Введение к работе
Актуальность. Интерес к изучению аэрозольных сред вызван их. важной ролью во многих природных явлениях, в различных областях науки и техники, в практической деятельности человека.
Аэрозоли являются одной из главных и наиболее изменчивых компонент атмосферы, участвуя в большинстве физических и химических процессов, происходящих в атмосфере. Зна1 роль аэрозольных частиц в процессах образования облаков и осадков, связанных с изменением фазового состояния воды в атмосфере. Рассеивая и поглощая излучение, атмосферные аэрозоли определяют радиационный режим системы "атмосфера-подстилающая поверхность", участвуя в формировании погоды и климата Земли. Необходимость изучения атмосферных аэрозолей актуальна в связи с решением экологических проблем. Аэрозольное загрязнение атмосферы от промышленных источников, транспорта наносит значительный ущерб природе, оказывает вредное воздействие на здоровье человека.
Оптические свойства аэрозолей следует учитывать при решении проблем распространения излучения и передачи световой энергии в атмосфере, при разработке систем связи, видения, локации, дистанционного зондирования атмосферы и земной поверхности. Разнообразие оптических проявлений атмосферного аэрозоля определяется его микрофизическими параметрами, такими как концентрация, размер и форма аэрозольных частиц, ;і также комплексным показателем преломления вещества, из которого они состоят. Решение перечисленных задач требует создания аэрозольных оптических моделей атмосферы нл основе систематических исследований микрофнзических и оптических характеристик аэрозоля.
Информация ь микрофнзических параметрах аэрозоля содержится в его оптических характеристиках. Это делает возможным разработку методов диагностики аэрозольных сред по их оптическим проявлениям на основе решения соответствующих обратных задач. Сложность обратных задач аэрозол
.d.
светорассеяния значительно возрастает в связи с тем, что к числу неизвестных параметров относится, как правило, комплексный показатель преломления вещества аэрозольных частиц.
В основе многих методов диагностики дисперсных сред лежит явление рассеяния света. Исследования по определению микроструктуры аэрозольных сред . проводились для угловых измерений индикатрис рассеяния (К.С, Шифрин, В.Ф. Турчин, Л.С. Туровцева, Э.А.Чаянова, В.А Гашко, В.А. Смеркалов), включая ореольную область (К.С. Шифрин, М.Б. Колмаков, Г.И. Горчаков, А.А. Исаков, В.В. Бадаев); поляризационных характеристик рассеяния (J.A. Reagan, В.М. Herman, J.V. Dave, Г.И. Горчаков), спектральных измерений коэффициентов ослабления (К.С. Шифрин, А.Я. Перельман, G. Yamamoto, М. Tanaka) и обратного рассеяния (И.Э. Наац). Значительный вклад в развитие всех перечисленных направлений внесли работы И.Э. Нааца с сотрудниками.
Большая часть разработанных к настоящему времени методов применима в условиях однократного рассеяния света, что ограничивает сферу их использования. Задачи диагностики существенно усложняются при исследовании микроструктуры оптически плотных сред, таких, например, как облака, туманы, дымы, в которых многократное рассеяние света вносит существенный вклад.
Постановка обратных задач при многократном рассеянии света длительное время сдерживалась вввду отсутствия в явном виде достаточно простых аналитических зависимостей решения уравнения переноса излучения о; микроструктурных параметров среды. Предпосылки для успешного решения проблемы были заложены в работах А.Г. Борового, в которых получены аналитические соотношения, устанавливающие связь между геометрическими параметрами тени частка и структурой световых полей в плотных рассеивающих средах.
Необходимость учета вклада многократного рассеяния при оптических исследованиях плотных аэрозольных сред и отсутствие подходящих методов диагностики делает актуальным их поиск и разработку алгоритмов решения соответствующих обратных задач.
Для построения оптических моделей аэрозоля, решения
I I I
разнообразных задач физики атмосферы, изучения процессов переноса аэрозольных загрязнений наряду с размерами аэрозольных частиц требуется знать пространственное распределение оптических и микрофпзических характеристик аэрозоля. Эту информацию можно, получить с помощью методов и средств активного (лидарного) и пассивного зондирования атмосферы. При решении соответствующих обратных задач необходима, как правило, дополнительная априорная информация о функциональных связях между восстанавливаемыми характеристиками, либо об их пространственной структуре., что затрудняет практическое использование методов.
Широкш'і круг задач может быть решен с помощью лидаров, устанавливаемых на борту самолетов, что дает возможность оперативного перемещения лидаров и изменения их положения относительно исследуемой области пространства. Это позволяет рассмотреть проблему восстановления пространствнной структуры оптических характеристик атмосферы из лпдарных наблюдении с позиции задач трансмиссионной томографии, используя данные лидарного сканирования вдоль различных направлении. Возможность повышения эффективности применения лпдарных систем, устанавливаемых на борту самолетов, обусловливает актуальность задачи анализа экспериментальных схем и обработки измерительной информации на основе томографического подхода без привлечения априорной информации об исследуемой среде.
Затруднения, возникающие при решении проблем оптики атмосферы, которые обусловлены неполнотой априорной и экспериментальной информации об оптических и микрофизических свойствах аэрозоля, делают одной из актуальных областей практического применения методов обратных задач получение данных для построения микрофпзических моделей атмосферных аэрозолей по измерениям ограниченной совокупности оптических характеристик и восстановление на их основе максимально полного набора других характеристик (мнкрофпзпческой экстраполяции", по терминологии Г.В. Розенберга), не измеряемых экспериментально.
Цель и основные задачи, С уметом актуальности перечисленных проблем цель диссертационной работы заключалась в теоретическом обосновании, разработке и исследовании новых методов и численных алгоритмов оптической диагностики дисперсных сред на основе явлений рассеяния спета, включая многократное рассеяние и поляризацию света, для базовых, нефелометрпчеекпх и лидарных схем измерений и их применении чля изучения микрофпзических характеристик атмосферного аэрозоля.
Основные ілііупї проводимых ПССЛСДО КІННІЇ состояли в следующем:
-
Разработки общей концепции решения проблемы восстановления микроструктуры дисперсных сред в рамках малоуглового приближения теории переноса излучения по информации о функции корреляции тени частиц, содержащейся в функционалах решения уравнения переноса излучения.
-
Разработка методов и алгоритмов совместною поестанс тепля функции распределения по размерам и комплексного показателя преломления аэро;олей из угловых измерении элементов матрицы рассеяния на основе представления' полидисперсных характеристик в форме интегралов Сшлтьсса.
-
Анатиз возможностей и создание методов восстановления профиля коэффициента ослабления срепы по данным об оптической передаточной функции среды.
-
Развитие методов решения лпдарного уравнения и задачах лазерного зондирования атмосферных аэрозолей при пронзпольных функциональных соотношениях между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния.
-
Разработка схем лпдариых экспериментов и методов обработки сигналов для восстановления двумерных полей коэффициентов ослабления и обратного рассеяния без априорной информации о функциональных соотношениях между ними.
-
Создание программных средств замкнутого численного моделирования решения прямых и обратных задач для разработанных методов п алгоритмов оптической диагностики с целью определения их потенциальных возможностей и
точностных характеристик.
7. Исследование трансформации микрофизических параметров дымки морского прибрежного района а условиях меняющейся замутненности атмосферы по данным о поляризационных и спектральных характеристиках рассеянного излучения с целью обобщения оптико-мнкрофизических моделей приземного аэрозоля.
Научная новизна
1. На основе теоретического анализа и численных
исследований определены основные закономерности
трансформации пространственно-угловых характеристик световых
полей в малоугловом приближении теории переноса излучения:
интенсивности излучения при многократном рассеянии плоской
волны it функции рассеяния точки (ФРТ), а также их
преобразований Фурье -. функции когерентности и оптической
передаточной функции (ОПФ) в зависимости от дисперсной
структуры рассеивающей среды, которая характеризуется
спектром размеров частиц и пространственным распределением
их плотности.
Особенностью развитого подхода является представление Фурьс-трансформаиты малоугловой индикатрисы рассеяния в виде функции корреляции тени частиц, что позволяет установить простую аналитическую связь оптических характеристик с дисперсным составом среды.
Разработаны эффективные алгоритмы и программы численного моделирования световых полей в малоугловом приближении в зависимости от параметров дисперсных сред, которые служат основой для оперативной оценки их влияния на энергетические и структурные характеристики оптических сигналов в задачах локации, связи, видения и т.п.
2. Исходя из малоуглового приближения, теории переноса -.і ... . і.. .. характеристикам многократно рассеянного излучения. ., 3. Разработана теория, численные ' алгоритмы и комплекс программ * для " решения нелинейной обратной задачи восстановления' функции распределения частиц по размерам из измерений углового распределения .интенсивности многократно рассеянной плоской волны* описываемой малоугловым приближением УПИ. Метод, восстановления основан на последовательном обращении двух линейных, г.,,ивдщ>ал|>ных уравнений первого рода., с использованием регуляризиргующих алгоритмов, разработанных, с учетов , априорной информации (монотонность, выпуклость) о принадлежности .. функции корреляции тени частиц компактным;классам корректности. ; 4. Предложены, нрвые- .методы определения .-микроструктуры аэрозолей по измерениям )ОПФ и ФТ среды при-многократном рассеянии в малоугдовом приближении. .Впервые, доказана возможность восстановления >.; ьпрофиля. . .коэффициента аэрозольного ослабления вдоль лазерного луча, по рас пред елению освещенности в его поперечном сечении. В отличие от традиционных лидарных методов, при таком подходе,не требуется использование импульсных, источников .излучения,; а для определения пространственной структуры среды:, необходимо решение обратной задачи. 5. Впервые, разработаны методы численного и аналитического 6, Развита теория, лазерного дистанционного зондирования На основе представления полиднсперсных характеристик рассеяния в форме интегралов Стилтьеса разработан новый метод совместного определения Микроструктуры м комплексного показателя преломления аэрозоля из угловых измерений элементов матрицы рассеяния, позволяющий существенно расширить множество корректности для функций, описывающих распределения аэрозольных частиц по размерам. С помощью метода обратных задач для статистической модели поляризационных индикатрис рассеяния получены новые количественные данные о микрофизических характеристиках субмикронной фракции дымки морского прибрежного района: функции распределения частиц по размерам, показателе преломления и установлена их взаимосвязь с метеорологической дальностью видимости. На основе результатов обращения впервые восстановлен полный набор энергетических и поляризационных характеристик рассеяния'модели дымки в спектральной области 0,44*0,83 мкм при изменении метеорологической дальности видимости в пределах 5 - 50 км. Полученные результаты составляют информационную базу для атмосферы приземного слоя. 9. Методом обращения спектральной модели коэффициента 10. Методом микрофнзнческой экстраполяции для модели необходимые для решения задач лпдарного зондирования дымок. Разработаны новые итерационные алгоритмы решения уравнения лпдарного зондирования, позволяющие восстанавливать профили коэффициентов ослабления и рассеяния назад при произвольных заданных функциональных связях между ними, и гом числе установленных . эля модели пымки морского прибрежного района. Получены новые аналитические решения задачи и разработаны конечно-разностные алгоритмы восстаноачепия двумерных пространственных распределений коэффициентов ослабления и обратного рассеяния при лидарном томографическом зондировании с борта самолета для двух- и трехлучевых схем. Показано, что решение обратной задачи не требует использования априорной информации о функциональной связи между искомыми характеристиками. Впервые предложен метод и выполнен теоретический анализ задачи томографического лазерного зондирования атмосферы при использовании дву\ неподвижных лидаров с угловым сканированием исследуемой . области. Получено аналитическое решение, определяющее двумерное распределение коэффициентов ослабления и обратного рассеяния, без-привлечения дополнительной информации. .о функциональной зависимости между оптическими характеристиками, либо об их пространственной структуре. Основные положения, выносимые на защиту: (.'Методы диагностики микроструктуры' оптически " ПЛОТНЫХ (т < 8) грубодиспергных сред сводятся к решению обратных,задач для угловых и пространственных характеристик многократно рассеянного излучения в малоугловом приближении теории переноса излучения и могут быть основаны на представлении Фурье-трансформанты индикатрисы рассеяния в виде функции корреляции тени частиц. '2.'Метод определения пространственной 'структуры'днелерс-. ных' сред ".из решения обратной задачи для оптической передаточной функции в малоугловом приближении теории I » II переноса излучения позволяет восстанавливать профили коэффициента аэрозольного ослабления вдоль лазерного луча по распределению освещенности в его поперечном сечении и приводит к развитию теории лазерного зондирования атмосферы с учетом многократного рассеяния. Томографический подход при лпдарном зондировании -пмосферы с различных направлении обеспечивает восстановление двумерных пространственных распределении, коэффициентов-ослабления и обратного рассеяния без привлечения априорной информации о функциональной зависимости между- искомыми характеристиками и реализуется при самолетном лазерном зондировании для двух? и трехлучевых ..схем, а также при использовании двух. неподвижных лидаров с угловым сканированием исследуемой области. В рамках однопараметрической модели поляризационных индикатрис рассеяния дымки морского прибрежного района решение обратных задач позволяет установить основные количественные закономерности, которые проявляются в трансформации дисперсного состава и показателя преломления субмикронной фракции аэрозоля при изменении метеорологической .дальности видимости в области от 50 до 5 км: монотонное убывание вещественной части показателя преломления в интервале от 1,44 до 1,38; возрастание среднего радиуса частиц от 0,14 до 0,27 мкм; увеличение объемного фактора заполнения а пределах (0,16-ь !,3)хЮ10, происходящее, в основном, за счет накопления в аэрозоле воды; относительное содержание которой возрастает от 10 що 70%; немонотонность изменения счетной концентрации частиц, обусловленная уменьшением содержания частиц с. радиусом менее 0,1 мкм при высокой замутненности атмосферы. 5. Обращение спектральной модели коэффициента аэрозоль наибольшего значения (80%) при максимальной замутненности атмосферы. В значениях коэффициента аэрозольного ослабления в видимой области спектра доля грубодисперсной фракции составляет не менее 20%. Грубодисперсная фракция частиц дымки играет определяющую роль в формировании зависимостей от скорости ветра коэффициента аэрозольного ослабления в И К области спектра и малоугловой ч.-.сти индикатрисы рассеяния в видимой области спектра. Предметом защиты также являются: Методы аналитического и численного обращения функции корреляции тени частиц при восстановлении функции распределения частиц по размерам, включая решение для ее моментов произвольного порядка. Методы и алгоритмы совместного определения дисперсного состава и показателя преломления аэрозолей из угловых измерений элементов матрицы рассеяния на основе представления полидисперсных характеристик в форме интегралов Стилтьеса, не накладывающие ограничений на гладкость микроструктурных распределений, что расширяет множество корректности для функций, описывающих распределения аэрозольных частиц по размерам. Параметрическое семейство угловых и спектральных характеристик, восстановленное из результатов обращения статистических моделей поляризационных индикатрис рассеяния и коэффициента ослабления дымки морского прибрежного района, составляющее информационную базу для моделирования оптических (в том числе локационных) свойств аэрозольной дымки приземного слоя атмосферы в спектральном диапазоне 0,44+3,9 мкм. Итерационные алгоритмы обработки лидарных сигналов при одночастотном и двухчастотном лазерном зондировании атмосферы, которые позволяют восстанавливать профили коэффициентов ослабления и обратного рассеяния при произвольной заданной функциональной зависимости между ними. Достоверность Достоверность результатов и выполов днссертаиионной работы обеспечивается: - математической строгостью, которой придерживался автор при получении аналитических решений и при разработке численных алгоритмов решения обратных задач; согласованностью результатов решения прямых и обратных задач, полученных в замкнугых численных экспериментах, а также при интерпретации различными методами данных независимых оптических экспериментов, в том числе в модельных средах с контролируемой микроструктурой. Результаты интерпретации поляризационных и спектральных характеристик атмосферных дымок соответствуют современным представлениям о микроструктуре и показателе преломления приземного аэрозоля и физических процессах, обусловливающих их изменение. Практическая значимость Результаты выполненных теоретических исследовании и разработанные алгоритмы решения обратных задач оптики рассеивающих сред служат методологической основой для количественной интерпретации экспериментальных данных с целью определения микрофизических параметров и пространственной структуры дисперсных сред, включая оптически плотные среды, и могут быть использованы при решении широкого круга задач физики атмосферы и океана, атмосферно-экологического мониторинга, в системах контроля технологических процессов в промышленности. Созданный комплекс программ расчета характеристик многократно рассеянного излучения в малоугловом приближении теории переноса излучения позволяет с высокой оперативностью оценивать влияние параметров дисперсных сред на структуру оптических сигналов при их распространении в земной атмосфере. Результаты микрофпзической интерпретации и экстраполяции поляризационных и спектральных характеристик рассеяния дымки морского прибрежного района значительно расширяют информационную базу для решения различных фундаментальных и прикладных радиационных проблем атмосферной оптики с учетом поляризации излучения, включая задачи распространения излучения и переноса оптических сигналов в системах лазерной навигации и связи, локации, видения. Апробация Основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на 8ч-10 Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1984, 1988; Туапсе, 1986); 8ч-12 Всесоюзных и Межреспубликанских симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1985, 1991,. 1993; Красноярск, 1987; Якутск, 1989); 3-=-5 Всесоюзных совещаниях по атмосферной оптике (Томск, 1983, 1991; Красноярск, 1987); 12 Совещании по актинометрии (Иркутск, 1984); 10 Пленуме Рабочей группы по оптике океана Комиссии по проблемам Мирового океана (Ростов-на-Дону, 1988);'' 15 Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1989); 15 Международной конференции по лазерному зондированию (Томск, 1990); 6 Международной конференции по многократному рассеянию в лидарных экспериментах (Швейцария, Ньюшатель, 1993); Техническом совещании - по распространению излучения в атмосфере (США, Орландо, 1993); Российской аэрозольной конференции (Москва, 1993); 1, 2 Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994, 1995);: 4 Международном конгрессе "Optical Particle Sizing" (ФРГ, Нюрнберг, .1995). Публикации . ., По теме диссертации опубликована 61 научная работа, Личный вклад Материалы диссертации являются предметом самостоятельных исследований автора. Автору принадлежат выбор направления исследований, идеи постановки и решения задач, рассмотренных в диссертации, анализ результатов и формулировка выводов. Лично автором или под его руководством осуществлялась Структура и объем Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка лигературы. Общин объем диссертации составляет 400 страниц,- включая 67 рисунков, 18 таблиц и 216 литературных ссыпок. ,.,!'.:.-
излучения и представления Фурье-трансформанты индикатрисы
рассеяния в виде функции корреляции тени частиц развит
единый подход к решению обратных задач и предложены новые
методы оптической диагностики дисперсных сред с большой
оптической толщиной
обращения функции корреляции тени, частиц^ основанные на
функциональных преобразованиях Фурьец, Ганкеля, Абеля.
Получены. , решения для моментов произвольного : цорядка
функции распределения частиц по размерам, выраженных.,в виде
простых соотношений через моменты функции корреляции т^ни,
либо через моменты интеграла с переменным .пределом от
функции корреляции тени частиц. ,. .-. t
пространственно-неоднородной атмосферы с учетом, многократ-.
ного рассеяния в малоугловом ..приближении- Предложены Hopbiq
методы апертурного.зондирования,_ которые. сводятся ,к решению
обратной задачи для ШТФ среды и, позволяют .наряду: с. ;профилем
коэффициента ослабления определять; ^дисперсный;,, ..состав
аэрозоля.
оптико-микрофизического моделирования аэрозольной
ослабления в восстановленных мнкроструктурных распределениях
дымки морского прибрежного района выделены субмикронная и
грубодисперсиая фракции частиц и получена оценка их
относительной значимости в ослаблении видимого и И К
излучения при изменении метеорологической дальности
видимости от 5 до 50 км. Установлена определяющая роль
грубодисперсной фракции в , формировании зависимостей от
скорости ветра коэффициента аэрозольного ослабления в И К
области спектра и малоугловой части индикатрисы рассеяния в
видимой области спектра.
дымки морского прибрежного района в спектральном интервале
0,44*3,9 мкм восстановлены функциональные зависимости между
коэффициентами аэрозольного ослабления и рассеяния назад.
ного ослабления для дымки морского прибрежного района
приводит к выявлению в мнкроструктурных распределениях
субмикронной (г<0,8-1,0 мкм) и грубодисперсноп (і>1 мкм)
фракций. Субмикронная фракция вносит основной вклад в
суммарное геометрическое сечение частиц дымки, достигающий
включая монографию (в соавторстве)., 29 статей в центральных
журналах и тематических сборниках, 30 тезисов и материалов
докладов, представленных на всесоюзны?, межреспубликанские и
международные конференции, а также I авторское свидетельстьо
на изобретение. t . . .
разработка алгоритмов и программ, проводились расчеты,
связанные- с численным моделированием,, обработкой- и
интерпретацией экспериментапьиых данных. В ряде совместных
публикаций в определении направлений работ и обсуждении
результатов принимали участие А.Г. Боровой, И.Э. Наац и М.В.
Панченко. .Похожие диссертации на Обратные задачи оптической диагностики полидисперсных сред и их применение к исследованию атмосферного аэрозоля
