Введение к работе
Актуальность темы .
Развитие дистанционного зондирования природных вод является актуальной задачей охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.
Высокое пространственное разрешение и монохроматичность лазерных импульсных систем (лидаров) сине-зеленого диапазона спектра делают их весьма перспективными для решения целого ряда задач по диагностике верхнего слоя океана (ВСО) . Важным приемуществом дистанционных методов является высокая оперативность и мобильность таких систем. В этой связи особый интерес представляет размещение лидаров на борту авианосителя. Однако. в этом случае, наличие на трассе зондирования взволнованной границы раздела приводит к появлению в сигнале обратного рассеяния (СОР) флуктуационной составляющей Значительная часть методов извлечения полезной информации из данных лазерного импульсного зондирования водной толщи (батиметрическая съемка, определение вертикального профиля взвеси, содержание планктона и т.п.) основано на анализе энергетических характеристик СОР, поэтому флуктуации мощности СОР, обусловленные волнением океана, являются^ мешающем фактором, то есть шумом. Поэтому для адекватной интерпретации результатов наблюдений требуется выделение полезного сигнала та помех, что требует знания свойств флуктуации СОР. Представляет интерес найти способы снижения уровня помехи на стадии проектирования лидаров, а так же на этом этапе иметь оценки ожидаемых характеристик помех для диапазона условий в которых система будет применяться.
Актуальность диссертационной работы связана с развитием дистанционных методов контроля за качеством природных вод, контролем экологической ситуации и продуктивности водоемов. Разработка и практическое использование таких методов требует изучения шумов, обусловленных волнением океана в целях:
выделения полезного сигнала на уровне помех;
повышения информативности суаествующих методик дистанционного зондирования;
усовершенствования лидарных систем в направлении подавления помех;
- повышения пространственного разрешения за' счет снижения
-xy-
количества измерений, требуемых для статистического накопления и усреднения реализаций сигнала для подавления помех.
Целью диссертации являлось разработка физико- математической модели системы лидар-взволнованная поверхность-гидросреда и адекватных методов расчета статистических характеристик флуктуации эхо-сигнала лазерного. зондирования, расчетно-параметрическое и аналитическое исследование свойств этих флуктуации, физическая интерпретация результатов и выяснение путей снижения помех путем улучшения конструкции яидаров.
Для достижения поставленной цели необходимы, с одной стороны, знание оптических свойств водной толщи и поверхности и состояния взволнованной границы раздела, а с другой, создание адекватного метода расчета переноса излучение в системе лидар - атмосфера -взволнованная поверхность - водная толиа, позволяпщего проводить расчетно - параметрическое моделирование в условиях варьирования многочисленных факторов.
Критический анализ литературы по статистическим свойствам СОР позволяет поставить конкретные задачи исследования, решение которых необходимо для достижения поставленной цели диссертационной работы:
1) Научно - методическое обоснование и разработка адекватного
метода расчета статистических свойств флуктуации СОР; дисперсии и
автокорреляционной по глубине функции мощности СОР.
-
Разработка метода расчета, который должен учитывать все существенные параметры задачи, использовать минимальное количество упроідасаих предположений и обеспечивать высокое быстродействие численной реализации для создания возможности детального многопараметрического исследования.
-
Расчетно - параметрическое исследование влияния различных факторов системы лидар - взволнованная поверхность - гидросреда на флуктуации СОР,
-
Интерпретация полученных результатов, создание качественного описания физики .флуктуации СОР,' выявление особенностей и закономерностей,
5) Поиск условий, когда флуктуации минимальны и способов
снижения шумов аппаратными методами.
Научная новизна исследования заключается в том. что; 1) Впервые разработан приближенный метод расчета статистических характеристик эхо-сигнала, учитывающий влияние практически всех
-5"-
существенных факторов как природных, так и аппаратурных, и учитывающий реальные свойства гидросреды и взволнованной поверхности, отличающийся высоким быстродействием численных реализаций.
2) Выяснено, что адекватный расчет этих характеристик требует
более точной модели рассеяния в гидросреде, чем использовались
ранее; разработана методика учета оптических свойств гидросреды,
позволяющая с одной стороны более точно расчитывать процессы
рассеяния с использованием реальных индикатрис морской воды, а, с
другой стороны, существенно упростить решение широкого класса
задач гидрооптикн.
3) Для широкого диапазона условий получены выражения
коэффициентов вариации и автокорреляции по глубине мощности СОР в
виде аналитических формул.
4) Обнаружены неизвестные ранее особенности статистических
характеристик флуктуации СОР.
5) Найдены способы снижения уровня помех аппаратными методами.
6) Впервые проведено систематическое исследование свойств
флуктуации эхо-сигнала в зависимости от большого количества
существенных параметров задачи.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
1) всесторонним методическим обоснованием выбора исходных
оптических моделей морской воды и свойств взволнованной
поверхности;
-
обоснованием упрощающих предположений при расчете перекоса излучения в гидросреде и через взволнованную поверхность;
-
сведением к минимуму количества упроааиэдх предположений и их существенному сокращению по сравнение с подходами других авторов;
-
последовательным учетом ограничений, вносимых использованием упрощающих предположений, на диапазон условий применимости методики и выработкой критериев применимости;
-
непротиворечием существующим экспериментальным результатам и физическому смыслу.
Практическая ценность работы заключается в:
-
разработке и реализации ь виде быстродействующего пакета прикладных программ метода расчета статистических характеристик флуктуации зхо-сигнала;
-
уточнении методики учета оптических свойств воды в задачах
лаэерного зондирования
3) нахождении способов подавления шумов в эхо-снгнало is улучшении его корреляционных свойств.
Положения, выносимые на зашлту:
1) Метод расчета статистических характеристик СОР,
обусловленных волнением океана, учитывающий реальные оптические
характеристики лидара, корской воды,волнения и геометрий
зондирования, обеспечивавший высокое быстродействие численных
реализаций и даюциР. большую точность, чей методы известные ранее.
Аналитическая формула."
-
Методика учета оптических свойств морской воды, позволяющая проводить расчеты для реальных индикатрис рассеяния морской воды и упрощающая решение ряда задач лазерного зондирования.
-
Выявление на основе расчотно - параштрического исследования влияния ряда параметров на свойства флуктуации СОР и объяснение наблюдаемых эффектов.
4) Рекомендации по сникеніт величний флуктуации СОР путец
внесения изменений в конструкцию лидара.
5) Условия получения высококоррелированпого по глубина сигнала..
Работа выполнялась на кафедр "Систем!.', устройства и методы,
геокосмической физики" (СУМГФ) Москобс'.-го физико-технического института (МФТИ) в период 1987-1992 гг. Тема диссертации тесно' связана с плановыми работами кафэдри СУМГФ, проводшташ в рамках хоздоговорных и госбвддетных работ. . Апробация работы ..
Результаты работы докладывались на X Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волії в г. Виннице С 1990г.), на 15 Международной конференции по лазерному зондирование ь г.Томске (1990г.). ежегодных научных.конференциях МФТИ. Публикации . ..
Результаты полученныэ в диссертации опубликованы в б печатных работах t1—63 и' ряде научно-технических отчетов, выполненных в МФТИ Ъ рамках хоздоговорных и госбюджетных работ.
В работах написанных в соавторстве, личный вклад автора состоял
в разработке физико-математических ^моделей, получении расчетных
формул, разработке программ, проведении численных расчетов и
анализе и интерпретации полученных результатов.
Объем работы '- . '; ..'
Диссертационная^ работа изложена на 135 страницах машинописного ,
текста, состоит из Введения, 4-х глав, Заклячения; включает 90 рисунков и список использованной литературы нэ 70 наименований отечественных а эарубегдых авторов на 9 страницах.
