Организация тестовых объектов такого типа требует проведения ряда подготовительных работ, а именно:
создания или поиска тестовых площадок размером не меньше 3/, где / — линейное пространственное разрешение аппаратуры, и с проектным покрытием растительностью около 100 %;
выполнения полевого спектрометрирования объектов на протяжении всего сезона вегетации для оценки устойчивости локальных особенностей спектра отражения и определения наиболее подходящих периодов для выполнения спектральной калибровки;
разработки и опробования методик спектральной калибровки.
При существовании тестовых объектов, удовлетворяющих перечисленным требованиям, возможна разработка методик, исключающих атмосферную коррекцию, что позволит избежать погрешностей, связанных с недостатком данных по состоянию атмосферы или погрешностями самой модели переноса излучения.
Л и т е р а т у р а
1. Долженко А. П., Жиличкин А. Г., Коваленко В. П., Кондратов А. В., Смирнов С. В., Тихонычев В. В., Федорченко А. М., Худяков А. В. Подтверждение характеристик КК ДЗЗ «Ре-сурс-П» № 1 в процессе орбитальной эксплуатации с использованием системы валидации. [Электрон. ресурс]. http:// www.ntsomz.ru/files/kondratov%20a._15.11.2013.pdf (дата обращения 15.08.2014 г.).
2. Пат. 2457435 РФ. Фотограмметрическая мира / И. Г. Жур-кин, Г. Г. Сычев, А. Т. Калинкин // Изобретения. Полезные модели. 2012. № 21.
3. Журкин И. Г., Сычев Г. Г., Грузинов В. С. Методика измерения разрешающей способности космических систем дистанционного зондирования с помощью искусственных объектов // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2012. № 3. C. 81—84.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013613954. Программа для определения разрешающей способности «MIRA16 v.1» / Г. Г. Сычев, И. Г. Журкин // Программа для ЭВМ, базы данных, топологии интегральных микросхем. 2013. № 2. Ч. 2. С. 410—411.
5. Kawishwar P. Atmospheric Correction Models for Retrievals of Calibrated Spectral Profiles from Hyperion EO-1 Data / Int. Institute for Geo-Information Sci. Earth Observation. Master Thesis. Enschede, Netherlands, 2007.
6. Guanter L., Segl K., Sang B., Alonso L., Kaufmann H., Moreno J. Scene-based spectral calibration assessment of high spectral resolution imaging spectrometers // Opt. Express. 2009. V. 17. N. 14. P. 11594—11606.
7. P. S. Barry, J. Shepanski, C. Segal. Hyperion On-Orbit Validation of Spectral Calibration using Atmospheric Lines and an On-board System // Proc. SPIE. 2002. V. 4480. P. 231—235.
Дата принятия 21.11.2014 г.
551.550:519.26
Калибровка фотометрических систем атмосферных измерений с использованием нечетких множеств
Р. О. ГУСЕЙНОВА
Азербайджанский архитектурно-строительный университет, Баку, Азербайджан, e-mail: renahuseynova55@gmail.com
Предложено усовершенствование метода калибровки солнечных фотометров при различных оптических воздушных массах. Получено аналитическое условие обеспечения стабильного проведения периодической калибровки этих фотометров с учетом случайных временных изменений атмосферного аэрозоля. Показан пример реализации калибровки на базе нечетких множеств.
Ключевые слова: солнечный фотометр, нечеткие множества, калибровка, атмосфера, аэрозоль.
The modification of the known method of calibration of sun photometers at different optical air masses is suggested. The analytical condition for providing the stable periodic calibration of sun photometers taking into account the random temporal variation of atmospheric aerosol is derived. The example for realization of fuzzy calibration of sun photometer is shown.
Key words: sun photometer, fuzzy sets, calibration, atmosphere, aerosol.
Точность проводимых атмосферных измерений в видимом диапазоне электромагнитных волн ограничивается воздействием атмосферного аэрозоля. Механизм воздействия аэрозоля на распространение оптического излучения достаточно разнообразен и включает такие свойства, как поглощение, отражение и рассеяние, которые приводят к суще-
ственной погрешности результатов измерений, проводимых наземными фотометрами. Для частичного устранения указанных погрешностей разработаны различные многоволновые методы [1].
Наиболее важным, с точки зрения классической теории измерительной техники, является метод по устранению вли-
яния атмосферного аэрозоля на результат калибровки фотометрических приборов. Для этого эталонные приборы калибруют в высокогорных лабораториях, расположенных вдали от материков (например на испытательной станции NASA на Гавайских островах), или проводят лабораторную калибровку с использованием различных ламп в качестве источников света. Для уменьшения действия случайных факторов, отрицательно влияющих на точность калибровки, ее необходимо проводить в максимально сжатые сроки, в пределах постоянной времени корреляции мешающего случайного фактора. Однако, если в применяемом методе предусматривается выполнение калибровки в течение длительного времени, то надо принять специальные меры по снижению действия случайного дестабилизирующего фактора — атмосферного аэрозоля. Для этого можно использовать нечеткие методы, позволяющие на базе имеющихся знаний разумно компенсировать влияние дестабилизирующего фактора.
В настоящей статье рассмотрен вопрос реализации с применением нечетких множеств известного метода калибровки солнечных фотометров [2], предусматривающего проведение атмосферных фотометрических измерений при двух значениях оптической воздушной массы.
Теория нечеткой логики, использующая понятие нечетких множеств, впервые была рассмотрена в 1965 г. Основной причиной появления новой теории стала потребность в математической обработке нечетких и приближенных рассуждений при описании сложных процессов, систем и объектов. Нечеткая логика является многозначной, что позволяет определить промежуточные значения для оценок (да — нет, истинно — ложно и т. д.). Теория нечеткой логики позволяет работать с неполной информацией либо с переменными параметрами высокой сложности.
Метод калибровки, предложенный в [2], заключается в проведении солнечно-фотометрических измерений при оптических воздушных массах m1, km1. Условно приняв аппаратную функцию фотометра за единицу, сигналы на выходе солнечного фотометра можно оценить как
Ii(X, mi) = CI0(X) exp (-mi та(А,)); (1)
I^X, km1) = CI0(X) exp (-m1 kxa(X)), (2)
где 11(X, m1), 11(X, km1) — сигналы на выходе фотометра на длине волны X; C — коэффициент калибровки; CI0(X) — солнечная постоянная на длине волны X; та(Х) — оптическая толщина аэрозоля.
Оптическая толщина атмосферы определяется та(Х). Если обе стороны выражения (1) возвести в степень k, то
Ik1 (X, m,) = Ck10 (X)exp(-m1kia(X)). (3)
Разделим выражение (3) на (2) при постоянстве аэрозольного фактора:
Ik(X, m,)/11 (X, km1) = = Ck 10 (X)/[CI0 (X)]= [CI0 (X )]k-1. (4)
Из выражения (4) получим
CI0 (X) = k-1lk1 (X, m1)/11 (X, km1).
Таким образом, при известных значениях I0(X), k, I1(X1, m1), Ij(X, km1) можно вычислить коэффициент калибровки C.
Применение изложенного выше метода возможно, если в промежутке времени, прошедшем между измерениями при оптических воздушных массах m1, km1, оптическая толщина аэрозоля не изменилась, однако аэрозоль подвержен сезонным, месячным и дневным переменам, которые должны быть учтены. Предложим, что усовершенствования этого метода можно добиться при изменении выражения (2) следующим образом:
I-i (X, km,)=CI0(X)exp[-m1k(xa(X)+ Axa(X))]. (5) В этом случае, разделив выражение (3) на (5), получим
l1 (X, m1)/l1 (X, km1) = [CI0 (X)]k-1 exp(m1kAia(X)). (6) Из выражения (6) найдем
CI0 (X) = kIk1 (X, m1)/11 (X, km1) exp[- m1kAxa(X)/(^ 1)]. (7)
Из (7) определим нестабильность результата калибровки:
ATa(X)m1k/(k - 1) = Co. (8)
Тогда из (8) получим
k = Co/(Co - m^X)). (9)
Покажем, что при C0 = const коэффициент k является нечеткой величиной. В формуле (9) оптическая воздушная масса m1 в фиксированный момент времени t1 является постоянной величиной. Изменение оптической толщины атмосферного аэрозоля происходит по сложным природным закономерностям, большинство которых подвержены случайным колебаниям. Например, среднечасовая концентрация аэрозоля в атмосферном воздухе с 24:00 до 06:00 ч изменялась в пределах (1,6—2,1) ■ 104 см-3. Наиболее высокая концентрация аэрозоля наблюдалась в 13:00 ч, затем концентрация медленно убывала. В промежутке времени 07:00—15:00 ч среднее значение концентрации достигало 3,2104 см-3, вечером оно уменьшалось до 2,2104 см-3 [3].
Согласно [4] в результате экспериментальных исследований аэрозоля было установлено, что в интервале времени 10:00—11:00 ч изменения оптической толщины характеризуются малыми значениями и часовыми вариациями. В интервале времени 11:00—16:00 ч происходит постепенный рост оптической толщины аэрозоля, а вечером наблюдается ее уменьшение. При этом оптическая толщина аэрозоля, измеренная на длинах волн 0,48 и 0,87 мкм, сильно различается, что вызвано временным ростом показателя Ангстрема в интервале времени 10:00—18:00 ч. Указанная выше тенденция дневного изменения оптической толщины аэрозоля подтверждена в [5].
Рассмотрим вопрос о разработке метода нечеткой калибровки солнечного фотометра в условиях сильной аэро-
зольной загруженности атмосферы. Работа нечеткого контроллера калибратора основана на предположении, что при соблюдении условия (8) аэрозольные шумы при проведении периодической калибровки фотометра будут учтены единым образом.
Примененный в калибраторе нечеткий контроллер имеет классическую структурную схему, представленную на рис. 1. Фаззификатор 1 предназначен для преобразования четких входных величин, база данных и знаний 4 служит для хранения нечетких правил, вычислений промежуточных результатов и постоянных величин, необходимых для проведения нечетких вычислений. Дефаззификатор 3 предназначен для обратного преобразования нечетких величин в четкие значения параметров. Работа нечеткого контроллера заключается в следующем. Фаззификатор 1 превращает исходные четкие значения k в нечеткие множества с использованием функций принадлежности треугольного вида. В базе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.