Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор результатов исследований радиотепловых контрастов земных покровов в диапазоне ММ волн 12
1.1. Границы применимости приближения Релея-Джинса 13
1.2. Влияние атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов 14
1.3. Пассивное радиовидение в диапазоне ММ волн 18
Глава 2. Теоретический анализ влияния атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов 20
2.1. Взаимосвязь яркостной температуры и коэффициента излучения нагретых нечерных тел 20
2.2. Определение температуры подсвечивающего излучения атмосферы 24
2.3. Температура подсвечивающего излучения безоблачной атмосферы для покровов с различными формами индикатрис рассеяния 27
2.4. Анализ источников вариаций радиотепловых контрастов 31
2.5. Определение коэффициента устойчивости контрастов покровов по отношению к вариациям температуры нисходящего излучения атмосферы.ЗЗ
2.6. Модельное описание коэффициента устойчивости контрастов плоских поверхностей по отношению к вариациям температуры нисходящего излучения облачной атмосферы 38
2.7. Влияние излучения атмосферы на поляризационные характеристики покровов 41
Глава 3. Аппаратура, методы и результаты радиометрических измерений ...44
3.1. Радиометрические комплексы и методики исследования контрастов и характеристик излучения покровов 44
3.2. Экспериментальные радиояркостные характеристики летних земных покровов в окнах прозрачности атмосферы 2 и 8 мм 50
3.3. Основные характеристики излучения и рассеяния снежного покрова 59
3.4. Экспериментальные данные по устойчивости контрастов в условиях чистой и облачной атмосферы на длинах волн 2,15 мм, 3 и 8 мм 67
3 3.5. Влияние дождя на контрасты покровов 72
3.6. Разработка и реализация способа измерения температуры подсвечивающего излучения чистой атмосферы для сухого снежного покрова 77
Глава 4. Влияние атмосферы на поляризационные радиотепловые изображения покровов и объектов 81
4.1. Физическое обоснование метода поляризационного пассивного радиовидения 82
4.2 Система пассивного поляризационного радиовидения на длине волны 3 мм 84
4.3. Поляризационные радиотепловые изображения земных покровов 87
4.4. Влияние нисходящего излучения атмосферы на качество радиотепловых изображений в диапазоне ММ волн 91
4.5. Поляризационные радиотепловые изображения объектов и фона в различных метеоусловиях 96
4.6. Сравнительный анализ возможностей тепловидения в диапазонах ММ иИКволн 103
Глава 5. Возможности идентификации земных покровов 108
5.1. Разработка методов относительных радиометрических измерений 108
5.2. Особенности влияния атмосферы при относительных измерениях 112
5.3. Характеристики поляризационных параметров 114
5.4. Реализация методов относительных измерений 117
5.5. Анализ возможных ошибок относительных измерений 120
5.6. Диэлектрические характеристики покровов 124
5.7. Методика идентификации водных поверхностей и бетонных ВПП 130
5.8. Алгоритм идентификации водных поверхностей и бетонных ВПП в
условиях безоблачной атмосферы 136
Заключение 139
Литература
- Влияние атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов
- Температура подсвечивающего излучения безоблачной атмосферы для покровов с различными формами индикатрис рассеяния
- Экспериментальные радиояркостные характеристики летних земных покровов в окнах прозрачности атмосферы 2 и 8 мм
- Влияние нисходящего излучения атмосферы на качество радиотепловых изображений в диапазоне ММ волн
Введение к работе
Основой радиотеплолокации (или пассивной радиолокации) является прием крайне слабого теплового излучения окружающей среды. К настоящему времени сформировались следующие основные области применения средств радиотеплолокации: дистанционный мониторинг окружающей среды, навигация, обнаружение и идентификация объектов.
При пассивной радиолокации в натурных условиях радиометры наряду с собственным излучением объектов и покровов принимают отраженное ими излучение атмосферы. Вследствие изменчивости метеопараметров атмосферы интенсивность ее нисходящего излучения со временем изменяется, что, в свою очередь, приводит к вариациям радиояркостных характеристик покровов. В диапазоне миллиметровых (ММ) волн вследствие молекулярного поглощения в атмосферных газах интенсивность нисходящего излучения атмосферы даже в «окнах прозрачности» может быть соизмерима с интенсивностью собственного излучения покровов. Это обстоятельство предопределяет существенную роль излучения атмосферы и необходимость всестороннего исследования основных закономерностей его влияния на формирование радиотепловых изображений и контрастов земных покровов.
Актуальность работы.
Широкие перспективы для решения задач навигации, обнаружения объектов и их идентификации открываются в связи с бурным прогрессом в технологии создания приемных устройств диапазона ММ волн, наблюдающемся в последние 15 – 20 лет. Новые технологии позволили изготавливать компактные двумерные приемные матрицы, содержащие более тысячи приемных каналов, и на их основе создавать действующие в реальном времени средства пассивного радиовидения, подобные традиционным системам тепловидения диапазона инфракрасных (ИК) волн. Известно, что в отличие от волн видимого и ИК диапазонов ММ волны существенно меньше затухают в облаках, туманах, дымах и пыли, что предопределяет перспективность практического применения ММ средств пассивного радиовидения
В целях развития метода пассивного радиовидения актуальными являются исследования, связанные с расширением его возможностей за счет использования поляризационного приема, и разработка методов идентификации земных покровов в диапазоне ММ волн. Пространство идентификационных признаков могут составлять поляризационные коэффициенты излучения или их комбинации. Общепринятая процедура определения коэффициента излучения покровов в натурных условиях основана на абсолютных измерениях их термодинамической температуры, суммарной (кажущейся) температуры излучения и ее атмосферной составляющей. Разработка новых методов относительных измерений характеристик собственного излучения земных покровов в натурных условиях исключает необходимость проведения абсолютных измерений.
Особое значение для решения задач пассивной радиолокации имеют прогнозирование радиотепловых контрастов объектов и земных покровов, необходимое для выбора оптимальных условий наблюдения и для разработки требований к приемной аппаратуре. В свете этого практический интерес представляет обобщенный анализ энергетики и устойчивости радиотепловых контрастов земных покровов к вариациям интенсивности нисходящего излучения атмосферы. Участки земной поверхности могут отличаться индикатрисами рассеяния вследствие неровностей их поверхности и (или) объемных неоднородностей. Поскольку вклад нисходящего излучения атмосферы в интенсивность принимаемого излучения покровов зависит от их индикатрис рассеяния, то возникает необходимость исследования зависимости контрастов от формы этих индикатрис рассеяния.
Целью диссертационной работы являются:
теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей влияния нисходящего излучения атмосферы на формирование радиотепловых изображений и яркостных контрастов земных покровов в «окнах прозрачности» атмосферы в диапазоне ММ волн;
разработка методов измерения характеристик собственного излучения покровов, включая снег, в натурных условиях;
исследование возможностей идентификации покровов средствами пассивной радиолокации;
исследование поляризационных характеристик яркостных структур объектов и фона в диапазоне ММ волн;
изучение отличительных особенностей яркостных структур объектов и фона в диапазонах ММ и ИК волн.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
исследованы ошибки приближения Релея-Джинса на основе полученного в работе точного аналитического соотношения, связывающего яркостную температуру и коэффициент излучения нагретых нечерных тел.
выполнено теоретическое обоснование корректного учета влияния нисходящего излучения атмосферы на радиотепловые контрасты покровов с произвольными индикатрисами рассеяния;
разработано теоретическое описание устойчивости радиотепловых контрастов земных покровов с произвольными индикатрисами рассеяния к вариациям интенсивности нисходящего излучения атмосферы;
созданы радиометрические измерительные стенды для исследования характеристик теплового излучения окружающей среды в натурных условиях на длинах волн 2,15 мм, 3,2 и 8 мм;
экспериментально исследованы в различных метеоусловиях вариации радиотепловых контрастов травяного и снежного покровов, почво-грунтов, бетонной, водной и металлической поверхностей на длинах волн 2,15мм, 3,2 и 8 мм;
получены теоретические и экспериментальные количественные оценки устойчивости радиотепловых контрастов относительно вариаций интенсивности нисходящего излучения атмосферы в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн;
исследованы закономерности формирования радиотепловых изображений объектов и земных покровов в различных метеоусловиях на ортогональных линейных и разностной поляризациях при длине волны 3 мм;
разработаны и реализованы новые способы относительных измерений характеристик собственного излучения покровов в натурных условиях;
исследованы возможности идентификации земных покровов в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн;
теоретически и экспериментально изучены особенности ММ и ИК тепловидения, обусловленные спектральными свойствами механизма теплового излучения нагретых тел.
Исследования, выполненные в рамках данной работы, соответствуют специальности 01.04.03 - «радиофизика», раздел 7 «Разработка теоретических и технических основ новых методов и систем связи, навигационных, активных и пассивных локационных систем, основанных на использовании излучения и приема волновых полей различной физической природы и освоении новых частотных диапазонов».
Научная новизна диссертации состоит в следующем:
развит новый подход к описанию влияния атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов;
получены новые экспериментальные данные по устойчивости контрастов в условиях чистой и облачной атмосферы и при выпадении жидких осадков в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн;
получены новые экспериментальные данные по характеристикам собственного излучения сухого снежного покрова в диапазоне ММ волн;
предложен и апробирован на частоте 90 ГГц (длина волны 3 мм) метод поляризационного пассивного радиовидения;
выявлены отличительные особенности яркостной структуры тепловых изображений объектов и покровов в диапазонах ММ и ИК волн;
разработаны и реализованы оригинальные способы относительных измерений коэффициента излучения и поляризационных параметров собственного излучения покровов, не требующие количественной информации о яркости подсвечивающего излучения атмосферы;
впервые выявлены возможности идентификации водных и бетонных поверхностей на длинах волн 3 и 8 мм в летних и зимних условиях с использованием средств радиотеплолокации;
впервые определены точные ошибки яркостной температуры нагретых нечерных тел в диапазоне ММ волн, рассчитанной в приближении Релея-Джинса.
Достоверность полученных результатов обоснована использованием адекватных радиофизических моделей отражения и излучения рассмотренных сред, апробированных методов экспериментального исследования, сопоставлением расчетных и экспериментальных данных.
Научные результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Разработанное теоретическое описание устойчивости контрастов позволяет получать обобщенные количественные оценки влияния нисходящего излучения атмосферы на качество радиотепловых изображений и контрасты земных покровов в «окнах прозрачности» диапазона миллиметровых волн.
-
Предложенный метод поляризационного пассивного радиовидения значительно расширяет возможности идентификации объектов и различения покровов по их радиотепловым изображениям в «окнах прозрачности» диапазона миллиметровых волн. Метод основан на формировании и анализе радиотепловых изображений на линейных ортогональных и на разностной поляризациях.
-
Разработанная методика идентификации открытых водных поверхностей и бетонных взлетно-посадочных полос, основанная на поляризационном приеме и анализе откликов радиометрических устройств на интенсивности теплового излучения земной поверхности и атмосферы в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн.
Научная и практическая ценность полученных результатов состоит в том, что в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн они
позволяют прогнозировать качество радиотепловых изображений земных покровов и оценивать возможности пассивного обнаружения объектов;
расширяют методическую базу исследований характеристик собственного излучения покровов в натурных условиях;
применены при разработке алгоритма восстановления высоты сухого снежного покрова методом пассивного дистанционного зондирования в рамках Международного целевого комплексного проекта «Природа»;
показывают перспективность разработки новых систем воздушной и морской навигации, основанных на средствах пассивного поляризационного радиовидения.
Личный вклад автора. Все теоретические исследования и разработки, представленные в диссертации, выполнены автором самостоятельно. Исключение составляют расчет температуры подсвечивающего излучения атмосферы для статистически неровных поверхностей с гауссовым распределением тангенса угла наклонов неровностей, которые выполнены совместно с к.т.н. А.Г. Павельевым и к.т.н. А.Ю. Зражевским.
Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, обсуждались и докладывались на научных семинарах Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, советско-финском семинаре (1988 г., г. Москва), 17-ти отечественных и 4-х международных научно-технических конференциях. Кроме того, была прочитана лекция на 4-ой Всесоюзной школе по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере (Н. Новгород, 1991).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 44 работы, в числе которых 3 коллективные монографии, 5 статей в журналах, рекомендованных для публикации ВАК РФ, 1 статья в сборнике научных трудов издательства «Наука», 1 препринт, 29 трудов и тезисов докладов отечественных и международных конференций, 5 авторских свидетельств. Список основных работ, опубликованных по теме диссертации, приведен ниже.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 157 страниц текста, включая 64 рисунка, 5 таблиц и список из 153 цитируемых литературных источников.
Влияние атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов
Позднее появились результаты аналогичных расчетов в отечественной литературе [22, 23]. Поскольку в перечисленных работах не указаны математические выражения использованных при этом индикатрис рассеяния, автор счел необходимым выполнить подобные расчеты в более строгом и завершенном виде [50, 57].
Исследованию вариаций радиотепловых контрастов земных покровов в диапазоне ММ волн посвящено достаточно много работ [15, 19, 21 - 24, 106 — 118]. Источниками возникновения вариаций контрастов является множество факторов, систематизация которых приводится в настоящей диссертации. В большинстве из указанных работ рассматриваются либо пространственно-временные вариации контрастов [106, 107], либо вариации радиояркостной температуры отдельных видов покровов [109, 111 - 117], обусловленные изменениями термодинамических температур, влажности, неровностей и т.п.
Целенаправленное исследование влияния атмосферы прослеживается только в работах Л. И. Федосеева и А. А. Швецова [22, 108, 109, 111, 112, 117, 118]. В [22] они утверждают, что в случае изотропно рассеивающего объекта, рассматриваемого на фоне ортотропной матовой поверхности, яркостная температура и контраст объекта являются функциями величины (Т0-Тн), где Т0 -термодинамическая температура приземного слоя воздуха, Тн - средняя яркостная температура небосвода. Если подстилающая поверхность достаточно «черная», то контраст пропорционален величине (Т0-Тп), которую они назвали контрасто-образующей разностью температур. В приближении плоскослоистой изотермичной атмосферы средняя яркостная температура небосвода Тн, яркостная температура поверхности Тпое и контраст объекта АГЯ выражаются через полное вертикальное поглощение атмосферы /"следующими формулами: Г„=Г0[1- (Г)], 7 =7 1-/ 00], Т -Е Г), где Rnoe и Ro6 - альбедо поверхности и объекта соответственно, Е2 и Е3 -интегральные показательные функции [119]. При этом яркость неба Гн(30) под углом места 30 отличается от Тн не более, чем на 20%. Поэтому, по мнению авторов, при ясном небе или равномерной облачности систематизация яркости и контрастов объектов и участков местности с достаточной для практики точностью может быть выполнена с использованием величины (Т0-Т„) в качестве контрасто-образующей разности температур.
Отмечается, что величина, близкая к разности (Т0-Тн), может быть непосредственно измерена и сопоставлена с контрастами как в случае ясного неба, так и при мощной разрывной облачности. Наибольшее внимание авторы уделили изучению влияния атмосферы на температуру излучения снежного покрова [109, 111, 117], индикатриса рассеяния которого априори полагалась ламбертовой.
В своих работах [108, 109, 111, 112, 117] Федосеев Л.И. и Швецов А.А. последовательно развивали описанный выше подход к описанию радиотепловых контрастов. Особого внимания заслуживает их работа [118], в которой ими предложен оригинальный метод одновременного измерения термодинамической температуры и альбедо (интегрального коэффициента отражения) покровов. Метод основан на синхронных абсолютных измерениях яркостной температуры исследуемого покрова и атмосферы на двух близких частотах/} и/}, для которых яркостная температура атмосферы имеет сильно отличающиеся значения, а альбедо покрова остается практически неизменным. Эти условия, как полагают авторы, выполняются при зондировании на склоне лини поглощения кислорода с резонансной частотой 118,75 ГГц. Метод весьма эффективен, но отметим, что для его реализации необходима внешняя абсолютная калибровка с использованием двух эталонных черных тел с отличающимися термодинамическими температурами [120].
Таким образом, описание радиотепловых контрастов, предложенное Л.И.Федосеевым и А.А.Швецовым, применимо к контрастам между изотропно-рассеивающими объектами и диффузно рассеивающей земной поверхностью в условиях плоскослоистой атмосферы (как правило, это чистая атмосфера). Малоисследованной оказалась проблема влияния атмосферы (чистой, облачной, с осадками) на радиотепловые контрасты земных покровов с произвольными индикатрисами рассеяния. Решение именно этой проблемы является одной из основных целей данной диссертации. Основные результаты опубликованы в [50, 51, 52, 57, 62, 63, 65, 71,80,81,82,88-92].
Системы тепловидения предназначены для наблюдения и распознавания оператором или автоматизированной системой объектов и окружающего пространства. Принцип пассивного формирования радиоизображения заключается в приеме теплового излучения от различных участков объектов, наблюдаемых на каких-либо фонах, обработке полученной информации и построении изображения на экране монитора.
Несмотря на то, что первые радиотепловые изображения на ММ волнах получены более 40 лет назад [17], и к настоящему времени опубликовано множество работ по пассивному радиовидению [30 - 40, 121 - 123], влияние излучения атмосферы и особенности формирования поляризационных радиоизображений, практически, не исследовались. Исключением является работа [123], в которой получены поляриметрические радиоизображения автомобиля, соответствующие четырем параметрам Стокса. Показано, что третий параметр Стокса позволяет выявлять диэлектрические части автомобиля (лобовое стекло), а четвертый параметр — кромки кузова. Эта работа опубликована в 2005г., т.е. почти одновременно с работами соискателя [55, 56, 77, 78].
Таким образом, существует задача исследования влияния атмосферы и вида поляризации на радиотепловые изображения объектов и местности, результаты решения которой представлены автором в главе 4 и опубликованы в [55, 56, 77, 78, 84, 85, 87].
Значительный прогресс в развитии новых технологий достигнут в последние 15-20 лет. Это относится, в первую очередь, к разработке низкошумящих усилителей высокой частоты на основе технологий НЕМТ. В результате стало возможным заменить ставшие традиционными супергетеродинные радиометры радиометрами прямого усиления. С одной стороны, это увеличило чувствительность радиометров за счет применения усилителей высокой частоты, расширения полосы частот принимаемого излучения (до 5-10 ГГц) и исключения потерь преобразования на смесителе. С другой стороны, из-за отсутствия гетеродинных каналов и за счет интегрального исполнения приемники прямого усиления более компактны, что имеет существенное значение при создании двумерных матричных систем. Развитие двумерных матричных систем формирования радиоизображений считается наиболее перспективным направлением, поскольку они позволяют получать радиоизображения практически в реальном времени, как это осуществляется в видимом и ИК-диапазонах. В связи с этим практический интерес представляет сравнение возможностей систем ММ и ИК тепловидения, обусловленных спектральными особенностями теплового излучения нечерных тел. Указанное сравнение выполнено автором экспериментально (совместно с коллегами) и теоретически на основе выведенной формулы, связывающей в общем виде
Температура подсвечивающего излучения безоблачной атмосферы для покровов с различными формами индикатрис рассеяния
Рассмотрим изменение контраста АТК между произвольно выбранным к--ым земным покровом и черным телом (ЧТ) в условиях вариаций радиояркости атмосферы. Будем считать, что коэффициент излучения покрова во времени не изменяется, а термодинамические температуры ЧТ и покрова равны термодинамической температуре Т0 приземного слоя атмосферы. Тогда согласно (2.38): АТК = Г„ - Тк = (1 - яеДГ, - Г„). (2.40) -34-Отсюда следует, что вариации ЛТК оказываются зависящими только от разности (Г0 - Т ак). В общем случае эта разность является случайным процессом. Введем в рассмотрение статистически максимальное (Т0 —T k)mm и статистически минимальное (Т0 - T ak )mm значения, определяемые в соответствии с заданной вероятностью того, что текущие значения разности (Т0-Т;к) находятся внутри интервала [(Г0-Га;)т,\(Г0-Го;Гк]. Тогда отношение а =3h. = Л± LBLL ПАП Л Ттах (Т 71 Лтах V" ""1/ alk Vі О 1ак) будет характеризовать максимальное изменение контраста покрова относительно ЧТ, соответствующее заданной вероятности. В дальнейшем величину qK будем называть собственным коэффициентом устойчивости к-ого покрова по отношению к вариациям радиояркости атмосферы. Для того, чтобы покровы имели равные коэффициенты устойчивости, необходимо, как следует из (2.41), чтобы они имели равные температуры подсвечивающего излучения атмосферы. Достаточным условием является идентичность форм их индикатрис рассеяния, поскольку в соответствии с определением (2.25) это однозначно приводит к равенству температур подсвечивающего излучения атмосферы. Так, например, все зеркально отражающие покровы будут иметь одно и то же значение коэффициента устойчивости q№ который в случае безоблачной атмосферы согласно (2.28) и (2.35), как функция угла, может быть представлен в виде: ?„(S) = (ТГI С") ехр[-(Гтах - Гтіп) sec &]. (2.42)
Отсюда, в частности, следует, что при увеличении угла приема устойчивость контрастов плоских поверхностей уменьшается.
Аналогичным образом введем понятие коэффициента устойчивости 0Kj контраста между к-ым и j-ыи покровами, находящимися в термодинамическом равновесии с приземным слоем атмосферы, и определим его в виде: -35 д IT» min S = T =T- (2-43) Подставляя в (2.43) выражения (2.38), (2.39) и (2.41), получим _М,[(1- ,)-(!-«,) /,] где Mt=o;-_cr При qK = qj = q коэффициент Мщ = 1 и из (2.44) следует, что QkJ = q, т.е. коэффициент устойчивости контрастов между покровами с одинаковыми Т равен собственному коэффициенту устойчивости этих покровов. Другими словами, величина q характеризует изменение не только контраста какого-то конкретного покрова относительно ЧТ, но и всех контрастов между покровами с такими же, как у него, значениями Т . Например, в частном случае зеркально отражающих поверхностей, это означает, что согласно (2.42) изменяются контрасты между любыми плоскостями с произвольными значениями их коэффициентов излучения.
Выше было показано, что при угле приема & 55 большая группа покровов имеет равные или почти равные значения температуры подсвечивающего излучения безоблачной атмосферы. Следовательно, при указанном значении угла наблюдения коэффициенты устойчивости этих покровов и их контрастов равны между собой, т.е. в пределах заданной вероятности контрасты этих покровов изменяются одинаковым образом.
Существует еще одна закономерность, которой подчиняются контрасты покровов с равными значениями Т . Для выявления ее рассмотрим контрасты покровов (1, 2, ,.., к, j,...), обладающих равными значениями термодинамической температуры Тп и температуры атмосферы Т . Используя (2.38) и (2.39), для отношения контрастов (ATkJ /АТ12) получим выражение: АТУ = &к-к, -36-(2.45) Отсюда следует, что отношение контрастов не зависит от величины Т и определяется только коэффициентами излучения покровов. Следовательно, если покровы 1 и 2 использовать в качестве реперных, то путем нормировки контрастов всех других покровов на контраст реперных покровов можно полностью исключить влияние вариаций радиояркости атмосферы.
Однако этот вывод справедлив только в случае не шумящего радиометра. Чтобы учесть шумы радиометра, используем известное выражение для выходного выражения {/радиометра [4]: U = aT+b + n, (2.46) где а, Ъ - некоторые постоянные коэффициенты, п - среднеквадратическое напряжение шумов, Г—температура излучения покрова.
Экспериментальные радиояркостные характеристики летних земных покровов в окнах прозрачности атмосферы 2 и 8 мм
Из определения коэффициентов устойчивости покровов и их контрастов (см. раздел 2.5) следует, что для оценки этих величин достаточно выполнить статистические измерения разности интенсивностеи излучения атмосферы и черного тела, при этом диаграмма направленности антенны, принимающей излучение атмосферы, должна быть по форме идентична индикатрисам рассеяния покровов, а термодинамическая температура черного тела должна быть равна термодинамической температуре покровов.
Наиболее просто осуществляются измерения текущего коэффициента устойчивости (2.53) для плоских поверхностей, поскольку для этого достаточно использовать обыкновенные узконаправленные антенны.
Яркостная температура чистой атмосферы в окнах прозрачности 2 мм, 3 мм и 8 мм варьируется, главным образом, вследствие изменения вертикального профиля термодинамической температуры и полного интегрального влагосодержания [10, 14]. Для оценки коэффициента устойчивости плоских поверхностей по отношению к вариациям радиояркости чистой атмосферы воспользуемся экспериментальными данными, полученными при длинах волн 2,15 и 8 мм и представленными на рис.3.4. В соответствии с (2.44) для нахождения коэффициента устойчивости необходимо задаться вероятностью того, что разность (Г0-Г ) варьируется в интервале [(Т0-Т аУш",(Т0-Т аУшкс], либо, не определяя эту вероятность (все зависит от вида решаемой задачи), достаточно задать собственно интервал вариаций разности (Т0-Т а). Если воспользоваться последним вариантом оценки коэффициента устойчивости, то из экспериментальных данных получим следующие значения (3=15 ): I = 2,15 мм: (Т0-Т аУ акс = 235К, (Г„-ТУ"" = 145К, q = 0,62; X = 8 мм: (Т0 -ГаУкс = 255К, (Т0-Т аУш" = 265К, q = 0,96, -68-т.е. контрасты плоских поверхностей в условиях чистой атмосферы примерно в 1,5 раза более устойчивы при А, = 8 мм, чем при А, = 2,15.
Экспериментальное исследование устойчивости контрастов плоских поверхностей по отношению к облачной атмосфере осуществлялось синхронно на трех длинах волн (2,15; 3,3 и 8 мм) при зенитных углах 0; 10; 20; 35; 50 и 60. Измерения выполнены с помощью жаллюзного отражателя (см. раздел 3.1). Устойчивость контрастов оценивалась в условиях разрывной кучевой, кучево-дождевой и сплошной облачности, включавшей случай многоярусных облаков.
Из модельного описания, развитого в разделе 2.5, следует, что коэффициент устойчивости плоских поверхностей по отношению к вариациям яркостной атмосферы не зависит от величины молекулярного поглощения, а определяется только длиной волны, термодинамической температурой и водозапасом облаков. Очевидно, что реальные облака не являются изотермичными, поэтому под их термодинамической температурой следует понимать некоторое эффективное значение температуры, которое, в общем случае, определяется такими параметрами, как высота и толщина облаков, вертикальные профили их водности и температуры, а также длиной волны излучения. На рис.3.10 показаны экспериментальные значения при
Текущий коэффициент устойчивости (длина волны 2.15мм) Рис.3.10. Экспериментальные синхронные текущие значения коэффициента устойчивости контрастов плоских поверхностей при разрывной кучево-дождевой облачности. Расчет: 1-Т„ = 290 К, Т2 = 273 К; 2-Т„ = 293 К, Т2 = 283 К -69-текущих коэффициентов устойчивости, измеренных на длинах волн 2,15 и 8 мм для разрывной кучево-дождевой облачности при значениях температуры приземного слоя атмосферы 293 К и 290 К. На этом же рисунке показаны графики, рассчитанные по формуле (2.55), которые удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными при значениях температуры облаков соответственно 283К и 273К. Уменьшение коэффициентов устойчивости при каждом значении температуры обусловлено возрастанием водозапаса облаков, а их минимальные значения - конечной разностью термодинамических температур приземного слоя атмосферы и облаков. Из графиков следует, что устойчивость контрастов плоских поверхностей при А, = 8 мм может быть в 3 - 4 раза выше, чем при А, = 2,15 мм.
Далее рассмотрим результаты измерений при сплошной многоярусной облачности, включавшей в себя следующие виды облаков: высокослоистые (As), кучевые разорванные (Си fr), слоисто-дождевые (NS) и разорвано-дождевые (Fr nb). Общая длительность обработанной реализации при каждом значении угла приема составляла « 3 ч (184 отсчета с интервалом w 60 сек.). Разность (Т0—Та) измерена до появления облачности, поэтому возможна дополнительная погрешность измерения q/, связанная с изменением полного молекулярного поглощения в атмосфере из-за выпавших осадков.
На рис.3.11 показаны экспериментальные и расчетные графики зависимостей q (Xj) =f[q (Л ] для следующих пар волн: а) Х\ = 8 мм, Х2 = 3,3 мм; б) Х-1 = 8 мм, %2 = 2,15 мм; в) \\ = 3,3 мм, Х2 = 2,15 мм. Экспериментальные данные представлены на этих рисунках штриховыми линиями, между которыми сосредоточены 9 4.. .97% всех значений q\ измеренных одновременно при 6-ти значениях угла приема (0, 10,20, 35, 50 и 60). Возможные ошибки измерений (без учета вариаций разности (Т0 -Т )) показаны на рисунках в виде заштрихованных прямоугольников. Расчетные графики соответствуют изотермичной облачности с термодинамическими
Из представленных данных следует, что область экспериментальных значений существенно превосходит диапазон ошибок измерений. Это означает, что наблюдаемый разброс экспериментальных значений обусловлен излучением облаков с различными термодинамическими температурами. Из сопоставления экспериментальных и расчетных зависимостей можно предположить, что термодинамическая температура облаков составляла примерно 273...288 К.
На рис.3.12 показаны экспериментальные графики плотности вероятностей для величины с/, полученные для волны 2,15 мм при S = 0; 35, 50 и 60. Из сравнения графиков следует, что с увеличением угла & максимум плотности вероятности смещается в сторону меньших значений q, что и следовало ожидать, поскольку сплошная облачность в среднем может быть описана в рамках плоскослоистой модели [14, 131].
Влияние нисходящего излучения атмосферы на качество радиотепловых изображений в диапазоне ММ волн
Рассмотрим диэлектрические характеристики покровов, которые являются первичными факторами, определяющими их излучение и, соответственно, их идентификационные признаки. Во внимание примем только основные виды земных покровов, что значительно упростит рассмотрение проблемы. Основными будем считать следующие: растительные покровы (лес, кустарники, трава, сельскохозяйственные посевы и т.п.), почво-грунты (открытые песчаные, глинистые, пашни и т.п.), водные поверхности (открытые водоемы, реки, море), льды и снежный покров, а также асфальтовые и бетонные полотна дорог и взлетно-посадочных полос.
Растительность. Растительные покровы относятся к классу многокомпонентных сред, поскольку представляют собой смесь воздуха и различных растительных элементов. В свою очередь, растительные элементы являются смесью воздуха, клетчатки и воды. Биометрические исследования показали, что объемное содержание растительных элементов в покрове составляет всего лишь несколько процентов [9]. Результаты выполненных
-125-исследований в диапазоне ММ волн позволяют заключить, что излучательные свойства растительных покровов, по крайней мере, в угловом диапазоне 15...60 практически не отличаются от свойств черного тела и, в силу этого, могут использоваться при зондировании земной поверхности в качестве «черных» эталонов. Основными признаками идентификации этих эталонов являются два следующих: нулевая разность выходных сигналов поляризационных каналов и максимальный (или близкий к нему) уровень выходных сигналов при зондировании поверхности. В качестве дополнительного признака может быть задан пороговый пространственный размер эталонного участка, чтобы исключить случайные ошибки и помехи. Такая идентификация, что очевидно, может осуществляться автоматически, т.е. компьютером.
Снежный покров. К настоящему времени излучательные свойства однородного снежного покрова в диапазоне ММ волн изучены в достаточном объеме, чтобы можно было достоверно прогнозировать его характеристики в зависимости от параметров структуры (удельного веса, характерного размера кристаллов), высоты покрова и объемной влажности [10, 11, 26, 50, 54]. Действительная часть є\п комплексной диэлектрической проницаемости сухого снега определяется только его объемной плотностью pv и рассчитывается по следующему эмпирическому соотношению [50]: s , = (l+0,83pv)2 (5.21) Как правило, объемная плотность снегару 0,6 [133], поэтому в соответствии с (5.21) 4 — 2 25- В настоящем рассмотрении значимость величины s sn обусловлена тем, что в случае плоской поверхности покрова она определяет поляризационные характеристики снега (см. раздел 3.3).
При таянии снега, как показали оценки с использованием формул для многокомпонентных смесей [10, 130], существенно увеличивается мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости снега, в результате чего эффекты поглощения доминируют над эффектами рассеяния, так что уже при -126-объемной влажности mv и0,03 коэффициент Rsu=0 (см. (ЗЛО)). Поскольку при этом действительная часть s sn остается практически неизменной, то поляризационная индикатриса тающего покрова при плоской поверхности описывается тем же соотношением (3.10), что и сухой снег, только при Rsu=0.
Почво-грунты. В общем случае, диэлектрические характеристики почв определяются множеством геофизических параметров: плотностью, составом, влажностью, соленостью и температурой. Основные исследования радиофизических свойств почв выполнены в диапазоне сантиметровых и более длинных волн [10, 13, 144 - 149]. В диапазоне ММ волн известны результаты лишь отдельных измерений [10, 15, 19, 150, 151].
Диэлектрическая проницаемость є5 почв как смеси твердых частиц, воздуха и воды, в общем случае, определяется объемной плотностью и формой ее твердых частиц, объемной плотностью связанной и свободной воды, и в случае влажной почвы зависит от длины волны излучения и термодинамической температуры [10, 13].
Объемная ПЛОТНОСТЬ pv ПОЧВЫ Определяется Отношением pv = Psn/pos, где Psm - удельный вес почвы как смеси, pos - удельный вес частиц почвы. Для расчета диэлектрической проницаемости сухой почвы используют, как правило, рефракционную формулу [13]: = [1 + яЛ -1)]2, где sos - диэлектрическая проницаемость твердых частиц. В [10] на основе экспериментальных данных в диапазоне длин волн X 1,6см определены следующие параметры твердых частиц: sos=4,7, pos=2,65 г/см "3. В соответствии с приведенными данными при пористости сухих почв не выше 40% их диэлектрическая проницаемость s s 2,9.
Для оценочных расчетов комплексной диэлектрической проницаемости влажных почв воспользуемся следующей полуэмпирической формулой [10], разработанной для диапазона частот ниже 18 ГГц и учитывающей общее содержание влаги mv (связанной и свободной):
