Диагностика состава и параметров атмосферы по ее радиотепловому излучению или характеристикам проходящего излучения космических источников

• Автор: Черняева, Мария Борисовна
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 95 с. : ил.

Содержание

Введение.

Глава 1. Обратная задача астрономической рефракции.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Описание эксперимента.

1.3. Сравнение измеренных значений рефракции с результатами расчетов по зондам.

1.4. Статистический анализ восстановленных профилей показателя преломления. 17 Глава 2. Использование сигналов навигационных ИСЗ для восстановления параметров атмосферы.
2.1. Методика восстановления профиля показателя преломления по характеристикам сигнала ИСЗ.

2.2. Методика нахождения параметров атмосферы по профилю индекса рефракции.

2.3. Статистические оценки точности определения атмосферных параметров.

2.4. Результаты восстановления по данным измерений параметров сигналов системы «Транзит».
Глава 3. Обратная задача лимбовой рефрактометрии.
3.1. Постановка задачи.
3.2. Результаты восстановления профилей индекса рефракции из решения обратной задачи рефракции для лимбовых измерений.
Глава 4. Задача лимбового СВЧ зондирования.
4.1. Постановка задачи.
4.2. Варианты постановки задачи лимбового СВЧ зондирования.
Глава 5. Взаимосвязь атмосферной рефракции в различных геометриях измерения.
5.1 Исходные соотношения.
5.2. Связь углов рефракции для различных постановок задачи.
Заключение.
Литература.

1. ВВЕДЕНИЕ
Методы дистанционного зондирования атмосферы (в частности,
рассматриваемые в диссертации рефрактометрические методы и методы СВЧ зондирования) находят все более широкое применение по мере развития космических исследований и их приложений к решению проблем физики атмосферы, метеорологии, связи и навигации [1-15]. Восстановление высотного профиля
показателя преломления по вкладу атмосферы в доплеровский сдвиг сигнала, излучаемого с космического аппарата, широко использовалось при
радиопросвечивании атмосфер планет Солнечной системы [16 -23] и Земли [24-33]. В ситуации лимбовых измерений рефракции электромагнитных волн, когда и источник, и приемник расположены вне исследуемой атмосферы [34-40] (т.е. измерений на просвет одного из параметров излучения в зависимости от высоты перигея луча над поверхностью планеты), задача решается путем обратного
преобразования Абеля наблюдаемой зависимости измеряемой величины от прицельного параметра. К аналогичному способу решения сводится задача и в случае внутриатмосферных лимбовых измерений рефракции для восстановления профиля показателя преломления ниже уровня наблюдателя [32-33,41-42].
В диссертации получено решение обратной задачи лимбовой рефрактометрии в предположении, что высотный интервал восстановления шире, чем интервал высот лучевых перигеев, для которых известна рефракция. Такая постановка приводит уже к некорректной обратной задаче. Наиболее интересный ее вариант - это когда рефракционная зависимость может быть измерена только до некоторого определенного уровня высоты, а высотный профиль индекса рефракции должен быть восстановлен не только в этом слое, но также в высотной области над этим слоем. Возможна постановка задачи для случаев, когда зависимость рефракции известна для двух или более высотных интервалов. Здесь также точное решение уравнения Абеля неприменимо, и мы имеем некорректную задачу для интегрального уравнения 1-го рода.
К аналогичным некорректным постановкам приводит и задача лимбового СВЧ зондирования, т.е. задача восстановления профилей концентрации газовых составляющих атмосферы по измерениям теплового излучения в их спектральных

линиях на просвет (или излучения другого спутника, проходящего через атмосферу) в зависимости от высоты перигея луча. Методы спутниковых лимбовых измерений развиваются с целью решения проблемы глобального мониторинга атмосферы. К настоящему времени уже выполнены такие измерения ряда малых газовых составляющих (озон, СЮ, ЮЮ3) [43-50] и получены первые результаты восстановления высотного профиля озона. При этом для восстановления использовался как статистический подход [51], так и возможности решения задачи лимбового СВЧ зондирования без привлечения статистической информации. Такие исследования начались применительно к слабой линии водяного пара на 1,35 см [51].
В диссертации задачи лимбового СВЧ зондирования рассматриваются в более общей постановке, когда соответствующее интегральное уравнение является сильно некорректным. Постановки задачи, приводящие к сильной некорректности, включает случаи, когда зависимость измеряемого излучения от высоты перигея луча известна лишь на части (или частях) интервала высот восстановления и (или), когда шаг измерений по высоте может быть много больше шага высотной дискретизации восстанавливаемого профиля, а также при учете конечной ширины луча диаграммы направленности. Кроме того, интерес представляет постановка задачи восстановления профиля концентрации газовой компоненты по спектру теплового излучения,
измеряемому на фиксированном прицельном расстоянии, которая также является сильно некорректной, близкой по математической постановке к задаче
восстановления профиля по наземным измерениям спектра теплового излучения в
линии озона, рассмотренной в [53].
В рефрактометрии к некорректным задачам относится также обратная задача астрономической рефракции (задача восстановления профиля индекса рефракции по данным наземных измерений рефракции в зависимости от угла места источника), которая впервые была сформулирована в [56]. Основные вопросы решения этой некорректной задачи рассматривались в [41, 56-64]. В [41] её удалось свести к линейному уравнению Фредгольма 1-го рода; а в [60] было получено
последовательное решение этой задачи как некорректной. Развитый подход был применен к результатам измерений рефракции звезд в оптическом диапазоне [61-62].
При рассмотрении задач рефрактометрии в радиодиапазоне необходимо учитывать дополнительный вклад влажности в показатель преломления, что требует

Табл.
е0 о : П О 1° 2° 5° 10° 20° О О i о 90°
(L), см 8102 6680 4851 2528 1359 704,6 280,1 242,
Gl, см 267 185 112 50 26 13 5,3 4,
<*М, см 49 48 42 23 12 6,3 2,5 2,
(Ad), см 248 147 60 9,3 1,4 - - -
аа, см 38 18 5,6 0,7 0,1 - - -
<е> О и» 00 0,48° 0,35° 0,18° - - - -
ае 2 '35" Г 55" 1' 13’ 33" - - - -
gJN0 41" 21" 7" 1" - - - -
Для тропических условий все вариации и погрешности возрастают примерно в 1,5-2 раза. Помимо погодных вариаций, приведенных в табл.2, в естественную изменчивость приведенных величин добавляется суточная и сезонная динамика. Суточная динамика имеет приблизительно тот же порядок величины, а сезонная может быть существенно больше. Из табл.2 видно, что для информативных измерений уровень суммарной погрешности правой части Ы в (2.14) не должен превышать величины естественных погодных вариаций Gl , а более строго - величины вариаций при известном приземном значении показателя преломления gl/N0 . Погрешность определения L в системе GPS составляет в настоящее время не хуже 1,5 см для зенитного направления [67-69], что позволяет считать, что уровень информативности измерений достигнут.
Точность определения ЭДПР на низких углах места для навигационных систем, включая GPS, точно неизвестна, поскольку все приложения систем и исследования относились к достаточно высоким углам места. Поэтому в численном моделировании исследовалась зависимость точности восстановления от уровня ошибок в широком интервале их значений. Оказалось, что измерения в этом интервале являются информативными, причем даже без использования приземного значения индекса рефракции, то есть в ядро уравнения (2.12,2.14) на первом шаге может подставляется среднее, а не экстраполированное от приземного значения распределение (2.13).