Расчетно-параметрическое исследование флуктуаций сигнала обратного рассеяния при лазерном зондировании взволнованного моря тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

V •КГ.ВСКИИ ОРДЕНА ТРУДНОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ Ф1И1КО-ТЕлНИЧЕСКИП ИНСТИТУТ

РГ8 ОД 1 1 КОЯ 1956

На правах рукописи

Юрин Дмитрий Владимирович

УДК 551.46.08:535

РАСЧЕТНО - ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛУКТУАЦИИ СИГНАЛА ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ЗОНДИРОВАНИИ ВЗВОЛНОВАННОГО МОРЯ

01.04.03 -радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Долгопрудный - 1995г.

Работа выполнена на кафедре Систем устройств и мете геокосмической физики Московского физико-технического институт

Научный руководитель -

доктор физ.-мат. наук, профеес Т. В. КОНДРАНИН

эр

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор Д. С. ЛУКИН.

кандидат физ. -мат. на>ч Е. В. МЯСНИКОВ.

Ведущая организация -

Институт океанологии РАН им. П. П. Ширшова.

Защита состоится ко^с>рЛ 1996г. в ¡О час. мин, на заседании диссертационного совета К-063.91.02. в Московском ордена Трудового Красного Знамени фиэико-техничес институте /Московская область, г.Долгопрудный, Институте п. ,9/.

С диссертацией можно ознакомиться-в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан "9 " ое. г^ДгуМЭЭбг.

Ученый секретарь диссертационного Совета К-063. 91.02. к.ф.-м. н. , доцент

/С.М.Коршунов

ОБЩАЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .

Актуальность темы .

Развитие дистанционного зондирования природных вод является актуальной задачей охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

Высокое пространственное разрешение и монохроматичность лазерных импульсных систем (лидаров) сине-зеленого диапазона спектра делают их весьма перспективными для решёйия целого ряда задач по диагностике верхнего слоя океана (ВСО) . Важным приемуществом дистанционных методов является высокая оперативность и мобильность таких систем. В этой связи особый интерес представляет размещение лидаров на борту авианосителя. Однако. в этом случае, наличие на трассе зондирования взволнованной границы раздела приводит к появлению в сигнале обратного рассеяния (СОР) флуктуационной составляющей Значительная часть методов извлечения полезной информации из данных лазерного импульсного зондирования водной толщи (батиметрическая съемка, определение ■ вертикального профиля взвеси, содержание планктона и т.п.) основано на анализе энергетических характеристик СОР, поэтому флуктуации мощности СОР, обусловленные волнением океана, являются- мешающем фактором, то есть шумом. Поэтому для адекватной интерпретации результатов наблюдений требуется •выделение полезного сигнала из помех, что требует знания свойств флуктуация СОР. Представляет интерес найти способы снижения уровня помехи на стадии проектирования лидаров, а так же на этом этапе иметь оценки ожидаемых характеристик помех для диапазона условий в которых система будет применяться.

Актуальность диссертационной работы связана с развитием дистанционных методов контроля за качеством природных вод, контролем экологической ситуации и продуктивности водоемов. Разработка и практическое использование таких методов требует изучения шумов, обусловленных волнением океана в целях:

- выделения полезного сигнала на уровне помех;

- повышения информативности суаествующих методик дистанционного зондирования;

- усовершенствования лидарных систем в направлении подавления помех;

- повышения пространственного разрешения за' счет снижения

-ч- • •

количества измерений, требуемых для статистического накопления и усреднения реализаций сигнала для подавления помех.

Целью диссертации являлось разработка физико- математической модели системы лидар-взволнованная поверхность-гидросреда и адекватных методов расчета статистических характеристик флуктуаций эхо-сигнала лазерного. зондирования, расчетно-параметрическое и аналитическое исследование свойств этих флуктуаций, физическая интерпретация результатов и выяснение путей снижения помех путем улучшения конструкции лидаров.

Для достижения поставленной цели необходимы, с одной стороны, знание оптических свойств водной толщи и поверхности и состояния взволнованной границы раздела, а с другой, создание адекватного метода расчета переноса излучение в системе лидар - атмосфера -взволнованная поверхность - водная толиа, позволявшего проводить расчетно - параметрическое моделирование в условиях варьирования многочисленных факторов.

Критический анализ литературы по статистическим свойствам СОР позволяет поставить конкретные задачи исследования, решение которых необходимо для достижения поставленной цели диссертационной работы:

1) Научно - методическое обоснование и разработка адекватного метода расчета статистических свойств флуктуация СОР; дисперсии и автокорреляционной по глубине функции мощности СОР.

2) Разработка метода расчета, который должен учитывать все существенные параметры задачи, использовать минимальное количество упрощающих предположений и обеспечивать высокое быстродействие численной реализации для создания возможности детального многопараметрического исследования.

3) Расчетно - параметрическое исследование влияния различных факторов системы лидар - взволнованная поверхность - гидросреда на флуктуации СОР,

4) Интерпретация полученных результатов, создание качественного описания физики .флуктуаций СОР,' выявление особенностей и закономерностей,

5) Поиск условий, когда флуктуации минимальны и способов снижения шумов аппаратными методами.

Научная новизна исследования заключается в том. что;

1) Впервые разработан приближенный метод расчета статистических характеристик эхо-сигнала, учитывающий влияние практически всех

существенных факторов как природных, так и аппаратурных, и учитывающий реальные свойства гидросреды и взволнованной поверхности, отличающийся высоким быстродействием численных реализаций.

2) Выяснено, что адекватный расчет этих характеристик требует более точной модели рассеяния в гидросреде, чем использовались ранее; разработана методика учета оптических свойств гидросреды, позволяющая с одной стороны более точно расчитывать процессы рассеяния с использованием реальных индикатрис морской воды, а, с другой стороны, существенно упростить решение широкого класса задач гидрооптикн.

3) Для широкого диапазона условий получены выражения коэффициентов вариации и автокорреляции по глубине мощности СОР в виде аналитических формул.

4) Обнаружены неизвестные ранее особенности статистических характеристик флуктуация СОР.

5) Найдены способы снижения уровня помех аппаратными методами.

6) Впервые проведено систематическое исследование свойств флуктуаций эхо-сигнала в зависимости от большого количества существенных параметров задачи.

Достоверность полученньи результатов обеспечивается:

1) всесторонним методическим обоснованием выбора исходных оптических моделей морской воды и свойств взволнованной поверхности;

2) обоснованием упрощающих предположений при расчете перекоса излучения в гидросреде и через взволнованную поверхность;

3) сведением к минимуму количества упроааиэдх предположений и их существенному сокращению по сравнение с подходами других авторов;

4) последовательным учетом ограничений, вносимых использованием упрощающих предположений, на диапазон условий применимости методики и выработкой критериев применимости;

5!) непротиворечием существующим экспериментальным результатам и физическому смыслу.

Практическая ценность работы заключается в:

1) разработке и реализации ь виде быстродействующего пакета прикладных программ метода расчета статистических характеристик флуктуация эхо-сагиала;

2} уточнении методики учета оптических свойств воды в задачах

лаэерного зондирования

3) нахождении способов подавления шумов в эхо-снгнало и улучшении его корреляционных свойств.

Положения, выносимые на заилту:

1) Метод расчета статистических характеристик СОР, обусловленных волнением океана, учитывающий реальные оптические характеристика лидара, морской воды,волнения и геометрию зондирования, обеспечивающий высокое быстродействие численных реализаций и дающий большую точность, чем катоды известные ранее. Аналитическая формула."

2) Методика учета оптических свойств морской воды, позволяющая проводить расчеты для реальных индикатрис рассеяния морской воды и упрощающая решение ряда задач лазерного зондирования.

3) Выявление на основе расчэтно - параметрического исследования влияния ряда параметров на свойства флуктуаций СОР и объяснение наблюдаемых эффектов.

4) Рекомендации по снижению величины флуктуация СОР путец внесения изменений с конструкцию лидара.

5) Условия получения высококорретшрованпого по глубине сигиала..

Работа выполнялась на кафедре "Систем!.', устройства и методы, •

гоокосмической физики" (СУММ) Московс го физико-технического института (МФТИ) в период 1987-1992 гг. Тема диссертации тесно' связана с плановыми работаю! кафэдра СУМГФ, проводники;! в рамка;: хоздоговорных и госбюджетных работ. . Апробация работы .

Результаты работы докладывались на X Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн в г. Виннице (1990г.), на 15 Международной конференции по лазерному зондированию ь г. Томске (1990г.), ежегодных научных.конференциях МФТИ. Публикации .

Результаты полученные в диссертации опубликованы в б печатных 1 работах [1-63 и' ряде научно-технических отчетов, выполненных в МФТИ Ъ рамках хоздоговорных и госбюджетных работ.

. В работах написанных в соавторстве, личный вклад автора состоял в разработке физико-математических ^моделей, получении расчетных формул, разработке программ, проведении численных расчетов и анализе и интерпретации получониьа результатов. Объем работы - :;. . '

Диссертационная'работа изложена на 135 страницах машинописного ,

текста, состоит из Введения, 4-х глав, Заклячения; включает 90 рисунков и список использованной литературы из 70 наименований отечественных а зарубегдых авторов на 9 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность создания эффективных методов расчета статистических характеристик СОР и проведения анализа влияния различных параметров лидара и природной среды на статистические характеристики эхо-сигнала.. Дан краткий обзор достигнутых к настоящему времени результатов. Сформулированы цели работы, приведены основные положения, выносимые ка защиту, показана практическая ценность полученных в работе результатов.

В главе 1 излагается приближенный метод расчета статистических характеристик СОР Сдмсперсии и автокорреляционной функции по глубине коэдости СОР), обусловленных двукратным прохождением светового импульса через взволнованную границу раздела атмосфера-гидросреда. Дан обзор цитированной литературы. Изложена математическая постановка задачи.

Рассмотрим схему зондирования, приведенную па рис. 1. Ли дар располоаен на борту носителя, движущегося на высоте Г со скорость» и*. Направление осей диаграмм направленности излучателя (ГО и приемника СП) соответственно пз и пп ; |па | = |пп |=1. База лидара Ь. Апертурные характеристики И и П задастся аппаратным! функциями Г>5 пСг,п), описывающими апертурные диафрагмы и направленность' II и П. Аппаратные функции нормированы:

[о. „Сг,п) & <2п =* 1 С1.)

| П

площадь апертуры и теяеоннй угол зрения фотоприемника , Пп соответственно. Зондирование осуществляется короткими, периодически повторяющимися импульсами. Направление зондирования

л л

/ пЕ , Пп / близко к вертикали, то есть па,г«1, пп,г«1. Взволнованная граница раздела океан - атмосфера описывается случайной функцией возвышений ?Сг,I) морской поверхности, зависящей, вчасткости, от скорости приводного ветра V. Оптические свойства морской воды моделируется показателями преломления ш, поглощения «, рассеяния а и индикатрисой рассеяния ^Су) , причем среда полагается стратифиайроваанной, то есть я,а, г(^) зависят от глубины 2.......

Рис.1. Схема зондирования.

ш

I 20 40 60 80 Ш /м

| I г | | ч « | |Ч'Т'| ' ' I ' ' >ч { ' тУ-

1[»]

Рис.2. Сравнение коэффициентов вариации и автокорреляции для лидаров "Макрелъ-2"(1), "Чайка"С2) и АОЯ СЗЗ.

Снгнал обратного рассеяния (СОР) формируется следуездш образом. Пусть в момент времени 1=0 излучатель испускает ¿-импульс, тогда в момент 1=1/с импульс достигает поверхности раздела и вхлдит в гидросреду, с - скорость света в вакууме. Распространяясь в воде излучение претерпевает многократное рассеяния па частицах взвеси, растворенного вецества и т. п. При этом часть излучения рассеивается назад, распространяется в обратном направлении и частично попадает в фотоприемник, причем та часть излучения, которая рассеялась н&зад когда импульс света находился на глубине I достигнет фотоприемник в момент времени I % г-С^/с+Ы/с). Здесь знак приближенного равенства обусловлен тем, что вследствие рассеяния на малые углы фотоны движутся по некоторой ломаной линии и их оптический путь оказывается несколько большим , чем 2С/+£ш), что создает эффект расплывания импульса. Поскольку рассеяние назад происходит на всех глубинах, формируется непрерывный сигнал обратного рассеяния.

Наличие на трассе зондирования взволнованной границы раздела сред с различными показателями преломления и другими оптическими свойствами приводит к флуктуациям мощности СОР.

В рамках малоугловой теории переноса излучения и линейного

приближения по уклонам получена общая формула для

автокорреляционной функции модности СОР по глубине-, •♦со

Я НС«(б)-о э )

КО)

5)

-03

г**

Ь+Ап/

Ь+Ап/

-Гп С к ЗехрМ—р— з)

(2.)

■ф* СI, к) ех/г-а С Ь+А/ш) к >г*г к га-1

где q = , а, Ап = пп -пи ,

•лг

АШ=А (О— КСО") Б О (У ШТгНССП/ гСЙп)5 (3. )

1 (2л)г п п я '

о = «(э) -дисперсионное соотношение для поверхностных волн ,

принимающее для гравитационного участка спектра на глубокой воде

вид: иг=дз.

Формулы С 2.) решают задачу об определении автокорреляционной функции мощности СОР и двух глубин I -I. и I -1*р при произвольном

-ю-

спектре волнения, аппаратных функциях И и П (1.) / пСк,р) -пространственные спектры [(С г, п). / . геометрии аондирования , стратифицированной гидросреде и функции окна стробирования НСы) , которая вводится следующим образом.

Пусть период повторения зондирующих импульсов 1в«рк/и,тк> где Рк,т - радиус и время корреляции поверхностных волн. Тогда выделяя в СОР участок длительностью т. /2, Ст___- длительность

•ИМП ВИН

импульса), за счет временного сторнирования или шага оцифровки,

можно зарегистрировать квазинепрерывную реализацию мощности СОР,

обусловленную рассеянием от слоя толщины Д1 - с тяип / 2 и,

расположенного на глубине I., определяемой задержкой стробирущего

импульса или номером шага и моментом запуска АЦП. Принимаемая

величина мощности СОР является случайным сигналом и вводя

накопление данных из каждого диапазона глубин А1, можно записать : ■к»

усь.о =» |ас1Ч1) ва.ц) . л, (4.)

-ю

где 0(1) -описывает временное окно усреднения по координатам лидара. Для возврата к системе регистрации без такого усреднения достаточно половить 0(1) = <5С. Переходя к Фурье-образу:

♦го

ОСОе Л. С5.)

-СО

В тех ке предполог:ениях формула для мощности СОР при плоской поверхности океана принимает вид:

. 1 кС^Лп+Ь)

И0(1Л)=АСП| ¡с^к фх а,к> ^Ск.к^Ск.кр) е Сб.)

-00 ' '

Исследуемые в работе коэффициенты вариации и автокорреляции определялись соответственно формулами.-

о* си га,о) гсь.р)

(5 у = - = - уС1,р)~ ———————— (7.)

й;С1) №оСи УГТТ^ТГГТТТрлГГ

Физическая интерпритация эффекта усиления обратного рассеяния ■ (флуктуации, описываемые С2. ) ,СЗ.), Сб.), (7.) связаны с флуктуациями коэффициента усиления) заключается в следующем.

Пусть поверхность раздела представляет собой выпуклую линзу фокусного расстояния Т. Тогда на глубине Г в освещенной области интенсивность в N раз больше, чем в отсутствие линзы, но соответственно объем освещенной (коротким импульсом) области в N раз . меньше и следовательно там в N раз меньше рассеивающих

- //-

центров. Таким образом доля излучения, рассеяного на глубине Г, в заднее полусферу не зависит от наличия линзы на поверхности. Однако излучение попадает в фотопрнешшк, проходя обратно через ту еэ самуо поверхность, что приводит к увеличению эффективного угла зрения приемника, при наличии на поверхности лннзы, тоже в N раз, соответственно мощность СОР возрастает в N раз.

Поскольку взволнованную поверхность можно представить в виде статистического набора линз случайного размера и фокусного расстояния, то принемаешй СОР будет флуктуировать от цмпулпса к импульсу в зависимости от реализации поверхности океана. Корреляционные характеристики Си дисперсия) таких флуктуация СОР и описывается полученными формулами. ■

В предположениях одномерного волнения и гауссовых апертур излучателя и приемника получена расчетная формула для автокорреляционной функции С требуется однократное численное интегрирование), сохраняющая общность постановки задачи. Зададим ЧКХ в виде

^СЬ.к) = I а е~Р*к , ,3^=0 СЗ.) о 0 ° ^ °

С Вопрос об области применимости аппроксимации (1.3.3.) и смысл N. а1, ¡3 , подробно, рассмотрен в параграфе 1.4 диссертационной работы. Отметим здесь, что а , р., I? не зависит от к . Полагая апертуры И и П гауссовыми 1

Б (г,п)=---

лКя лу*

вводя обозначение к = у I и ограничиваясь простейшей иояельв

одномерного спектра волнения

= в^С |к|) б(р ~ ро) СЮ.)

где р -генеральное направления распространения воли получаем

расчетную форм^ЛХ. Для- ГСЬ.р):

ь I,*р

о . а '

(НСт^зд-эу ) I

ЦСз)*| I Г I &,кС1.р) •е*р{-&1 СЬ.рЬ2}

где

fc11CL,p)=C.CL)C1CL+p> ; S.'.^CL.p)- В, ,CL)+B,.(L+p)

JK . J fc r ij)k . r i J lk r

S(1CL,p)=4-(-l)iMb CDb CL +p) ; P ,(L,p)=P (L) P, (L+p)

11 r IX I* r ' ll r 1 1 r

?>11(L,p)=2-(-l)1fcix(L)P1(L+p) - г-С-П^а+р)Pt(L) ы (L,p)=w (L)-w., (L+p) (12.)

i J Ik r lj Ik r

ГДО

4na.(L) , b*(L) ч *

С (L)=-1- --1-} P, (L)rR*. +(1+ )R?„

J ffCL5 I Z (L) / 1 Ш **

J J

. rr , P. (L)-v

b (L)=b+Anu=(b ,b ) b=(b ,b•«№) Дп=(& .& )

» in * У Ь ~b x у

D случае моностатической моноаксиальной схемы зондирования (Ь=0, Дп-0 ), H(«)-const, if спектра волнения Пирсона-Московитца :

0.74д:

. (3 =6.5 10"3 (14.)

у* 1 ПЫ

формулы (11.)-(13.) упрощаются и удается получить аналитическую формулу

• L L *р

r(L,p)=A(L)A(Li-p)€%íi|-J*(z)dz-J*{z)dz|-qaL(L+p) -/?nM-v

(15.)

где Лх)= Ki (2Ух~)у2у')Г~ , Kt(-) - функция Макдональдс.

Заметим, что в тех же приближениях, что и (И.)-(13.) выражение для мощности, СОР при ровной границе раздела (6.) запишется в виде ,

г V н 4по.СО , Ь2Ш -ч

VI (L)=A(L)e*:H-2j*(z)dz}-I —J--ахЛ--1--1 (16.)

° о Jj^o S.CL) ■ 2 (L) ^

В сипу того, расчетную íll.)-(13.) и аналитическую (15.)

формулы удается получить только при определенных ограничениях на

тип моделей рассеяния в гидросреде, предложена методика,

позволяющая снять эти ограничения. Кратко суть этой методики

состоит в следующем. В малоугловом приближении уравнения переноса

Сприближение свертки) пряным численным интегрированием вычисляется шляпкообразная компонента ЧКХ для реальных или модельных индикатрис рассеяния при различеых значениях т-а1 как функция кЬ. Строится функционал невязки между полученной функцией и ее аппроксимацией вида (8.). Коэффициенты а,р зависят от т. Путем численного расчета решается задача. оптимизации для нахождения минимума функционала. В результате для каждого т находятся значения а, ,{3, . Функционал выбирается так, чтобы 1) зависимости а(т) и fiírí были медленно. меняющимися в диапазоне оптических глубин представляющих практический интерес, 2) задача оптимизации была безусловной в целях приемлемого быстродействия численной реализации и простота алгоритмов, 3) минимум функционала достигался при минимальном отклонении аппроксимирующего выражения от полученного в малоугловой модели при любых значениях кЬ. Результаты решения задачи оптимизации табулируются. Несмотря на значительные затраты машинного времени часа для одной индикатрисы на ЭВМ типа 1386ВХ-40 ) подобная процедура значительно ускоряет расчеты задач гидрооптики, поскольку выполняется для кахдой индикатрисы только один раз как обработка результатов эксперимента, в то время как на практике .задачи гидрооптики для каждой индикатрисы приходится решать многократно, варьируя различные параметры.

Применение этой методики позволяет при расчетах по полученным формулам использовать тюбце малоугловые модели, а также проводить расчеты для экспериментально измеренных индикатрис рассеяния морской воды. Приводимая в главе методика обеспечивает существенное упрощение решения широкого круга задач гидрооптики с одновременным повышением точности учета влияния рассеивающих" свойств гидросреды.

В главе 2 приводятся результаты расчетно-параметрического и аналитического исследования влияния характеристик аппаратуры ЛЯЗ и высоты расположения носителя на флуктуации СОР на базе формул С1.2.15.), (-1.2,32.), С1.3.13. )-(1. 3.21.) главы 1 диссертационной работы. Эти формулы зависят от большого количества параметров, характеризующих свойства аппаратуры, гидросреды и состояния взволнованной поверхности. Однако,. наибольший практический интерес представляет зависимость флуктуация СОР от характеристик аппаратуры, поскольку эти характеристики, в отличие от таких природных факторов как свойства гидросреды и состояний

поверхности океана, могут быть изменена разработчиками аппаратуры, что открывает определенные возможности оптимизации, например, условий наблюдения, а такие повышение эффективности аппаратуры.

В главе 2 использовуются простейаие модели гидросредн и

волнения, с тем, чтобы не осложнять интерпретацию результатов.

Как показали расчеты, более полные модели не меняют качественную

картину. При этом было обнаружено, что некоторые аппаратурные

характеристики ЛДЗ являются наиболее существенными факторами,

влияющими на флуктуации СОР, поэтому целесобразно выяснить

характер воздействия ■ этих характеристик на СОР до перехода к

рассмотрению влияния на флуктуации СОР свойств гидросреды и

состояния взволнованной поверхности. Для иллюстрации воздействия

аппаратурных факторов на флуктуации СОР и определения направлений

исследования вначале главы приведены результаты, полученные для

трех ■ реальных лидаров: -"Макрель 2" , "Чайка" и "АОЛ"

Сем. таблицу 1.5 при работе ах в некоторых характерных Таблица 1

ДЛидар.

» данные отсутствуют,

15 £ 1? так хак оптвч»ская

ЛП ,

систеыа совкеЕ'внная, в* данные отсутствуют, значения

определяются точностью сборкв а юстировки, режимах и при одинаковых свойствах гидросреды и границы раздела.

На рис.2. дано сравнение коэффициентов вариации и автокорреляции для "Макрели" (1), "Чайки" (2) и АОЛ (3) в технически допустимых режимах с минимальным, значением коэффициента вариации . При расчетах высота расположения носителя полагалась равной ¿=300м,рь • = 0, о - 60м. Свойства гидросреды моделировались при типичных значениях га-1.33, <7=0.12м"', параметр ■ вытянутости . индикатрисы принимался . равным а-1. Взволнованная

поЕерхность моделировалась с помоцьо спектра Пирсока-Московнтца (14.5 при скорости приводного ветра V » 0й/с. Полагалось, что аппаратура; не производит накопления и сглаживзния данных (1.2.10.) и следовательно Н(ы)=с<ггЫ.

Рассмотрение флуктуаций СОР на примере трех типовых лидаров показывает, что их аперетурнке характеристики сильно влияет на ' свойства СОР, поэтому возникает необходимость более детального исследования этого влияния. В главе 2 на основе большого количества расчетных данных л аналитического исследования исследуется влияние апертурных характеристик лидара и геометрии зондирования на коэффициент вариации (отношение иум/сигнал ) и коэффициент автокорреляции мовяоети СОР по глубине.

В главе 3 приводятся результаты расчетно - параметрического исследования влияния оптических свойств морской воды (таких как показатели поглоаенпя и рассеяния, форма индикатрисы' рассеяния) па флуктуации СОР на основе формул С1.2.15.), (1.2.32.), (1.3.13. )-(1.3.21.) главы 1. Эти формулы получены в малоуглоьом приближении уравнений переноса излучения. Однако, непосредственно . в малоуглово» приближении не удается провести расчеты характеристик СОР из-за сложности расчета ЧКХ я невозможности аналитического интегрирования в формулах С1.2.15.),(1.2.32.) при таких-ЧКХ. В этой связи часто используется различные дополнительные приближения, такие как диффузионное и автомодельное или упрощенная методика (1. 4.8. )-С1.4.10.). Для устранения этих сложностей и неиспользования дополнительных приближений (помимо налоуглового приближения) предлагается методик С много гауссово приближение) расчета и преобразования ЧКХ (1.4.5.).(1.4.11. )-(1.4.13.).

В §3,1. дается анализ влияния различных моделей оптических параметров годы на ЧКХ, проводится физический анализ влияния этих факторов на ЧКХ и ССР, Для простоты интерпретации результатов в главе приводится анализ влияния показателей .рассеяния н поглоаения (§3.2.) на флуктуации ССР в наиболее простых моделях /одногауссово приближение (1,4.8. )-С1,4.10.) я автомодельное приблянение (1.4.2.)-С1.Ч.3.)/, сохранявших том не менее основные качественные закономерности. В' §3.3. проводится сопоставление этих приближений между собой и с игогогауссовым прибликением н приводятся- результаты расчетов в киогогауссовоы приближении для реальных, экспериментально измеренных индикатрис.

В главе 4 приводятся результаты расчетно - параметрического исследования влияния характеристик взволнованной поверхности на статистические свойства СОР. Дан краткий обзор состояния исследований в области изучения ветрового волнения океана. Для развитого и неразвитого волнения проведены расчеты коэффициентов вариации и автокорреляции СОР. Рассмотрение ограничивается случаем ветрового волнения с одномереным спектром.. Последнее ограничение не является принципиальным для предлагаемой методики и вызвано ' с одной стороны недостаточной изученностьо пространственно угловых спектров волнения, а с другой тем, что рассмотрение' двумерных спектров не вносит качественно новых эффектов. Рассмотрено влияние скорости приводного ветра и длины разгона ветра на флуктуации СОР. Выяснено, какой спектральный диапазон поверхностных волн влияет на свойства флуктуаций. Сопоставлены результаты полученные для различных аппроксимаций спектра волнения. •

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ Сформулируем основные результаты полученные в работе:

1. Разработаны методы расчета статистических характеристик флуктуаций СОР и пакет прикладных программ, обеспечивающие учет практически всех существенных факторов задачи, обеспечивающие малые затраты машинного времени при численном счете, позволяющие проводить расчеты при произвольном виде спектров волнения океана и с учетом реальных индикатрис рассеяния морской воды. Для достаточно широкого диапазона параметров получена аналитическая формула, приведены оценочые формулы и критерии. Дано качественное объяснение полученным особенностям и закономерностям, позволявшее предвидеть влияние различных факторов на флуктуации эхо-сигнала.

2. Разработана методика, позволяющая решать задачи гидрооптики с использованием реальных индикатрис рассеяния, а не их модельных аппроксимаций и уирощамая одновременно решение задач лазерного зондирования вплоть до получения аналитического результата для широкого класса ¡задач. Применение этой методики к различным аппроксимациям индикатрис так же позволяет расширить класс задач, имеющих аналитическое решение.

3. На основании всестороннего расчетно - параметрического исследования влияния различных факторов на флуктуации эхо-сигнала показано, что

3.1. Одним из важнейших параметров задачи яьляится размеры осве-

даемой излучателем и видимой фотоприемником областей на поверхности океана С пятна И и ГО' к их соотношение. Установлено , цто

- одновременное увеличение пятен И и П приводит к снижении отношения шум/сигнал в СОР (вплоть до Ю'^-Ю"" и более ">.

- СОР имеет радиус корреляции по глубине порядка метров -десятков метров.

- при совпадавших пятнах И и П СОР коррелирован во всем диапазоне глубин и коэффициент автокорреляции превышает 0.9.

- при фиксированных размерах пятен от И и П высота лидара над взволнованной поверхностью слабо влияет на свойства флуктуация СОР.

- увеличение расстояния между центрами пятен от И и П на поверхности приводит к росту флуктуация и снижению корреляции СОР по глубине.

3.2. Влияние гидрооптических свойств среды на СОР состоит вследующих. закономерностях.- увеличение мутности среды СсгЗ приводит к снижению

флуктуация, корреляция имеет тенденцию к снижкени».

- рост поглощения в среде (») приводит к росту флуктуация, корреляция имеет тенденцию х снижению.

- увеличение ширины индикатрисы рассе/гаия - приводит к результатам аналогичным росту <х.

- неточность задания формы индикатрис может существенно влиять на результаты.

- корреляционные свойства флуктуация СОР более чувствительны к точности задания индикатрис, чем дисперсия СОР.

3.3. Поведение корреляционных свойств с глубиной определяется соотношением размеров пятен И и П с длиной волны спектрального ■максимума волнения и имеет наиболее слоеный вид когда он занимает

промежуточное положение. Установлено,что

- существенное воздействие на флуктуации СОР оказывает ' только часть спектральных компонент спектра волнения из диапазона длин воли приблизительно от минимального до максимального размеров пятен от И и П на поверхности.

- увеличение скорости приводного ветра приводит к монотонному возрастании уровня флуктуация СОР во всем диапазоне глубин.

- по мере развития волнения дисперсия ' СОР возраотает, корреляция по глубине имеет тенденцию к снижению.

4. Для снижения шумов, обусловленных волнением, целесообразно

делать схему лидара близкую к совмещенной, использовать широкие диаграммы направленности И и П (так. чтобы размер пятен был порядка десятков метров) или увеличивать высоту наблюдения и выбирать диаграммы направленности максимально близкими, что обеспечивает высокую корреляцию СОР иа глубине. Для выделения флуктуационной составляющей наоборот следует использовать узкий зондирующий пучок и приемник с широким полем зрения,

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кондранин Т. В. .Мясников Е. В. ,Юрин. Д.В, 0 некотрых особеннстях флуктуаций мощности сигнала обратнго рассеяния при импульсном эондирвании верхнего слоя океана / В кн. Вопросы механики сплошной среды в геокосмических исследованиях. -М,: МФТИ. -1989, -С.33-37.

2. Borin O.V. .Bushnev S. V., Grebennik A. R. .Kondranln T.V., Myasnikov E.V.,. Turin D. V.. Applied Methods for Modeling the Backscattering Characteristics in the Airborne Laser Remote Sensing of the Ocean. // 15th International Laser Radar Conference. July 23-27 1990, Tomsk, -Vol.2. -P.42-43.

3.. Кондранин Т. В. ,Ерин Д. В. Влияние индихатриссы рассеяния на расчет характеристик эхо-сигнала в задачах лазерного зондирования гидросреды. / В кн. Прикладные задачи аэромеханики и геокосмической физики. -М.: МФТИ. -1990. -С. 15-19.

4. Грин Д. В. 0 влиянии индикатрисс рассеяния морской воды на флуктуации сигнала обратного рассеяния при лазерном аэроэондчровании океана. // Тезисы X Всесоюзного симпозиума по дифракции и распространению волн. ( 18-21 сент., г Винница ) В кн. Волны и дифракция-90. М : Физическое обцестьо■ СССР. -1990. -Т. 2. -С.332-335, '

5. Кондранин Т. В. ,Юрин Д. В. Влияние волнения и апертурных характеристик лидара на статистические характеристики сигнала обратного рассеяния при лазерном зондировании верхнего слоя океана.// Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. -1991. -т. 27. -N б. -С. 648-658.

6.Д. В,К)рин. Метод расчета статистических характеристик сигнала обратного рассеяния при лазерном зондировании взволнованного моря / В кн. Современные вопросы геокосмической физики. -М.: МФТИ. -1991.