Введение к работе
Актуальность темы: Метод искусственных нейтральных и ионных облаков(ИО), впервые предложенный для исследований диффузионных и фотохимических процессов в верхней атмосфере, широко используется в исследованиях ОКП для изучения динамических процессов, крупномасштабных электрических полей в ионосфере и магнитосфере, неоднородной структуры ионосферной и маг-нитосферной плазмы. В этих исследованиях ИО используются в качестве "трассеров", визуализирующих общую картину процессов и позволяющих определить его интегральные пространственно-временные характеристики.
Дальнейшее усовершенствование метода ИО и расширение области его применения для исследований ОКП требует изучения локальной внутренней структуры ИО, то есть, пространственного распределения таких параметров ИО, как плотность и состав компонент, значения и градиенты температуры, интенсивность свечения и др. Знание пространственного распределения параметров ИО дает возможность изучения процессов взаимодействия ИО с окружающей верхней атмосферой и ионосферой, тонкой простран-ственной трехмерной структуры (неоднородностей) ионосферной плазмы, процессов взаимодействия излучений со средами с различными оптическими толщами и других задач физики и оптики ОКП.
Для изучения и восстановления (реконструкции) структуры ИО в ОКП могут быть использованы методы компьютерной реконструктивной томографии (РТ), разработанные и широко применяемые в различных областях науки и техники. Принципиальным преимуществом методов РТ по сравнению с другими методами исследований ИО является возможность изучения по интенсивности свечения ИО, зарегистрированного с нескольких
пунктов наблюдения, пространственного распределения параметров V физико-химических и динамических процессов, протекающих в ИО.
Разработка методов оптической РТ искусственных облаков в активи экспериментах открывает широкие возможности для исследований иск\ ственых образований различного типа, возникающих в результате антроп генных воздействий ь.ч ОКП - при запусках ракет, функционировании с стем космических аппаратов, воздействии мощного электромагнитного v лучения и т.д.
Разработка методов оптической РТ и их исследование на ИО позво/
иcqoльзoвaть методы РТ для изучения естественных неоднородных струю
в ОКП, проявляющихся в оптическом диапазоне - таких, как экваториалы-)
дуги свечения и "пузыри" ионизации , полярные сияния, серебрист
облака и т.д. Ряд важных в научном и в прикладном отношении перспеет
применения методов оптической РТ открывается при дистанционн
зондировании и мониторинге приземной и околоземной среды
оптическом диапазоне с борта ИСЗ. Следует отметить, что к настояще
времени выполнен ряд работ, в которых показаны возможное
использования радиотомографических методов для исследований окол
земной среды, -в частности, ионосферы, сделана попытка применить л
мографические методы для определения структуры кометы Галлея
даннным бортовых телевизионных наблюдений с КА "Вега". Однако, поли
и систематический анализ использования методов РТ в оптическ
диапазоне для исследований ОКП до настоящего времени не проводил
Можно полагать, что предпринятая в диссертации первая попытка такс
рода анализа на примере ИО в ОКП , а также развитые в диссертаи
методы и подходы могут быть в дальнейшем использовны для систем
тической разработки оптико-томографических методов исследований
мониторинга ОКП.
і Цели диссертационной работы :
- разработка методов оптико-томографической реконструкции искус-
ственных образований в ОКП;
создание концепции наземного оптического томографа для исследований ИО в ОКП ; - "" - ~"
опробование и испытания разработанных методов, аппаратурных и программных средств РТ в демонстрационном натурном эксперименте с созданием '10 в ионосфере.
Научная новизна работы. Диссертационная работа представляет собой первую попытку комплексного рассмотрения проблем, связанных с разработкой методов оптической РТ для исследований неоднородных структур в ОКП на примере искусственных облаков. При этом впервые были получены следующие основные результаты:
1.Проведен анализ физико-математических аспектов метода оптической томографии ИО и разработаны методические основы для создания наземного томографа для исследований ИО в ОКП,на основе которых определены условия применимости этих методов для исследований различных типов и стадий развития ИО.
2. Выполнен информационный анализ, который позволяет оптимизировать методику наблюдений и структуру оптического томографа» а также оценены точности реконструкции ИО с учетом параметров томографа.
3. Разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение для обра
ботки данных оптических наблюдений и томографической реконструкции
ИО, дающие возможность проводить реконструкцию по малому количеству
оптических наблюдений, полученных в натурном эксперименте.
4. Разработан специализированный аппаратурно-вычислительный ком
плекс для цифровой обработки и реконструкции ИО.
5. Проведено демонстрационное опробование разработанных методов,
аппаратурных и программных средств оптического томографа в натурном
и эксперименте по исследованию ИО методами оптической томографии и в
численном эксперименте по восстановлению структуры свечения поляр ного сияния.
Научная и практическая значимость работы.
Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит
том, что впервые разработаны методы оптико-томографической рекснс
рукции, концепция и структура наземного оптического томографа для из
чения ИО в ОКП, которые при дальнейшей модификации и исследовани
могут быть использованы для создания томографов наземного и космиче
кого базирования для исследований и мониторинга околоземной среды
антропогенных воздействий на различные области ОКП. Разработанн
программно-алгоритмический комплекс составляет основу создания авт
матизированных комплексов наземных и космических томографов. Мето
информационного анализа, развитые в диссертации, могут быть испо;
зованы при проектировании и оптимизации оптических томографов ;
і исследований и мониторинга ОКП.
Основные положения,выносимые на защиту :
1. Результаты разработки методов оптико-томографической реконструкі
для исследований ИО в околоземной среде, на основе которых опредеж
условия применимости этих методов для исследований различных типо
стадий развития ИО.
-
Результаты информационного анализа ИО, позволившие обоснон возможность и оценить эффективность мало- и ультрамалоракурс оптико- томографической реконструкции ИО.
-
Комплекс алгоритмических и программных разработок для наземі оптического томографа, который дает возможность проводить восі новление внутренней структуры ИО по малому числу 3auuyMnef проекций-изображений, что подтверждается результатами восстановл* структуры модельных объектов.
-
Оптимальная по быстродействию, точности и стоимости структура специализированного аппаратурно-вычислительного, комплекса для цифровой обработки изображений и реконструкции ИО.
-
Результаты томографической реконструкции ИО на натурных объектах, которые позволили впервые получить данные по относительному распределению компонент искусственного плазменного обраювания в ионосфере.
___ Личный вклад автора: --
Лично автором выполнен физико-математический анализ ИО как объектов томографической реконструкции, проведен информационный анализ, выполнено моделирование , разработана методика, алгоритмы и про-
»
граммы подготовки исходных изображений ИО для томографической реконструкции, осуществлена компьютерная обработка изображений ИО и томографическая реконструкция реального ИО. Помимо этого автор принял непосредственное участие в проведении оптических наблюдений ИО, анализе томографических схем, в определении необходимых методов, алгоритмов, программ, технических решений, необходимых при проектировании оптического наземного томографа для исследований ИО.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях и семинарах по оптической томографии(Москва,1991 г.),по томографии (Ташкент,1989 г.,3венигород,1991 г.), по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере Земли (Обнинск, 1986 г.), по фотометрии и ее метрологическому обеспечению (Москва,1989 г.), по математическим методам моделирования ближнего космоса (Москва, 1993 г.). На Международных конференциях:
-на международном симпозиуме-сессии COSPAR (Тулуза,Франция,1986 г.) -на конференции по исследованию верхней атмосферы оптическими методами (Кируна, Швеция, 1992 г., Апатиты, Россия, 1993 г.) _
-на Рабочем Совещании по авроральной томографии (Кируна, Шве
ция.1993 г.).
- на международной конференции по томографии ( Новосибирск, Росси!
1993 г.)
Кроме того, основные результаты опубликованы в 14 работах.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цити рованной литературы. Текст содержит 170 страниц, включая 40 рисунков і 4 таблицы. Список цитированной литературы включает 124 наименования.