Введение к работе
Актуальность темы. Оптически активные вещества (ОАВ), основные из которых - это минеральная взвесь, растворенные органические вещества и пигменты фитопланктона, играют важную роль в жизнедеятельности океана и могут служить индикаторами происходящих в нем процессов. Концентрация взвеси и содержание органики в воде являются важными показателями экологического состояния водоемов. Фитопланктон и связанная с ним первичная продукция имеют большое значение в океанских биогеохимических циклах, включая углеродный, и, следовательно, в глобальных изменениях океанской экосистемы и климата. Поэтому дистанционное определение содержания ОАВ в океане становится одной из важнейших задач океанологии.
Будем называть оптическим экспериментом по дистанционному определению некоторого параметра океана Є измерение яркости океана в нескольких спектральных каналах и последующее восстановление 9 по результатам измерений. Этим параметром может быть концентрация пигментов фитопланктона, взвеси, растворенной органики, температура, или любой другой параметр океана, статистически связанный с его спектрами яркости. Сложность задачи восстановления концентрации ОАВ состоит в большом количестве мешающих факторов, ответственных за вклад в измеряемую яркость океана, к которым добавляются шумы фотоприемника. При спутниковых измерениях к вариациям состава и состояния океана добавляются вариации яркости атмосферы, что приводит к дополнительному ухудшению точности восстановления.
Наиболее распространенным методом дистанционного определения содержания ОАВ в воде является метод "индекса цвета" (измерение отношения яркостей океана в нескольких точках спектра), однако общепризнано, что точность этого метода, особенно в прибрежных водах, очень мала. В последние годы развивались методы, основанные на факторном анализе: для некоторых заранее выбранных длин волн находятся множественная регрессия между искомым параметром в и весовыми факторами в
разложении спектров яркости океана по собственным векторам ковариационной матрицы. Тот набор точек спектра, для которых коэффициенты корреляции регрессии наибольшие, рекомендуется для использования. Метод факторного анализа - это, конечно, шаг вперед по сравнению с методом индекса цвета. Однако, поскольку в этом методе точки спектра для анализа выбираются из качественных соображений, поиск наилучших спектральных каналов не является исчерпывающим, кроме того, вообще не ставится задача определения оптимальной ширины каждого спектрального "окна" и не принимаются во внимание фотонные (дробовые) шумы приемника, которые при измерениях в видимой области спектра оказывают большое влияние на их результаты. На наш взгляд, дальнейшее повышение точности дистанционного определения ОАВ может быть достигнуто за счет применения современной теории оптимального планирования оптического эксперимента (ОПОЭ). Основы этой теории были заложены В.П. Козловым (1934-1993) [JI1], который был вторым научным руководителем диссертанта на первом этапе работы.
Целью диссертационной работы является: разработка теории, алгоритма и компьютерной программы поиска оптимальных спектральных каналов для дистанционного определения концентрации ОАВ в океане; разработка алгоритма восстановления концентрации ОАВ; моделирование спектров яркости океана и расчет оптимальных планов эксперимента по дистанционному определению концентрации фитопланктона в океане.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые результаты:
1. Получено общее решение задачи выбора оптимальных
спектральных каналов для определения характеристик океана по
спектру уходящего излучения с учетом фотонных флуктуации.
2. Показана устойчивость оптимального плана
регрессионного эксперимента к применению робастных оценок
параметров.
3. Разработан алгоритм выбора оптимальных спектральных
каналов, применимый для поиска планов по оцениванию
произвольного параметра состояния океана, и алгоритм
восстановления этого параметра по измерениям в оптимальных
спектральных каналах.
4. Рассчитаны оптимальные планы оценки концентрации
фитопланктона в океане по спектру уходящего излучения для
случаев корабельных измерений и спутниковых измерений в
условиях высокой прозрачности атмосферы.
5. Исследована устойчивость полученных планов по
отношению к используемым моделям и их параметрам, а также к
параметрам измерительного прибора и условиям наблюдений.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Для получения максимальной точности восстановления концентрации ОАВ в океане необходимо использовать два спектральных канала, каждый из которых состоит из нескольких спектральных окон, причем сигналы, пропущенные всеми окнами одного спектрального канала, должны суммироваться на одном фотодетекторе.
-
Восстанавливаемый параметр определяется как линейная комбинация сигналов двух каналов с заранее вычисленными коэффициентами.
-
Оптимальные спектральные каналы для дистанционного определения содержания фитопланктона в океане с борта корабля состоят из следующих спектральных окон:
-
канал : 400-405, 526-535, 553-571, 593-616, 687-700 нм;
-
канал : 444-462, 535-553, 571-593, 670-685 нм.
-
Точность восстановленния концентрации фитопланктона в океане по измерениям в оптимальных спектральных каналах в 3...4 раза выше точности метода "индекса цвета", и более, чем в 2 раза выше точности метода факторного анализа.
-
Найденные оптимальные каналы достаточно устойчивы к изменениям параметров используемых моделей, приемного устройства и условий наблюдения.
Практическая ценность. Практическую ценность в работе представляет предложенный алгоритм поиска оптимальных спектральных каналов, которые позволят существенно повысить точность дистанционного измерения с борта корабля или спутника параметров океана, влияющих на спектр выходящего излучения.
Полученные результаты могут быть использованы непосредственно при проектировании и использовании корабельных и спутниковых систем дистанционного зондирования океана.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на нескольких всесоюзных и четырех международных конференциях (Берген, Ocean Optics XII, 1994; Новосибирск, АМСА-95; Галифакс, Ocean Optics XIII, 1996; С.-Петербург, "Прикладная оптика", 1996).
Публикации. Основные результаты, содержащиеся в диссертации, опубликованы в 11 работах, из них 6 в соавторстве. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработки алгоритмов поиска оптимальных спектральных каналов и алгоритмов восстановления искомых параметров океана, а также доказательства оптимальности найденных планов эксперимента и сходимости предложенных алгоритмов их поиска; составление компьютерных программ и проведение расчетов по статистическому моделированию спектров яркости океана и поиску оптимальных планов для корабельных и спутниковых измерений; создание компьютерных программ и проведение расчетов по проверке устойчивости найденных планов к условиям измерений и параметрам используемых моделей.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Главы разбиты на параграфы, некоторые параграфы разбиты на разделы.
