ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение..............................................................3
Глава 1. Методы оценки и восстановления геофизических параметров природных сред ................................................................................................................................................................17
1.1 Основные алгоритмы оценки геофизических параметров............17
1.2 Одноканальный одно-поляризационный алгоритм НАСА..............18
1.3 Алгоритм НАСА.................................................18
1.4 Алгоритм канадской атмосферной природной службы...............19
1.5 Алгоритм эксперимента дистанционного зондирования Норвегии..20
1.6 Алгоритм Массачусетского университета.........................21
1.7 Алгоритм Бутстрапа (Bootstrap) ...............................21
Заключение..-.......................................................23
Глава 2. Природа и характеристики теплового радиоизлучения. Влияние рассеяния в средах на интенсивность радиоизлучения 24
2.1 Основные соотношения радиометрических величин.................24
2.2 Теория переноса излучения.....................................28
2.3 Решение уравнения переноса....................................30
Глава 3. Методика измерения индикатрисы рассеяния на экспериментальных установках различного типа........................32
3. Измерительная установка с непрерывным излучением...............32
3.2 Измерительные установки с частотной модуляцией................33
3.3 Импульсные измерительные установки............................34
3.4 Измерительная установка с использованием генератора качающейся
частоты...........................................................35
3.5 Измерительная установка с использованием эффекта Доплера 35
3.6 Разработка электронных блоков измерительной установки.........37
2
3.7 Методы расчёта эффективной площади рассеяния (ЭПР).............44
3.7.1 Метод геометрической оптики................................45
3.7.2 Метод физической оптики....................................46
3.7.3 Метод краевых волн.........................................47
3.8 Калибровка экспериментальной установки.........................48
3.9 Теоретический расчёт ЭПР стандартных эталонных объектов........48
3.10 Анализ поля в зоне измерения..................................53
3.11 Методика измерения............................................55
Глава 4.Исследование характеристик рассеяния моделей природных
сред.................................................................57
4.1 Краткий обзор характеристик морского льда......................57
4.2 Подготовка моделей.............................................61
4.3 Результаты эксперимента...................................... 67
Вывод............................................................78
4.4Анализ поля при сдвинутых пластинах.............................79
Вывод............................................................81
4.5Расчёт яркостной температуры....................................81
Глава 5. Экспериментальное исследование характеристик модели льда и льда в натурных условиях...........................................85
5.1 Общее описание подготовки бассейна и этапы проведения исследований.....................................................85
5.2 Подготовка бассейна............................................85
5.3 Исследование воды..............................................86
5.4 Исследование модели льда.......................................86
5.5 Исследования льда..............................................87
Заключение...........................................................90
Цитированная литература...............................................91
3
Введение
В последние годы радиофизические средства дистанционного зондирования широко используются для исследования поверхности Земли. История развития радиотеплолокации насчитывает около пятидесяти лет. За этот срок создана не только теория радиотеплолокационных средств, но и разработана радиотеплолокационная аппаратура самого различного назначения.
Изучение космических радиоизлучений было начато в 1932 г. В 1937 г. впервые было проведено изучение галактических излучений в СВЧ диапазоне. Интенсивные исследования позволили выявить излучение галактических областей, СВЧ излучение межзвёздного газа, дискретных источников, в том числе солнца, планет, квазизвёздных образований (квазаров) и др. По результатам радиоастрономических наблюдений можно судить о физических условиях в атмосферах и на поверхностях планет, о физике солнца и других источников космических излучений [8].
Успехи радиоастрономических и радиофизических исследований стимулировали применение СВЧ радиометрии для создания всепогодных СВЧ навигационных устройств, определяющих направления на светила; для измерения параметров антенн по СВЧ излучению естественных источников; для приборов радиояркостного картирования и др.
Теоретические и экспериментальные исследования собственного радиотеплового излучения системы земля-атмосфера для целей получения качественно новой информации о состоянии воздушных и водных масс, для диагностики поверхности суши были начаты в Советском Союзе в середине шестидесятых годов [34]. Это было время становления космических методов изучения океана и поверхности суши, космической океанографии и космического землеведения. И привлечение к исследованиям
4
радиодиапазона, его микроволновой части открывало новые горизонты развития многим наукам о Земле.
Успешные эксперименты по получению радиотеплового изображения земной и водной поверхности проводились в США в начале 50-х годов с использованием аппаратуры, созданной на базе радиолокационных станций. Радиотеплолокаторы устанавливались на самолетах и дирижаблях. В качестве индикаторов использовались перьевые самописцы. Была установлена всепогодность действия радиотеплолокационных средств. В 1961 г. были опубликованы сведения о поступлении на вооружение военно-воздушных сил США радиотеплолокатора АЛ/АА11-24. В последующие годы в США были созданы более совершенные обзорные радиотеплолокаторы.
Бортовые радиотеплолокаторы обзора земной поверхности могут быть использованы для разведки поля боя, целеуказания и картографирования, а также для обнаружения и определения границ лесных пожаров. При борьбе с крупными пожарами в районе Лос-Анджелеса с помощью радиотеплолокатора удалось обнаружить горящие участки леса сквозь плотную пелену дыма, непроницаемую для световых и инфракрасных лучей.
Весьма эффективным оказывается применение радиотеплолокаторов для обзора морской поверхности, для ледовой разведки и обнаружения айсбергов. Как известно, лед в сантиметровом и миллиметровом диапазонах является хорошим поглотителем. Это обстоятельство сильно затрудняет обнаружение льдин с помощью активных радиолокаторов и в то же время способствует их обнаружению радиотеплолокационными средствами.
Благодаря некоторым отличительным особенностям микрорадиоволны используются для восстановления ряда геофизических, гидрометеорологических и океанографических параметров. К особенностям микрорадиоволн относятся: относительно слабое поглощение в атмосфере, селективность поглощения, что и означает возможность изучения системы земля-атмосфера внутри микроволнового диапазона, сильная зависимость
5
коэффициента излучения от длины волны, зависимость излучательных свойств различных естественных поверхностей от их вида и состояния.
В отличие от оптической и инфракрасной областей спектра оказывается возможным получить количественную информацию о процессах, протекающих внутри облака и под облачным слоем, осуществить зондирование более протяжённых по толщине слоев воды, льда, почвоірунтов. Кроме того, основное преимущество радиоволн перед волнами оптического и инфракрасного диапазонов заключается в их высокой проникающей способности и, следовательно, радиофизические методы наблюдения земной поверхности являются всепогодными.
В настоящее время одним из эффективных и перспективных методов зондирования в радиодиапазоне является СВЧ-радиометрический (радиотсплолокационный), основанный на измерении собственного теплового электромагнитного излучения исследуемых объектов в диапазонах миллиметровых, сантиметровых и дециметровых волн.
Все тела с температурой выше абсолютного нуля создают электромагнитное тепловое излучение, характеристиками которого являются интенсивность, спектральный состав, степень поляризации, которые в свою очередь определённым образом зависят от физических свойств излучающего тела [8,21,30,37,51,90,91]. Тепловое излучение отличается от искусственно генерируемых излучений тем, что, во-первых, оно занимает очень широкий диапазон волн, а, во-вторых, его мощность и спектральная плотность не остаются постоянными и непрерывно флуктуируют. Тем не менее, несмотря на хаотичность поведения отдельных частиц, средние характеристики очень большого количества частиц могут быть с определенной точностью предсказаны методами, основанными на законе теплового излучения.
Надо отметить, что с помощью радиотеплолокации можно не только обнаруживать и определять координаты большинства естественных и искусственных объектов, но и исследовать их физические свойства.
6
Информативность и достоверность зависят от физических механизмов формирования собственного и рассеянного излучения исследуемой среды.
Микроволновые методы дистанционного зондирования находят применение в ряде областей. Среди них можно перечислить: исследование земной поверхности, вод, суши, гидрология, сельское и лесное хозяйство, вулканология, планетология, метеорология, геология, ледовая разведка, мониторинг окружающей среды и др.
Благодаря спутниковым системам постоянно совершенствуются методы дистанционного зондирования. Показано, что можно использовать спутники, предназначенные для других целей, для решения некоторых задач дистанционного исследования [3].Например, показано, что система спутников "Навстар" и "Глонасс" может быть успешно использована для получения сведений о высотном профиле электронного распределения ионосферы и тем самым, осуществить мониторинг ионосферы Земли в реальном времени.
Исследование Земной поверхности с помощью контактных методов достаточно трудоёмко. Кроме того, эти методы и средства очень дороги. При использовании этих методов статистическая обработка и анализ данных являются отдельным этапом обработки результатов измерений. К тому же получение требуемой точности измерений, а следовательно, достоверной информации для большинства научных и практических задач может оказаться невозможным.
Основное преимущество радиолокационного метода перед методами контактных измерений заключается в автоматическом усреднении принимаемого сигнала по площади пятна, перекрываемого лучом антенны на исследуемой поверхности. При размещении радиолокационной аппаратуры на воздушных и космических носителях луч антенны охватывает значительную территорию, и аппаратура сразу выдаёт усреднённые
7
параметры по большой площади, что обеспечивает повышение точности измерения.
Микроволновые методы дистанционного зондирования делятся на активные (радиолокационные) и пассивные (радиометрические).
Радиолокационной метод основан на применении аппаратуры, имеющей передающее и приёмное устройства. Радиометрическая аппаратура (пассивная) имеет только приёмник, которой принимает собственное излучение от исследуемого объекта. Радиолокационные данные дистанционного зондирования природных сред имеют ряд отличительных особенностей по сравнению с измерениями радиотеплового излучения. Именно это обстоятельство при совместных радиолокационных и радиометрических исследованиях позволяет получить более полную информацию о характеристиках рассеивающего тела.
28 сентября 1983 в рамках программы «Океан» был запущен искусственный спутник земли «Космос-1500» [34]. Он был оснащён комплексом радиофизической аппаратуры, который состоял из радиолокационной станции бокового обзора, сканирующего СВЧ-радиометра с каналом 0,8см, трёхканального трассового СВЧ-спектрометра, устройства обработки сигналов, а также информационного радиотелевизионного комплекса. Кроме обеспечения всепогодных наблюдений основными задачами эксперимента явились:
- отработка методов дистанционных исследований мирового океана и поверхности земли в интересах различных отраслей народного хозяйства и науки;
- отработка новых видов информационно-измерительной аппаратуры;
- проведение оперативной съёмки ледяных покровов Арктики и Антарктики для обеспечения навигации в замерзающих акваториях.
Качественно новая информация с радиолокационной станции бокового обзора сразу позволила решить ряд конкретных практических задач.
- Київ+380960830922