Влияние нисходящего излучения атмосферы на радиотепловые изображения и контрасты земных покровов в диапазоне миллиметровых волн

Голунов, Валерий Алексеевич

Влияние нисходящего излучения атмосферы на радиотепловые изображения и контрасты земных покровов в диапазоне миллиметровых волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Голунов, Валерий Алексеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Фрязино МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние нисходящего излучения атмосферы на радиотепловые изображения и контрасты земных покровов в диапазоне миллиметровых волн»

Автореферат диссертации на тему "Влияние нисходящего излучения атмосферы на радиотепловые изображения и контрасты земных покровов в диапазоне миллиметровых волн"

На правах рукописи

00460УУИ1

ГОЛУНОВ Валерий Алексеевич *

ВЛИЯНИЕ НИСХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

АТМОСФЕРЫ НА РАДИОТЕПЛОВЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ И КОНТРАСТЫ ЗЕМНЫХ ПОКРОВОВ В ДИАПАЗОНЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ

ВОЛН

Специальность 01.04.03 - радиофизика

-70КТ 2010

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Фрязино - 2010

004609901

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН (Фрязинский филиал).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Соколов Андрей Владимирович!

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Чухланцев Александр Алексеевич

кандидат физико-математических наук Тихонов Василий Владимирович

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН

(Нижний Новгород)

Защита диссертации состоится « С X, 2010 г., в 10-00 на заседании диссертационного совета Д002.231.02 при Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им В. А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая, д.11, к.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН.

Автореферат разослан « !& 2010 г.

А. А. Потапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Основой радиотсплолокации (или пассивной радиолокации) является прием крайне слабого теплового излучения окружающей среды. К настоящему времени сформировались следующие основные области применения средств ра д и от е гй о л о к а ц и и: дистанционный мониторинг окружающей среды, навигация, обнаружение и идентификация объектов.

При пассивной радиолокации в натурных условиях радиометры наряду с собственным излучением объектов и покровов принимают отраженное ими излучение атмосферы. Вследствие изменчивости мстсонарамстров атмосферы интенсивность ее нисходящего излучения со временем изменяется, что, в свою очередь, приводит к вариациям радиояркостных характеристик* покровов. В диапазоне миллиметровых (ММ) волн вследствие молекулярного поглощения в атмосферных газах интенсивность нисходящего излучения атмосферы даже в «окнах прозрачности» может быть соизмерима с интенсивностью собственного излучения покровов. Это обстоятельство предопределяет существенную роль излучения атмосферы и необходимость всестороннего исследования основных закономерностей .его влияния на формирование радиотепловых изображений и контрастов земных покровов.

Актуальность работы.

•у

Широкие перспективы для решения задач навигации, обнаружения объектов и их идентификации открываются в связи с бурным прогрессом в технологии создания приемных устройств диапазона ММ волн, наблюдающемся в последние 15-20 лет. Новые технологии позволили изготавливать компактные двумерные приемные матрицы, содержащие более тысячи приемных каналов, и на их основе создавать действующие в ре&тьном времени средства пассивного радиовидения, подобные традиционным системам тепловидения диапазона инфракрасных (ИК) волн. Известно, что в отличие от волн видимого и ИК диапазонов ММ волны существенно меньше

затухают в облаках, туманах, дымах и пыли, что предопределяет перспективность практического применения ММ средств пассивного радиовидения

В целях развития метода пассивного радиовидения актуальными являются исследования, связанные с расширением его возможностей за счет использования поляризационного приема, и разработка методов идентификации земных покровов в диапазоне ММ волн. Пространство идентификационных признаков могут составлять поляризационные коэффициенты излучения или их комбинации. Общепринятая процедура определения коэффициента излучения покровов в натурных условиях основана на абсолютных измерениях их термодинамической температуры, суммарной (кажущейся) температуры излучения и ее атмосферной составляющей. Разработка новых методов относительных измерений характеристик собственного излучения земных покровов в натурных условиях исключает необходимость проведения абсолютных измерений.

Особое значение для решения задач пассивной радиолокации имеют прогнозирование радиотспловы.ч контрастов объектов и земных покровов, необходимое для выбора оптимальных условий наблюдения и для разработки требований к приемной аппаратуре. В свете этого практический интерес представляет обобщенный анализ энергетики и устойчивости радиотепловых контрастов земных покровов к вариациям интенсивности нисходящего излучения атмосферы. Участки земной поверхности могут отличаться индикатрисами рассеяния вследствие неровностей их поверхности и (или) объемных неоднородностей. Поскольку вклад нисходящего излучения атмосферы в интенсивность принимаемого излучения покровов зависит от их индикатрис рассеяния, то возникает необходимость исследования зависимости контрастов от формы этих индикатрис рассеяния.

Целью диссертационной работы являются: • теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей влияния нисходящего излучения атмосферы на формирование радиотепловых

изображений и яркостных контрастов земных покровов в «окнах прозрачности» атмосферы в диапазоне ММ волн;

• разработка методов измерения характеристик собственного излучения покровов, включая снег, в натурных условиях;

• исследование возможностей идентификации покровов средствами пассивной радиолокации;

• исследование поляризационных характеристик яркостных структур объектов и фона в диапазоне ММ волн;

• изучение отличительных особенностей яркостных структур объектов и фона в диапазонах ММ и ИК волн.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• исследованы ошибки приближения Релея-Джинса на основе полученного в работе точного аналитического соотношения, связывающего яркостную температуру и коэффициент излучения нагретых нечерных тел.

• выполнено теоретическое обоснование корректного учета влияния нисходящего излучения атмосферы на радиотепловые контрасты покровов с произвольными индикатрисами рассеяния;

• разработано теоретическое описание устойчивости радиотепловых контрастов земных покровов с произвольными индикатрисами рассеяния к вариациям интенсивности нисходящего излучения атмосферы;

• созданы радиометрические измерительные стенды для исследования характеристик теплового излучения окружающей среды в натурных условиях на длинах волн 2,15 мм, 3,2 и 8 мм;

• экспериментально исследованы в различных метеоусловиях вариации радиотепловых контрастов травяного и снежного покровов, почво-грунтов, бетонной, водной и металлической поверхностей на длинах волн 2,15мм, 3,2 и 8 мм;

-6г-

• получены теоретические и экспериментальные количественные оценки устойчивости радиотепловых контрастов относительно вариаций интенсивности нисходящего излучения атмосферы в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн;

• исследованы закономерности формирования радиотепловых изображений объектов и земных покровов в различных метеоусловиях на ортогональных линейных и разностной поляризациях при длине волны 3 мм;

• разработаны и реализованы новые способы относительных измерений характеристик собственного излучения покровов в натурных условиях;

• исследованы возможности идентификации земных покровов в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн;

• теоретически и экспериментально изучены особенности ММ и ИК тепловидения, обусловленные спектральными свойствами механизма теплового излучения нагретых тел.

Исследования, выполненные в рамках данной работы, соответствуют специальности 01.04.03 - «радиофизика», раздел 7 «Разработка теоретических и технических основ новых методов и систем связи, навигационных, активных и пассивных локационных систем, основанных на использовании излучения и приема волновых полей различной физической природы и освоении новых частотных диапазонов».

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

• развит новый подход к описанию влияния атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов;

• получены новые экспериментальные данные по устойчивости контрастов в условиях чистой и облачной атмосферы и при выпадении жидких осадков в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн;

• получены новые экспериментальные данные по характеристикам собственного излучения сухого снежного покрова в диапазоне ММ волн;

• предложен и апробирован на частоте 90 ГГп (длина волны 3 мм) метод поляризационного пассивного радиовидения;

• выявлены отличительные особенности яркостной структуры тепловых изображений объектов и покровов в диапазонах ММ и ПК волн;

• разработаны и реализован^ оригинальные способы относительных измерений коэффициента излучения и поляризационных параметров собственного излучения покровов, не требующие количественной информации о яркости подсвечивающего излучения атмосферы;

• впервые выявлены возможности идентификации водных и бетонных поверхностей на длинах волн 3 и 8 мм в летних и зимних условиях с использованием средств радиотсплолокации;

• впервые определены точные ошибки яркостной температуры нагретых нечерных тел в диапазоне ММ волн, рассчитанной в приближении Релея-Джинса.

Достоверность полученных результатов обоснована использованием адекватных радиофизических моделей отражения и излучения рассмотренных сред, апробированных методов экспериментального исследования, сопоставлением расчетных и экспериментальных данных. Научные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Разработанное теоретическое описание устойчивости контрастов позволяет получать обобщенные количественные оценки влияния нисходящего излучения атмосферы на качество радиотепловых изображений и контрасты земных покровов в «окнах прозрачности» диапазона миллиметровых волн.

2. Предложенный метод поляризационного пассивного радиовидения значительно расширяет возможности идентификации объектов и различения покровов по их радиотепловым изображениям в «окнах прозрачности» диапазона миллиметровых волн. Метод основан на формировании и анализе радиотепловых изображений на линейных ортогональных и на разностной поляризациях.

3. Разработанная методика идентификации открытых водных поверхностей и бетонных взлетно-посадочных полос, основанная на поляризационном приеме и анализе откликов радиометрических устройств на интенсивности теплового излучения земной поверхности и атмосферы в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн.

Научная и практическая ценность полученных результатов состоит в том, что в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн они

• позволяют прогнозировать качество радиотепловых изображений земных покровов и оценивать возможности пассивного обнаружения объектов;

• расширяют методическую базу исследований характеристик собственного излучения покровов в натурных условиях;

• применены при разработке алгоритма восстановления высоты сухого снежного покрова методом пассивного дистанционного зондирования в рамках Международного целевого комплексного проекта «Природа»;

• показывают- перспективность разработки новых систем воздушной и морской навигации, основанных на средствах пассивного поляризационного радиовидения.

Личный вклад автора. Все теоретические исследования и разработки, представленные в диссертации, выполнены автором самостоятельно. Исключение составляют расчет температуры подсвечивающего излучения атмосферы для статистически неровных поверхностей с гауссовым распределением тангенса угла наклонов неровностей, которые выполнены совместно с к.т.н. А.Г. Павельевым и к.т.н. А.Ю. Зражевским.

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, обсуждались и докладывались на научных семинарах Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, советско-финском семинаре (1988 г., г. Москва), 17-ти отечественных и 4-х международных научно-технических конференциях. Кроме того, была

-У -9-

прочитана лекция на 4-ой Всесоюзной школе по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере (Н. Новгород, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 44 работы, в числе которых 3 коллективные монографии, 5 статей в журналах, рекомендованных для публикации ВАК РФ, 1 статья в сборнике научных трудов издательства «Паука», 1 препринт, 29 трудов и тезисов докладов отечественных и международных конференций, 5 авторских свидетельств. Список основных работ, опубликованных но теме диссертации, приведен ниже.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 157 страниц текста, включая 64 рисунка, 5 таблиц и список из 153 цитируемых литературных источников..

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе приводится обзор результатов исследования радиотепловых контрастов земных покровов в диапазоне ММ волн и обосновывается необходимость решения поставленных задач.

Глава 2 посвящена теоретическому анализу влияния атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов. Рассчитаны ошибки яркостной температуры, вычисленной в приближении Релея-Джинса. Показано, что в случае слабоизлучающих сред (коэффициент излучения зг = 0,05) поправки могут составлять от 2 К на длине волны Л = 3 мм до 6 К на Я = 1 мм .

Рассмотрена схема источников возникновения вариаций радиотепловых контрастов земных покровов, разработанная на основе выделения двух основных групп факторов, приводящих к вариациям. К первой группе относятся факторы, влияющие на величину собственного яркостного контраста покровов, а именно: термодинамический контраст, объемные плотность и влажность, объемные неоднородности и неровности поверхности. Вторая группа факторов ответственна за изменение температуры подсвечивающего излучения атмосферы. Помимо объемного и поверхностного рассеяния, видоизменяющих формы индикатрис рассеяния

- 10г -

покровов, эта группа включает в себя природные факторы, относящиеся только к атмосфере: интегральное содержание водяного пара, облачность и осадки. В диссертации рассматривается влияние каждого из вышеперечисленных факторов. Отмечается, что изменение интенсивности нисходящего излучения атмосферы влечет за собой изменение одновременно всех контрастов земной поверхности.

В приближении Релея-Джинса с использованием фотометрического подхода получено основное соотношение, связывающее температуру излучения Т однородного изотермичного покрова при термодинамической температуре Т„ и угловой яркостный спектр Г (П(|) нисходящего излучения атмосферы, в виде:

7(П) = ж(П) 7; + л(п) г;(о),

где ое - коэффициент излучения, а Л(О) = (с05$) 1 )со5<90г/£10

1л

- интегральный коэффициент (альбедо) отражения покрова (ге + Я = 1),

2 л

("!"()) =--' " ииДикатРиса рассеяния

покрова, Я = С10=О„(&„,1р1)) - соответственно углы приема и падения

излучения относительно нормали к поверхности покрова. В дальнейшем нормированная величина g (О, По) будет называться формой индикатрисы рассеяния, а величина Та(0.) - температурой подсвечивающего излучения атмосферы. Показано, что в интервале угла приема 50...55° величина Г* чистой атмосферы слабо зависит от формы индикатрис рассеяния в среднем плоских земных покровов.

В целях количественного описания изменчивости контрастов между покровами, вызванной вариациями интенсивности нисходящего излучения атмосферы, введена новая величина - коэффициент устойчивости с/,.

контраста АТмежду находящимися в термодинамическом равновесии с приземным слоем атмосферы произвольно выбранным ;с-ым покровом и черным телом (ЧТ), - в виде:

а' _ у* \niin

I) 'ак '

Чк

д г/ш"

д-т-тич /у _у* \пи\ »

'к V'!) 'ак'

-У

где Т„ - термодинамическая температура приземного слоя атмосферы, (Тп-Т'купт и (Т0-Т"к)"""' - соответственно статистически минимальное и статистически максимальное значения, определяемые в соответствии с заданной вероятностью того, что текущие значения разности (Ти-Т'к) находятся внутри интервала -С)""",(7;)-Г1]|)',т]. Величина цК характеризует изменение не только контраста к-ого покрова относительно ЧТ, но и всех контрастов между покровами с одинаковыми Т': или однотипными формами индикатрис рассеяния. Кроме того, установлено, что относительные (нормированные) контрасты покровов, имеющих равные значения Т* или однотипные индикатрисы рассеяния, инвариантнь1 к вариациям радиояркости атмосферы, которые при этом проявляются через изменение отношения сигнал/шум. Этот результат иллюстрируется модельными нормированными контрастами, показанными на рис. 1.

Максимальное изменение

метеоусловия:

хорошие

шохщ

мы

гФ

отношения сигнал/шум при этом численно равно коэффициенту устойчивости покровов. Показано, что коэффициент устойчивости

. я. « и « 1И ™ «о . и а » » ш « ш плоских поверхностей к вариациям

яркости облачной атмосферы определяется длиной волны, термодинамической температурой и водозапасом облаков и, практически, не зависит от полного влагосодержания атмосферы.

- 12В главе 3 описываются измерительные комплексы и методики, с помощью которых выполнены экспериментальные исследования излучагельных свойств земных покровов и влияния атмосферы на их радиотепловые контрасты на длинах волн 2,15 мм, 3,2 и 8 мм. Практически все абсолютные радиометрические измерения выполнены автором с помощью известного метода «искусственной» Луны, основанного на выполнении следующих двух условий: неизменная ориентация антенны в пространстве и равенство угловых размеров эталонов и исследуемого образца. Рассматриваются результаты измерений годового цикла яркостной температуры чистой атмосферы, поляризационные индикатрисы излучения травяного покрова, песчаного и глинистого грунтов, бетонной поверхности, искусственного водоема и поверхности Киевского водохранилища. Экспериментально изучены эффекты влияния объемной плотности и влажности грунтов, высоты речного волнения и суточный ход вариаций контрастов.

Моделирование и исследование экспериментальных зависимостей коэффициентов пропускания и отражения от структуры и толщины слоя сухого снежного покрова показали, что при укрупнении кристаллов температура излучения полубесконечного слоя снега стремится к некоторому предельному (экстремальному) значению. Помимо таких величин, как

термодинамическая температура снега и Т'0 атмосферы, эта предельная

г-

температура излучения определяется, главным образом, предельным значением альбедо отражения. В таблице приведены экс л с р и м е н т ал ы I ы е

Толщина эффективно излучающего слоя снега ([м]) при характерных размерах снежных

кристаллов с/.

мм вид снега

свежевыпавшнй мелкозернистый ¡/ < / .1 ш среднезернистый d= 1 ...2 мм крупнозернистый (1 = 2...5 .uu

2,15 > 0,07 0,03...0,07 < 0,03 <0,01

3,2 >0,3 0.1...0,3 0,03...0,1 <0,03

8,0 >2,0 1,0...2,0 0,3...1,0 0,1.„0,3

оценки толщины эффективно излучающего слоя снега с различной структурой на длинах волн 2,15; 3,2 и 8 мм, определенной из уравнения: ЩЬ )= 0,9 Я(), где Я(, - альбедо отражения нолубссконсчного слоя.

Установлено, что спектры Нц(\/Х) самосформировавшегося снежного покрова в диапазоне ММ волн существенно определяются структурой снега, причем в случае крупнозернистого снега Л« слабо зависит от длины волны. Это означает, что диапазон ММ волн является областью экстремального рассеяния в крупнозернистом снеге. Отмечено также, что изменение объемной плотности сухого зернистого снега в интервале 0,2...0,4 при сохранении характерных размеров его кристаллов не оказывает заметного влияния на его излучательные характеристики.

Показано, что существует взаимосвязь между поляризационными характеристиками собственного излучения сухого и тающего снега. При размерах кристаллов снега, соизмеримых с длиной волны, излучение сухого снега становится практически, неполяризованным, по крайней мере, на интервале вертикальных углов приема до 70°.

Анализируются экспериментальные данные но устойчивости контрастов в условиях чистой и облачной атмосферы. Устойчивость контрастов плоских поверхностей оценивалась экспериментально для волн 2,15; 3,2 и 8 мм в условиях разрывной кучевой, кучево-дождевой и сплошной облачности, включавшей случай многоярусных облаков. Установлено, что устойчивость контрастов плоских поверхностей при X = 8 мм в 3 - 4 раза выше, чем при X = 2,15 мм и X = 3,2 мм. Кроме того, при облачной атмосфере выполнены синхронные измерения текущего коэффициента устойчивости плоских и сильно рассеивающих поверхностей. Из них следует, что контрасты между сильно рассеивающими поверхностями значительно более устойчивы, чем в случае плоских поверхностей. Па длинах волн 2,15 и 8 мм получены синхронные диаграммы изменения температуры излучения ряда покровов и металлического листа при прохождении зоны дождя различной интенсивности.. Установлено, что выпадение дождя может приводить к

полному исчезновению (с точностью не хуже 1 - 2 К) радиотепловых контрастов, при этом на X = 2,15 мм контрасты исчезают при интенсивности дождя 1> 5 мм/ч, а на к = 8 мм - при />15 мм/ч.

Разработан новый способ измерения температуры подсвечивающего излучения атмосферы и коэффициента излучения покровов с неизвестными индикатрисами рассеяния. Суть способа в том, что, по крайней мере, при двух значениях полного вертикального поглощения безоблачной атмосферы измеряют температуру излучения и термодинамическую температуру исследуемого естественного покрова, и по результатам измерений определяют эквивалентный угол атмосферы и искомый коэффициент излучения. Эквивалентный угол атмосферы - это зенитный угол, нри котором яркостная температура атмосферы численно равна температуре ее излучения, подсвечивающего исследуемый покров. В результате реализации разработанного способа измерена температура Г* чистой атмосферы для сухого снежного покрова. Оказалось, что она практически совпадает с температурой подсвечивающего излучения в случае ламбертовых поверхностей.

Четвертая глава посвящена развитию метода пассивного поляризационного радиовидения и результатам исследования влияния атмосферы на поляризационные радиотепловые изображения покровов и объектов. Из проведенного физического обоснования метода поляризационного пассивного радиовидения следует, что разностно-поляризационные изображения содержат информацию о диэлектрических свойствах и геометрических особенностях поверхности объекта. Экспериментально показано, что, например, только поляризационное радиотспловидение позволяет обнаруживать асфальто-бетонную дорогу при угле приема 75" как в летних, так и в зимних условиях. В качестве подтверждения этого на рис. 2-3 показаны фотографии (а), радиоизображеиия при горизонтальной (б) и вертикальной (в) поляризациях

а) б) в)

Рис. 2.

а) б) в) г)

Рис. 3.

и разностно-поляризационное изображение (г) участка местности в летних и зимних условиях. Расширенные возможности поляризационного радиотепловидения продемонстрированы также на примере автотракторной техники с металлическими, брезентовыми и деревянными элементами кузовов и бортовой обшивки.

Качество изображения объектов может оцениваться количественно посредством вероятности их правильного опознавания, которая, в свою очередь, определяется количеством разрешаемых строк на критический размер объектов и отношением сигнал/шум. Количество разрешаемых строк на критический размер объектов определяется соотношением реализуемого углового разрешения системы радиовидения и угловым размером объектов. Отношение сигнал/шум зависит как от чувствительности приемной системы, так и от условий наблюдения. Показано, что качество радиоизображений при X = Змм существенно снижается только в условиях мощной сплошной облачности ( с водозапасом не меньше 2,5 кгм~), и, особенно, в дождях.

В результате выполненного теоретического и экспериментального изучения возможностей тепловидения в диапазонах ММ и ПК волн установлено, что на ММ волнах яркостная структура собственного излучения различных тел формируется, главным образом, за счет структурных

коптрастов их коэффициента излучения (отражения). В диапазоне ИК волн па яркоетную структуру объектов существенное влияние оказывают термодинамические контрасты. Подтверждено экспериментальными данными, что вследствие этого тепловые изображения объектов на длине волны 3 мм имеют более высокое сходство с их черно-белыми фотографиями, чем ИК тепловые изображения в диапазоне длин волн 8...10 мкм. При сплошной мощной облачности, в условиях отсутствия структурных термодинамических контрастов между излучающими объектами и фоном ИК тепловые изображения объектов практически не имеют выраженной яркостной структуры, вследствие чего объекты не обнаруживаются. В тех же условиях тепловые изображения в ММ диапазоне имеют достаточно устойчивую яркоетную структуру.

В пятой главе описываются разработанные методы измерений параметров собственного излучения земной поверхности, исключающие необходимость абсолютных радиометрических измерений, и анализируются возможности идентификации земных покровов в диапазоне ММ волн.

Метод измерения коэффициента излучения х исследуемых образцов основан на регистрации выходного напряжения радиометра и при последовательном приеме излучения исследуемого образца и двух эталонов с известными коэффициентами излучения зё1 и эг?, при этом эталоны и образец должны находиться во взаимном термодинамическом равновесии и иметь равные угловые размеры и Г* атмосферы. Искомый коэффициент излучения определяют по формуле:

и - и, ,

х = х ,+--(а; ,-а;,),

где »/, и 2 - выходные напряжения радиометра, соответствующие интенсивностям излучения первого и второго эталонов.

При одновременном приеме излучения на двух ортогональных поляризациях появляются возможности относительных измерений с

использованием только одпого эталона. В качестве такого эталона можно использовать, например, сектор атмосферы в зеркальном направлении в плоскости падения (зондирования) с яркостной температурой, численно равной температуре подсвечивающего покров излучения 7",, и определить параметр

Р = _

¿/,, - и, а^.

где индексы «//» и «V» относятся соответственно к горизонтальной и вертикальной поляризациям излучения покрова, «ЧТ» и «а» - соответственно к излучению ЧТ и атмосферы. Разработанные методы реализованы как при наземных исследованиях, так и при обработке результатов поляризационных измерений с борта самолета.

Из выполненного анализа диэлектрических свойств различных сред следует возможность идентификации бетонных взлетно-посадочных полос (ВПП) и водных поверхностей па фоне открытой и заснеженной земной поверхности при использовании разработанных методов измерения характеристик их собственного излучения в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн. Разработана методика идентификации бетонных ВПП и водных поверхностей средствами пассивной радиолокации с борта низколетящего самолета, которая сводится к совокупности следующих операций:

- одновременно принимаются и регистрируются калиброванным радиометром интенсивности теплового излучения земной поверхности на вертикальной и горизонтальной поляризациях и атмосферы на произвольной поляризации при угле наблюдения 55°;

- осуществляется обнаружение и разделение излучения, соответствующего, с одной стороны, подстилающей фоновой поверхности (растительности, почво-грунтам, снежному покрову и т.п.), с другой стороны, ВПП и водным поверхностям. В качестве критерия используются следующие условия: 1) если

Р„ >0,75, то излучение фоновое, 2) если Ра < 0,75, то излучение относится к бетону или водной поверхности.

- обрабатываются и анализируются текущие реализации откликов (выходных напряжений) радиометра на интенсивность теплового излучения фоновой поверхности на вертикальной поляризации. Цель: выделение однородных реализаций на отрезке времени At > Ato (интервалу времени At„ соответствует пространственный масштаб от 100 м), вычисление средних значений <их>.<Ту> и нахождение опорных максимальных значений <ttVMXK>,<TV)m>;

- обрабатывается и анализируется текущая реализация отклика радиометра на интенсивность теплового излучения атмосферы. Цель: на основе временной зависимости яркостной температуры определить состояние атмосферы (ясно, облачно), что необходимо для принятия правильного решения;

- в зависимости от состояния фоновой поверхности идентификация ВПП и водных поверхностей осуществляется либо в плоскости (aev,a^), если отсутствует сухой снежный покров, либо по измеренным значениям параметра Р„ при сухом снежном покрове.

В качестве примера реализации методики разработан соответствующий алгоритм для X = 3 мм, который демонстрирует возможность автоматической идентификации ВПП и водных поверхностей средствами пассивной радиолокации в условиях чистой атмосферы. Предложенный алгоритм исключает идентификацию при неблагоприятных метеоусловиях в виде облачности и дождей.

В Заключении сформулированы следующие основные результаты работы, полученные для атмосферных «окон прозрачности» в диапазоне ММ волн:

покровов относительно находящегося с ними в термодинамическом равновесии черного тела.

2. Теоретически и экспериментально исследована устойчивость контрастов сред с различными индикатрисами рассеяния к вариациям интенсивности нисходящего излучения атмосферы. Установлено, что

• при вариациях интенсивности нисходящего излучения чистой атмосферы коэффициенты устойчивости контрастов сред с плоскими и в среднем плоскими статистически неровными поверхностями, включая снежный покров, при угле наблюдения 0 = 55° практически равны между собой независимо от вида контрастирующих сред;

• коэффициент устойчивости контрастов плоских поверхностей к вариациям интенсивности излучения облачной атмосферы крайне слабо зависит от молекулярного поглощения атмосферы и определяется длиной волны, термодинамической температурой и водозапасом облаков. Между коэффициентами устойчивости контрастов на различных длинах волн существует детерминированная связь, позволяющая решать задачу выбора оптимального диапазона волн в зависимости от ожидаемых метеоусловий;

• коэффициенты устойчивости контрастов между рассеивающими поверхностями к вариациям яркости атмосферы при разрывной кучево-дождевой облачности могут быть в 2...3 раз выше (в зависимости от длины волны), чем в случае плоских поверхностей;

• радиотепловые контрасты земных покровов с равными температурами подсвечивающего излучения атмосферы, нормированные на контраст произвольных покровов с подобными свойствами, инвариантны к вариациям яркости нисходящего излучения чистой и облачной атмосферы. Вариации яркости атмосферы проявляются при этом через изменение отношения сигнал/шум, численно равное коэффициенту устойчивости с/ контрастов рассматриваемых покровов;

• выпадение дождя может приводить к полному исчезновению радиотепловых контрастов (с/ = 0), при этом на длине волны 2,15 мм контрасты исчезают при интенсивности дождя / > 5 мм/ч, а на волне 8 мм -при /> 15 мм/ч;

3. Качество радиотепловых изображений объектов на длине волны 3 мм существенно снижается только в условиях мощной сплошной облачности (с водозапасом свыше 2,5 кг-м'2) и, особенно, при выпадении дождей.

4. Выявлены следующие закономерности теплового излучения сухого снежного покрова:

• чем короче длина волны и чем больше размер снежных кристаллов, тем меньше толщина эффективно излучающего слоя снега, при этом на X = 8 мм она на порядок больше, чем на X = 3 мм;

• на длине волны 3 мм толщина эффективно излучающего слоя сухого зернистого снега (характерные размеры снежных кристаллов с! = 1...5 мм) не больше 0,1 м;

• при укрупнении снежных кристаллов интегральный коэффициент отражения (альбедо) полубесконечного слоя снега стремится к некоторому предельному (экстремальному) значению;

• диапазон ММ волн является областью экстремального рассеяния в крупнозернистом снеге (размеры кристаллов 2...5 мм);

• поляризационные характеристики собственного излучения сухого и тающего снежного покрова взаимосвязаны, что обусловлено отражением когерентной интенсивности от его поверхности;

• температура излучения чистой атмосферы, подсвечивающего зернистый снег на длинах волн 2,15 и 3 мм, численно равна ее радиояркостной температуре при зенитном угле ~ 55°.

5. Разностно-поляризационные радиотепловые изображения отображают информацию о геометрических особенностях и диэлектрических структурных элементах поверхности наблюдаемых объектов.

6. Пассивное радиовидение в «окне прозрачности» 3 мм в сравнении с тепловидением ИК диапазона в «окнах прозрачности» 1...2 и 8...10 мкм позволяет наблюдать объекты не только в известных условиях слабой оптической видимости (в дымах, туманах и т.п.), но также в условиях сплошной облачности и отсутствия термодинамических контрастов между структурными элементами объекта и фона.

7. Разработан и реализован в натурных условиях способ измерения коэффициента излучения покровов, основанный на приеме излучения двух эталонов, который позволяет осуществлять прямые измерения коэффициента излучения покровов, т.е. без дополнительных абсолютных измерений их температуры излучения и температуры подсвечивающего излучения атмосферы.

8. Открытые водные поверхности и бетонные взлетно-посадочные полосы идентифицируются средствами радиотеплолокации, по крайней мере, при чистой атмосфере.

9. Использование приближения Релея-Джинса при расчетах яркостной температуры слабо излучающих срсд в коротковолновой части диапазона ММ волн может приводить к абсолютным ошибкам до 6 К, что необходимо учитывать при различных прецизионных измерениях.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Андреев, Г.Л. Рассеяние и излучение миллиметровых радиоволн природными образованиями / Г.А. Андреев, В.А. Годунов. A.B. Соколов. // ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. - 1980. - Т. 20. - С. 3-106.

2. Годунов, В.А. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом / В.А. Годунов, В.А. Короткой, Г.В. Сухошш. // ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. - 1990. - т. 41. - С. 68-136.

3. Акимов, В.Ф. Вопросы перспективной радиолокации / Акимов В.Ф. |и др.], под ред. A.B. Соколова. - М. Изд. «Радиотехника», 2003. - 508 с.

4. Годунов, В.А. Влияние атмосферы и шероховатости поверхности на радиометрические характеристики естественных покровов / В.А. Годунов, А.10. Зражевский, А.Г. Иавсльсв // Радиотехника и электроника. - 1988. - №12. - С. 2544-2550.

5. Годунов, В.А. Тепловое излучение сухого однородного снежного покрова в диапазоне ММВ /В.А. Годунов // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 2002. - № 6. - С. 35-44.

6. Зражевский, A.IO. Поляризационные радиотспловые портреты различных объектов в ММ диапазоне волн / А.Ю. Зражевский [и др.] // Изв. вузов. Радиофизика. - 2005. - Т.48. № 10- 11.-С. 917-925.

7. Зражевекий, A.IO. Особенности и возможности поляризационного стереорадиовидения в ММ диапазоне волн / А.Ю. Зражевекий (и др.] // Радиотехника. - 2006. - № 5. - С. 19-29.

8. Исследование вариаций радиояркостных характеристик окружающей среды в ММ диапазоне воли / В.А. Годунов // Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве: сб. науч. тр. /ИРЭ АН СССР - М„ Наука, 1986. - С. 192-200.

9. Годунов, В.А. Радиометрическое исследование диэлектрических свойств пресноводного льда в диапазоне ММ воли: препринт № 24 (499) / В.А. Годунов, В.А. Короткой. - М.: ИРЭ All СССР, 1988.-24 с.

10. Радиояркостные характеристики природных образований в ММ диапазоне волн / Г.А. Андреев, В.А. Годунов // III Всесоюзный симп. по ММ и СВММ волнам: тез. докл., 22-24 септ. 1980 г. / ИПФ АН СССР - Горький, 1980.-Т. 1.-С.262.

11. Экспериментальное исследование теплового излучения земных покровов на ММ волнах в различных метеоусловиях / Г.А. Андреев, В.А. Годунов // XIII Всесоюзная конф по расир. р/волн: тез. докл., 22-24 септ. 1981 г. / ИПФ АН СССР - Горький, 1981. - 4.2. -С. (99-202.

12. Вариации радиояркостных контрастов земных покровов на волнах 2 и 8 мм / Г. А. Андреев, В. А. Годунов // 1 Всес. шк.-симп. по распр. ММ и СБММ воли в атмосфере: труды, 10-17 февраля 1982 г. / ИРЭ AU СССР - Москча. 1983. - С. п61-п66.

13. Спектральные особенности излучения сухою снежного покрова / В. А. Годунов, В.

A. Коротков // И Всес. шк.-симп. по распр. ММ и СБММ воли в атм.: труды, Фрунзе, Илим, 1986.-С. 91 -94.

14. Результаты исследования эффектов объемного рассеяния ММ волн в случайных дискретных средах / В.А.Голуиов // XI Всес. симп. по распростр. лазерного изд. в атм. и водных средах: тез. докл., Томск, 1991. - С.38.

15. Излучение пресноводного льда и спега в ММ диапазоне волн (лекция) / В. А. Годунов // IV Всес. школа но распр. ММ и СВММ волн в атмосфере: тез. докл., 3-10 сентября 1991 г./НИРФИ-Н. Новгород, 1991.-С. 71 - 77.

16. Coherent and diffuse scattering properties of dry snow cover and man-made like-snow media. / V. A. Golunov // The IEEE Joint 30th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 13th Int. Conf. on Terahertz Electronics: proceed., September 19-23, 2005, Williamsburg, Virginia USA, 2005 - P. 541-542.

17. Возможности идентификации земных покровов в ММ диапазоне волн / В. А. Годунов // Радиолокация и радиосвязь: труды XV Междупар. конф., 7-11 ноября 2007 г. / ИРЭ PAII - МЭИ -Москва-Фирсановка. 2007. - С. 168-184.

18. Идентификация бетонных и водных поверхностей методом пассивной локации в диапазоне ММ волн / В.А. Годунов // Радиолокация и радиосвязь: труды XVI Междупар. конф.. 5 - 7 ноября 2008 г./ ИРЭ РАН - МЭИ - Москва-Фирсановка, 2008. - С. 225 - 233.

19. The millimeter wave response to volume density and grain size of dry homogeneous snow . An algorithm for retrieval of snow depth from radiometer data at the frequencies 22 and 37 GHz / V. A. Golunov // The 10'h Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing for the ENV1: proceed., March 12-14,2008. Florence. Italy, 2008. - P. 1 - 4.

20. A. c. № 1267865. Способ измерения излучательных характеристик естественных покровов/ В. А. Годунов (СССР), заявл. 19.10.84 г.

21. А. с. № 1363937. Способ измерения коэффициента излучения естественных покровов / В. А. Годунов (СССР), заявл. 22.11.85 г.

22. А. с. № 1417593. Способ измерения коэффициента излучения естественных покровов / В. А. Годунов (СССР), заявл. 06.05.86 г.

23. А. с. № 1394936. Способ измерения полного вертикального ослабления электромагнитных волн в атмосфере / В. А. Годунов, В. А.Коротков, А. В.Соколов, Е.

B.Сухошш (СССР), заявл. 22.11.85 г.

24. А. с. № 1380456. Способ пассивной локации / В. А. Годунов, А. И. Кучерявснков. А. Г. Павельев, А. В. Соколов (СССР), заявл.27.05.85 г.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Голунов, Валерий Алексеевич

Введение.

Глава 1. Обзор результатов исследований радиотепловых контрастов земных покровов в диапазоне ММ волн.

1.1. Границы применимости приближения Релея-Джинса.

1.2. Влияние атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов.

1.3. Пассивное радиовидение в диапазоне ММ волн.

Глава 2. Теоретический анализ влияния атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов.

2.1. Взаимосвязь яркостной температуры и коэффициента излучения нагретых нечерных тел.

2.2. Определение температуры подсвечивающего излучения атмосферы.

2.3. Температура подсвечивающего излучения безоблачной атмосферы для покровов с различными формами индикатрис рассеяния.

2.4. Анализ источников вариаций радиотепловых контрастов.

2.5. Определение коэффициента устойчивости контрастов покровов по отношению к вариациям температуры нисходящего излучения атмосферы.

2.6. Модельное описание коэффициента устойчивости контрастов плоских поверхностей по отношению к вариациям температуры нисходящего излучения облачной атмосферы.

2.7. Влияние излучения атмосферы на поляризационные характеристики покровов.

Глава 3. Аппаратура, методы и результаты радиометрических измерений.

3.1. Радиометрические комплексы и методики исследования контрастов и характеристик излучения покровов.

3.2. Экспериментальные радиояркостные характеристики летних земных покровов в окнах прозрачности атмосферы 2 и 8 мм.

3.3. Основные характеристики излучения и рассеяния снежного покрова.

3.4. Экспериментальные данные по устойчивости контрастов в условиях чистой и облачной атмосферы на длинах волн 2,15 мм, 3 и 8 мм.

3.5. Влияние дождя на контрасты покровов.

3.6. Разработка и реализация способа измерения температуры подсвечивающего излучения чистой атмосферы для сухого снежного покрова.

Глава 4. Влияние атмосферы на поляризационные радиотепловые изображения покровов и объектов.

4.1. Физическое обоснование метода поляризационного пассивного радиовидения.

4.2 Система пассивного поляризационного радиовидения на длине волны 3 мм.

4.3. Поляризационные радиотепловые изображения земных покровов.

4.4. Влияние нисходящего излучения атмосферы на качество радиотепловых изображений в диапазоне ММ волн.

4.5. Поляризационные радиотепловые изображения объектов и фона в различных метеоусловиях.

4.6. Сравнительный анализ возможностей тепловидения в диапазонах ММ и ИК волн.

Глава 5. Возможности идентификации земных покровов.

5.1. Разработка методов относительных радиометрических измерений.

5.2. Особенности влияния атмосферы при относительных измерениях.

5.3. Характеристики поляризационных параметров.

5.4. Реализация методов относительных измерений.

5.5. Анализ возможных ошибок относительных измерений.

5.6. Диэлектрические характеристики покровов.

5.7. Методика идентификации водных поверхностей и бетонных ВПП.

5.8. Алгоритм идентификации водных поверхностей и бетонных ВПП в условиях безоблачной атмосферы.

Введение диссертация по физике, на тему "Влияние нисходящего излучения атмосферы на радиотепловые изображения и контрасты земных покровов в диапазоне миллиметровых волн"

В середине пятидесятых годов ХХ-го века благодаря успехам радиофизики и радиоастрономии начались работы в новом научном направлении, получившем название радиотеплолокация (или пассивная радиолокация) [1,2]. Основой радиотеплолокации является прием крайне слабого теплового излучения окружающей среды. Вследствие этого ее развитие тесным образом связано с прогрессом в создании высокочувствительных радиометров и с освоением новых диапазонов волн. К настоящему времени сформировались такие основные области применения средств радиотеплолокации, как дистанционный мониторинг окружающей среды [3 - 14], навигация, обнаружение и идентификация объектов [15 - 40].

Интерес к разработкам и развитию систем пассивной радиолокации и радиовидения в диапазоне ММ волн вызван рядом обстоятельств. Во-первых, ММ волны в сравнении с видимым и инфракрасным (ИК) диапазонами существенно меньше затухают в облаках, туманах, дымах, пыли и в материалах, из которых состоит одежда человека. Указанное затухание настолько слабо, что в диапазоне ММ волн становится возможным осуществлять наблюдение за объектами в условиях отсутствия полной оптической видимости, хотя при этом теряется часть информации из-за более низкого реализуемого углового разрешения. Во-вторых, в сравнении с диапазоном сантиметровых (СМ) волн на ММ волнах реализуется более высокое угловое разрешение при более компактных устройствах, в результате чего развитие систем радиовидения оказывается более предпочтительным в диапазоне ММ волн.

Достигнутый к настоящему времени уровень развития новых технологий позволяет изготавливать приемные двумерные матрицы, содержащие более тысячи элементов, и на их основе создавать действующие в реальном времени системы пассивного радиовидения, подобные традиционным системам тепловидения диапазона ИК волн [35 - 37, 44 - 48].

Работы по развитию методов пассивной радиолокации и радиовидению в диапазоне ММ волн ведутся как в странах СНГ (Украина, Белорусия), так и в странах дальнего зарубежья, в первую очередь, США, Великобритании, Германии, Японии, Финляндии, Швейцарии, Италии, Индии и др. Разработанные и действующие к настоящему времени системы радиовидения уже могут применяться в самых разнообразных направлениях таких, как обеспечение безопасной навигации морских и воздушных судов в условиях плохой видимости, автономная («слепая») посадка самолетов, обнаружение пластикового оружия, взрывных устройств и контрабанды, скрытых под одеждой человека. В целях развития метода пассивного радиовидения актуальными являются исследования, связанные с расширением его возможностей за счет использования поляризационного приема и оценки влияния излучения атмосферы на качество радиотепловых изображений.

Выбор интервалов частот внутри диапазона миллиметровых (ММ) волн для функционирования систем пассивной локации, включая радиотепловидение, обусловлен рядом факторов, связанных с особенностями молекулярного поглощения и ослабления ММ волн в атмосферных газах (главным образом, в водяном паре НгО и кислороде СЬ). Спектр поглощения чистой атмосферы представляет собой ряд линий резонансного молекулярного поглощения, центрированных на частотах 22,5 ГГц (X = 1,35см), 60 ГГц (X = 5мм), 118 ГГц (X = 2,5мм), 185 ГГц (X = 1,63мм) и 3 «окна прозрачности» между ними, соответствующие окрестностям длин волн 2; 3 и 8 мм [41 - 43]. В линиях поглощения яркостная температура чистой атмосферы практически равна термодинамической температуре приземного слоя атмосферы, а в «окнах прозрачности» может в несколько раз и даже на порядок быть меньше своей термодинамической температуры [42 - 43].

При пассивной радиолокации в натурных условиях радиометры наряду с собственным излучением покровов принимают отраженное ими излучение атмосферы. Вследствие изменчивости метеопараметров атмосферы интенсивность ее нисходящего излучения со временем изменяется, что, в свою очередь, приводит к вариациям радиояркостных характеристик покровов. Это обстоятельство вызывает необходимость всестороннего исследования основных закономерностей влияния излучения атмосферы на формирование радиотепловых изображений, энергетику и устойчивость контрастов земных покровов при различных метеоусловиях. Кроме того, вклад нисходящего излучения атмосферы в интенсивность принимаемого излучения покровов, как известно [1, 10], определяется их бистатической индикатрисой рассеяния, вследствие чего актуальными представляются исследования зависимости контрастов от формы этих индикатрис рассеяния.

В связи с развитием и внедрением средств пассивного радиовидения диапазона ММ волн в системы навигации, посадки самолетов в условиях слабой оптической видимости и т. п. возрастает актуальность задачи идентификации земных покровов. Идентификационными признаками земных покровов могут являться любые особенности характеристик их собственного излучения, благодаря которым данный покров оказывается не похожим на все другие. Характеристики собственного излучения покровов определяются, с одной стороны, диэлектрическими свойствами их компонентов, геометрией поверхности, объемной структурой, с другой стороны, длиной волны, видом поляризации, углом зондирования и т.п. Следовательно, пространство идентификационных признаков могут составлять коэффициенты излучения или их комбинации, измеренные при одной или нескольких длинах волн, при различных видах поляризации и при определенных значениях угла зондирования.

Возможности измерения характеристик собственного излучения земных покровов на основе поляризационного анализа рассмотрены в монографиях [27, 28]. Однако проблема решалась применительно к диапазону СМ волн на основе абсолютных измерений яркостной температуры покровов без учета подсвечивающего излучения атмосферы. Такой подход не применим для диапазона ММ волн. Более перспективным представляется метод идентификации, основанный на таких измерениях собственных характеристик излучения покровов, которые учитывают подсвечивающее излучение атмосферы, но исключают необходимость количественных измерений атмосферной составляющей в интенсивности принимаемого излучения.

Основой тепловидения независимо от диапазона волн является взаимная контрастность яркости излучения структурных элементов объектов и фона. Широкое внедрение средств пассивного радиовидения диапазона ММ волн невозможно без сравнительного анализа их возможностей с возможностями традиционных систем ИК-тепловидения на основе выявления спектральных особенностей формирования контрастов в диапазонах ММ и ИК волн.

Радиотеплолокация развивается в течение более 50 лет, однако, до последнего времени при расчетах яркостной температуры нагретых тел использовалось лишь приближение Релея-Джинса. Точные границы применимости указанного приближения определены только для случая абсолютно черного тела, в то время как большинство реальных сред являются не черными. В связи с этим практический интерес представляет исследование точных границ применимости приближения Релея-Джинса в случае нечерных нагретых тел. Актуальность расчета ошибок приближения Релея-Джинса особенно возросла в связи с освоением терагерцового диапазона.

Целью диссертационной работы являются:

• теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей влияния нисходящего излучения атмосферы на формирование радиотепловых изображений и яркостных контрастов земных покровов в «окнах прозрачности» атмосферы в диапазоне ММ волн;

• исследование возможностей идентификации покровов средствами пассивной радиолокации;

• исследование поляризационных характеристик яркостных структур объектов и фона в диапазоне ММ волн;

• изучение отличительных особенностей яркостных структур объектов и фона в диапазонах ММ и ИК волн.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• исследованы возможности идентификации земных покровов в «окнах прозрачности» диапазона ММ волн;

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

• развит новый подход к описанию влияния атмосферы на радиотепловые контрасты земных покровов;

• предложен и апробирован на частоте 90 ГГц (длина волны 3 мм) метод поляризационного пассивного радиовидения;

• выявлены отличительные особенности яркостной структуры тепловых изображений объектов и покровов в диапазонах ММ и ИК волн;

• разработаны и реализованы оригинальные способы относительных измерений коэффициента излучения и поляризационных параметров собственного излучения покровов, не требующие количественной информации о яркости подсвечивающего излучения атмосферы;

• впервые выявлены возможности идентификации водных и бетонных поверхностей на длинах волн 3 и 8 мм в летних и зимних условиях с использованием средств радиотеплолокации;

Достоверность полученных результатов обоснована использованием адекватных радиофизических моделей отражения и излучения рассмотренных сред, апробированных методов экспериментального исследования с использованием современного оборудования, сопоставлением расчетных и экспериментальных данных.

Научные результаты и положения, выносимые на защиту:

Научная и практическая ценность полученных результатов состоит в том, что в диапазоне ММ волн они

• показывают перспективность разработки новых систем воздушной и морской навигации, основанных на средствах пассивного поляризационного радиовидения.

Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, являются частью радиофизических исследований теплового излучения окружающей среды, проводившихся под руководством д.т.н., профессора A.B. Соколова, д.т.н., профессора Г.А. Андреева, д.т.н., профессора H.A. Арманда, д.ф.-м.н., профессора В.А. Черепенина и к.т.н. А.Ю. Зражевского. Все теоретические исследования, методики и разработки, представленные в диссертации, выполнены автором самостоятельно. Исключение составляют расчеты температуры подсвечивающего излучения атмосферы для статистически неровных поверхностей с гауссовым распределением тангенса угла наклонов неровностей, которые выполнены совместно с к.т.н. А.Г. Павельевым и к.т.н. А.Ю. Зражевским.

Автор глубоко признателен за тесное и плодотворное сотрудничество первому научному наставнику Г.А. Андрееву, научному руководителю A.B. Соколову, научному консультанту А.Ю. Зражевскому, а также Павельеву А.Г., Короткову В.А., Бородину Л.Ф. и всем другим своим соавторам.

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, обсуждались и докладывались на научных семинарах Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, советско-финском семинаре (1988 г., г. Москва), 17-ти отечественных и 5-ти международных научно-технических конференциях. Кроме того, была прочитана лекция на 4-ой Всесоюзной школе по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере (Н. Новгород, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 44 работы, в числе которых 3 коллективные монографии [49 - 51], 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ [52 - 56], 1 статья в сборнике научных трудов издательства «Наука» [57], 1 препринт [58], 29 трудов и тезисов докладов отечественных [59 - 81] и международных конференций [82 - 87], 5 авторских свидетельств [88 - 92].

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

Основные результаты работы, полученные для «окон прозрачности» атмосферы в диапазоне ММ волн, заключаются в следующем:

1. В целях количественного описания изменчивости контрастов, обусловленной вариациями яркости нисходящего излучения атмосферы, введена новая величина - коэффициент устойчивости д контрастов земных покровов относительно находящегося с ними в термодинамическом равновесии черного тела.

• при вариациях интенсивности нисходящего излучения чистой атмосферы коэффициенты устойчивости контрастов сред с плоскими и в среднем плоскими статистически неровными поверхностями, включая снежный покров, при угле наблюдения 0-55° практически равны между собой независимо от вида контрастирующих сред;

• коэффициенты устойчивости контрастов между рассеивающими поверхностями к вариациям яркости атмосферы при разрывной кучево-дождевой облачности могут быть в 2.5 раз выше (в зависимости от длины волны), чем в случае плоских поверхностей;

• радиотепловые контрасты земных покровов с равными температурами подсвечивающего излучения атмосферы, нормированные на контраст произвольных покровов с подобными свойствами, инвариантны к вариациям яркости нисходящего излучения чистой и облачной атмосферы. Вариации яркости атмосферы проявляются при этом через изменение отношения сигнал/шум, численно равное коэффициенту устойчивости q контрастов рассматриваемых покровов;

• выпадение дождя может приводить к полному исчезновению радиотепловых контрастов (д = 0), при этом на длине волны 2,15 мм контрасты исчезают при интенсивности дождя I > 5 мм/ч, а на волне 8 мм - при /> 15 мм/ч.

3. Качество радиотепловых изображений объектов на длине волны 3 мм существенно снижается только в условиях мощной сплошной облачности (с водозапасом не меньше 2,5 кг м"2) и, особенно, при выпадении дождей.

4. Выявлены следующие закономерности теплового излучения сухого снежного покрова:

• на длине волны 3 мм толщина эффективно излучающего слоя сухого зернистого снега (характерные размеры снежных кристаллов й — 1.5 мм) не больше 0,1 м;

• диапазон ММ волн является областью экстремального рассеяния в крупнозернистом снеге (размеры кристаллов 2.5 мм);

6. Пассивное радиовидение в «окне прозрачности» 3 мм в сравнении с тепловидением ИК диапазона в «окнах прозрачности» 1.2 и 8.10 мкм. позволяет наблюдать объекты не только в известных условиях слабой оптической видимости (в дымах, туманах и т.п.), но также в условиях сплошной облачности и отсутствия термодинамических контрастов между структурными элементами объекта и фона.

- 1429. Использование приближения Релея-Джинса при расчетах яркостной температуры слабо излучающих сред в коротковолновой части диапазона ММ волн может приводить к абсолютным ошибкам до 6 К, что необходимо учитывать при различных прецизионных измерениях.

Заключение.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Голунов, Валерий Алексеевич, Фрязино

1. Николаев А.Г., Перцов C.B. Радиотеплолокация. Пассивная радиолокация. М., Сов. Радио, 1964.

2. Башаринов А.Е., Тучков Л.Т., Поляков В.М., Ананов Н.И. Измерение радиотепловых и плазменных излучений. М., Сов. радио, 1968.

3. Skolnik M.I. Millimeter and submillimeter wave applications. Proc. Symp. On SubMM waves. NY, March 31 April 2. 1970, p. 9 - 15.

4. Башаринов A.E., Гурвич A.C., Егоров С.Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М., Наука, 1974.

5. Горелик А.Г., Семилетов В.И., Фролов A.B. Исследование поляризационных характеристик излучения подстилающей поверхности на длине волны 0,8 см. Сб. Радиофизические исследования атмосферы. JL, Гидрометеоиздат, 1977, с.136 141.

6. Аквилонова А.Б., Кутуза Б.Г. Радиотепловое излучение облаков. Радиотехника и электроника, 1978, т.23, вып.9, с. 1792 1806.

7. Митник J1.M. Излучательные характеристики водной поверхности. Обзор ВНИИГМИ МЦД, сер. Океанология. Обнинск, 1978.

8. Митник JI.M. Исследование облаков методом СВЧ радиометрии. Обзор ВНИГМИ-МЦД, сер. Метеорология. Обнинск, 1979.

9. Арманд H.A., Башаринов А.Е., Бородин Л.Ф. и др. Радиофизические методы дистанционного изучения окружающей среды, В кн.: Проблемы современной радиотехники и электроники. М., Наука, 1980.

10. Foster J.L., Hall D.K., Chang A.T.C., Rango A. An overview of passive microwave snow research and results. Rev. Geophys. and Space Phys., 1984, v. 22, N2, p.195-208.

11. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М., Наука, 1986.

12. Степаненко В.Д., Щукин Г.Г., Бобылев Л.П., Матросов С.Д. Радиотеплолокация в метеорологии. Д., Гидрометеоиздат, 1987.

13. Шанда Э., Шаерер Г., Хофер Р. Характеристики рассеяния и излучения природной среды в 3-мм диапазоне волн. Радиотехника, 1976, т.9, с.3-9.

14. Богородский В.В., Козлов А.И., Тучков JI.T. Радиотепловое излучение земных покровов. JL, Гидрометеоиздат, 1977.

15. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. М., Сов. радио, 1978, т.4.

16. Richer R.F. Environmental effects on radar and radiometric systems at MM wavelengths. MRI Symp. Proceeding. Submillimeter Waves. 1970, March 31 April 2, v. 20. Polytechnic Press, Brooklin, p. 533 -543.

17. Андреев Г. А. Тепловое излучение миллиметровых волн земными покровами. Зарубежная радиоэлектроника, 1982, т. 12.

18. Shanda Е., Shaerer G., Wilthrich М. Radiometric terrain mapping at 3 mm wavelength. Proceed.of the 8-th Intern. Symp. On Remote sensing of Environment, 2-6 October 1972. Ann Arbor, Michigan, p. 739 745.

19. Shaerer G. Passive sensing experiments and mapping at 3.3 mm wavelength. Remote Sensing of Enveronment, 1974, 3, p. 117-131.

20. Федосеев Л.И., Швецов A.A. К описанию радиотепловых контрастов. II Всес. симп. по ММ и СБММ волнам. Тез. докл., т. 2, Харьков, 1978, с.170- 171.

21. Парщиков А.А., Попов С.А., Розанов Б.А. Исследование радиояркостных контрастов в коротковолновой части ММ диапазона волн. Тез. докл., т. 2, Харьков, 1978, с.173 174.

22. Радиолокационные методы исследования Земли, под ред. Ю.А. Мельника. М., Сов. Радио, 1980. 262 с.

23. Андреев Г.А., Бородин Л.Ф., Рубцов С.Н. Радиояркостные контрасты земных покровов на миллиметровых и сантиметровых волнах. Изв. ВУЗов Радиофизика, 1980, т.23, №10, с.1266-1268.

24. Гершензон В.Е., Хапин Ю.Б., Эткин B.C. Исследование радиотеплового излучения снежных покровов. Исслед. Земли из космоса. 1981, №1, с.58-62.

25. Богородский В.В., Канарейкин Д.Б., Козлов А.И. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов. Л., Гидрометеоиздат, 1985.

26. Богородский В. В., Козлов А. И. Микроволновая радиометрия земных покровов. Л., Гидрометеоиздат, 1985.

27. Черная Л.Ф., Зражевский А.Ю., Рыков К.Н. Фоновое радиоизлучение земных покровов на ММ волнах. Электромагнитные волны и электронные системы, 1997, т.2, №3, с. 552 557.

28. Appleby R., Lettington А.Н. Passive MM-wave imaging. IEEE Colloq. on Millimeter-Wave Radar, 1990, Digest N089, pp. 4/1-4/6.

29. Appleby R., Lettington A. H. Passive MM-wave imaging. IEEE Colloquim on Millimeter-Wave Radar, 1990, Digest N089, pp.4/1-4/6.

30. Goldsmith P.F., Hsieh C.T., Huguenin G.R., et al. Focal plane imaging systems for millimeter wavelengths. IEEE Trans. MTT. 1993., vol. 41, no. 10, p.1664 1675.

31. Hartman R.L., Kruse P.M. Submillimeter system for imaging through inclement weather. Second Int. Conf. And winter school on SubMM waves and their applications. 1976, Puerto Rico, p. 229.

32. Hollinger J.P., Hartman N.F., Forsythe R.E. and Mc Sheely J.J. An airborne imaging system at 140 and 220 GHz. Second Int. Conf. And winter school on SubMM waves and their applications. 1976, Puerto Rico, p. Th-4-2.

33. Appleby R., Gleed D.G., Anderton R.N., Lettington A.H. High-performance passive millimeter-wave imaging. Optical Engineering, 1993, v.41, No. 10, p. 1370-1373.

34. Goldsmith P.F., Hsieh C.T., Huguenin G.R., et al. Focal plane imaging systems for millimeter wavelengths// IEEE Trans. MTT. 1993., vol. 41, no. 10, p.1664-1675.

35. Dow G.C., Lo D.C.W., Guo Y., et al. Large scale W-band focal plane arrays for passive radiometric imaging. IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest, June, 1996.//1996.,vol.l, p.369 372.

36. Радзиховский B.H., Горишняк B.H., Кузьмин C.E., Шевчук Б.М. Многоканальная радиометрическая система формирования изображений в миллиметровом диапазоне длин волн. // Изв. вузов. Радиоэлектроника, 1999, т. 42, № 4, с.40 49.

37. Пирогов Ю.А. Пассивное радиовидение в ММ диапазоне. Радиотехника, 2003 г.,№2, с.4 11.

38. Пелюшенко С.А., Ракуть И.В., Пелюшенко А.С. Пассивно-активные системы радиовидения ММ и СБММ диапазонов длин волн.-Всероссийский семинар по радиофизике ММ и СбММ диапазонов. Тезисы докладов. Нижний Новгород, 2005 г. с. 19 20.

39. Соколов А.В., Сухонин Е.В. Ослабление ММ волн в толще атмосферы. Итоги науки и техники, сер. Радиотехника. 1980, т. 20, с. 107 205.

40. Исхаков И.А., Аганбекян К.А., Зражевский А.Ю. Поглощение и излучение безоблачной атмосферы Земли в миллиметровом диапазоне волн. Препринт №4 (307). М., ИРЭ АН СССР, 1981.

41. Исхаков И.А., Зражевский А.Ю., Аганбекян К.А., Новичихин Е.П., Соколов В.А. Поглощение и излучение атмосферы Земли в ММдиапазоне волн. В кн.: Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве. М., Наука, 1986, с.82 95.

42. Henry H.G., Freitag R.G., Shaller R.R., Cohn M.A GaAs monolithic array of impedance matched antenna/detector pixels for a 94-GHz imaging system. IEEE Int. Electron. Device Meeting Dig., 1989, pp. 771-774.

43. Wang H., Ton T.N., Tan K.L., Dow G.S., Chen Т.Н., Chang K.W. and other. An ultra low-noise W-band monolithic three-stage amplifier using 0.1-pm pseudomorthic InGaAs/GaAs HEMT technology. // IEEE Microwave Theory Tech. Symp.Albuquerque, NM, 1992.

44. Ton T.N., Allen В., Wang H., Dow G.S., Barnachea E., Berenz J.A. W-and low-noise amplifier using PHEMT MMIC. IEEE Microwave Guided Wave Lett., Feb. 1992, v. 2, pp. 63 64.

45. Dow G.S., et.al. W-Band MMIC direct detecthion receiver for passive imaging system. // IEEE MTT-S Int. Symp. Digest, 1993, pp. 163 167.

46. Lo D.C.W., et al. A monolithic W-band high-gain LNA/Detector for millimeter-wave radiometric imaging applications. // IEEE MTT-S Int. Symp. Digest, 1995, pp.1117-1120.

47. Андреев Г.А., Годунов B.A., Соколов A.B. Рассеяние и излучение миллиметровых радиоволн природными образованиями. Итоги науки и техники, сер. Радиотехника, т. 20. М., ВИНИТИ, 1980.

48. Голунов В.А., Короткое В.А., Сухонин Е.В. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом. Итоги науки и техники, сер. Радиотехника, т.41, М., ВИНИТИ, 1990, с.68-136.

49. Голунов В.А., Загорин Г.К., Зражевский А.Ю., Розанов Б.А., Соколов А.В., Черная Л.Ф. Пассивная радиолокация на миллиметровых волнах. В кн. Вопросы перспективной радиолокации, под ред. А. В. Соколова. М., Изд. «Радиотехника», 2003, с. 393 463.

50. Голунов В.А., Зражевский А.Ю., Павельев А.Г. Влияние атмосферы и шероховатости поверхности на радиометрические характеристикиестественных покровов. Радиотехника и электроника, 1988, №12, с.2544 2550.

51. Голунов В.А., Короткое В.А., Соколов А.В. Отражение и пропускание миллиметровых волн слоем случайной дискретной среды. Электромагнитные волны и электронные системы, 1997, т. 2, № 1, с. 39 -46.

52. Голунов В.А. Исследование вариаций радиояркостных характеристик окружающей среды в ММ диапазоне волн. В кн.: Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве. М., Наука, 1986, с. 192 -200.

53. Голунов В.А., Коротков В.А. Радиометрическое исследование диэлектрических свойств пресноводного льда в диапазоне ММ волн. Препринт № 24 (499). М., ИРЭ АН СССР, 1988.

54. Андреев Г.А., Бородин Л.Ф., Голунов В.А., Исаев B.C., Рубцов С.Н. Радиояркостные контрасты земных покровов на ММВ. Всес. симп. по ММ и СБММ волнам, Харьков, 1978. Тез. докл., т.2, с. 177 178.

55. Андреев Г.А., Годунов В.А., Тужилкин В.К. Излучательные свойства снежного покрова в ММ диапазоне волн. Научн.-техн. конф., посвящ. 85-летию изобр. радио, апрель 1980. Сб. тез. докл., М., 1980, c.l 1 12.

56. Голунов В.А., Живолковский В.Г., Панфилова Н.М., Тужилкин В.К., Фомина А.Н. Аппаратура и методы измерения радиояркостной температуры земных покровов. III Всес. Симп. По ММ и СБММ волнам, Горький, 1980. Тез. докл., т. 1, с 281 —282.

57. Андреев Г. А., Голунов В.А. Радиояркостные характеристики природных образований в ММ диапазоне волн. III Всес. симп. по ММ и СБММ волнам, Горький, 1980.Тез. докл. т.1, с.262.

58. Андреев Г.А., Голунов В.А. Экспериментальное исследование теплового излучения земных покровов на ММ волнах в различных метеоусловиях. Тезисы докл. XIII Всес. конф. по распр. р/волн, Горький, 1981, с. 199 202.

59. Голунов В.А., Сухонин Е.В. Измерения ослабления в дожде по его собственному излучению на волне 8,2 мм на горизонтальной и вертикальной поляризациях. XIV Всес. конф. по распр. р/волн. Тез. докл., ч. 2, Ленинград, 1982, с.26 27.

60. Андреев Г.А., Голунов В.А. Вариации радиояркостных контрастов земных покровов на волнах 2 и 8 мм. Труды I Всес. шк.-симп. по ММ и СБММ волн в атмосфере М., 1983, с.П61 П66.

61. Аплеталин В.Н., Голунов В.А., Чигряй Е.Е. Диэлектрические свойства льда и снега в ММ диапазоне волн. Тр. I Всес. шк.-симп. по распр. ММ и СБММ волн в атмосфере. М., 1983, с.156 160.

62. Голунов В.А. Метод измерения эффективной комплексной диэлектрической проницаемости растительных покровов. Тр. III Всес. шк.-симп. по ММ и СБММ волн в атмосфере. М., 1983, с. 160 162.

63. Голунов В.А. Спектральные особенности теплового излучения тающего снежного покрова. XVI Всес. конф. по распр. р/волн. Тез. докл., ч.2, Ленинград, 1984, с. 193 195.ц