Рефрактометрические методы диагностики атмосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации Научно-исследовательский радиофизический институт

Рефрактометрические методы диагностики атмосферы

01.04.03 - Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

РГб Ом - 2 МАР 1998

На правах рукописи

Хачева Галина Юрьевна

Нижний Новгород -1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском радиофизическом институте, г. Нижний Новгород , -----------------------------------------------

"Научные руководители:

доктор физико-математических наук Гангавич К.П.,

доктор физико-математических наук, дцзоЛессор Саичев АЛ

Официальные оппонент: доктор физико-математических наук, профессор Наумов А. П. кандидат физико-математических наук, Резник А.Н.

Ведущая организация: Институт оптики атмосферы СО РАН, г.Томск

Защита состп.гтся "<//" 1998 г. в /У часов на заседании

Диссертационного совета Д 064.05.01 при Научно-исследовагельском

радиофизическом институте по адресу:

603600, г. Нижний Новгород, ул. Большая Псчерская, 25

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "/¿> " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Виняйкин Е.Н.

Общая характеристика работы

Исследование рефракции излучения в атмосфере Земли и других планет в последние годы обусловлено с одной стороны трудностями, возникающими при высокоточных измерениях в атмосфере, с другой стороны - возможностями решения обратных задач рефракции, в частности определения физических характеристик атмосферы по измерениям параметре)! электромагнитного излучения. Актуальность применения рефрактометрических методов изучения атмосферы объясняется, в частности, и их практической значимостью.

Рефрактометрические методы исследования процессов, происходящих в атмосфере применяются з метеорологии, океанологии, физике атмосферы. Развито космической связи, геодезии, морской навигации, привело к совершенствованию радкогеодезических и радионавигационных систем, в связи с чем возросли требования к точности проводимых траекторных измерений, как вблизи поверхности Земли, так и в космосе. В настоящее время успешно разрабатываются приборы, которые по своим характеристикам подходят для решения указанных задач, хотя измерение углов рефракции является достаточно сложной технической проблемой. Для эффективного применения существующей аппаратуры необходима разработка новых методов измерения в реальной атмосфере, которая неоднородна по своим свойствам во времени и пространстве.

Современная рефрактометрия основана на теории рефракции в приближении геометрической оптики. Для разработки новых методов определения параметров реальной атмосферы актуальной проблемой является углубление теоретических представлений о механизме распространения излучения в неоднородных средах. При проведении экспериментов в реальной атмосфере, не всегда бывге!' возможным учет всех факторов, определяющих полученные значения. Возникают также трудности при проведении измерений в аномальных условиях. В связи с этим, в настоящее вре^л. большой интерес вызывает применение вычислительной техники для моделирования различных реальных процессов на осмосе математических моделей. Компьютерное

моделирование позволяет учесть особенности того или иного процесса или явления на предварительной стадии подготовки эксперимента, что позволяет более эффективно организовать его проведение в реальных условиях. Современный численный эксперимент характеризуется исследованием математических моделей на основе использования возможностей быстродействующих ЭВМ и применения соответствующих им численных методов. Применение более слоясного математического аппарата и увеличение числа исследуемых параметров позволяет расширить круг существующих методов диагностики атмосферы.

Цель и задачи исследования заключались

•в теоретическом исследовании распространения электрс.чапштпых волн, с учетом влияния регулярной рефракции и случайных неоднородностей атмосферы;

•в исследовании понятий фазовой, групповой скорости и скорости прихода сигнала при измерении расстояний в импульсной дальнометрии вблизи линий поглощения атмосферных газов;

•в экспериментальном исследовании вариаций угла рефракции, связанных с наличием и атмосфере горизонтальных неоднородностей;

•в развитии теории рефрактометрии атмосферы для случая, когда источник или приемник излучения изменяет свое положение в исследуемой атмосфере (геометрия погружения), включая построение математической модели, разработку методов , и алгоритмов решения, численный эксперимент на основе данных аэрологического зондирования.

Научная шешна работы ростоит в сдадядаш:

1.Исследовано совместное влияние эффектов регулярной рефракции и многократного рассеяния на турбулентных неоднородностях среды;

2.Бьшол1!а1Ы экспериментальные исследования влияния горнззггтальких неодиородностей показателя преломления атмосферы на рефракцию оптическою нзлучегагя на протяженных приземных трассах;

3.Постгплека и решена обратная задача рефракции в геометр™ погружения источника или прнгмшпсз в зондируемой атмосфере;

4.Получекы новые соотношения, связывающие показатель преломления и измеряемый угол рефракции для геометрии погружения при постоянном угле места.

Празплпеская значимость работы:

Экспериментальные исследования вариации углов рефракции, связанных с влиянием горизонтальных неодаородностей поля показателя преломления реальной атмосферы обосновывают предельно достижимые точности решения обратных задач рефрактометрической диагностики атмосферы.

Способ определения атаосфериых поправок в дальность и угол рефракции из предложением биоднородкен модели не уступает по точности методу, основанному на известкой бнэкспэненциальней модели, и может иметь прастическсе значение ддя обеспечения работы радкогеодезнческнх систем.

Перспективы применения метода е ос становления высотной зависимости раднэ-н метеопзрзметрез атмосферы на основе решения обратной задачи рефракции в геометрии погружения связаны с развитием глобальных спутниковых навигационных систем, а также исследованием атмосфер других планет Солнечной системы н космичесетгх тел с помощью спускаемых аппаратов. Предложенный метод позволяет определять необходимые параметры в тех случаях, когда нх непосредстзенное намерение затруднено или возможно лшль на некоторой, ограниченной, часта интервала восстановления.

Результаты работы могут быть использованы в НИРФИ. ИФА РАН, ИРЭ РАН. НОАСОРАН.

Основные положения, выносимые па защиту:

1. На основе решения параЬолического уравнения в рамках диффузионного приближения исследовано совместное влияние эффектов многократного рассеяния на турбулентных неоднородностях среды и рефракции, связанной с неоднородностью регулярной составляющей высотной зависимости диэлектрической проницаемости сре ил, на функцию когерентности и среднюю интенсивность оптического излучения.

2. Выполнены экспериментальные исследования влияния горизонтальных неодиородностей показателя преломления на рефракцию оптического излучения на протяженных приземных трассах;

3. Предложен и разработан метод восстановления высотного распределения показателя преломления атмосферы и связанных с ним метеопараметров на основе решения обратной задачи рефракции по измерениям зависимости величины угла рефракции от положения (геоцентрического расстояния) источника или приемника излучения внутри исследуемой атмосферы.

Апробации работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

на XVI (Харьков, 1990) Всесоюзной конференции по распространению радиоволн;

на X, XI, XII региональных {Владимир, 1990, 1991, 1992) научно-технических конференциях «Повышение качества геодезических, работ при изысканиях и строительстве инженерных объектов»;

на XI (Томск, 1991) Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосферах и водных средах;

на Юбилейной (Н.Новгород, 1995). научной конференции посвященной 100-летюо Радио и 50-летию Радиофизического факультета ИНГУ;

на И и IV (Томск, 1995, 1997) Межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы н океана";

из 7 (Севастополь, 41997) международной Крымской микроволновом конференции «КрыМнКо-97».

По результатам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе, 5 статей -

Литный вклад лзгорл в сйяместиы! публикация!:

Постанови катчл «учения эволюции волнового пучка в турбулентной атмосфере с учетом регулярной рефракции и рассеяния принадлежит доктору физико-мягематаческях в,аук, профессор' Санчеву А.И. Автором были получены выражения для функции «огерентостм в раде конкретных случаях.

Экспериментадыа-й результаты по проверке применимости сферически слоистой модели атмосферы а приземном слое атмосферы принадлежат кандидату физико-математических наук Медовикозу A.C. я Лакотко МП. Автор принимала участие а обработке, физической интерпретации н обсуждении результатов эксперимента. Совместно с Медовикоеым Л.С.. автором была проведена работа по исследованию понятия скорости распространения излучения вблизи резонансных линий поглощен«)! и изучению свойств предложенной биоднородной модели атмосферы.

Обрзтная задача рефракции в геометрия была поставлена доктором физико-математических наук Гайковичем К.П. Автору принадлежит разработка алгоритма численного решения задачи, результаты численного моделирования и анализ полученных данных.

Автор считает своим приятным долгом поблагодарив своих научных руководителей доктора физико-математических наук, профессора А.И.Саичезл и доктора физико-математических наук К.П.Гайковичз зз руководство н поддержку при выполнении этой работы. Хочу выразить признательность всем соавторам своих работ, особенно А.С.Медовикову. под руководством которого я начинала свою научную деятельность.

Структура работы

Диссертация состоит нз введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литера гуры.

первой главе исследовано влияние атмосферы на характеристики распространяющегося в ней электромагнитных волк.

В разделе 1.1 получено аналитическое, выражение для функции когерентности а турбулентной атмосфере с учетов регулярной рефракции. Рассмотрен частный случай распрос гранения 1ауссовского пучка в неоднородной среде.

1) ра )дслс 1 2 показано, что при распространении импульсов с несущей частотой, находящейся поли ¡и резонансных линий поглощения молекул воздуха, групповая ск1)(юсть эквивалентна скорости распространения сигнала в определении Л. Ьркллюена. Приведены численные оценки смешения частоты излучения.

В разделе 1.3 экспериментально исследована сферичес ки-слспстая модель атмосферы для случая геодезических измерений на горизонтальных трассах вблизи поверхности Земли.

В р.: лсле 14 введена биоднородная модель показателя преломления воздуха, которая • сличается простотой расчетов, Предложен новый способ определения масштабом высот однородной атмосферы, основанный на измерении поправки в дальность в зените и аддитивности вкладов сухой и влажной составляющих при вычислении показателя преломления атмосферы На основе расчетов по данным метеорологического зондирования атмосферы определены погрешности, получаемые при измерениях дальности и угла рефракции на основе биоднородной модели тропосферы.

Во второй главе рассмотрена обращая задача рефракции в геометрии погружения, т.е. для случая, когда источник или приемник излучения меняет свое положение в исследуемой атмосфере.

В разделе 2 1 показано, что задача восстановления высотой ишнсииос[и индекса рефракции по измерениям угла рефракции при и шенении по южения источника или приемника в атмосфере сведена к решению интегральною уравнения

Вольтерра 2-го рода. Задача рассмотрена для конкретного случал, когда угол места является постоянной величиной.

В разделе 2.2 приведен алгоритм численного решения обратной задачи рефракции для сферически-слоистой модели атмосферы Земли. Алгоритм построен в предположении, что внутри каждого слоя индекс рефракции изменяется по гашенному ■икону.

В разделе 2.3 приведены результаты численного моделирования на примере экспоненциальной модели зависимости рефракции тропосферы от высоты. Рассмотрены примеры восстановления профиля индекса рефракции для различных значений погрешности измерения данных и углов места.

В разделе 2.4, путем численного моделирования на основе ансамбля азрозондовой статистики исследована зависимость точности решения от уровня погрешности измерения рефракции и угла наблюдения. В качестве реальных значений индекса рефракции использованы значения, вычисленные по известным эмпирическим формулам, связывающим атмосферные радио- н мегеопараметры. Приведены примеры восстановления высотной зависимости индекса рефрзкции для конкретных случаев в летний и зимний периоды.

В разделе 2.5 приведены результаты численного моделирования решения обратной задачи восстановления высотных профилей температуры для стандартной модели атмосферы, а также для профилей температуры, соответствующих летнему и зимнему периоду ЕТ России.

В третьей главе развит метод решения обратной задачи рефракции в геометрии погружения в постановке, к01да измерения угла рефракции заданы не на всем высотном интервале, а только на его части

В разделе 3 1 показано, что в такой постановке обратная шдача сводится к решению интрального уравнения 1-го рол;», хогорое имеет различную специфику внутри и вне интервала зондирования

В разделе 3 2 множен чеим решения обратной ¡алачи, основанный ил применении метода обобщенной невяжи Л 11 I ичоновз с использованием априорной

информации о принадлежности точного решения к «кассу неотрицательных, квадратично суммируемых функций с квадратично суммируемым;; г,ро;;збод::ыми.

В ргзделе 3,3 представлены результаты слашого моделирования для типичного экспоненциального модельного профиля вмеотшй зависимости индекса рефракшш.

В разделе 3.4 пркзгдгны некоторые точные сшлктнческиг решения для области ' внутри шггераала наблюдения при постоянном угле приема.

В каждой главе диссертации принята своя нумерации параграфов, формул и

рисунков.

Огласление

стр.

Введение...........................................................4

Глава 1. Учет влияния рефракции на дальномерные

измерения в атмосфере..............................................12

1.1. Влияние регулярной рефракции и фокусировки на распространен!« электромагнитного излучения

в турбулентной атмосфере.................................... .13

V.2. Влияние линяй поглощения атмосферы на

измерения расстояний светодальномерамн........................ 25

1.3. Применимость модели сферически-слоистой

атмосферы для горизонтальных трасс............................33

1.4. Вычисление тролзеферной поправей

пр: ;;^днодальномсриых измерениях.............................39

Глаьз 2. Обратная задача рефракции с геометрии погружения.............. 48

2.1 . Постоноска задачи..........................................50

2.2 . Построенке алгоритма решения обратной задачи рефракции........ 53

2.3 . Результаты численного моделирования..........-...............55

2.4 . Воссганозленис реальных профилей индекса рефракции

на основе данных мстеозонднроваиия.........................61

2.5 . Определение метеопараметров атмосферы

по измерениям рефракции оптических источников.................71

Глава 3 .Обратная задача рефракции в геометрии

час тичного погружеши..............................................76

3.1. Постановка задачи...........................................77

3.2. Метод решения обратной задачи.............................. 78

3.3 . Численное моделирование......................................83

3.4 . Некоторые точные решения...................................89

Заключение................. .......................................91

Литература........................................................93

Основные результаты работы

Основные результаты и выводы работы можно сформулировать следующим образом.

1.Исследовано взаимное влияние эффектов регулярной рефракции и многократного рассеяния на турбулентных неодаородностях среды та основе решения уравнения для функции когерентности оптического излучения в рамках параболического уравнения квазноптнки. Показано, что формулы для определения углов регулярной рефракции, полученные из решения параболического уравнения квазиоптики совпадают с формулами геометрической оптики. Из результатов расчетов следует, что при среднем уровне турбулентности начиная с ргсстшиитГ порядка десятков метров регулярная рефракция преобладает над случайной составляющей.

2.Подучено выражение, связывающее, групповую скорость оптического сигнала, распространяющегося в диспергирующей среде вблизи резонаясов поглощения с измеряемой скоростью, которая является сигнальной скоростью 5 определении Бриллюэна.

3.Проведены экспериментальные исследования влияния горизонтальных неоднородностей показателя преломления на рефракцию оптического излучения

у/

па приземных трассах. Аналга результатов геодезических цзгйргний превышения /; ыег;ду двумя пунктами земной поверхности, для различных трасс с протяженностью от 1 до 44 км показал, что наличие горизонтальных неодцородностей приводит к величине среднеквадратичных вариаций рефракции 2—10". Уыенытгп. погрешность позволяет усреднение результатов измерения по Бремена в течение нескольких суток.

4. Предложена проста биоднородная модель высотного распределения показателя пргдомяешн радиоволн н исследована Еозмогагасть ее применен;!» для оперативных оценок расстояния между приемккхом и кеточгиком н приемником нзлучгння н угла рефракции. На основе статистической обработки данных зондирования атмосферы показано» что способ определения атмосферных поправок в дальность и угол рефракции не уступает по точности методу, основанному, на швестион биэкспоненцналыюй модели, что имеет практическое значение для обеспгчешк работы радионавигационных и радиогеодезлческнх систем.

5.Разработаа метод воесташвдгнш еь;сотого распределения показателя прспомлешиз атмосферы, основанный 1а решении обратной задачи рефражцш! в геометрии погружения, то есть с случае, когда источник изл приемгаж изменяет свое положение в наследуемой атмосфере. Задача сьгдгкг к решению. уравнения Вольтерра 2-гс рода, разработан численный адгерит;.: ее решения и выполнено численное ыодедвроазгше. Его результаты показали, что удовлетворительная точность решения пгч реализуемом уровне инструментальных ошибок 10" достигается в слое до 20 та: к состаалзгт б среднем 2,6 N — едш&щ. Наибольшая

гочнзеп. восстаковлека достигается при использовашат шмерешш на малых углах места («гнее 5~ ).

6. Метод» оанова5шкй ка ретаешш обратной задачи рефракции обобщен для решения указанной ;идачи в постановке, когда измерения угла рефракции заданы не 1а всем бысотком интервале, а только ьа его части (в слое от поверхности до некоторой заданной высоты ). Показано, что в такой постановке задача сводится к ргшздша кигггрздьнзго уровнгшхя, которое имеет различную

/а.

специфику внутри и вне интервала зондирования. Анаши результатов решения показал, что точность решения зависит как от величины моделируемой погрешности данных, так и от высоты слоя на котором рефракция считается известной. Переходная область характеризуется существенньгм возрастанием погрешности решения. В целом влияние некорректности задачи приводит к возрастанию погрешности восстановления во всем интервале высот. При дополнительном использовании приземного значения показателя преломления и для постоянного угла приема получены точные решения для внутренней области.

• Материалы изложенные в диссертации были опубликованы в следующих работах:

1. Медовиков A.C., Хачева Г.Ю. Влияние линий поглощения атмосферы в оптическом диапазоне на измерение расстояний светодальномерамн. Радиотехника и электроника, 1989, т.34, № 9, с.1822-1826.

2. Медовиков A.C., Лыков В.А., Хачева Г.Ю. Вычисление атмосферной поправки при радиодальномерных измерениях на основе биодиородной модели показателя преломления воздуха. Радиотехника и электроника, 1990, т.35, № 10, с.2202-2205.

3. Медовиков A.C., Хачева Г.Ю. Методы учета влияния атмосферы на дальномерные измерения радиогеодезическими системами. Тезисы X региональной научно-технической конференции «Повышение качества геодезических работ при изысканиях н строительстве инженерных объектов», Владимир.ВПИ, 1990,. с.20.

4. Медовиков A.C., Хачева Г.Ю. Вычисление тропосферной поправки при радиодальномерных измерениях. Тезисы XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. Харьков, 1990, с.50.

5. Кондратьева Н.Е. Лакотко М.И. Медовиков A.C. Хачева Г.Ю. О применимости закона преломления для горизонтальных трасс. Физика атмосферы и океана. 1990, т.2б, №1, с. 106-107.

6. Медовиков A.C., Хачева Г.Ю. Определение атмосферной поправки прк лазерной локации ИСЗ. Тезисы XI Всесоюзного симпозиума по распроорзненкю даз«рнсго излучения в атмосферах и водных средах. Томск: ИОА СО РАН, 199!, с. 1 И.

7. Медовиков A.C., Хачева Г.Ю. Исследование региональной динамики коэффициента преломления воздуха по данным радиозондирования тропосферы. Тезисы XI региональной научно-технической конференции «Повышение качества геодезических работ при изысканиях и строительстве инженерных объектов» Владимир: ВПИ, 1991, с.24.

8. Медовиков A.C., Хачева Г.Ю. Теорема Лапласа и однородная модель тропосферы. Тезисы докладов XII региональной научно-технической конференции «Повышение эффективности и качества геодезических работе Владимир: ВПИ, 1992, с.ЗЗ

9. Саичев А.И., Хачева Г.Ю. О влиянии ре1улярной рефракции и фокусировки на распространение волн в турбулентной атмосфере. Тезисы докладов Юбилейной научной конференции посвященной 100-летию Радио и 50-летию Радиофизического факультета ННГУ, Н. Новгород: ННГУ, 1995, с.56

10. Саичев А.И., Хачева Г.Ю. О влиянии регулярной рефракции и фокусировки на распространение волн в турбулентной атмс сфере с поглощением. Тезисы докладов II Межреспубликанского симпозиума "Опт ика атмосферы н океана". Точек ИОА СО РАН, 1995, с. 118.

11. Гайкович К.П., Хачева Г.Ю. Обратная задача рефракции в геометрии погружения. Тезисы докладов II Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск: ИОА СО РАН, 1995, с.224.

12. Гайкович К.П., Хачева Г.Ю. Обратная задача рефракции в геометрии погружения "Оптика атмосферы и океана", 1997, т.10, с.69-72.

13. Гайкович К.П., Хачева ! .,0. Обратная задача рефракции в геометрии частичного погружешм. Тезисы, докладов IV Межреспубликанского симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск: ИОА СО РАН, 1997, с. 157.

14. Гайкович К.П., Хачева Г.Ю. Взаимосвязь рефракции и показателя преломления атмосферы в геометрии частичного погру. - пш. В кн.; Материалы конференции (7-я международная Крымская мккрово новая конференция «КрыМиКо-97»), Севастополь: «Вебер», 1997, т.2, с.251-254.

Н

Подписано к печати 1'к01.98 Форм.бум.60X34

Бумага пиочая. Пзчать офсетная. Усл*печ.1,Ол. Заказ №395 Тираж 100

Лаборатория мноз.техкики ИНГУ, г.Н.Новгород, г.р.Гагарина 23