WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

Коркин Сергей Владимирович МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОТРАЖЕНИЯ ПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ МУТНЫХ СРЕД Специальность 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2009 2

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре светотехники

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Будак Владимир Павлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент Афанасьев Виктор Петрович кандидат технических наук, доцент Селиванов Владимир Арнольдович

Ведущая организация: НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана

Защита состоится «15» мая 2009 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д212.157.12 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.

13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ.

Автореферат разослан «_» 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, Д212.157.12, к.т.н., доцент Буре И.Г.

3

Общая характеристика работы

Актуальность работы Настоящая диссертация посвящена решению краевой задачи векторного уравнения переноса излучения (ВУПИ) для плоскопараллельного слоя, облучаемого под произвольным углом плоским мононаправленным источником произвольно поляризованного излучения.

Актуальность поставленной задачи обусловлена пятью главными причинами. Первая - современные системы прецизионного дистанционного зондирования (ДЗ) предъявляют высокие требования к точности расчета математической модели. Пренебрежение поляризацией влечет ошибку (Соболев В.В.), значительно превышающую допустимую погрешность от, например, шумов детектора – 0.3% для спутниковой системы GOSAT. Вторая - поляризационные компоненты вектора Стокса содержат информацию, которую невозможно выделить из анализа только яркости излучения (Розенберг Г.В.) - например, форму частиц. Этот факт привел к созданию и активной эксплуатации поляризационных систем ДЗ POLDER, PARASOL, Glory Mission (запуск планируется), лидарных системы. Для их функционирования скалярного приближения при решении ВУПИ не достаточно. Третья - дистанционные измерения принципиально являются косвенными и для интерпретации данных измерений необходимо создание математической модели, не накладывающей ограничений на свойства среды. Четвертая – решение обратной задачи проводится после многократного решения прямой задачи методом наименьших квадратов в широком спектральном диапазоне (GOSAT: около линий), что накладывает высокие требования на скорость моделирования. И, наконец, пятая – перенос излучения в атмосферах планет есть в общем случае трехмерная (3D) задача. Решение одномерной задачи (1D) - первый необходимый шаг к решению 3D геометрии с последующей оценкой погрешности, вносимой пренебрежением 3D- и решением 1D задачи.

Предложенный в работе подход не ограничивается рассмотрением процесса переноса излучения и может быть применен для анализа пространственной ориентации спина пучка рассеянных частиц.

Важным моментом является тот факт, что современные методы расчета поля излучения накладывают существенное ограничение на анизотропию рассеяния реальных природных образований (облака, океан) – усечение индикатрисы рассеяния за счет пренебрежения рассеянием на крупных частицах (Wiscombe W.), что снижает точность моделирования. Предлагаемый в работе метод решения краевых задач ВУПИ снимает это ограничение и, кроме того, позволяет проводить расчеты для произвольных матриц рассеяния.

Цель и основные задачи работы Целью настоящей диссертации является создание математической модели отражения поляризованного излучения от плоскопараллельного слоя без априорного ограничения на его оптические свойства.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Обобщение скалярных методов решения краевых задач уравнения переноса на основании выделения анизотропной части решения на векторный случай;

2. Выбор наиболее эффективного метода выделения особенностей и анизотропной части решения;

3. Формулировка краевой задачи ВУПИ для гладкой добавки с функцией источников на основе выбранного в п.2 метода;

4. Выбор наиболее эффективного метода и решение полученной краевой задачи для гладкой добавки;

5. Оценка точности и границ применимости полученного решения;

6. Разработка метаматематической модели переноса поляризованного излучения на основе полученного решения. Модель должна учитывать отражение нижней границей плоскопараллельного слоя, произвольный угол облучения слоя плоскопараллельным естественным или поляризованным источником излучения, различные матрицы рассеяния (Ми с учетом распределения частиц по размерам, Релея, Хеньи-Гринстейна, а так же их смесь в определенной пропорции), а так же проводить расчет поля излучения внутри слоя, учитывать эффекты, возникающие при переходе излучения между слоями с разной оптической плотностью;

7. Применение полученной модели для решения практических задач.

Основные положения, выносимые на защиту и научная новизна В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:

1. Дано полное решение векторной задачи переноса излучения для плоского слоя без априорных ограничений на оптические свойства среды;

2. В общем виде сформулирован метод выделения анизотропной части решения ВУПИ – векторная малоугловая модификация метода сферических гармоник (ВМСГ);

3. Сформулирована и решена краевая задача для гладкой части решения, дополняющей ВМСГ до полного решения ВУПИ с учетом граничных условий;

4. Предложен алгоритм решения краевых задач для стратифицированных сред, включая границу раздела сред с разным показателем преломления и эффектом взволнованности поверхности;

5. Разработана полная математическая модель отражения поляризованного излучения от реальных природных образований;

6. Предложенная в диссертации теория позволяет перейти к решению трехмерных векторных задач переноса излучения.

Практическая значимость диссертационной работы 1. Сформулированный метод выделения анизотропной части решения может служить основой для повышения обусловленности решения и скорости расчета практически всех имеющихся на сегодняшний день методов решения ВУПИ;

2. Разработанная модель переноса излучения в плоскопараллельной среде может быть использована для интерпретации данных поляризационного дистанционного зондирования пассивными оптико-электронными поляриметрами;

3. Разработанная модель может быть использована для расчета фонового сигнала при функционировании лидарных систем поляризационного дистанционного зондирования;

4. Разработанная модель может быть использована при оценке влияния состояния поляризации принятого системой излучения на сигнал скалярных активных и пассивных систем дистанционного зондирования;

5. Аналогия между задачами переноса поляризованного излучения и рассеяния частиц с учетом спина позволяет использовать все полученные результаты для моделирования процесса переноса частиц в веществе и интерпретации экспериментов по рассеянию частиц;

6. Полученное решение и разработанная на его основе модель как частный случай одномерной векторной задачи служит критерием оценки правильности моделирования переноса излучения в более общих случаях двумерных и трехмерных сред.

Достоверность результатов диссертационной работы Подтверждается математической строгостью всех преобразований, сравнением результатов, полученных по предлагаемому методу, с результатами, полученными другими методами (приближение однократного рассеяния в векторной форме, векторного метода Монте-Карло, классическим методом дискретных ординат в векторной (ВМДО) и скалярной формах, скалярным методом сферических гармоник), результатами, полученными другими исследователями (Chandrasekhar S., Sekera Z.), сопоставлением аналитического вида полученного результата в векторной форме со скалярным приближением, построенном на идее вычитания особенности вместе с анизотропией решения (Будак В.П.), а так же проверкой полученного решения путем сравнения с экспериментальными данными.

Апробация работы Всего по результатам диссертации опубликовано 35 работ: 20 статей (из них 5 в сборниках трудов SPIE) и 15 публикаций тезисов докладов. Результаты работы докладывались и обсуждались на 28 конференциях, симпозиумах и школахсеминарах, среди которых: Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (XII, июнь 2005, Томск; XII, 2006, Томск; XIV, июнь 2007, Максимиха, Бурятия; XV, июнь 2008, Красноярск; Россия); Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (VIII июнь 2005, XI июнь, Москва, Россия); SPIE (август 2005, Сан-Диего, Калифорния, США; ноябрь 2006, Панаджи, Гоа, Индия) Международная конференция «Современные проблемы оптики естественных вод» (III сентябрь 2005, СанктПетербург, IV сентябрь 2007, Нижний Новгород, Россия); Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-2006), июнь 2006, СанктПетербург, Россия; Четвертая Российская национальная конференция по теплообмену (РНКТ-4), октябрь 2006, Москва, Россия; Ocean Optics Conference (XVIII октябрь 2006, Монреаль, Канада; XIX октябрь 2008, Тоскана, Италия); V International Symposium on Radiative Transfer и X Conference on Electromagnetic & Light Scattering (июнь 2007, Бодрум, Турция); XVIII Международная конференция «Взаимодействие ионов с поверхностью» (ВИП-2007), август 2007, Звенигород, Россия; Международный симпозиум «Физика атмосферы: наука и образование», сентябрь 2007, Санкт-Петербург, Россия; XXI Congress of The International Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ISPRS), июль 2008, Пекин, Китай; International Radiation Symposium (IRS-2008), август 2008, Фосс до Игуасу, Бразилия;

Международная научно-техническая конференция «Поляризационная оптика», октябрь 2008, Москва, Россия и другие конференции и семинары.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 108 страницах, содержит 38 рисунков и таблицу. Список литературы включает в себя 268 наименований на 24 страницах.

Общий объем работы – 150 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, дана краткая характеристика работы.

В первой главе дается обзор существующих программ оптикоэлектронного поляриметрического дистанционного зондирования. Указан принцип построения, измеряемые величины. Обсуждаются как пассивные системы космического мониторинга атмосферы Земли и подстилающей поверхности (POLDER, PARASOL, Glory-Mission и другие), так и лидарные системы наземного, судового и авиационного базирования (Самохвалов И.В., Кауль Б.В., Зуев В.Е., Гольдин Ю.А., Орлов В.М., Белов М.Л.), а так же одни из первых опытов по рас сеянию прожекторного луча в атмосфере (Розенберг Г.В.). Рассмотрен вопрос необходимости учета состояния поляризации излучения для интерпретации данных прецизионной (погрешность, вносимая шумами детектора ~ 0.3%) системы дистанционного зондирования GOSAT. Обосновывается необходимость математических моделей переноса поляризованного излучения.

В этой же главе формулируется краевая задача для векторного уравнения переноса излучения (ВУПИ) (Розенберг Г.В., Chandrasekhar S.) в плоском слое, облучаемом плоским мононаправленным источником, вообще говоря, поляризованного излучения L(,) l +L(,) = l l R( )(ll)R(1)L(,l)d ;

(1) L( 0, > 0, ) = L0( - 0); L( 0, 0, ) = 0, l l В (1) четырехкомпонентный вектор-параметр Стокса есть упорядоченный в столбец («») вектор L(,l) = [(,) Q(,l) (,) V(,)]T, – безразмерная l ll оптическая толща, l = 1- 2 cos; 1- 2 sin ; - единичный («^») вектор { } направления в среде, определяемый косинусом зенитного угла и азимуталь0 0(0, ным углом, l = l 0) - направление облучения слоя, «T» - операция транс понирования, – альбедо однократного рассеяния, и R - матрицы («») рассеяния (фазовая матрица) и ротатора соответственно. Краевая задача (1) записана для монохроматического излучения и влияние переизлучения с одной длины волны на другую (Иванов В.В.) не принималось во внимание. Здесь же рассматриваются основные модели для представления фазовых матриц (Rayleigh J.W., Mie G., ван де Хюлст Х., Дейрменджан Д., Зеге Э.П., Чайковская Л.И., Hovenier J.W., de Rooij W. A., Domke H.). Поясняется преимущество использования векторпараметра Стокса (Stokes G.G.) в задаче о переносе поляризованного излучения и смысл компонент вектора Стокса, измеряемые на практике величины (степень поляризации), описываются формы представления базисов состояния поляризации SP (Stokes Polarization), CP (Circular Polarization), их связь, преобразование ротатора в циркулярном базисе (Kuer I., Ribari M.), связь компонентов вектора Сто кса с элементами матрицы когерентности (О’Нейл Э., Блум К.). Приводятся типичные значения оптических толщ, альбедо, средних косинусов индикатрис рассеяния для различных природных образований (Тимофеев Ю.М., Мак-Картни Э., Мищенко М.И.).

Третий раздел первой главы посвящен известным методам решения ВУПИ.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.