Многомерные прямые н обратные задачи рассеяния волн в регулярно и случайно-неоднородных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

о>

со

I__

На правах рукописи

Шевцов Борис Михаилович

Многомерные прямые и обратные задачи рассеяния волн в регулярно и случайно-неоднородных средах

(01.04.03-Радиофизика)

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Владивосток 1995

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН

г. Владивосток

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор С.Н. Гурбатов

доктор физ.-мат. наук, профессор В.Г. Гавриленко

доктор физ.-мат. наук А.В. Троицкий

Ведущая организацияЯнстшуг космических исследований РАН

Защита состоится "А^/" 1995 г. в часов на заседании

специализированного совета Д 064. 05. 01 при Нижегородском научно-исследовательском радиофизическом институте по адресу: г. Нижний Новгород, 603600, ул. Большая Печерская, д.25.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИРФИ Автореферат разослан 1995 г.

Ученый секретарь Специализированного совета при НИРФИ кандидат физико-математических наук

старший научный сотрудник ^^ - Е.Н.Виняйкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В последнее время отмечается интенсивное развитие в области исследований многомерных задач распространения воли. С одной стороны это связано с появлением новых эффективных методов их решения, с другой стороны это обусловлено широким практическим интересом.

Прежде всего практический интерес определяется тем, что большинство физических проблем сводится к решению многомерных задач. Это можно сказать как о лабораторных, так и, в особенности, о натурных исследованиях. Если в первых при выполнении определенных условий ешё можно свести дело к одномерному случаю, то во вторых это, как правило, не удается сделать.

Кроме того практический интерес диктуется необходимостью решения многомерных задач как прямых так и обратных. Решение прямых задач направлено на создание адекватных методов описания физических ситуаций, а обратных - на развитие методов обработки результатов дистанционного зондирования.

При дальнейшем анализе практических запросов мы должны учесть то, что многомерные задачи приходится решать для различного характера сред как детерминированных, так и статистических. Все перечисленные выше аспекты решения многомерных задач и будут рассмотрены в настоящей работе.

Если касаться методов решения многомерных задач, то там отмечается очень большое многообразие, постоянно нарастающее в последние годы, и которому не будет уделяться здесь подробное внимание, поскольку это достаточно трудно сделать. Более того, в этой работе мы ограничиваемся рассмотрением одного и достаточного универсального подхода, основанного на методе инвариантного погружения, получившего интенсивное и широкое развитие в последнее время н приведшего к значительным успехам в решении многомерных задач со всеми их особенностями.

3

В многомерных задачах процессы многократного рассеяния выступают в сочетании с эффектами дифракции, что усложняет их анализ и решение. Именно поэтому здесь возникают немалые трудности при применении как аналитических, так и численных методов, а также их комбинаций.

Следующий шаг усложнения многомерных задач возникает при переходе к рассмотрению рассеяния в случайно-неоднородных средах. Возникающие при этом статистические эффекты зачастую не находят удовлетворительных объяснений в рамках обычных представлений и требуют новых исследовательских подходов. Здесь надо отметить прежде всего проблему при решении многомерных статистических задач • исследование высших моментов рассеянного поля.

Особую сложность представляют многомерные обратные задачи, к решению которых, как правило, невозможно подойти, если не исследовано достаточно хорошо прямое решение. И в этом ряду на первое место мы должны поставить задачи в статистической постановке.

Надо отметить, что в связи со сложностью рассмотрения многомерных задач возникло огромное количество приближенных методов их решения. И роль последовательной теории не только развить соответствующие подходы к исследованию задач, но и получить обоснования приближенных методов, установить соотношения между ними и выяснить какие физические эффекты они учитывают.

Цели и задачи исследований

Цели и задачи исследований были следующие. На основе метода инвариантного погружения:

1. Получить алгоритм решения прямой задачи распространения радиоволн в слоистой атмосфере при стационарных источниках.

2. Исследовать тепловое излучение атмосферы при волноводном распространении.

3. Получить алгоритм решения прямой задачи распространения

4

радиоволн в слоистой атмосфере при нестационарных источниках.

4. Получить алгоритм решения обратной задачи распространения радиоволн в слоистой атмосфере.

5. Найти решение статистической задачи распространения волн в слоистых средах.

6. Найти решение статистической задачи распространения волн в трёхмерных средах.

7. На основе полученных решении многомерных статистических задачах провести исследования высших моментов рассеянного поля.

8. Исследовать пределы применимости и получить обоснование приближенных методов, теории возмущений и теории переноса, широко используемых при решении волновых статистических задач.

9. В целях сопоставления результатов теории с наблюдениями и обоснования постановки новых волновых задач провести экспериментальные исследования распространения радиоволн над морем и оптического излучения в атмосфере и морской воде.

Научная новизна работы

Диссертация посвящена актуальной проблеме решения многомерных волновых задач в различных средах в целях развития методов и средств дистанционного зондирования океана и атмосферы,

В ней с использованием метода инвариантного погружения развит подход к исследованию многомерных волновых задач, успешное применение которого послужило основой для создания направления работ по исследованию дифракционных и статистических особенностей в решениях многомерных волновых задач и разработке дистанционных методов зондирования, учитывающих такие эффекты.

В результате проведенных исследований был получен ряд решений многомерных волновых задач, существенно отличающихся от известных ранее и содержащих новые физические эффекты, на основе анализа которых

предложены:

метод радноимпульсного зондирования атмосферы, основанный на решении обратной задачи распространения радиоволн в атмосфере, который, в отличие от широко практикуемого лучевого метода, может дать результат даже в тех случаях, когда существенную роль играют дифракционные эффекгы и лучевые методы не применимы;

вариант радиотеплового зондирования атмосферы, основанный на волновом подходе;

статистический подход в задачах зондирования, использующий высшие моменты поля, как несущие дополнительную информацию, последнее может найти применение в радиофизике, оптике и акустике.

Таким образом, в работе получены новые результаты в теории волн и успешно применены в развитии методов дистанционного зондирования.

Обоснованность результатов

Диссертация представляет обобщающее в целом ряде задач, выполненное с помощью строгих подходов исследование в области теории волн, необходимость которого возникла при анализе обширного практического материала, полученного по изучению распространения радиоволн в приводном тропосферном слое и оптического излучения в океане и атмосфере. Из результатов экспериментальных исследований и возникающих там трудностей, связанных с дифракционными и статистическими эффектами в распространении волн, были сформулированы новые задачи в теории волн и получены их решения, которые, в свою очередь, в тех случаях, где это возможно, сопоставлялись с экспериментом. Эти решения уже могут послужить основой для развития новых дистанционных методов.

Исследования выполнены на основе единного подхода, использующего метод инвариантного погружения. Данный подход позволяет успешно анализировать различные случаи многомерных волновых задач.

Практическая значимость результатов работы

Исследования по многомерным задачам рассеяния волн в различных средах, результаты которых приведены в настоящей работе, выполнялись в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН в течение ряда лет с целью разработки методов и средств дистанционного зондирования атмосферы и океана с помощью электромагнитных, радио и оптических, а также акустических сигналов.

Тема диссертации соответствует одному из направлений работ в ТОЙ ДВО РАН по развитию методов и средств дистанционного зондирования океана и атмосферы , а научные результаты, изложенные в ней, получены при выполнении тематических планов и госпрограмм ТОЙ ДВО РАН: программа "Океан" - проект "Вестпак", хоздоговорные тематики "Транзит-ТОЙ", "Бриз", "Морминал-ТОИ", проект Российского фонда фундаментальных исследований N92-02-15900.

Основные положения, выносимые на защиту

Кратко сформулируем полученные результаты.

На основе метода инвариантного погружения развит ряд подходов к исследованию многомерных прямых и обратных задач рассеяния в различных средах, в результате этого:

1. Получен алгоритм решения прямой задачи распространения радиоволн в слоистой атмосфере при стационарных источниках.

2. Исследовано тепловое излучение атмосферы при вошюводном распространении.

3. Получен алгоритм решения прямой задачи распространения радиоволн в слоистой атмосфере при нестационарных источниках.

4. Получен алгоритм решения обратной задачи распространения радиоволн в слоистой атмосфере.

5. Предложен метод радиоимпульсного зондирования атмосферы.

6. Получено решение статистической задачи распространения волн в слоистых средах.

7. Получено решение статистической задачи распространения волн в трёхмерных средах.

8. На основе полученных решений многомерных статистических задачах проведены исследования высших моментов рассеянного поля.

9. Предложен метод аналитического продолжения по спектральному параметру для исследования многомерных статистических задач.

10. Рассмотрена схема построения ряда приближенных методов, наиболее часто используемых для решения многомерных статистических задач. Показана их связь с точным подходом, основанном на методе инвариантного погружения. Проанализировано какие эффекты они учитывают, и как это связано с их формальным построением.

11. Предложены статистический подход для описания рассеяния света и возможность дистанционного зондирования сред с использованием высших моментов рассеянного поля.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались и представлялись на обсуждение.

1. VIII Всесоюзный симпозиум по дифракции и распространению волн. Львов, 1981.

2. II Всесоюзный съезд океанологов. Ялта, 1982.

3. Всесоюзная конференция "Проблемы научных исследований в области

изучения и освоения Мирового океана". Владивосток, 1983.

4. VIII Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Томск, 1984.

5. Всесоюзная конференция по использованию современных физических

методов в неразрушающих исследованиях и контроле. Секц. 1. Хабаровск, 1984.

6. XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Харьков,

1990.

7. URSI meeting, London, Ontario, Canada, 1991.

8. ICO Topical Meeting on Atmospheric volume and surface scattering and propagation. Italy, 1991.

9. IEEE/AP-S Symp.,London, Ontario, Canada, 1991.

10. SPIE's Aerospace Sensing Symposium, USA, Orlando, 1992.

11. European Symposium on Satellites Remote Sensing. September, 1994, Rome, Italy.

Отдельные части работы докладывались на семинаре С.М. Рытова.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 40 научных трудах автора (в том числе 1 монография, 21 статья в научных журналах, 1 препринт, 17 докладов на конференциях).

Личный вклад автора

Основная часть теоретических исследований автором проведена самостоятельно. Большое внимание н поддержку им оказывал В.И.Кляцкин. В диссертационной работе использованы результаты совместных исследований с разрешения соавторов. Работа, по материалам которой написан §4 первой главы, выполнена на паритетных началах в соавторстве с В. Кляцкиным и К.В. Кошелем, а результаты которой изложены в §2 второй главы, - в той же форме участия с В.И. Кляцкиным и А.Г.Бугровым. В исследованиях, послуживших основой для §3 второй главы, постановка задачи принадлежит автору, а расчеты - A.A. Шишкарёву, осуществившему их с помощью К.В. Кошеля.

Автор в диссертационной работе привлекает результаты экспериментальных исследований для мотивировка постановки новых

волновых задач. Эти исследования были выполнены в разное время с различными коллективами. Большая часть из них с коллективом лаборатории, которую возглавляет автор. Автору принадлежит идея и организация проведения комплексных экспедиционных работ по исследованию распространения радиоволн над морем, в которых были получены результаты по спутниковому, локационному и тепловому

радиозондированию атмосферы. В работал соавторами участвовали: А.С.Гурвич, С.С.Кашкарон, К.П.Гийкович, В.К.Иванова, В.Д.ФреГишхср, А.Н.Боппуров. Л.С.Смирнои. С.Н.Кривоножкин. С.С.ГСошсль (спугннковые и радиометеорологические наблюдений;, К.В.Кошель, Л Л.Славутасий. А.В.Волков, ЛЛ.Шишкарев, К.ВЛатышсв (радиолокационные измерения), А.РЛ'линер, Д.В.Шанпнко», К.Г.Кобяков, О.Б.Утробин (радиометрические наблюдения), А.С.Гавршюв (метеорология).

Эксперименты по распространению лазерного излучения в океане проводились совместно с В.М.Фортусом, а в атмосфере - с О.А.Букиным и коллективом его лаборатории.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа состоит из введения, восьми глав и заключения. Главы подразделяются на параграфы, а отдельные параграфы - на пункты.

Первая глава посвящена применению метода погружения к решению волновых задач и является как бы вводной. В последующих главах эти задачи конкретизируются и обобщаются для различных физических ситуаций.

Вторая и третья главы посвящены задачам в регулярных, а четвертая и пятая - в статистических средах, причём во второй и четвертой главах рассматриваются слоистые, а в третьей и пятой - трехмерные среды. Случай слоистых сред является как бы первым шагом на пути исследования многомерных задач. В главах 6-8 излагается проведение экспериментов по распространению радиоволн и оптического излучения.

В заключении формулируются выводы работы и обсуждаются

10

возможности обобщения полученных результатов.

Рассмотрим содержание глав.

Первая глава состоит из четырёх параграфов. В первом рассматривается постановка волновой задачи в наиболее простом виде, во втором - уравнения погружения, в третьем - теория возмущений и её связь с методом погружения. В четвертом параграфе на примере одномерного случая рассматривается решение обратных волновых задач методом погружения. Здесь обсуждается весьма важный вопрос о решении обратной задачи по измерению поля в произвольной точке рассеивающей среды.

Вторая глава состоит нз трёх параграфов. Первые два тесно связаны, поскольку в них рассматривается одна задача при разных источниках. В третьем параграфе при расчетах используется алгоритм нз второго параграфа.

Во втором параграфе получен алгоршм решения прямой задачи распространения радиоволн в слоистой атмосфере при стационарных источниках, который нашел свои реализации в работал К.В.Кошеля. Им был выполнен ряд исследований по численному моделированию распространения радиоволн. Эти расчеты сопоставлялись с результатами других методов и экспериментов. Из сопоставления с экспериментом по предложению ЛЛ.Славутского была показана возможность оценки параметров атмосферы с помощью ВКБ-метода по дистанционной зависимости радиосигнала, глава седьмая. Но ВКБ-метод, как приближенный и аналог геометрооптнческого подхода, не учитывает дифракционные эффекты. Это привело к необходимости решения обратной задачи распространения радиоволн в строгой постановке, которая рассматривается в первом параграфе.

Надо отметить, что метод погружения получил развитие и в области акустики. В работах В.И.Кляцкина и Л.ЯЛюбавина были получены уравнения погружения для акустических волн, на основе которых выполнен численный анализ О.Э.Гулиным и В.И.Голандом.

Тонкости численного анализа, связанные с применением метода погружения, были исследованы сначала на одномерных модельных задачах И.О.Ярощуком.

В третьем параграфе рассматривается тепловое излучение атмосферы при полноводном распространении. Здесь применен алгоритм решения задачи, развитый во втором параграфе. Расчеты были выполнены АА.Шишкарёвым с помощью численного аппарата, созданного К.В.Кошелем. Полученное решение позволило исследовать дифракционные эффекты в тепловом излучении атмосферы, объяснить несогласие проведенных экспериментов с существовавшими геометрооптическими расчетами и предложить вариант теплового зондирования атмосферы на основе дифракционного подхода.

В первом параграфе получен алгоритм решения прямой задачи распространения радиоволн в слоистой атмосфере при нестационарных источниках. Это потребовалось, чтобы затем перейти к решению обратной задачи.

Уравнения погружения для нестационарных источников получаются как обобщение результатов параграфа два и принимают вид, хорошо известный для одномерных нестационарных задач, но усложняются из-за сферической геометрии. Однако это не помешает на их основе перейти к построению алгоритма решения обратной задачи, предпосылками для этого является работа А.Г.Бугрова и В.И.Кляцкина по решению аналогичной задачи в случае плоской геометрии.

В этом же параграфе с помощью метода сингулярностей получен алгоритм решения обратной задачи распространения радиоволн в слоистой атмосфере. Метод сингулярностей позволяет выделить в решении задачи скачок поля, представив решение в виде произведения функции Хевисайда на регулярную часть решения. При этом на регулярную часть решения мы получаем уравнение эволюции поля в зависимости от положения границы слоя, а скачок поля связывается с характеристикой среды в точке его расположения. Получившееся уравнение эволюции поля во многом похоже на исходное уравнение погружения. Если в него подставлять данные рассеяния и решать его, передвигая границу среды в сторону уменьшения толщины слоя, и следя при этом за эволюцией поля, то эволюция значения поля в точке скачка даст профиль характеристики среды. В этом и заключается суть алгоритма решения

обратной задачи, полученного с помощью метода сингулярностей. Особенность построенного в данной работе алгоритма связана с появлением в уравнении погружения и в уравнении эволюции поля членов, в которые входит решение задачи в свободном пространстве, что возникает из-за сферической геометрии задачи. Сложность, на первый взгляд, полученного алгоритма решения обратной задачи всё же не оставляет сомнений, что его численная реализация будет построена. Залогом этому могут послужить раборы В.В.Темченко по численному моделированию аналогичной задачи в случае плоской геометрии.

В этом же параграфе рассматривается метод радиоимпульсного зондирования атмосферы. Предложенный метод базируется на обратном решении задачи распространения радиоволн. Он имеет аналогию в сейсмике и в электронмпульсном зондировании Земли. Суть его заключается в импульсном облучении зондируемого слоя атмосферы и регистрации рассеянного излучения в ряде точек. Источник и приёмники находятся над рассеивающим слоем, их можно разместить, например, на спутниках. Вместо цепочки неподвижных приемников достаточно один перемещающийся, при этом эксперимент многократно повторяется. Обработка данных рассеяния с помощью алгоритма, обсуждавшегося выше, позволит восстанавливать высотные профили радиохарактеристик атмосферы.

Этот метод зондирования атмосферы можно применить и в том случае, если используются данные рассеяния с радиолокатора над морской поверхностью. Такая схема зондирования рассматривается в шестой главе. Если вместо ВКБ-метода, применявшегося для восстановления характеристик атмосферы и описанного в главе семь, использовать разработанный дифракционный метод, то это позволит перейти от оценки параметров профиля к определению самих профилей характеристик атмосферы. При этом, конечно, алгоритм решения обратной задачи приндется определенным образом модифицировать с учетом особенностей радиолокационной схемы зондирования.

В третьей главе рассматривается алгоритм решения обратной задачи в

трехмерных нестационарных средах и обсуждаются его особенности. Здесь обобщается результат второй главы на многомерные среды с цель исследования характера переопределенносги многомерных обратных задач.

В четвертой главе в диффузионном приближении получено решение статистической задачи рассеяния волн в слоистых средах. Успех в получении этого решения определился тем, что оно является аналитическим продолжение по спектральному параметру в комплексную плоскость решения одномерной задачи, хорошо исследованного ранее. Вид аналитического продолжения решение задачи • получает в результате приближенного суммирования в уравнениях для моментов коэффициента отражения, что физически соответствует эффективному учету корреляции волн, усредненному по ряду точек, в которых эти волны рассматриваются.

В пятой главе на основе метода инвариантного погружения в диффузионном приближении получено решение статистической задачи рассеяния волн в трёхмерных средах. При решении задач в трёхмерных средах возникает существенное затруднение связанное с интегральным характером исходных уравнений. Эту трудность можно избежать, если перейти к сильно анизотропным неоднородностям среды, что приводит к случаю слоистых сред, обсуждавшемуся выше, или к случаю изотропных рассеивателей, частному случаю трёхмерных сред. При первом переходе интегральный характер уравнений исчезает из-за наличия дельта-функций в выражениях, а при втором - в силу изотропного углового распределения рассеяния. И в том и в другом случае уравнения дня моментов поля во многом похожи и допускают подробный анализ. Не смотря на очень специфические и частного вида модели среды, полученные решения позволяют исследовать дифракционные и статистические эффекты, характерные для этой задачи.

В четвертой и пятой главах на основе полученных решений многомерных статистических задачах проведены исследования высших моментов рассеянного поля. Анализ высших моментов поля осуществлялся вычислением асимптотик моментов интенсивности при различных комбинациях параметров задачи. Особое внимание уделялось области многократного рассеяния, где

отмечается рост высших моментов поля по сравнению с низшими, что является спецификой статистических задач. При этом было замечено, что высшие моменты поля могут нести дополнительную информацию о среде. Так, например, анализируя первый и второй моменты поля одновременно, можно получать информацию о рассеивающих и диссипативных характеристиках среды. Это и легло в' основу предложенного статистического подхода зондирования.

В четвертой главе рассматривается метод аналитического продолжения для исследования многомерных статистических задач. Подмеченное обстоятельство того, что решение многомерной задачи является аналитическим продолжение в комплексную плоскость по спектральному параметру решения одномерной задачи, позволяет уже хорошо исследованные одномерные решения использовать в многомерных случаях. В работе приводится пример такого использования.

В четвертой главе рассмотрена схема построения ряда приближенных методов, наиболее часто используемых для решения многомерных статистических задач. Роль приближенных методов весьма велика при исследовании статистических задач, особенно многомерных, поскольку нивсегда удается найти точное решение. И в первую очередь здесь встает вопрос о их обосновании и указании областей параметров задачи, где эти методы применимы. С этой целью в работе проведены анализ и сопоставления решении приближенных методов с точным статистическим.

В шестой главе рассматриваются экспериментальные исследования распространения радиоволн над морем. В первом параграфе изложены способы прямых контактных измерений характеристик атмосферы, во втором -результаты наблюдений спутниковых радиосигналов, в третьем - данные радиолокационных наблюдений, в четвертом - результаты измерений радиотеплового излучения атмосферы при наличии тропосферных волноводов. В этой главе проводится сопоставление данных измерений с расчетами, анализируются дифракционные эффекты, связанные с наличием инверсионных слоев и тропосферных волноводов. Во втором параграфе

показано, как в области прямой видимости, где применимо геометрооптическое приближение, исходя из данных наблюдений спутниковых радиосигналов, на основе этого приближения можно оценить параметры инверсионного слоя.

В седьмой главе рассматривается другой приближенный метод оценки характеристик атмосферы по дистанционным зависимостям радиосигналов. В отличие от указанного выше лучевого подхода, этот метод можно использовать в области тени, где справедливо представление поля в волноводе в виде суммы по нормальным модам, и число этих мод нивелико. При этом по межмодовым биениям дистанционной зависимости сигнала восстанавливаются константы распространения, а по ним, в свою очередь, с помощью ВКБ-приближения определяются параметры профиля волновода.

Основной вывод рассмотрения материалов этих двух глав в том, что для решения обратных задач с целью наиболее полного восстановления характеристик атмосферы с помощью радионаблюдений необходимо использовать точные дифракционные подходы, а учитывая результат первого параграфа второй главы, необходимо использовать еше и нестационарные сигналы. Приближенные же методы, рассмотренные здесь, могут использоваться лишь при определенных условиях и давать только оценки параметров профилей характеристик среды, но не сами профили. Этот вывод и привел к необходимости постановки и решения обратной задачи распространения радиоволн, которой посвящен первый параграф второй главы.

При экспериментах со спутниковыми сигналами ставилась задача о восстановлении характеристик атмосферы по полю, проходящему через среду. Как показано в шестой главе, это возможно с помощью приближенного геометрооптического подхода, но при решении задачи в точной постановке возникают принципиальные трудности, связанные с незамкнутостью уравнения на проходящее поле, а поэтому такая задача в точной постановке не может быть разрешена. Этот вопрос рассматривался в четвертом параграфе первой главы и в первом параграфе второй главы.

В восьмой главе обсуждается возможность статистического описания рассеяния света в различных средах и дистанционного зондирования сред с использованием высших моментов рассеянного поля. Этот подход основан на статистическом решении, обсуждавшемся в пятой главе. Он позволяет получать дополнительную информацию о среде, при таких условиях наблюдения, когда существенный вклад в сигнал дшот процессы многократного рассеяния. Для проверки этих эффектов проводился ряд экспериментов по рассеяншо лазерного излучения в воде и в атмосфере. Получаемые значения коэффициентов рассеяния и поглощения хорошо согласовывались с их характерными величинами для этих сред.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

Кратко сформулируем выводы и полученные результаты.

1. Получены алгоритмы решения прямой и обратной задач распространения радиоволн в слоистой атмосфере. Они позволяют провести численное моделирование и подготовить исходные данные для постановки экспериментов. По исследованию прямой задачи это уже реализовано, аналогичный путь исследований предстоит пройти и в решении обратной задачи.

2. Теоретическое и экспериментальное исследования теплового излучения атмосферы при волноводном распространении позволили выявить роль дифракционных эффектов в этой задаче, что дало возможность сформулировать требования для новых экспериментальных работ с целью развития дистанционных методов теплового зондирования атмосферы, основанных на дифракционном подходе.

3. Предложен метод радиоимпульсного зондирования атмосферы. Это предложение явилось результатом анализа теоретических и экспериментальных исследований по распространению радиоволн, получивших отражение в представленной работе, основной вывод рассмотрения материалов которой в том, что для решения обратных задач с

17

целью наиболее полного восстановления характеристик атмосферы с помощью раднонаблюденнй необходимо использовать точные дифракционные подходы и нестационарные зондирующие сигналы. Использование стационарных сигналов, и тем более различных приближенных методов, позволяет оценивать лишь отдельные параметры характеристик атмосферы.

4. Получены решения статистической задачи рассеяния волн в слоистых и трёхмерных изотропных средах. Частные случаи выбранных моделей среды, для которых удается получить аналитические решения, хотя и сужают область практической применимости результатов, но позволяют, прежде всего, исследовать статистические эффекты, характерные для этой задачи.

5. На основе полученных решений многомерных статистических задачах проведены исследования высших моментов рассеянного поля. Показаны их специфический характер поведения в области многократного рассеяния и возможность получения с их помощью дополнительной информации о среде.

6. Предложен метод аналитического продолжения по спектральному параметру для исследования многомерных статистических задач, дающий эффективный инструмент использования результатов, полученных в одномерном случае.

7. Рассмотрена схема построения приближенных методов, используемых при решении волновых статистических задач. В основу этой схемы положена последовательность физических процессов, которые учитываются различными приближенными методами, что облегчает их выбор при анализе тех или инных физических эффектов.

8. Предложены статистический подход для описания рассеяния света и возможность дистанционного зондирования сред с использованием высших моментов рассеянного поля.

9. Полученные результаты экспериментальных исследований по распространению радиоволн над морем и оптического излучения в морской воде и атмосфере позволяют обосновать постановку новых волновых задач и провести проверку найденных решений.

Подводя итог представленной работе, отметим, что найденные здесь

решения многомерных волновых задач в определенных направлениях расширяют возможности дистанционного зондирования, и что дальнейшее развитие полученные здесь результаты могут найти при их использовании для решения многомерных статистических обратных задач, актуальность которых связана с необходимостью разработки новых дистанционных методов, основанных на статистических подходах.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Бабкин Г.И., Кляцкнн В.И., Шевцов Б.М. Геометрическое приближение в

статистической теории волн. Акуст. журн., 1980, т.26, №4, с.488-493.

2. Шевцов Б.М. К статистической теории обратного рассеяния в случайно-

неоднородных средах. - Изв. вузов - Радиофизика, 1981, т. 24, N11, с. 1351-1355.

3. Шевцов Б.М. Трехмерная задача обратного рассеяния в слоистых

случайно-неоднородных средах. - Изв. вузов - Радиофизика, 1982, т. 25, N 9, с. 1032-1040.

4. Шевцов Б.М. Задача обратного рассеяния в трехмерных случайно-неоднородных средах. - Извю вузов - Радиофизика, 1983, т. 26, N 4, с. 434439.

5. Бугров А.Г., Кляцкнн В.И., Шевцов Б.М. К теории распространения радиоволн над морем. ДАН СССР, 1984, т. 275, N6, с.1372.

6. Шевцов Б.М. Статистические характеристики поля обратного рассеяния. •

Изв. вузов - Радиофизика, 1985,т.28,Ыб, с.717-724.

7. Бугров А.Г., Кляцкин В.И., Шевцов Б.М. К теории распространения

коротких радиоволн в сферически-симметричной атмосфере. Радиотехника и электроника, 1984, т.30, N4, с.684.

8. Фортус В.М., Шевцов Б.М. О возможности статистического подхода к

описанию обратного рассеяния света. Оптика и спектроскопия, 1986, т.60, вып. 3, с.578-582.

9. Шевцов Б.М. Статистические характеристики рассеяния волнового пакета

в слоистой случайно-неоднородной среде над отражающей поверхностью. Изв. вузов. Радиофизика, 1987,т.ЗО, N8, с.1007-1012.

10. Глинер А.Р., Кривоножкин С.Н., Шевцов Б.М. Вариации дальности тропосферного распространения УК радиоволн над морем. Изв. вузов. Радиофизика, 1988, т.31, №2, с.238-239.

11. Шевцов Б.М. Обратное рассеяние волны в слоистой регулярно и случайно-неоднородной среде. Изв. вузов. Радиофизика, 1989, т.32, N9, 1079-1083.

12. Шевцов Б.М. Статистические характеристики волны в слоистой регулярно и случайно-неоднородной среде. Изв. вузов. Радиофизика, 1990, т.ЗЗ, N2, с.191-195.

13. Волков A.B., ГлннерА.Р., Кобяков К.Г., Кошель К.В., Кривоножкин С.Н., Утробин О.Б., Шанников Д.В., Шевцов Б.М. Исследование радиояркостных характеристик атмосферы над морской поверхностью. Изв. вузов. Радиофизика, 1990, т. 33, N7, с.880-881.

14. Волков A.B., Кошель К.В., Латышев К.В., Славутский Л.А., Шевцов Б.М., Шишкарёв A.A. Пространственные изменения уровня радиолокационных отражений от морской поверхнсти в условиях сверхрефракции. Изв. вузов. Радиофизика, 1990, Т.ЗЗ, N12, с.1423.

15. Багатуров А.Н., Ганкович К.П., Гурвич A.C., Иванов В.К., Кашкаров С.С., Кошель А.Н., Кривоножкин С.Н., Смирнов A.C., Фрейдлихер В.Д., Шевцов Б.М. О возможности определения отражающих слоев в тропосфере над морем по вариациям уровня радиосигналов ИСЗ. - ДАН СССР, 1990, Т. 315, N 4, с. 830-831.

16. Волков A.B., Кошель К.В., Латышев К.В., Славутский Л.А., Шевцов Б.М., Шишкарёв A.A. Влияние рефракции на структуру радиолокационных отражений от морской поверхности. Радиотехника и электроника, 1991, т.Зб, N7, с.1233-1237.

17. Волков A.B., Кривоножкин С.Н., Славутский Л.А., Шевцов Б.М. Влияние морского волнения на структуру спутниковых УКВ радиосигналов. Изв. вузов, Радиофизика, 1991, т. 34, N1, с.89-90.

18. Волков A.B., Славутский Л А., Шевцов Б.М. Пространственный спектр радиолокационного сигнала при скользящем распространении над морской поверхностью. Изв. вузов, Радиофизика, 1991, т. 34, N3, с.325-327.

19. Волков A.B., Латышев К.В., Славутский Л А., Шевцов Б.М., Шишкарёв А А. Восстановление характеристик тропосферного волновода по пространственному ослаблению радиосигналов; теория и эксперимент. Изв. АН СССР, ФАО, 1991, т. 27, N 8, с.825-829.

20. Волков A.B., Славутский Л .А., Шевцов Б.М. Определение параметров энергонесущего морского волнения по СВЧ радиолокационному рассеянию. Океанология, 1992, t.32,N5, с.959-965.

21. Шевцов Б.М., Шишкарёв A.A. Тепловое радиоизлучение атмосферы при волноводном распространении. Изв.-вузов, Радиофизика, 1992, т.35, NI, с.9-14.

22. Кошель К.В., Славутский Л.А., Шевцов Б.М. Расгтрстранение УК и СВЧ радиоволн над морем. - Владивосток: Дальнаука, 1993, 160с.

23. Фортус В.М., Шевцов Б.М. Статистическое решение задачи обратного рассеяния и его использование в гидрооптике. - Препринт Тихоокеанского океанологического института, Владивосток, 1984,23 с.

24. Шевцов Б.М. Обратное рассеяние в случайно-неоднородных средах. VIII Всесоюзный симпозиум по дифракции и распространению волн. Львов, 1981,4.2 с. 163-166.

25. Фортус В.М., Шевцов Б.М. К вопросу об обратном рассеянии в воде и определении гидрооптических характеристик. II Всесоюзный съезд океанологов. Ялта, 1982, ч.2, вып.З, с. 13-14.

26. Фортус В.М., Шевцов Б.М. Статистические характеристики обратного рассеяния света в воде. Всесоюзная конференция "Проблемы научных

..исследований в области изучения и освоения Мирового океана". Владивосток, 1983, ч,1, с.52.

27. Букин O.A., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А., Шевцов Б.М. О возможности статистического описания обратного рассеяния света в атмосфере. VIII

Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию. Томск. 1984, с.87-90.

28. Букин OA., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.Л., Шевцов Б.М. Дистанционное определение оптических параметров океана и атмосферы по измерению статистических характеристик обратного рассеяния света. Всесоюзная конференция по использованию современных физических методов в неразрушаюших исследованиях и контроле. Секц. 1. Хабарова:, 1984,

с.22-23.

29. Волков A.B., Кошель K.R., Латышей К.В., Славутский Л.А., Шевцов Б.М.. Шишкарёв A.A. Использование радиолокационных отражений от морской поверхности в условиях сверхрефразалш. XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Харьков, 1990, Тез. док., ч.2, ст.68.

30. Багатуров А.Н., Гапковнч К.П., Гурвнч A.C., Иванов В.К., Кашкаров С.С., Кошель А.Н., Крияоножкин С.Н., Смирнов A.C., Фрейдлихер В.Д., Шевцов Б.М. Об одной возможности определения параметров приподнятой инверсии. XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Харьков, 1990, Тез. док., ч.2, ст.71.

31. Волхов A.B., Глинер А.Р., Кобяков К.Г., Утробин О.Б., Шанников Д.В.. Шевцов Б.М. Угловые зависимости раднояркостной температуры атмосферы над морем при волноводном распространении. XVI Всесоюзная конференция по распросгранению радиоволн. Харьков, 1990, Тез. док., ч.2, ст.81.

32. Волков A.B.. Славутский Л.А., Шевцов Б.М. Низкочастотные составляющие в проиранственном спектре радиолокационных отражений от морской поверхности. XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Харьков, 1990, Тез. док., ч.2, ст.274.

33. Slievtsov В.М.. Shishkarev A.A. Radio-thermal radiation of the atmosphere in the presence of waveguide piopagation. 1 liEE/APSymposium, Canada, 1991, digest, V.2, p.1259.

34. Shevtsov ВЛ1. Detemination of atmospheric refraction index by satellite radio signals. URS! meeling, Canada, 1991, program p.94 (94.9).

35. Shevtsov B.M., Shishkarev A.A. Radio-thermal radiation of the atmosphere in the presence of waveguide propagation. ICO Topical Meeting on Atmospheric volume and surface scattering and propagation. Italy, 1991, digest, p.59.

36. Shevtsov B.M. Detcmination of atmospheric refraction index by satellite radio signals. ICO Topical Meeting on Atmospheric volume ar surface scattering and propagation. Italy, 1991, digest, p.50.

37. Volkov A.V., Slavutsky LA., Shevtsov B.M. Influence of large - scale surface waves on radar sea return at low grazing angles. IEEE/AP Symp.,Digest, Canada, 1991, Vol.3, 105(5).

38. Volkov A.V., Latyshev K.V., Slavutsky L.A. et al. Reconstruction of tropospheric waveguide profile from spatial structure of radar sea return. IEEE Symp., AP-91, Digest, Canada, 1991, Vol.2, (59.5).

39. Koshel K.V., Slavutsky L.A., Shevtsov B.M., Shishkarev A.A. Spatial structure of radar sea return: influence of refraction. SPIE's Aerospace Sensing Symposium, USA. Orlando, 1992, program's p. 14 (1688-71).

40. Shevtsov B.M. Radio remote sensing of atmosphere by two satellites. European Symposium on Satellites Remote Sensing. September, 1994, Rome, Italy. Proceedings 2312, Optics in Atmospheric Propagation and Random Phenomena, Devir and Kohnle editors, pp. 60-64 .

Борис Михайлович ШЕВЦОВ

МНОГОМЕРНЫЕ ПРЯМЫЕ И ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ РАССЕЯНИЯ ВОЛН В РЕ1ТЛЯРНО И СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ

Автореферат

Лицензия ЛР№ 040118 от 15.10.91 г.

Подписано к печати 11.04.95 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. п. л. 1. У ч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 233.

Отпечатано в типографии издательства "Дальнаука" ДВО РАН 69004!. г. Владивосток, ул. Радио, 7