Автореферат (Быстрые и точные алгоритмы расчета сигналов оптико-электронной системы дистанционного зондирования из космоса)

2Работа выполнена на кафедре светотехники ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»Научный руководитель:Будак Владимир Павловичдоктор технических наук, профессор,профессор кафедры светотехникиФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»ОфициальныеКатаев Михаил Юрьевичоппоненты:доктор технических наук, профессор,профессор кафедры автоматизированных системуправления ТУСУР, г. ТомскДолгушин Сергей Анатолиевичкандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник кафедры биомедицинских систем НИУ «МИЭТ», г. МоскваВедущая организация:МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. МоскваЗащита диссертации состоится «23» июня 2016 г. в 13 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» поадресу: 111250, г. Москва, ул.

Красноказарменная, д. 13, корпус Е, ауд. Е-513.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ» и на сайте института www.mpei.ru. Автореферат размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru и на сайте институтаwww.mpei.ru .Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г.Москва, Красноказарменная ул.,д.14, Учёный совет «НИУ «МЭИ»Автореферат разослан _____ апреля 2016 г.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.157.12 к.т.н., доцентРемизевич Т.В.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыНастоящая диссертация посвящена разработке быстрого и точного алгоритма расчета сигналов оптико-электронной системы (ОЭС) дистанционногозондирования атмосферы из космоса.Актуальность работы обусловлена следующими причинами.

Среди глобальных задач, отдельно можно выделить такие задачи, решение которыхпринципиально невозможно без использования методов и средств оптическогодистанционного зондирования (ОДЗ). Наиболее актуальной задачей здесь представляется мониторинг малых газовых компонентов атмосферы, вносящихвклад в парниковый эффект. Несмотря на недоказанность глобального потепления (Сорохтин О.Г.) наличие в нашей атмосфере парникового эффекта как такового сомнений не вызывает, а потому изучение его динамики представляетсяактуальной задачей. Согласно исследованиям (Rayner P.J.), для точной оценкиопасности глобального потепления необходим мониторинг стоков и истоковуглекислого газа в огромном количестве точек по всей планете, причем точность измерений должна быть очень высокой - не хуже одного процента (YokotaT.).

Такие исследования принципиально возможны только при использованииспутниковых систем ОДЗ.Более того системы, способные проводить измерения с подобной точностью появились относительно недавно (Hamazaki T.) и являются самыми перспективными для ОДЗ, что подтверждает актуальность работы в этом направлении. Все спутниковые измерения являются косвенными, а потому для получения искомой информации необходимо решать обратные задачи ОДЗ, решение которых невозможно без построения прямой модели сигнала спутниковойОЭС, основанной на процессах переноса излучения в атмосфере.

Открывшиесятехнические возможности современных измерительных ОЭС кардинально изменили требования к прямым моделям переноса. К повысившейся точности добавилась гиперспектральность – многие системы проводят измерения на десятках тысяч спектральных линий. Этот факт обусловил жесткие требования к ал-4горитму и по скорости вычисления – не более одной секунды для одной длиныволны. Для достижения необходимой точности в модель требуется включатьвсе известные факторы, существенно влияющие на сигнал. К таким факторамможно отнести анизотропию рассеяния, истинное поглощение газовыми компонентами, отражение подложкой, вертикальную и горизонтальные неоднородности.Наиболее яркий пример таких неоднородностей – разорванная облачность.

В каждый момент времени как минимум половина планеты покрыта облаками (Ardanuy P.E., Wood R., Hamann U.), поэтому измерения почти всегдаприходится проводить в разрывы или вблизи облаков. При этом облака оказывают существенное влияние на сигнал и должны быть обязательно учтены примоделировании. Учет в математической модели всех факторов, необходимыхдля достижения требуемой точности, разумеется, увеличивают время счета. Насегодняшний день остается открытым очень непростой вопрос баланса междускоростью и точностью вычислений. Универсального алгоритма расчета сигнала спутниковой ОЭС ОДЗ, отвечающего требованиям обратных задач в настоящее время нет.Цель и основные задачи работыЦель настоящей работы – создание быстрой и точной математическоймодели сигнала спутниковой оптико-электронной системы с учетом трехмерных эффектов переноса излучения в атмосфере (разорванной облачности).

Длядостижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:1.Анализ возможностей ускорения существующих алгоритмов расчета сиг-налов ОЭС при сохранении высокой точности вычислений;2.Применение в модели сигнала спутниковой ОЭС принципиально новойидеи метода синтетических итераций, развиваемой в теории переноса нейтронов, в противовес, по-видимому, исчерпавшим себя классическим методам решения уравнения переноса излучения (УПИ);53.Разработка решения для регулярной части в плоской геометрии с помо-щью квазидвухпотокового приближения, как эталонного решения для верификации трехмерных методов;4.Разработка решения регулярной части в квазидиффузионном приближе-нии для плоской геометрии;5.Формулировка краевой задачи УПИ с граничными условиями в случаезондирования ОЭС через цилиндрическое отверстие в плоскопараллельномбесконечном облаке;6.Обобщение квазидиффузионного приближения на произвольную геомет-рию среды.Основные положения, выносимые на защиту и научная новизнаВ настоящей диссертации впервые получены следующие результаты:1.Предложено правило выбора шага дискретизации УПИ при заданном раз-решении на основе теоремы Котельникова;2.Получена связь решения дискретного УПИ матрично-операторным мето-дом с инвариантным погружением В.А.

Амбарцумяна;3.К описанию переноса в атмосфере применен метод синтетических итера-ций, который является мощным источником ускорения сходимости;4.Дано решение плоской задачи в квазидвухпотоковом приближении, кото-рое имеет преимущество по скорости по сравнению с известными алгоритмамиболее чем в 120 раз;5.Предложено решение для регулярной части в квазидиффузионном при-ближении, не уступающее по скорости квазидвухпотоковому приближению икоторое легко позволяет произвести обобщение на произвольную геометриюсреды;6.Разработан алгоритм расчета сигнала спутниковой ОЭС при наличии вполе зрения цилиндрического отверстия в бесконечном плоскопараллельномоблаке на основе квазидиффузионного приближения.6Практическая значимость диссертационной работы1.Разработанные модели сигналов спутниковых ОЭС для плоской задачипозволяют проводить верификацию новых методов решения УПИ, как в плоской, так и в некоторых случаях для трехмерной геометрий;2.Полученное решение в квазидиффузионном приближении дает возмож-ность решать задачи при произвольной геометрии среды, что позволит учестьне только эффекты разорванной облачности, но также и неоднородности подстилающей поверхности;3.Созданный алгоритм получения сигналов спутниковой ОЭС позволяетпроводить обработку и интерпретацию данных пассивных систем ОДЗ;4.Аналитическая форма полученного решения уравнения переноса излуче-ния допускает построение обратного оператора в аналитической форме;5.Аналогия между задачами переноса излучения, рассеяния частиц и задачтеплопроводности, позволяет использовать все полученные результаты для моделирования процесса переноса частиц и тепла в веществе и интерпретацииэкспериментов в этих областях;Достоверность результатов диссертационной работыПодтверждается математической строгостью всех преобразований, сравнением результатов, полученных по предлагаемому методу, с численными результатами, полученными другими методами (модифицированный метод дискретных ординат, метод Монте-Карло, метод сферических гармоник, метод конечных разностей), а также аналитическими решениями, полученными другимиисследователями, сравнением с общепризнанными в ОДЗ алгоритмами DISORT(NASA), SCIATRAN (ESA), Pstar (JAXA).Соответствие диссертации паспорту специальностиНастоящая работа соответствует паспорту специальности 05.11.07 "Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы" по следующим причинам.Из паспорта специальности:7«Области исследований:1.

Исследование и разработка новых методов и процессов, которые могут бытьположены в основу создания оптических и оптико-электронных приборов, систем и комплексов различного назначения».Подавляющее большинство оптических измерений являются косвенными,а потому получение искомой информации основано на решении обратных задач. В свою очередь решение обратных задач невозможно без построения прямой модели. В работе предложена математическая модель сигнала спутниковойоптико-электронной системы оптического дистанционного зондирования Земли, основанная на новом методе решения уравнения переноса излучения.Из паспорта специальности:«2.