Быстродействующий метод измерения спектров яркости восходящего излучения моря

Отмечено, что высокую инструментальную точность современных морских спектрофотометров трудно реализовать из-за больших методических погрешностей, обусловленных волнением на поверхности моря погодными условиями и геометрией освещения. Предложен устраняющий недостатки двухлучевой спектрофотометр на основе использования многоканального фотоумножителя. Описывается конструкция и принцип работы спектрофотометра, разработанного на основе компактного светосильного монохроматора и фотометрического блока, в котором располагаются каналы яркости восходящего излучения и облученности поверхности моря. С целью уменьшения методических погрешностей в приборе вместо абсолютных измерений световых потоков производится их сравнение в дифференциальном фотометре. Применение дифференциального фотометра, измеряющего спектральный коэффициент яркости, позволяет значительно повысить точность измерений, т.к. не требует абсолютной калибровки оптических каналов. Использование многоканального фотоумножителя приводит к  дополнительному уменьшению методических погрешностей путем сокращения времени измерений спектрального коэффициента яркости моря, что предоставляет возможность в большом по объему массиве данных выделить достаточное количество спектров без помех от волнения и условий освещения. Оцифровка сигналов фотоумножителя производится с помощью малогабаритного USB-модуля АЦП/ЦАП с функциями цифрового ввода-вывода. На вход модуля поступают усиленные сигналы с фотокатодов, выход модуля посредством стандартного кабеля подключается к USB-входу компьютера, регистрирующего сигналы и управляющего работой спектрофотометра.

1. Weeks A.R., Robinson I.S., Booty B. A towed near-surface optical reflectance meter for measuring ocean colour in support SeaWiFS // European workshop on optical ground truth instrumentation for the validation of space-borne optical remote sensing data of the marine environment. NIOZ-Rapport, 1993. P. 3–9.

2. Корчёмкина Е.Н. Использование данных об изменчивости оптических свойств атмосферного аэрозоля для коррекции спектров коэффициента яркости моря // Морской гидрофизический журнал. 2012. № 1. С. 39–45.

3. Шибанов Е.Б., Корчемкина Е.Н. Восстановление биооптических характеристик вод Черного моря при условии постоянства коэффициента яркости на длине волны 400 нм // Морской гидрофизический журнал. 2008. № 1. С. 38–50.

4. Пелевин В.Н., Локк Я.Ф., Кельбалиханов Б.Ф. Фотометр для измерения спектральной яркости выходящего из моря излучения и результаты его испытаний в натурных условиях // Оптические исследования в океане и атмосфере над океаном. М.: Изд. ИОАН, 1975. C. 126–134.

5. Morel A. In-water and remote measurements of ocean color // Boundary-Layer Meteorology. 1980. Vol. 18, N 2. P. 177–201. doi:10.1007/BF00121323

6. Матюшенко В.А., Пелевин В.Н., Ростовцева В.В. Измерение коэффициента яркости моря трехканальным спектрофотометром с борта НИС // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9, № 5. С. 664–669.

7. Toole D.A., Siegel D.A., Menzies D.W., Neumann M.J. and Smith R.C. Remote-sensing reflectance determinations in the coastal ocean environment: impact of instrumental characteristics and environmental variability // Applied Optics. 2000. Vol. 39, N 3. P. 456–469. doi:10.1364/AO.39.000456

8. Hooker S.B., Lazin G., Zibordi G., McLean S.D. An evaluation of above- and in-water methods for determining water-leaving radiances // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2002. Vol. 19, N 4. P. 486–515. doi:10.1175/1520–0426(2002)019<0486: AEOAAI>2.0.CO;2

9. Khrapko A.N., Kopelevich O.V., Burenkov V.I., Grigoriev A.V., Terekhova A.A. New instrument for measuring surface and underwater irradiances // Proceedings of IV International Conf. “Current problems in optics of natural waters”. Nizhny Novgorod, 2007. P. 271–275.

10. Ростовцева В.В., Коновалов Б.В., Гончаренко И.В., Хлебников Д.В. Способ оценки содержания примесей в морских водах с помощью оперативной спектрофотометрии // Океанология. 2017. Т. 57, № 4. С. 560–574. doi:10.7868/S0030157417040050

11. Ruddick K., De Cauwer V., Park Y., Moore G. Seaborne measurements of near infrared water-leaving reflectance — the similarity spectrum for turbid waters // Limnology and Oceanography. 2006. Vol. 51, N 2. P. 1167–1179. doi:10.4319/lo.2006.51.2.1167

12. Brando V.E., Lovell J.L., King E.A., Boadle D., Scott R., Schroeder T. The potential of autonomous ship-borne hyperspectral radiometers for the validation of ocean color radiometry data // Remote Sensing. 2016. Vol. 8, N 2: 150. P. 1–18. doi:10.3390/rs8020150

13. Гончаренко И.В., Ростовцева В.В., Коновалов Б.В. Использование нового судового комплекса пассивного оптического зондирования для получения распределения естественных примесей в прибрежных водах // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. C. 97–101. doi:10.3390/rs8020150

14. Groom S., Sathyendranath S., Ban Y., Bernard S., Brewin R., Brotas V., Brockmann C., Chauhan P., Choi J-k., Chuprin A., Ciavatta S., Cipollini P., Donlon C., Franz B., He X., Hirata T., Jackson T., Kampel M., Krasemann H., Lavender S., Pardo-Martinez S., Mélin F., Platt T., Santoleri R., Skakala J., Schaeffer B., Smith M., Steinmetz F., Valente A., Wang M. Satellite Ocean Colour: Current status and future perspective // Frontiers in Marine Science. 2019. 6:485. doi:10.3389/fmars.2019.00485

15. Lee M.E., Shybanov E.B., Korchemkina E.N., Martynov O.V. Determination of the concentration of components in the seawater under upwelling radiation brightness spectrum // Physical Oceanography. 2015. N 6. P. 15–30. doi:10.22449/1573-160X‑2015-6-15-30

16. Molkov A.A., Fedorov S.V., Pelevin V.V., Korchemkina E.N. Regional models for high-resolution retrieval of chlorophyll a and TSM concentrations in the Gorky Reservoir by Sentinel‑2 Imagery // Remote Sensing. 2019. Vol. 11, N 10: 1215. doi:10.3390/rs11101215

17. Ли М.Е., Мартынов О.В. Измеритель коэффициента яркости для подспутниковых измерений биооптических параметров вод // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. 2000. С. 163–173.

18. Lee M.Y.G., Fedorov S.V. Double beam spectrophotometer for simultaneous measurement of the upwelling sea radiance and the incident sea irradiance // Light and Engineering. 2019. Vol. 27, N 3. P. 105–110. doi:10.33383/2018-001

19. Каралли П.Г., Копелевич О.В., Салинг И.В., Шеберстов С.В., Паутова Л.А., Силкин В.А. Валидация дистанционных оценок параметров кокколитофоридных цветений в Баренцевом море по данным натурных измерений // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. С. 55–63. doi:10.7868/S2073667318030073

20. Светосильный короткофокусный монохроматор ML44: [Электронный ресурс] URL: http://www.solarspectral.com/catalog/42/232/ (дата обращения: 11.01.21).

21. Двухпозиционный поворотный соленоид BOS10/15 фирмы Takano: [Электронный ресурс] URL: https://www.takano-sanki21.com/sanki/en/products/optical-shutter/BOS10/15/ (дата обращения: 10.01.20).

22. Linear multianode PMT assembles and modules: [Электронный ресурс] URL: https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/etd/LINEAR_PMT_TPMH1325E.pdf (дата обращения: 01.02.21).

23. ЛА‑20USB. Описание: [Электронный ресурс]. URL: https://rudshel.ru/show.php?dev=34 (дата обращения: 11.02.21)