Введение к работе
Актуальность работы
Настоящая диссертация посвящена созданию алгоритма обработки оптических сигналов оптико-электронных систем (ОЭС), производящий точный и быстрый расчет переноса сигналов ОЭС через трехмерную мутную среду с учетом стратификации атмосферы, истинного поглощения газами, вертикального распределения аэрозолей, свойств подстилающей поверхности, поляризации.
Актуальность поставленной задачи обусловлена несколькими главными причинами. Современная измерительная аппаратура для дистанционного зондирования (ДЗ) представляет собой сложные гиперспектральные (например, GOSAT: 18500 линий), многоугловые устройства, чувствительные к поляризации. Создание таких систем позволило перейти к решению новых задач в системах спутникового ДЗ: определение глобального распределения малых газовых компонент (парниковые газы, озон), тонкой структуры аэрозоля (его формы). Поставленные задачи радикально изменили требования по точности измерения, например, для восстановления гидродинамической модели стоков и истоков углекислого газа по результатам измерений GOSAT требуется погрешность измерения менее 1% (Rayner Р.), что соответствует концентрации газа 1 промилле. Поскольку все спутниковые измерения косвенные, то это существенно изменяет требования к решению УПИ (уравнение переноса излучения) и требует радикального пересмотра методов и алгоритмов его решения, принимая в учет множество факторов: анизотропию рассеяния, истинное поглощения газовыми компонентами, поляризацию, стратификацию атмосферы, отражение подстилающей поверхностью, неравномерность рельефа земной поверхности, каждое из которых дает вклад более 1%.
При решении однородного плоского слоя отлично себя зарекомендовал метод выделения анизотропии рассеяния на основе МСГ (метод сферических гармоник, Будак В.П., Козельский А.В, Меламед О.П., Коркин СВ.), однако для решения указанных задач его необходимо обобщить с учетом всех указанных факторов. Важнейшей особенностью произвольной геометрии среды есть многомерность ее \
углового спектра - зависимость как минимум от трех индексов, поэтому необходимо развитие метода, который учел бы эту особенность.
Важно отметить, что существующие алгоритмы обработки в своих моделях используют приближенные методы расчета особенностей источников в граничных условиях, что снижает точность моделирования. Предлагаемый в работе метод выделения анизотропной части в любых задачах, содержащих особенности, снимает это ограничение.
В дальнейшем под полной моделью сигналов ОЭС оптического дистанционного зондирования атмосферы из Космоса будем понимать алгоритм расчета поляризации на входе ОЭС с учетом вертикальной стратификации, отражения от подложки, учет истинного поглощения газами и горизонтальную неоднородность атмосферных слоев. Цель и основные задачи работы
Целью настоящей диссертации является создание алгоритма обработки оптических сигналов, включающего в себя максимальное число учтенных факторов. Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
-
Разработка алгоритма обработки оптических сигналов. Алгоритм должен учитывать вертикальную стратификацию атмосферы, отражение от произвольной подстилающей поверхности, границу раздела двух сред с различными показателями преломления, произвольный угол визирования, истинное поглощение газами, трехмерные эффекты, обработку поляризованного излучения;
-
Обобщение метода выделения анизотропной части решения векторного уравнения переноса на случай произвольной геометрии мутной среды;
-
Обобщение свойства монотонности спектра анизотропной части решения на случай многих индексов
-
Формулировка краевой задачи УПИ для регулярной части с функцией источников для случая произвольной геометрии среды;
-
Разработка метода решения и алгоритма расчета регулярной части с учетом всех перечисленных факторов;
6. Применение полученной модели для решения практических задач: обработка оптических сигналов обратного рассеяния в лазерном зондировании, обработка сигналов для пассивных спутниковых систем ДЗ, инструмент для решения обратных задач методом фигтинга. Основные положення, выносимые на защиту и научная новизна
В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:
-
Дано полное решение задачи переноса излучения для точечного мононаправленного (ТМ) источника без априорных ограничений на оптические свойства среды;
-
В общем виде сформулирован метод выделения анизотропной части решения в задачах с разрывом аналитичности в граничных условиях;
-
Сформулирована и решена краевая задача для гладкой части решения, дополняющей анизотропную часть ТМ-источника до полного решения с учетом граничных условий;
-
Сформулирована и решена задача расчета стратифицированных сред с помощью матрично-операторного метода (MOM) для регулярной части решения;
-
Разработан алгоритм обработки оптических сигналов с учетом поляризации, границы раздела двух сред с разными показателями преломления, истинного поглощения газами, вертикальной стратификации среды для визирования под произвольными углами;
-
Предложенная в диссертации теория позволяет перейти к решению трехмерных векторных задач переноса излучения с облучением под произвольным углом.
Практическая значимость диссертационной работы
1. Сформулированный метод выделения анизотропной части решения может служить основой для повышения обусловленности решения и скорости расчета практически всех имеющихся на сегодняшний день краевых задач УПИ;
-
Разработанный алгоритм обработки оптических сигналов в трехмерной среде может быть использован для интерпретации данных дистанционного зондирования пассивными оптико-электронными системами;
-
Разработанный алгоритм может быть использован для расчета сигнала обратного рассеяния в задачах активного дистанционного зондирования ли-дарными системами;
-
Разработанный алгоритм может стать основой для решения обратных задач восстановления характеристик реальных природных образований методом фиттинга;
-
Аналогия между задачами переноса излучения, рассеяния частиц и тепло-переноса, позволяет использовать все полученные результаты для моделирования процесса переноса частиц и тепла в веществе и интерпретации экспериментов в этих областях;
Достоверность результатов диссертационной работы
Подтверждается математической строгостью всех преобразований, сравнением результатов, полученных по предлагаемому методу, с результатами, полученными другими методами (приближение однократного рассеяния, метода Монте-Карло, классическим методом дискретных ординат в векторной (ВМДО) и скалярной формах, методом сферических гармоник), результатами, полученньши другими исследователями (Chandrasekhar S.), сопоставлением аналитического вида полученного результата в трехмерной геометрии с плоской задачей, проверкой полученного решения путем сравнения с экспериментальными данными, полученными спутником GOSAT, а так же сравнением с другими известными алгоритмами обработки (Kokhanovsky А.). Апробация работы
Всего по результатам диссертации опубликовано 23 работы: 12 статей (из них 1 в сборниках трудов SPIE, 2 в журнале JQSRT и 1 - глава в монографии LSR 5) и 11 публикаций тезисов докладов. Результаты работы докладывались и обсуждались на 19 конференциях, симпозиумах и школах-семинарах, среди которых: Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (XIII,
март 2007, Москва; XIV, февраль 2008, Москва; XV, февраль 2009, Москва; XVI, февраль 2010, Москва; XVII, февраль 2011, Москва, Россия); Всероссийская научная конференция "Проектирование инженерных и научных приложений в MATLAB" (III, 2007, Санкт-Петербург; IV, май 2009, Астрахань, Россия); Научно-техническая конференция "Молодые светотехники России" (2008, 2009, Москва, Россия); Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (X, 2009, Москва, Россия); International Radiation Symposium (IRS-2008), август 2008, Фосс до Игуасу, Бразилия; SPIE, август-сентябрь 2009, Берлин, Германия; Международная конференция «Современные проблемы оптики естественных вод» (V, сентябрь 2009, Санкт-Петербург, Россия); Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД-2009), июнь 2009, Санкт-Петербург, Россия; Научная школа для молодых ученых "Компьютерная графика и математическое моделирование", 2009, Москва, Россия; XX Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП-2009), август 2009, Звенигород, Россия; VI International Symposium on Radiative Transfer (июнь 2010, Анталия, Турция); Пятая Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ-5), октябрь 2010, Москва, Россия; NATO ASI on "Special Detection Technique (Polarimetry) and Remote Sensing", 2010, Киев, Украина и другие конференции и семинары. Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 82 страницах, содержит 19 рисунков и 4 таблицы. Список литературы включает в себя 136 наименований на 12 страницах. Общий объем работы -102 страницы.
