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

Четвертая глава посвящена развитию метода пассивного поляризационного радиовидения и результатам исследования влияния атмосферы на поляризационные радиотепловые изображения покровов и объектов. Из проведенного физического обоснования метода поляризационного пассивного радиовидения следует, что разностно-поляризационные изображения содержат информацию о диэлектрических свойствах и геометрических особенностях поверхности объекта. Экспериментально показано, что, например, только поляризационное радиотепловидение позволяет обнаруживать асфальто-бетонную дорогу при угле приема 750 как в летних, так и в зимних условиях. В качестве подтверждения этого на рис. 2 – 3 показаны фотографии (а), радиоизображения при горизонтальной (б) и вертикальной (в) поляризациях а) б) в) Рис. 2. а) б) в) г) Рис. 3. и разностно-поляризационное изображение (г) участка местности в летних и зимних условиях. Расширенные возможности поляризационного радиотепловидения продемонстрированы также на примере автотракторной техники с металлическими, брезентовыми и деревянными элементами кузовов и бортовой обшивки. Качество изображения объектов может оцениваться количественно посредством вероятности их правильного опознавания, которая, в свою очередь, определяется количеством разрешаемых строк на критический размер объектов и отношением сигнал/шум. Количество разрешаемых строк на критический размер объектов определяется соотношением реализуемого углового разрешения системы радиовидения и угловым размером объектов. Отношение сигнал/шум зависит как от чувствительности приемной системы, так и от условий наблюдения. Показано, что качество радиоизображений при λ = 3мм существенно снижается только в условиях мощной сплошной облачности ( с водозапасом не меньше 2,5 кг м-2), и, особенно, в дождях. В результате выполненного теоретического и экспериментального изучения возможностей тепловидения в диапазонах ММ и ИК волн установлено, что на ММ волнах яркостная структура собственного излучения различных тел формируется, главным образом, за счет структурных контрастов их коэффициента излучения (отражения). В диапазоне ИК волн на яркостную структуру объектов существенное влияние оказывают термодинамические контрасты. Подтверждено экспериментальными данными, что вследствие этого тепловые изображения объектов на длине волны 3 мм имеют более высокое сходство с их черно-белыми фотографиями, чем ИК тепловые изображения в диапазоне длин волн 8...10 мкм. При сплошной мощной облачности, в условиях отсутствия структурных термодинамических контрастов между излучающими объектами и фоном ИК тепловые изображения объектов практически не имеют выраженной яркостной структуры, вследствие чего объекты не обнаруживаются. В тех же условиях тепловые изображения в ММ диапазоне имеют достаточно устойчивую яркостную структуру. В пятой главе описываются разработанные методы измерений параметров собственного излучения земной поверхности, исключающие необходимость абсолютных радиометрических измерений, и анализируются возможности идентификации земных покровов в диапазоне ММ волн. Метод измерения коэффициента излучения æ исследуемых образцов основан на регистрации выходного напряжения радиометра и при последовательном приеме излучения исследуемого образца и двух эталонов с известными коэффициентами излучения æ1 и æ2, при этом эталоны и образец должны находиться во взаимном термодинамическом равновесии и иметь равные угловые размеры и атмосферы. Искомый коэффициент излучения определяют по формуле: , где и1, и2 – выходные напряжения радиометра, соответствующие интенсивностям излучения первого и второго эталонов. При одновременном приеме излучения на двух ортогональных поляризациях появляются возможности относительных измерений с использованием только одного эталона. В качестве такого эталона можно использовать, например, сектор атмосферы в зеркальном направлении в плоскости падения (зондирования) с яркостной температурой, численно равной температуре подсвечивающего покров излучения , и определить параметр , где индексы «h» и «v» относятся соответственно к горизонтальной и вертикальной поляризациям излучения покрова, «ЧТ» и «а» – соответственно к излучению ЧТ и атмосферы. Разработанные методы реализованы как при наземных исследованиях, так и при обработке результатов поляризационных измерений с борта самолета. Из выполненного анализа диэлектрических свойств различных сред следует возможность идентификации бетонных взлетно-посадочных полос (ВПП) и водных поверхностей на фоне открытой и заснеженной земной поверхности при использовании разработанных методов измерения характеристик их собственного излучения в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн. Разработана методика идентификации бетонных ВПП и водных поверхностей средствами пассивной радиолокации с борта низколетящего самолета, которая сводится к совокупности следующих операций: - одновременно принимаются и регистрируются калиброванным радиометром интенсивности теплового излучения земной поверхности на вертикальной и горизонтальной поляризациях и атмосферы на произвольной поляризации при угле наблюдения 550; - осуществляется обнаружение и разделение излучения, соответствующего, с одной стороны, подстилающей фоновой поверхности (растительности, почво-грунтам, снежному покрову и т.п.), с другой стороны, ВПП и водным поверхностям. В качестве критерия используются следующие условия: 1) если Ра >0,75, то излучение фоновое, 2) если Ра < 0,75, то излучение относится к бетону или водной поверхности. - обрабатываются и анализируются текущие реализации откликов (выходных напряжений) радиометра на интенсивность теплового излучения фоновой поверхности на вертикальной поляризации. Цель: выделение однородных реализаций на отрезке времени Δt > Δt0 (интервалу времени Δt0 соответствует пространственный масштаб от 100 м), вычисление средних значений <uv>,<Тv> и нахождение опорных максимальных значений <uv мах>,<Тv мах>; - обрабатывается и анализируется текущая реализация отклика радиометра на интенсивность теплового излучения атмосферы. Цель: на основе временной зависимости яркостной температуры определить состояние атмосферы (ясно, облачно), что необходимо для принятия правильного решения; - в зависимости от состояния фоновой поверхности идентификация ВПП и водных поверхностей осуществляется либо в плоскости (), если отсутствует сухой снежный покров, либо по измеренным значениям параметра Ра при сухом снежном покрове. В качестве примера реализации методики разработан соответствующий алгоритм для λ = 3 мм, который демонстрирует возможность автоматической идентификации ВПП и водных поверхностей средствами пассивной радиолокации в условиях чистой атмосферы. Предложенный алгоритм исключает идентификацию при неблагоприятных метеоусловиях в виде облачности и дождей. В Заключении сформулированы следующие основные результаты работы, полученные для атмосферных «окон прозрачности» в диапазоне ММ волн: В целях количественного описания изменчивости контрастов, обусловленной вариациями яркости нисходящего излучения атмосферы, введена новая величина – коэффициент устойчивости q контрастов земных покровов относительно находящегося с ними в термодинамическом равновесии черного тела. Теоретически и экспериментально исследована устойчивость контрастов сред с различными индикатрисами рассеяния к вариациям интенсивности нисходящего излучения атмосферы. Установлено, что при вариациях интенсивности нисходящего излучения чистой атмосферы коэффициенты устойчивости контрастов сред с плоскими и в среднем плоскими статистически неровными поверхностями, включая снежный покров, при угле наблюдения θ ≈ 550 практически равны между собой независимо от вида контрастирующих сред; коэффициент устойчивости контрастов плоских поверхностей к вариациям интенсивности излучения облачной атмосферы крайне слабо зависит от молекулярного поглощения атмосферы и определяется длиной волны, термодинамической температурой и водозапасом облаков. Между коэффициентами устойчивости контрастов на различных длинах волн существует детерминированная связь, позволяющая решать задачу выбора оптимального диапазона волн в зависимости от ожидаемых метеоусловий; коэффициенты устойчивости контрастов между рассеивающими поверхностями к вариациям яркости атмосферы при разрывной кучево-дождевой облачности могут быть в 2...5 раз выше (в зависимости от длины волны), чем в случае плоских поверхностей; радиотепловые контрасты земных покровов с равными температурами подсвечивающего излучения атмосферы, нормированные на контраст произвольных покровов с подобными свойствами, инвариантны к вариациям яркости нисходящего излучения чистой и облачной атмосферы. Вариации яркости атмосферы проявляются при этом через изменение отношения сигнал/шум, численно равное коэффициенту устойчивости q контрастов рассматриваемых покровов; выпадение дождя может приводить к полному исчезновению радиотепловых контрастов (q = 0), при этом на длине волны 2,15 мм контрасты исчезают при интенсивности дождя I  5 мм/ч, а на волне 8 мм - при   15 мм/ч; Качество радиотепловых изображений объектов на длине волны 3 мм существенно снижается только в условиях мощной сплошной облачности (с водозапасом свыше 2,5 кг•м-2) и, особенно, при выпадении дождей. Выявлены следующие закономерности теплового излучения сухого снежного покрова: чем короче длина волны и чем больше размер снежных кристаллов, тем меньше толщина эффективно излучающего слоя снега, при этом на λ = 8 мм она на порядок больше, чем на λ = 3 мм; на длине волны 3 мм толщина эффективно излучающего слоя сухого зернистого снега (характерные размеры снежных кристаллов d = 1...5 мм) не больше 0,1 м; при укрупнении снежных кристаллов интегральный коэффициент отражения (альбедо) полубесконечного слоя снега стремится к некоторому предельному (экстремальному) значению; диапазон ММ волн является областью экстремального рассеяния в крупнозернистом снеге (размеры кристаллов 2...5 мм); поляризационные характеристики собственного излучения сухого и тающего снежного покрова взаимосвязаны, что обусловлено отражением когерентной интенсивности от его поверхности; температура излучения чистой атмосферы, подсвечивающего зернистый снег на длинах волн 2,15 и 3 мм, численно равна ее радиояркостной температуре при зенитном угле ≈ 550. Разностно-поляризационные радиотепловые изображения отображают информацию о геометрических особенностях и диэлектрических структурных элементах поверхности наблюдаемых объектов. Пассивное радиовидение в «окне прозрачности» 3 мм в сравнении с тепловидением ИК диапазона в «окнах прозрачности» 1...2 и 8...10 мкм позволяет наблюдать объекты не только в известных условиях слабой оптической видимости (в дымах, туманах и т.п.), но также в условиях сплошной облачности и отсутствия термодинамических контрастов между структурными элементами объекта и фона. Разработан и реализован в натурных условиях способ измерения коэффициента излучения покровов, основанный на приеме излучения двух эталонов, который позволяет осуществлять прямые измерения коэффициента излучения покровов, т.е. без дополнительных абсолютных измерений их температуры излучения и температуры подсвечивающего излучения атмосферы. Открытые водные поверхности и бетонные взлетно-посадочные полосы идентифицируются средствами радиотеплолокации, по крайней мере, при чистой атмосфере. Использование приближения Релея-Джинса при расчетах яркостной температуры слабо излучающих сред в коротковолновой части диапазона ММ волн может приводить к абсолютным ошибкам до 6 К, что необходимо учитывать при различных прецизионных измерениях. Список основных работ, опубликованных по теме диссертации. Андреев, Г.А. Рассеяние и излучение миллиметровых радиоволн природными образованиями / Г.А. Андреев, В.А. Голунов, А.В. Соколов. // ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. - 1980. - Т. 20. - С. 3-106. Голунов, В.А. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом / В.А. Голунов, В.А. Коротков, Е.В. Сухонин. // ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. - 1990. - т. 41. - С. 68-136. Акимов, В.Ф. Вопросы перспективной радиолокации / Акимов В.Ф. [и др.], под ред. А.В. Соколова. - М., Изд. «Радиотехника», 2003. – 508 с. Голунов, В.А. Влияние атмосферы и шероховатости поверхности на радиометрические характеристики естественных покровов / В.А. Голунов, А.Ю. Зражевский, А.Г. Павельев // Радиотехника и электроника. – 1988. - №12. - С. 2544-2550. Голунов, В.А. Тепловое излучение сухого однородного снежного покрова в диапазоне ММВ /В.А. Голунов // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. – 2002. - № 6. - С. 35-44. Зражевский, А.Ю. Поляризационные радиотепловые портреты различных объектов в ММ диапазоне волн / А.Ю. Зражевский [и др.] // Изв. вузов. Радиофизика. – 2005. - Т.48, № 10 – 11. - С. 917-925. Зражевский, A.Ю. Особенности и возможности поляризационного стереорадиовидения в ММ диапазоне волн / А.Ю. Зражевский [и др.] // Радиотехника. – 2006. - № 5. - С. 19-29. Исследование вариаций радиояркостных характеристик окружающей среды в ММ диапазоне волн / В.А. Голунов // Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве: сб. науч. тр. / ИРЭ АН СССР - М., Наука, 1986. - С. 192-200. Голунов, В.А. Радиометрическое исследование диэлектрических свойств пресноводного льда в диапазоне ММ волн: препринт № 24 (499) / В.А. Голунов, В.А. Коротков. - М.: ИРЭ АН СССР, 1988. – 24 с. Радиояркостные характеристики природных образований в ММ диапазоне волн / Г.А. Андреев, В.А. Голунов // III Всесоюзный симп. по ММ и СБММ волнам: тез. докл., 22-24 сент. 1980 г. / ИПФ АН СССР – Горький, 1980. - Т. 1. - С.262. Экспериментальное исследование теплового излучения земных покровов на ММ волнах в различных метеоусловиях / Г.А. Андреев, В.А. Голунов // XIII Всесоюзная конф по распр. р/волн: тез. докл., 22-24 сент. 1981 г. / ИПФ АН СССР – Горький, 1981. – Ч.2. - С.199-202. Вариации радиояркостных контрастов земных покровов на волнах 2 и 8 мм / Г. А. Андреев, В. А. Голунов // I Всес. шк.-симп. по распр. ММ и СБММ волн в атмосфере: труды, 10-17 февраля 1982 г. / ИРЭ АН СССР - Москва, 1983. - С. п61-п66. Спектральные особенности излучения сухого снежного покрова / В. А. Голунов, В. А. Коротков // II Всес. шк.-симп. по распр. ММ и СБММ волн в атм.: труды, Фрунзе, Илим, 1986. - С. 91 - 94. Результаты исследования эффектов объемного рассеяния ММ волн в случайных дискретных средах / В.А.Голунов // Х1 Всес. симп. по распростр. лазерного изл. в атм. и водных средах: тез. докл., Томск, 1991. – С.38. Излучение пресноводного льда и снега в ММ диапазоне волн (лекция) / В. А. Голунов // IV Всес. школа по распр. ММ и СБММ волн в атмосфере: тез. докл., 3 – 10 сентября 1991 г. / НИРФИ – Н. Новгород, 1991. - С. 71 - 77. Coherent and diffuse scattering properties of dry snow cover and man-made like-snow media. / V. A. Golunov // Тhe IEEE Joint 30th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 13th Int. Conf. on Terahertz Electronics: proceed., September 19-23, 2005, Williamsburg, Virginia USA, 2005 - P. 541–542. Возможности идентификации земных покровов в ММ диапазоне волн / В. А. Голунов // Радиолокация и радиосвязь: труды XV Междунар. конф., 7-11 ноября 2007 г. / ИРЭ РАН – МЭИ -Москва-Фирсановка, 2007. - С. 168–184. Идентификация бетонных и водных поверхностей методом пассивной локации в диапазоне ММ волн / В.А. Голунов // Радиолокация и радиосвязь: труды XVI Междунар. конф., 5 - 7 ноября 2008 г./ ИРЭ РАН – МЭИ - Москва-Фирсановка, 2008. - С. 225 – 233. The millimeter wave response to volume density and grain size of dry homogeneous snow. An algorithm for retrieval of snow depth from radiometer data at the frequencies 22 and 37 GHz / V. A. Golunov // The 10th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing for the ENVI: proceed., March 12–14, 2008. Florence, Italy, 2008. – P. 1 – 4. А. с. № 1267865. Способ измерения излучательных характеристик естественных покровов/ В. А. Голунов (СССР), заявл. 19.10.84 г. А. с. № 1363937. Способ измерения коэффициента излучения естественных покровов / В. А. Голунов (СССР), заявл. 22.11.85 г. А. с. № 1417593. Способ измерения коэффициента излучения естественных покровов / В. А. Голунов (СССР), заявл. 06.05.86 г. А. с. № 1394936. Способ измерения полного вертикального ослабления электромагнитных волн в атмосфере / В. А. Голунов, В. А.Коротков, А. В.Соколов, Е. В.Сухонин (СССР), заявл. 22.11.85 г. А. с. № 1380456. Способ пассивной локации / В. А. Голунов, А. И. Кучерявенков, А. Г. Павельев, А. В. Соколов (СССР), заявл.27.05.85 г.

Похожие:

	Физика цвета и психология восприятия Следует обращать внимание на основные контрастные соотношения, гармонические сочетания цветов, пограничные контрасты, светлотные...		Реферат По физике На тему: «Влияние электромагнитного излучения на организм человека» Влияние электромагнитных лучей, исходящих от сотовых телефонов, на организм человека
	Спектральный анализ По мере дальнейшего нагревания спектр теплового излучения меняется: во-первых, увеличивается общее количество излучаемой энергии,...		Влияние реабсорбции излучения и тушения синглетных возбуждений доноров... Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования
	Цель нашего реферата: узнать о механизме и последствиях воздействия... Влияние электромагнитных лучей, исходящих от сотовых телефонов, на организм человека 8		Деятельность учителя Деятельность учащегося Цель урока: сформировать понятие механических волн, раскрыть природу механических волн, познакомить обучающихся с закономерностями,...
	Реферат на тему: Проблема загрязнения атмосферы и ее разрешение Химическое загрязнение атмосферы автомобильным транспортом и способы борьбы с ним		Свойства электромагнитных волн. Распространение и применение электромагнитных волн
	Определение оптической глубины проникновения низкоинтенсивного лазерного... Нии лазерного излучения биологическими тканями. Одновременно с поглощением излучения происходит ряд других физических процессов:...		Занятие №57 Механические колебания. Гармонические колебания. Резонанс. Колебания Цель урока: сформировать понятие механических волн, раскрыть природу механических волн, познакомить обучающихся с закономерностями,...
	Атмосфера планет, моделирование, мониторинг, электромагнитное излучение,... Феры, микрофизические и оптические характеристики атмосферного аэрозоля, теория переноса излучения в атмосфере, теория распространения...		Влияние электромагнитного излучения на здоровье человека макласова... Министерства здравоохранения Российской Федерациии их реализация на период 2012-2017 г г
	Конспект урока по физике Тема урока: Механические волны. Фио (полностью)... Цель урока: сформировать понятие механических волн, раскрыть природу механических волн, познакомить обучающихся с закономерностями,...		Тема: Понятие о происхождении ионизирующих излучений Цель занятия: Теоретический разбор основных положений радиофизики. Усвоить понятия вида и доз излучения. Усвоить основные эффекты...
	Научно-техническое обоснование космического эксперимента «Измерения... Программа предназначена для обучающихся 2 курса по профессии «Повар, кондитер» на базе одиннадцати классов, имеющих основные знания...		Влияние электромагнитного излучения бытовых приборов и сотовых телефонов на организм человека В своем доме каждый человек должен быть уверен, что ничто не угрожает его здоровью. Однако для этого нужно знать, какие именно могут...