Введение к работе
Актуальность темы. Дистанционное исследование поверхности и подповерхностных областей Океана средствами радиолокации является важной практической задачей; его результаты могут быть использованы в целях экологического мониторинга, контроля за движением судов, косяков рыб, крупных морских животных и т.п. Для успешного решения этой задачи необходимо достоверное количественное описание как процессов дифракции на морской поверхности, так и самой поверхности.
Первые примеры решения задач дифракции волн на неровной поверхности известны еще из работ лорда Релея. В середине XX века методы исследования таких задач развивались в работах Ф.Г.Басса, Л.М.Бреховских, В.И.Зельдиса, М.А.Исаковича. А.М.Калмыкова, В.Ф.Курьянова, П.Е.Островского, А.Д.Розенберга, Е.Л.Фейнберга, И.М.Фукса,Х.Бекманна, А.Спичичино, Дж.А.Стрэттона, А.К.Фанга, а также в работах других отечественных и зарубежных авторов. В этих работах задача дифракции обычно рассматривалась либо в длинноволновой (метод малых возвышений), либо в коротковолновой (приближение Кирхгофа) асимптотике. За последние 10-15 лет развитие новых методов продолжалось в работах А.Г.Вороновича, А.Б.Исерс, А.Г.Михеева, А.А.Пузенко, Т.Л.Ткаченко. И.М.Фукса, А.С.Шамаева, Д.ВаЙнбреннера, А.Гиссара, А.Ишимару. П.Собиески, А.К.Фанга, К.С.Чена и др. Новые методы имели более широкие области применимости, и с их помощью стало возможным получать более достоверные теоретические предсказания о рассеянии волн на морской поверхности. Так, в семействе методов малых наклонов, предложенном А.Г.Вороновичем1, используется приближение малости угла между горизонталью и касательной к отражающей поверхности, что для поверхности моря можно считать всегда выполненным.
Наряду с развитием теории, появилась и стала быстро развиваться техника аэрокосмического радиолокационного наблюдения за морской поверхностью. Описание приборов и методик наблюдения можно найти в работах В.И.Зельдиса, А.А.Загородникова, Л.М.Митника, М.Назирова, С.В.Переслегина, Ю.Г.Трохимовского, С.И.Шамаева, В.С.Эткина, Дж.Ф.Весецки, В.Л.Джонса, А.К.Фанга и др. Современное состояние техники и методов исследований позволяют дистанционно обнаруживать пятна загрязнений, определять скорость и направление ветра, степень развитости морского волнения и его тип, а также другие параметры среды вблизи раздела вода-воздух. Также экспериментально подтверждена
Воронович А.Г. Приближение малых наклонов в теории рассеяния волн на неровных поверхностях. ЖЭТФ. 1985. Т.89, jVM(7). C.1I6-I25.
принципиальная возможность дистанционного наблюдения процессов, происходящих на значительной глубине, однако физические механизмы, обеспечивающие такую возможность, до конца не исследованы.
Изучению поверхностного волнения посвящены работы многочисленных авторов: М.М.Заславского, С.А.Китайгородского, Ю.Г.Кравцова, А.С.Монина, А.М.Обухова, В.В.Шулейкина, В.С.Эткина, М.С.Лонге-Хиггинса, Дж.В.Майлса, Г.Нойманна, В.Дж.Пирсона, Р.В.Стюарта, О.М.Филлипса и др. На влияние процессов, протекающих в толще воды (таких, как внутренние волны), на параметры поверхностного волнения указано в работах В.В.Баханова, В.И.Таланова, Р.В.Гранта, Б.А.Хьюджеса и др. В последнее время, в том числе и в связи с задачами дифракции на морской поверхности, проявляется интерес к описанию формы морской поверхности с помощью статистик высокого порядка; после первых работ К.Хассельмана, В.Манка, и Г.Мак-Дональда этот подход применяли С.В.Бадулин, В.И.Шрира, А.Гиссар, Н.Имасато, Х.Куниши, И.-И. Куо, А.Масуда, П.Собиески, А.К.Фанг, К.С.Чен, С.Элгар и другие. Особый интерес в связи с этим представляют теоретические и экспериментальные исследования роли нелинейных эффектов в поверхностном волнении; результаты можно найти, например, в работах Л.А.Славутского, Г.Н.Христофорова, Д.В.Чаликова, Дж.В.Майлса, О.М.Филлипса.
Цель работы. Создание алгоритмов и программ для моделирования и обработки радиолокационных изображений морской поверхности с целью отработки методик выявления областей с измененной энергией ряби и с возможностью дальнейшего распознавания подводных явлений.
Методика исследования. Основным средством исследования в данной работе являлся компьютерный эксперимент. Также применялись общие методы математического анализа и математической физики, а также эвристические методы.
Научная новизна и практическая ценность. Концепция дистанционного выявления и распознавания подводных явлений с помощью обработки радиолокационных изображений морской поверхности является новой. Она может дать эффективные средства контроля за состоянием поверхности и подповерхностного слоя Океана сразу на большой площади. Данная тема включена в первую фазу работ по созданию международной космической станции «Альфа» в раздел «Природные ресурсы Земли и экологический мониторинг». Задача по выявлению крупномасштабных вариаций энергии ряби, которая, в рамках этой концепции, изучается в данной диссертации, также является новой. Программы и программные комплексы, предназначенные для решения за-
дач дифракции и снабженные описанием и сервисной частью, могут быть использованы в других исследованиях по дифракции на неровной поверхности и обладают самостоятельной ценностью.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях ALT'9'2 (г. Калининград Московской области) в 1992 году, II международная школа по дифракции (г. Истра Московской области) в 1993 году, ECCOMAS'96 (г. Париж, Франция) в 1996 году, семинаре «Теория управления и динамика систем» Института проблем механики РАН в 1996 и 1997 году, II международном симпозиуме «Научно-технические проблемы реализации и использования пилотируемых космических комплексов» (г. Королев Московской области) в 1996 году, и семинаре Физического сектора Института океанологии РАН в 1998 году.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, всего на 111 страницах, и списка литературы из 84 наименований.
