Модель слоистой среды для решения задач дистанционного СВЧ зондирования тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

О 7'лп 7ППЛ НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

УДК 621.371

ЛЕБЕДЕВ Борис Борисович

МОДЕЛЬ СЛОИСТОЙ СРЕДЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДИСТАНЦИОННОГО СВЧ ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-матемагических наук

Санкт-Петербург 2000

Работ выполнена на кафедре радиофизики Санкт-Псгербургско государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Д.В. Шашшков.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических паук,

профессор В.И. Дудкин.

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Е.О.Попов

Ведущая организация - Международный центр по окружающей сред«

и дистанционному зондированию им. Нансеь

Защита состоится " /4'" июня 2000 г. в /6 на заседай

диссертационного совета К 063.038.11 при Санкт-Петербургск

государственном техническом университете по адресу: 195251, С.-Петербу ул.Полигехническая, 29, 2 учебный корпус, ауд. 257.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ

Автореферат разослан" 3 " мая 2000 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор ¿¿О^г./. с О

С.В. Загради

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Методы дистанционного зондирования находят широкое применение в ювреметгой практике контроля состояли« окружающей среды. Для корректной штерпрегации данных, получаемых радиотеплолокациошшм радиометрическим) методом, необходимы физико-математические модели, гозволягощие установить связь между измеряемой радиояркосгаой емпературой объектов и их физическими свойствами. Используемые модели аожно разделить на две группы. Первые не слишком сложны математически и ¡полне наглядны физически. Но и то, и другое достигается за счёт излишней -тт^ощённссти так как гйккс модели не ^лйпкеэют елйяннс процесса рассеяния 1а форм1фование радиояркосгаой температуры исследуемой среды. Во второй руппе моделей процесс рассеяния учитывается, но это приводит к очень упцествешюму усложнению математической части модели, а физическая часть •еряет наглядность и становится весьма затруднённой для непосредственного юсприятия и анализа моделируемых процессов.

Таким образом, разработка физико-математической модели »адиотеплового излучения среды, уплывающей процесс рассеяния, но при том весьма ясной физически, позволяющей легко анализировать причинно-ледственные связи между свойствами объекта и его формируемой вдиояркостной температурой, а также не перегруженной черезмерно (атематичсски, представляется весьма актуальной.

Цель работы:

1) Проанализировать возможности модели слоистой среды без учёта 1ассеяния в слоях. Отработать методику расчёта радиояркосгаой температуры и оэффициента отражения плоскослоистой среды при произвольном ертикальном профиле диэлектрической проницаемости и температуры для ¡роизвольной поляризации.

2) Разработать модель слоистой среды с учётом рассеяния в слоях на снове модели без учёта рассеяния. Предложить способ расчёта адиояркостной температуры слоистой среды с учётом рассеяния, основанный а рассмотрении лучевой картины в среде.

3) Разработать методику измерения индикатрис рассеяния. !зготовить экспериментальную установку и провести на ней измерение ндикатрис моделей реальных сред.

4) Разработать методику восстановления истинных значений адиояркостных температур по измеряемым значениям на основе спользования парциальных коэффициентов рассеяния антенн при роизвольной форме границ исследуемой подстилающей поверхности.

3

Научная новизна:

1) Для расчета радиояркостных температур исследуемых объекте предложена модель слоистой среды, учитывающая процесс рассеяния в слоях : ite ограниченная кратностью рассеяния. Учёт процесса рассеяли осуществляется путём рассмотрения лучевой картины в среде, а вклад каждог луча в формируемую радиояркостную температуру определяется на основ модели слоистой среды без учета рассеяния.

2) Для случая произвольной формы границ исследуемо подстилающей поверхности усовершенствована методика использоваки парциальных коэффициентов рассеяния антенн для восстановления истинны значений радиояркостных температур по измеряемым значениям.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Способ учёта рассеяния при рассмотрении процесса излучени слоистой среды в рамках модели слоистой среды. Учёт процесса рассеяни осуществляется путём рассмотрения лучевой картины в среде, а структур лучевой картины формируется на основании экспериментально измеряемо индикатрисы рассеяния характерного слоя среды.

2) Методика восстановления истинной радиояркостной температур исследуемой подстилающей поверхности по экспериментально измерение яркостной температуре с использованием парциальных коэффициенте рассеяния. Применение данной методики возможно при произвольной фор& границ исследуемой поверхности.

3) Возможность применения при исследовании радиофизичесю характеристик льда и других природных образований их диэлектричесю моделей вместо натуральных объектов. Использование моделей имеет р? преимуществ, связанных прежде всего со стабильностью характеристик полным контролем параметров исследуемой модели.

Практическая ценность:

1) Предложена физико-математическая модель радиотеплово излучения среды, учитывающая процесс рассеяния и при этом весьма наглядн; физически. На основе предложенной модели создана программа для расчё радиояркостной температуры слоистой среды с учётом рассеяния.

2) Изготовлена экспериментальная установка для измерен индикатрис рассеяния. Она можеть служить прототипом для подобш установок, которые могут быть использованы для измерения индикатр рассеяния конкретных образцов исследуемых объектов в комплексе программой для расчёта радиояркостной температуры этих объектов.

3) Получены основные соотношения для расчёта парциальных коэффициентов рассеяния для двух возможных способов изменения угла визирования антенны в случаях, когда часть "пятпа" луча антенны выходит за границу исследуемого объекта, а сама граница имеет- нроизволы1ую форму. На основе полученных соотношений составлена программа для расчёта парциальных коэффициентов рассеяния.

4) Создана прикладная программа комплексной обработки результатов измерений радиотенлового излучения структур типа "лёд на поверхности воды". Программа производит обработку от выходных напряжений радиометра до графиков экспериментальной и расчётной угловых зависимостей радиояркостных температур и может быть использована при проведения исследований ледовых структур.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 1-ой и Ш-ей Всероссийских научно-технических конференциях. "Фундаментальные исследования в технических университетах" (1997 и 1999, С-Петербург); на Молодёжной научной конференции "Современные научные школы: перспективы развития" (1998, С-Пегербург). Тезисы докладов представлялись и эпубликованы в материалах Н-ой Международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России" (1995, С-Петербург), Российской научно-гехнической конференции "Инновационные наукоёмкие технологии для России" (1995, С-Петербург), ГУ-ой Региональной конференции по распространению радиоволн (1998, С-Пстсрбург).

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объём заботы составляет 98 страниц. Работа содержит 32 рисунка, 5 таблиц, список титературы включает 63 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении приводится обзор возможностей применения и достоинств радиотеплолокации, как одного из методов дистанционного юндирования. Рассматриваются различные варианты модели слоистой среды, служащие для расчётов радиотеплового излучения исследуемых объектов. Дана збщая характеристика работы и краткое изложение её содержания.

Глава 1. ТЕПЛОВОЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ ПЛОСКОСЛОИСТО! СРЕДЫ.

Если рассмотреть излучение плоской границы воздух - поглощающа среда, то радиотегаювое излучение в этом случае описывается формулой

Т - £ -7V

ярк * фа >

где Тярк - радиояркостная температура среды;

Ж - излучательная способность;

Тфя " физическая (термодинамическая) температура среды.

Величина ЭЕ может быть получена на основании формулы Кирхгофа:

в-i-lrf,

где р - коэффициент отражения Френеля для соответствующей поляризации.

Слоистая среда отличается от рассмотренного случая тем, чт коэффициент отражения от внешней граница уже не описывается формуло Френеля. Таким образом, задача заключается либо в определении этог коэффициента для постоянной температуры среды, либо в определении дол поглощения в каждом из слоев, если температуры этих слоев различны.

В данной работе расчёт коэффициентов отражения, прохождения поглощения производится на основе теории соединения многополюсниш Представим каждый слой в виде четырёхполюсника. Кроме того, буде считать, что между слоями есть малые зазоры, в которых е = 1, ц = 1. Тогда t входу и выходу каждого четырёхполюсника будут присоединены лини передачи с единичными волновыми сопротивлениями, поля в которых мояа представить в виде падающих и отражённых волн.

Анализ работы соединения четырёхполюсников будем проводит используя классическую матрицу передачи А. Коэффициенты матрип передачи каждого из слоев получаются путём сопоставления этого слоя отрезком длинной линии с постоянным волновым сопротивлением (так как пределах слоя все параметры постоянны), вид коэффициентов матрии передачи для которого известен. Для матрицы передачи последователь! соединённых четырёхполюсников имеем:

А =А1 -А2 -А3 ■ ... ■АЛ,

Решение задачи сводится к перемножению матриц передачи слоев последовательному вычислению амплитуд волн, падающих и отражённых каждого слоя.

Вклад теплового излучения каждого слоя в яркостную температу поверхности определяется потерями в этом сдое:

р —р^р

х потерь чад стр

Для потерь в слое п можно записать (опять учитывая, что расчёты ведуз при нормировке на единичное волновое сопротивление):

-М -И

Тогда вклад и-го слоя в яркостную температуру границы раздела слоистая

реда - воздух определяется следующим образом:

¡2 I ___>2 | ___¡2

Г ='/'

яркп фи1п

|гтпад\ ¡тто/яо! [г г

| +Рл+1| " Рл I |

де - абсолютная температура слоя п.

Полная яркостиая температура границы раздела слоистая среда - воздух удет равна сумме вкладов отдельных слоев.

Приведённое решение позволяет найти радиояркостную температуру лоскослоистой срсды при любом распределении физической температуры и иэлектрической и магнитной проницаемостей по слоям для произвольного гла визирования при горизонтальной и вертикальной поляризации.

При наличии потерь в слоистой среде все коэффициенты матриц передачи лоёв становятся комплексными. В результате расчёты практически становятся озможными только на ЭВМ. На основании приведённых соотношений была оставлена программа для расчёта радиояркостной температуры слоистой реды и коэффициента отражения от неё.

Входными данными программы являются число слоев разбиения сследуемой среды; длина волны; угол падения волны на границу раздела оздух - среда; общая толщина, в пределах которой задаются законы изменения иэлектрической и магнитной проницаемостей и температуры; поляризация горизонтальная или вертикальная); массивы данных с параметрами слоев: шзической температурой и диэлектрической и магнитной проницаемостями.

В основном модуле осуществляется выбор пользователем одной из одлрограмм, обеспечивающих желаемый способ формирования параметров лоёв Т„ , г„ и ц„ (п - номер слоя) следующими способами: линейная ависимость от глубины, кусочно-лилейная, полиномиальная (описываемая олиномами треьей степени), кусочно-полиномиальная, экспоненциальная, а аюке ввод произвольных значений параметров по слоям непосредственно с лавиатуры или из заранее подготовленного файла.

Способ формирования массивов данных с параметрами слоев Ти , е„ , ц„ , аключаютцийся в обращении к подпрограммам, делает описываемую рограмму достаточно универсальной. При необходимости можно легко оукомплектовать программу дополнительными подпрограммами, нормирующими параметры слоев для различных конкретных случаев.

При наличии потерь волка, проникая вглубь среды, постепенно затухает. I программе организовано отслеживание величины мощности, дошедшей до аждого из слоёв при углублении волны в рассматриваемую среду. Расстояние т границы раздела воздух - среда до слоя, в котором мощность полны меныпается в 10б раз по сравнению с мощностью исходной волны, падающей а первый слой, считается глубиной полного затухания волны в среде.

В случае линейного изменения диэлектрической проницаемости с координаты коэффициент отражения от- такого "линейного слоя" может бы иайден аналитически. Достоверность результатов, получаемых по создание программе, была подтверждена путём сравнения численного и аналитическо! решений для различных типов сред и дайн волн.

Аналитическое решение задачи о линейном слое было продолжено целью получения не только коэффициента отражения, но и коэффициент прохождения через него. При рассмотрении задачи о падении волны на тот я елок, но с противоположной стороны, были также получены аналитичесю выражения для коэффициентов отражения и прохождения. Полученнь величины (два коэффициента отражения и два коэффициента прохождение являются коэффициентами матрицы рассеяния S слоя с линейным законо нЗМеПСППЯ С. Коэффициенты МиТрш^Ы ПСрСДаЧИ /1 бы! til выражены чер; коэффициенты матрицы рассеяния по известным формулам. И далее бь применён уже рассмотренный в начале главы подход, что позволило получил аналитическое решение для излучения плоскослоистой среды с линейным з; коном изменения диэлектрической проницаемости в пределах каждого из слое

На основании полученных формул составлена компьютерная програм?* для расчёта коэффициента отражения от поверхности среды с кусочн* линейным законом изменения диэлектрической проницаемости по глубине пр произвольном угле падения полны на среду для горизонтальной поляризации.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИС ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Объектами для исследования радиотеплового излучения являли« растительные покровы, некоторые объекты искусственного происхождения, также ледовые покровы. Исследования ледовых покровов послужили основе для создания методик обработки результатов измерений и программно! обеспечения, которые рассматриваются в последующих главах.

Совместные экспериментальные исследования радиотеплового излучега лабораторно-моделированных ледовых покровов проводились период с феврал по апрель 1994 года на Ладожской научно-исследовательской станции (Нй( Арктического и Антарктического научно-исследовательского институ (ДАНИИ).

Для проведения исследований микроволнового излучения необходим было приготовить достаточно большие образцы (поля) моделированного льда площадью поверхности 1x3 метра и толщиной 15-20 см. С этой целью i Ладожской НИС сотрудниками ААНИИ были специально изготовлены Д1 идентичные ёмкости, одна из которых предназначалась непосредственно да намораживания льда (ёмкость 1), а другая - для проведения измерен!-излучения опытных полек льда (ёмкость 2). Первая ёмкость была стационар» установлена в большой морозильной камере.

По достижении требуемой толщины льда, намораживание прекращалось, 1 проводился отбор проб на соленость из разных его слоев. Затем образцы триготовленного льда помещались в ёмкость 2, установленную снаружи на тсрытой площадке, куда также перекачивалась солёная вода из ёмкости 1. С ,-четом низкой механической прочности солёного льда при большой его массс общий вес поля превышал 300 кг) приходилось приготовленное поле )аспиливать на куски размером 1 х 1 метр, и каждый поочередно переносить в ¡мкость 2, сохраняя их взаимную ориентацию. Образовавшиеся при стыковке ивы тщательно цементировались осколками льда аналогичного типа и ;олености.

В ходе проведения работ были поочередно наморожены два поля льда :редней толщиной 16 и 18 см, которые затем были использованы для измерений ;адиояркосткых температур при различных углах падения на вертикальной и оризонтальной поляризациях. Время приготовления полей составило 5 и 7 щей, при температуре воздуха в морозильной камере -15°С и -10°С.

Глава 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРЦИАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ РАССЕЯНИЯ АНТЕННЫ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ РАДИОЯРКОСТНЫХ ТЕМПЕРАТУР.

При проведении работ по исследованию радиотеплового излучения гедовых покровов, описанных в главе 2, в луч антенны радиометра кроме гзлучешы от исследуемого ледового поля с прямоугольной формой юверхности попадало также излучение от окружающих объектов - заснеженной 1емли, кустов и т.д. Для учёта вклада этого дополнительного (фонового) гзлучепия в рассмотрение были введены парциальные коэффициенты мссеяния антенны, определяющие, какая часть от полной мощности, фшшмаемой антенной, приходит от этих участков поверхности. Для учёта (клада фонового излучения используется парциальный коэффициент рассеяния 5, который определяется следующим образом:

га _

Р ~ 2к ж

\ р7(Э,<р)-шЭ</Э«йр

о о

де /7(й,ф) - диаграмма направленности антенны в сферических координатах;

Э2, ф); ф2 - начальные и конечные пределы интегрирования, определяемые еометрической формой границ исследуемой подстилающей поверхности.

Для вычисления парциальных коэффициентов рассеяния Р по триведённой формуле необходимо определить пределы интегрирования для штеграла, стоящего в числителе. Поскольку эти пределы зависят от еометрической формы границ исследуемых образцов льда (имевших фямоугольную форму поверхности), необходимо было получить уравнения,

задающие эти границы. Рассмотрение проводилось в сферической систем координат, связанной с антенной радиометра.

Были получены выражения для прямоугольной (а в общем случае произвольной) формы границ исследуемого объекта при двух возможны системах подвески антенны радиометра, обеспечивающих изменение угл визирования. При перЕом способе подвески антенна перемещается по дуг окружности вокруг оси, лежащей в плоскости исследуемого объекта. Пр: втором способе антенна меняет угол визирования, находясь в одной и той ж точке пространства на некоторой высоте над исследуемым объектом. Дл вычисления парциальных коэффициентов рассеяния на основании получении соотнопхешж были составлены соответствующие компьютерные программы.

Из сравнения зависимостей парциальных коэффициентов рассеяния о угла визирования для двух рассмотренных систем подвески антенн радиометро можно сделать вывод, что система подвески, обеспечивающая изменение угл визирования путём движения антенны по дуге окружности, боле предпочтительна, так как обеспечивает поддержание коэффициента р н уровне, близком к единице, в большем диапазоне углов.

Так как с учётом фонового излучения измеряемая радиометро! радиояркостная температура складывается из двух компонент

1'измярк ~~ ^ярк ' Р "^[фшярк ~~ Р) 5

то, используя парциальные коэффициенты рассеяния, можно восстановит истинную радиояркостаую температуру исследуемого объекта (в данном случа - лабораторного льда), рассчитав её по формуле:

г (с» =

ярк восст V / р(®) '

где 0 - угол визирования.

Полученное соответствие результатов модельных расчётов и далньг натурных измерений, подвергнутых процедуре восстановления, свидетельствуе о высокой эффективности рассмотренной методики восстановления значени радиояркостных температур по данным экспериментально определённы антенных температур исследуемых поверхностей.

Глава 4. ПРОГРАММА КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТК1 РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ РАДИОТЕПЛОВОГО И ЗЛУ ЧЕШИ СТРУКТУР ТИПА "ЛЁД НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ".

Исходными данными для программы комплексной обработки являютс файл с величинами значений выходного напряжения радиометра 1 соответствующими им значениями углов визщювания, и файл с физическим] параметрами (температурой и солёносгью) ледового поля и воды подо льдом.

Программа производит пересчёт выходных напряжений радиометра радиояркостаую температуру, внося поправки, связанные с вкладом фоновог< излучения и излучения неба, а также выполняет теоретический расчё

1Диояркостных температур исследуемой структуры для заданных во входном айле углов визирования.

Результатом работы программы является вывод на экран графика ссперимснпгалыюй и расчётной зависимостей радиояркостной температуры : следуемого ледового поля от утла визирования, а также создание файла юных, пригодного для построения этого же графика в других стандартных )мпыотерных программах.

Кроме того, на экран и и отдельный файл выводится таблица, содержащая ипше по всем этапам обработки результатов измерений, расчётные величшш |диояркостных температур и коэффициентов отражения, величину [Схождения между экспериментальными и расчётными значениями щиояркостных температур, а также глубину проникновения электромагнитной

кптл « г» РПв1Ш , тт/»л1татга»и тт» па* Лглпггпггп' />ггля Лотм«'т»гтлтлгл пот^т'лггплппл

лучение).

Программа содержит меню для начального ввода данных (имён входного выходного файлов, длины волны, поляризации, а также данных калибровок) и уществляет графическую индикацию количества выполненных и оставшихся счётов.

Глава 5. УЧЁТ РАССЕЯНИЯ ПРИ РАССМОТРЕНИИ ПРОЦЕССА 1ЛУЧЕНИЯ СЛОИСТОЙ СРЕДЫ.

Важным достоинством рассматриваемой модели слоистой среды и зданного на её основе базового программного блока, рассмотренного в аве 1, является возможность использования этого блока для расчётов диояркостных температур объектов с учётом рассеяния в слоях. Для описания оцесса рассеяния введём в рассмотрение индикатрису рассеяния слоя, ределяющую, какая часть мощности электромагнитной волны, падающей на ой, будет распространяться под каждым из углов после рассеяния в толще оя. Или, используя терминологию спектрального анализа, можно сказать, что дикатрисе рассеяния будет соответствовать непрерывный угловой спектр.

Чтобы иметь возможность использовать базовый программный блок для счётов радиояркостных температур с учётом рассеяния в слоях, необходимо эворить следующие положения.

1. Ог непрерывного углового спектра переходим к дискретному, в тором каждая угловая гармоника равна по величине суммарной мощности из которого окружающего её углового интервала. Так, например, нулевая эмоник^ соответствует доле мощности, содержащейся в секторе углов от -5° +5°, 10° - гармоника соответствует мощности из сектора углов 5°-ь15°, и т.д. ким образом, вместо бесконечного числа лучей мы получаем конечное и не ашком большое.

2. Рассматриваем индикатрису рассеяния в качестве характеристики слоя с элементарной и неделимой составной части слоистой среды. Формирование

процесса рассеяния внутри слоя не рассматриваем. Считаем, что результате рассеяния луча в некотором слое является веер лучей, возникающий на грани между этим слоем и последующим (и, соответственно, падающий ] следующий слой).

3. Процесс рассеяния лучей, проходящих сквозь слой под разные углами, описывается одной и той же индикатрисой. Угловые направления луч< в пучке, образующемся на выходе из слоя, вычисляются следующим образом: произвольной величине угла, под которым распространяется луч в слс прибавляются величины углов, которым соответствуют гармоники дискретно спектра при нормальном прохождении волны сквозь слой.

С учетом оговорешшх условий базовый программный блс позволяющий рассчитывать радиояркостную температуру объектов на осно модели слоистой среды без учёта рассеяния в слоях, может быть использов; как основной расчётный модуль в программе, проводящей расчёт с учёт< рассеяния. Базовый блок, по существу, отслеживает один преломляющийся, : не рассеивающийся луч со всеми его переотражениями и вычисляет вклад это луча в радиояркостную температуру. Процесс рассеяния даёт множество так лучей, распространяющихся под разными углами и входящих в среду не с 1-1 а со 2-го, 3-го и т.д. слоя. Следовательно, для создания программы, проводящ расчёт радиояркосшой температуры с учётом рассеяния, к базовому расчётному - программному блоку необходимо добавить блок управлеш который бы перебирал все лучи и суммировал их вклады в общ] радиояркостную температуру среды.

Не следует опасаться того, что количество появившихся в результа рассеяния лучей будет неограниченно расти. Так действительно было бы, ее бы мы проводили чисто теоретическое рассмотрение процесса. Однако ода из достоинств предлагаемого подхода является то, что к теоретическо: рассмотрению подключается численный контроль - контроль за величин мощности, которую несут в себе рассеивающиеся лучи по мере их прохожден сквозь среду. Реальные среды имеют потери, следовательно волны по ме прохождения сквозь среду будут затухать. К тому же волн распространяющиеся под углами, соответствующими боковым гармоник спектра рассеяния, исходно обладают небольшой долей мощное относительно полной мощности волны, падающей на среду. Процесс последующего рассеяния таких лучей (то есть дальнейшего деления мощное волн) приводит к быстрому уменьшению мощности волн, соответствуют каждому из лучей. Здесь вступает в действие численный контроль: как толт мощность волны становится меньше заданной малой величины, отслеживав данного луча прекращается.

Из всего изложенного следует важный вывод: возможно создш программы, рассчитывающей радиояркостную температуру среды на ост модели слоистои среды с учётом рассеяния в слоях и не ограничет кратностью рассеяния.

На основании изложенного подхода была создана компьютерная рограмма для расчёта радиояркостгной температуры среды с произвольным гртикальным профилем температуры и диэлектрической проницаемости с чётом многократного рассеяния.

В программу не закладывается учёт однократного, двукратного или зёхкратного рассеяния, как это обычно принято делать. Кратность панавливается автоматически, исходя из вклада волны в радиояркостную ;мперачуру, причём для волн, распространяющихся в среде разными путями, гепень кратности рассеяния может быть разная.

Следует отметить, что если в результате рассеяния в каждом слое Зразуются лучл, рассеявшиеся иод большими углами (большими 90° при эрмальном падении волны на слой), то такие лучи будут распространяться уже з вглубь среды, а, напротив, по направлению к поверхности. Для учёта всех »чей, распространяющихся как вглубь среды, так и к поверхности, программа дшируег вклады лучей в радиояркостную температуру, осуществляя эследовательные проходы от 1-го слоя до И-го, от М-го до 1-го, снова от 1-го з М-го и т.д. до тех пор пока все лучи не затухнут в результате поглощения в »еде.

Принципиально важным условием применения предлагаемой методики и расчёта радиояркостной температуры с учётом рассеяния по созданной юграмме является экспериментальное измерение индикатрисы рассеяния, на :новании которого дискретный угловой спектр рассеяния закладывается в юграмму в виде соответствующего набора параметров.

В лаборатории была создана экспериментальная установка, позволяющая юводить измерения индикатрис рассеяния слоёв исследуемых объектов, гтановка содержит неподвижную передающую (облучающую) антенну и ¡ижущуюся по окружности в горизонтальной плоскости приёмную антенну, редусмотрена возможность расположения приёмной антенны на разных [сстояниях от исследуемого объекта. Исследуемый слой крепится в ¡ециальном держателе. В качестве регистрирующего прибора используется мериггель КСВН в комплекте с генератором качающейся частоты.

Экспериментальная лабораторная установка для измерения индикатрис ссеяния позволяет непосредственно измерить суммарное поле, получающееся результате сложения прямой (опорной) волны и рассеянной волны.

Когда исследуемый образец не содержит неоднородностей или вообще длен из держателя, приемная антенна регистрирует только опорную волну, ш исследовании образца с неоднородносгями появляется рассеянное поле, торое, складываясь с опорным полем большей амплитуды, дает гтерферекционную картину. При этом получившиеся локальные максимумы ответствуют углам, под которыми опорное и рассеянное поля складывают» в йе, а локальные минимумы возникают гам, где поля складываются в отивофазе. Таким образом, если построить огибающие полученного графика

(одну, проходящую по точкам локальных максимумов, а другую - по точка локальных минимумов), то размах между огибающими будет соответствова" удвоенной величине рассеянного поля.

С помощью описанной установки были проведеныы исследован! рассеивающих свойств моделей льда, для создания которых использовало( оргстекло.

Реальные природные морские льды делятся на две основные категори однолетние и многолетние льды. Основное их различие состоит в том, ч-однолетний лед содержит много карманов с рассолом (незамёрзшей соленс водой) по всей своей толщине и мало воздушных пузырьков. Многолетний а лед содержит много воздушных пузырьков, а карманы с рассолом расположен в нижних слоях ледовой толщи.

В миллиметровом диапазоне длин волн радиотепловое излучен! формируется относительно тонким верхним слоем льда. Пузырьки же воздух имеющие размеры от долей миллиметров до нескольких миллиметров, создан явно выраженный эффект рассеяния электромагнитных волн именно в эте диапазоне. Таким образом, для моделирования в миллиметровом диалазо: более прост многолетний лед, поскольку его верхний слой не содерж карманов с рассолом. И, следовательно, модель должна содержать толы пустоты с воздухом.

Модели многолетнего льда были получены следующим образо складывались вместе несколько тонких слоев оргстекла с предварителы просверленными в них не сквозными отверстиями. Отверстия просверлены случайных точках н не совпадают для разных слоев.

В реальном льде пузырьки воздуха имеют форму, близкую к сферическс В экспериментах пузырьки моделировались полостями цилиндрической фор* (что делается в ряде случаев), но имеющими тот же объем, что и моделируемых сферических пузырьков. Средний размер пузырьков и : концентрация выбирались на основании данных, приводимых в публикации посвященных исследованию образцов реального льда.

На полигоне кафедры радиофизики СПбГТУ были проведи экспериментальные измерения радиояркосгаых температур реального льда моделей льда в виде листов оргстекла.

На основании проведённых работ можно отметить, что исследован реального льда в естественных условиях (в зимний период под открыл небом) являются весьма сложными, трудоёмкими и малоуправляемыми. Да: намораживание тонкого слоя льда оказалось весьма проблематичным, так ка) период проведения эксперимента темпетатура воздуха колебалась около 0е неоднократно переходя в область положительных значений. Что касаеп приготовления образцов льда с определённой внутренней структурой, то в эт случае скачки температуры, иодгаивание, тем более многократное, про<

¿допустимы. Способ предварительного намораживагшя льда в морозильной шере также имеет свои сложности, о которых говорилось в главе 2.

Использование при исследовании льда его диэлектрических моделей лесто натурального естественно образовавшегося или намороженного в злодильной камере льда, напротив, имеет ряд несомненных преимуществ:

- полный контроль физико-геометрических параметров исследуемой одели;

- возможность моделирования только выбранных параметров;

- относительная простота, быстрота и дешевизна изготовления;

- стабильность характеристик созданной модели (не подтаивает, не ¡меняет соленость рассола);

- возможность проведения всех необходимых измерений в 1бсраторкых условиях ¡три комнатной температуре к на открытых площадках в обое время года.

Таким образом, создание и использоваште моделей льда в виде набора ^электрических (пластмассовых с соответствующим льду значением е) слоев с ¡обходимым количеством полостей требуемого размера и конфигурации, шолняющихся воздухом или рассолом необходимого состава, является весьма ггуальным и перспективным.

В заключении перечислены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1) Подробно проанализирована модель плоскослоистой среды, шсывающая излучение такой среды. Вывод основных математических »отношений проведён на основе теории соединения четырёхполюсников.

2) Проведены расчёты радиояркостной температуры и коэффициента ражения слоистой среды при произвольном вертикальном профиле тэлектрической проницаемости и температуры для произвольной поляризации > созданной программе. При расчёте среда с меняющимися вдоль ртикальной оси физическими параметрами представляется в виде набора >нких по сравнению с длиной волны вспомогательных слоев, причём в >еделах каждого слоя все параметры остаются постоянными.

3) При расчёте радиояркостной температуры среды по созданной юграмме обеспечена возможность выбора одного из некоторых стандартных [пов вертикального профиля температуры и диэлектрической проницаемости: шейного, кусочно-линейного, экспоненциального, полиномиального, кусочно-штомиального.

4) Рассмотрено аналитическое решение для коэффициента отражения от юя с линейным законом изменения диэлектрической проницаемости.

Проведено сравнение аналитического решения с численным г аппроксимации исследуемого линейного слоя ступенчатой функцией разбиением на различное число вспомогательных слоев.

5) Получено аналитическое решение для излучения нлоскослоио среды с линейным законом изменения диэлектрической проницаемости пределах каждого из вспомогательных слоев разбиения.

6) Разработана основанная на использовании парциальн коэффициентов рассеяния антенны методика восстановления значен радиояркостной температуры по данным экспериментально определён! антенной температуры исследуемой поверхности для случаев, когда грани этой поверхности не являются в сферической системе координат, связанно! антенной, простыми линиями (окружностями).

и ходе составления алгоритма для получения численных значен парциальных коэффициентов рассеяния в зависимости от угла визировш проведено математическое описание двух возможных геометрических сися подвески антенны радиометра, обеспечивающих изменение угла визирования

8) Создана прикладная программа комплексной обрабо? результатов измерений радиотеплового излучения структур типа "лёд поверхности воды". В программе, основанной на модели слоистой сре, реализована также процедура восстановления радиояркосгных температу! использованием парциальных коэффициентов рассеяния. Исходными данны для программы являются выходные напряжения радиометра, а результап работы - вывод на экран графика экспериментальной и расчётной зависимое-радиояркостной температуры исследуемого ледового поля от угла визирован а также таблицы, содержащей данные по всем этапам обработки результа измерений.

9) В рамках модели слоистой среды предложен подход, позводяюп учитывать рассеяние при рассмотрении процесса излучения слоистой сре, Учёт процесса рассеяния осуществляется путём рассмотрения лучевой карта в среде, а структура лучевой картины формируется на основш экспериментально измеряемой индикатрисы рассеяния характерного с. среды. На основе предложенного подхода создана программа расч радиояркостной температуры слоистой среды с учётом рассеяния.

10) Разработана методика измерения и изготовлена эксперименталь установка для измерения индикатрис рассеяния.

И) Изготовлены образцы рассеивающих сред, моделирую! некоторые реальные природные среды, в частности, лёд. Проведены измере их индикатрис рассеяния.

12) Проведены экспериментальные измерения радиотеплового излучи моделей льда и реального льда.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Шанников Д.В., Лебедев Б.Б. Применение модели слоистой среды для асчёта радиояркостной температуры ледовых покровов // Российская научно-:хническая конференция "Инновационные наукоёмкие технологии для оссии", 25-27 апреля 1995 г. Тезисы докладов, часть 9. - СПбГТУ, -Петербург, 1995. - С.9.

2. Даровских А.Н., Лебедев Б.Б., Лебедев Г.А., Сгощин В.А., Шанников .В. Дистанционные измерения температуры морского льда эдиотеплолокационным методом для решения задач взаимодействия ледяного экрова с инженерными сооружениями // 2-я Международная Конференция Освоение шельфа арктических морей России". Тезисы докладов. - СПбГТУ,

3. Шанников Д.В., Лебедев Б.Б., Нангендо И.В. Измерение индикатрисы гссеяния моделей сред со случайно распределёнными неоднородностями // [атериалы научно-технической конференции "Фундаментальные исследования технических университетах", 16-17 июня 1997 г. - СПбГТУ, С-Петербург, >97. - С.247-248.

4. Лебедев Б.Б., Пронин М.Ю. Микроволновые измерения радиофизичес-IX параметров моделей, соответствующих реальным природным средам // [олодёжная научная конференция "Современные научные школы: ;рспективы развития". Материалы докладов, ч.2. - СПбГТУ, С-Петербург, >98. - С.218.

5. Шанников Д.В., Лебедев Б.Б., Нангендо И.В. Исследование характерис-[к рассеяния льда на моделях // Региональная IV конференция по распро-ранению радиоволн. Тезисы докладов. - СПбГУ, С-Петербург, 1998. - С. 18.

6. Лебедев Б.Б., Шанников Д.В. Учёт рассеяния при расчёте радиояркост->й температуры объектов на основе модели слоистой среды // Материалы Ш :ероссийской научно-технической конференции "Фундаментальные ¡следования в технических университетах", 10-11 июня 1999 г.- СПбГТУ, -Петербург, 1999. - С.98.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕПЛОВОЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ ПЛОСКОСЛОИСТОЙ СРЕДЫ.

1.1 Природа и характеристики теплового радиоизлучения.

1.2 Расчёт радиотеплового излучения на основе теоремы взаимности

1.3 Излучение плоскослоистой среды: вывод основных соотношений на основе теории соединения многополюсников.

1.4 Программа расчёта радиояркостной температуры и коэффициента отражения подстщшщей поверхности при произвольном вертикальном",ц]5о($илё -диэлектрической проницаемости и температуры.

1.5 Задача о слое с линейным законом изменения диэлектрической проницаемости: аналитическое решение

1.6 Тестирование программы путём сопоставления численного и аналитического решения.

1.7 Влияние погрешности исходных данных на погрешность расчёта.

1.8 Излучение плоскослоистой среды с линейным законом изменения диэлектрической проницаемости в пределах слоя: аналитическое решение

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИОТЕПЛОВОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ.

2.1 Приготовление полей лабораторного льда.

2.2 Аппаратура и методика проведения микроволновых измерений.

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРЦИАЛЬНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ РАССЕЯНИЯ АНТЕННЫ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ РАДИОЯРКОСТНЫХ ТЕМПЕРАТУР

3.1 Учёт вклада фонового излучения

3.2 Измерение и аппроксимация диаграмм направленности антенн радиометров

3.3 Расчёт парциальных коэффициентов рассеяния.

3.4 Восстановление радиояркостных температур.

3.5 Учёт отражённого радиоизлучения неба.

ГЛАВА 4. ПРОГРАММА КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИЗМЕРЕНИЙ РАДИОТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СТРУКТУР

ТИПА "ЛЁД НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ"

ГЛАВА 5. УЧЁТ РАССЕЯНИЯ ПРИ РАССМОТРЕНИИ ПРОЦЕССА ИЗЛУЧЕНИЯ

СЛОИСТОЙ СРЕДЫ.

5.1 Основные положения предлагаемого подхода

5.2 Программа расчёта радиояркостной температуры слоистой среды с учётом рассеяния.

5.3 Экспериментальная установка и методика измерения индикатрисы рассеяния.

5.4 Исследование рассеивающих свойств моделей льда.

5.5 Экспериментальные измерения радиотеплового излучения моделей льда и реального льда.

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом интенсивно развиваются и находят всё более широкое применение в научных исследованиях и хозяйственной деятельности методы дистанционных наблюдений в оптическом, инфракрасном и радиодиапазонах.

Одним из эффективных методов зондирования в радиодиапазоне является СВЧ-радиометрический (радиотеплолокационный), основанный на измерении собственного теплового электромагнитного излучения исследуемых объектов в диапазонах миллиметровых, сантиметровых и дециметровых волн [2,21,23,59, 60].

Радиотепловое излучение присуще всем телам, имеющим температуру выше абсолютного нуля. Характеристики этого излучения интенсивность, спектральный состав, степень поляризации - вполне определённым образом зависят от физических свойств излучающего тела.

Таким образом, с помощью радиотеплолокации можно не только обнаруживать и определять координаты большинства естественных и искусственных объектов, но и исследовать их физические свойства.

Кроме того, основное преимущество радиоволн перед волнами оптического и инфракрасного диапазонов заключается в их высокой проникающей способности. Волны радиодиапазона слабо поглощаются и рассеиваются в облаках, в связи с чем радиофизические методы наблюдения земных покровов и акваторий являются всепогодными. Растительные покровы являются для них полупрозрачной средой, что позволяет исследовать характеристики почвогрунтов при наличии растительности. Наконец, радиоволны проникают внутрь почвогрунтов и обеспечивают возможность их зондирования на глубину от нескольких сантиметров до нескольких метров в зависимости от длины электромагнитной волны.

Всё это делает радиотеплолокацию эффективным средством дистанционного наблюдения и контроля. Радиотеплолокационные методы применимы при решении ряда народно-хозяйственных задач. Среди этих 'задач можно назвать такие, как метеорологическке, геофизические и геологические исследования [17], ледовая разведка, исследование свойств ледовых покровов [45,46,47,48,61], обнаружение лесных и подземных пожаров [6], определение параметров сельскохозяйственных угодий, влажности почв [50], обнаружение грунтовых вод и определение уровня их залегания [42], определение уровня загрязнения суши и воды [16,22,63], комплексный аэрокосмический мониторинг состояния окружающей среды [4,5,9,25, 26,43].

Традиционные средства контактных измерений температуры, минерализации (солёности), состояния водной поверхности, влажности почв, уровня залегания грунтовых вод, биомассы растительности обеспечивают определение этих параметров в точке или на ограниченной площади. Измерить с помощью контактных средств указанные параметры с требуемой для большинства научных й практических задач детальностью в пространстве (густотой точек на местности) и во времени (частотой отбора проб) не всегда представляется возможным. При таком подходе усреднение исследуемых параметров по некоторой площади является отдельным самостоятельным этапом обработки результатов измерений. Кроме того, усреднение, выполненное по недостаточному числу точечных измерений или при больших перерывах между измерениями в одной выборке, может дать недостоверную информацию о состоянии исследуемого объекта.

В то же время основное преимущество радиотеплолокационного метода перед методами контактных измерений заключается как раз в автоматическом усреднении принимаемого сигнала по площади пятна, перекрываемого лучом антенны на исследуемой подстилающей поверхности. При этом приёмник радиотеплового излучения - радиометр [11] - наиболее эффективно работает при его размещении на воздушных и космических носителях. В таком случае луч антенны радиометра охватывает значительную территорию, и радиометр сразу выдаёт усреднённые параметры по большой площади.

Успехи в создании технических средств для дистанционных наблюдений, обработки и тематической интерпретации данных, в изучении закономерностей взаимосвязи радиационных характеристик с физическими параметрами подстилающей поверхности обусловили заинтересованность потребителей из отраслевых организаций в использовании дистанционной радиометрической информации.

После более чем двух десятилетий обещаний данные с микроволновых сенсоров самолётного и спутникового базирования наконец начинают применяться в общепланетарном масштабе, сообщает в своём специальном докладе по дистанционному зондированию журнал "IEEE Spectrum" [52]. При этом задержка была вызвана не отсутствием идей по применению получаемых данных, а недостатком технологий для передачи ж обработки очень больших массивов данных (эта проблема рассматривается и в [53]). Отметим, что это заявление датировано 1995 годом.

А начинала свое развитие радиотеплолокация в конце 40-х годов для преимущественно военного применения [23]. Полная скрытность выгодно отличала её при сравнении с традиционной активной локацией. Однако с течением времени, благодаря тому, что, как уже было отмечено, с помощью радиотеплолокации можно не только обнаруживать и определять координаты большинства естественных и искусственных объектов, но и исследовать их физические свойства, именно это второе направление -определение физических свойств - стало основным направлением развития радиотеплолокации.

Для интерпретации получаемых при радиометрических измерениях данных и разработки методик определения требуемых параметров исследуемых объектов необходимо построение некоторых физико-математических моделей подстилающих поверхностей и рассмотрение процесса радиотеплового излучения этих поверхностей на основе выбранной модели.

Одной из общепринятых моделей является модель слоистой среды. Однако в рамках этой модели возможны разные подходы. Непосредственное использование представления электромагнитного излучения в среде в виде падающих и отражённых волн приводит к необходимости суммирования бесконечных сходящихся рядов, как, например, в [3]. Подходы, основанные на применении теории длинных линий (например, [60]) и теории соединения многополюсников [13,36] более удобны с точки зрения математического описания процесса излучения среды.

Варианты задач, рассматриваемых на основе модели слоистой среды, разнообразны: от среды с переменным вертикальным профилем диэлектрической проницаемости при одинаковой температуре всех слоев [60] и среды с переменным вертикальным профилем как диэлектрической проницаемости, так и температуры без учёта рассеяния [50,55,62] до распространения и рассеяния волн в случайно-неоднородной среде [12]. Варианты таких задач разнообразны не только по постановке, но ж по сложности, и по степени практической применимости получаемых результатов.

Степень сложности математического описания модели непосредственно связана со степенью детальности физического описания процесса радиотеплового излучения среды. Так, в моделях без учёта рассеяния используется не слишком сложный и громоздкий математический аппарат. В этой группе моделей, в свою очередь, наиболее простое и компактное математическое описание у моделей, основанных на использовании теории соединения многополюсников.

Модели же с учётом процесса рассеяния имеют существенно более сложную математическую базу. Описание процесса рассеяния электромагнитных волн в случайно-неоднородной среде требует использования весьма громоздкого аппарата математической статистики. К тому же, сложность конечных формул затрудняет процесс расчёта по ним даже с использованием вычислительной техники. Модель теряет наглядность и становится весьма затруднённой для непосредственного восприятия и анализа моделируемых процессов.

Таким образом, создание физико-математической модели радиотеплового излучения среды, учитывающей процесс рассеяния, но при этом весьма ясной физически, позволяющей легко анализировать причинно-следственные связи между свойствами объекта и его формируемой радиояркостной температурой, а также не перегруженной черезмерно математически, представляется весьма актуальным.

Анализ возможностей, содержащихся в модели слоистой среды, раскрывает перспективы практического использования её различных модификаций при обработке и интерпретации данных радиотепло-локационного зондирования.

С учётом всего изложенного основные цели данной работы были сформулированы следующим образом:

1) Проанализировать возможности модели слоистой среды без учёта рассеяния в слоях. Отработать методику расчёта радиояркостной температуры и коэффициента отражения плоскослойстой среды при произврльном вертикальном профиле диэлектрической проницаемости и температуры для произвольной поляризации.

2) Разработать модель слоистой среды с учётом рассеяния в слоях на основе модели без учёта рассеяния. Предложить способ расчёта радиояркостной температуры слоистой среды с учётом рассеяния, основанный на рассмотрении лучевой картины в среде,

3) Разработать методику измерения индикатрис рассеяния. Изготовить экспериментальную установку и провести на ней измерение индикатрис моделей реальных сред.

4) Разработать методику восстановления истинных значений радиояркостных температур по измеряемым значениям на основе использования парциальных коэффициентов рассеяния антенн при -произвольной форме границ исследуемой подстилающей поверхности.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Основные результаты данной работы состоят в следующем.

1) Подробно проанализирована модель плоскослоистой среды, зписывающая излучение такой среды. Вывод основных математических зоотношений проведён на основе теории соединения четырёхполюсников.

2) Проведены расчёты радиояркостной температуры и коэффициента зтражения слоистой среды при произвольном вертикальном профиле ^электрической проницаемости и температуры для произвольной толяризации по созданной программе. При расчёте среда с меняющимися здоль вертикальной оси физическими параметрами представляется в виде габора тонких по сравнению с длиной волны вспомогательных слоев, 1ричём в пределах каждого слоя все параметры остаются постоянными.

3) При расчёте радиояркостной температуры среды по созданной зрограмме обеспечена возможность выбора одного из некоторых стандартных типов вертикального профиля температуры и диэлектрической 1роницаемости: линейного, кусочно-линейного, экспонешрального, толиномиальног^С куеочно-полиНомиального.

4) Рассмотрено аналитическое решение для коэффициента отражения эт слоя с линейным законом изменения диэлектрической проницаемости. 1роведено сравнение аналитического решения с численным при аппроксимации исследуемого линейного слоя ступенчатой функцией с эазбиением на различное число вспомогательных слоев.

5) Получено аналитическое решение для излучения плоскослоистой :реды с линейным законом изменения диэлектрической проницаемости в ¡ределах каждого из вспомогательных слоев разбиения.

6) Разработана основанная на использовании парциальных шэффициентов рассеяния антенны методика восстановления значений >адиояркостной температуры по данным экспериментально определённой штенной температуры исследуемой поверхности для случаев, когда -раницы этой поверхности не являются в сферической системе координат, связанной с антенной, простыми линиями (окружностями).

7) В ходе составления алгоритма для получения численных значений юрциальных коэффициентов рассеяния в зависимости от угла визирования ¡роведено математическое описание двух возможных геометрических систем юдвески антенны радиометра, обеспечивающих изменение угла визирования.

8) Создана прикладная программа комплексной обработки результатов 1змерений радиотеплового излучения структур типа "лёд на поверхности зоды". В программе, основанной на модели слоистой среды, реализована гакже процедура восстановления радиояркостных температур с использованием парциальных коэффициентов рассеяния. Исходными данными зля программы являются выходные напряжения радиометра, а результатом заботы - вывод на экран графика экспериментальной и расчётной зависимостей радиояркостной температуры исследуемого ледового поля от /гла визирования, а также таблицы, содержащей данные по всем этапам обработки результатов измерений.

9) В рамках модели слоистой среды предложен подход, позволяющий /читывать рассеяние при рассмотрении процесса излучения слоистой зреды. Учёт процесса рассеяния осуществляется путём рассмотрения лучевой картины в среде, а структура лучевой картины формируется на эсновании экспериментально измеряемой индикатрисы рассеяния характерного слоя среды. На основе предложенного подхода создана

- 91 рограмма расчёта радиояркостной температуры слоистой среды с учётом lacсеяния.

10) Разработана методика измерения и изготовлена жспериментальная установка для измерения индикатрис рассеяния.

11) Изготовлены образцы рассеивающих сред, моделирующие некоторые зеальные природные среды, в частности, лёд. Проведены измерения их шдикатрис рассеяния.

12) Проведены экспериментальные измерения радиотеплового 1злучения моделей льда и реального льда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена сравнительному исследованию и анализу возможностей различных модификаций физико-математической «одели слоистой среды и её реализаций в виде созданных компьютерных фограмм для расчёта радиояркостных температур исследуемых сред, в том шсле - с учётом рассеяния в слоях.

1. Альтман Дж. Устройства СВЧ.- М.: Мир, 1968.- 487 с.

2. Башаринов А.Е., Гуревич A.C., Егоров С.Т, Радиоизлучение ^емли как планеты. М. : Наука, 1974.- 188 с.

3. Башаринов А. Е., Тучков Л. Т., Поляков В. М., Ананов Н.И. 1змерение радиотепловых и плазменных излучений.- М.: Сов. радио, 1968.-Ï90 С.

4. Богородский В.В., Козлов А.И. Микроволновая радиометрия темных покровов. Л. : Гидрометеоиздат, 1985.- 272 с.

5. Богородский В. В., Козлов А.И., Тучков Л.Т. Радиотепловое 1злучение земных покровов.- Л.: Гидрометеоиздат, 1977.- 224 с.

6. Бородин Л.Ф., Кирдяшев К. П., Стаканкин Ю.П., Чухланцев A.A. О фименении СВЧ-радиометрии для исследования лесных пожаров // РЭ.-L976. Т. 21, N 9.- С. 1945.

7. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах, М.:Изд. АН СССР, L973.- 343 с.

8. Веселов В.М., Милицкий Ю.А., Мировский В.Г., Жариков Е. А., Эткин В.С. Экспериментальная методика определения параметров антенн задиотепловых комплексов // Исследование Земли из космоса.- 1981.-J2.- С. 63.

9. Гавриленко A.C., Калмыков А.И., Пичугин А.П. Опыт задиолокационных наблюдении земных покровов в 3 сантиметровом циапазоне радиоволн // Исследование Земли из космоса.- 1987.- N1.-Z. 85-92.

10. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы i радиометры. М. : Наука, 1973.- 415 с.

11. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-юоднородных средах. В 2т.- М. : Мир, 1981.- 2т.

12. Клепиков И.Н., Шарков Е.А. Тепловое излучение слоисто-шоднородных неизотермических сред.- М.: ИКЙ, 1983.- (Препринт / Ин-т сосмич. исслед.; N801).

13. Кондратьев К.Я., Григорьев А.А., Рабинович Ю.И., Шульгина S.M. Метеорологическое зондирование подстилающей поверхности из «осмоса / Под ред. К.Я.Кондратьева. Л. :Гидрометеоиздат, 1979.- 248 с.

14. Кондратьев К.Я., Мелентьев В.В., Александров В.Ю. "ВЧ-излучательные свойства различных типов подстилающей поверхности три отрицательных температурах // Докл. АН СССР.- 1989.- Т.306, N 1.-j. 67-70.

15. Кондратьев К.Я., Мелентьев В.В., Назаркин В.А. Космическая дистанционная индикация акваторий и водосбросов (микроволновые методы).- Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1992,- 248 с.

16. Кронберг П. Дистанционное излучение Земли. Основы и методы дистанционных исследований в геологии,- М.:Мир, 1988.- 343 с.

17. Левин Л. Современная теория волноводов.- М.: Изд-во шостранной литературы, 1954.- 216 с.

18. Мелентьев В.В., Рабинович Ю.И. Излучательная способность ютественных поверхностей в микроволновом диапазоне // Труды ГГО,-.976.- Вып. 371.- С. 12-21.

19. Мелентьев В.В., Рабинович Ю.И. Измерение коэффициентов шлучения водной поверхности, покрытой пеной и органическими плёнками V Труды ГГО,- 1972,- Вып. 291.- С. 9-13.

20. Николаев А.Г., Перцов C.B. Радиотеплолокация. М.: Воениздат, .970,- 132 с.

21. Пистолькорс A.A. Антенны. М. : Связьиздат, 1947.- 480 с.

22. Радиолокационные методы исследования Земли. Под ред. 1 А. Мельника. М. : Сов. радио, 1980.- 264 с.

23. Радиофизические методы и средства для исследования окружающей зреды в .миллиметровом диапазоне // Сборник научных трудов.- Киев: 1аукова думка, 1988.

24. Рогозин В.В. Длинные линии.- Л.: Ленингр. политехи, ин-т, L977. 59 с.

25. Справочник по волноводам. Под ред. Я. Н. Фельда.- М.: Сов. задио, 1952.- 432 с.

26. Справочник по специальным функциям. Под ред. М. Абрамовича и 1. Стиган.- М. : Наука, 1979,- 830 с.

27. Техника измерений на сантиметровых волнах. Под ред. Г.А.Ремез. 3 2т. Т. 2.- М. : Сов. радио, 1949.- 439 с.

28. Тишер Ф. Техника измерений на сверхвысоких частотах, правочное руководство.- М.: Госиздат, 1958.- 368 с.

29. Физические величины. Справочник. Под. ред. И.С.Григорьева, 3. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.

30. Цейтлин Н.М. Антенная техника и радиоастрономия.- М.: Сов. >адио, 1976.- 352с.

31. Чёрный Ф.Б. Распространение радиоволн.- М.: Сов.радио, 1972.-:63 с.

32. Шанников Д.В. Влияние расположения диэлектрической пластины а фазовую скорость волны в волноводе // Научно-технический шформационный бюллетень N9 Радиофизика,- Л.:ЛПИ, 1960,- С.26-28.

33. Шанников Д.В. Излучение и распространение электромагнитных юлн.- Л.: Ленингр. политехи, ин-т, 1990.- 64с.

34. Шанников Д.В., Лебедев Б.Б., Нангендо И.В. Исследование характеристик рассеяния льда на моделях // Региональная IV конференция ю распространению радиоволн. Тезисы докладов. СПбГУ, И-Петербург, 1998.- С. 18.

35. Шестополов В.П., Хмыров Б.Е., Калмыков А.И. и др. Комплексные эадиофизические исследования ледовых покровов // Док. АН СССР. 1983.Г. 272, N3.- С. 598-600.

36. Шумский П. А. Основы структурного ледоведения.- М.: Изд-во АН ССР, 1955.- 492 с.

37. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. ■ М.: Наука, 1986. 190 с.

38. Bauer P., Grody N. С. The potential of combining SSM/I and >SM/T2 measurements to Improve the Identification of snowcover and >recipitation // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing.- 1995.-rol. 3, N 2,- P. 252-261.

39. Carsey F.D. Microwave remote sensing of sea ice / Geophysical lonograph 68.- American Geophysical Union, 1992.- 2 vol.

40. Jezek K., Gogirieni S. Microwave remote sensing of the ireenland ice sheet // IEEE Geoscience and Remote Sensing society lewsletter. Dec. 1992.- P. 6-10.

41. Johnsen K.P., Darovskikh A., Heygster G., Wiesmann A. iicrowave measurements of sea ice in the Kara and Laptev Sea // Proc. :GARSS'97, 3-8 August 1997, Singapore, "IEEE Catalog No.97CH36042".-3.1675-1677.

42. Johnsen K.P., Heygster G., Darovskikh A. Passive microwave in jltu measurements over snow covered Siberian sea ice compared with 5SM/I // Proceedings of the IGARSS'99, Hamburg, Germany.- 1999.1588-1590.

43. Kelleher K.S. Designing dielectric microwave lenses // electronics. 1956.- Vol 29, N6,- P. 138-142.

44. Njoku E.G., Kong J.A. Teory for passive microwave remote ensing of near-surface soil moisture // J. Geophis. Res.- 1977.01.82, N 20.- P. 3108-3118.

45. Onstott R.G. Shuchman R.A. Wackerman C.C. Polarimetric radar easurements of arctic sea ice during the coordinated eastern arctic xperiment // Proceedings of IGARSS'91 symposium.- 1991.- Vol. 1,-.93-97.

46. Remote sensing. /Editor T.E. Bell // IEEE Spectrum.- March 995.- P. 24-31.

47. Sayood K. Data compression in remote sensing applications. '/ IEEE Geoscience and Remote Sensing society Newsletter.- Sept. 992.- P. 7-15.

48. Sihvola A.H., Kong J.A. Effective permittivity of dielectric lixtures // IEEE Trans. Geoscience Remote Sens.- 1988.- Vol. 26, N4.-\ 419-420.

49. Stogryn A. Brightness temperature of a vertically structered ledium // Radio Science.- 1970,- Vol 5, N 12.- P. 1379-1406.

50. Stogrin A. The bilocal approximation for the effective lielectric constant of an isotropic random medium // IEEE Trans. Intennas and Propagation. 1984.- Vol. AP-32, N 5,- P. 517-520.

51. Stogryn A., Desergent G.J. The dielectric properties of brine Ln sea-ice at microwave frequencies // IEEE Antennas and propagation.-L985.- Vol.AP-33(5).- P.523-532.

52. Tabeiba M. A new approach to the problem of wave scattering in random media and its application to evaluating the effective Dermittivity of a random medium // IGARSS'97 Proc.- Vol.1. P. 184-186.

53. Tsang L., Kong J., Shin R. Theory of microwave remote sensing. 1985.- 580 p.

54. Ulaby F.T., Moore R.K., Fung A.K. Microwave remote sensing: active and passive. N. Y., 1981.- Vol. 1,2.- 98

55. Wendler G. Sea ice observation by means of satellite // J. eophys. Res.- 1973.- Vol.78, N 9.- P. 1427-1428.

56. Wilheit T.T. Radiative transfer in a plane stratified ielectric // IEEE Trans.Geosci.Elec. 1978.- Vol. GE-16.

57. Williams G.F. Microwave emissivity measurements of babbles ,nd foam // IEEE Trans. Geosci. Electron.- 1971.- Vol.GE-9.- P.221-224