Отзыв ведущей организации (Методы теории переноса излучения в средах с сильно анизотропным рассеянием)

УТВЕРЖДАЮ Исполняющий обязанности директора Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный ~ р~~~®-в;~ Ф~::-"',",""'-4а~ледовательский центр Институт физики Российской ук» мат наук=М.Ю. Глявин "-~~~'6" Р ~~' 2017 г. ОТЗЬ ЦИИ на диссертационную работу Илюшина Ярослава Александровича «Методы теории переноса излучения в средах с сильно «низотропным рассеянием», представленную к защите на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.03- радиофизика, Диссертационная работа Илюшина Я.А. посвящена разработке методов численного решения уравнения переноса излучения в средах с сильно анизотропным рассеянием.

Развитые в диссертационной работе методы и подходы актуальны в связи с широким кругом фундаментальных и прикладных исследований полей электромагнитного излучения различных частотных диапазонов спектра в неоднородных и случайных средах, проводимых в настоящее время. Типичной ситуацией сильной анизотропии рассеяния в случайной среде является задача о распространении оптического излучения видимого и инфракрасного диапазонов длин волн в среде атмосферного аэрозоля и тумана, возникающая в исследованиях по активному и пассивному дистанционному зондированию атмосферы, а также при расчетах радиационных полей в атмосфере в задачах исследования атмосферной динамики и климата. В представленной работе диссертантом развиты новые подходы к численному моделированию радиационного переноса в средах указанного типа.

На основе предложенных подходов созданы компьютерные алгоритмы, позволившие провести систематические исследования световых полей лазерных источников излучения в атмосферном тумане для разработки новых навигационных приборов.

Актуальность проведенного исследования связана со все более расширяющимся применением методов неразрушающей диагностики и активного воздействия с помощью электромагнитного излучения на объекты и среды случайной структуры. Среди областей применения этих методов можно указать активное и пассивное дистанционное зондирование атмосферы, задачи медицинской диагностики (как 1п м1го, так и 1п лно) и лечения, неразрушающий контроль технологических процессов и материалов на производстве. Поскольку предложенные и развитые в диссертационной работе методы и подходы отличаются универсальностью и применимы для исследования полей электромагнитного излучения в широком спектре длин волн и в средах различной природы, мы считаем, что данная работа удовлетворяет требованиям, предъявляемым к диссертациям на соискание ученых степеней по специальности 01.04,03 — радиофизика.

Практическая значимость состоит в том, что результаты диссертационной работы являются основой для прикладных расчетов технических характеристик разрабатываемого навигационного оборудования, а также анализа и интерпретации данных дистанционного зондирования Земли и небесных тел с космических аппаратов. Усилия диссертанта были направлены на разработку методов и подходов для численного расчета переноса оптического излучения в тумане, миллиметровых волн в среде атмосферных осадков и волн радиодиапазона во флуктуируюшей ионосферной плазме, и создания практических алгоритмов для решения прикладных задач на их основе. Рукопись диссертации Илюшина Я.А. состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.

Общий объем диссертационной работы составляет 295 страниц, включая 10б рисунков и 4 таблицы. Билиография включает в себя ссылки на 313 основных публикаций в отечественной и зарубежной литературе. Во Введении диссертантом обоснована необходимость развития нового общего метода решения уравнения переноса излучения (УПИ) в средах с сильно анизотропным рассеянием, сформулирована цель исследования, обоснована его актуальность, научная новизна, практическая ценность, реализация результатов работы и основные научные результаты. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Приведен список конференций и семинаров, на которых были представлены полученные результаты„и ссылка на список статей, опубликованных по материалам диссертации.

Глава 1 диссертации содержит обзор литературы и результатов других авторов по основным проблемам, составляющим предмет исследования настоящей диссертационной работы. В основном определен класс природных и антропогенных объектов, относящихся к средам рассматриваемого типа, и дан краткий обзор методов и подходов к решению уравнения переноса излучения в этих средах, в т.ч. так называемых малоугловых приближений. Различным вариантам решения УПИ в малоугловом приближении целиком посвящен отдельный пункт первой главы диссертации. В отдельные пункты также выделены обзор некоторых известных подходов к численному решению задач для УПИ с точечным мононаправленным (ТМ) источником, как отдельного важного класса задач теории переноса излучения, и обзор результатов по слабой локализации (когерентному усилению обратного рассеяния), исследование которого при весьма общих допущениях сводится к решению эквивалентной задачи для уравнения переноса излучения.

Отдельно обсуждаются ситуации, в которых необходим учет регулярных градиентов коэффициента преломления в рассеивающей среде. Глава 2 диссертации посвящена развитию техники малоугловых приближений теории переноса излучения в средах с сильно анизотропным рассеянием. В начале главы сформулирована эталонная краевая задача для нормального падения излучения плоского мононаправленного (ПМ) источника на плоский слой рассеивающей среды и получено решение поставленной задачи в малоугловом приближении с повышенной точностью учета дисперсии длин путей распространения рассеянного излучения.

Далее, полученное решение обобщается для нестационарного УПИ и обсуждается возможность применения его к решению исходной краевой задачи с выделением особенных и сильно анизотропных компонент поля излучения. Показана неэффективность масштабного преобразования при решении краевой задачи для нестационарного УПИ в спектральной области в связи с плохой обусловленностью преобразованной системы. Раздел 2.2 посвящен вопросам численного моделирования полей узких направленных пучков излучения в рассеивающих средах, т.е. технике решения раевых задач для УГ1И с точечным мононаправленным (ТМ) источником. Далее, развитый подход применяется к нестационарному УПИ для модулированных и импульсных пучков излучения. Приведены результаты большой серии прикладных расчетов видимости морских и авиационных лазерных маяков в атмосферном тумане. Приводятся также основые сведения о принципе работы и конструкции лазерного навигационного прибора, разрабатываемого с учетом полученных в диссертационной работе результатов.

В отдельном пункте раздела рассмотрены задачи переноса излучения в средах с регулярным градиентом коэффициента преломления. Установленные диссертантом некоторые общие свойства симметрии решений УПИ, важные с точки зрения развиваемых методов, также выделены в отдельный пункт раздела 2.2. В разделе 2.3 диссертационной работы излагаются полученные автором результаты по теории эффекта когерентного усиления обратного рассеяния (слабой локализации) излучения в случайных средах.

Полученные автором численные решения задачи о слабой локализации верифицируются сравнением с ранее известными приближенными асимптотическими решениями, В этом же разделе изложены полученные автором результаты исследования эффекта слабой локализации в средах с регулярным градиентом коэффициента преломления. впервые исследованного автором диссертации. В разделе 2.4 изложена развитая автором теория эффекта гало обратного рассеяния в случайных средах с сильно вытянутыми индикатрисами, теоретически предсказанного ранее в ряде работ зарубежных исследователей. Автором сформулирован аналитический критерий проявления эффекта в виде условия на входящие в уравнение переноса макроскопические параметры среды распространения. Справедливость полученного критерия проверена и подтверждена численным расчетом.

В разделе 2.5 исследованы задачи теории переноса излучения в двумерных рассеивающих средах. Получены численные и аналитические решения основных типов источников излучения (точечного изотропного и точечного мононаправленного) в двумерной среде. В разделе 2.6 предлагаемые автором подходы к решению уравнения переноса излучения обобщаются для краевых задач УПИ в трехмерных областях произвольной геометрии. В разделе 2.7 предложена разностная схема для решения малоуглового приближения УПИ в трехмерных областях среды.

Представлены примеры численных результатов, а также оценки практической эффективности подхода и скорости сходимости итераций разностной схемы при решении стационарной задачи. Глава 3 диссертации содержит полученные автором результаты по глубинной радиолокации марсианских слоистых полярных отложений. Приводится обзор литературы по физико-химическим свойствам и структуре полярных льдов Марса. Поставлены и решены задачи теории переноса излучения импульсного радиолокатора в толще слоистых полярных льдов. Полученные асимптотические решения проверены сравнением с точными аналитическими решениями уравнений электромагнитного поля для слоистой среды и экспериментальными данными. На основе полученных асимптотик сделаны оценки диэлектрических свойств полярных льдов Марса, находящиеся в хорошем согласии с оценками других авторов, сделанных с помощью других методов и подходов.

В главе 4 диссертационной работы излагаются результаты исследований по глубинной радиолокации небесных тел с космических аппаратов при наличии рельефа поверхности и глубинных горизонтов и флуктуаций плотности ионосферной плазмы. Обоснован и изложен развитый автором общий подхол к вычислению корреляционных функций поля произвольного порядка в средах указанного типа. На основе предложенного подхода разработан практический алгоритм и проведены расчеты средней интенсивности радиолокационных импульсов глубинного радиолокатора с синтезированной апертурой МАКБ1Я на космическом аппарате Марс Экспресс (МЕХ).

Сделаны оценки деградации пиковой мощности и разрешающей способности по глубине (уширения радиолокационного импульса) в результате рассеяния на флуктуациях плотности ионосферной плазмы и поверхностном рельефе планеты. Исследованы возможности применения приборов подобного типа для зондирования океанов на ледяных спутниках Юпитера, в частности, на Ганимеде. В главе 5 представлены результаты исследований автора по микроволновой радиометрии дождевых осадков из космоса. Проведен обширный цикл численных расчетов полей теплового излучения кубических дождевых ячеек с учетом несферической формы дождевых капель, обусловливающей дихроизм среды распространения излучения. Показана определяющая роль ячеистой структуры дождевых осадков в формировании пространственно-углового распределения интенсивности и поляризации наблюдаемого теплового излучения, и необходимость рассмотрения переноса излучения в трехмерно-неоднородной рассеивающей среде для моделирования и анализа полей радиотеплового излучения реальных дождевых осадков.