Введение к работе
Актуальность темы.
Основной трудностью решешія задач, связанных с расчетом лвдарного сигнала, отраженного от облаков, является необходимость учета многократного рассеяния. Не случайно методология решения этих задач первоначально базировалась на численных методах, основным из которых является метод Монте-Карло. Из аналитических методов первоначально были получены решения в предельных случаях малых и больших времен, что соответствует приближению однократпого рассеяния и асимптотическому решению для больших времен, соответственно. В дальнейшем прогресс аналитических методов связал с учетом вклада двукратно рассеянных фотонов и использованием малоуглового приближения. Последний подход ввиду его неудобств практически не развивался и не использовался. Ввиду растущего применения лидаров для зондирования оптически плотных сред, в настоящее время объектом пристального интереса является построение уравнения лазерной локации с учетом многократного рассеяния и методов его обращения. Состоявшийся запуск и успешная работа космического лидара усилили интерес к данной проблеме.
Однако для решения этой задачи, а также при решении многих проблем климатологии, разработки систем оптической связи и локации, возникает настоятельная потребность в методах описания распространения излучения от природных и искусственных источников в рассеивающих средах, которые, как правило, обладают сильно вытянутой индикатрисой рассеяния. Естественно, выбор конкретного метода расчета определяется характером поставленной задачи и всегда является компромиссом между требуемой точностью расчета и простотой решения.
Разумеется, для решения задач переноса излучения разработано большое количество численных методов, а также используется моделирование методом Монте-Карло. Однако аналитические методы имеют свои неоспоримые преимущества - максимальная общность выводов, удобство формул, представляющих решение в явном виде и, следовательно, возможность выявить характерные черты поля излучения как внутри, так и вне рассеивающей среды. Поэтому аналитическая теория является, с одной стороны, фундаментом для развития численных методов, а, с другой оптимальным тестом.
Известная сложность решения уравнения переноса и необходимость разработки аналитических методов его решения привела к возникновению многочисленных приближенных подходов. При их построении обычно используется (в явном или неявном віще) априорная информация о структуре светового поля в среде. Как правило, она касается величины дисперсии D9 углового распределения яркости. В зависимости от величины этого параметра обычно выделяют два крайних типа формирования светового поля:
-
"малоугловой", когда Dg « 1;
-
"диффузионный", когда дисперсия >9 немала.
В настоящее время хорошо развиты приближенные методики, позволяющие исследовать характеристики светового поля как "малоуглового"; так и "диффузионного" типа в отдельности. При этом диффузионные методы могут использоваться, в случае индикатрис с произвольной асимметрией, если одновременно выполняются два условия:
„«Jt2_<0J .. -
e=or0(l-g)>l
Здесь g - средний косинус (фактор асимметрии) индикатрисы рассеяния, г0 -характерный размер среды (например, толщина плоского слоя, диаметр сферы, наименьший размер рассеивающего объема).
Малоугловые методы применяются в случае сильновытянутых индикатрис (1 - g «1) при вылолнении дополнительно хотя бы одного из условий:
е-ст
а=- >1
аО-*)
(2)
с>о-г0П-)<;0.5:
Однако, в оптических задачах, как правило, необходимо учитывать оба типа формирования светового поля одновременно. Именно такая ситуация имеет место,
например, при решении задачи о распространении видимого излучеїшя от направленного источника (Солнце, лазер) в облаках, где могут реализовываться любые значения г0 при малых а. Упомянутые приближенные методики позволяют описать структуру светового поля лишь для некоторых частных ситуации. Например, характеристики излучения "вперед" в "приграничной области", где угловое распределение яркости сильно анизотропное (малоугловые методы), и световые поля в области значительных оптических глубин, где угловое распределение интенсивности излучения слабо вытянуто (диффузионное приближение (ДП))- Для расчета характеристик светового поля в промежуточной области, а также угловых особенностей отраженного излучения, как те, так и другие методики малопригодны. Преодолеть это затруднение можно на основе покомпонентного анализа структуры светового поля, при котором можно сочетать малоугловые методы и методы решения уравнения переноса в средах со слабо вытянутой индикатрисой рассеяния, общая схема которого и представлена в настоящей диссертации и названа многокомпонентным методом.
Связь работы с крупными научігьгми программами, темами.
Настоящая работа выполнялась в рамках международного сотрудничества. Формально оно оформлено в виде международной рабочей группы MUSCLE (Multiple-Scattering in Lidar Experiments). Основным направлеішем ее деятельности является исследование влияние многократного рассеяния .на формирование лидарного сигнала. Полученные результаты регулярно докладывались на заседаниях группы и использовались при проведении сопоставлений данных расчетов между участниками.
Цепи и задачи исследования.
Основной целью настоящей работы было получить аналитическое решение для лидарного сигнала с учетом многократного рассеяния при моностатическом зондировании стратифицированной рассеивающей среды.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи: 1. разработана общая схема многокомпонентного метода описания переноса излучения в плоскопараллельном слое рассеивающей среды с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния при произвольном поглощении;
-
предложена схема расчета характеристик пространствеїшо-углового распределения светового поля при распространении в шюскошраллелыюм слое рассеивающей среды с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния при произвольном поглощении при освещении границы среды направленным стационарным источником;
-
создана методика расчета характеристик импульса и моделирование его формы, при распространении его в плоскопараллельном слое рассеивающей среды при освещении границы среды бесконечно широким источником.
Научная новизна полученных результатов.
-
Впервые получено уравнение моностатического лазерного зондирования с учетом многократного рассеяния и его упрощенный вариант при больших расстояниях между шщаром и объектом зондирования.
-
Для случая зондирования жидкокапельных облаков из космоса впервые показана слабая зависимость лидарного сигнала от всех характеристик среды за исключением профиля показателя ослабления.
-
В диссертации получила дальнейшее развитие и окончательную формулировку общая схема компонентного анализа переноса излучения, причем для каждой из компонент сформулировано уравнение типа уравнения переноса. Использование такого подхода позволило создать новые приближенные методики:
Для расчета распределения интенсивности света в плоскопараллельном слое рассеивающей среды при произвольном поглощении при наклонном освещении ее границы,
для расчета распространения импульса при освещении границы среды бесконечно широким источником.
4. Впервые была использована локальная система коордшит при решении задачи о
наклопном освещении границы плосжояараллельной среды
Практическая значимость полученных результатов.
Предложенные методики были использованы для решения различных задач, связанных с переносом излучения в рассеивающих средах. В частности, на их основе было создан новый метод обработки результатов дистанционного зондирования жидкокапельных облаков при
зондировании из космоса, учитывающий' многократно рассеянный свет, с целью восстановления оптических и микрофизических параметров зондируемых сред.
Основные положения диссертация, выносимые на защиту:
-
Разработана схема компонентного анализа переноса излучения, причем для каждой из компонент светового поля сформулировано уравнение типа уравнения переноса. Показано, что такой подход позволяет строить эффективные приближения при исследовании распространения света в средах с сильной анизотропией рассеяния;
-
Получено уравнение лидариого зондирования с учетом многократного рассеяния, которое позволяет рассчитывать с высокой точностью энергетические и поляризационные характеристики лидариого сигнала.
-
Показано, что при большом удалении лидара от объекта зондирования реализуется режим, когда лидарный сигнал не зависит от поля зрения приемника. Для этого случая получено уравнение космического лидариого зондирования.
-
Разработана основанная на многокомпонентном методе методика расчета распределения интенсивности света в плоскопараллельном слое рассеивающей среды при произвольном поглощении, включающий случай наклонного освещения границы среды.
-
Разработана основанная на многокомпонентном методе методика расчета распространения импульса при освещении границы среды бесконечно широким источником, которая позволяет описывать многомодальную форму импульса, регистрируемую в реальных экспериментах.
Личный вклад соискателя.
Диссертационная работа в основном отражает личный вклад автора в проведенные исследования. Научный руководитель Э.П. Зеге и И.Л. Кацев принимали непосредственное участие в постановке задач и обсуждении полученных результатов.
Диссертационная работа- выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики НАНБ им. Б.И.Степанова.
Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность Э.П. Зеге за руководство, постоянное внимание, помощь и плодотворное сотрудничество на всех этапах исследования, И.Л. Кацеву за обсуждения результатов и постоянное внимание к
работе, всем сотрудникам Лаборатории оптики рассеивающих сред за помощь и полезные обсуждения полученных результатов.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения и изложена на 131 страницах машинописного текста, иллюстрируется 25 рисунками, включает б таблиц и список цитируемой литературы из 86 наименований.
