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

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 обратныхзадач. В свою очередь решение обратных задач невозможно без построенияпрямой модели. В работе предложена математическая модель сигналаспутниковойоптико-электроннойсистемыоптическогодистанционногозондирования Земли, основанная на новом методе решения уравнения переносаизлучения.Из паспорта специальности:«2.

Разработка, совершенствование и исследование характеристик приборов,систем и комплексов с использованием электромагнитного излученияоптического 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 всефакторы, существенно влияющие на сигнал. Полученное в работе впервыерешение на основе метода синтетических итераций учитывает все известныефакторы, в том числе эффекты разорванной облачности, при этом отвечаеттребованиям и по скорости вычислений.Структура диссертационной работыДиссертация состоит из введения, трех глав, заключения и спискаиспользованной литературы.В первой главе проводится аналитический обзор.7В первом параграфе дается обзор существующих ОЭС дистанционногозондированияатмосферыиподстилающейповерхности.Обсуждаетсясовременное состояние отрасли.

Рассматривается проблема возможностиглобального потепления и парникового эффекта, как основного источника.Сформулированы требования обратных задач ОДЗ к прямым моделям переносаизлучения.Во втором параграфе приведен анализ классических методов решенияУПИ. Рассматривается развитие теории переноса излучения с формулировкипервого интегрального УПИ, простейших решений УПИ, идеи представленияобщего решения УПИ в виде суммы анизотропной и регулярной частей.Проведен анализ малоугловых методов, а также приведены результатысравнения существующих алгоритмов, которые показали, что наилучшимобразом излучение под малыми углами учитывает малоугловая модификацияметода сферических гармоник (МСГ). Для регулярной части решения такжеанализируются метод сферических гармоник, метод дискретных ординат(МДО), статистические методы Монте-Карло, метод итераций.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, в медицине и косметологии.ПроводитсяподробноеважнейшегосточкиисследованиезренияОДЗсуществующихметодовтипа неоднородности,учетатребующегообязательного перехода к трехмерии – разорванной облачности.Вторая глава посвящена дискретному УПИ, поскольку в подавляющембольшинстве случаев нас интересует именно компьютерная реализациярешения.В первом параграфе проводится анализ количества ординат дляпредставления регулярной части (РЧ).

Показано, что РЧ является гладкойфункцией, однако на ней имеется рябь с острыми пиками. Пики по энергии8незначительны, но для их описания нужно значительное число ординат.Формулируется аналог теоремы Котельникова по выбору количества ординатдля адекватного описания тела яркости. Отказ от описания в РЧ пиков даетбыстрый (порядка сотых долей секунды) расчет РЧ, учет пиков равносильныйсходимости в равномерной метрике требует уже десятков минут. Гладкость РЧзависит от формы выделения анизотропной части. Показано, что наилучшейформой анизотропной части является МСГ.Во втором параграфе приводится решение для многослойных сред.Современные модели атмосферы включают разбиение ее на десяткиоднородных слоев, что приводит к основным затратам времени на матричнооператорный метод.

Предприняты попытки преодоления МОМ. Показано, чторешение задачи может представляться двумя эквивалентными способами: черезпропагатор и рассеиватели. Впервые получено решение В.А. Амбарцумяна длядискретного УПИ. Решение рассеивателей приводит к МОМ. Пропагаторыпозволяют записать общее решение, однако его расчет приводит масштабномупреобразованию, что по сути возвращает к МОМ. Поэтому реальноесокращение возможно только на пути уменьшения размеров матриц решения вформе рассеивателей.В третьем параграфе рассматривается влияние аппаратно-программныхсредств на эффективность алгоритмов. Показано, что использование различныхаппаратных ухищрений позволяет ускорить алгоритм в лучшем случае около20%, а это значит, что наиболее существенный фактор – метод выделенияанизотропнойчастирешения.Гладкостьрегулярнойчасти,которуюобеспечивает МСГ, позволяет для ее описания использовать с хорошейточностью простейший метод решения УПИ – двухпотоковое приближение,тем самым обойти использование матриц из тысяч элементов, присущихклассическим методам.

При этом последующей итерацией можно восстановитьмелкие пики и получиться хорошую сходимость в равномерной метрике.9Третьяглавапосвященановымрешениямнаосновеметодасинтетических итераций.В первом параграфе разработано новое решение – особый случай методасинтетическихитераций–квазидвухпотоковоеприближение.МСГпрактически точно определяет излучение в переднюю полусферу.

Регулярнаячастьопределяетсявдвухпотоковомприближении,чтоприводитксокращению матрицы-рассеивателя до размеров 2х2. После чего проводитсяуточнение углового распределения (восстановление мелких пиков) с помощьюодной итерации от полного решения. Приводятся результаты численногосравнения с известными программами.Второй параграф посвящен другому особому случаю синтетическихитераций – квазидиффузионному приближению. В этом случае анизотропнаячасть снова выделяется по МСГ, а в качестве первого шага в решении длярегулярной по методу синтетических задач. Приводятся результаты численногосравнения с квазидвухпотоковым приближением.В третьем параграфе квазидиффузионное приближение развито на случайразорванной облачности.

Приводятся результаты численного сравнения спрограммой, решающей аналогичную задачу методом Монте-Карло.Заключение содержит основные практические и теоретические выводы поработе.По результатам диссертации опубликовано 6 статей и 16 тезисовдокладов.Работа изложена на 106 страницах, содержит 14 рисунков и 1 таблицу.Список литературы включает в себя 127 наименований на 12 страницах. Общийобъем работы – 120 страниц.АвторвыражаетблагодарностьсвоемунаучномуруководителюВладимиру Павловичу Будаку не только за неоценимую помощь и поддержку встановлении автора, как исследователя, но также за искреннее внимание и10участие, которые оказали сильное и исключительно положительное влияние настановление автора, как личность в целом.Хочу поблагодарить всех участников семинара «Фотометрическая теориядиффузного светового поля» (бывших и нынешних) за плодотворныеобсуждения по теме диссертации.Также хочу поблагодарить весь коллектив кафедры светотехники МЭИ заобщую подготовку в области теории сигналов оптико-электронных систем,поддержку во время работы над диссертацией.111.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР1.1. Системы оптического дистанционного зондированияПотребность человечества в осуществлении дистанционных измеренийсталамощнымтолчкомдляразвитиядистанционногозондированияподстилающей поверхности и атмосферы. Дистанционное зондирование Земли(ДЗЗ) из космоса предоставляет уникальную возможность получать ценнуюинформацию о земных объектах и явлениях в глобальном масштабе с высокимпространственнымивременнымразрешением.Космическаясъемкаповерхности планеты определяет физические, химические, биологические,геометрические параметры объектов наблюдения в различных средах Земли.ДЗЗ позволяет наблюдать за состоянием атмосферы, поверхности океанов исуши планеты, оценивать и прогнозировать изменения ее состояния подвоздействием природных и антропогенных факторов, а также обеспечиваетгосударства, юридических и физических лиц полученной информацией. Примониторинге данные космической съемки используются в сочетании с другимиисточниками информации [Малкевич, 1973; Кондратьев и Москаленко, 1977;Тимофеев и Васильев, 2003; Чернявский, 2004; Белов и др., 2014].Одной из наиболее важных задач, решение которой не представляетсявозможным без использования средств ДЗЗ, является мониторинг малыхгазовых компонентов атмосферы, вносящих вклад в парниковый эффект.Вокруг проблемы глобального потепления много спекуляций [Сорохтин иУшаков, 2002], однако, наличие в нашей атмосфере парникового эффекта кактакового сомнений не вызывает [Arrhenius, 1896], а потому слежение за егодинамикойпредставляетсявесьмаактуальнойзадачей.Согласноисследованиям [Rayner and O'Brien, 2001], для точной оценки опасностиглобального потепления необходим мониторинг стоков и истоков углекислогогаза в огромном количестве точек по всей планете.