нм, считанных с помощью трех оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования с различными узкополосными оптическими интерференционными фильтрами. Видны пригоризонтные максимумы яркости, угловая высота которых составляет несколько градусов и уменьшается с увеличением длины волны света. Здесь 0° - линия горизонта, вертикальные линии при угловых высотах 1,8°, 4,1° и 9,9° отмечают пригоризонтные максимумы для света с длиной волны 670 нм, 520 нм и 450 нм.FIG. 1a shows an example of the angular distributions of the sky brightness with the capture of the horizon line and a part of the sky at small viewing angles for three narrow spectral windows of light with centers of 450 nm, 520 nm, and 670 nm, read using three optical systems based on CCD photodiode arrays with the same directions sighting with various narrow-band optical interference filters. Near-horizontal brightness maxima are visible, the angular height of which is several degrees and decreases with increasing light wavelength. Here 0 ° is the horizon line, vertical lines at angular heights of 1.8 °, 4.1 ° and 9.9 ° mark the near-horizontal maxima for light with a wavelength of 670 nm, 520 nm and 450 nm.

На фиг. 1б представлена рассчитанная модельная зависимость угловой высоты пригоризонтного максимума яркости неба в градусах от ОТ атмосферы для длины волны света λ=520 нм (середина спектрального окна G). Здесь жирной горизонтальной линией отмечена высота пригоризонтного максимума, определенная по фиг. 1а для длины волны света 520 нм. Абсцисса пересечения этой линии с модельной зависимостью угловой высоты пригоризонтного максимума яркости неба в градусах от ОТ атмосферы дает значение оптической толщины, (фиг. 1в, сплошная линия 1, значение для длины волны 520 нм). Аналогичные операции проводят для всех трех спектральных окон для выбранного направления визирования.FIG. 1b shows the calculated model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum of the sky brightness in degrees from the atmospheric temperature for the light wavelength λ = 520 nm (the middle of the spectral window G). Here, the bold horizontal line marks the height of the near-horizontal maximum determined from Fig. 1a for a light wavelength of 520 nm. The abscissa of the intersection of this line with the model dependence of the angular height of the near-horizon maximum of the sky brightness in degrees from OT of the atmosphere gives the value of the optical thickness, (Fig. 1c, solid line 1, the value for a wavelength of 520 nm). Similar operations are performed for all three spectral windows for the selected viewing direction.

При использовании оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, сканирующих по азимуту, либо путем использования (применительно к данному примеру) не менее чем двух наборов оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования, осуществляющих наблюдение в разных азимутальных направлениях, в результате получаем двумерный массив данных ОТ атмосферы в различных узких спектральных окнах и в разных азимутальных направлениях, который можно использовать для решения различных задач.When using optical systems based on CCD photodiode arrays scanning in azimuth, or by using (in relation to this example) at least two sets of optical systems based on CCD photodiode arrays with the same sighting directions, observing in different azimuth directions, in As a result, we obtain a two-dimensional dataset of atmospheric OT in different narrow spectral windows and in different azimuthal directions, which can be used to solve various problems.

На фиг. 1в приведены оптические толщины атмосферы, восстановленные по экспериментальной зависимости яркости неба вблизи горизонта (фиг. 1б) для трех длин волн света 450 нм, 520 нм и 670 нм, соответствующих серединам трех узких спектральных окон. Сплошная линия 1 - сумма аэрозольной и рэлеевской оптических толщин, штрих-пунктирная линия 2 - аэрозольная оптическая толщина, штриховая линия 3 - рэлеевская оптическая толщина. Рэлеевская толщина атмосферы τr в зависимости от длины волны света определяется по известной модельной формуле (5), а аэрозольная оптическая толщина τ а определяется как разница между полученным значением ОТ и рэлеевской толщины атмосферы (формула (4)): τ а =τ-τr.FIG. 1c shows the optical depths of the atmosphere, reconstructed from the experimental dependence of the sky brightness near the horizon (Fig.1b) for three light wavelengths 450 nm, 520 nm and 670 nm, corresponding to the middle of three narrow spectral windows. Solid line 1 - sum of aerosol and Rayleigh optical thicknesses, dash-dotted line 2 - aerosol optical thickness, dashed line 3 - Rayleigh optical thickness. The Rayleigh thickness of the atmosphere τ r depending on the wavelength of light is determined by the well-known model formula (5), and the aerosol optical thickness τ a is determined as the difference between the obtained value of OT and the Rayleigh thickness of the atmosphere (formula (4)): τ a = τ-τ r .

В данном примере расчеты модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы выполнены для естественного неполяризованного света. Можно применять оптические системы на основе линеек ПЗС-фотодиодов с поляроидами, только надо пересчитать модельные расчеты для поляризованного света.In this example, the calculations of the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum of the brightness of a cloudless sky on the optical thickness of the atmosphere are performed for natural unpolarized light. Optical systems based on CCD photodiode arrays with polaroids can be used, only the model calculations for polarized light need to be recalculated.

В данном примере для расчетов использовалось приближение однократного рассеяния солнечного света в плоскопараллельной непоглощающей атмосфере, как в прототипе.In this example, for calculations, the approximation of single scattering of sunlight in a plane-parallel non-absorbing atmosphere was used, as in the prototype.

Как известно, существуют различные оптические модели атмосферы. В общем случае предлагаемый способ позволяет использовать более сложные оптические модели атмосферы с помощью компьютерного моделирования, в отличие от прототипа, который был ограничен упомянутым приближением. При этом содержание предлагаемого способа не изменится. В частности, можно развить используемую оптическую модель атмосферы с учетом рассеяния света более высоких кратностей, что актуально для света неба в УФ диапазоне, где увеличиваются значения оптических толщин, учесть стратификацию по высоте оптических толщин атмосферы, учесть поглощение света в окнах поглощения газов в атмосфере. Таким образом, можно уточнить получаемые значения ОТ в разных спектральных диапазонах.As is known, there are various optical models of the atmosphere. In general, the proposed method makes it possible to use more complex optical models of the atmosphere using computer simulation, in contrast to the prototype, which was limited by the mentioned approximation. However, the content of the proposed method will not change. In particular, it is possible to develop the used optical model of the atmosphere, taking into account the scattering of light of higher multiplicities, which is important for sky light in the UV range, where the values of optical thicknesses increase, to take into account the height stratification of the optical thicknesses of the atmosphere, to take into account the absorption of light in the absorption windows of gases in the atmosphere. Thus, it is possible to refine the obtained OT values in different spectral ranges.

Также преимуществом предложенного способа является отсутствие необходимости дополнительной обработки исходного изображения, поскольку использование оптических систем на основе ПЗС-фотодиодов позволяет сразу регистрировать угловую зависимость яркости неба вблизи горизонта в отличие от прототипа, в котором присутствуют операции перебора точек на линии горизонта и сканирования в каждой точке. Кроме того, в предложенном способе используют оптические системы на основе линеек ПЗС-фотодиодов с высокой частотой кадров (десятки и сотни герц). Все это в совокупности позволяет осуществлять способ в реальном времени, т.е. существенно повысить временное разрешение (быстродействие).Also, the advantage of the proposed method is the absence of the need for additional processing of the original image, since the use of optical systems based on CCD photodiodes makes it possible to immediately register the angular dependence of the sky brightness near the horizon, in contrast to the prototype, in which there are operations of sorting points on the horizon line and scanning at each point. In addition, the proposed method uses optical systems based on CCD photodiode arrays with a high frame rate (tens and hundreds of hertz). All this taken together makes it possible to carry out the method in real time, i.e. significantly increase the temporal resolution (performance).

Кроме того, использование узкополосных оптических интерференционных фильтров либо наборами быстросменных оптических интерференционных фильтров (например, барабанного, или револьверного типа) при необходимости уменьшения количества оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов позволяет получать ОТ атмосферы в узких спектральных окнах широкого диапазона оптического спектра, как в солнечных фотометрах, т.е. повысить спектральную точность по сравнению с прототипом.In addition, the use of narrow-band optical interference filters or sets of quick-change optical interference filters (for example, drum or revolver type) when it is necessary to reduce the number of optical systems based on CCD photodiode arrays makes it possible to obtain atmospheric RT in narrow spectral windows of a wide range of the optical spectrum, as in solar photometers, i.e. improve spectral accuracy compared to the prototype.

Помимо этого, использованием оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, сканирующих по азимуту (при необходимости уменьшения количества оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов), либо нескольких наборов оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования, осуществляющих наблюдение в разных азимутальных направлениях, достигается высокое пространственное разрешение.In addition, using optical systems based on CCD photodiode arrays scanning in azimuth (if it is necessary to reduce the number of optical systems based on CCD photodiode arrays), or several sets of optical systems based on CCD photodiode arrays with the same sighting directions, performing observation in different azimuth directions, high spatial resolution is achieved.

Claims (2)

1. Способ определения оптической толщины атмосферы, в котором получают не менее чем одно оптическое изображение неба вблизи горизонта с «захватом» линии горизонта не менее чем в трех спектральных окнах оптического спектра, строят экспериментальную угловую зависимость яркости неба вблизи горизонта и вычисляют экспериментальное значение угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба в каждом спектральном окне, при этом оптическую толщину атмосферы получают, решая задачу «обращения» модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы в некотором направлении визирования, причем для решения задачи «обращения» в каждой точке модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы для середины каждого спектрального окна используют сравнение с угловой высотой пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба, определенной по экспериментальной угловой зависимости яркости неба вблизи горизонта, при этом в расчетах модельной зависимости угловой высоты пригоризонтного максимума яркости безоблачного неба от оптической толщины атмосферы учитывают зенитное и азимутальное угловые расстояния солнца относительно направления наблюдения в момент регистрации углового распределения яркости неба вблизи горизонта и длину волны света, соответствующую середине каждого спектрального окна, отличающийся тем, что получают одномерные оптические изображения неба вблизи горизонта с «захватом» линии горизонта с синхронизированных оптических систем с высокой частотой кадров (десятки и сотни герц) на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковым азимутальным направлением с чувствительностью в различных узких спектральных окнах в широком диапазоне оптического спектра, определяемых установленными на объективах линеек узкополосными оптическими интерференционными фильтрами либо наборами узкополосных быстросменных оптических интерференционных фильтров, при этом повышения пространственного разрешения достигают путем использования оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, сканирующих по азимуту, либо путем использования не менее чем двух наборов оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковыми направлениями визирования, осуществляющих наблюдение в разных азимутальных направлениях визирования.1. A method for determining the optical thickness of the atmosphere, in which at least one optical image of the sky near the horizon is obtained with the "capture" of the horizon line in at least three spectral windows of the optical spectrum, an experimental angular dependence of the sky brightness near the horizon is plotted and the experimental value of the angular height is calculated the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky in each spectral window, while the optical thickness of the atmosphere is obtained by solving the problem of "inverting" the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on the optical thickness of the atmosphere in a certain direction of sight, and to solve the problem of "inversion" at each point the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on the optical thickness of the atmosphere for the middle of each spectral window is compared with the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky, determined experimentally the angular dependence of the sky brightness near the horizon, while in calculating the model dependence of the angular height of the near-horizontal maximum brightness of the cloudless sky on the optical thickness of the atmosphere, the zenith and azimuthal angular distances of the sun relative to the observation direction at the time of recording the angular distribution of the sky brightness near the horizon and the wavelength of light corresponding to in the middle of each spectral window, characterized in that one-dimensional optical images of the sky near the horizon are obtained with the "capture" of the horizon line from synchronized optical systems with a high frame rate (tens and hundreds of hertz) based on CCD photodiode arrays with the same azimuth direction with sensitivity in different narrow spectral windows in a wide range of the optical spectrum, determined by the narrow-band optical interference filters installed on the objectives of the arrays or by sets of narrow-band quick-change optical interference filters, when This increase in spatial resolution is achieved by using optical systems based on CCD photodiode arrays scanning in azimuth, or by using at least two sets of optical systems based on CCD photodiode arrays with the same sighting directions, observing in different azimuthal sighting directions. 2. Способ определения оптической толщины атмосферы по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют определение аэрозольной оптической толщины атмосферы вычитанием рэлеевской молекулярной оптической толщины, заданной модельным выражением, из оптической толщины атмосферы.2. The method for determining the optical thickness of the atmosphere according to claim 1, characterized in that the aerosol optical thickness of the atmosphere is additionally determined by subtracting the Rayleigh molecular optical thickness given by the model expression from the optical thickness of the atmosphere.
RU2019143714A 2019-12-25 2019-12-25 Method of determining optical thickness of atmosphere RU2729171C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143714A RU2729171C1 (en) 2019-12-25 2019-12-25 Method of determining optical thickness of atmosphere

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019143714A RU2729171C1 (en) 2019-12-25 2019-12-25 Method of determining optical thickness of atmosphere

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2729171C1 true RU2729171C1 (en) 2020-08-04

Family

ID=72085391

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019143714A RU2729171C1 (en) 2019-12-25 2019-12-25 Method of determining optical thickness of atmosphere

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2729171C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4216498A (en) * 1978-09-12 1980-08-05 Sri International Visibility monitor employing television camera
CN105973850A (en) * 2016-03-14 2016-09-28 中国科学院合肥物质科学研究院 A visible light waveband atmospheric transmissivity measuring method based on a single frame coloured image
RU2620784C1 (en) * 2016-05-30 2017-05-29 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method of determining atmospheric transparency by steam photometry

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4216498A (en) * 1978-09-12 1980-08-05 Sri International Visibility monitor employing television camera
CN105973850A (en) * 2016-03-14 2016-09-28 中国科学院合肥物质科学研究院 A visible light waveband atmospheric transmissivity measuring method based on a single frame coloured image
RU2620784C1 (en) * 2016-05-30 2017-05-29 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method of determining atmospheric transparency by steam photometry

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Баханов В.В. и др. "Пригоризонтный максимум яркости безоблачного неба", МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, т. 34, No 6, 2018 г., стр. 477-488. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pengwei et al. Solar-tracking methodology based on refraction-polarization in Snell's window for underwater navigation
CN104089627B (en) Absolute radiometric calibration method for satellite staring planar array CCD camera
Gilerson et al. Hyperspectral polarimetric imaging of the water surface and retrieval of water optical parameters from multi-angular polarimetric data
Xu et al. Coupled retrieval of liquid water cloud and above‐cloud aerosol properties using the Airborne Multiangle SpectroPolarimetric Imager (AirMSPI)
KR102071879B1 (en) Aerosol distribution measuring system by using sky image
Voss et al. Bidirectional reflectance function for oceanic waters with varying chlorophyll concentrations: Measurements versus predictions
Goyens et al. High angular resolution measurements of the anisotropy of reflectance of sea ice and snow
Ehrlich et al. Airborne hyperspectral observations of surface and cloud directional reflectivity using a commercial digital camera
CN114624731A (en) Inversion method for optical thickness of aerosol above cloud layer based on polarization remote sensing data
CN108318458B (en) Method for measuring outdoor typical feature pBRDF (binary RDF) suitable for different weather conditions
Schechner et al. Spaceborne underwater imaging
RU2729171C1 (en) Method of determining optical thickness of atmosphere
Love Surface reflection model estimation from naturally illuminated image sequences
Cierniewski et al. Evaluation of the effects of surface roughness on the relationship between soil BRF data and broadband albedo
Mackay et al. An atmospheric correction procedure for the ATSR-2 visible and near-infrared land surface data
CN110705089B (en) Fine-mode aerosol parameter inversion method
CN214097788U (en) Laser active illumination space target polarization imaging system
Wang et al. Performance of eliminating sun glints reflected off wave surface by polarization filtering under influence of waves
Freda et al. Polarization imaging over sea surface-a method for measurements of Stokes components angular distribution
Rostovtseva et al. Rapid estimation of the ecological state of coastal water areas based on shipboard passive remote optical sensing of the water surface
Grishin et al. Horizon line stability observations over the sea
Liu Bathymetry and bottom albedo retrieval using Hyperion: a case study of Thitu Island and reef
Schwenger et al. Simulation of laser beam reflection at the sea surface modeling and validation
Borodina et al. Estimation of space-time characteristics of surface roughness based on video images
Smith et al. Brillouin asymmetric spatial heterodyne oceanographic lidar receiver for profiling temperature, salinity, and sound velocity