Введение к работе
Актуальность темы. Практическая деятельность человека охватывает обширные репкны с различными природно-климатическими условиями и часто протекает в слоаных оптико-ыетеорологических ситуациях в атмосфере на различных высотах или лод водой. Общую проблему, объединяющую и характеризующую многочисленные вопросы наблюдения через рассеивающие среды, принято называть проблемой видения.
В практике наблюдений, например. в атмосфере в негоризонтальнон направлении. нередко реализуются случаи визирования через рассеивающие образования локализованные в пространстве. Несмотря на большое число работ по проблеме видения, в научной литературе отсутствовали систематические экспериментальные исследования основных (для оценки качества изобраяения систем видения) характеристик при наблюдении объектов через слоисто-неоднородную дисперсную среду.
Актуальность темы обусловлена важностью исследования, как качественных закономерностей, так и необходимостью получения количественных результатов, связывающих оптико-геометрические параметры схемы наблюдения (расстояние тонкого дисперсного слоя до объекта. геометрическую толщину этого слоя и др. ) и оптико-никрофизические характеристики (оптическую толщину, размер частиц), с качеством оптического изображения.
Состояние вопроса. Проблема видения охватывает широкий круг задач, продиктованных насущными потребностями практики наблюдения В рассеивающих средах, интересами фундаментальных исследований общей теории переноса излучения в мутных средах. Интерес к дачной проблеме подтверждают интенсивные исследования последних десятилетий в различных научных центрах страны и за ее пределами.
Современный подход к проблеме видения удаленных объектов через слой мутной среды заключается в сочетании теории переноса излучения и теории линейных систем. Формирование такого подхода уходит корнями в широко используемое в общей теории связи,' теории информации и связанных с ними разделов науки, теории передачи сигналов линейными системами. Использование аппарата теории линейных систем для описания прохождения оптического излучения в мутной среде дает возможность выделить, например, атмосферу как отдельный элемент системы объект-атмосфера-анализатор изображения.
Обоснование линейности рассеивающей среды, как элемента системы видения, при многократном рассеянии (Смирнов В.А.) и
_ 4 -
однократном (Кабаноз М.В.), получило уточнение на основе ракурсной инвариантности (Долин Л.С. Савельев В.А) и дальнейшее развитие в работах Зеге Э.П.. Кацеиа И.Л., Валентюка А.Н.
Теоретические исследования по проблеме видения, использующие приближенные к численные методы решения уравнения переноса излучения, достаточно обширны. Наибольшее число результатов по переносу изобрааения через однородные и слоисто-неоднородные детерыенировашше и стохастические рассеивающие среды в активных и пассивных системах видения получено в ыэлоугловоы приближении и ё* о модификациях, позволяющих создавать простые инженерные методики оценки таких систем (Браво-Животовский Д.М.. Долин Л.С. Лучинин А.Г.. Савельев В.А.. Левин И.М.. Зеге Э.П.. Кацев И.Л.. Дрофа А.С.. Валентюк А.Н.. Савенков В.И. и др. ).
Среди численных методов, дающих возможность исследовать передаточные свойства атмосферы, можно выделить метод итераций ССушкевич Т.А.. Мишин И.В.) и метод разлоаения по сферическим функция.! (Сыоктий О.И. ). Асимптотически точным методом решения уравнения переноса излучения, позволяющим проводить ыоделироваше с произвольными оптическими параметрами среды и схемами наблюдения, является метод Монте-Карло (Михайлов Г.А.. Каргин Б.А.. Креков Г.М.. Белов В.В.. Золотухин В.Г. и др. ).
Лабораторные и натурные эксперименты (Иванов А.П.. Соколов О.А.. Ганич П.Я., Николаев В.П: и др.) для пространственно ограниченных источников во многом позволили .выяснить общую картину световых полей и искаженния изображений в однородных мутных средах. Экспериментальное моделирование переноса изображения через неоднородную по .трассе рассеивающую среду (Гении В.Н.. Кабанов М.В.) и более поздние исследования (Бабак Э.В. и др.. Будак В.П. и др. 3 показали, что контраст самосветящегося объекта с перемещением мутного слоя меняется немонотонно.
Общий анализ состояния проблемы выявил необходимость в проведении дальнейших исследований для уточнения и дополнения некоторых положений теоретических выводов.
Цепью диссертационной работы является экспериментальное исследование фундаментальных характеристик и закономерностей формирования оптического изображения при наблюдении самосветящихся 'объектов через- слоисто-неоднородную контролируемую дисперсную среду на основе лабораторного моделирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Впервые выполнены в лабораторных условиях детальные
исследования фундаыентальныг характеристик систем видения и их производных в зависикости от оптико-геометрических параметров схем наблюдения и оптических характеристик рассеивающего слоя; проведен сравнительный анализ этих закономерностей, найденных методами лабораторного моделирования и расчетами методом Монте-Карло.
2. На основе сравнительного анализа экспериментальных
исследований и расчетов методом Монте-Карло оценены границы
применимости приближенной методики измерения ФРГ.
3. Вперзье экспериментально установлен эффект экстремального
искагения тонкой пространственной структуры самосветящихся
объектов при наблюдении через локальный дисперсный слой.
A. Найдены аппроксимирующие формулы ФРГ для широкого
диапазона оптических толщин и размеров частиц.
5. Впервые экспериментально исследованы закономерности изменения ФРГ дымового аэрозоля с изменением оптической толщины последнего.
B. Оценена возможность синтеза изображения с помощью
экспериментальных ФРГ и аппаратурной коррекции качества
изобрааения самосветящегося объекта при наблюдении через оптически
толстые рассеивающие слои.
Научное и практическое значение результатов работы состоит в том. что на основе экспериментальных исследований в контролируемых условиях изучены качественные и количественные закономерности формирования и динамической изменчивости фундаментальных характеристик систем видения в слоисто-неоднородных рассеивающих средах, составляющих основу для разработки методов и средств оперативного анализа и синтеза изображений в реальной рассеивающей среде, как точечных так и протяженных объектов.
Достоверность результатов работы обеспечивалась: многократностью, повторения измерений с. применением различных методик и аппаратурных средств; контролем случайных погрешностей в процессе' проведения экспериментов; измерением переменных параметров передаточных характеристик фотометрической системы непосредственно в эксперимененте; общей погреіаностью измерений, с учетом большинства дестабилизирующих факторов и в зависимости .от условий проведения экспериментов, колебавшейся в максимальных пределах от 13^ до 27; качественным и количественным сравнением результатов экспериментов с математическим моделированием методом Монте-Карло.
Предметом защиты являются следующие основные положения:
1. Установлено. что использование методики углового
сканирования в экспериментальных исследованиях ФРГ систеы
видения, наиболее приемлемо при локализации дисперсного слоя
вблизи объекта наблюдения, причем нарушение данного условия
приводит к резкому увеличению погрешности измерения ФРГ (до 100 и
более). Предложен новый метод определения ФРГ. позволяющий
расширить область применимости данной методики.
2. На основе моделирования в лабораторных условиях и
измерений с помощью разработанного автоматизированного комплекса
аппаратуры, исследованы основные закономерности пространственных
распределений освещенности в плоскости изображения системы
видения, .создаваемой точечным или линейный диффузно светящимися
объектами, в зависимости от локализации и оптических параметров
дисперсной среды. Установлено, что ФРГ систем видения при
наблюдении через слои оптическими толщинами г<т<а, с погрешностью
&-1S* для широкого интервала размеров частиц можно
аППроКСИМИрОВаТЬ формулами hCx-,T3=hCO;-rM.AexpC-ak xD+BexpC-ak jOl .
Радиус переходного участка ФРГ при наблюдении через' протяженный слой дымового аэрозоля в области о.іа<т<г.94 аппроксимируется зависимостью іг=89.іехрС-о.23т:>, а яркость рассеянного света на крыле, как .функция пространственной координаты. спадает по экспоненте.
3. Эффект экстремального искажения изображения
самосветящегося объекта (t-эффект) или эффект подавления контраста
высокочастотных пространственных составляющих протяженного
самосветящегося объекта при наблюдении через локальный
рассеивающий слой..
4. Экспериментально показано, что интегральная характеристика
kC0;O=)7Ca>;T3-JJhCx.y;T3dxdy ИЛИ ПОЛНЫЙ бОКОВОЙ ПОДСВЄТ. КЭК —да
функция т, с ростом последнего изменяется немонотонно и имеет максимум при тав для сред типа облачных (раствор молока), а для сред моделирующих дымку (раствор канифоли, диспергированный в воде) в области гм.5.
Использование результатов работы. Полученные в работе результаты исследовании могут быть иСпользованы: для оценок и прогнозирования условий работы оптико-электронных систем навигации, пеленгации и наведения в слоисто-неоднородной рассеивающей атмосфере; для интерпретации данных дистанционного зондирования подстилающей поверхности и разработки оптических
методов экологического контроля атмосферы и других рассеивающих сред; для моделирования условий видения в атмосфере и водных средах. Результаты исследований использовались при выполнении региональных и госбюджетных программ СО РАН. Большая часть исследований диссертационной работы была использована Институтом оптики атмосферы при моделировании условий наблюдения, зондирования в атмосфере и выполнении различных работ по хоздоговорной тематике.
Апробация результатов. Материалы исследований докладывались на 1 Всес. совещании по атмосферной оптике (Томск, 1976), на -4.5.Е.В.Э.10.11 Всес. симпозиумах по распостранению лазерного излучения в атмосфере (Томск. 1977. 1979. 1981. 1986. 1989. 1991": Красноярск. 1987). на 5 Всес. симпозиуме по лазерному зондированию атмосферы (Томск. 1978). на 11 Всес. школе по автоматизации научных исслледований (Минск.1978). на 3 Всес. научно-технической конференции "Фотометрия и ее иетрологическое обеспечение" (Москва. 1979). на 3 Всес. совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Томск. 1983). на 14 Всес. конференции по распостранению радиоволн (Москва. 1984).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Работа содержит 153 страницы машинописного текста. Она иллюстрирована 71 рисунком, представленными на 64 страницах. В работе имеется 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 158 наименований.
