Отзыв оппонента 2 (Быстрые и точные алгоритмы расчета сигналов оптико-электронной системы дистанционного зондирования из космоса)

ОТЗЫВ официального оппонента к.ф.-м.н. Долгушина Сергея Анатолиевича на диссертационную работу Шагалова Олега Владимировича на тему «Быстрые и точные алгоритмы расчета сигналов оптико-электронной системы дистанционного зондирования атмосферы из космоса», представленную на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 — Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы Актуальность темы диссертации Диссертационная работа Шагалова О,В. посвящена разработке быстрого и точного алгоритма расчета сигналов оптико-электронной системы (ОЭС) дистанционного зондирования атмосферы из космоса, способствующих повышению эффективности методов и средств оптического дистанционного зондирования (ОДЗ) Земли.

Тематика развития методов ОДЗ достаточно актуальна и обусловлена необходимостью постоянного мониторинга газовых компонентов атмосферы, например, с целью выявления загрязнений или определения содержания газов, вносящих вклад в парниковый эффект, Следует отметить, что для реализации подобного мониторинга особенно важна точность измерений, по разным оценкам она должна быть достаточно высокой, с погрешностью не более одного процента. Спутниковые системы, способные проводить измерения с подобной точностью, появились относительно недавно. Данная работа посвящена решению прямых задач теории переноса излучения в атмосфере при моделировании регистрируемого сигнала на ОЭС спутника. Поскольку все спутниковые измерения являются косвенными, то без решения прямой задачи невозможно перейти к решению обратной задачи реконструкции искомых данных, полученных при ОДЗ.

Технические характеристики современных измерительных ОЭС кардинально изменили требования к прямым моделям переноса, во-первых, существенно повысились требования к точности измерений (погрешность не более одного процента), во-вторых, измерения проводятся на десятках тысяч спектральных линий (гиперспектральность). Для выполнения первого условия в модель необходимо включать все известные факторы, существенно влияющие на регистрируемый сигнал, например, анизотропию рассеяния, истинное поглощение газовыми компонентами атмосферы, отражение подложкой, эффекты разорванной облачности и т.п.

Второе условие задает жесткое требование к новому алгоритму по скорости вычислений, т.е. не более одной секунды для одной длины волны. Разработка и успешная реализация нового алгоритма, удовлетворяющего этим требованиям, представлена в данной работе. Содержание работы Материалы диссертационной работы представлены на 106 страницах текста, содержат 14 рисунков, 1 таблицу, список литературных источников из 127 наименований. Диссертация включает в себя введение, три главы, заключение, список литературы.

Во введении диссертации обосновываетсл актуальность и вюкность выбранной темы исследования, представлены цели и задачи работы, ее научная новизна, теоретическая и практическая значимости. Также приводятся используемые автором методология и методы исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведены сведения о соответствии работы паспорту специальности, описаны степень достоверности и апробация результатов исследования.

В ~ар ой главе работы приведен внюзитинеский обзор литературнык источников по теме исследования. Автором приводится обзор методов регистрации отраженного от земной поверхности излучения различными измерительными системами спутников, осуществляющих мониторинг газовых компонентов атмосферы. Приведены сведения о точности и спектральном диапазоне измерительной аппаратуры. Отмечено, что для эффективного использования гиперспектральных систем к прямым моделям выдвигаются крайне жесткие требования по временным затратам и скорости вычисления, а именно: не более одной секунды при точности не хуже одного процента для одной заданной длины волны.

Во введении приведен краткий обзор методов аналитического решения стационарного уравнения переноса излучения (УПИ) для двумерной среды. Поскольку при переходе к трехмерному случаю УПИ не может быть решено аналитически, это требует разработки численных методов решения. В работе приведен обзор актуальных методов моделирования переноса излучения для трехмерной геометрии рассеивающей среды при решении практических задач ОДЗ и в медицине. На основании анализа литературных источников автором были определены цели и задачи самостоятельного исследования, сформулированы объект и предмет исследования.

Во в~то ой главе излагаютси результать разработки метода синтетических итераций, который позволяет снизить количество ординат в методе дискретных ординат 1МДО), и тем самым существенно повысить скорость вычислений без потери точности. Задача поиска оптимального сочетания между скоростью вычислений и их точностью неизбежно возникает при решении численных задач.

В данном случае постановка задачи следующая: известно, что алгоритм МУРОМ хотя и является точным решением УПИ, но для его практического применения необходимо повысить скорость вычислений более чем на три порядка, что очевидно недостижимо в ближайшей перспективе. Следовательно, необходима разработка новых подходов для решения подобного класса задач. В качестве такого подхода в работе предложено использование известного метода «синтетических итераций».

В этом случае единственная «итерация» состоит на двух этапов. На первом этапе необходимо приближенным методом максимально точно вычислить значение энергии, а на втором этапе уточнить угловое распределение яркости, используя в качестве априорной информации вычисленное значение энергии на первом шаге. В третьей главе разрабатывается решение УПИ в двухпотоковом приближении, которое представляет собой применение метода «синтетических итераций», когда в качестве первого шага (приближенного решения) использовано простейшее решение УПИ в двухпотоковом приближении Шварцшильда-Шустера, что приводит к системе из двух дифференциальных уравнений для потоков энергии, распространяющихся вверх и вниз.

Сравнение полученного решения с МЪ'БОМ показало хорошее совпадение по точности при ускорении вычислений на несколько порядков, как для верхней, так и для нижней полуплоскости. В работе также рассмотрено квазидиффузионное приближение, здесь в методе «синтетических итераций» вместо двухпотокового приближения на первом этапе используется диффузионное приближение. Такой переход обусловлен тем, что двухпотоковое приближение является зависимым от горизонтальной симметрии среды, что делает невозможным его обобщение для случая произвольной геометрии. Диффузионное приближение представляет собой разложение регулярной части углового распределения яркости в ряд по сферическим гармоникам с удержанием первых двух членов, и не зависит от симметрии среды.

Для зависимостей регистрируемого сигнала от угла визирования, полученных двухпотоковым и квазидиффузионным методом для различных значений параметров среды показано хорошее совпадение по точности при практически одинаковом времени расчета. В заключительной части работы рассмотрен вопрос учета эффектов разорванной облачности при моделировании сигнала спутниковой ОЭС для случая, когда разрыв облачности представляет собой цилиндрическое отверстие в плоскопараллельном облаке, облучаемом плоским мононаправленным источником под углом 0». Показано, достаточно хорошее совпадение результатов, полученных квазидиффузионным приближением и методом Монте-Карло, при этом время расчета квазидиффузионным приближением в несколько десятков раз быстрее, чем по методу МонтеКарло.

В заключении автором приводятся основные результаты выполненных исследований, рекомендации по использованию полученных результатов и перспективы дальнейшей разработки темы. На чная новизна и п актическая значимость основных положений и результатов диссертации. Несомненной научной новизной обладают изложенные автором в тексте диссертации результаты разработки и применения метода синтетических итераций, который позволяет снизить количество ординат в методе дискретных ординат, и тем самым существенно повысить скорость вычислений без потери точности. П актическая значимость результатов работы заключается в том„что представленные модели сигналов спутниковых ОЭС для плоской задачи позволяют проводить верификацию новых методов решения УПИ.

Полученное решение в квазидиффузионном приближении позволяет решать задачи при произвольной геометрии среды, что позволит учесть не только эффекты разорванной облачности, но также и неоднородности земной поверхности. Достоверность и обоснованность основных положений и результатов диссертации обусловлена математической строгостью аналитических выкладок, проверкой результатов, полученных автором аналитически с численными решениями, а также сравнением с результатами других исследователей. Ап оба ия аботы и п блика ии Результаты диссертационного исследования представлены на ! 6 конференциях, в том числе международных. По теме диссертации автором опубликовано 6 работ, в том числе 6 статей вышло в журналах из перечня ВАК.

Опубликованные работы в полной мере отражают основное содержание диссертации. Вместе с тем по диссертационной работе можно отметить следующие замечания 1) В литературном обзоре следует привести рисунок, поясняющий работу регистрирующей системы спутника при ОДЗ. 2) Следует привести блок-схему работы метода «синтетических итераций». 3) Не приведен список использованных сокращений и условных обозначений, отсутствует расшифровка ряда аббревиатур, упоминаемых в тексте диссертации, например МОМ. В некоторых формулах не расшифрованы некоторые обозначения, входящих в них величин, например, в формуле (1.3) не расшифровано р, (1.4) — р, (1.9) — с!(т, р;), (1.12) — а.

В работе используется индикатриса в виде Хини-Гринштейна, при этом в списке литературы не приведена ссылка на первоисточник. 4) Не подписаны оси на рисунках 13 и 14. Во всех рисунках ошибочно проставлены точки в конце подписи. Заключение по иссе та ионной аботе Тем не менее, указанные недостатки не снижают уровня представленной работы.

Считаю, что представленная диссертационная работа представляет собой законченный научно-исследовательский труд при этом актуальность темы исследования, научная новизна, достоверность, обоснованность основных положений, выводов, представленных в диссертации не вызывают сомнений. Материалы диссертационного исследования изложены достаточно грамотным научно-техническим языком. Поставленные автором цели и задачи диссертационного исследования успешно решены, получены новые результаты, которые опубликованы в ведущих оптических журналах. Официальный оппонент, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры биомедицинских систем МИЭТ ч къ .писа,го +7-1499)-720-87-63 — 'С.А.

Долгушин Подпись с.н.с. кафедры БМС МИЭТ к.ф.-м.н. С.А. Долгушина удостоверяю 6ЕРК6 ЯАЧ ИЛ.ШАБРОВ -,: р, 6 Б ЗАБОЛ~ХРМЙ $ Требования Положения о присуждении ученых степеней, утвержденного постановлением Правительства РФ 24.09.2013 г., предъявляемые к кандидатским диссертациям, в работе выполнены. Содержание автореферата соответствует содержанию диссертации. На основании вышеизложенного считаю, что диссертационная работа Шагалова Олега Владимировича на тему <<Быстрые и точные алгоритмы расчета сигналов оптико-электронной системы дистанционного зондирования атмосферы из космоса» полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации к кандидатским диссертациям, а ее автор заслуживает присвоения ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 — Оптические и оптико- электронные приборы и комплексы.

.