Многокомпонентный метод описания светового поля в средах с сильной анизотропией рассеяния применительно к задачам моностатического дистанционного зондирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Б.И. Степанова

УДК 681.783.25-1-551.501.816

РГ6 од

2 2 ПОЛОНСКИЙ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ МЕТОД ОПИСАНИЯ СВЕТОВОГО ПОЛЯ В СРЕДАХ С СИЛЬНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ РАССЕЯНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ МОНОСТАТИЧЕСКОГО ДИСТАНЦИ01Ш0Г0 ЗОНДИРОВАНИЯ

(01.04.05 - Оптика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск 1998

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики им.Б.И.Степанова HAH Беларуси.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник Зеге Е.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Лучинин А.Г.

доктор физико-математических наук Предко К Г.

Оппонирующая организация: Санкт-Петербургский филиал Института

океанологии РАН

Защита состоится "_"_ 1998 года в ___часов на заседании совета Д 01.05.01

по защите диссертаций в Институте физики НАН Беларуси по адресу: 220072, Минск, пр. Ф. Скорины, 70.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института физики НАН Беларуси.

Автореферат разослан "_"_1998г.

Ученый секретарь совета доктор физико-математических наук

A.A. Афанасьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Основной трудностью решения задач, связанных с расчетом лвдарного сигнала, отраженного от облаков, является необходимость учета многократного рассеяния. Не случайно методология решения этих задач первоначально базировалась на численных методах, основным из которых является метод Монте-Карло. Из аналитических методов первоначально были получены решения в предельных случаях малых и больших времен, что соответствует приближению однократного рассеяния и асимптотическому решению для больших времен, соответственно. В дальнейшем прогресс аналитических методов связан с учетом вклада двукратно рассеянных фотонов и использованием малоуглового приближения. Последний подход ввиду его неудобств практически не развивался и не использовался. Ввиду растущего применения лидаров для зондирования оптически плотных сред, в настоящее время объектом пристального интереса является построение уравнения лазерной локации с учетом многократного рассеяния и методов его обращения. Состоявшийся запуск и успешная работа космического лидара усилили интерес к данной проблеме.

Однако для решения этой задачи, а также при решении многих проблем климатологии, разработки систем оптической связи и локации, возникает настоятельная потребность в методах описания распространения излучения от природных и искусственных источников в рассеивающих средах, которые, как правило, обладают сильно вытянутой индикатрисой рассеяния. Естественно, выбор конкретного метода расчета определяется характером поставленной задачи и всегда является компромиссом между требуемой точностью расчета и простотой решения.

Разумеется, для решения задач переноса излучения разработано большое количество численных методов, а также используется моделирование методом Монте-Карло. Однако аналитические методы имеют свои неоспоримые преимущества - максимальная общность выводов, удобство формул, представляющих решение в явном виде и, следовательно, возможность выявить характерные черты поля излучения как внутри, так и вне рассеивающей среды. Поэтому аналитическая теория является, с одной стороны, фундаментом для развития численных методов, а, с другой оптимальным тестом.

Известная сложность решения уравнения переноса и необходимость разработки аналитических методов его решения привела к возникновению многочисленных приближенных подходов. При их построении обычно используется (в явном или неявном виде) априорная информация о структуре светового поля в среде. Как правило, она касается величины дисперсии Оэ углового распределения яркости. В зависимости от величины этого параметра обычно выделяют два крайних типа формирования светового поля:

1. "малоугловой", когда Д, « 1;

2. "диффузионный", когда дисперсия Г>9 немала.

В настоящее время хорошо развиты приближенные методики, позволяющие исследовать характеристики светового поля как "малоуглового"; так и "диффузионного" типа в отдельности. При этом диффузионные методы могут использоваться, в случае индикатрис с произвольной асимметрией, если одновременно выполняются два условия:

Здесь g - средний косинус (фактор асимметрии) индикатрисы рассеяния, г0 -характерный размер среды (например, толщина плоского слоя, диаметр сферы, наименьший размер рассеивающего объема).

Малоугловые методы применяются в случае сильновытянутых индикатрис (1- ¿'«1) при выло лненяи дополнительно хотя бы одного из условий:

е-ст

а=-->1

а(1-*)

(2)

Однако, в оптических задачах, как правило, необходимо учитывать оба типа формирования светового поля одновременно. Именно такая ситуация имеет место,

например, при решении задачи о распространении видимого излучения от направленного источника (Солнце, лазер) в облаках, где могут реализовываться любые значения z0 при малых а. Упомянутые приближенные методики позволяют описать структуру светового поля лишь для некоторых частных ситуации. Например, характеристики излучения "вперед" в "приграничной области", где угловое распределение яркости сильно анизотропное (малоугловые методы), и световые поля в области значительных оптических глубин, где угловое распределение интенсивности излучения слабо вытянуто (диффузионное приближение (ДП)). Для расчета характеристик светового поля в промежуточной области, а также угловых особенностей отраженного излучения, как те, так и другие методики малопригодны. Преодолеть это затруднение можно ка основе покомпонентного анализа структуры светового поля, при котором можно сочетать малоугловые методы и методы решения уравнения переноса в средах со слабо вытянутой индикатрисой рассеяния, общая схема которого и представлена в настоящей диссертации и названа многокомпонентным методом.

Связь работы с крупными научгогми программами, темами.

Настоящая работа выполнялась в рамках международного сотрудничества. Формально ото оформлено в виде международной рабочей группы MUSCLE (Multiple-Scattering in Lidar Experiments). Основным направлением ее деятельности является исследование влияние многократного рассеяния .на формирование лидарного сигнала. Полученные результаты регулярно докладывались на заседаниях группы и использовались при проведении сопоставлений данных расчетов между участниками.

Цепи и задачи исследования. •

Основной целью настоящей работы было получить аналитическое решение для лидарного сигнала с учетом многократного рассеяния при моностатическом зондировании стратифицированной рассеивающей среды.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи: 1. разработана общая схема многокомпонентного метода описания переноса излучения в плоскопараллельном слое рассеивающей среды с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния при произвольном поглощении;

2. предложена схема расчета характеристик пространственно-углового распределения светового поля при распространении в шоскопараллельном слое рассеивающей среды с сильно вытянутой индикатрисой рассеяния при произвольном поглощении при освещении границы среды направленным стационарным источником;

3. создана методика расчета характеристик импульса и моделирование его формы, при распространении его в плоскопараллельном слое рассеивающей среды при освещении границы среды бесконечно широким источником.

Научная новизна полученных результатов.

1. Впервые получено уравнение моностатического лазерного зондирования с учетом многократного рассеяния и его упрощенный вариант при больших расстояниях между лидаром и объектом зондирования.

2. Для случая зондирования жидкокапельных облаков из космоса впервые показана слабая зависимость лидарного сигнала от всех характеристик среды за исключением профиля показателя ослабления.

3. В диссертации получила дальнейшее развитие и окончательную формулировку общая схема компонентного анализа переноса излучения, причем для каждой из компонент сформулировано уравнение типа уравнения переноса. Использование такого подхода позволило создать новые приближенные методики:

• Для расчета распределения интенсивности света в плоскопараллельном слое рассеивающей среды при произвольном поглощении при наклонном освещении ее границы,

• для расчета распространения импульса при освещении границы среды бесконечно широким источником.

4. Впервые была использована локальная система координат при решении задачи о наклопном освещении границы плоскояараллельной среды

Практическая значимость полученных результатов.

Предложенные методики были использованы для решения различных задач, связанных с

переносом излучения в рассеивающих средах. В частности, на их основе бшо создан новый

метод обработки результатов дистанционного зондирования жидкокапельных облаков при

зондировании из космоса, учитывающий многократно рассеянный свет, с целью восстановления оптических и микрофизических параметров зондируемых сред.

Основные положения диссертация, выносимые на защиту:

1. Разработана схема компонентного анализа переноса излучения, причем для каждой из компонент светового поля сформулировано уравнение типа уравнения переноса. Показано, что такой подход позволяет строить эффективные приближения при исследовании распространения света в средах с сильной анизотропией рассеяния;

2. Получено уравнение лвдарного зондирования с учетом многократного рассеяния, которое позволяет рассчитывать с высокой точностью энергетические и поляризационные характеристики лидариого сигнала.

3. Показано, что при большом удалении лидара от объекта зондирования реализуется режим, когда лидарный сигнал не зависит от поля зрения приемника. Для этого случая получено уравнение космического лидарного зондирования.

4. Разработана основанная на многокомпонентном методе методика расчета распределения интенсивносга света в плоскопараллельном слое рассеивающей среды при произвольном поглощении, включающий случай наклонного освещения границы среды.

5. Разработана основанная на многокомпонентном методе методика расчета распространения импульса при освещении границы среды бесконечно широким источником, которая позволяет описывать многомодальную форму импульса, регистрируемую в реальных экспериментах.

Личный вклад соискателя.

Диссертационная работа в основном отражает личный вклад автора в проведенные исследования. Научный руководитель Э.П. Зеге и И.Л. Кацев принимали непосредственное участие в постановке задач и обсуждении полученных результатов.

Диссертационная работа- выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики НАНБ им. Б.И.Степанова.

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность Э.П. Зеге за руководство, постоянное внимание, помощь и плодотворное сотрудничество на всех этапах исследования, И.Л. Кацеву за обсуждения результатов и постоянное внимание к

работе, всем сотрудникам Лаборатории оптики рассеивающих сред за помощь и полезные обсуждения полученных результатов.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения и изложена на 131 страницах машинописного текста, иллюстрируется 25 рисунками, включает б таблиц и список цитируемой литературы из 86 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы исследования: сформулированы цели работы и основные положения, выносимые на защту.

Первая глава содержит описание идеи и принципиальной схемы покомпонентного анализа светового поля в' рассеивающей, среде,. которая названа многокомпонентным методом. Идея его проста. Обычно при расчете временных и пространственно-угловых характеристик интенсивности светового поля в момент времени Г в точке Л и

направлении п исходят из уравнения переноса

\ +Ш + е ]/(<,Д и) = — |х(й,«')/('.Я,п')сЯ'+ЕЦ,И,п), П)

\сЫ ) 4л-1 •

где с - скорость света, 8 и о - показатели ослабления и рассеяния света, соответственно, %(п,п') - индикатриса рассеяния на угол Р=йЛ'. Далее, при построении приближения выделяют наиболее существенную часть светового поля (малоугловая - при построении малоугловых приближений, диффузионная - при построении диффузионного приближения) и проводят допустимые в рамхах развиваемого приближения преобразования уравнения (3). Базовая идея многокомпонентного метода основывается на том, что в реальных рассеивающих средах пространственно-угловая и временная структура светового поля в

значительной степени обусловлена видом индикатрисы рассеяния. Поэтому представим индикатрису рассеяния в виде суммы нескольких характерных составляющих

(4)

и каждой компоненте %к (Р) индикатрисы рассеяния поставим в соответствие компоненту Д (/, Д л) светового поля, которая в отсутствии внутренних источников подчиняется уравнению типа исходного уравнения переноса (2)

с а )

» 1 > (5)

471 (=1 471 ,=0

Предложен алгоритм разбиения индикатрисы рассеяния на три компоненты при исследовании распространения излучения в облаках, а также морской и океанской воде.

Показано, что в рамках многокомпонентного метода естественным образом развивается приближение, позволяющие описывать световое попе, характеризующиеся одновременно чертами как малоуглового, так и диффузионного типа, причем в качестве базовых используются классические приближения, например, малоугловое и диффузионное.

На основе сопоставления с ранее развитыми подходами теории переноса излучения показано, что при использовании многокомпонентного метода практически любое приближение из аппарата приближенных методов решения уравнения переноса имеет четко обоснованный и строгий вывод в отличие от обычно используемого феменолошческого подхода, что позволяет корректно проводить оценку величины пренебрегаемых членов.

Вторая глава посвящена тестированию предложенного варианта многокомпонентного метода. В ней проиллюстрированы принципы использования развитой в Главе 1 общей схемы многокомпонентного метода в простейшем случае построения аналитического приближенного решения классической задачи о световом поле в плоском облаке при солнечном освещении. Для решения этой проблемы известны многочисленные численные методы. Предложенное приближенное решение является удачным дополнением, особенно удобным для решения геофизических задач. Получены следующие результаты:

1. использование многокомпонентного метода позволяет получать простые приближенные аналитические решения, которые описывают угловую структуру светового поля с точностью, сопоставимую с точностью численных методов (Рис. 1);

2. в рамках многокомпонентного метода естественным образом получаются решения, описывающие мультимодальные несимметричные угловые структуры, характерные, для реального углового распределения интенсивности. Учет этих особенностей функции 7(/,Л,Я) очень важен во многих практических задачах, например, при расчете систем ориентации "на источник" через аэрозольный слой, при решении обратных задач и т.д;

3. полученное решение тем более точно, чем резче выделены высокочастотные компоненты индикатрисы, т.е. в тех ситуациях, где наиболее трудно получить высокую точность численных решений (в зависимости от метода требуется большое число полиномов Лёжандра в разложении индикатрисы, узлов квадратур, узлов конечно разностной сети и т.д.).

В третьей главе выводится лидарное уравнение и на его основе предлагается полуаналитический метод расчета лидарного сигнала, учитывающий вклад многократного рассеяния. Такой учет особенно важен, при исследовании особенностей зондирования таких сильно рассеивающих стратифицированных природных сред, как облака, плотные аэрозоли, морская вода. Используемое приближение основано на учете многократного рассеяния света в направлении "вперед" и только одной кратности рассеяния в направлении "назад". Показано, что в этом случае лидарный сигнал имеет вид

в в

Рис.1 Яркость рассеянного света, пропущенного и отраженного облаком оптической толщины то = 64 (а), а также внутри слоя на оптических глубинах х = 3.2 (б), х = 12.8 (в), т - 32 (г). Метод Монте-Карло - круги, метод сферических гармоник - звездочки, асимптотическое решение - квадраты, многокомпонентный метод - сплошные линии.

_Р(г) = Ж0 ст(г)/гь(г,п)Гг{г,г= 0,п)М,

(6)

где Г^ (г, г = 0,п) угловое распределение светового поля в эффективной среде на оси пучка на глубине г вследствие эффективного источника, расположенного в точке (-#,0) и характеризующегося пространственно угловой диаграммой

Эффективная среда по всем своим характеристикам совпадает с аналогичными характеристиками реальной, но имеет в два раза большие показатели ослабления и рассеяния в каждой точке

Показано, что в области малых оптических толщин полученное решение переходит в известные формулы, полученные ранее в приближении одно- и двукратного рассеяния. Детально исследована точность полученного уравнения на основе сопоставления с расчетами методом Монте-Карло для стратифицированного облака (рассеивающие слои перемежаются со слабо рассеивающими или вообще не рассеивающими слоями, Рис.2). Проанализирована погрешность, возникающая вследствие пренебрежения фотонами, два и более раза рассеянными на большие углы. Приводится обобщение предлагаемого метода расчета лидарного сигнала, учитывающее поляризацию.

В четвертой главе показано, что в случае большого удаления лидара от объекта зондирования, полученное уравнение лидарного зондирования приобретает существенно более простой вид

(7)

Е'/(2)=28(Г), а'1 (:)=2а(г).

(8)

2, [М]

Рис 2. Мощность лидарного сигнала Б(г) при зондировании облака, состоящего из трех слоев. Расстояние между облаком и лидаром Н = 1000 м. Поле зрения приемника -0.015. Кривые - расчет по формуле 3.21 при = 0 (сплошные линии) и РИ. = 0.5 (пунктир). Значки - расчет методом Монте-Карло при Рй. = 0 (треугольники) и И*. = 0.5 (кружки).

поскольку (г, п) угловое распределение светового поля в эффективной среде на глубине г вследствие эффективного бесконечно широкого источника. Его расчет эквивалентен решению классической задачи о распространении солнечного излучения в плоскопараллельной атмосфере

Проведено исследование информативности лидарного сигнала при зондировании жидкокапельных облаков в случае зондирования из космоса. Показано, что временная развертка сигнала даже с учетом многократного рассеяния тесно коррелирует с пространственным распределением показателя ослабления и практически не зависит от других оптических характеристик облака. Отсюда следуют два нетривиальных и важных вывода:

• по данным лидарного зондирования облаков из космоса в видимом диапазоне, несмотря на определяющий вклад многократного рассеяния в принимаемый сигнал, могут быть получены данные о стратификации облака, по крайней мере, до оптических толщин порядка 4-5;

• использование многоволнового зондирования в видимом диапазоне с целью определения параметров микроструктуры облака в этом случае вряд ли эффективно.

В пятой главе на базе полученного лидарного уравнения и многокомпонентного представления светового поля внутри среды анализируется информационное содержание лидарного сигнала при зондировании водных жидкокапельных облаков. Показано, что наибольшей чувствительностью к вариации параметров микроструктуры облака обладает составляющая лидарного сигнала, связанная с дифракционной компонентой индикатрисы рассеяния. Показано, что представленная модель формирования лидарного сигнала позволяет выбрать параметры приемо-передающей системы лидара, обеспечивающие максимальный вклад дифракционной компоненты по отношению к вкладу других составляющих лидарного сигнала. .

Использование малопараметрической модели рассеивающих свойств пояидисперсий крупных сферических частиц позволяет объяснить характерные особенности формирования лидарного сигнала нри зондировании теплых жидкокапельных облаков. Адекватность ее показана напрямую исходя из особенностей рассеяния света на полидисперсиях сферических частиц, и, косвенно, исходя из предсказанных моделью и реально рассчитанных на основе рассчитанных по теории Ми, характеристик лидарного сигнала.

На основе предложенной модели показано, что наиболее информативной характеристикой распределения облачных частиц по размерам является эффективный оптический радиус рг/, Причем наиболее чувствительной к вариации рг/ компонентой лидарного сигнала является дифракционная компонента. Полученный в работе вид зависимости угловой структуры дифракционной компоненты от р,г может послужить

основой для разработки методов решения обратной задачи, т.е. оценка параметров микроструктуры облака по данным зондирования яидарами обратного рассеяния.

В Приложении рассматривается решение задачи о распространении света в рассеивающей среде при наклонном освещении ее границы среды, Для решения используется малоугловое диффузионное приближение. Показано, что введение локальной системы координат при решении задачи о наклонном освещении границы плоскопараллельной среды позволяет расширить пределы применимости малоуглового диффузионного приближения на случай освещения грапицы среды под произвольным углом, в отличие от существовавшего ранее ограничения малых углов падения.

ВЫВОДЫ

Итогом проведенной работы является обоснование и вывод уравнения моностатического лазерного зондирования, учитывающего вклад многократного рассеяния, применительно к зондированию сред с крупными рассеивателями (облака, аэрозоли, морская и океанская вода и т.д.). Основу исследования составило развитие многокомпонентного метода и адаптация его к основному аппарату приближенных методов решения уравнения переноса (малоугловое. и малоугловое диффузионное приближения, диффузионное приближение). На всех этапах работы основное внимание уделялось максимально возможному упрощению расчетной схемы, что важно для решения задач переноса излучения, особенно, при проведении качественного анализа, когда требуется проведение большого количества расчетов при необходимости вариации практически всех значимых параметров задачи.

Сформулируем основные результаты и выводы работы:

1. Для решения поставленной задачи сформулирована в явном виде общая схема многокомпонентного метода и показана его эффективность при решении конкретных задач.

2. Обосновано и получено уравнение моностагического лазерного зондирования рассеивающих сред с учетом многократного рассеяния.

3. Показано, что в случае большого удаления лидара от среды уравнение лазерного зондирования существенно упрощается, и именно это уравнение описывает космическое лазерное зондирование.

4. Исследована информативность лидарного сигнала от жидкокапельного облака. Показано:

• В случае космического зондирования лидарньш сигнал с учетом многократного рассеяния тесно коррелирует с пространственным распределением показателя ослабления и практически не зависит от других оптических характеристик облака, а также параметров приемопередающей системы лидара.

♦ Если расстояние между облаком и лидаром невелико (« 104 м), то зависимость лидарного сигнала от параметров микроструктуры сосредотачивается в дифракционной компоненте лидарного сигнала и может быггь исследована при условии дискриминации вклада однократно рассеянного назад света.

5. Предложен эффективный метод оценки многомерных интегралов, возникающих при использовании МУП (теория видения), построенный на основе многокомпонентного метода.

Апробация работы и публикации. ; Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Томск 1987; III Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск, 1985; Ш съезда советских океанологов, Ленинград, 1987; IV Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде, Обнинск-Барнаул, 1988; X Пленума рабочей группы по оптике океана Комиссии АН СССР по проблемам Мирового океана, Ленинград, 1988; XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн, Харьков, 1990; XI

Пленума рабочей группы по оптике океана Комиссии АН СССР по проблемам Мирового океана, Красноярск, 1990; XV International Laser Radar Conference, Tomsk, USSR, 1990, SPIE-93, Characterisation, Propagation and Simulation of Sources and Backgrounds Ш, 12-13 1993; ХП Симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск, 1993; 5-th - 8-th International Workshops on MUSCLE, 1992 - 1996. Основные результаты диссертации достаточно полно содержатся в следующих работах:

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Зеге Э.П., Полонский И.Н., Чайковская Л.И., Особенности распространения излучения при наклонном освещении поглощающей анизотропно-рассеивающей среды // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. - 1987 - Т.23,- N5,- С.486-492.

2. Зеге Э.П., Кацев И.Л, Полонский И.Н. Модификация малоуглового диффузионного приближения с учетом особенностей формы индикатрисы рассеяния в малых углах // Оптика атмосферы. - 1988,- Т.1,- N 11,- С. 19-27.

3. Зеге Э.П., Кацев И.Л., Полонский И.Н. Методика расчета энергетических и временных характеристик импульса излучения, пропущенного облачным слоем. // Сб. Техника средств связи. Сер. Техника радиосвязи. - 1990! - Вып.6. - С.53-61.

4. Зеге Э.П., Кацев И.Л., Полонский И.Н. Аналитическое решение уравнения переноса в среде с сильно анизотропным рассеянием // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. - 1992. - Т.28. - N б. - С.588-598.

5. Зеге Э.П., Кацев И.Л., Полонский И.Н. Учет многократного рассеяния при лазерном зондировании стратифицированной рассеивающей среды. 2.0собенности зондирования из космоса. - Известия РАН. Сер. Сер. Физика атмосферы и океана. - 1998,- Т.34,- N 2.-С. 253-260.

6. Zege Е.Р., Katsev I.L., Polonsky I.N. Multicomponent approach to light propagation in clouds and mists//Appl.Opt. - 1993. - Vol.32. -N15. - P.2803-2812.

7. Zege E.P., Katsev I.L., Polonsky I.N. Analytical Solution to Lidar Return Signals from Clouds with Regard to Multiple Scattering//Appl.Phys. - 1995. - V0I.B6O. - P.34S-353.

РЕЗЮМЕ. Полонский Игорь Николаевич. МНОГОКОМПОНЕНТНЫ Ü METO/ ОПИСАНИЯ СВЕТОВОГО ПОЛЯ В СРЕДАХ С СИЛЬНОЙ АНИЗОТРОПИЕ! РАССЕЯНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ MOHO СТАТИЧЕСКОГО ДИСТАН ЦИОДНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ.

Ключевые слова: лидарное зондирование, микроструктура, многократное рассеяние света теория переноса излучения, информационное содержание

Сформулирована в явном виде общая схема многокомпонентного метода и показан; его эффективность при решении конкретных задач на примере решения задачи о pacnpocipa нении солнечного излучения в плоскопараллельной атмосфере.' Точность полученной такил образом методики оценивалась на основе сопоставления с численными методами (Монте-Карло, метод сферических гармоник).

Получено уравнение моностатического лазерного зондирования, учитывающее вкла; многократного рассеяния, применительно к зондированию сред с крупными расссиватслям! (облака, аэрозоли, морская и океанская вода и т.д.). Используемое приближение основано н'< учете многократного рассеяния света в направлении "вперед" и только одной кратносп рассеяния в направлении "назад". Точность предлагаемой методики тщательно тестирован* на основе сопоставления с расчетами методом Moirre-Карло. Приводится обобщен« предлагаемого метода расчета лидарного сигнала, учитывающее поляризацию.

Показано, что в случае большого удаления лидара от среды уравнение лазерногс зондирования существенно упрощается и имеет вид уравнения космического лазерногс зондирования. Показано, что в этом случае лидарный сигнал с учетом многократного рассеяния тесно коррелирует с пространственным распределением показателя ослабления и практически не зависит от других оптических характеристик облака, а также параметров приемопередающей системы лидара.

Показано, что если расстояние между облаком и лидаром невелико (« 104 м), то зависимость лидарного сигнала от параметров микроструктуры сосредотачивается в дифракционной компоненте лидарного сигнала и может быть исследована при условии дискриминации вклада однократно рассеянного назад света.

SUMMARY. Polonsky Igor Nikalaevich. MULUCOMPONENT APPROACH TO DESCRIBE LIGHT FIELD IN STRONGLY ANIZOTROPIC MEDIA WITH REGARD TO LIDAR SOUNDING.

Key words: lidar sounding, microstructure, light multiple scattering, theory of radiation transfer, information content

The general scheme of multicomponent approach is developed and its efficiency is shown solving the problem of sunlight propagation in plane parallel atmosphere. The accuracy of the developed solution is estimated on the base of comparison with numerical simulation (Monte Carlo, spherical harmonics).

The monostatic laser sounding equation with regard to multiple scattering and sounding of media with large scatters (cloud, mists, sea and ocean water) is developed. The approximation used is based on taking into account multiple scattering to forward hemisphere and only single scattering into back hemisphere. The accuracy of proposed equation is carefully tested on the base of comparison with Monte-Carlo. The generalization, including polarization characteristics of lidar signal, is given.

It is shown that in the case of large distance between lidar and sounding medium the developed lidar equation could be simplified and has a form of the space lidar sounding equation. It is shown that in this case lidar signal with regard to multiple scattering is strongly correlated with extinction coefficient profile and practically independent on other optical properties of water cloud and sounding geometry.

It is shown that, if lidar - cloud distance is not large (« 104 m), than the dependence of lidar signal characteristics on cloud microstructure centralize in diffraction component of lidar signal and could be investigated if single scattering component were discriminated.

РЭЗЮМЕ. Палонсю Игар №калаев1ч. ШМАТКАМ ЛАИ ЕН ШЫ МЕТАД АШСАНПЯ СВЕТЛАВОГА ПОЛЯ У АСЯРОДЗЯХ 3 МОЦНАЙ АШЗАТРАШЯЙ РАССЕЙВАННЯ ДАСТАСАВАЛЬНА ДА ЗАДАЧ МОНАСТАТЫЧПОГО ДЫСТАНЦЫЙПАГА ЗАНДЗГ-РАВАННЯ.

Ключавыя словы: лщарнае зандараванне, мкраструктура, шматразовае рассеивание святла, тэорыя пераносу выпраменьвання, шфармацэйны змесг.

Сфармулявана у явным выглядзе агульная схема шматкампанентнага метаду 1 паказана яго эфектывуносць пры рашэнш канкрэтных задач на прукладзе рашэння заданы аб распаусюджваннцп сонечнага выпраменьвання у плоскапараллельнай атмасферы. Дакладнасць атрыманай таким чьшам методьш ацэньвалася на аснове супастаулення з л1чбавым1 медадам1 (Монте-Карла, метад сферичных гармошкау).

Атрымана урауненне монастатычнага лазернага зандаравання, дастасавальна да зандз1равання асяродзеу з буйным! рассеГшальшкали (воблаю, аэразол!, марская 1 ак^янская вада I т.д.). Набл1жэнне, якое тут выкарыстоуваецца, грунтуецца на ушку шматразовага рассешання святла у напрамку "наперад" \ толыа адной кратнасш рассейвання у напрамку "назад". Дакладнасць праппанумай методьш уважшва тэсщравана на аснове супастаулення з разл1кам! метадам Монгэ - Карла. Прыводзщца абагульненне прапануемага разлку ладарнага сигналу якое ул1чвае палярызацыю.

Паказана, што у выпадку вялшага атдалення лщара ад асяродзя урауненне лазернага зандзфавання ¡стотна спрашчаецца 1 мае выгляд ураунення касм!чнага лазернага зандз1равання. Паказана, што у гэтым выпадку лщарны с1гнал з улкам шматразовага рассейвання цэсна карзл1руе з прасторавым размеркаваннем паказальшка аслаблення 1 практычна не залежьщь ад шшых характарыстык воблаку, а таксама параметрау прыёмна-перадаючай ыстэмы лщара. ;

Паказана, што шт адлсгласць памис воблакам 1 лдарам нсвя.мкая (« 104 м), то залежнасць ладарнага сигналу ад параметрау мжраструктуры сканцэнтроуваецца у дыфракцыйнай кампаненце лдарнага синала I можа быць даследавана пры умове дыскрымшацьн укладу аднаразова рассеянага назад святла.

ПОЛОНСКИЙ ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ

МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ МЕТОД ОПИСАНИЯ СВЕТОВОГО ПОЛЯ В СРЕДАХ С СИЛЬНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ РАССЕЯНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ МОНОСТАТИЧЕСКОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Подписано к печати 3 .08.1998 г. Формат 60x90 1/16 Тип бумаги - типографская. Печать офсетная. Объем 1,3 печ. л. Уч. изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ . Бесплатно.

Институт физики им. Б.И Степанова HAH Беларуси 220072 Минск, пр. Ф. Скорины, 70.

Отпечатано на ризографе Института физики им.Б.И.Степанова HAH Беларуси. Лицензия ЛП № 20 от 20.08.1997 г.