Введение к работе
Актуальность проблемы
В последнее время отмечается интенсивное развитие в области исследований многомерных задач распространения воли. С одной стороны это связано с появлением новых эффективных методов их решения, с другой стороны это обусловлено широким практическим интересом.
Прежде всего практический интерес определяется тем, что большинство физических проблем сводится к решению многомерных задач. Это можно сказать как о лабораторных, так н, в особенности, о натурных исследованиях. Если в первых при выполнении определенных условий ешё можно свести дело к одномерному случаю, то во вторых это, как правило, не удается сделать.
Кроме того практический интерес диктуется необходимостью решения многомерных задач как прямых так и обратных. Решение прямых задач направлено на создание адекватных методов описания физических ситуаций, а обратных - на развитие методов обработки результатов дистанционного зондирования.
При дальнейшем анализе практических запросов мы должны учесть то, что многомерные задачи приходится решать для различного характера сред как детерминированных, так и статистических. Все перечисленные выше аспекты решения многомерных задач и будут рассмотрены в настоящей работе.
Если касаться методов решения многомерных задач, то там отмечается очень большое многообразие, постоянно нарастающее в последние годы, и которому не будет уделяться здесь подробное внимание, поскольку это достаточно трудно сделать. Более того, в этой работе мы ограничиваемся рассмотрением одного и достаточного универсального подхода, основанного на методе инвариантного погружения, получившего интенсивное и широкое развитие в последнее время и приведшего к значительным успехам в решении многомерных задач со всеми их особенностями.
В многомерных задачах процессы многократного рассеяния выступают в сочетании с эффектами дифракции, что усложняет их анализ и решение. Именно поэтому здесь возникают немалые трудности при применении как аналитических, так и численных методов, а также их комбинаций.
Следующий шаг усложнения многомерных задач возникает при переходе к рассмотрению рассеяния в случайно-неоднородных средах. Возникающие при этом статистические эффекты зачастую не находят удовлетворительных объяснений в рамках обычных представлений и требуют новых исследовательских подходов. Здесь надо отметить прежде всего проблему при решении многомерных статистических задач - исследование высших моментов рассеянного поля.
Особую сложность представляют многомерные обратные задачи, к решению которых, как правило, невозможно подойти, если не исследовано достаточно хорошо прямое решение. И в этом ряду на первое место мы должны поставить задачи в статистической постановке.
Надо отметить, что в связи со сложностью рассмотрения многомерных задач возникло огромное количество приближенных методов их решения. И роль последовательной теории не только развить соответствующие подходы к исследованию задач, но и получить обоснования приближенных методов, установить соотношения между ними и выясшпъ какие физические эффекты они учитывают.
Цели и задачи исследований
Цели и задачи исследований были следующие. На основе метода инвариантного погружения:
-
Получить алгоритм решения прямой задачи распространения радиоволн в слоистой атмосфере при стационарных источниках.
-
Исследовать тепловое излучение атмосферы при волноводном распространении.
3. Получить алгоритм решения прямой задачи распространения
радиоволн в слоистой атмосфере при нестационарных источниках.
-
Получить алгоритм решения обратной задачи распространения радиоволн в слоистой атмосфере.
-
Найти решение статистической задачи распространения волн в слоистых средах.
-
Найти решение статистической задачи распространения волн в трёхмерных средах.
7. На основе полученных решении многомерных статистических задачах
провести исследования высших моментов рассеянного поля.
-
Исследовать пределы применимости и получить обоснование приближенных методов, теории возмущений и теории переноса, широко используемых при решении волновых статистических задач.
-
В целях сопоставления результатов теории с наблюдениями и обоснования постановки новых волновых задач провести экспериментальные исследования распространения радиоволн над морем и оптического излучения в атмосфере и морской воде.
Научная новизна работы
Диссертация посвящена актуальной проблеме решения многомерных волновых задач в различных средах в целях развития методов и средств дистанционного зондирования океана и атмосферы,
В ней с использованием метода инвариантного погружения развит подход к исследованию многомерных волновых задач, успешное применение которого послужило основой для создания направления работ по исследованию дифракционных и статистических особенностей в решениях многомерных волновых задач и разработке дистанционных методов зондирования, учитывающих такие эффекты.
В результате проведенных исследований был получен ряд решений многомерных волновых задач, существенно отличающихся от известных ранее и содержащих новые физические эффекты, на основе анализа которых
предложены:
метод радноимпульсного зондирования атмосферы, основанный на решении обратной задачи распространения радиоволн в атмосфере, который, в отличие от широко практикуемого лучевого метода, может дать результат даже в тех случаях, когда существенную роль играют дифракционные эффекты и лучевые методы не применимы;
вариант радиотеплового зондирования атмосферы, основанный на волновом подходе;
статистический подход в задачах зондирования, использующий высшие моменты поля, как несущие дополнительную информацию, последнее может найти применение в радиофизике, оптике и акустике.
Таким образом, в работе получены новые результаты в теории волн и успешно применены в развитии методов дистанционного зондирования.
Обоснованность результатов
Диссертация представляет обобщающее в целом ряде задач, выполненное с помощью строгих подходов исследование в области теории воші, необходимость которого возникла при анализе обширного практического материала, полученного по изучению распространения радиоволн в приводном тропосферном слое и оптического излучения в океане и атмосфере. Из результатов экспериментальных исследований и возникающих там трудностей, связанных с дифракционными и статистическими эффектами в распространении волн, были сформулированы новые задачи в теории волн и получены их решения, которые, в свою очередь, в тех случаях, где это возможно, сопоставлялись с экспериментом. Эти решения уже могут послужить основой для развития новых дистанционных методов.
Исследования выполнены на основе единного подхода, использующего метод инвариантного погружения. Данный подход позволяет успешно анализировать различные случаи многомерных волновых задач.
Практическая значимость результатов работы
Исследования по многомерным задачам рассеяния волн в различных средах, результаты которых приведены в настоящей работе, выполнялись в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН в течение ряда лет с целью разработки методов и средств дистанционного зондирования атмосферы и океана с помощыо электромагнитных, радио и оптических, а также акустических сигналов.
Тема диссертации соответствует одному из направлений работ в ТОЙ ДВО РАН по развитию методов и средств дистанционного зондирования океана и атмосферы , а научные результаты, изложенные в ней, получены при выполнении тематических планов и госпрограмм ТОЙ ДВО РАН: программа "Океан" - проект "Вестпак", хоздоговорные тематики "Транзит-ТОЙ", "Бриз", "Морминал-ТОИ", проект Российского фонда фундаментальных исследований N92-02-15900.
Основные положения, выносимые на защиту
Кратко сформулируем полученные результаты.
На основе метода инвариантного погружения развит ряд подходов к исследованию многомерных прямых и обратных задач рассеяния в различных средах, в результате этого:
1. Получен алгоритм решения прямой задачи распространения радиоволн
в слоистой атмосфере при стационарных источниках.
2. Исследовано тепловое излучение атмосферы при волноводном
распространении.
3. Получен алгоритм решения прямой задачи распространения радиоволн
в слоистой атмосфере при нестационарных источниках.
4. Получен алгоритм решения обратной задачи распространения
радиоволн в слоистой атмосфере.
5. Предложен метод радиоимпульсного зондирования атмосферы.
-
Получено решение статистической задачи распространения волн в слоистых средах.
-
Получено решение статистической задачи распространения волн в трёхмерных средах.
-
На основе полученных решений многомерных статистических задачах проведены исследования высших моментов рассеянного поля.
-
Предложен метод аналитического продолжения по спектральному параметру для исследования многомерных статистических задач.
-
Рассмотрена схема построения ряда приближенных методов, наиболее часто используемых для решения многомерных статистических задач. Показана их связь с точным подходом, основанном на методе инвариантного погружения. Проанализировано какие эффекты они учитывают, и как это связано с их формальным построением.
11. Предложены статистический подход для описания рассеяния света и
возможность дистанционного зондирования сред с использованием высших
моментов рассеянного поля.
Апробация результатов работы
Результаты работы докладывались и представлялись на обсуждение.
1. VIII Всесоюзный симпозиум по дифракции и распространению волн.
Львов, 1981.
-
II Всесоюзный съезд океанологов. Ялта, 1982.
-
Всесоюзная конференция "Проблемы научных исследований в области
изучения и освоения Мирового океана". Владивосток, 1983.
4. VIII Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому
зондированию. Томск, 1984.
5. Всесоюзная конференция по использованию современных физических
методов в неразрушающих исследованиях и контроле. Секц. 1. Хабаровск, 1984.
6. XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Харьков,
1990.
-
URSI meeting, London, Ontario, Canada, 1991.
-
ICO Topical Meeting on Atmospheric volume and surface scattering and
propagation. Italy, 1991.
9. IEEE/AP-S Symp.,London, Ontario, Canada, 1991.
-
SPIE's Aerospace Sensing Symposium, USA, Orlando, 1992.
-
European Symposium on Satellites Remote Sensing. September, 1994, Rome, Italy.
Отдельные части работы докладывались на семинаре СМ. Рытова.
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в 40 научных трудах автора (в том числе 1 монография, 21 статья в научных журналах, 1 препринт, 17 докладов на конференциях).
Личный вклад автора
Основная часть теоретических исследований автором проведена самостоятельно. Большое внимание и поддержку им оказывал В.И.Кляцкин. В диссертационной работе использованы результаты совместных исследований с разрешения соавторов. Работа, по материалам которой написан 4 первой главы, выполнена на паритетных началах в соавторстве с В. Кляцкиным и К.В. Кошелем, а результаты которой изложены в 2 второй главы, - в той же форме участия с В.И. Кляцкиным и А.Г.Бугровым. В исследованиях, послуживших основой для 3 второй главы, постановка задачи принадлежит автору, а расчеты - А.А. Шишкарёву, осуществившему их с помощью К.В. Кошеля.
Автор в диссертационной работе привлекает результаты экспериментальных исследований для мотивировка постановки новых
волновых задач. Эта исследования были выполнены в разное время с различными коллективами. Большая часть из них с коллективом лаборатории, которую возглавляет автор. Автору принадлежит идея и организация проведения комплексных экспедиционных работ по исследованию распространения радиоволн над морем, в которых были получены результаты по спутниковому, локационному и тепловому
радиозондированию атмосферы. В :пт. работал соавторами участвовали: А.С.Гурш.ч, С.СКашкарон, К.П.Гийкович, В.К.Иванова, ВД.Фрейліїхср, А.Н.Богатурон, А.С.Смпрнок. С.Н.Кривоножкин. С.С.ГСошсль (спутниковые и радиометеорологические наблюдений), К.В.Кошель, ЛЛ.Славугасий. А.В.В0ЛКОВ, АЛ.Шишкарев, К.ВЛатышсв (радиолокационные измерения), А.РЛ'линер, Д.В.Шанініко», К.Г.Кобяков, О.Б.Утробин (радиометрические наблюдения), А.С.Гаврнлов (меіеорология).
Эксперименты по распространению лазерного излучения в океане проводились совместно с В.М.Фортусом, а в атмосфере - с О.А.Букиным и коллективом его лаборатории.
