Математическая модель отражения поляризованного излучения при дистанционном зондировании мутных сред

• Автор: Коркин, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 150 с.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

1. ПОЛЯРИЗАЦИОННОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ МУТНЫХ СРЕД

1.1 Оптико-электронные поляриметрические системы

1.2 Краевая задача векторного уравнения переноса излучения

1.3 Методы решения и границы применимости ВУПИ

Выводы по первой главе

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РЕШЕНИЯ ВЕКТОРНОГО УРАВНЕНИЯ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ БЕЗ АПРИОРНЫХ ОГРАНИЧЕНИЙ НА СВОЙСТВА РАССЕРІВАЮЩИЙ СРЕДЫ

2.1. ВМСГ - метод расчета анизотропной части решения

2.2. Краевая задача для регулярной части и раскрытие интеграла рассеяния56

2.3. Полное решение векторного уравнения переноса
2.4. Анализ решения
Выводы по второй главе
3. ВЛИЯНИЕ УЧЕТА СОСТОЯНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ И ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ НА СИГНАЛ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
3.1. Вертикальная стратификация рассеивающего слоя
3.2. Математическая модель среды и влияние её параметров на сигнал
3.3. Влияние учета поляризации излучения на сигнал спутниковой системы
ООБАТ
Выводы по третьей главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение
Состояние поляризации излучения содержит всю информацию об объекте зондирования, доступную оптическим методам измерения [1]. Учет поляризации излучения при рассеянии и отражении приводит к перераспределению энергии между компонентами вектора Стокса, внося тем самым поправку к скалярному приближению, величина которой оказывается существенной [33, 36]. Пренебрежение поляризацией ведет к тому, что погрешность интерпретации данных существенно превышает требуемую точность измерения прецизионных систем дистанционного зондирования. Так, например, погрешность измерения, вносимая шумами приемника системы GOSAT, составляет всего 0.3% [32].
Помимо влияния на полную яркость излучения, /-компоненту вектора Стокса, чрезвычайную актуальность теоретических и экспериментальных исследований в области поляризационной оптики обуславливает информационная наполненность самих поляризационных компонент вектора Стокса: О, U, V [2, 3]. Только путем исследования состояния поляризации излучения можно установить форму рассеивающих частиц и проводить классификацию отражающих поверхностей, недоступную при анализе только яркости - скалярного приближения. Известная связь между параметрами вектора Стокса и элементами матрицы плотности порождает аналогию в формулировке и решении задач переноса поляризованного излучения и рассеяния частиц с учетом спина. На сегодняшний день интерес к поляризационной оптике возрос настолько, что для развития этого раздела физики организуются отдельные конференции (например, SPIE Polarization Science and Remote Sensing, США; «Поляризационная оптика», Россия).
Для корректной интерпретации данных поляризационного дистанционного зондирования необходима математическая модель, учитывающая состояние поляризации излучения и не накладывающая ограничений на оптические свойства среды - анизотропию рассеяния и вид матрицы рассеяния. Теоретической базой для такой модели служит краевая задача векторного уравнения переноса
излучения (ВУПИ) с соответствующими граничными условиями. При этом лучевое приближение [1] в описании процесса переноса излучения обуславливает наличие сингулярности в граничных условиях практически для всех геометрий источников, которая сохраняется и внутри среды [98, 99]. Указанная сингулярность сохраняется внутри слоя, приводя к необходимости её устранения [80, 145] - классический подход. Однако сильная анизотропия рассеяния реальных природных образований (океан, облака, рассеяние частиц в кристаллах) осложняет решение ВУПИ классическим методом. Одним из способов устранения этой проблемы является искусственное усечение острой части индикатрисы рассеяния [73]. Однако этот подход накладывает ограничения на свойства среды и вносит существенную ошибку в расчет [74], что затрудняет корректную интерпретацию результатов, полученных высокоточными системами дистанционного зондирования. Указанная проблема приводит к необходимости поиска более эффективного пути устранения особенности вместе с анизотропной частью поля яркости без ограничения на анизотропию рассеяния. В скалярной теории такой подход уже предложен [200, 201, 224]. В настоящей работе этот подход впервые обобщен на векторную форму.
Краевая задача ВУПИ в приближении формы атмосферы плоским слоем, облучаемого плоским мононаправленным источником, при отражении излучения на нижней границе от почв, растительности, водной глади или льда, является базой для функционирования пассивных поляриметров (спутниковые поляриметры POLDER, PARASOL, APR - Glory Mission и другие) и радиометров при оценке влияния степени поляризации излучения на прохождение через оптическую систему (GOSAT). Учет особенностей решения ВУПИ приобретает еще большее значение при анализе работы поляризационных лидаров (наземные, судовые, авиационные, а так же космические: PARASOL+CALIPSO), где особенности содержатся не только в прямом излучении, но и первых двух кратностях рассеяния. При интерпретации измерений гиперспектральных систем, в основе которых лежит многократное решение ВУПИ в каждом из спектральных диапазонов, и систем мониторинга в реальном времени существенную роль

Так же недостаточная статистика набирается для отраженного сильно анизотропно рассеивающей атмосферой излучения, что требует проведения дополнительных процедур, ускоряющих сходимость.
В слабо рассеивающих средах используют расчет в приближении однократного рассеяния. Непосредственным интегрированием по оптической толще представим ВУПИ в интегральном виде в форме Пайерлса, решение которого представимо в ряда Неймана - разложение по кратностям рассеяния. Первый член ряда выражает тот факт, что прямое излучение является источником для однократно рассеянного. Подставляя прямое 5-излучение в интеграл рассеяния ВУПИ и рассматривая для простоты только плоскость ф = ф0 = 0 (вектора
г, 10,1 лежат в одной плоскости - ротаторы вырождаются в единичные матрицы, но в общем случае необходимо учитывать поворот плоскости референции), приходим к простому выражению для вектора однократно рассеянного излучения Ь„ аналогичному скалярному случаю [102]
Ь,(т,ц*Ро)“Д»о)Ь0

ЧСВо)= 2Г'*(1)ьо ~ехР
471 |Д
Ь,(т,ц*ц0) = Зс(Й0)Ь0

Во~В.

Во "В
-ехр

, при р >
V Во 1-ехр
(1.20)
( В0~ВТ

Во~В
-,приц<0
Решение ВУПИ в однократном приближении не выявляет каких-либо характерных поляризационных эффектов - например, деполяризацию излучения при кратных рассеяниях, изменение знака отрицательную поляризацию. По этой причине модели, основанные на приближении однократного рассеяния, сильно ограничены по своим возможностям. Тем не менее, простота (1.20) позволяет данному приближению служить хорошим тестом для более общих случаев рассеяния. Для полноты освещения методов малых кратностей рассеяния отметим, что для лидарного зондирования было предложено и развивается приближение двукратного рассеяния, описывающее, в отличии от приближения