Обратные задачи в оптике бинарных дисперсных систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ
|
Ощепков, Сергей Леонидович
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Минск
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1993
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ имэни Б.И.СТЕПАНОВА
На правах рукописи
Ощепков Сергей Леонидович
ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ В ОПТИКЕ БИНАРНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
01.04.05 - оптика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Минск - 1593
_____ РГДЛЛ.'/.Л^ЛН
I Гг-Г.,'-} ГОСУДл'-^Г&гЬНЛЯ
'-•:..•• >» ЕпьЛлС 1'£кл
Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Институте физики им.Б.И.Степанова Академии наук Беларуси
Официальные оппоненты : член-корреспондент АНБ,
доктор физико-математических наук, профессор А.П.Иванов
доктор физико-ййтематических наук, профессор И.А.Малевич'
доктор физико-математичесйшй наук, профессор^ К.Г.Предко
Ведущая организация: Вильнюсский государственный университет
Защита состоится " 49 « фе&ралЗ 1993- года в часов-на заседании специализированного совета Д 006.01 ь01. по защите диссертаций при Институте физики им\ Б. Степанова АНБ в зале-заседаний Института (220072, Мин'сК, ГСП, просп.®.Скорины, 70). С диссертацией можно ознакомиться- в библиотеке Института физики АНБ.
Автореферат разослан " № " ■ЯН&в^Я 1952г.
Учений сектетарь специализированного совета доктор физ.-мат.наук
Г.А.Залесская
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность теми. Развитие методов оптической диагностики относится к числу наиболее актуальных направлений современной оптики дисперсных систем. Они находят все более широкое ирга,мнение в климатологии, охране окружающей среды, при совершенствовании ресурсосберегающих технологий в ттрсйсвсдстрв. К нентрв этой комплексной проблемы лежат обратные задачи светорассеяния.
Пртдкптт» Яйссерттгаи являются обратные задачи в сптпко бинарных дисперсных систем. !"х дисперсная г1>;еа представлена дв»".я полидисш»ренкми системам частиц (ктмизптг* с лостлгочно вкра-»оинрш} отличительными признаками формы, вещественного состава.
Примером йНЛйоГОН ¿ОПСП^! ичрпмоЛЬ ¿¡ОД^аД ЛСГЛ."
источников антропогенного происхождения, оолака в скв&шшсх разовом состоянии и в присутствии углеродсодержащих компонент, взвесь природных водоемов. Из технических сред можно указать топлива и смазочные материалы с содержанием эмульсионной воды, продуктов почвенного происхождения и коррозии металлов. Информация об отдельных компонентах важна в вопросах экологического мониторинга природных объектов, при разработке новых компо-аяциеннкх уютпряяаох, лля определения 9кел.пучтяниокной надежности техни'гхта;' спел. г/;.\Л '.'с-г-у- от/литься лтрлсшл1: Н"-оо т ж; и лтрл; а ;ллл : голпи.,л.; плл'ствл ч о с 1/Д, продудят; ра^нуь к;-::л Ч'ли'-л;'нлл;'л;ь/в а:;г;:;:::;с;.'.-, /лл'ллпгл.ь к сгплл.'лнллл-а. I мн.агообраг-пе яздгглий. с которой
-•//•"■'.'-Ч ¡'.7 <. : И;,1 ......-'Л'Л ЛбЛЛ ПК ЛЛДГП: СНеЛ.Л Л''С;-ЛПиЛ .
¡> ,.../ал;лл;л.!лм '-".П'с-^е "/лп-а ':от,о:пв свсторлс-
Ссллпя прллллп /ллпсллпгплгл сит:ж.-: /.иго иь лак 'а;, гллсл в исходную постанов1/.:« обратной задачи, лйо яри ецзкк* стдр.щ-нчх компонэнт предъявлялись чрезмерно жесткие условия моделирования. Прсьед-;'':'- ■:;!сте».'-:.г.!ческпх иг след на рез^птп: с^рстш.'Х
дач сь=;л;//--ялпл для о;*диспг.р."пшх систем сд-р'лнвало'л, подлета-точным развитием методов анализа информационного содержания измерений. Такие методы были ориентированы на оценку параметров одной Физической природы, чаще спектра размеров частиц в гисто-граммном лродетйвлопии или концентраций компок°пт. Они не описиваш вклад априорных оценок искомых величин в шимрмпшюн-нсе содержание опорных оптических измерен^. Е еугаопти такие омон:-::! янллхдсл р?ллльтлтауи некоторых пл'/л/сстнулл'х пли сулут-ствуадих оптическому эксперименту измерений « роль как
составной части измерительной информации заметно возраст вет щи решении многопараметрических обратных, задач. По этой же причине изучение таких задач весьма абстрактно вне конкретных назначений и объектов оптической диагностики.
Цель работы состояла в развитии методов анализа информационного содержания исходных данных обратной задачи (о-учетом различной физической природы как измеряемых, так и искомых величин) и в разработке многоцелевых и специализированных помехоустойчивых методов оптического контроля микроструктуры бидаспврсшх систем (на примере взвеси природных водоемов, водного аэрозоля в присутствии углеродсодержащих компонент, микропримесей нефтепродуктов). Ставились задачи выявления дашифровочйых оптических признаков для одновременного определения:
- спектра размеров и показателя преломления частиц;
- спектров размеров двух типов частиц с разными показателями преломлогшя (в том числе концентраций и обобщенных параметров дисперсности, инвариантных относительно формы частиц);
- средних размеров и внутренней структуры слоистонеоднородных (двухслойных) сферических частиц;
- параметров микроструктуры бидисперсных систем в развитии гетерогенной коагуляции частиц (с существенным отличием размеров и светопоглощения отдельных компонент);
- удельных (в расчете на единичные концентрации частиц) оптических характеристик компонент.
Научная новизна и значимость результатов, обобщением которых является диссертация, заключается в следующем.
На базе статистического формализма информации Фишера развит единый подход к анализу структуры информации, передаваемой от исходных данных в результаты решения обратной задачи. Он основан на представлении в линейном приближении предельно допустимой точное™ оценок искомых параметров через дисперсии погрешностей исходных данных, чувствительности опорных оптических измерений к искомым параметрам и коэффициенты корреляции высоких порядков мевду этими чувствительностяш.
Предложен новый метод численного решения линейных обратных задач при логарифмически-нормальном распределении помех в исходных данных. Его можно рассматривать как оптимизацию широко известных линейных методов регуляризации для положительно определенных измеряемых и искомых величин и итерационного метода Че-хайна при "избыточности" исходных данных,
Впервые в практике дифракционной спектрометрии проанализированы коэффициенты усиления погрешностей оптических измерений
при определений спектра размеров и показателя преломления частиц На этой основе указаны пути погашения информационных возможностей оптических измерений, иоэвояягетз определять спектр размеров высокодасперсвих ксмпсшвт и показателя преломления частик больше 0.5 мкг*.
Новей является итврациошю-рэгуляртзуюигай метод интерпретации гидрооц'шческих измерений для оценки концентраций оптически активных компонент водной среды по спектрш козЭДациеэта яркости водной тол.т в оперативной фазе оптических измерений. Численная процедура решения соответствующей ооратной задачи оптимизирует из5?етнчв метода ЛеаопЗерга-Ксркюрдга я статистической регуляризации. Впервые продемонстрирована "Тфективчоо'ть восстановления удельных первичных гидрооптических характеристик основных компонент взвеси вод, формирующих спектр коэффициента яркости,по измерениям индикатрис рассеяния водной среды.
Оригинальны разработанные модельно-аналитические методики восстановления компонентного состава взвеси вод по измерениям заданного предельно ограниченного набора первичных гвдрооптичес-iwr характеристик. Их особенность заключается в возможности быстрой оненкл кютик парачптров: концентраций, дисперсности и по-каз.тля преломления части!? минерализованной и органической состав пявдих взвеси.
Проведены первые подробные исследования в области оптической диагностик: йодного пэрозолл в присутствии углеродсодержа-щиг. компонент, правд и обратных водшефгяшис эмульсий при наличии гвэрдшг »лжропрвмэсйй, рабочих жидкостей авиационных гидросистем. Они послужили основой для разработки серии новых специализированных для этих сред способов оптического контроля микроструктуры, зезшщеппнх авторскими свидетельствами. На примере этих практически вамшх объектов изучены такие новые аспекты решения обратной задачи светорассеяния, как оперативный контроль гетерогенной коагуляции частиц, оценка параметров адсорбционно-сольватных слоев в полидисперсных эмульсиях, идентификация компонентной принадлежности при импульсной регистрации светорасееи-вающих частиц. Результаты работы использовались в обзорах (например, Barth Howard G., Sun Shao-Tang. Particle sise anallsls// J.Anal.Chera. -1985.V.57.N5.P.151-175; 1939.V.61.N12. ?.143-152;
Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В., Исаков В.Ю. Радиационно-гадро-оптические эксперименты на озерах.-Л.:Наука, 1990.-116с.), посвященных современному состоянию и перспективам оптической диагностики дисперсных систем.
На защиту выносятся.
1. Метод описания передачи информации от исходных данных в результаты решения обратной задачи светорассеяния (в том числе при наличии априорных оценок искомых величин).
2. Метод численного решения линейных обратных задач при логарифмически-нормальном распределении помех в исходных данных.
3. Информационное обоснование и развитие метода лазерной дифракционной спектрометрии в условиях аномальной дифракции света.
4. Итерационно-регуляризующий метод определения концентраций оптически активных компонент водной среды по измерениям (в оперативной фазе) спектров коэффициента яркости водной толщи.
5. Модально-аналитические методики определения микроструктуры взвеси вод по измерениям первичных гидрооптических характеристик.
6. Первые подробные исследования и способы оптической диагностики водного аэрозоля с углеродсодеркащими компонентами, прямых и обратных водонефтяных эмульсий при наличии твердых мик-ропримасей, дисперсных компонент рабочих жидкостей авиационных гидросистем.
В совокупности выносимые нз защиту положения можно квалифицировать как основу нового перспективного научного направления -разработки помехоустойчивых методов контроля микроструктуры би-диспорсных систем по светорассеянию.
Практическая значимость. Большинство исследований, выполненных' в диссертации, имеют практическую направленность. Они могут быть использованы и уже используются при создании математического обеспечения и конструировании многоцелевой и специализированной аппаратуры оптического контроля дисперсных систем, предназначенной для решения разнообразных задач экологического мониторинга атмосферных и водных объектов, для совершенствования ресурсосберегающих технологий в ряде производственных процессов.
Результаты исследования по дифракционной спектрометрии ис- ■ пользованы в КИЛО "Аналитприбор" (г.Киев) при разработке оптического граиулометра взвесей порошкообразных материалов. Методы интерпретации гидрооптичоской информации использую;^ в
Гидрохимическом институте Госкомприрода (г.Ростов-на-Дону) к в РНТЦ "Экомир" (г.Минск) для решения задач оперативного контроля
оптически активных компсиспт вппганннх к растворениях весэств в повэрхностиых внугрзкшх подамов. Способы к разработки по ".тт:гтсс"'Г -гг-гг"^;": тт?Тт*т тГ о-"лг:.'- "'лспольг-стлни п
' ь'-.л г. ;, 'Л'.'- [г ,'Аг,
запь), ш "ллмпром" (г.колгогоад) пои повете стандартных воло-
физико-математического моделирования процессов формирования оп-
юшроструктуре исследуемого объекта с учетом его допустимых параметризованных состояний. Разработанные методы изучения информационного содержания измерений нашли применение при решении важных практических задач в ходе выполнения хоздоговорных работ с БНИКСУ (г.Москва), НГЮ "Позитрон" (г.Санкт-Петербург), ГИПО (г.Казань) и уке названных выше организаций.
Достоверность туззультзтов сбеспо'пгаается строгость" испзль-
оптике (Томск, iyY6); V Всесоюзном симпозиуме по распространению
ГГО OQTTtrnTir» TJO Т11ГТТПТГГГП Г> nmunnifn^n * ) • Р-.«---"7" Т*
viumOn, ¡you), i оОеиоыансм ныучно-техшчьеком семинаре "хехни-ка и методика количественного и качественного анализа нефти и
попутного газа па нефтегазодобывающих предприятиях с применением
'К.:.TIT юьоии;;::; по
: .".^пч-..! 'r^MW-n;'. ород (Ь'.тум,!, '9s3>: :<xva Гидрохимическом совещании (Ростов-ня-Лону, 19Я4); IXДДТ Пленумах
д ; одО'.дд ;с;лд:г\.:д: по гг.ос: • :•,•■<:; '.'¡¡ри--
' -^-'iiia ЛИ '.lj:1 Ростси по-Дону, bio; ирьсао-
?
ярск, 1990); Всесоюзном межотраслевом совещании по физическим методам диагностики неоднородных сред (Минск, 1986); V Всесоюзной конференции "Аэрозоли и их применение в народном хозяйстве" (Юрмала, 1987); II Всесоюзной научно-технической конференции "Аэродисперсные системы и коагуляции аэрозолей" (Караганда, 1988); 11,111 Всесоюзных школах по оптике рассеивающих сред (Минск, 1980,1990); IV Всесоюзном совещании по распространению лазерного излученния в дисперсной среде (Барнаул, 1988); заседании секции аэрозолей ВХО. им.Д.И.Менделеева (Москва, 1989); IV Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1989); XVI Всесоюзной конференции по распространен*) радиоволн (Харьков, 1990); III Всесоюзной конференции аналитической аппаратуры и средств вычислительной техники для охраны окружающей среды в теплоэнергетике (Батуми, 1990); на Международном радиационном симпозиуме-92 (Таллин, 1992). Материалы исследований докладывались на заседаниях Ученых советов Укр-гипрониинефть (Киев, 1981,1983), ИФ им.Б.И.Степанова АНБ (Минск, 1991,1992), Технического совета ФРМЧ ГмбХ (ФРГ, Идар-Оберштейн, 1990, 1991), на семинарах лаборатории метеорологической физики университета им.Б.Паскаля (Франция, Клермон-Ферран, 1992).
Публикации и личный вклад автора. По материалам диссертации оформлено 80 научных публикаций, включая 38 статей в отечественных и зарубежных журналах (8 без соавторства), 18 авторских свидетельств на изобретение и 24 тезиса докладов в трудах указанных конференций. Перечень наиболее принципиальных статей (30) и изобретений (13), отражающих основное содержание диссертации, приведен в конце автореферата. Результаты диссертации, сформулированные в защищаемых положениях и выводах, отражают личный вклад автора в опубликованные работы. А.П.Пришивалко принимал участие в формировании научного направления и обсуждении полученных результатов. В совместных с учениками и другими исследователями публикациях автору принадлежит выбор направлений исследования, проведете теоретических и руководство ходом экспериментальных работ, анализ результатов и путей их практической реализации, систематизация материала.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложения. Каждая глава • сопровождается небольшим предисловием, дающим общую-характерно-, тику рассматриваемых проблем, и заключением в . виде обобщения полученных результатов. Общий объем диссертации 300 стр-лиц,
включая 43 рисунка, 13 таблиц, 253 литературные ссылки.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении нз основе краткого аналитического обзора современного состояния исследований обоснована актуальность темы и ее связь с практикой, ставится цель работы, отмечается научная новизна и значимость полученных результатов,формулируется основные яштаемга положения, описано содержание диссертации по главе?:, указ л № дишю л гтублягатизт и тятнй вклад автора.
В первой гдптге ни оопсве иоагятетпэ обга/. пялсштй теории статистического оценивания предлагайте« уаше^иотеокатше метод!: 'га^лрмяштнного содержания измерений и решения -xsicíSns зч.мчи пня спродзлотгьчг тт« <?ол«а природе измеряемых и искомых величин. Применение статистического подхода при решении обратных задач светорассеяния тлеет свои достоинства и специфику. Рассмотрение статистических свойств одновременно результатов оптических измерений и априорных оценок искомых величин позволяет: устранить субъективизм при внесении априорной информации; придать понятию устойчивости решения обратной задачи строгие количественные критерии; на основе метода
."MíС Ос.'М'.^ОДО'ПЛ 0~p~:rr;, рО!59-
1'ЛО '.* )ЗТНСТ: 00.....0. О 'OWUOkOO' ;;; иооооооброоооотт- со
' i '"'О.О'ОЙО дс^ероп^оооооооо:-: сояо^о yep;tv !¡0rc:.'i0.0i О, (1-1,0,,-.. о; ■ иомооломох; о . ,¡': ¡ г/злочнижн, гоодтошоопо to-ooo-
o-ioi/ípjíi.o1 jof-roiiocopí-oií: к:: отдооюоо '¡оотю^'Г.
В § 1. ! но 0;;ЗО OsOTÜOOOiOCOOíO. 1га"ЧЛЙ.-МЗ ílh'P'HOÍOUÍUí <fWX5-
оо со'пуждяотсч о!ы;йо oooooóío ;o;¡o,;o'oo"k от исходно1/: донкнг ;ipo O'-O'Oí.u: обоо/чых оодоо. bO'jro ^"отпа . - - okioíííio
Ко - с* te • Гз t 1Т. [ffV...a*Tr) (1)
' 1 ' jí П ГР
с известной матрицей линеаризации к разкараости ai х п, a оеи?кк измерений Анормально распределены с ковариационной матрицей Сч, то при щгп информационная матрица Фишера имеет вид Ф(|) =
- KTco'K . Ока хзрактйризует "i'üínpMoiu'.oinioe содетшпиз" як.«»-роний. Для описания "норедачи ин^рдоции** от этих измерений рассматриваются тжтня в* == { в соответствии с
¡ншаотним нероь-окотьом Краяера-Рао в есть предельно допустимая
точность оценки конкретного параметра Отмечаются достоинства такого рассмотрения при анализе причин изменения информационных характеристик ( 1.2) в вопросах планирования измерений. Указывается связь с аппаратом собственных векторов информационной матрицы Фишера, который в общем случае недиагональной матрицы Ф($) затрудняет1 оценку достоверности восстановления первичных параметров ф и учет информационного вклада априорных данных.
В § 1.2 анализируется структура коэффициентов усиления погрешностей оптических измерений при решении обратной задачи. Для равноточных статистически..независимых измерений матрица Фишера
записана в вида - В'Ча") ЦК^ ЦК^Ц ри,. Здесь } -
дисперсия погрешностей измерений, ||К(| -норма 1-го вектор-столбца матрицы К, характеризующая чувствительность Й* к ^ , ри, -коэффициент корреляции таких чувствительностей, определяемый косинусом угла между векторами К4 и К При переходе к ы1 или. к указанным коэффициентам усиления
появляются множественные коэффициенты корреляции р. , ,(1'=
1.1 4
= 1...(1-1)(1+1)...п), Они определяются косинусом угла между К( и подпространством остальных п-1 вектор-столбцов матрицы К. Это выражение обобщено на случай наличия равноточных статистически независимых априорных оценок произвольной части параметров щ с дисперсией оценки В простейшем случае таких оценок для
всех параметров
При очень низкой достоверности априорных оценок (у -» 0) выражений (3) преходит в (2). В противоположной ситуация погрешность решения обратной задачи определяется только величиной
(¿^ГЧ^ГП-р^,,). (И, =(^в(сг")' 5^г1)
(2)
гд8
(4)
D(ip*). Показано, что при описании передачи информации от оптических измерений и от априорных оценок к параметрам, для которых такие оценки отсутствуют, появляются частные коэффициенты корреляции. Они ответственны за корреляцию результатов восстановления параметров по оптическим измерениям и только через них может передаваться такая информация.
В §1.3 рассмотрены особенности передачи информации от измерений ¡?* к произвольным линейным комбинациям i = В ? параметров | с заданной вектор-строкой К . В оптике дисперсных систем такая проблема возникает при построении мзлопарачетричосшг моделей или при оценке недоступных д-ш измерений характеристик пр:: сттра.т'а.пйтш некоторых моментов функции распределения час год по гвссиогрзлгж! ">«'<*ун1щя а<п по допускает промежуточного решения (1) относительно ip( и поэтому для осуществления несмещенного оценивания £ по V в общем случае принципиально важны априорные оценки ¡¡>(. Коэффициенты усиления погрешностей опорных измерений <Г при восстановлении р представлены через факторы, аналогичные рассмотренным в § 1.2. Однако, здесь они определяются черэз длины и взаимную ориентацию
пол™ор-с?рск В " К..- Прояналиаированн разнообразные частные
•лпуччи. срлг тише с'иралвлыш'а! знсч<л;зям5т стих факторов.
, ППКП;-::НО, что Uia4K'.«OC?t П|ф«01Л«У гменок парг-мтрсь 4,
i
■~."ЛХТНО ПО ;:<;CT:i CJ e'lf-U'i ЛИНЗ^ОЙ ЗаЕИСЖГ.ИОТП В С
!
OJI.H'/! "з чатрнн;:
!, о ', 4 тр^ь,^ - л; тм-ч^^сти линейного прнбли-
(1) rrps; рэшзкт; обрптпих залпч светоч'.'.сс.-янл;'. Обосновывается целесообразность переход;: к лсгорифмлческоку дг.здставленир; измеряемых и искомых величин. Оно имеет следующие достоинства, г 5. Спгтат«? статистики исходных данных логарифмически-нормаль-!шм закснг-г» отвечает их нолотоггельксй определенности. Такими ве-" личинами являются измеряемые световые потоки и порэкетрц кикро-структуры дисперсных систем, б).При малых ошибках измерений диагональные элементы их ковариационной матрицы становятся квадрата;, ш относительных ошибок измерений. Это позволяет свести к минимуму последствия традиционного исключения весовой матрицы, особенно, при больших динамических диапазонах изменения измеряемых величин, в). Указанные в предыдущем пункте соображения откосятся и к внесению априорных оценок. Кроме того, при планиро-
вании измерений логарифмическое преобразование искомых величин позволяет исходить из более естественных ограничений на уровень их относительных ошибок восстановления.
Далее обсуждаются пути устранения фоновой информации при планировании измерений. Она, например, неизбежно возникает в
(1) при излишней дискретизаций исходных интегральных уравнений.
*» /-> ~
Показано, что переход к величинам =/ т+^п позволяет
осуществлять отбор наиболее независимых измерений при минимальном влиянии размерности векторов <$* и $ .
В § 1.5 разрабатывается метод численного решения линейных обратных задач в предположении логарифмически-нормальной функции ■ плотности вероятности исходных данных. Такое предположение согласуется с экспериментальными статистическими наблюдениями больших случайных вариаций положительных по своей природе величин и представляет собой наиболее естественный путь учета априорной информации о неотрицательности искомых решений.
Переписав (1) через логарифмы сг^ и ь , будем иметь систему нелинейных алгебраических уравнений. Для ее решения использована итерационная процедура Ньютона-Канторовича с применением на каждом шаге итераций линейного метода взвешенных наименьших квадратов. При сходящихся итерациях .и.выполнимости в пределах погрешности решения линейной зависимости меаду 1п oi и 1п получаемые отсюда решения будут обладать всеми признаками оптимальности (как оценки линейного метода наименьших квадратов). В рамках этих предположений предложено два усовершенствованных варианта метода. .
Первый допускает однократное обращение матрицы Ф($) и служит для ускорения сходимости итераций. Второй основан на совмещении итерационных процессов поиска решения и обращения матрицы ф($)
1 к'с-'кк}4)
и характеризуется повышенной стабильностью. Обсуждаются условия сходимости итераций, выбор начального приближения и достоинства каждой из указанных модификаций метода.в зависимости от особенностей подготовки и поступления исходных данных.
<Г =
Данный метод обобщен на использование априорной информации в виде статистически независимы! логарифгичвски-нормально распределенных оценок произвольных лияейшх кгтгяпкцкй чскомнх параметров к в виде огрзнвчзни!-1 на "раабалчасированноеть" мовду изменениями этих пагя>-''-7рсп '"»»«тпти. Показано, что для устранили псолрглел1-ллт'лл п:лт пн-л-чпл! лл'Ллл'члсЛ ллрллрчз!! ннТлр-т'.ллгттг п тростя№пем случае дои^ат^па рлсплл^лль ллстпл^нлил: лл'л1л.'!'^лд;]лтллл'/ лл: ¡•/;лгг'лл г;,л снлг:гл лл".<:л лннГ 1: гчггр'-гпртот данных. О^гро^«---- „-л-'ТЛп, игл ■•'.р--- .ггсдлглчншй »-юг " 1 "--------- "тоотшв методы рьгудяр^иа
щжменения для решения мтешшх обратил л ■ ■ лл л »мтпиинт«, ™">таи тт. в частности, связаны с не-
рзвнооиа'шуотв- --.¿^л.;;™'* "^п^и"», "«тпиинтп».
Вторая глава посвящена обоснованию и расширению информации-них возможностей метода лазерной дифракционной спектрометрии с учетом аномальной дифаакцки света. Здось многие теоретические построения первой главы приобретают богатый иллюстративный материал, а значимость этих исследований для бидисперсных систем связана о возможностью восстановления спектра размеров высоко-шппя^тсслдтгдспт " тжяавтеля преломления частиц с размерами
шге значения коэффициентов корр^л^. д л.-л, к. -'"оп".-
: "«ити Фшйтза. Проанализированы коэффициенты.
ОбъеМНОЙ КОНЦеНТршти иу, т-Д.и Г Л :'!• Л'Г ллл.л лн.: лл, л
спектра размеров частиц (в логарифмически-нормальном представлении). Определен оптимальный угловой диапазон измерения рассеян-
-:,тГ0.013 г„) * + ^ 6 + 1) , (ь)
« И «
обеспечивающий значения £Су<б, №у<4, 55у<10. Этот диапазон можно оценить непосредственно в процесса измерений: его величина согласована с характерными изменениями угловой зависимости произведения вг па интенсивность о(в) рассеянного света.
Далее в условиях аномальной дифракции анализируется информационный вклад априорных оценок показателя преломления частиц и возможность восстановления этого параметра из оптических измерений параллельно со спектром размеров частиц. Показано, что достоверность априорных оценок показателя преломления (по величине его отличия от 1) при определении спектра размеров частиц может быть ограничена величиной точности измерений характеристик светорассеяния. С ростом размеров частиц (г > 0.5 мкм) чувствительность интенсивности рассеянного света к параметрам спектра размеров и к оптическим постоянным рассредотачивается по разным направлениям рассеяния. Это приводит к ослаблению корреляций таких чувствительностей ( § 1.2) и к возможности достоверной оценки по оптическим измерениям обоих наборов параметров. Показано, что в условиях аномальной дифракции существенна дополнительная информация, содержащаяся в ослаблении прямого пучка света, а усиливающаяся зависимость интенсивности от оптических постоянных с ростом направлений рассеяния не может блокировать полезную информацию о спектре размеров частиц.
В §2.2 предложен новый метод малопараметрического восстановления спектра размеров частиц. Суть метода состоит в интерпретации оптических сигналов в пределах полуширины первого локального максимума функции е2а(е), положение ео которого определяется преимущественно модой объемного спектра размеров свето-рассеивающих частиц. Реализация метода предусмотрена в двух вариантах: при дискретном и непрерывном измерении пространственного распределения излучения. Показано, что его можно рассматривать как обобщение метода Слоуна-Аррингтона (9 « &0) для полидисперсних систем частиц и асимптотических методов К.С.Шиф-рина (6 » 6 ) и И.Э.Нааца (е « ео) в оценке интегральных параметров функции распределения частиц по размерам.
С помощью этого метода проанализировано влияние модели спектра размеров частиц при его малопараметрическом восстановлении и явлений аномальной дифракции на результаты решения обратной задачи. В качестве альтернативных моделей использовались гамма- и обратностепенное распределения. Показано, что при ^тно-
сительной полуширине спектра размеров частиц мономодальных
структур моньшз 1-2 влияние модели на результаты воестепсштетгя паромзтров г ,5 , С несуыесгвздао. Длл сптичесш? "мягких"
* V V ■ V
чЬотин яг-лг-пгя сдслтзльпс^ яяТртэтшя пгтообт влиять на результаты ржепил обттнсЛ ^адглд до рП'Д-":;дСп 1С и в. При этом раигооотраненные поправки Шфрйпа-И/^Щйй а ¿уос&нцв&А' а •
гД'ОКСД'С110 ¡"СД'УТ СДуй-ДТ;. |Г];:ПХ: :0;\ ГаГапТ: ,1 Щ 01'„О И К'- фОр''.!! г.,г , . ^ -—■ —^«тпапггоетф тт'рдрдр ТТГЗИ
мальной дифракции минимально для квввиминодиипв^пых. чио--
Сгд :: друг::? г""™""1'11 аотглппмопиппти яелают данный метод
систем. В данном случае этот метод позволяет исключить применение закола Стокса при определении шкалы размеров частиц. Это важно для рыхлых частиц (агломератов), плотность которых даже на основе пикнометрических методов труднокзмаркма, а также для несферических частиц.
В §2.3 разработаны новые итерационные алгоритмы гистограм-мнсго восстановления спектра размеров частиц. Они основаны на
, ¡ро. у:"У^л п>.т;д:: с, гляоимгых чпнмонь-
ших квадратов ф - (К ьв КГ к Ов использования регулкри-
г:.™„„-»- тПшлт«ош1» о обпиу плтяях): характерные искажения
УЧО'Х'О апОтсытп^*! ОРДОДТ.^МСКНСД О
восстановления показателя преломления крупных частиц (путем дополнительной минимизации оптической невязки по этому параметру); рд.3рчхгтяц по Фгйгсцяям " ш™гаи1* предал рзямаров
кзчтрол^руа^л Показано, чго вел:: в полидаспорсной сксае-
ме велика доля крупных и мелких частиц, то при рышш:п обратной задачи !; дл^зхн данном приближена: на восстапоакекгшх споктрз:-: в области чг.стиц появляются бальи;;«) лоадш кг.кс.ч/ут/ч. Они отражают известную тенденцию аномальной дифркции к перераспреде-
лению энергии рассеянного света на большие углы. К сожалению, малая величина оптической невязки при решении обратной задачи не может служить надежной гарантией применимости дифракционного приближения. Показано, что предлагаемые алгоритмы позволяют восстанавливать спектр размеров с нижним пределом контролируемых частиц 0.05 мкм.
В третьей главе приводятся новые методы решения обратных задач гидрозольного светорассеяния. Они связаны со следующими актуальными проблемами решения таких задач. Во-первых, это разработка оптимальных процедур совмещения и интерпретации многоплановых экспериментов. Одни из них могут проводиться в период комплексных гидрооптических и гидробиологических измерений на тестовых участках водоемов и привлекаться для построения соответствующих моделей вод. В других случаях мы имеем ограниченный набор спектральных дистанционных измерений, но при их интерпретации необходимо учитывать конкретные предшествующие или сопутствующие контактные эксперименты. Вторая проблема связана с типизацией оптических свойств вод, исходя из формирующих их факторов - взвешенных и растворенных в воде веществ. Для оценки отдельных параметров таких веществ и соответствующих им первичных гидрооптических характеристик целесообразно располагать экспрессными методиками. Их удобно использовать при построении оптической модели вод, необходимой при интерпретации дистанционных спектральных измерений выходящего из водной толщи излучения. Все методы данной главы основаны на математическом моделировании физических процессов формирования оптических характеристик вод. Формальный статистический подход привлекается лишь для косвенного подтверждения используемых модельных предположений при интерпретации экспериментальных данных.
В §3.1 рассматривается задача интерпретации комплексных гидрооптических экспериментов для определения содержания основных оптически активных компонент водной среды. По современным представлениям такие эксперименты распадаются на два уровня. На первом уровне по результатам контактных гидрооптических измерений строится оптическая модель водоема. Ее составляют удельные оптические характеристики основных компонент взвеси и растворенной органики, формирующих спектр коэффициента яркости водной толщи. Задача второго заключается в оперативной оценке концентраций С 1 (1=1,2,...,п) указанных-компонент по результатам дистанционных измерений спектров коэффициента яркости р* = р'(^)
(3=1,2,...,т). В отличие от интерпретации первичных гадроопти-чеош. характеристик здесь возникает необходимость решения наиболее сложных нелинейных обратных задач. По аналогии с (1) мозпг, представить в виде смогеш педиззДннх алгебраических урв»
• т; ооооло-юе;:. •- г'1,.01 таятся моделей с^^Т','"¡го'от-ло
уо'о.'^.ского нрю.оооо.
Для решения (7) в рвооте --------о-.... заеиил ,!;.!•.;.:■'. ;;;>•;-
^у.««;.«»»•«„£ л«? основан на логарифмически-нормальном
представлчпи;; пм^ни^а ««"Л*^
измерений и статистически независимых априорные д^идд: :: тпт,е«'!'-ся обобщением метода совмещенных итераций ( § 1.5) на общий случай нелинейной зависимости измеряемых величин от искомых параметров. Показано, что зтот метод можно рассматривать как оптимизацию широко известных методов Левенберга-Марквардта и известных модификаций метода статистической регуляризации решения уропиедшй; (Т). Определены условия, при которых он асимптотически ггоо;тооот в .•.".¿тот:;. В -лссмзтр^вяамса задаче оптичес-
кого Г.'лЛГИГерПНП! й-^тронс:''ТО тото^гсг оро-дд--
. ^-О-'к-и зтед ПОООЛОЛОТ .чэряяу С ОПОрШДГЛ ООи^грОЬ
М^гплонтз яркости си'п'мьмию дстиоьооззю, сочу: .г-'.':'..';::" '.—"в-р;::м .¡ерьачнкх П!дроогггзчосччх характеристик и гт-отоюомое аац-о содержании взвешенных и растворенное йой«оть 0 , п^учеи-уш», донкшр, но результат,ом гидробиологических &ксперякбН';и». 3 прогтеяшш случае наличия равноточных статистически назовнеи -мых данных р* и С* , измеренных с относительнами ервдвоквадрати-чеокимн ппгреккостями е, и соответственно, реализация метода ¿водится к итерационному проносе;;
Г (КЯ к1 р* + V .1
СГ -НЪгрг* • (8)
(К ); с;1 р(С") + у тую*)3] >
а 1 р 11
где
«„>,„ = (р;)Е «,„. «>
ОН
я
'ч}1
(9)
п
а т=1 при положительных и г=-1 при отрщательных значениях числителя (8) на каждом шаге итераций. При очень высокой достоверности априорных оценок С* (у ») из (8) С^ -» С*.
При моделировании спектров коэффициента яркости использовалось квазиоднократное приближение в теории переноса излучения. Его границы применимости, имеющей место при сильноанизотропном рассеянии и заметном поглощении света средой, связывались с допустимыми диапазонами изменения концентрации основных компонент взвеси. С использованием этой модели в работе проведена серия численных экспериментов по одновременному восстановлению биомассы фитопланктона (0.1-10 г/м3), а также концентрат® минеральной взвеси (0.5-25 г/мэ) и растворенных органических веществ (1-12г/мэ) по измерениям р*(\) в видимой области спектра. Эти дан-.ные свидетельствуют о стабильности предложенного метода решения обратной задачи и о приемлемом информационном содержании оптических измерений (у=0) в указанных диапазонах изменения концентраций. Они сопровождаются результатами интерпретации натурных гидрооптических экспериментов для вод озера Байкал. Эти результаты относятся к числу первых попыток интерпретации спектров коэффициента яркости на основе последовательного сквозного оптико-микроструктурного моделирования.
В рамках самостоятельной проблемы построения оптической модели вод предложен метод и проанализированы особенности восстановления удельных оптических характеристик указанных выше компонент. Для этого использована двухксмпонентная модификация метода совмещенных итераций ( §1.5) с промежуточным восстановлением одновременно двух функций распределения частиц по размерам, которые соответствуют фитопланктону и минеральной взвеси. В качестве измеряемых величин привлекаются спектры показателя ослабления и угловые зависимости показателя направленного светорассеяния водной среды. Ценность информации об удельных оптических характеристиках отдельшх компонент водной среды заключается в их значительно меньшей пространственной и сезонной изменчивости.
До сих пор основное вникание уделялось многофункциональным методам решения обратных задач, которые опирались на достаточно произвольный экспериментальный материал. Далее основной акцент в
¡работе перемещается на создание упрощенных ; модельно-аналитичес-ких методик решения обратной задачи. 'Они специализированы для конкретных объектов оптической диагностики'.-.^ при их разработке
йспользсвсна достаточно сбдал ехоиа.-З этой схеме с помсыью до-тлллтлировлннлх оптлко-лжкростгуклурклх моделей и теоретических rrnejrnTflpneHwtt, ого'се^нну о $ ft «;?. '• i: 4. rcvs^cTS'nsTcn лтссдгл-
iCn IpcCyomao оЛриирпЫо иГраНИЧеНЙЯ На ДОПУО-
ллло- лллонолл,! л л.опрл ллул: ' ...• ллсл л, олк л., л.л< ;
лл: ЛЛЛЛЛ- о]ЛЛ- ЛЛЛ.,0;ЛЛ!':ОПЛЛ : л: ;<0'Ч'.;О' лил л;кллл Л" ЛМ;
»ЦТ* ПО ТП'ТТТГГГ^» т» ТЖ ТТП ~ . •~ ~ . .......--— у-----.--- " ' " ■
icivi iipitbJicKam-ся современный методы раичета характеристик светорассеяния На ОПТЮПОШИУ И К'ПШтНФШиЯГЩ.Т-иолтшп'ПЛггтту "АоГ"-
SejblHlirlA. Ни I 'ft w nf и* II и ни ипи ТЛ- ,титггтп-пт,г,пг.„„,т
формы.
На основе этого подхода в § 3.2 предложены простые модель-но-аналитические методики восстановления концентраций и обобщенных параметров дисперсности основных компонент взвеси вод по измерениям интенсивности рассеянного света на четырех заданных углах рассеяния 0.5°, 1.5°, 15", 90°. Определяемым параметром дисперсности для минеральной взвеси является удельный квадрат объ-
с-, ■л ,с: лл длло-лсл л ллл: л.ллолллло лл ...Слом, лл л'млл^лл
-¡-j'! _<.[■. Ургаполчгл::: лллл лл-,С'Гл:л1 л а : Клллополл оаслпл; ЛЛЛ -,Л , Г...,';ЛЛЛ ..¡'- ЛО'ОЛЛ : KU Л, ЛЛЛЛЛ 'ЗСТИЦ. Р_ллполллллл
л л лл лорллплл пол псодопсллл.л,; лололлнпх некой гролпл/лл'лх :лллл;лЛ ;,лллзлл лпсклро рлл;,коол .'степенные, логарифьич-скл-нлр-ллллплг, составные из нолкл-лклх поголодали них распр.^лло-Ш). Л-сллл ,лглричлскпл, с4лрллдлл!,г!!;о, игольчатые) л лнулрлплоД структуры (одцародшо, двухсдсДьда i частиц. Определены допустимые изменетш указанных факторов, не влияющих на результаты вос-л.л'олл-ллл! дисперсности л хснлептра.дш компонент ьльисп из оп-ллчлсклх измерений.
Показано, что дополнительные измерения степени линейной поляризации в средних углах рассеяния для минеральной взвеси и интенсивности рассеянного света вне области ореола для фитопланктона являются весьма эффективными для опенки показателя преломления частиц отих компонент. На этой основе с § 3.2 разработали экспрессные моделько-анадитические методики параллельного вос-
становления показателей преломления и дисперсного состава частиц минеральной взвеси и фитопланктона. Результаты их применения к интерпретации глубинных гидрооптических измерений согласуются с общими физическими представлениями об изменении микроструктуры и состава взвеси вод по глубине.
Четвертая глава посвящена разработке методов оптического контроля углеродсодержащих водных аэрозолей. Типичными представителями таких объектов, определяющими практическую направленность этих разработок, являются угольноводный аэрозоль и облачные среды в присутствии сажеподобных компонент. При всем многообразии физических аспектов и конкретных практических задач этот объект исследования имеет одно достаточно общее и существенное отличив от бидисперсшх систем, рассмотренных в предыдущей главе. Здесь частицы отдельных компонент заметно отличаются прежде всего по величине мнимой части комплексного показателя преломления. Существенное поглощение света углеродссдержащиш частицами создает новые предпосылки для идентификации компонент при решении обратной задачи светорассеяния.
Б §4.1 рассматривается применение методов светорассеяния для контроля микроструктуры угольноводного аэрозоля без учета явлений гетерогенной коагуляции частиц. Такое простейшее состояние аэрозоля в определенных ситуациях можно идентифицировать непосредственно из оптических измерений ( 4.2). Показано, что для определения дисперсности и объемной концентрации угольной V и водной V2 составляющих достаточно аффективны измерения показателя направленного светорассеяния а С е) на четырех углах рассеяния В -=2.5', 50°, 140°, 170°. Для характерных диапазонов изменения оптических постоянных и параметров микроструктуры отдельных компонент в работе получены аппроксимационные выражения
0(ÉV ^Рд1*?1 +vaPj2Tl}S » (tpJhJ=MKM"(4jk"1,cp-1) , (10)
где rk - значения среднего объемно-поверхностного радиуса частиц угольной и водной компонент, pJk и qJk - заданные коэффициенты. На основе этих соотношений разработаны алгоритмы восстановления параметров г^ и V^ по измерениям интенсивности рассеянного излучения для указанных направлений рассеяния.
Далее приводится очень простой и наглядный способ определения концентраций площадей поперечных сечений частиц S отдельных
компонент по одноканальным измерениям степени линейной поляризации р(0) и показателя ослабления а света. Он основан на
достаточно устойчивых закономерностях существенного различия р(е) в области 8*50° для угольной и водной компонент и на асимптотическом поведении усредненных факторов эффективности ослабления и направленного светорассеяния для оптически крупных частиц. В частности, при г >1 мкм имеет место следующая формула для оценки 5 из оптических измерений
—V- ( I . |7г\ м-»*-' • си)
1- 0.1 + р. ■О") -) )
В § 1.? рП?""ОТ]?""Г} ДруГО!) Пр?ДпЛНТГ"? СОСТСЯН!?? угчеродоо-сряяя взрослой. и-лпотогт т? гиду пп"!гпго тслт ко агрегированных частиц одного типа, которые представляют собой результат гетерогенной коагуляции. В качестве физических моделей , образующихся в процессе гетерогенной коагуляции полидисперсных систем композитных частиц рассмотрены концентрически-неоднородные структуры двух типов:
А - водные капли покрытые угольными оболочками;
В - водные капли, содержащие угольное ядро; и однородные структура:
С, - однородные частицы с эзфективнш (усредненным по объемному содержанию компонент) показателем преломления. Последняя модель отражает наличие в каплях вода большого числа мельчайших вкраплений угольной составляющей. Во всех случаях сраыштельный анализ оптических свойств таких полидисперсных систем частиц проводился при заданном соотношении объемного содержания компонент и они дополнительно сравнивались с характеристиками светорассеяния аэрозоля в свободцодусперснсм состоянии компонент.
При сравнимых размерах угольных и водных частиц важнейший признаком, отличавдим системы невзаимодействующих компонент от остальных моделей, является характерный "излом" кривой а{в) га области малых углов рассеяния. Для модели В с поверхностным слоем веды на частицах угля в области е=30-50° на индикатрисах рассеяния появляется характерный локальный максимум. Идентифицировать наличие двухслойных частиц А или В наиболее просто па особенностям угловой зависимости степени линейной поляризации в передней полусфере рассеяния. Показано, что в зависимости от
пропорции между концентрациями водной и угольной компонент наиболее информативными для оптической идентификации результатов гетерогенной коагуляции частиц являются:
- измерения показателя направленного светорассеяния в области e>5Û° при Va/ Vj>2 и в области 6=140-170" при V0/ V1=2;
- измерения степени линейной поляризации при 6=40-60°, в также степени эллиптичности поляризации рассеянного света при е>140° в случае V / V4<2.
На основе этих моделей в работе проанализирована трансформация спектров коэффициента яркости облачного покрова, содержащего высокодисперсные сажеподобные компоненты. Внедряясь ь облака, эти компоненты антропогенного происхождения могут оказывать глобальное воздействие на тепловой балланс атмосферы. Рассмотрение указанной характеристики в наибольшей степени отвечает специфике дистанционных оптических экспериментов, проводимых при диагностике природах атмосферных объектов о ИЗК. Расчеты спектров коэффициента яркости для восходящего излучения в области длин волн 0.6-Ю мкм проводились в"квазиоднократном приближении" Его применимость контролировалась в расчетах.
Показано, что наличие высокодисперсных компонент саки заметно трансформирует спектр коэффициента яркости "чистого" облака в области длин волн меньше 2 мкм. Минимальное влияние на спектр восходящего излучения оказывает сажа, локализованная в .ядре водных капель. Наоборот, наибольшим проявлением в спектрах коэффициента яркости обладает сажевая компонента, адсорбированная на поверхности водных капель. При V / V2>0.05 она способна сгладить селективный характер спектров коэффициента яркости отраженного излучения в полосах интенсивного поглощения света водой около 2.95 мкм и 6.1 мкм. Использование данной характеристики для дистанционного контроля концентрации casai в облаках весьма перспективно, но требует уточнения механизмов ее локализации в облачной среде с помощью дополнительных контактных экспериментов.
В §4.3 исследована эффективность использования характеристик рассеянного света для контроля микроструктуры угольноводного аэрозоля в развитии гетерогенной коагуляции частиц. Имеется в виду слежение за динамикой взаимодействия угольных частичек с водными каплями. Этот вопрос очень важен для исследования механизмов пылеподавлешя при гидроорошешш воздуха на горнорудных предприятиях. Для решения этой задачи в работе предложена специ-
альная оптико-микроструктурная модель. Она свойственна электрическому механизму гетерогенной коагуляции и связана с образованием и уплотнением на каплях води слоев из мелких угольных частиц по марэ их удаления из межкапельного пространства. Обеспечивая притянепяо угольных и водах частиц, этот механизм получил широкое распространение на практике веиду элзктрозоряжедаоети' угольной пыли и возможности искусственного создания противоположного заряда на каплях при распылении водного аэрозоля. Дгся интенсификации коагуляционных процессов в водный аэрозоль добавляет повермостео-яктшт? ветотвв. Вполне естественно, что оф-Фектнънссть этих tv:p иолесоосразно оценивать бесконтактными методами непосредственно в ходе гетерогенной коагуляции частиц.
Зтг модель предполагает наличие в аэрозоле двух сортов час-пгц: агрсггтоп годных кжьль с улдстнякгдаися угольными оболе: -ками и свободных еще не захваченных угольных частиц. При расчете характеристик светорассеяния агрегатами использована модель двухслойных частиц с возрастающим по мере уплотнения угольных частиц эффективным комплексным показателем преломления оболочки. В рамках этой модели определены ■ предпосылки для оптимального пла-• нирования аэрозольных-экспериментов и наиболее информативные характеристики светорассеяния к процессу агрегирования частиц • на разных сталиях гетерогенной коагуляции. В частности, показано, что изкенениэ показателя ослабления света агрегатами происходит л р о it м у L!: s с 1 в в i ш о в соответствии с изменением суммарной площади кх поперечного сечения. Поэтому в данном случае заметное оптическое прояиязнке гетерогенной коагуляции следует ожидать- лишь за счет убыли частичек угля из межкапельного пространства. На ранних стадиях процесса более предпочтительна информация, содержащаяся в измерениях интенсивности рассеянного света при в»-10°. В данном случае направления изменения интенсивности для обоих сортов частиц совпадают: падение интенсивности рассеянного;света■убывающими из свободного состояния частичками угля сопровождается-уменьшением интенсивности рассеяния постепенно "чернеющими" агрегатами, Это обстоятельство "усиливает" оптическое проявление гетерогенной коагуляции частиц и в сравнении о изменением показателя ослабления света не требует столь жестких ограничений на неконтролируемую утечку частиц из фотоматрируемого объема. Определяемые при решении обратной задачи параметры связаны с поверхностной активностью водного аэрозоля (относительно захвата угольных частиц).
В пятой главе приводятся способы оптического контроля микропримесей нефти и нефтепродуктов. Преимущественно это продолжение исследований, начатых в кандидатской диссертации. Этот цикл исследований содержит анализ по светорассеянию эмульсий воды в нефти (§5.1) и нефти в воде ( §5.2), а также микропримесей рабочих жидкостей авиационных гидросистем (§5.3). Перечислим основные результаты этой главы.
Разработана оптико-микроструктурная модель стандартизованных водонефтяных эмульсий в области спектральной прозрачности нефти 1.85-2.1 мкм. Определен оптимальный набор измеряемых характеристик светорассеяния для решения обратной задачи и предложены оперативные способы контроля концентрации и степени дисперсности слабоконцентрированных эмульсий воды в нефти, а также толщин адсорбционно-сольватных оболочек на водных каплях.
Проанализирована обратная задача светорассеяния по восстановлению микроструктуры бидисперсной системы, состоящей из взвеси эмульсионной воды и кварцевой пыли в нефти. Показано, что информация об интенсивности однократно рассеянного света в направлениях до 40° достаточна для одновременного определения спектров размеров частиц обеих указанных компонент и уточнения показателя преломления одной из них. На основе различной устойчивости жидкокапельной и твердофазной компонент к внешнему меха-ханическсму воздействию предложены способы определения концентрации прямых и обратных водонефтяных эмульсий по динамике изменения характеристик светорассеяния в процессе диспергирования. Они позволяют "отсечь" оптическое проявление твердых частиц и дисперсионной среды, "управлять" дисперсностью жидкокапельной компоненты и поэтому весьма универсальны.
Показано, что при влагосодержаши нефти больше 3% в спектрах яркости нефтяной толщи заметно проявляется полоса спектрального поглощения света водой 1.94 мкм. При этом характеристики светорассеяния эмульсии очень близки в области длин волн 1.85-2.1 мкм. На этой основе разработан способ определения концентрации и дисперсности водонефтяной эмульсии с повышенным содержанием воды по спектральным измерениям коэффициента яркости нефтяной толщи. Продешстрирована его помехоустойчивость к содержанию механических примесей, изменениям температуры нефти и солености воды.
Предложен способ определения дисперсного и одновременно компонентного состава микропримесей рабочих :шдкостс# гидропривод-
ных систем. Он основан на проанализированной тенденции стабили-'зйнтпг пространственного распределения рассеянного света с ростом
размеров частиц, 1-срмз этого распределения преимущественно определяется оптическим постояшшка частиц и поэтому мсает служить независим!« признаком их кс'опснснтной принадвшюоти. Определена одюогодьнол схема риглетршш оптическая сигналов в трохканаль-нсм счотчп:-:?. частиц и сйюрмулириьана простая логическая проподу-;ол для кдасси.£ш«а»:а каждой частины по размеру к сорту Шюяят-чйокие, квврцовые, ьездущш« i.
а о п-льичш ;;о;о,. ootuoi ото-: гшодаяяной раооты, ир.ц.^дят -с.» драткие сведения со локодоо^Ьг; но.;,yuciiHiix розу;,}. :о,оо до практике, отмечаются перспективы дыи^оЗаего развития данного на-
Основные рвьуль^атп ргбог™ ЧошНО образом.
1. В рамках статистического формализма информации Фишера развит математический аппарат описания передачи информации от исходных данных при решении обратных задач светорассеяния. Он основан на представлении в линейном приближении предельно допустимой точности оценок искомых параметров и через коэффициенты коррржяяв! высоких порядков между этими чувствительностями. Показано, что такое представление удобно для анализа причин изменения точности решения обратной задачи в вопросах оптимального планирования измерений.
2. Разработан метод численного решения лииь&шх обратных задач для положительно опредедешшх измеряемых и искомых вели-чш{. Он оптимален при логарифмически-нормальном распределении помех в исходных данных и позволяет осуществлять итерационное обращение линейного оператора нормальной системы взвешенных линейных алгебраических уравнений. Проанализированы особенности применения метода при наличии разнообразной априорной информации и при решении линейных обратных задач в оптике многокомпонентных дисперсных систем.
3. Проведены детальные исследования по применению метода лазерной дифракционной спектрометрии в условиях аномальной дифракции света. Проанализировано изменение информационного ' содержания оптических измерений и определена роль априорных оценок ' показателя преломления частиц. Предложены пути совершенствования базовых измерительных схем и новые вычислительные процедуры ре- . шения обратной задачи. Они позволяют восстанавливать спектр раз-
мэров одновременно с показателем преломления частиц и идентифицировать высокодисперсные компоненты в бидасперсных системах.
4. Предложен и исследован итерационно-регулярнауиций метод интерпретации гидрооптической информации с учетом нелинейной зависимости опорных измерений спектра коэффициента яркости водной толщи от искомых концентраций оптически активных компонент водной среды. Он оптимален при логарифмически-нормальном распределении помех в исходных данных и позволяет оптимально учесть сопутствующие измерения первичных гидрооптических характеристик и независимые данные о содержании взвешенных и растворенных веществ. Показана эффективность измерений индикатрис светорассеяния водной среды для восстановления дисперсного состава и удельных первичных гидрооптических характеристик основных компонент взвеси, формирующих спектр коэффициента яркости восходящего излучения.
5. Разработаны экспрессные модельно-аналитические методики одновременной оценки обобщенных параметров дисперсности и показателя преломления минерализованной и органической составляющих взвеси вод по измерениям интенсивности и степени линейной поляризации рассеянного света в заданных направлениях рассеяния.
6. Осуществлены первые подобные исследования по созданию методов оптической диагностики углеродсодеряащих водных аэрозолей. Показано, что в отсутствии гетерогенной коагуляции частиц для оценки отдельных компонент весьма эффективны измерения показателя ослабления и степени линейной поляризации рассеянного свата. На примере простейших моделей полидисперсных систем композитных частиц выявлены дешифровочные оптические признаю! для идентификации результатов гетерокоагуляции частиц. Сформулированы требования к проведению оптических экспериментов для контроля эффективности взаимодействия компонент в развитии гетерогенной коагуляции частиц.
7. Разработаны способы контроля- структуры и состава микропримесей нефтепродуктов по характеристикам светорассеяния. Они позволяют определять концентрацию, дисперсность и параметры ад-сорбционно-сольватных слоев на глобулах эмульсионной воды в нефти, осуществлять "отсечку" оптического проявления твердопримес-ных компонент при анализе прямых и обратных водонефтлных эмульсий. Показано, что явление стабилизации формы пространственного расггределеши рассеянного света с ростом размеров частиц можно успешно использовать для идентификации компонентной принадлежности дисперсных фаз при импульсной регистрации светорассышающих
частиц.
ГЕРгЖНЬ Ml ПУШКА1М
г, ^Л. О чувствительности икдашхрсц psocjaiüm к
мпрЛйЩСГО вэроашт // . ■". : V :.-: Д "У.-Ii г I.-O.I';;-. -
1
. лд .• «гитпнвФтяных эмулъс«;; ...о..
3. Ощепков о.л. buuuiaiiub.".»;:-.-, ддо .. ■
г^г^яетвтлс эмульсий в условиях многократного рассеяв»/. " и!тин» и .-I.ZZ.llZ. ?.ОК1-
856.
4. A.c. 678941 СССР Способ определения среднего размера частиц эмульсионной воды в нефти / А.П.Пришивално, С.Д.Ощепков.-опубл. в Б.14. 1981,N33.
5. A.c. 70124Q СССР Способ определения концентрации эмульсионной воды в нефти / С.Л.Ощепков, А.П.Пришивалко.-опубл. в E.Ii. 1981, N33.
'У- К.IL 0:^5 С-Л. А.П. «ЯНОВСКИЙ В.Ю.
Д, о.,,-дкоь CJ',. М-юд üi;;ддоiрнзадш д аадаЧп досоокндьда-f-'Hicpoc ;'рудтуод додоц<д^д;:н';д амульсий но данным об плднкатри-се рассеяние // <&C.~1982.-?.37,N1, -С.!49-'5д
о. гшттгков C.JI, К измерению параметров светорассеяния бодс-; , j под ; .Ди.'м Р-о ::оДо Л?СГЛСГСЛ?.НО» «wpTVpH //
Älio.-I'äot. i.w'jji. I. -С. !'■ - !
10. Ощепков С.Л..Яновский В.Ю..Пришивалко A.Ii.!/..П Определите дисперсности и влагосодержания водонефтяных эмульсий до хагг.ктсристик»м светорассеяния // Разработка нефтяных месторождений и добыча нефти на Украине.-М.: Кодой, 1982.-ВНП.26.-С.142-156.
11. A.c. 1017982 СССР Способ определения объемной концентрации нефтепродуктов в сточных водах / С.Л.Ощепков, И.М.Радюк,
М.П.Есельсон, В.Н.Кузьмин.-опубл. в Б.И. 1983, N18.
12. Ощепков С.Л. Пршенение методов светорассеяния для анализа микроструктуры водонефтяных эмульсий, содержащих фракцию твердых примесей // ЖПС.-1983.-Т.38,N6.-С.970-978.
13. Кузьмин В.Н., Ощепков С.Л., Пришивалко А.П. К интерпретации характеристик светорассеяния аэрозольных сред из анизотропных частиц с помощью модельных систем однородных сфер // Изв. АН СССР.ФАО.-1984.-Т.20,N4.-С.280-286.
14. A.c. 1116366 СССР Способ определения влагосодержания нефти и нефтепродуктов / С.Л.Ощепков, А.П.Пришивалко, В.Н.Ку-чернюк, М.П.Есельсон.-опубл. в Б.И. 1984,N36.
15. Кузьмин В.Н., МиндюкЯ.Л., Ощепков С.Л. Нефелометр-анализатор малых концентраций промышленных аэрозолей // Измерительная техника.-1985.-N3.-С.53-55.
16. Ощепков С.Л., Шляхова Л.А. Дистанционный контроль содержания взвешенных' веществ в олигстрофных и эвтрофных водоемах по коэффициенту спектральной яркости // Иссл.Земли из космоса.-
1986.-N2.-С.77-83.
17. Ощепков С.Л., Сорокина Е.А. Оптическое проявление ад-сорбционно-сольватных слоев в слабоконцентрированных водонефтяных эмульсиях // ЖПС,-1986.-Т.44,N4.-С.628-633.
18. Ощепков С.Л., Шляхова Л.А. О возможности восстановления микроструктуры взвеси в олиготрофных водоемах по спектрам показателя ослабления // Комплексный дистанционный мониторинг озер.-Л.:Наука,1987.-С.70-76.
19. A.c. 13433U СССР Способ определения концентрации нефтепродуктов и механических примесей в сточных водах / С.Л.Ощепков, М.П.Есельсон, А,3.Крикун.-опубл. в Б.И. 1987,N37.
20. Ощепков С.Л., Шляхова Л.А. Определение структуры и концентрации взвеси вод по оптическим измерениям//Изв.АН СССР.ФАО.-
1987.-Т.23,N1.-С.75-83.
21.Ощепков СЛ., Лапенок Т.В. Вопросы интерпретации коэффициента яркости отраженного излучения при определении концентрации и размеров частиц дисперсных сред //Оптика и спектроскопия.-1987.-Т.63,N6.-С.1214-1219.
22, Ощепков СЛ., Лапенок Т.В., Ахметова С.Х. Спектральные измерения яркости отраженного излучения для контроля дисперсности и влагосодержания концентрированных водонефтяных эмульсий // ЖПС.-1988.-Т.49,N6.-С.990-994.
23. Ощепков СЛ., Никифорова О.И. Измерение гранулометри-
чесного и фракционного состава угольноводных аэрозолей методами нефелометрии // Метрология.-1988.-N12.-С.42-50.
■ 24. Ощепков C.JI., Сорокина Е.А. Методика экспрессного восстановления дисперсности и концентрации морской взвеси из измерений индикатрис рассеяния // Океанология.-1988.-Т.28,N1.-С.168-172.
25. A.c. 1437746 СССР Способ определения фракционного состава угольноводного аэрозоля / С.Л.Ощепков, 0.И.Никифорова.-опубл. в Б.И. 1988,N42.
26. Ощепков С.Л., Есельсон М.П., Крикун А.З. Структурные и оптические характеристики слабоконцентрированных эмульсий нефти в воде // Коллоид.журнал.-1988.-Т.50,N3.-С.480-485.
27. Ощепков С.Л., Никифорова О.И. О возможности идентификации структурных изменений при гетерокоагуляции частиц угольно-водного аэрозоля по элементам матрицы светорассеяния // Коллоид, журнал.-1989.-Т.51,N5.-С.925-929.
28. Ощепков С.Л., Сорокина Е.А. Обобщенные параметры микроструктуры морской взвеси при решении ограниченной обратной задачи гидрозольного светорассеяния // Изв.АН СССР.ФАО.-1989.-Т.25, N8.-С.870-877.
29. Ощепков С.Л. Использование ыалоуглового светорассеяния в фотоседиментационном анализе дисперсных сред // ЖТФ.-1989.-T.59.N7.-C.193-195.
30. A.c. 1490603 СССР Способ фотоседиментационного анализа дисперсных сред /С.Л.Ощепков, А.П.Пришивалко, Н.М.Макоед.-опубл. в Б.И. 1989,N24.
31. A.c. 1583795 СССР Способ определения среднего размера глобул водонефтяных эмульсий / С.Л.Ощепков, С.X.Ахматова.-опубл. В Б.И. 1990,N29.
32. A.c. 1548715 СССР Способ фотоседиментационного анализа пластинчатых частиц / Н.М.Макоед, С.Л.Ощепков.-опубл. в Б.И. 199Q.H9.
33. А.о, 1548713 СССР Способ определения параметров функции распределения частиц по размерам / С.Л.Ощешсов, ■ Н.М.Макоед, А.П.Пришивалко.-опубл. В Б.И. 199Û.N9.
34. Ощепков С.Л., Дубовик О.В. Об информационном содержании малопвраматрических моделей оптических характеристик дисперсны! систем // ИЗВ.АН СССР.ФАО.-1991.-T.27.N1.-С.107-111.
35. Ощепков С.Л., Дубовик О.В. О роли сопутствующих измерений при построении малопараметрических моделей оптических харак-
теристик дисперсных систем // '"Иэв:АН СССР.ФАО.-1991.-Т.2?,N2.-С.187-193.
36. Ощепков С.Л., Дубовик 'О.В. "Информационное содержание априорных оценок при решении обратной задачи светорассеяния // Оптика атаосферы.-1991.-Т.4,N1.-С.88-95.
37. Ощепков С.Л. Определение спектральных зависимостей показателя преломления взвешенных веществ из измерений характеристик рассеянного излучения // ЖПС.-1991.-Т.54,N1.-СЛ13-119.
38. Ощепков С.Л., Лапенок Т.В. Особенности спектров яркости облачного слоя в присутствии сажеподобных компонент // Иссл. Земли из космоса.-1991.-N6.-С,12-16.
39. А.с. 1235320 СССР Способ гранулометрического контроля микропримвсей в нефтепродуктах / С.Л.Ощепков, А.П.Пришивалко.-опубл. в Б.И. 1991,N21.
40. А.с. 1340314 СССР Способ определения среднего размера частиц эмульсионной'воды в нефти / С.Л.Ощепков, А.П.Пришивалко.-опубл. в Б.И. 1991, N21.
41. Oshchepkov S.L. Information potential ol the method ol pulsed recording of light-scattering particles // Particle characterization. -1992. -V. 9, N4. -P. 53-58.
42. Oshchepkov S.b., Bubovlk O.V., Lapyonok T.V. A method of numerical solution of linear Inverse problems at the lognormal noise distribution: The estimation of aerosol size distributions // IRS-92: Current Problems in Atmospheric Radiation.-Hampton, USA: A.Deepak Publishing, 1992.-P.118-123.
43. Сорокина E.A., Бабенко В.А., Ощепков С.Л., Кацева И.P. Информативность характеристик светорассеяния относительно параметров микроструктуры взвеси концентрически неоднородных частиц// Изв. РАН.ФАО. -1992. -Т. 28 ,N7. -С. 745-751.
Ощепков Сергей Леонидович
ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ
В ОПТИКЕ БИНАРНЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Подписано к печати I2.OI.I993 • Печать офсетная. Фор-лат 60 х 90 1/16. Объем 2 п.л. Тирам ЮОэкз. Заказ N 19 . Бесплатно.
Отпечатано на ротапринте Института физики АНБ Институт физики им.Б.И.Степанова АНН 220072, г.Минск, ГСП, проспект Ф.Скоршш, 70.
