Введение к работе
Актуальность. Исследования зависимости пространственно-временных характеристик оптических сигналов от оптических параметров системы атыосфера-скеан. состояния поляризации, размеров деталей объекта, случайной геометрий границы раздела рассеивавших слоев представляют. как научный, тех и практический интерес в связи с необходимостью обеспечения надежных количественных ллнных для оценки эффективности действия оптических систем. Импульсные оптические сигналы шроко используются в системах активного лазерного зондирования, связи, локации объектов, в гидрооптике. Для расчета оптимальных оптических систем передачи и - регистрации излучения требуется предварительная оценка пиковой модоости, длительности, поляризации импульсных световых сигналов. Проведение предварительной оценки _ осложняется 'искажавши влиянием многократного рассеяния, неизбежно возникающим при распространении излучения в достаточно замутненной атмосфере либо водной среде, наличием сложных граничных'и'начальных условий- пространственная ограниченность' узких пучков излучения, стохастичность структуры облачного поля, земнвй и иорской поверхности и т.д. Состояние вопроса. Теоретические расчеты пространственно-временных характеристик оптических сигналов основаны на решении интегро-дифферешиалъного уравнения переноса при соответствующих начальных и граничных условиях. В последнее время наиболее эффективным и плодотворным иетодон решения задач, связанных с переносом нестационарного излучения в рассеивающих образованиях сложной структуры с корректным учетом многократного рассеяния, является неюд статистического моделирования (Монте-Карло). Теория этого метода достаточно развита в работах сотрудников
-4--Вычислительного центра СО РАН (Г.А.Михайлов. Б.А.Каргин. Е.О.Джетыбаев. СМ.Пригарин ). Постановка численных экспериментов на основе статистического моделирования ззыетно отличает его от постановок дорогостоящих натурных экспериментов. Однако, наряду с неоспоримыми преимуществами, реализация этого метода сопряаена с проведением достаточно трудоемких расчетов и требует значительных затрат машинного времени. Так. для большого промежутка времени после начала воздействия импульса, ошибки статистических расчетов возрастают настолько, что требуется дополнительная информация. Поэтому, представляется целесообразным для описания влияния многократного рассеяния и оптических свойств рассеивавшей среды на формирование пространственно-временной структуры светового поля использовать также различного рода приближенные аналитические методы. Имеется ряд приближенных нетодоз решения нестационарного уравнения переноса излучения. . пригодных для описания распространения импульсного излучения в рассеивавших средах. Одним из таких приближений является налоугловое.диффузионное приближение (Я.С.Долин. В.С.Ремизович. Д.Б.Рогозхин). относящееся к- средам с склъьо анизотропный рассеянием . известны также асимптотические решения (С.Д.Гутшзбаа. Э.П.Зеге. И.Л.Кацев).
Существующая определенная обособленность теоретических работ ОТ экспериментальных наблюдений' затрудняет определение границ и возможностей использования полученных приближений. Многие интересные эксперименты по наблюдению прохождения импульсов через рассеивающие среды проводились в слабоконтролируеных условиях и не иогут являться основой для .количественных сравнений с теорией. В реальных атмосферных условиях в силу значительной изменчивости и ее удаленности от наблюдателя, точный контроль за параметрами среды - затруднен. Поэтому большую важность представляет эксперименты в ноделышх рассеивавших средах, сез^звззшьгх в
- Б -
специальных аэрозольных кпаерах с непрерывный контролен условий распространения. Больвзя аэрозольная камера Института оптики атмосферы СО РАН (длина 28а. диаметр 1Ш) позволяет создавать устойчивые расеиваюше среды с различной оптической плотностью и микроструктурой. В то К9 вреня ограниченное временное разрешение приемников вносит иекззекия в результаты ыодельного эксперимента. особенно при небольших оптических толщинах опоя. В этих условиях наиболее эффективно сочетание ыодельного эксперимента с чяслйшйм расчетом.
Отмеченные особенности требуют проведения комплексных исследований пространственно-временных характеристик оптических сигналов . корректного учета многократного рассеяния.
Целью работы является изучение особенностей формирования пространственно-временной и поляризационной структуры импульсного оптического излучения, включая:
построение на основе метода статистического моделирования алгоритыов расчета пространственно-временной и поляризационной структуры вектор-функции- интенсивности рассеянного ймпульсксго излучения ;
изучение возможности- использования известных приближенных аналитических решений нестационарного уравнения переноса излучения для описания импульсной переходной и оптической передаточной функций рассеивающей среды :
решение задачи о поведении оптической передаточной функции однородного и вертикально-неоднородного рассеивающего слоя при импульсном освещении последнего ;
- исследование влияния эффектов, связанных со.случайной геометрией
морской поверхности, на поле яркости оптических источников
излучения.
Научная новизна работы определяется следующими результатами:
- б -
- ыотод двойной локальной оценки адаптирован на случай векторного
представления исходного ішпульсного . сигнала. Работоспособность
построенного алгоритма подтверадена путеи сопоставления ішеюішпся
данных' "одельных экспериментов. с результатами численного
моделирования процесса переноса поляризованного штульсного
КЗЛуЧЄННЯ ;
- предлоаєка цетодика. позволявшая оперативно оценивать ішпульснув
Пор5їодпуз функции в предполояении сильной анизотропии рассеяния.
Оценены границы применимости данной методики :.
найдены выражения для шішггудкск а фазовой составляющих пространственно-частотного спектра узкого ігононзправлєшіого нестационарного сигнала в однородном к вертикально-неоднородной слоях.
на базе уразнения переноса со стохастичзсккии граничныаи условияа создан метод решения проблеиы переноса излучения через. взволнованную ыорскув поверхность-Л исследовано влияние параметров Евтрового волнения на характеристики светового поля.
найдена пространственно-угловая корреляционная функция интенсивности излучения, ' пропущенного случайно^неодкородной границей раздела двух сред с разнил показателей прелоилеки*.
. лэучняд и практическая ценность работы. Полученные в работе результаты п созданные програичные средства использовались и иогут быть использованы : . ' '
- результаты расчетов пространственно-вреиенных характеристик фона
многократно рассеянного капульсного излучения в плотных средах уже
использованы отраслевой организацией, о чей свидетельствует акт
внедрения, содэрнашийся.в приложении ;
-при разработке программных систем, предназначенных для решения широкого круга научных и прикладных задач оптики атмосферы и океана ;
- при анализа экспериментальных данных по формировании и
трансформации угловой и поляризационной структуры фота многократно
рессояного імпульсного, излучения ;
для расчета энергетических и временных параметров кнпулъсного сипшла на основе достаточно простых аналитических приближений при инженерной разработке оптимальных систем локации, передачи информация и связи ;
сведения о чувствитолыюсти радиационных характеристик и полей яркости к изменения структуры полей взволнованности СИСТЕМЫ атиос$ера-океан необходимы при формулировке и решении задач дистанционного оптического зондирования толщи воды, при исследовании природных ресурсов из космоса.
Достоверность результатов работы обеспечивается: прицепокиса методов статистического иоделировения. аналитических приблизенкз. адекватность которых доказана ; ерзвненига численных расчетов с данньпи модельных экспериментов, прозеденкмш в искусственных рассеивавши средах в контролируемых условиях ; совладение:! аналитических оценок- и .численных экспериментов: сравнением с результатами других авторов ; внутренней непротиворечивостью результатов, соответствием их качественным представленим.
Основные заішташьге положения:' . 1. Деполяризация рассеянного імпульсного излучения является чувствительной функцией вреиени и претерпевает резкие изменения в плоскости , в которой располонены оптические оси излучатэльного 'и приемного тракта.
2. Использование в налоугловоа диффузионной приблизении коэффициента диффузии с параметрической зазисиыостьз от угла, ограничивающего часть индикатрисы рассеяния. эффективно участвующую з формировании полного оптического сигнала, слувдт оперативный и достаточно точный ыетодон получения инженерных
- a -
оценок импульсных переходных функций в области оптических толщин меньше IS.
3.Аналитическое усреднение стохастического уравнения переноса излучения по ансамбли реализаций случайного поля статистически неровной границы раздела двух сред с разным показателен преломления позволяет значительно понизить трудоемкость алгоритмов статистического моделирования процесса переноса излучения б скстше атиосфера - океан;
Аппобзшя результатов Основные результаты, полученные в
работе докладывались на 8 Всесоюзной симпозиуме по
распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск. 1386). 9
Всесоюзной сиапозиуке по лазерноиу и акустическсиу зондированию
(Томск, 1987). и Всесоюзной сишгазиуие по. распространению
лазерного излучения в ашосфере и водных средах (Томск 1991). 15
Мездународной конференции по лазерноиу зондировании (Touac. 1990).
Научной Се&инаре отделения агмосферш-экологических исследований.
ША (Touac. 1993). По иатериалаи проведенной работы опубликовано
20 работ. .
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав. заключения' , прияоеєния и списка используемой литературы. Обьеы диссертации ' 130 страниц машинописного текста. Она илластрирована рисунками, представленньыи на 24 страницах, список литературы содержит 64 наименования. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
