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

ОглавлениеВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 31. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ............................................................................. 121.1.Системы оптического дистанционного зондирования ..........................

121.2.Методы решения уравнения переноса излучения.................................. 191.3.Трехмерные эффекты переноса излучения ............................................. 30Выводы по первой главе ....................................................................................... 382. ДИСКРЕТНОЕ УРАВНЕНИЕ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ ........................... 402.1.Дискретизация уравнения переноса ........................................................ 402.2.Многослойные среды ................................................................................ 482.3.Влияниеаппаратно-программныхсредствнаэффективностьалгоритмов .............................................................................................................

58Выводы по второй главе ....................................................................................... 653. МЕТОД СИНТЕТИЧЕСКИХ ИТЕРАЦИЙ ...................................................... 663.1.Квазидвухпотоковое приближение ......................................................... 663.2.Квазидиффузионное приближение .......................................................... 873.3.Разорванная облачность............................................................................ 96Выводы по третьей главе....................................................................................

104Заключение .......................................................................................................... 106ИСТОЧНИКИ .......................................................................................................... 1082ВВЕДЕНИЕСреди глобальных задач, отдельно можно выделить такие задачи,решение которых принципиально невозможно без использования методов исредствоптическогоактуальнойзадачейдистанционногоздесьзондированияпредставляется(ОДЗ).мониторингмалыхНаиболеегазовыхкомпонентов атмосферы, вносящих вклад в парниковый эффект. Несмотря нанедоказанность глобального потепления [Сорохтин и Ушаков, 2002] наличие внашей атмосфере парникового эффекта как такового сомнений не вызывает, апотому изучение его динамики представляется актуальной задачей.

Согласноисследованиям [Rayner and O'Brien, 2001], для точной оценки опасностиглобального потепления необходим мониторинг стоков и истоков углекислогогаза в огромном количестве точек по всей планете, причем точность измеренийдолжна быть очень высокой - не хуже одного процента [Yokota et. al., 2004].Такие исследования принципиально возможны только при использованииспутниковых систем ОДЗ.Более того системы, способные проводить измерения с подобнойточностью появились относительно недавно [Hamazaki, 2008] и являютсясамыми перспективными для ОДЗ, что также подтверждает актуальностьработы в этом направлении. Все спутниковые измерения являются косвенными,а потому для получения искомой информации необходимо решать обратныезадачи ОДЗ, решение которых невозможно без построения прямой моделисигнала спутниковой ОЭС, основанной на процессах переноса излучения ватмосфере.Открывшиесятехническиевозможностисовременныхизмерительных ОЭС кардинально изменили требования к прямым моделямпереноса.

К повысившейся точности добавилась гиперспектральность – многиесистемы проводят измерения на десятках тысяч спектральных линий. Этот фактобусловил жесткие требования к алгоритму и по скорости вычисления – неболее одной секунды для одной длины волны [Yokota et. al., 2004].3Для достижения необходимой точности в модель требуется включать всеизвестные факторы, существенно влияющие на сигнал.

К таким факторамможно отнести анизотропию рассеяния, истинное поглощение газовымикомпонентами, отражение подложкой, вертикальную и горизонтальныенеоднородности.Наиболееяркийпримертакихнеоднородностей–разорваннаяоблачность. В каждый момент времени как минимум половина планетыпокрыта облаками [Ardanuy et al., 1991; Wood 2012; Hamann, 2013; Altinok et al.,2015], поэтому измерения почти всегда приходится проводить в разрывы иливблизи облаков. При этом облака оказывают существенное влияние на сигнал идолжны быть обязательно учтены при моделировании. Учет в математическоймодели всех факторов, необходимых для достижения требуемой точности,разумеется, увеличивают время счета. На сегодняшний день остается открытымочень непростой вопрос баланса между скоростью и точностью вычислений.Универсального алгоритма сигнала спутниковой ОЭС ОДЗ, отвечающеготребованиям обратных задач в настоящее время нет.Целью настоящей диссертации является создание быстрой и точнойматематической модели сигнала спутниковой оптико-электронной системы сучетом трехмерных эффектов переноса излучения в атмосфере (разорваннойоблачности).Для достижения поставленной цели в работе были решены следующиезадачи:1.

Анализ возможностей ускорения существующих алгоритмов сигналовОЭС при сохранении высокой точности вычислений;2. Применение в модели сигнала спутниковой ОЭС принципиально новойидеи метода синтетических итераций, развиваемой в теории переносанейтронов, в противовес, по-видимому, исчерпавшим себя классическимметодам решения уравнения переноса излучения (УПИ);43. Разработка решения для регулярной части в плоской геометрии с помощьюквазидвухпотоковогоприближения,какэталонногорешениядляверификации трехмерных методов;4. Разработка решения регулярной части в квазидиффузионном приближениидля плоской геометрии;5. Формулировка краевой задачи УПИ с граничными условиями в случаезондирования ОЭС через цилиндрическое отверстие в плоскопараллельномбесконечном облаке;6.

Обобщениеквазидиффузионногоприближениянапроизвольнуюгеометрию среды.Основные положения, выносимые на защиту и научная новизнаВ настоящей диссертации впервые получены следующие результаты:1. Предложено правило выбора шага дискретизации УПИ при заданномразрешении на основе теоремы Котельникова;2. Получена связь решения дискретного УПИ матрично-операторнымметодом с инвариантным погружением В.А. Амбарцумяна;3.

К описанию переноса в атмосфере применен метод синтетическихитераций, который является мощным источником ускорения сходимости;4. Дано решение плоской задачи в квазидвухпотоковом приближении,которое имеет преимущество по скорости по сравнению с известнымиалгоритмами более чем в 120 раз;5. Предложено решение для регулярной части в квазидиффузионномприближении,неуступающеепоскоростиквазидвухпотоковомуприближению и которое легко позволяет произвести обобщение напроизвольную геометрию среды;6. Разработан алгоритм расчета сигнала спутниковой ОЭС при наличии вполезренияцилиндрическогоотверстиявбесконечномплоскопараллельном облаке на основе квазидиффузионного приближения.5Практическая значимость диссертационной работы1. Разработанные модели сигналов спутниковых ОЭС для плоской задачипозволяют проводить верификацию новых методов решения УПИ, как вплоской, так и в некоторых случаях для трехмерной геометрий;2.

Полученноерешениевквазидиффузионномприближениидаетвозможность решать задачи при произвольной геометрии среды, чтопозволит учесть не только эффекты разорванной облачности, но также инеоднородности подстилающей поверхности;3. Созданный алгоритм получения сигналов спутниковой ОЭС позволяетпроводить обработку и интерпретацию данных пассивных систем ОДЗ;4. Аналитическаяформаполученногорешенияуравненияпереносаизлучения допускает построение обратного оператора в аналитическойформе;5.

Аналогия между задачами переноса излучения, рассеяния частиц и задачтеплопроводности, позволяет использовать все полученные результаты длямоделирования процесса переноса частиц и тепла в веществе иинтерпретации экспериментов в этих областях;Достоверность результатов диссертационной работыПодтверждаетсяматематическойстрогостьювсехпреобразований,сравнением результатов, полученных по предлагаемому методу, с численнымирезультатами, полученными другими методами (модифицированный методдискретных ординат, метод Монте-Карло, метод сферических гармоник, методконечных разностей), а также аналитическими решениями, полученнымидругими исследователями, сравнением с общепризнанными в ОДЗ алгоритмамиDISORT (NASA), SCIATRAN (ESA), Pstar (JAXA).Соответствие диссертации паспорту специальностиНастоящая работа соответствует паспорту специальности 05.11.07"Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы" по следующимпричинам.6Из паспорта специальности:«Области исследований:1.