Полная модель сигналов ОЭС оптического дистанционного зондирования атмосферы из Космоса

• Автор: Клюйков, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 102 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
1. ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ С УЧЕТОМ ПОЛЯРИЗАЦИИ
1.1. Оптико-электронные системы зондирования окружающей среды из космоса
1.2. Сигналы спутниковых пассивных и активных ОЭС
1.3. Методы решения векторного уравнения переноса излучения
Выводы по первой главе:
2. МЕТОД РЕШЕНИЯ ВЕКТОРНОГО УРАВНЕНИЯ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ В СТРАТИФИЦИРОВАННЫХ ТРЕХМЕРНЫХ СРЕДАХ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
2.1. Выделение анизотропной части в решении УПИ
2.2. Полное матричное решение УПИ
2.3. Построение сетки для решения трехмерных задач теории переноса излучения
Выводы по второй главе
3. ПРОГРАММНЫЙ ПАКЕТ ДЛЯ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛОВ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В ТРЕХМЕРНЫХ МУТНЫХ СРЕДАХ
3.1. Модель оптических характеристик среды
3.2. Сравнение со спутниковыми измерениями
3.3. Расчет поля яркости в среде произвольной геометрии
Выводы по третьей главе:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ
Многообразие современных систем дистанционного зондирования окружающей среды породило множество алгоритмов обработки сигналов ОЭС зондирования, которые, как правило, имеют узкую специализацию и ориентирование на конкретную программу исследований, пренебрегая определенными факторами в расчете. Что касается современных лидарных измерений, то наиболее широко использующиеся приближения в настоящий, момент имеют довольно узкие границы применимости. Также следует отметить, что все существующие алгоритмы обработки сигналов строго ориентированы на плоские среды, что не соответствует реальному положению вещей, в силу трехмерности нашего мира.
Важным моментом является тот факт, что все спутниковые измерения принципиально косвенные. Радиометры измеряют яркость, а в конечном счете требуется восстановление характеристики среды или подстилающей поверхности (ПП). Поэтому, по своей сути, они сводятся к обратным задачам теории переноса. Обратные задачи - некорректные задачи, особенностями которых является неустойчивость. Независимо от конкретного метода, используемого для решения таких задач, будь то метод Байеса, регуляризация по Тихонову или иной метод, в основе решения лежит сужение класса и привлечение дополнительной информации - комплексирование эксперимента по Розенбергу. Поэтому сегодняшние ОЭС ДЗ - это многоспектральные, многоугловые и поляризационные приборы. Добавим иной уровень решения задач и технические возможности спутниковых систем, что приводит к новым требованиям по точности решения УПИ: 10% и 1% это совершенно различные методы, нужно учесть всё! Наиболее распространенный метод - фиттинг (в западной литературе часто встречается, как full physics - полное моделирование и сравнение с экспериментом). Потому и здесь важно учесть все факторы, но время счета становится критичным: фиттинг — многократное повторение расчетов.
Цель и основные задачи работы
Целью настоящей диссертации является создание алгоритма обработки оптических сигналов, включающего в себя максимальное число учтенных факто-
ров. Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
1. Разработка алгоритма обработки оптических сигналов. Алгоритм должен учитывать вертикальную стратификацию атмосферы, отражение от произвольной подстилающей поверхности, границу раздела двух сред с различными показателями преломления, произвольный угол визирования, истинное поглощение газами, трехмерные эффекты, обработку поляризованного излучения;
2. Обобщение метода выделения анизотропной части решения векторного уравнения переноса на случай произвольной геометрии мутной среды;
3. Обобщение свойства монотонности спектра анизотропной части решения на случай многих индексов
4. Формулировка краевой задачи УПИ для регулярной части с функцией источников для случая произвольной геометрии среды;
5. Разработка метода решения и алгоритма расчета регулярной части с учетом всех перечисленных факторов;
6. Применение полученной модели для решения практических задач: обработка оптических сигналов обратного рассеяния в лазерном зондировании, обработка сигналов для пассивных спутниковых систем ДЗ, инструмент для решения обратных задач методом фиттинга.
Основные положения, выносимые на защиту и научная новизна
В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:
1. Дано полное решение задачи переноса излучения для точечного монона-правленного (ТМ) источника без априорных ограничений на оптические свойства среды;
2. В общем виде сформулирован метод выделения анизотропной части решения в задачах с разрывом аналитичности в граничных условиях;
3. Сформулирована и решена краевая задача для гладкой части решения, дополняющей анизотропную часть ТМ-источника до полного решения с учетом граничных условий;

где Т“]=Т5С =
0 110 10 0
г 0 0 -г

Запишем его разложение в ряд по обобщенным сферическим функциям [Виленкин, 1965; Устинов, 1988] (1.1), которое делает ядро ВУПИ вырожденным и приводит его к бесконечной системе дифференциальных уравнений, то есть к методу сферических гармоник.
В ВУПИ (2.1) перейдем к СР-представлению, умножив уравнение на мат-
В очередной раз отметим, что аналитическая форма уравнения остается прежней, изменяется лишь представление входящих в него величин, поэтому для упрощения дальнейшей записи, индексы представлений будут опускаться.
Если представить матрицу рассеяния и решение в СР-представлении, как разложения по обобщенным сферическим функциям
где г, 5 = +2, +0, -0, -2, то на основании теоремы сложения для обобщенных сферических функций
что приводит к следующему преобразованию спектральных элементов матрицы локального преобразования
рицу Т„:
_ л 00 о /г 1 _
ц^1)= X Ц—л—¥»1(р)с^('с)ехр0>жр)’
т=-оо к~
(2.7)