Автореферат (Быстрые и точные алгоритмы расчета сигналов оптико-электронной системы дистанционного зондирования из космоса), страница 2

Разработка, совершенствование и исследование характеристик приборов,систем и комплексов с использованием электромагнитного излучения оптического диапазона волн, предназначенных для решения задач:- исследования и контроля параметров различных сред и объектов, в том числепри решении технологических, экологических и биологических задач».Обратные задачи оптического дистанционного зондирования выдвигаютк прямым моделям переноса очень высокие требования по скорости и точностивычислений.

Для этого требуется включать в математическую модель все факторы, существенно влияющие на сигнал. Впервые полученное в работе решениена основе метода синтетических итераций учитывает все известные факторы, втом числе эффекты разорванной облачности, и при этом отвечает требованиямпо скорости вычислений.Апробация работыВсего по результатам диссертации опубликовано работ: 6 статей и 16 тезисов докладов. Результаты работы докладывались и обсуждались на 20 конференциях, симпозиумах и школах-семинарах, среди которых: Международнаянаучно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника,электротехника и энергетика» (XIX, февраль 2013; XX февраль 2014; XXI февраль 2015; XXII февраль 2016, Москва, Россия); Научно-техническая конфе-8ренция "Молодые светотехники России" (ноябрь 2012; ноябрь 2013; ноябрь2014, Москва, Россия); Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (XII, июнь 2013; XIII, июнь 2015,Москва, Россия); Международный симпозиум "Атмосферная радиация и динамика" (июнь 2015, Санкт-Петербург, Россия); Оптика атмосферы и океана.

Физика атмосферы (июль 2013; июль 2015, Томск, Россия); The 36th InternationalSymposium on Remote Sensing of Environment (май 2015, Берлин, Германия);Современные проблемы физики и технологий. III Межд. мол. науч. школаконф. (апрель 2014, Москва, Россия); Научн. сессия НИЯУ МИФИ-2014 (январь2014, Москва, Россия); Междун. конф. "Аэрозоль и оптика атмосферы" (к столетию Г.В.

Розенберга) (октябрь 2014, Москва, Россия); The SeventhInternational Symposium on Radiative Transfer, RAD-13 (июнь, 2013, Кушадасы,Турция); International Radiation Symposium (август 2012, Берлин, Германия);«Современные проблемы оптики естественных вод» (VII, сентябрь 2013; VIII,сентябрь 2015, Санкт-Петербург, Россия).Структура и объем работыРабота изложена на 106 страницах, содержит 14 рисунков и 1 таблицу.Список литературы включает в себя 127 наименований на 12 страницах. Общийобъем работы – 120 страниц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, дана краткая характеристика работы.В первой главе дается обзор существующих ОЭС дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности.

Обсуждается современноесостояние отрасли (Малкевич М.С., Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М., Чернявский Г.М., Козинцев В.И., Белов М.Л.). Рассматривается проблема возможностиглобального потепления и парникового эффекта, как основного источника (Сорохтин О.Г.). Сформулированы требования обратных задач ОДЗ к прямым моделям переноса излучения (Rayner P.J., Hamazaki T., Yokota T., Катаев М.Ю.).9Во втором параграфе первой главы приведен обзор существующих методов решения УПИ. Рассматривается развитие теории переноса излучения сформулировки первого интегрального УПИ (Хвольсон О.Д.), простейших решений УПИ (Schuster A., Schwarzschild K., Eddington A.S.), идеи представленияобщего решения УПИ в виде суммы анизотропной и регулярной частей (MilneE.A., Чандрасекар С.), связанных с особенностями в граничных условиях, присущих лучевому приближению (Розенберг Г.В., Гермогенова Т.А.).

Проведенанализ малоугловых методов (Goudsmit S., Snyder H.S., Lewis H.W., Wang M.C.,Будак В.П.), а также приведены результаты сравнения существующих алгоритмов, которые показали, что наилучшим образом излучение под малыми угламиучитывает малоугловая модификация метода сферических гармоник (МСГ)(Будак В.П.). Метод основывается на свойстве функции, быстро меняющейся отаргумента в угловом пространстве, медленно меняться от номера гармоники вчастотной области. Тело яркости раскладывается по сферическим функциям ианизотропной частью считается только часть, соответствующая гладкой частиспектра. При этом регулярная часть получается гладкой, практически изотропной по углу функцией. Поэтому для вычисления анизотропной части решения внастоящей работе применяется именно этот метод.

Для регулярной части решения также анализируются метод сферических гармоник (Karp A.H.), метод дискретных ординат (МДО) (Чандрасекар С.), статистические методы МонтеКарло (Соболь И.М., Марчук Г.И.), метод итераций (Сушкевич Т.А.).Третий параграф посвящен трехмерным задачам переноса излучения.Помимо трехмерии в задачах ОДЗ, проводится также обзор методов учетатрехмерных эффектов в задачах расчета переноса излучения в печах, топках,устройствах преобразования солнечной энергии (Sakami M., Kim K., Yong Z.,Ravishankar M., Gerardin J.), в медицине и косметологии (Böcklin C., Lister T.,Akimoto M., Saratoon T.). Проводится подробное исследование существующихметодов учета важнейшего с точки зрения ОДЗ типа неоднородности, требующего обязательного перехода к трехмерии – разорванной облачности. Обсуждается господствующий в настоящее время метод интерпретации спутниковых10данных – приближение независимых пикселей и его модификации (CahalanR.F., Song L., Frame J.W., Okata M., Klinger C., Stap F.A.).

Рассматриваются типы влияния разорванной облачности на сигнал спутниковой ОЭС (Marshak A.,Koren I., Kassianov E., Fauchez T., Zuidema P. ), метод учета сигнала в случаеизмерения вблизи облака (Nikolaeva O.V., Bass L.P.) Все методы, рассмотренные в этом разделе, будь то метод Монте-Карло (Kokhanovsky A.A., RichtsmeierS., Song L., Okata M., Klinger C.); методы на основе различных вариантов представления плоскопараллельного облачного слоя (Kokhanovsky A.A., Corti T.);методы на основе стохастических моделей (Doicu A.) зачастую дают хорошиерезультаты, но либо рассматривают специфические частные случаи, либооставляют желать лучшего с точки зрения времени счета. И то, и другое неподходит для построения глобальной картины распределения углекислого газав частности и эффективного использования гиперспектральных систем в целом.Исходя из анализа, проведенного в первой главе, мы ставим целью не учетопределенного типа влияния облаков на сигнал, а разработку гибкого алгоритма расчета сигнала спутниковой ОЭС для произвольной геометрии среды, чтопозволит учитывать не только облачность, но и неоднородность подстилающейповерхности.Вторая глава посвящена дискретному УПИ, поскольку в подавляющембольшинстве случаев нас интересует именно реализация решения.

В качествеэталонной задачи, которая применяется для верификации трехмерных методов,рассматривается случай плоской геометрии. Краевая задача УПИ для плоскогослоя мутной среды имеет вид: dL( , ˆl )  L( , ˆl ) x(ˆl, ˆl) L( , ˆl)dˆl,d4 L( , ˆl )  (ˆl  ˆl0 ), L( , ˆl ) 0,0,0  0 ,  0(1)где   (ˆl, rˆ ) – средний косинус угла рассеяния; L ( ,  ) – яркость светового поля на глубине τ в направлении, определяемом μ; Λ – альбедо однократного рас-11сеяния; x(ˆl, ˆl ) – индикатриса рассеяния; ˆl 0  1   ,0,   – направление па200дения от источника.Для дискретизации УПИ необходимо представить входящий в него интеграл рассеяния в виде конечной суммы.

Такой переход невозможен, пока имеетместо особенность в граничном условии. Для того чтобы выделить особенность, представим решение в виде суммыL( , ˆl )  La ( , ˆl )  Lr ( , ˆl ),(2)где La ( , ˆl ) – анизотропная часть (содержит особенность, и вычисляется аналитически), Lr ( , ˆl ) – регулярная (гладкая) часть, которая является гладкой функцией, и может быть представлена конечной суммой.Подставив (2) в УПИ (1), получим новую краевую задачу для регулярнойчасти решения Lr ( , ˆl ) Lr ( , ˆl )  x(ˆl, ˆl) Lr ( , ˆl ) dˆl  ( , ˆl);4 Lr ( , ˆl ) 0; Lr ( , ˆl )  La ( , ˆl ), 0,  0  0 ,  0dLa ( , ˆl )ˆ La ( , ˆl ) где ( , l )   d4 x(ˆl, ˆl) L ( , ˆl)dˆla(3)(4)есть функция источников от невязки.Анизотропную часть представим в МСГ (Будак В.П.):dLa ( ,  , )  k 2k  1  d k Z k ( )Q km ( 0 )Q km (  )eim d0 k 0 m k 4где Qln (  ) 0e 02k  1xk Q km ( 0 )Q km (  )eim ,k 0 m  k 4k(5)(l  n)! nPl (  ) – перенормированные полиномы Лежандра, Pln (  ) –(l  n)!присоединенные полиномы Лежандра, Zk ( )  e dk 0 e 0 , dk  1  xk .Данный метод цепочкой работ был реализован на кафедре светотехникиМЭИ в программе MVDOM (Будак В.П., Меламед О.П., Коркин С.В., Клюйков12Д.А.).

Для регулярной части в ней используется МДО. Сравнения с аналогами(Будак В.П., Kokhanovsky A.A, Sokoletsky L.G.) выявили, что программаMVDOM является лучшей среди аналогов по скорости при заданной точности.При этом для вычисления с точностью 1% программе MVDOM необходимо около 30 минут, что более чем на три порядка хуже требований гиперспектральных систем.

При этом МДО, используемый в программе, в пределепозволяет достичь любой точности, что делает MVDOM фактически точнымрешением уравнения переноса излучения. Совокупность этих фактов говорит отом, что классические методы решения, по-видимому, исчерпали себя, и требует глубокой модернизации.Также в этом параграфе сформулировано правило выбора шага дискретизации УПИ при заданной погрешности.Во втором параграфе рассматриваются методы решения УПИ в случаемногослойных сред. Получена связь матрично-операторного метода (PlassG.N.) для решения дискретного УПИ с инвариантным погружением (Амбарцумян В.А.).