Исследование радиотеплового излучения морских льдов Арктики применительно к задаче дистанционной диагностики Даровских Андрей Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Радиотеплшое излучение однолетних морских льдов 10

1.1. Электрические свойства однолетних морских льдов в СВЧ диапазоне (методика расчета) 10

1.1.1. Морские льды с небольшим содержанием жидкой фазы 13

1.1.2. Морские льды с большим содержанием жидкой фазы 18

1.2. Основные соотношения для расчета радиояркостной температуры однолетних льдов . 21

1.3. Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчетов 33

1.3.1. Постановка экспериментальных исследований 33

1.3.2. Основные свойства коэффициента пропускания 37

1.3.3. Анализ яркостных температур 41

1.3.4, Краткие выводы 45

1.4. Особенности излучения начальных видов льда и ниласа 52

1.5. О возможности определения эффективной температуры ледяного покрова 56

1.6. Основные результаты 62

2. Статистические характеристики радйотешювого излучения морского ледяного покрова 65

2.1. Основные характеристики бортового комплекса аппаратуры дистанционного зондирования 65

2.2. Корреляционные характеристики теплового излучения дрейфующих льдов 69

2.3. Выборочные спектры теплового излучения морского льда 75

2.4. Распределения вероятности яркостных температур ледяного покрова 81

2.5. Основные результаты. 85

3. Микроволновая диагностика возрастной характеристики морского льда 89

3.1. Априорная оценка возможности микроволновой диагностики морского льда 89

3.2. Построение байесовского классификатора 92

3.3. Предварительная обработка измерений 98

3.4. Применение байесовского классификатора в микроволновой диагностике возрастной характеристики морского льда 102

3.5. Основные результаты 108

Заключение 109

Список жпользсванных источников 113

Приложение.. 123

• Основные соотношения для расчета радиояркостной температуры однолетних льдов
• О возможности определения эффективной температуры ледяного покрова
• Корреляционные характеристики теплового излучения дрейфующих льдов
• Применение байесовского классификатора в микроволновой диагностике возрастной характеристики морского льда

Введение к работе

Приоритет СССР в исследовании Земли с помощью СВЧ радиометрической аппаратуры, устанавливаемой на искусственных спутниках, признан во всем мире /I/. С запущенных в 1968 и 1970 гг. ЖЗ "Космос-243" и "Космос-384" впервые в мире были произведены измерения теплового излучения атмосферы и поверхности Землий. С этого времени пассивные микроволновые методы зондирования получили значительное развитие и нашли широкое применение в разных областях науки и народного хозяйства : в океанологии /1-4/ для измерения температуры водной поверхности, скорости приводного ветра и т.д.; в спутниковой метеорологии /5,6/, в сельском хозяйстве /7/.

достоинством использования СВЧ радиометрии для зондирования поверхности Земли является незначительное ослабление в атмосферных образованиях миллиметровых и сантиметровых волн вне линий поглощения водяного пара и кислорода. Это дает возможность определения физических характеристик подстилающей поверхности при любых погодных условиях в любое время года, что особенно важно для полярных районов.

Главным объектом исследований в полярных районах является снежно-ледяной покров как основной отличительный элемент арктических морей. Очевидно, что успешная интерпретация данных СВЧ зондирования снежно-ледяного покрова с самолета или ЖЗ невозможна без априорных знаний пространетвенно-вре я Микроволновой радиометр, установленный в 1962 г. на космический корабль "Маггпеі-2", предназначался для исследования собственного теплового излучения характеристик собственного теплового излучения морского льда.

В условиях осуществления перехода к круглогодичной навигации, возрастаний требования к оперативности и качеству ледовой информации указанные обстоятельства определяют актуальность диссертационной работы.

К настоящему времени С.М.Рытовым и М.Л.Левиным создана единая теория теплового радиоизлучения /8/. Значительный вклад в теорию и практику исследований радиотеплового излучения морского льда внесли такие известные советские ученые как А.Е.Башаринов, В.В.Богородский, С.Т.Егоров, А.И.Козлов, Л.Т.Тучков, А.А.Курская, Ю.И.Рабинович, Е.М.Шульгина, а также большой ряд зарубежных исследователей. Аэрокосмические эксперименты, проведенные в 70-х годах, показали возможность использования СВЧ радиометрических средств для получения информации о сплоченности и границах ледяного покрова /2,9/. Обнаруженное в дальнейших исследованиях различие в коэффициентах излучения однолетних и многолетних дрейфующих льдов позволило распознавать их на микроволновых изображениях ледяного покрова /10-13/. В работе /14/ было высказано предположение, что экспериментально наблюдаемое уменьшение коэффициента излучения многолетнего льда по сравнению с однолетним вызвано отличием механизмов формирования теплового излучения. Исследования физико-химических свойств морских покровов показали, что верхний слой многолетнего льда в результате многократных летних таяний сильно опреснен и содержит большое количество воздушных включений, в то время как однолетние льды имеют значительное объемное влагосодержание и повышенную соленость /16,15/. Вследствие этого основную роль в формировании излучения многолетнего льда в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн играет рассеяние излучения на воздушных пузырьках, а однолетнего - поглощение /13,17-20/. В связи с тем, что рассеяние носит избирательный характер, спектральные измерения радиотеплового излучения многолетних льдов дают сведения о внутренней структуре льда /21/.

Как известно, толщина однолетних льдов может изменяться в очень широких пределах - от единиц сантиметров (яилас) до 2-х метров (толстый однолетний лед) /22/. Естественно, что для нужд надводной и подводной навигации, строительства ледяных аэродромов или иных инженерных сооружений на льду требуется более подробная диагностика толщины ледяного покрова. Отсюда очевидна необходимость детального исследования радио-теплового излучения однолетних льдов. Радиотепловое излучение морского льда рассматривалось в ряде работ /2,23-27/. Однако в большинстве случаев при дистанционном зондировании ледяного покрова отсутствовали синхронные контактные измерения его физико-химических характеристик. Вместе с тем организация одновременных контактных наземных измерений является одним из основных условий как для успешной интерпретации самолетных микроволновых измерений, так и для проведения теоретических расчетов, базирующихся на реальных данных.

Электрические свойства ледяного покрова, рельеф его верхней поверхности, толщина меняются в пространстве и во времени. Это позволяет рассматривать регистрируемые флуктуации теплового излучения морского льда при измерениях с самолета или других носителей как случайный процесс. Исследование теплового излучения статистическими методами имеет некоторые преимущества перед электродинамическим моделированием. Во-первых, для расчета ряда статистических характеристик (корреляционных, спектральных) не требуется абсолютной калибровки СВЧ радиометрической аппаратуры; во-вторых, можно использовать для диагностики возрастных характеристик морского льда вероятностные методы теории распознавания.

В этой связи в настоящей работе поставлены следующие задачи:

- методом электродинамического моделирования исследовать свойства радиотеплового излучения однолетних льдов в зависимости от их толщины и заснеженноети;

- исследовать корреляционные функции и пространственные спектры яркостных температур ледяного покрова;

- получить эмпирические распределения яркостных температур основных видов морского льда в разные сезоны года;

- исследовать возможность микроволновой диагностики возрастной характеристики морского льда.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Эмпирические выражения для расчета показателя преломления и удельного ослабления льда по его температуре и солености в диапазоне длин волн 0,72...20 см, полученные на основе анализа экспериментальных значений электрических параметров однолетних морских льдов.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования радиотешювого излучения однолетнего морского льда, позволившие:

- оценить влияние снежного покрова на излучательные характеристики морского льда;

- установить связь между яркостной температурой на длинах волн 0,8...3,2 см и толщиной для ледяных полей с толщи-нами 70...220 см;

- выявить, что яркостяая температура (X = 1,6 и 3,2 см) светлого ниласа в основном определяется его эффективными электрическими параметрами, в то время как Та начальных ви-дов льда и темного ниласа главным образом зависит от их структуры, т.е. определяется внешними условиями во время ледообразования.

3. Результаты расчета статистических характеристик теплового излучения, анализ которых обнаружил:

- выраженную зависимость дисперсии яркостной температуры (Х= 1,6 см) от типа льда и отсутствие таковой для дисперсии радиационной температуры (Х = 8. ..14 мкм);

- положительную значимую корреляцию между яркостными температурами (Х = 1,6 см и Х = 3,2 см) и отрицательную значимую корреляцию между радиационной температурой (Х= 8...14 мкм) и яркостной температурой (Х= 1,6 см) у многолетних льдов и отсутствие таковой у однолетних льдов (уровень значимости о = 0,05).

4. Неслучайный характер выделяемых гармонических составляющих выборочных пространственных спектров радиационных и яркостных температур фиксированных ледяных полей разного возраста.

5. Эмпирические распределения яркостных температур (Х = = 1,6 см, Х= 3,2 см) морского льда разного возраста.

6. Возможность двухканальяой (Х= 1,6 см и X = 3,2 см) диагностики основных типов морского льда в осенний и весенний периоды.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

В первой главе обосновывается методика расчета электрических параметров (показателя преломления и удельного ослабления) однолетних морских льдов в СВЧ диапазоне. Приводится описание модели и основных соотношений для расчета яркостной

- 9 температуры однолетних покровов с учетом реальных распределений по их толщине температуры и электрических параметров. Проводится сопоставление результатов модельных расчетов с экспериментально полученными, подчеркиваются особенности излучения начальных видов льда и ниласа.

Вторая глава посвящена анализу результатов расчета статистических характеристик теплового излучения ледяного покрова. Приводятся выборочные пространственные спектры яркост-ных (А= 1,6 см) и радиационных (Х= 8...14 мкм) температур, эмпирические распределения вероятности яркостных температур морского льда разного возраста.

В третьей главе излагается алгоритм распознавания возрастных характеристик ледяного покрова, использующий байесовскую формулу вычисления апостериорных условных вероятностей (байесовский классификатор); описаны возмокности определения основных типов морского льда в осенний и весенний периоды. Проводится оценка эффективности распознавания многолетнего, двухлетнего и однолетнего толстого льда весной.

В заключении сформулированы основные результаты проведенного исследования.  

Основные соотношения для расчета радиояркостной температуры однолетних льдов

Строгое решение задачи расчета теплового излучения неоднородного неизотермичного морского ледяного покрова может быть получено на основе флуктуационной электродинамической теории теплового излучения /8/. Радиояркостная температура морского льда саілнм существенным образом зависит от законов изменения его электрических параметров, термодинамической температуры и геометрической структуры. Однако в конкретных условиях для конкретного типа льда оказывается возможным пренебрегать тем или иным фактором. Например, в весенне-ос енний период при положительных или небольших отрицательных температурах воздуха можно считать ледяной покров изотермичной средой. В этом случае очень плодотворным оказывается развитый в работе /23/ метод, согласно которому задача о нахождении коэффициента излучения среды сводится к расчету энергетического коэффициента отражения вспомогательной плоской волны.

В зимний период при больших отрицательных температурах воздуха яеизотермичность морского льда становится уже основным фактором. Большое удельное ослабление электромагнитных волн в однолетних морских льдах (см. рис. 1.2), во-первых, позволяет пренебречь рассеянием излучения на различных внутренних неоднородноетях, а во-вторых, приводит к тому, что толщина слоя, в котором практически полностью формируется радиоизлучение, оказывается меньше толщины ледяного покрова. Так по данным работы /26/, эффективный излучающий слой (длина волны 3 см) для белого льда (толщина льда 30...70 см) составляет 10...15 см, для ниласа (толщина до 10 см) - I...2 см. Поэтому однолетний морской ледяной покров в микроволновом диапазоне можно представить в виду излучающего вертикально неоднородного неизотермичного заснеженного полупространства. Поток теплового излучения такой системы равен сумме двух потоков: излучения льда, прошедшего через слой снега, и излучения снежного покрова где " ЗФФ. л» " ЭФФ.СН " эффективные температуры льда и снега; І - френелевский коэффициент отражения на границе снег-воздух; индекс Р - V, И - означает вертикальную или соответственно горизонтальную поляризацию. где 5 - отклонение от средней толщины снега Ьсн в пределах засвечиваемого пятна главным лепестком диаграммы направленности антенны. Выражение для эффективной температуры вертикально неоднородной среды получено в работе /56/ и имеет следующий вид: Сравнив (ІЛ5) с решением феноменологического уравнения переноса излучения /2,23/, можно заметить, что они имеют одинаковый вид, если 0.( отождествить с секансом угла, образованного вектором распространения преломленной волны и нормалью к плоскости раздела сред.

О возможности определения эффективной температуры ледяного покрова

В работе "О связи френелевских коэффициентов отражения при угле визирования 450п Ю.К.Шестопалов установил, что коэффициенты отражения от однородного полупространства с произвольной комплексной диэлектрической проницаемостью связаны соотношением Излучательные способности, определяемые как образуют тождество Тогда термодинамическая температура Т0 равномерно нагретого полупространства равна - яркостные температуры, наблюдаемые под углом 45 к поверхности на горизонтальной и вертикальной поляризациях. Можно показать, что соотношения вида (1.45)-(1.48) применимы для неоднородного неизотермичного полупространства при выполнении условия (I.4I), которое означает большой масштаб неоднородностей по сравнению с длиной волны. Рассмотрим два случая. Случай I. Незаснеженяый ледяной покров. Устремив толщину снежного покрова hLH к нулю во всех формулах, приведенных в разделе 1.2, получим Из сравнения (1.50), (1.52) с (1.46) и (1.49) видно, что первый случай свелся к однородному (при фиксированном угле визирования 0О) полупространству, равномерно нагретому до температуры, равной Tamm. Ба рис. I.I5 (кривые 5, 7) пред-ставлены расчетные зависимости ltvl и ІІ.НІ от угла визирования для незаснеженного льда. Как видно, при @0= 45 эти зависимости пересекаются и яркостные температуры (рис. І.І5, кривые 3, 4) равны что совпадает с экспериментально полученным- значением термодинамической температуры верхнего слоя ледяного покрова Случай 2. Заснеженный ледяной покров. Легко показать, что формально "убрать" снег с ледяного покрова можно не только устремив толщину снега к нулю, но и положив показатель преломления снега равным показателю преломления воздуха, т.е. единице.

Тогда наблюдение при угле визирования 45 означает наблюдение под углом Брюстера этого гипотетического слоя. Можно предположить, что в случае незначительного отличия от единицы показателя преломления реального слоя (Псн= 1,3) при угле визирования, равном углу Брюстера, будут цриближенно выполняться соотношения (1.45)-(1.49). Действительно, как видно из рис. I.I5, расчетные зависимости 2. средних значений ltvl и \ZH\ заснеженного морского льда (кривые 6, 8) при угле Брюстера (для Псн = 1,3, @Б- 52) пересекаются, а яркостные ташературы (кривые I, 2) равны Найденное в соответствии с выражением (1.48) значение ЭФФ оказывается равным измеренному значению температуры верхнего слоя льда (254,5 К, табл. 1.5, точка 4, ІДУ). На рис. І.І6 представлены экспериментальные и расчетные угловые зависимости яркостной температуры, полученные во время наземного эксперимента на припае толщиной 230 см. В табл. 1.8 приведены данные о вертикальном распределении во льду температуры и солености. Как видно из рис. І.І6, экспериментальные значения яр-костной температуры на вертикальной поляризации при углах визирования, превышающих 40 , меньше расчетных в среднем на 5...7 К. Это объясняется влиянием шероховатости границ раздела в сантиметровом диапазоне /25/, а также возможным рассея- Очевидно, что каждому значению эффективной температуры можно сопоставить некоторую эквивалентную толщину CH3Kg) излучающего слоя, средняя термодинамическая температура в котором равна Т___, а именно где t(Z) - термодинамическая температура льда на глубине "2 в С. Полученные в результате расчетов значения И3Л, как видно из табл. 1.9, линейно зависят от толщины ледяного покрова 1. На основе анализа экспериментальных данных электрических параметрах однолетних морских льдов в СВЧ диапазоне получены эмпирические выражения для расчета показателя преломления и удельного ослабления льда по его температуре и солености в диапазоне длин волн 0,72...20 см. 2. Предложена численная модель радиотеплового излучения однолетнего морского льда, учитывающая реальные распределения температуры, солености, электрических характеристик в его верхних слоях. 3. На основе принятой модели выполнены расчеты яркостных температур однолетних морских льдов по реальным распределение-ям температуры и солености, полученных во время натурных исследований, в диапазоне длин волн 0,8...8,0 см и для углов визирования 0...80. Сравнение расчетных данных с экспериментальными показало их удовлетворительное совпадение, что подтверждает корректность выбранной модели и возможность использования результатов при анализе данных дистанционного зондирования.

Корреляционные характеристики теплового излучения дрейфующих льдов

Поверхность ледяных полей неоднородна, как по своим электрическим свойствам, так и по геометрическим характеристикам. На рис. 2.2 представлены профили толщины снега, температуры на границах воздух-снег, снег-лед и на различных горизонтах, полученные на двухлетнем морском льду в апреле 1978 г. Можно отметить сильную корреляцию между толщиной снега и температурой в верхних слоях льда, а также некоторую периодичность в их изменениях. Таким образом, регистрируемые флуктуации теплового излучения ледяных полей можно рассматривать в виде суммы двух слагаемых где X/i) - детерминированная составляющая теплового излучения, связанная с изменениями температуры и излучательных характеристик вдоль трассы полета; X„(t) - случайный (белый) шум, вызванный собственными шумами в радиометрах. Так как временной интервал записи значительно меньше временного масштаба процессов, под влиянием которых формируется излучение, то рассматриваемый случайный процесс можно считать стационарным. Автокорреляционная функция суммы двух стационарных процессов равна /72/: где Rv ,RV -автокорреляционные; L ц » Rv v - взаимные корреляционные функции слага-емых. - центральная частота; CL - нормировочный коэффициент, зависящий от флуктуацион-ной чувствительности радиометра. Из (2.1)и (2.2) следует, что автокорреляционная функция теплового излучения определяется не только своистваїли подстилающей поверхности, но и флуктуационной чувствительностью радиометров и полосой частот ФНЧ (Щ), В приложении П 2 в табл. П2.І приведены результаты расчетов автокорреляционных функций радиационной (X = 8-14 мкм) и яркостной (А= 1,6 см) температур ледяных полей различной толщины.

В качестве параметров, характеризующих автокорреляционные функции, были взяты время ослабления корреляционной связи Тп _ , при котором Ru(?TftC) = 0,5, и время 0,5 У 0 5 полного затухания корреляционно! связи Т , Яи(? )= . В табл. П2Д представлены также средние значения радиационной Тр , яркостной 7 , температур, их дисперсии бг и коэффициенты взаимной корреляции о . Расчеты проводились в широкой полосе частот (0..2 Гц) и в четырех узких (0...0,5 Гц; 0,5...1,0 Гц; 1,0...1,5 Гц; 1,5.2,0 Гц). №я выделения перечисленных полос частот использовались рекурсивные цифровые фильтры нижних и верхних частот Баттерворта 6-й степени /73,74/. Табл. П2.2 содержит результаты расчета корреляционных характеристик радиотеплового излучения морского льда (Л= 1,6 см и X = 3,2 см) в полосе частот 0...0,5 Гц. Средние значения корреляционных характеристик теплового излучения двух классов льда приводятся в табл. 2.1. Анализ полученных данных позволяет выделить ряд особенностей корреляционных характеристик. 1. Дисперсия радиационной температуры не зависит от воз растной характеристики льда. Это объясняется тем, что Ж из лучение формируется поверхностным слоем снега микронной тол щины, термодинамическая температура которого для многолетнего и достаточно толстых однолетних льдов в основном определяет ся температурой окружающего воздуха, скоростью ветра, радиа ционным балансом и т.д. /75/. В пределах же одного ледяного поля эти параметры мало меняются, например, в приведенном на рис. 2.2, случае максимальное изменение температуры на границе воздух-снег двухлетнего льда составляет 1,5 С. Коэффициент излучения ледяного покрова при отрицательных температурах можно считать практически постоянным. Поэтому и радиационная температура варьирует незначительно. Наблюдается даже тенденция уменьшения дисперсии радиационной температуры многолетнего льда.

Применение байесовского классификатора в микроволновой диагностике возрастной характеристики морского льда

Результаты исследований, проведенных в разделе 3.1, показали, что в качестве вектора признаков X , характеризующего морской лед, можно использовать значения яркостных температур ледяного поля на длинах волн 1,6 и 3,2 см. В этом случае приведенные на рис. 2.7-2.9 гистограммы служат эмпирическими плотностями распределений P(5ck\) яркостных температур при условии, что объект принадлежит классу 6J (например, водной поверхности, темному или светлому ниласу и т.д.). Результаты расчета условных апостериорных вероятностей

Р (CJJ X) принадлежности образа х классу co-L показаны на рис. 3.4 (для пяти классов: водная поверхность, темный и светлый нилас, серо-белый и многолетний лед) и на рис. 3.5 (для трех классов: многолетний, двухлетний и однолетний толстый лед). Анализ представленных зависимостей подтвердил тот факт, что по измерениям на одном длине волны нельзя полностью решить задачу микроволновой диагностики возраста морского льда. Необходимы многоканальные измерения. Однако эти зависимости (рис. 3.4 и 3.5) позволяют определить информативность каждого из используемых каналов, т.е. оценить, на какой длине волны лучше распознаются те или иные морские льды. Так по измерениям на длине волны X = 3,2 см невозможно распознать многолетние и серо-белые льды (рис. 3.4), двухлетние и однолетние толстые (рис. 3.5). В этих случаях эффективнее использовать микроволновой канал с X =1,6 см. Вместе с тем выделить участки темного и светлого ниласа, двухлетнего льда среди многолетнего можно с меньшей ошибкой по микроволновым измерениям на А= 3,2 см.

Для оценки эффективности системы распознавания может быть использован метод статистических испытаний. При этом объективной оценкой эффективности служит отношение числа правильных ответов к общему числу испытаний. Реализованный на ЭВМ байесовский классификатор подвергался статистическому испытанию в наиболее сложном для распознавания случае диагностики многолетнего, двухлетнего и однолетнего толстого льда в весенний период. Критерием правильности решения считалось совпадение данных расчета на ЭВМ с возрастной характеристикой, определенной при дешифрировании аэрофотосъемки.

Анализ результатов статистических испытаний, приведенных в табл. 3.3, показывает, что, как и ожидалось, система распознавания хорошо выделяет участки многолетнего льда (эффективность 87,8 %). Наибольшая неопределенность возникает при диагностике возрастной характеристики ледяного покрова, состоящего из полей двухлетнего и однолетнего толстого льда. На рис. 3.6 представлены данные визуальной разведки (в стандартных обозначениях, применяемых в-, ледовой разведке /59/), и результаты автоматической обработки микроволновых измерений на ЭВМ. Легко заметить, что байесовский классифика тор правильно выделяет три зоны преобладания многолетнего, двухлетнего и однолетнего толстого льда. Полного совпадения результатов быть не может, так как информация визуальной разведки является усредненной по площади, а микроволновая диагностика дает возрастные характеристики ледяного покрова вдоль линии полета. 1. На основании расчетов максимальных значений вероятности ошибок I рода, возникающих при распознавании основных видов морского льда в осенний и весенний периоды, показана возможность микроволновой диагностики возрастной характеристики ледяного покрова в случае одновременных измерений его яркостной температуры на длинах волн 1,6 и 3,2 см. 2. Реализован на ЭВМ частный случай байесовского классификатора, в котором правильной классификации соответствуют нулевые потери, а при любых неправильных - потери одинаковы. 3. Обосновано и рекомендовано для уменьшения случайных флуктуации регистрируемых сигналов применение цифровых нелинейных фильтров низкой частоты (вместо обычных Ш), отличительная особенность которых заключается в зависимости постоянной времени от амплитуды флуктуации. 4. Проведена оценка эффективности системы распознавания возрастной характеристики морского льда в весенний период, составившая при выделении участков многолетнего льда 87,8/о и 59,6 %, 53,1 % - при диагностике двухлетнего и однолетнего толстого льда; сопоставление с результатами визуальной ледовой разведки подтвердило правильность выделения байесовским классификатором зон с преобладанием многолетнего, двухлетнего или однолетнего толстого льда.