Влияние нисходящего излучения атмосферы на радиотепловые изображения и контрасты земных покровов в диапазоне миллиметровых волн

На правах рукописи ГОЛУНОВ Валерий Алексеевич ВЛИЯНИЕ НИСХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА РАДИОТЕПЛОВЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ И КОНТРАСТЫ ЗЕМНЫХ ПОКРОВОВ В ДИАПАЗОНЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН Специальность 01.04.03 - радиофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Фрязино – 2010 Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук ИНСТИТУТЕ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ им. В. А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал. Научный руководитель: Соколов Андрей Владимирович доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: Чухланцев Александр Алексеевич доктор физико-математических наук ^ Тихонов Василий Владимирович кандидат физико-математических наук Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород) Защита диссертации состоится «15» октября 2010 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д002.231.02 при Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им В. А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д.11, к.7. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им В.А.Котельникова РАН. Автореферат разослан « 14 » сентября 2010 г. Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук А. А. Потапов ^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Основой радиотеплолокации (или пассивной радиолокации) является прием крайне слабого теплового излучения окружающей среды. К настоящему времени сформировались следующие основные области применения средств радиотеплолокации: дистанционный мониторинг окружающей среды, навигация, обнаружение и идентификация объектов. При пассивной радиолокации в натурных условиях радиометры наряду с собственным излучением объектов и покровов принимают отраженное ими излучение атмосферы. Вследствие изменчивости метеопараметров атмосферы интенсивность ее нисходящего излучения со временем изменяется, что, в свою очередь, приводит к вариациям радиояркостных характеристик покровов. В диапазоне миллиметровых (ММ) волн вследствие молекулярного поглощения в атмосферных газах интенсивность нисходящего излучения атмосферы даже в «окнах прозрачности» может быть соизмерима с интенсивностью собственного излучения покровов. Это обстоятельство предопределяет существенную роль излучения атмосферы и необходимость всестороннего исследования основных закономерностей его влияния на формирование радиотепловых изображений и контрастов земных покровов. ^ Актуальность работы. Широкие перспективы для решения задач навигации, обнаружения объектов и их идентификации открываются в связи с бурным прогрессом в технологии создания приемных устройств диапазона ММ волн, наблюдающемся в последние 15 – 20 лет. Новые технологии позволили изготавливать компактные двумерные приемные матрицы, содержащие более тысячи приемных каналов, и на их основе создавать действующие в реальном времени средства пассивного радиовидения, подобные традиционным системам тепловидения диапазона инфракрасных (ИК) волн. Известно, что в отличие от волн видимого и ИК диапазонов ММ волны существенно меньше затухают в облаках, туманах, дымах и пыли, что предопределяет перспективность практического применения ММ средств пассивного радиовидения В целях развития метода пассивного радиовидения актуальными являются исследования, связанные с расширением его возможностей за счет использования поляризационного приема, и разработка методов идентификации земных покровов в диапазоне ММ волн. Пространство идентификационных признаков могут составлять поляризационные коэффициенты излучения или их комбинации. Общепринятая процедура определения коэффициента излучения покровов в натурных условиях основана на абсолютных измерениях их термодинамической температуры, суммарной (кажущейся) температуры излучения и ее атмосферной составляющей. Разработка новых методов относительных измерений характеристик собственного излучения земных покровов в натурных условиях исключает необходимость проведения абсолютных измерений. Особое значение для решения задач пассивной радиолокации имеют прогнозирование радиотепловых контрастов объектов и земных покровов, необходимое для выбора оптимальных условий наблюдения и для разработки требований к приемной аппаратуре. В свете этого практический интерес представляет обобщенный анализ энергетики и устойчивости радиотепловых контрастов земных покровов к вариациям интенсивности нисходящего излучения атмосферы. Участки земной поверхности могут отличаться индикатрисами рассеяния вследствие неровностей их поверхности и (или) объемных неоднородностей. Поскольку вклад нисходящего излучения атмосферы в интенсивность принимаемого излучения покровов зависит от их индикатрис рассеяния, то возникает необходимость исследования зависимости контрастов от формы этих индикатрис рассеяния. ^ Целью диссертационной работы являются: теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей влияния нисходящего излучения атмосферы на формирование радиотепловых изображений и яркостных контрастов земных покровов в «окнах прозрачности» атмосферы в диапазоне ММ волн; разработка методов измерения характеристик собственного излучения покровов, включая снег, в натурных условиях; исследование возможностей идентификации покровов средствами пассивной радиолокации; исследование поляризационных характеристик яркостных структур объектов и фона в диапазоне ММ волн; изучение отличительных особенностей яркостных структур объектов и фона в диапазонах ММ и ИК волн. ^ Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: исследованы ошибки приближения Релея-Джинса на основе полученного в работе точного аналитического соотношения, связывающего яркостную температуру и коэффициент излучения нагретых нечерных тел. выполнено теоретическое обоснование корректного учета влияния нисходящего излучения атмосферы на радиотепловые контрасты покровов с произвольными индикатрисами рассеяния; разработано теоретическое описание устойчивости радиотепловых контрастов земных покровов с произвольными индикатрисами рассеяния к вариациям интенсивности нисходящего излучения атмосферы; созданы радиометрические измерительные стенды для исследования характеристик теплового излучения окружающей среды в натурных условиях на длинах волн 2,15 мм, 3,2 и 8 мм; экспериментально исследованы в различных метеоусловиях вариации радиотепловых контрастов травяного и снежного покровов, почво-грунтов, бетонной, водной и металлической поверхностей на длинах волн 2,15мм, 3,2 и 8 мм; получены теоретические и экспериментальные количественные оценки устойчивости радиотепловых контрастов относительно вариаций интенсивности нисходящего излучения атмосферы в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн; исследованы закономерности формирования радиотепловых изображений объектов и земных покровов в различных метеоусловиях на ортогональных линейных и разностной поляризациях при длине волны 3 мм; разработаны и реализованы новые способы относительных измерений характеристик собственного излучения покровов в натурных условиях; исследованы возможности идентификации земных покровов в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн; теоретически и экспериментально изучены особенности ММ и ИК тепловидения, обусловленные спектральными свойствами механизма теплового излучения нагретых тел. Исследования, выполненные в рамках данной работы, соответствуют специальности 01.04.03 - «радиофизика», раздел 7 «Разработка теоретических и технических основ новых методов и систем связи, навигационных, активных и пассивных локационных систем, основанных на использовании излучения и приема волновых полей различной физической природы и освоении новых частотных диапазонов». ^ Научная новизна диссертации состоит в следующем: развит новый подход к описанию влияния атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов; получены новые экспериментальные данные по устойчивости контрастов в условиях чистой и облачной атмосферы и при выпадении жидких осадков в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн; получены новые экспериментальные данные по характеристикам собственного излучения сухого снежного покрова в диапазоне ММ волн; предложен и апробирован на частоте 90 ГГц (длина волны 3 мм) метод поляризационного пассивного радиовидения; выявлены отличительные особенности яркостной структуры тепловых изображений объектов и покровов в диапазонах ММ и ИК волн; разработаны и реализованы оригинальные способы относительных измерений коэффициента излучения и поляризационных параметров собственного излучения покровов, не требующие количественной информации о яркости подсвечивающего излучения атмосферы; впервые выявлены возможности идентификации водных и бетонных поверхностей на длинах волн 3 и 8 мм в летних и зимних условиях с использованием средств радиотеплолокации; впервые определены точные ошибки яркостной температуры нагретых нечерных тел в диапазоне ММ волн, рассчитанной в приближении Релея-Джинса. ^ Достоверность полученных результато�� обоснована использованием адекватных радиофизических моделей отражения и излучения рассмотренных сред, апробированных методов экспериментального исследования, сопоставлением расчетных и экспериментальных данных. ^ Научные результаты и положения, выносимые на защиту: Разработанное теоретическое описание устойчивости контрастов позволяет получать обобщенные количественные оценки влияния нисходящего излучения атмосферы на качество радиотепловых изображений и контрасты земных покровов в «окнах прозрачности» диапазона миллиметровых волн. Предложенный метод поляризационного пассивного радиовидения значительно расширяет возможности идентификации объектов и различения покровов по их радиотепловым изображениям в «окнах прозрачности» диапазона миллиметровых волн. Метод основан на формировании и анализе радиотепловых изображений на линейных ортогональных и на разностной поляризациях. Разработанная методика идентификации открытых водных поверхностей и бетонных взлетно-посадочных полос, основанная на поляризационном приеме и анализе откликов радиометрических устройств на интенсивности теплового излучения земной поверхности и атмосферы в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн. ^ Научная и практическая ценность полученных результатов состоит в том, что в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн они позволяют прогнозировать качество радиотепловых изображений земных покровов и оценивать возможности пассивного обнаружения объектов; расширяют методическую базу исследований характеристик собственного излучения покровов в натурных условиях; применены при разработке алгоритма восстановления высоты сухого снежного покрова методом пассивного дистанционного зондирования в рамках Международного целевого комплексного проекта «Природа»; показывают перспективность разработки новых систем воздушной и морской навигации, основанных на средствах пассивного поляризационного радиовидения. ^ Личный вклад автора. Все теоретические исследования и разработки, представленные в диссертации, выполнены автором самостоятельно. Исключение составляют расчет температуры подсвечивающего излучения атмосферы для статистически неровных поверхностей с гауссовым распределением тангенса угла наклонов неровностей, которые выполнены совместно с к.т.н. А.Г. Павельевым и к.т.н. А.Ю. Зражевским. ^ Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, обсуждались и докладывались на научных семинарах Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, советско-финском семинаре (1988 г., г. Москва), 17-ти отечественных и 4-х международных научно-технических конференциях. Кроме того, была прочитана лекция на 4-ой Всесоюзной школе по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере (Н. Новгород, 1991). Публикации. По теме диссертации опубликованы 44 работы, в числе которых 3 коллективные монографии, 5 статей в журналах, рекомендованных для публикации ВАК РФ, 1 статья в сборнике научных трудов издательства «Наука», 1 препринт, 29 трудов и тезисов докладов отечественных и международных конференций, 5 авторских свидетельств. Список основных работ, опубликованных по теме диссертации, приведен ниже. ^ Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 157 страниц текста, включая 64 рисунка, 5 таблиц и список из 153 цитируемых литературных источников. ^ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. В первой главе приводится обзор результатов исследования радиотепловых контрастов земных покровов в диапазоне ММ волн и обосновывается необходимость решения поставленных задач. Глава 2 посвящена теоретическому анализу влияния атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов. Рассчитаны ошибки яркостной температуры, вычисленной в приближении Релея-Джинса. Показано, что в случае слабоизлучающих сред (коэффициент излучения ) поправки могут составлять от 2 К на длине волны до 6 К на . Рассмотрена схема источников возникновения вариаций радиотепловых контрастов земных покровов, разработанная на основе выделения двух основных групп факторов, приводящих к вариациям. К первой группе относятся факторы, влияющие на величину собственного яркостного контраста покровов, а именно: термодинамический контраст, объемные плотность и влажность, объемные неоднородности и неровности поверхности. Вторая группа факторов ответственна за изменение температуры подсвечивающего излучения атмосферы. Помимо объемного и поверхностного рассеяния, видоизменяющих формы индикатрис рассеяния покровов, эта группа включает в себя природные факторы, относящиеся только к атмосфере: интегральное содержание водяного пара, облачность и осадки. В диссертации рассматривается влияние каждого из вышеперечисленных факторов. Отмечается, что изменение интенсивности нисходящего излучения атмосферы влечет за собой изменение одновременно всех контрастов земной поверхности. В приближении Релея-Джинса с использованием фотометрического подхода получено основное соотношение, связывающее температуру излучения Т однородного изотермичного покрова при термодинамической температуре Тп и угловой яркостный спектр нисходящего излучения атмосферы, в виде: , где æ – коэффициент излучения, а - интегральный коэффициент (альбедо) отражения покрова (), , , - индикатриса рассеяния покрова, , - соответственно углы приема и падения излучения относительно нормали к поверхности покрова. В дальнейшем нормированная величина g*(,) будет называться формой индикатрисы рассеяния, а величина - температурой подсвечивающего излучения атмосферы. Показано, что в интервале угла приема 50...550 величина чистой атмосферы слабо зависит от формы индикатрис рассеяния в среднем плоских земных покровов. В целях количественного описания изменчивости контрастов между покровами, вызванной вариациями интенсивности нисходящего излучения атмосферы, введена новая величина - коэффициент устойчивости qк контраста между находящимися в термодинамическом равновесии с приземным слоем атмосферы произвольно выбранным к-ым покровом и черным телом (ЧТ), - в виде: , где Т0 - термодинамическая температура приземного слоя атмосферы, и - соответственно статистически минимальное и статистически максимальное значения, определяемые в соответствии с заданной вероятностью того, что текущие значения разности находятся внутри интервала . Величина qк характеризует изменение не только контраста к-ого покрова относительно ЧТ, но и всех контрастов между покровами с одинаковыми или однотипными формами индикатрис рассеяния. Кроме того, установлено, что относительные (нормированные) контрасты покровов, имеющих равные значения или однотипные индикатрисы рассеяния, инвариантны к вариациям радиояркости атмосферы, которые при этом проявляются через изменение отношения сигнал/шум. Этот результат иллюстрируется модельными нормированными контрастами, показанными на рис. 1. Максимальное изменение отношения сигнал/шум при этом численно равно коэффициенту устойчивости покровов. Показано, что коэффициент устойчивости плоских поверхностей к вариациям яркости облачной атмосферы определяется длиной волны, термодинамической температурой и водозапасом облаков и, практически, не зависит от полного влагосодержания атмосферы. В главе 3 описываются измерительные комплексы и методики, с помощью которых выполнены экспериментальные исследования излучательных свойств земных покровов и влияния атмосферы на их радиотепловые контрасты на длинах волн 2,15 мм, 3,2 и 8 мм. Практически все абсолютные радиометрические измерения выполнены автором с помощью известного метода «искусственной» Луны, основанного на выполнении следующих двух условий: неизменная ориентация антенны в пространстве и равенство угловых размеров эталонов и исследуемого образца. Рассматриваются результаты измерений годового цикла яркостной температуры чистой атмосферы, поляризационные индикатрисы излучения травяного покрова, песчаного и глинистого грунтов, бетонной поверхности, искусственного водоема и поверхности Киевского водохранилища. Экспериментально изучены эффекты влияния объемной плотности и влажности грунтов, высоты речного волнения и суточный ход вариаций контрастов. Моделирование и исследование экспериментальных зависимостей коэффициентов пропускания и отражения от структуры и толщины слоя сухого снежного покрова показали, что при укрупнении кристаллов температура излучения полубесконечного слоя снега стремится к некоторому предельному (экстремальному) значению. Помимо таких величин, как термодинамическая температура снега и атмосферы, эта предельная температура излучения определяется, главным образом, предельным значением R альбедо отражения. В таблице приведены экспериментальные ^ Толщина эффективно излучающего слоя снега ([м]) при характерных размерах снежных кристаллов d. λ, мм вид снега свежевыпавший мелкозернистый d < 1 мм среднезернистый d = 1...2 мм крупнозернистый d = 2...5 мм 2,15 ≥ 0,07 0,03...0,07 < 0,03 < 0,01 3,2 ≥ 0,3 0,1...0,3 0,03...0,1 < 0,03 8,0 ≥ 2,0 1,0...2,0 0,3...1,0 0,1...0,3 оценки толщины эффективно излучающего слоя снега с различной структурой на длинах волн 2,15; 3,2 и 8 мм, определенной из уравнения: R(h)= 0,9 R0, где R0 – альбедо отражения полубесконечного слоя. Установлено, что спектры R0(1/λ) самосформировавшегося снежного покрова в диапазоне ММ волн существенно определяются структурой снега, причем в случае крупнозернистого снега R0 слабо зависит от длины волны. Это означает, что диапазон ММ волн является областью экстремального рассеяния в крупнозернистом снеге. Отмечено также, что изменение объемной плотности сухого зернистого снега в интервале 0,2...0,4 при сохранении характерных размеров его кристаллов не оказывает заметного влияния на его излучательные характеристики. Показано, что существует взаимосвязь между поляризационными характеристиками собственного излучения сухого и тающего снега. При размерах кристаллов снега, соизмеримых с длиной волны, излучение сухого снега становится практически, неполяризованным, по крайней мере, на интервале вертикальных углов приема до 700. Анализируются экспериментальные данные по устойчивости контрастов в условиях чистой и облачной атмосферы. Устойчивость контрастов плоских поверхностей оценивалась экспериментально для волн 2,15; 3,2 и 8 мм в условиях разрывной кучевой, кучево-дождевой и сплошной облачности, включавшей случай многоярусных облаков. Установлено, что устойчивость контрастов плоских поверхностей при λ = 8 мм в 3 – 4 раза выше, чем при λ = 2,15 мм и λ = 3,2 мм. Кроме того, при облачной атмосфере выполнены синхронные измерения текущего коэффициента устойчивости плоских и сильно рассеивающих поверхностей. Из них следует, что контрасты между сильно рассеивающими поверхностями значительно более устойчивы, чем в случае плоских поверхностей. На длинах волн 2,15 и 8 мм получены синхронные диаграммы изменения температуры излучения ряда покровов и металлического листа при прохождении зоны дождя различной интенсивности. Установлено, что выпадение дождя может приводить к полному исчезновению (с точностью не хуже 1 – 2 К) радиотепловых контрастов, при этом на λ = 2,15 мм контрасты исчезают при интенсивности дождя I  5 мм/ч, а на λ = 8 мм - при   15 мм/ч. Разработан новый способ измерения температуры подсвечивающего излучения атмосферы и коэффициента излучения покровов с неизвестными индикатрисами рассеяния. Суть способа в том, что, по крайней мере, при двух значениях полного вертикального поглощения безоблачной атмосферы измеряют температуру излучения и термодинамическую температуру исследуемого естественного покрова, и по результатам измерений определяют эквивалентный угол атмосферы и искомый коэффициент излучения. Эквивалентный угол атмосферы - это зенитный угол, при котором яркостная температура атмосферы численно равна температуре ее излучения, подсвечивающего исследуемый покров. В результате реализации разработанного способа измерена температура чистой атмосферы для сухого снежного покрова. Оказалось, что она практически совпадает с температурой подсвечивающего излучения в случае ламбертовых поверхностей.

Похожие:

	Курс Курсовая работа. Часть II. Анализ применимости стационарной... В данном разделе мы сформулируем концепцию моделирования, сделаем необходимые приближения и приведём основные уравнения, описывающие...		Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению... Влияние границ и неоднородности среды на распространение волн и структуру волнового поля. Основные методы анализа волн (спектральный...
	В нагретых телах часть внутренней энергии вещества может превращаться... В нагретых телах часть внутренней энергии вещества может превращаться в энергию излучения. Поэтому нагретые тела являются источниками...		Задача измерения мощности в терагерцовом диапазоне имеет в настоящее... Измерители мощности и системы визуализации терагерцового излучения на Новосибирском лазере на свободных электронах
	Рабочая программа по дисциплине: «локационные методы исследования объектов и сред» Радиофизика. Формирует у студентов знания и навыки в области получения, обработки и физической интерпретации данных дистанционного...		Исследования углового момента атмосферы в Чандлеровском диапазоне частот Для компоненты давления зона наибольшего влияния находится над европейской территорией. Для ветровой компоненты над океаном, в частности,...
	Динамическая мера нанометрового диапазона. Каменков Иван Алексеевич... Сегодня государственный первичный эталон метра воспроизводит размер этой единицы в длинах световых волн гелий-неонового лазера с...		Программа лекций Кинетика коллективных возбуждений (волн ). Классические... Кинетика коллективных возбуждений (волн ). Классические волны в сплошных средах. Гамильтонов формализм для нелинейных волн
	Применение многомасштабных моделей в задачах восстановления изображений Когда искажение изображения обусловлено исключительно наличием аддитивного шума (1) записывается следующим образом: g[x,y]=f[x,y]+e[x,y]...		Терагерцевое излучение Тераге́рцевое (ТГц) излучение Границы между этими видами излучения в разных источниках определяются по-разному. Максимальный допустимый диапазон тгц частот 1011—1013...