Введение к работе
Актуальность темы Наблюдение океана в микроволновом (СВЧЇ диа-азоне электромагнитного спектра является одним'из высокоинформа-лвных способов дистанционного зондирования, который позволяет энтролировать большое многообразие параметров и динамических эоцессов, характеризующих состояние его поверхностного слоя, а в экоторых случаях и более глубоководных слоев. Одним из таких па-зметров, определение которого представляет научный и практически интерес, является температура поверхности океана (ТГО). Наря-/ с микроволновыми измерениями для решения этой задачи возможно ^пользование дистанционных измерении в инфракрасном (ИК) диапа-эне электромагнитных волн. Методы определения ТШ по ИК-измерении в.настоящее время уже доведены до эксплуатационного уровня, э они могут быть использованы только в безоблачных условиях, что щественно снижает возможности их практического применения. Мик-эволновые методы свободны от этого недостатка, однако их разви-ле сдерживается рядом факторов принципиального и технического зрактера.
При изучении возможностей и практическом определении ТПО по анным дистанционного зондирования в СВЧ-диапазоне спектра наибо-эе часто рассматриваются методы, основанные на использовании югоканальных спектральных и поляризадионно-спектральных измере-«й [Аквилонова А.Б. и др., 1981; Петренко Б.3., 1983; Mllman .S., Wilhelt Т.Т., 1985]. Вместе с тем, существует принципиаль-ая возможность решения данной задачи с помощью более простого гтода, основанного на использовании двухканальных измерений, вы-злняемых на одной длине волны и двух поляризациях - вертикальной
горизонтальной, при фиксированном угле наблюдения водной по-їрхности. В этом случае обеспечивается более высокая достовер-зсть теоретического моделирования и оценки точности определения Ю, повышается надежность алгоритма решения рассматриваемой за-1чи, упрощается конструктивная схема радиометра, его калибровка.
также проведение экспериментальных исследований. Несмотря на леющиеся в литературных источниках указания на возможность прак-гаеской реализации данного подхода, до настоящего времени не бы-> выполнено достаточно детальной теоретической и эксперименталь-зй его проработки.
Все вышесказанное в основном и определяет актуальность и нал-
- 4 -равленность проведенных в работе исследований возможности определения ТГО по поляризационным измерениям микроволнового излучения
Цели работы заключались в развитии методик теоретических і экспериментальных исследований и изучении на их основе источники и уровней погрешностей определения ТГО по двухканальным поляризационным измерениям микроволнового излучения, а также построении і экспериментальной отработке эксплуатационного алгоритма определения ТПО.
Для обеспечения теоретического исследования поставленных зада' было необходимо разработать математическую модель зависимости радиотеплового излучения от наиболее существенных параметров состояния атмосферы и океана, влияющих на его интенсивность. Подробное изучение источников и уровней погрешностей определения ТПО може1: быть выполнено на основе линейного подхода, с последующей оценкоі влияния нелинейных эффектов. При этом важной задачей являетс$ обоснование возможности использования линейного алгоритма восстановления температуры по микроволновым измерениям, что позволилс бы значительно упростить обработку дистанционных данных и повысить ее надежность.
Для экспериментальной проверки сформулированных теоретически представлений могут быть использованы дистанционные измерена микроволнового излучения полученные со спутников "Космос-1151" і "Космос-1869". Учитывая специфику имеющегося экспериментальногс материала при выполнении экспериментальных исследований целесообразно применение методов регрессионного анализа эмпирических данных. Это обеспечит дополнительные возможности проверки и уточнения выводов, полученных на основе математического моделировали?, рассматриваемой задачи, а также позволит уточнить калибровку радиометра.
Основные усилия при выполнении экспериментальных исследование должны быть направлены на контроль достоверности получаемых результатов. Эта проблема может быть решена на основе разработка математической модели регрессионного эксперимента и теоретического исследования зависимости получаемых результатов от условий егс выполнения.
Научная новизна работы заключается в изучении и экспериментальной проверке двухканальной схемы восстановления ТПО по поля-
- 5 -ізационньїм измерениям микроволнового излучения.
На основе разработанной математической модели радиационно-гео-ізических зависимостей показано, что при использовании поляриза-юнных измерений микроволнового излучения, с Х-5-6 см, е услови-: отсутствия мощной облачности оцениваемая ошибка определения Ю составляет 0,5-1 К.- При этом оказывается возможным применение гаейного алгоритма обработки поляризационных измерений, позволяло значительно упростить ее выполнение.
При определении ТПО по поляризационным измерениям микроволно-)го излучения требуется высокоточная стабилизация и контроль уг-)вого положения спутника. Для получения величин ТПО с уровнем )еднеквадратичной ошибки около 0,5-1 К, среднеквадратичная пог-гшность контроля углового положения ИСЗ должна быть не хуже 05-0,1 градуса.
Развита методика экспериментального исследования возможности и штроля достоверности результатов определения ТПО по поляризаци-шым микроволновым измерениям с борта ИСЗ, позволяющая уточнять :ходные теоретические представления о радиационно-геофизических івисимостях и калибровку радиометра.
Получены эмпирические оценки параметров функциональной зависи-хзти между ТПО и интенсивностью СВЧ-излучения водной Поверхности длиной волны 3,2 см вертикальной и горизонтальной поляризации, )торые согласуются с представлениями, сформулированными на осно-s теоретического исследования решаемой задачи.
Реализована эксплуатационная система обработки дистанционных пфоволновых измерений, предназначенная для систематического іртирования крупномасштабных температурных полей Мирового океа-і.
Положения выносимые на защиту
-
Методы исследования источников и уровней погрешностей опре->ления ТПО, которые обеспечивает требуемую полноту их изучения и эстоверность получаемых результатов;
-
Теоретические и экспериментальные оценки точности определе-!я температуры водной поверхности по поляризационным измерениям їкроволкового излучения;
-
Требования к точности контроля углового положения спутника т выполнении поляризационных, измерений СВЧ-излучения системы теан-атмосфера с целью дистанционного определения температуры
- б -поверхности океана;
4. Эксплуатационный алгоритм определения ТГО, позволяющш уточнять калибровку радиометра и теоретические представления < функциональной зависимости между температурой.воды и микроволновым излучением океана и атмосферы.
Личный вклад автора в. проведенные исследования Автором сформулирована математическая модель регрессионногс эксперимента, предложена математическая формулировка критерия, используемого для контроля достоверности его результатов, созданс подсистема тематической обработки спутниковой информации на ЭВМ, получены теоретические и экспериментальные оценки точности определения ТГО по поляризационным измерениям, построена серия карі поля поверхностной температуры северной Атлантики.
Практическая ценность. Выполненные исследования подтверздаш возможность определения ТОО по двухканальным поляризационным микроволновым измерениям. На их основе разработана и апробирована эксплуатационная методика восстановления поля поверхностной температуры океана.
Результаты работы имеют практическое значение для развития методов определения ТПО по данным дистанционных СВЧ-радиометрнчес-ких измерений с целью глобального мониторинга обширных акваторий, регистрации крупномасштабных аномалий поля поверхностной температуры, оказывающих существенное влияние на погоду и климат Земли. Ее материалы могут>«елужить основой для определения требований к перспективной СВЧ-аппаратуре, предназначенной для решения этой задачи. Они могут быть использованы при создании эксплуатационных методик, восстановления ТОО по данным дистанционных измерений микроволнового излучения с помощью перспективной СВЧ-радиометри-ческой аппаратуры, разрабатываемой в.рамках проектов "ОКЕАН-У", "ПРИРОДА" и др.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию докладывались на И'Съезде советских океанологов (Ялта, 1982 г.), б Всесоюзном совещании- семинаре по неконтактным методам исследования океанографических параметров (Москва, 1983 г.), на Совещании-семинаре "Температура поверхности океана и методы ее измерения" (Калининград, 1984 г.), на Всесоюзном семинаре по распространению
диоволн и статистической радиофизике (Рига, . 1986 г.), на 37 здународном конгрессе МАФ (Швейцария, 1986 г.). на 3 Всесоюзном івеїдании-семинаре по спутниковой гидрофизике (Севастополь, 1986 ), на 3 Съезде советских океанологов (Ленинград, 1987 г.)..на іучно-практической конференции НПО "Машиностроение" по дистанци-[ному зондированию (Москва,1990 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 ічатньк работах, перечисленных в списке литературы.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введе-я, трех глав и заключения, содержит 147 страниц текста, 26 ри-'нков и 11 таблиц. Список литературы включает 78 наименований.