Введение к работе
Настоящая работа, посвящена разработке новых радиофизических методов диотанцяонного зондирования динамических объектов, применению этих методов к задаче ветрового зондирования атмосферы и развитию новых подходов н задачам обработки и интерпретации радиометеорологической информации.
Традиционно в радиометеорологии для определения поля скоростей используются импульсно-когерентные станции (ИКС). Обладая определенными достоинствами, такими как возможность селекции целей по дальности, иопользование одной антенны на прием и передачу, ЩО имеют и недостатки: сложную конструкцию, "мертвую" зону, а такяе ряд принципиальных ограничений, связанных с импульсным характером излучения. Так, максимальная однозначгэ измеряемая скорость Ifw** и максимальная дальность (2max связаны со скоростью света. О и длиной ёолны излучения 'Л соотношением: f?m4X1^,w4 -- . Этот факт затрудняет применение ЖС в целях заблаговременной регистрации опасных явлений типа ураганов, смерчей, ограничивает возможность перехода к более коротким (миллиметровым и оптическим) длинам волн. Серьезными недостатками являются наличие "мэртвой"зоны у ИКС, необходимость работы при широкой: полосе пропускания приемника, что сш-яаег потенциал на 20-30 дБ.
Доплеровские системы о непрерывным смодулированным излучением перечлоленными недостатками не обладают. Они обеспечивают однозначное определение любой скорости, что особенно важно при регистрация опасных явлений, нет принципиальных ограничений на дальность зондирования. Однако 'их применение ограничено одним, но существенным недостатком - отсутствием селекции по дальности. 0\ видно, что в спектрах отраженного сигнала содержится важная информация о поле окороогей рассеивателей, о микрофиэичеокях параметрах оамих раооеивателей, однако методы извлечения этой информации до настоящего времени развиты олабо. Практически не иопользуюгея ни полная форма спектров, ни закономерности ее изменения при изменении параметров зондирования.
Таким образом, возможности непрерывных доплеровсюс. систем в плане получения метеорологической информации наследовав явно недостаточно, и развитие этого направления радиометеорологии представляется важным и актуальным.
Следует отметить, что традиционно в радиометеорологии щ анализе спектров рассеянного излучения используются одно или несколько чисел. Обычно ими являются оредяяя интенсивность СИ нала и ширина спектра для некогерентшх станций, средняя част та доплеровского спектра и его ширина для когерентных систем. В то же время очевидно, что доплеровокие апектры или спектрн интенсивности содержат существенно больший объем информации, т.к. опектрн представляют собой обычно массивы из оотен чисел
Однако методы, иопользукше более широкую спектральную я формацию веоьма немногочисленны. Примером могут служать работ американских авторов, использующие, экстремальные значения доп леровских чаотот для определения.скоростей в торнадо,и работы А.Г.Горелика и сотрудников по определению микроструктуры осад ков при вертикальном зондирований. Однако и в этих работах ио пользование спектральной информации свелось в конечном счете вычислению двух первых моментов спектров.
Цель работы. Создание нового научного направления - доил
ровокой томографии и нового подхода к решению задач радиомете
рологии на оонове анализа полной формы опектров рассеянного
сигнала. ' " ' \
Новый подход к задачам радиометеорологии овязан о решени обратных радиофизических задач на основе анализа полной струк туры опектров рассеянного излучения и закономерностей изменения формы спектров при .изменении параметров зондирования.
С хорошим приближением можно считать, что тонкая структу ра опектров, их' полная форма в общем случае определяется прои ведением двух факторов: первый овязан с перемещением рассеива телей в пространстве, а второй определяется свойствами самих рассеивателей: их формой, фазовым оостояняем, динамикой, микр структурой отагистического ансамбля. По этой причине обратные задачи радиометеорологии, имеющие целью восстановление "образ объекта по рассеянному им излучению, также условно мояно разделить на две группы. Первая группа обратных задач связана о восстановлением поля скоростей рассеивателей. Второй тип зада
эязан о восстановлением микрофизичеоких параметров оамих рас-эивателей. В настоящей работе рассмотрены задачи как первого, зк я второго типа.
Задача реконструкции ветрового профиля на базе доплерово-кх систем а непрерывным излучением о математической и физичео-ой точек зрения оказалиоь новым классом обратных задач радио-язики, я в совокупности о разработанными методами их решения ривели к созданию доплеровокой томографии.
Постановка задач доплеровской томографии и обоснование ме-одов их решения явидооь одной из целей настоящей работы. Важны предотавляется комплексный характер исследований, включив-их разработку теории новых томографических методов / 13,14 /, трогую математическую и физическую постановку задачи / 14,31 /, іатематическое- моделирование прямых и обратных задач ветрового юндирования / 14,19 /, а также экспериментальная проверка разработанных методов томографического определения ветрового про-' эиля в натурных условиях и сравнение результатов с данными не'эа-шсимых измерений / 15,16,23,28 /.
Второй тип обратных задач основан на использовании интересно, но малоизученного явления вибрации капель во время гравитационного йаденяя. Периодическая деформация капель приводит к амплитудной и фазовой модуляции рассеянного излучения и появлению тонкой структуры в спектрах. Однако оназалооь, что для решения обратной задачи реконструкции микроструктуры осадков одних спектров недостаточно: необходимо знать амплитудные зависимости вибрации капель в дождях, расоеивавдие свойства несферичео-ких и вибрирующих капель. К сожалению, этой информацией до последнего времени радаометеорологи не располагали.
Поэтому одной из целей работы явилось исследование как оамих процеосов вибрации капель в доадях,'так и рассеивающих свойств вибрирующих капель. Это оказалось очень непростой око-шриментальной и теоретической задачей, потребовавшей проведения комплексных лабораторных, натурных и теоретических исследований. Они включали лабораторные измерения резонансных свойств водяных капель / 12 /, лабораторные измерения рассеивающих свойств неоферических и вибрирующих капель в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн / 21,29,30 /, теоретическое 'обоснование оптимальных методов регистрации вибрации капель
- 6.-
в осадках / 22,30 /, натурные-измерения вибраций капело в дождях / 22,24,26 /. И лишь на последнем этапе, на основе оригинальных экспериментальных данных о вибрации предложены методы решения обратных задач данного типа / 2-7, 27 /.
Актуальность работы. Дистанционные методы зондирования окружающей среды играют все большую роль как в метеорологии, гак и в ряде прикладных направлений, таких как радиосвязь, конт> роль загрязнений, метеообеспечение авиации и т.д. Развитие в работе метода доплеровской томографии- позволяет определять профиль ветра в атмосфере, течение газов и жидкостей в различных гидродинамических задачах, на базе относительно простых и дешевых систем с непрерывным излучением. Разработанные методы доплеровской томографии, основанные на анализе полной формы допле-ровских спектров отраженного излучения, могут- иопользоватьоя не только в радио- или микроволновом диапазонах длин волн, но в любых других системах, использующих доплеровокий принцип - оптических, акустических я 'т.д. По этой причине круг задач, в которых может применяться доплеровокая томография, очевидно, не ограничивается радиометеорологией и гидродинамикой и может существенно расширяться в будущем.
Использование доплеровской томографии в радиомете.орологии позволяет расширить возможности радиолокационных методов, ио-' ключить неоднозначность измеряемых величин в экстремальных метеоусловиях, применять для исследования пограничного слоя атмосферы. Ваанш и актуальным вопросом практической радиометеорологии является создание всепогодной системы томографического ветрового зондирования, которая может быть создана на базе комплексного использования непрерывных радиолокационных систем, работающих при выпадении осадков, и оптических НДС, использующихся при "ясном небе".
Актуальными представляются и новые способы восстановления микроструктуры доадей / 2,4,6 /, интенсивности осадков / 5,7 /, основанные на решении обратных радиофизических задач, а также методы определения степени загрязнения осадков поверхностно-активными веществами / 1,3,11 /.
Научная новизна и практическая ценность. I. Поставленная в настоящей работе проблема восстановления поля скоростей рассеивателей на основе анализа полной формы
доплеровских спектров, полученных с помощью систем с непрерывным излучением является новой не'только по своей (физической постановке, но и по winy обратных математических задач, возникающих при ее решении. По этой причине, и вследствие некоторой аналогии а традиционными задачами реконструктивной томографии данное направление, класс возникающих математических задач и методов их решения был назван автором доплеровокой томографией. Следует отметить, что задачи доплеровокой томографии качественно шире, чем круг задач традиционной реконструктивной томографии, которая в этом плана является частным случаем доплеровокой томографии.
Дана постановка задачи доплеровокой томографии в общей аналитической форме в виде елотеми нелинейных интегральных уравнений / 14,31 /. Показано, что данная обратная задача в общем случае некорректна по Тихонову (Тихонов І.Н., Араенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979. - 285 с). Проведена конкретизация уравнений для различных моделей зондируемой динамической системы и при различных параметрах зондирующей системы.
В ряде частных случаев предложены методы регуляризации решения задачи, доказана их корректность, т.е. однозначность, ограниченность, устойчивая сходимость томографического решения в каждом случае.
Полностью решена томографическая задача восстановления профиля ветра в атмосфере на базе непрерывных доплеровских станций, показана корректность ее решения / 15,23,28,31 /.
Теоретическая постановка задачи, ее аналитическое решение, компьютерное моделирование, экспериментальная проверка в натурных условиях и сравнение с результатами независимых измерений / 14-16,20,31 / в совокупности явились законченной комплексной работой, которая позволила сформулировать и утвердить новую ветвь дистанционных методов зондирования - доплеровскую томографию.
Новыми являются также методы, расширяющие возможности доплеровокой томографии за счет использования нескольких длин волн с различными коэффициентами линейного поглощешгя / 14,17 /. Эти методы названы многоволновой доплеровокой томографией.
Интерес представляет и другое направление исследований,
объединенное термином корреляционная доплеровская томография, в котором наряду с непрерывной доллеровской'системой одновременно используется импульсная некогерентяая станция. Эти методы позволяют в. ряде случаев расширить класс динамических объектов, для которых возможно корректное томографическое решение.
2. Для решения обратных задач второго типа, связанных с восстановлением микрофизических параметров дождей по полной форме спектров рассеянного излучения/-потребовалось'проведение целого комплекса экспериментальных и теоретических исследований, которые включали:
исследование резонансных свойств капель / 12 /;
исследование рассеивающих характеристик несферических и вибрирующих капель в микроволновом и оптическом диапазонах длин волн / 21,24,26,29,30 /;
изучение вибрации капель в натурных-условиях / 22 /;
теоретические и компьютерные расчёты рассеивающих'сьс"отв / 21,27,30 /.
Результаты Есех этих исследований являются оригинальными, и, кроме того, основаны на новых зксперимеї.гальшх методах: новыми являются лабораторные методы формирования капель произвольного размера и формы на гидрофильных колечках, методы возбуждения собственных резонансных мод / 12 /, методы регистрации индикатрис рассеяния колеблющихся капель / 21,26 / н их поляризационных рассеивающих свойств в микроволновом диапазоне / 27 /, а также высокочувствительные методы регистрации вибрации в натурных условиях / 22 /.
В процессе экспериментов обнаружен неизвестный ранее эф
фект аномально высокой модуляции рассеянного оптического излуче
ния (при модуляида диаметра капли ДЭ/2> = 10 , глубина ампли
тудной модуляции была близка к единице) / 21,22,26 /, нелиней
ные модуляционные эффокты, в частности, удвоение частоты моду
ляции рассеянного излучения по отношению к частоте вибрации кап
ли / 21 /. Предсказан и экспериментально подтвержден неизвест
ный ранее эффект "обнуления" вклада несферичности за счет пово
рота плоскости поляризации зондирующего микроволнового излуче
ния на угол - местный угол
зондирования / 27,29 /.
Обнаруженные эффекты позволили на качественно новом уроз-
яе изучить вибрацию капель в естественных условиях и предложить новые методы решения обратных радиофизических задач, связанных с восстановлением микрофизических параметров дождей / 2-7 /.
Результаты работы внедрены в научные исследования Института физики атмосферы АН СССР, а также используются в учебном процессе в Московском институте приборостроения.
Научная новизна и практическая ценность работ по дошгеров-ской томографии отмечена решением Комиссии Совета Министров СССР.
Апробация результатов и публикации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на научных семинарах Московского института приборостроения, Института физики атмосферы АН СССР, Центральное аэрологической обсерватории (Москва). Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова (Ленинград), на ХШ-й (г.Горький), ХУІ (г.Харьков) Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн, на 71 (Таллин,1982 г.), УП (Суздаль,1986 г.) Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии, на Н Симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск,1987 г.), на 17 Совещании по атмосферной оптике (Красноярск,1987 г.), на ЛІ Всесоюзной конференции "Статистические методы зондирования окружающей среды" (Рига,1986 г.), на К Ленинградском симпозиуме "Радиолокационные исследования природных сред" (Ленинград,1991 г.), на Международной конференции "Некорректно поставленные задачи в-естественных науках" (Москва, 1991 г.).
Материалы диссертации опубликованы в научных статьях 19, докладах и тезисах 14, получено II авторских свидетельств и положительных решений по заявкам на изобретения.
Личный вклад автора в данном исследовании заключается в постановка рассмотренных задач, теоретическом обосновании, аналитических расчетах, компьютерном моделировании, разработке методик, в непосредственном участии в создании аппаратура постановке и проведегаи экспериментов, в обработай материалов измерений.
Структура и сбъеи работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения, приложений и библиографии (из 92 наименований) и содержит 259 стр. текота, 75 стр. иллюстраций, 2 стр. таблиц, 27 стр. приложений.
-,10 -
