Введение к работе
Исследование рефракции излучения в атмосфере Земли и других планет в последние годы обусловлено с одной стороны трудностям1,!, возникающими при высокоточных измерениях в атмосфере, с другой стороны - возможностями решения обратных задач рефракщш, в частности определения физических характеристик атмосферы по измерениям параметров электромагнитного и лучения. Актуальность применения рефрактометрических методов изучения атмосферы объясняется, в частности, и их практической значимостью.
Рефрактометрические методы исследова/шя процессов, происходящих в атмосфере применяются з метеорологии, океанологии, физике атмосферы. Развито космической связи, геодезии, морской навигации, привело к совершенствованию радкогсодезических н радионавигационных систем, в связи с чем возросли требования к точности проводимых траекторных измерений, как вблизи поверхности Земли, так и в космосе. В настоящее время успешно разрабатываются приборы, которые по споим хграктернстіжам подходят для решения указанных задач, хотя измерение углов рефракции является достаточно сложной технической проблемой. Для эффективного применения существующей аппаратуры необходима разработка новых методов измерения в реальной атмосфере, которая неоднородна по своим свойствам во времени и пространстве.
Сосргменная рефрактометрия основана на теории рефракции в приближении геометрической оптики. Для рззработкл новых методов определения параметров реальной атмосферы актуальной проблемой является углубление теоретических представлений о механизме распространения излучения в-неоднородных средах. При проведении экспериментов в реальной атмосфере, не всегда бывает возможным учет всех факторов, определягащік полученные значения. Возникают также трудности при проведении измерений в аномальных условиях. В связи с этим, в настоящее вре.\іл большой интерес вызывает применение вьгчислігтельной, техники для моделирования различных реальных процессов на основе математических моделей. Компьютерное
моделирование позволяет учесть особенности того или иного процесса или явления на предварительной стадии подготовки эксперимента, что позволяет более эффективно организовать его проведение в реальных условиях. Современный численный эксперимент характеризуется исследованием математических моделей на основе использования возможностей быстродействующих ЭВМ и применения соответствующих им численных методов. Применение более слоясного математического аппарата и увеличение числа исследуемых параметров позволяет расширить круг существующих методов диагностики атмосферы.
Цель и задачи исследования заключались
в теоретическом исследовании распространения электромагнитных волн, с учетом влияния регулярной рефракции и случайных неоднородностей атмосферы;
в исследовании понятий фазовой, групповой скорости и скорости прихода сигнала при измерении расстояний в импульсной дальнометрии вблизи линий поглощения атмосферных газов;
в экспериментальном исследовании вариаций угла рефракции, связанных с наличием и атмосфере горизонтальных неоднородностей;
в развитии теории рефрактометрии атмосферы для случая, когда источник или приемник излучения изменяет свое положение в исследуемой атмосфере (геометрия погружения), включая построение математической модели, разработку методов.и алгоритмов решения, численный зксперішент на основе данных аэрологического зондирования.
Ндучиаа шешна работы ростоит л.смацтпеак
1.Исследовано совместное влияние эффектов регулярной рефракции и многократного рассеяния на турбулентных неоднородностях среды;
2.Вьгполі:наі экспериментальные исследования влияния горизонтальных неодиородностей показателя преломления атмосферы на рефракцию оптического излучения на протяженных приземных трассах;
З.Постгвлена и решена обратная задача рефракции в геометріш погружения источника или прнгмнгасз в зондируемой атмосфере;
4.Получгкы новые соотношения, связывающие погаатедь преломления и щмеряемый угол рефракции для геометрии погружения при постоянном угле места.
Празгглпеская значимость работы:
Экспериментальные исследования вариаций углов рефракции, связанных с влиянием горизонтальных неодиородностей поля показателя преломления реальной атмосферы обсенсвигагет предельно достижимые точности решения обратных задач рефрактометрической диагностики атмосферы.
Способ определения атмосферных поправок в дальность и угол рефракции из предложенной биоднорэдкен моделп не уступает по точности методу, основанному на известной бнэкспэкенцнальной модели, и кожет киеть прастическое значение для обеспечения работы радкогеодезнческнх систем.
Перспективы пріїмгнекия метода восстановления высотной зависимости радно-н кетеопзраметрез атмосферы на основе решения обратной задачи рефракции в геометрии погружсиия связаны с развитием глобальных спутниковых навигационных систем, а также кселедоггннем атмосфер других планет Солнечной системы н косыичгеетгх тел с помощью спускаемых аппаратов. Предложенный метод позволяет определять необходимые кграхгетры в тех случаях, когда их непосредственное намерение затруднено или возможно лишь на некоторой, ограниченной, часта интереаяа восстановления.
Результаты работы могут быть использованы в НИРФИ. ИФА РАН, ИРЭ РАН. НОАСОРАН.
Основные положения, выносимые па защиту:
1. На основе решения параоолического уравнения в рамках диффузионного
приближения исследовано совместное влияние эффектов многократного рассеяния на
турбулентных неоднородностях среды и рефракции, связанной с неоднородностью
регулярной составляющей высотной зависимости диэлектрической проницаемости
среды, на функцию когерентности и среднюю интенсивность оптического излучения.
-
Выполнены экспериментальные исследования влияния горизонтальных неодиородностей показателя преломления на рефракцию оптического излучения на протяженных приземных трассах;
-
Предложен и разработан метод восстановления высотного распределения показателя преломления атмосферы и связанных с ним метеопараметров на основе решения обратной задачи рефракции по измерениям зависимости величины угла рефракции от положения (геоцентрического расстояния) источника или приемника излучения внутри исследуемой атмосферы.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались:
на XVI (Харьков, 1990) Всесоюзной конференции по распространению радиоволн;
на X, XI, XII региональных {Владимир, 1990, 1991, 1992) научно-технических конференциях «Повышение качества геодезических, работ при изысканиях и строительстве инженерных объектов»;
на XI (Томск, 1991) Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосферах и водных средах;
на Юбилейной (Н.Новгород, 1995). научной конференции посвященной 100-летюо Радио и 50-летию Радиофизического факультета ИНГУ;
на И и IV (Томск, 1995, 1997) Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы н океана";
на 7 (Севастополь, ^1997) международной Крымской микроволновой конференции «КрыМнКо-97».
По результатам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе, 5 статей -
Лггчпыйвкяздлзгорлв саяместиьи публикациях:
Постановка зздтчл пучения эволюции волнового пучка в турбулентной атмосфере с учетом регулярной рефракции и рассеяния принадлежит доктору физико-мятематическж каук, .профессору Санчеву А.И. Автором были получены выражения для функции «orepejjTjiacTH в ряде конкретных случаях.
Экспериментаоыаг результаты по проверке применимости сферически слоистой модели атмосферы а приземном слое атмосферы принадлежат кандидату физико-математических наук Медовикозу А.С. я Лгкотко МИ. Автор принимала участие о обработке, физической интерпретации н обсуждении результатов эксперимента. Созместно с Медовиковым л.С. автором была проведена работа по исследованию понятия скорости распространения излучения вблизи резонансных линий поглощения и изучению свойств предложенной биоднородной модели атмосферы.
Обрзтиая задача рефракции в геометрии была поставлена доктором физико-математических наук Гайковичем К.П. Азтору принадлежит разработка алгоритма численного решения задачи, результаты численного моделирования и анализ полученных данных.
Автор считает своим приятным долгом псбяагодариті. своих научных руководителе!» доктора физико-математических наук, профессора А.И.Саичезл и доктора физико-математическігх наук К.П.Гайковичз зз руководство н поддержку при выполнении этой работы. Хочу выразить признательность ecefj соавторам своих работ, особенно А.С.Медовикову. под руководством которого я начинала свою научную деятельность.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключена и списка цитируемой литера гуры.
В первой главе исследовано влияние атмосферы на характеристики распространяющегося в- ней электромагнитных волк.
В разделе 1.1 по.тучено аналитическое выражение для функции когерентности а турбулентной атмосфере с учетом регулярной рефракции. Рассмотрен частный случай распространения іауссовского пучка в неоднородной среде.
ІІ ра )дслс 1 2 показано, что при раенрострдагкш* импульсов с несущей частотой, находящейся вблизи резонансных линий поглощения молекул воздуха, групповая скорость эквивалентна скорости распространения сигнала в определении Л. Ьрнллюена. Приведены численные оценки смешения частоты излучения.
В разделе 1.3 экспериментально исследована сферически-слоиста» модель атмосферы для случая геодезических измерений на горизонтальных трассах вблизи поверхности Земли.
В ри леде 1.4 введена биоднородная модель показателя преломления воздуха, которая сличается простотой расчетов. Предложен новый способ определения масштабом высот однородной атмосферы, основанный на измерении поправки в дальності в зените и аддитивности вкладов сухой и влажной составляющих при вычислении показателя преломления атмосферы На основе расчетов но данным метеорологического зондирования атмосферы определены погрешности, получаемые при измерениях дальности и угла рефракции на основе биолиоролной модели тропосферы.
Во второй главе рассмотрена обращая задача рефракции в геометрии поіружения, т.е. для случая, когда источник или приемник излучения меняет свое положение в исследуемой атмосфере.
В разделе 2 1 показано, что задача восстановления высотой ывисимости индекса рефракции по измерениям угла рефракции при иіменснии поюжения источника или приемника в атмосфере сведена к решению интеїральною уравнения
Вольтерра 2-го рода. Задача рассмотрена для конкретного случал, когда угол места является постоянной величиной.
В разделе 2.2 приведен алгоритм численного решения обратной задачи рефракции для сферически-слоистой модели атмосферы Земли. Алгоритм построен в предположении, что внутри каждого сдоя индекс рефракции изменяется по гашенному закону.
В разделе 2.3 приведены результаты численного моделирования на примере экспоненциальной модели зависимости рефракции тропосферы от высоты. Рассмотрены примеры восстанозлення профиля индекса рефракции для различных значений погрешности измерения данных и углов места.
В разделе 2.4, путем численного моделирования на основе ансамбля азрозондовой статистики исследована зависимость точности решения от уровня погрешности измерения рефракіши и угла наблюдения. В качестве реальных значений индекса рефракции использованы значения, вычисленные по известным эмпирическим формулам, связывающим атмосферные радио- н мегеопараметры. Приведены примеры восстановления высотной зависимости индекса рефрзкции для конкретных случаев в летний » зимний периоды.
В разделе 2.5 приведены результаты численного моделирования решения обратной задачи восстановления высотных профилей температуры для стандартной модели атмосферы, а также для профилей температуры, соответствующих летнему и зимнему периоду ЕТ России.
В третьей главе развит метод решения обратной задачи рефракции в геометрии погружения в постановке, коїда измерения угла рефракции заданы не на всем высотном интервале, а только на ею части
В разделе 3 1 показано, что в такой -постановке обратная іаллча сводится к решению интегрального уравнения 1-го рода, которое имеет различную специфику внутри и вне интервала зондирования
В разделе ?! 2 иіложен мен) і решения обратной идами, основанный мл применении метода обобщенной невятки \ 11 Iичоновз с использованием априорной
>
информации о принадлежности точного решения к классу неотрицательных, квадратично суммируемых функций с квадратично суммируемым;; производными.
В ргзделе " 3^3 представлены результаты численного моделирования дня типичного экспоненциального модельного профиля зздеотком зависимости индекса рефракции.
В разделе ЗА приведены кекоторие точные Егшнгтичегкгг решения для области ' внутри шггераала наблюдения при постоянном угле приема.
В каждой главе дкссертацин принята своя нумерации; параграфов, формул и рисудаоз.
Оглавление
стр.
Введение 4
