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 результатов 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:
 ,
г де 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.
|
