Теоретический анализ возможностей многоспектральных оптических методов исследования океана тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава1. Физико-математические модели процессов эволюции аномалий оптических характеристик морской среды.

§1.1. Общие положения. Физико-математическая модель процессов распространения примесей в морской среде.

§1.2. Имитационно-информационное моделирование турбулентной диффузии примесей в стратифицированном океане с учетом внутренних волн.

Глава2. Алгоритм обработки сигналов, полученных с применением оптических датчиков.

Глава3. Обоснование методик восстановления гидрофизических параметров по результатам многоспектрального оптического зондирования.

§3.1. Методика восстановления пространственно-временного распределения оптических характеристик морской воды.

§3.2. Примеры решения прямых и обратных задач 'многоспектрального оптического зондирования.

Глава4. Рассеяние света частицами морской взвеси. Обобщение приближения аномальной дифракции.

Оптические методы широко используются для изучения гидрофизических процессов в морской среде и ее экологического контроля. Физической предпосылкой этого является зависимость структуры световых полей в море как от свойств чистой воды, которые хорошо известны, так и от наличия в природной морской воде оптически активных примесей природного и антропогенного происхождения (пигментов фитопланктона, растворенных органических и минеральных веществ, взвешенных частиц и т.д.)- Изучение оптическими методами перераспределения таких примесей позволяет судить о динамике происходящих в океане природных и антропогенных процессов. Другая причина распространенности таких методов заключается в том, что в отличие от электромагнитных полей других спектральных диапазонов (например, радиочастотного) световые поля видимого диапазона спектра могут проникать в толщу морской среды на десятки метров, обеспечивая зондирование наиболее интересного для океанологии и экологии приповерхностного слоя Мирового океана.

В концептуальном плане применение оптических технологий при проведении гидрофизических и экологических исследований природных вод предполагает решение нескольких взаимосвязанных задач:

• проведение натурного гидрооптического эксперимента с целью изучения пространственно-временной структуры световых полей в изучаемой акватории и измерения вторичных оптических характеристик морской воды;

• решение обратной задачи восстановления первичных гидрооптических характеристик морской среды из результатов такого эксперимента;

• переход от пространственно-временного распределения первичных гидрооптических характеристик морской среды к соответствующему распределению ее интегральных океанологических и экологических характеристик на основе использования соответствующих алгоритмов восстановления;

• оценка гидрофизической (экологической) обстановки в контролируемой акватории на основе восстановленного из результатов натурных гидрооптических исследований распределения интегральных экологических характеристик морской среды.

В настоящее время комплексные оптические исследования океана осуществляются в несколько этапов.

На первом (поисковом) этапе проводятся предварительные натурные гидрооптические исследования. Задачами работ на этом этапе являются выявление оптических аномалий морской среды природного и антропогенного происхождения, изучение их динамики, отбор проб воды, а также предварительная оценка обстановки в контролируемой акватории. Натурные гидрооптические измерения проводятся с подвижных (аэрокосмических и судовых) носителей аппаратуры с использованием дистанционной и контактной оптической аппаратуры в реальном масштабе времени. Это обеспечивает высокие оперативность и репрезентативность получаемой измерительной информации. Следует заметить, что основными объектами исследований на рассматриваемом этапе мониторинга являются тонкий приповерхностный слой океана и граница раздела океан-атмосфера. По результатам этого этапа принимается решение о целесообразности проведении его дальнейших этапов.

Второй этап (этап целевых натурных исследований) включает проводимые по заранее разработанной программе исследования океана с борта специально оборудованных научно-исследовательских судов (НИС) в выявленных на предыдущем этапе местах оптических аномалиях. Задачами этапа являются их идентификация и детальное исследование, экспертная оценка обстановки в контролируемой акватории. Работы ведутся в основном с борта неподвижного или дрейфующего научно-исследовательского судна, специально приспособленного для проведения гидрооптических исследований, на "точечных" станциях с использованием погружаемой контактной гидрооптической и другой гидрофизической аппаратуры в режиме вертикального зондирования всей толщи океана от поверхности до дна. Для изучения более тонких эффектов могут использоваться стационарные оптические исследования в судовых лабораториях на отобранных на заданных горизонтах пробах морской воды. При необходимости изучения горизонтальной структуры световых полей в контролируемой акватории океана могут проводиться исследования на ходу судна с использованием палубной дистанционной гидрооптической аппаратуры и контактной погружаемой гидрооптической аппаратуры, размещенной на выдвижных устройствах (например, шпироне) или с буксируемых управляемых подводных аппаратов.

Главными задачами третьего этапа оптического мониторинга (этапа численного моделирования) являются обобщение и анализ полученной измерительной информации, восстановление из результатов гидрооптических измерений интегральных океанологических и экологических характеристик океана, создание имитационно-информационной модели изучаемого явления и ее использование для прогнозирования динамики этого явления. Обычно третий этап осуществляется непосредственно после окончания второго этапа мониторинга или параллельно с ним.

Верификация используемых моделей, выяснение достоверности оценок общей ситуации в контролируемой акватории и прогноза ее динамики осуществляются на четвертом этапе (этапе натурного моделирования). На этом этапе проводятся натурные модельные эксперименты, имитирующие изучаемое явление (например, путем выпуска в воду флюоресцирующих красителей или других оптически активных индикаторов-трассеров и последующего изучения их перераспределения в морской среде при помощи дистанционной и контактной оптической аппаратурой). По результатам этого этапа в случае необходимости производится дальнейшее усовершенствование имитационно-информационной модели и создание теории изучаемого явления.

Сочетание дистанционных и контактных оптических методов натурных исследований с численным и натурным моделированием и представляет собой современную информационно-оптическую технологию изучения океана и контроля его экологического состояния.

Из выше изложенного ясно, что широкое использование оптических технологий требует дальнейшего развития их теоретического обеспечения. В частности, необходимо разрешить проблемы возникающие как при решении прямой задачи - адекватном описании распространения светового поля в морской среде, так и при постановке и решении соответствующих обратных задач.

К сожалению, в последние годы проведение специально поставленных натурных экспериментов для апробации методик (см. выше - четвертый этап) невозможно по финансово-экономическим причинам. Поэтому одна из целей настоящей работы - разработка адекватных реальным гидродинамическим и гидрометеорологическим условиям физико-математических моделей возникновения, эволюции и вырождения аномалий оптических характеристик в толще океана, атмосферы и на границе раздела океан-атмосфера, а также моделей взаимодействия световых полей со средой. с целью верификации методик оптического мониторинга и оптимизации состава необходимой аппаратуры. Решение этой задачи позволяет непосредственно перейти к разработке и верификации методик (включающей решение соответствующих обратных задач) дистанционного оптического зондирования (с использованием сопутствующей информации), адекватных реальным гидрометеорологическим условиям и параметрам зондирующего светового излучения.

Таким образом целями настоящей диссертационной работы являются:

1.) разработка физико-математических моделей возникновения, эволюции и вырождения аномалий оптических характеристик в толще океана, атмосферы и на границе раздела океан-атмосфера;

2.) верификация (на основе разработанных моделей) методик оптического мониторинга и оптимизация состава необходимой аппаратуры;

3.) разработка методов решения обратных задач дистанционного оптического зондирования (с использованием сопутствующей информации) , адекватных реальным гидрометеорологическим условиям и параметрам зондирующего светового излучения.

На рис. 1 приведена схема натурных экспериментов по многоспектральному оптическому зондированию морской среды. Схема численной (имитационной) модели эксперимента по многоспектральному мониторингу морской среды, реализующей физико-математический полигон для верификации методик оптического мониторинга и оптимизации состава необходимой аппаратуры приведена на рис.2.

Выносимая на защиту диссертационная работа в основном посвящена последовательной реализации данной схемы.

Данные неконтактных измерений.

Данные контактных измерений.

Селекция сигналов.

Данные дистанционных аэрокосмических измерений.

Программа картирования. -1

Контрастирование изображения.

Оптические изображения поверхности водоема в нескольких спектральных диапазонах

Гидрофизические параметры водоема (турбулентность, течения и т.п.).

Решение обратной задачи.

Восстановленные параметры распределения примеси, координаты источников, время выброса(ов).

Рис.1. Схема натурного эксперимента по многоспектральному мониторингу морской среды.

Рис.2.

Схема численнои имитационной) модели эксперимента по многоспектральному мониторингу морской среды.

Гидрофизические параметры водоема Координаты источников, параметры примесей, время выброса.

Расчет распределения концентраций примесей в модельном водоеме.

Оптические параметры примесей: коэффициенты рассеяния и поглощения для рабочих спектр аль ных диапазонов.

Расчет коэффициента диффузного отражения (в нескольких спектральных диапазонах) водоема при наличии в нем стратифицированных по глубине оптически активных примесей.

Параметры помех. I

Ввод модельных помех от атмосферной дымки, взволнованной поверхности водоема, "неучтенных" оптически активных примесей.

Данные контактных измерений.

Модельные оптические изображения поверхности водоема в нескольких спектральных диапазонах

Восстановленные параметры рапределения примеси, координаты источников, время выброса(ов) .

Контрастирование изображения.

Решение обратной задачи.

В рамках работы созданы:

1. Физико-математические модели возникновения, эволюции и вырождения аномалий оптических характеристик в толще океана, атмосферы и на границе раздела океан-атмосфера.

2. Методы решения обратных задач дистанционного оптического зондирования, адекватных реальным гидрометеорологическим условиям и параметрам зондирующего светового излучения.

3. Методы коррекции результатов дистанционных измерений характеристик толщи моря через его взволнованную поверхность с использованием данных подповерхностного спектрофотометрирования и анализа излучения небосвода.

4. Рекомендации по решению задачи рассеяния света ансамблем частиц, взвешенных в турбулентной среде, с диапазоном изменения параметров, соответствующим морской среде.

В первой главе диссертации приводятся результаты теоретических исследований по созданию физико-математических моделей пространственно-временного перераспределения оптически активных примесей в морской среде, с учетом процессов турбулентной диффузии, а также переносом вещества течениями, различных масштабов.

Во второй главе предлагается оригинальный алгоритм обработки сигналов, полученных с применением оптических датчиков различного типа. Данный алгоритм базируется на том, что степень нестационарности-неоднородности сигналов оптических датчиков является более информативным параметром по сравнению со стандартными статистическими моментами тех же сигналов. Применение данного алгоритма позволяет, в частности, достаточно эффективно выявлять в водной среде аномальные зоны антропогенного происхождения на фоне естественных оптических аномалий по признаку нестационарности-неоднородности сигнала.

11

В третьей главе на основе предложенных выше моделей решается задача восстановления параметров пространственно-временного распределения примесей по измеренным характеристикам провзаимодействовавших с исследуемой средой световых полей.

Предлагается алгоритм коррекции результатов восстановления с учетом влияния атмосферы, аппаратных функций приемо-передающих устройств и т.п.

Предлагаются методики позволяющие определить координаты источников оптически активных примесей, используя как результаты совместных измерений дистанционными и контактными оптическими датчиками, так и результаты исключительно контактных измерений.)

В четвертой главе обсуждается метод решения задачи рассеяния света на частицах морской взвеси. Решение данной задачи следует рассматривать как этап теоретических разработок по установлению связи между физико-химическими и первичными гидрооптическими параметрами природных и антропогенных примесей, содержащихся в различных водоемах.

Основные результаты диссертации доложены на трех отечественных и четырех международных конференциях, использованы в отчетах по НИР, выполненным в ВНЦ "ГОИ им. С.И.Вавилова", в том числе по заказу Администрации Президента РФ, МО РФ, Минннауки РФ, Минприроды РФ, а также фирмы БЕИА (Великобритания) [52,53].

Результаты диссертации опубликованы в 19-ти работах, из них 14 в соавторстве. В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора диссертации состоит в:

1. Разработке метода решения обратных задач дистанционного оптического зондирования.

2. Составлении компьютерных программ, реализующих физико-математическую модель возникновения, эволюции и вырождения аномалий оптических характеристик в толще океана.

3. Разработке алгоритма решения задачи восстановления параметров пространственно-временного распределения примесей по измеренным характеристикам провзаимодействовавших с исследуемой средой световых полей.

4. Разработке алгоритма коррекции результатов восстановления параметров пространственно-временного распределения физико-химических характеристик морской среды.

5. Составлении компьютерной программы для решения задачи рассеяния света частицами, взвешенными в турбулентной среде, с диапазоном изменения параметров, соответствующим морской среде.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Использование приближений плавных возмущений и локальной замороженности позволяет получить пригодное для практического применения решение полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии, описывающее эволюцию поля концентрации оптически активной примеси в рамках самосогласованной многопараметрической теории возмущений. При этом используется априорная информация о поле скорости.

2. Эксперименты, проводимые в соответствии с предложенной в данной работе методикой дистанционного многоспектрального зондирования морской среды, позволяют восстановить характеристики пространственно-временного распределения оптических свойств воды в приповерхностном слое с разрешением, определяемым параметрами используемой измерительной аппаратуры.

3. Проведение дистанционного зондирования приповерхностного слоя моря одновременно с его контактным зондированием в нескольких реперных точках, позволяет осуществить коррекцию ошибок восстановления параметров морской воды, вызванных различными природными и аппаратурными факторами.

4. В результате учета объемного пространственного расположения осцилляторов достигается некоторое расширение области применимости приближения аномальной дифракции при ближе ни я Хюл ста.

Л И ТЕРАТУPA

1. Лаврентьев М.М., Романов В.Г., Шишатский С.П. Некорректные задачи математической физики и анализа. М. : Наука. 1980, 287 с.

2. Денисов А.М. Введение в теорию обратных задач. Изд-во Московского университета, 1994, 208 с.

3. Тихонов А.Н. Об устойчивости решения обратных задач// Докл. АН СССР. 1943. Т.39, N5. С.195-198.

4. Владимиров B.C. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1981.

5. Дынкин Е.Б. Марковские процессы. М. : Физматгиз.

1963.

6. Taylor G.I. Eddy motion in the atmosphere. Phil. Trans. Roy. Soc., 1915, A215, p.1-26.

7. Schmidt W. Der Massenaustausch bei der ungeordneten Strömung in freier Luft und seine Folgen, Sitzungsber. Akad. Wiss. Wien, Math.-nat. Kl. (2a), 1917, 126, Nr. 6, p.757-804.

8. Schmidt W. Der Massenaustausch in freier Luft und verwandte Erscheinungen. Hamburg. Grand. 1925.

9. Boussinesq J. Theorie de l'ecoulement tourbillonnant et tumulteux des liquides dans les lits retilingnes a grande section. I-II. Paris. Gauthier-Villars. 1897 .

10. Монин A.C., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Часть 1. М. : Наука. 1965. Часть 2. М. : Наука. 1967.

11. Монин A.C. Полуэмпирическая теория турбулентной диффузии. Труды Геоф. инст. АН СССР, 1956, N33(160), стр. 3-47.

12. Calder K.L. Atmospheric diffusion of particulate matherial, considered as a boundary value problem. J. Meteor. 1961, 18, No. 3, p. 413-416.

13. Ландау Л.Д., Лившиц Е.Н. Гидродинамика. М.: Наука.

1986.

14. Физика океана. Т. 2. Гидродинамика океана. (Ред. А.С.Монин.) М.: Наука. 1978.

15. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука. 1967.

16. Горелик Г.С. К теории рассеяния радиоволн на блуждающих неоднородностях. Радиотехника и электроника. 1956.

17. Горелик Г.С. О влиянии корреляции рассеивателей на статистические свойства рассеянного излучения. Радиотехника и электроника. 1957, 2, стр. 1227-1231.

18. Taylor G.I. The spectrum of turbulence. Proc. Ray. Soc.,1919, A164, p.476-490.

19. О. Филлипс "Динамика верхнего слоя океана", "Мир", М. 1969г.

20. Ю.З. Миропольский "Динамика внутренних гравитационных волн в океане", "Гидрометеоиздат", Л. 1981г.

21. Сб. "Поверхностные и внутренние волны", ч.1, 1985г.; ч2, 1986г., Новосибирск.

22. Е.Г. Морозов "Океанские внутренние волны", "Наука", М. 1985г.

23. В.В. Гончаров "О некоторых особенностях внутренних волн в океане", - в кн.: Цунами и внутренние волны, Севастополь, МГИ АН УССР, 197 6г., с.87-96.

24. Журенков А.Г., Тибилов А.С., Яковлев В. А. О возможности решения обратной задачи многоспектрального фотометрирования водной поверхности. // Оптика моря и атмосферы. Тезисы докладов. Л.: ГОИ. 1988 . С.40.

25. Журенков А.Г., Яковлев В.А. Приближенное решение задачи рассеяния света частицами морской взвеси. // Оптика моря и атмосферы. Тезисы докладов. Л.: ГОИ. 1988. С.142-143.

26. Журенков А. Г. Оптимизация метода определения аппаратных функций оптических устройств путем математического моделирования. // Методы гидрофизических исследований. Тезисы докладов. Калининград. 1989. С.108.

27. Журенков А.Г. О возможности наблюдения внутренних волн с помощью многоспектрального фотометрирования водной поверхности. // Методы гидрофизических исследований. Тезисы докладов. Калининград. 1989. С.129.

28. И.В.Алешин, Е.А.Цветков, В.А.Яковлев, "Оптические методы в экологическом мониторинге Мирового океана", Оптический журнал. 1997. N3. Т.64. С.82-86.

29. Zhurenkov A.G., Yakovlev V.A. Problem of ocean hydrophysical parameters evaluation from multispectral optical sensing data//SPIE Proceedings-Vol.2258. Bergen, Norway.-1994.P.811-814.

30. Zhurenkov A.G., Yakovlev V.A. Method of multispectral sensing hydrophysical properties of a stratified ocean. SPIE Proceedings Vol.2586. Paris, France.

1995.

31. Алешин И.В., Буданов С.П., Журенков А.Г., Цветков Е.А., Яковлев В.А. Применение оптических технологий для исследования морской среды в местах экологических аномалий. Прикладная оптика-96. Программа и тезисы докладов конференции. СПб.: ГОИ. 1996. С.304.

32. Алешин И.В., Буданов С.П., Журенков А.Г., Яковлев В.А. Оптимизация оптических технологий мониторинга океана на основе математического моделирования природных и техногенных процессов в морской среде. Прикладная оптика-96. Программа и тезисы докладов конференции. СПб.: ГОИ.

1996. С.305.

33. Алешин И.В., Журенков А.Г., Терентьев Ю.А., Яковлев В.А., Горбацкий В.В., Закревский Н.В. Использование оптических методов для натурного моделирования распространения в водной среде антропогенных загрязнений.

Прикладная оптика-96. Программа и тезисы докладов конференции. СПб.: ГОИ. 1996. С.306.

34. Алешин И.В., Журенков А. Г., Зурабян А.З., Яковлев

B. А. Расчет характеристик морской среды по результатам оптических измерений. Оптический журнал. 1997. N8. Т.64.

C.82-86.

35. Журенков А.Г., Зурабян А.З., Тибилов A.C., Яковлев

B.А. Корабельный оптический индикатор нефтяных загрязнений водной поверхности. Оптический журнал. 1997. N8. Т.64.

C.87-89.

36. Журенков А.Г., Зурабян А.З., Качурин В.К., Яковлев В. А. Влияние ветрового волнения на пространственное разрешение авиационного лидара при батиметрировании морской среды. Оптический журнал. 1997. N8. Т.64. С.95-96.

37. Алешин И.В., Журенков А.Г., Зурабян А.З., Яковлев В.А. Использование оптических методов при решении обратных задач экологического мониторинга природных вод. Оптический журнал. 1998. N5.

38. Копелевич О.В. Оптические свойства океанской воды. В кн. "Рассеяние и поглощение света в природных и искусственных дисперсных средах". Минск, 1991, с. 289-309.

39. Оптика океана. Т.1. Физическая оптика океана. М.:Наука, 1983. 372 с.

40. Иванов А.П. Физические основы гидрооптики. Минск: Наука и техника, 1975, 503 с.

41. Зеге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. Минск: Наука и техника, 1985. 327 с.

42. Козлянинов М.В., Пелевин В.Н. Об использовании одномерного приближения при исследовании распространения оптического излучения в море. Тр. Института океанологии, 1965, Т.77, с.73-79.

43. Зеге Э.П. О двухпотоковом приближении в теории переноса излучения. Препринт ИФ АН БССР, Минск, 1971.

44. Арст Х.Ю., Каск Х.К., Соомер В.Ю. Модель расчета нисходящих и восходящих потоков солнечной энергии и лучистых притоков тепла в море. В кн. "Исследования изменчивости оптических свойств Балтийского моря". Таллин, Изд. АН ЭССР, 1982, с. 75-88.

45. Штурм Б. Атмосферная коррекция данных дистанционного зондирования и количественное определение взвесей в поверхностных слоях морской воды. (В кн. Дистанционное зондирование в метеорологии, океанографии и гидрологии. - М.: Мир. 1984. 248с.) С.156-185.

46. Качурин В.К., Яковлев В.А. Борновское приближение в задаче рассеяния света ансамблем жестких частиц. Оптика и спектроскопия. 1987. Т. 62. Вып.5. С.1170-1172.

47. Яковлев В.А. О пространственном спектре случайного поля диэлектрической проницаемости морской среды. Изв. АН СССР, сер. ФАО. 1985. N 6. С.669-671.

48. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. 536 с.

49. Журенков А.Г., Яковлев В.А. О решении задачи рассеяния света частицами морской взвеси, в приближении аномальной дифракции. Изв. АН СССР, сер. ФАО. 1990. Т. 26. N 8. С.891-894.

50. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967. 548 с.

51. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 664 с.

52. Отчет по контракту ЕМЬ-2441: " Исследование приповерхностных слоев моря многоспектральными активными и пассивными оптическими системами". СПб. ГОИ им.С.И.Вавилова. 1999.

53. Отчет по контракту ЕМЬ-1218: "Анализ механизмов образования и идентификации аномалий в морской среде". СПб. ГОИ им.С.И.Вавилова. 1999.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научная новизна работы определяется тем, что в ней рассмотрен ряд аспектов указанных выше проблем и предложены их оригинальные решения, в частности:

1. Разработаны физико-математические модели различного уровня природных и техногенных процессов в морской среде, определяющих изменчивость пространственно-временных распределений световых полей в приповерхностных слоях моря.

2. Созданы и апробированы физико-математическая модель и программа построения трехмерных динамических сцен возникновения, эволюции и вырождения оптических аномалий толщи океана.

3. Разработан новый метод решения обратной задачи многоспектрального дистанционного оптического зондирования границы раздела океан-атмосфера и толщи океана, адекватный реальным гидрометеорологическим условиям и параметрам зондирующего светового излучения.

4. Решена задача и создан алгоритм восстановления параметров пространственно-временного распределения концентраций оптически-активных примесей по измеренным характеристикам светового излучения, рассеянного исследуемой средой.

5. Разработаны оригинальные методики проведения комплексных экспериментов по дистанционному многоспектральному оптическому зондированию океана.

6. Обоснованы и разработаны алгоритмы снижения уровня помех, вносимых атмосферной дымкой и взволнованной морской поверхностью, в непосредственно измеряемые параметры и, соответственно, уменьшения влияния указанных помех на результаты определения пространственно-временного распределения концентраций оптически-активных примесей.

7. Исследован метод решения задачи рассеяния света частицами, взвешенными в турбулентной среде, с диапазоном изменения параметров, соответствующим морской среде.

8. Разработана компьютерная программа расчета параметров рассеяния света неоднородностями среды, оптические характеристики которых соответствуют параметрам частиц морской взвеси и таковы, что не позволяют использовать приближение Релея-Ганса с одной стороны и геометрическую оптику с другой. Показано, что в результате учета пространственного расположения осцилляторов, достигается некоторое расширение области применимости приближения аномальной дифракции.