Использование электродинамических моделей льда для дешифрирования и интерпретации данных, полученных методами пассивного и активного дистанционного зондирования

В последние годы радиофизические средства дистанционного зондирования широко используются для исследования поверхности Земли. История развития радиотеплолокации насчитывает около пятидесяти лег. 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 светиладля измерения параметров антенн по СВЧ излучению естественных источниковдля 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 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 АМ/ААК-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 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, почвогрунтов. 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 (радиотеплолокационный), 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.

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 Тлонасс" 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 усреднений 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 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 0,8 см, 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.

При радиометрическом (пассивном) способе зондирования применяют радиометр. При радиолокационном (активном) способе зондирования применяется радиолокационная станция или скаттерометр. Большой интерес представляет вычисление величины мощности излучаемой тем или иным объектом. Мощность радиотеплового излучения зависит не только от кажущейся температуры и площади объекта, но и от его формы, степени гладкости поверхности объекта и ряда трудно учитываемых факторов. Важным условиям, необходимым для обнаружения объекта по его радиотепловому излучению, является отличие его кажущейся температуры и температуры поверхности, на фоне которой он расположен.

При обнаружении объектов, на вход приёмника радиотеплолокатора воздействуют и другие излучения [30,35,46,62,88]. Эти излучения, называемые фоновыми, сильно затрудняют обнаружение малоразмерных объектов по следующим причинам: во-первых, излучение фона добавляется к собственным шумам приёмника и, следовательно, ухудшает его чувствительностьво-вторых, излучение фона маскирует излучение объекта, в предельном случае, если кажущиеся температуры объекта и фона равны, объект вообще не может быть обнаруженв-третьих, неравномерности и выбросы кажущейся температуры фона при работе обзорного радиолокатора могут быть ошибочны, приняты за исследуемые объекты. В последнее время используются отличия поляризационных характеристик фона и объекта для избавления от влияния фонов в обзорных радиолокаторах.

Основные характеристики обзорного радиолокатора — это дальность действия и разрешающая способность, т. е. минимальное расстояние между двумя объектами на местности, при котором эти объекты ещё наблюдаются раздельно для радиотеплолокатора обзора земной поверхности. Практически во многих случаях дальность действия ограничивается не чувствительностью радиометра, а неравномерностями кажущейся температуры, шумоподобными флюктуациями коэффициента усиления радиометра.

Раздельное наблюдение объектов, находящихся на различных дальностях, и измерения этих дальностей в радиотеплолокации реализовать необычайно трудно [30]. Для эффективной работы радиотеплолокаторов необходимы средства селекции сигналов наблюдаемых объектов на фоне помеховых излучений. Основным функциями устройств селекции радиолокационных сигналов являются определение факта наличия или отсутствия сигнала и воспроизведение его параметров при естественных или умышленных радиопомехах [35,46]. В настоящее время известны несколько видов селекции, которые могут быть применены для решения этой задачи. Они основаны на следующих различиях между объектами (целями) и источниками помехи (фонами):

1)Различие спектров излучения (для больших объектов).

2)Различие поляризационных характеристик.

3)Различие размеров.

4)Различие скоростей движения.

Радиоинтерферометр является очень мощным средством для селекции объектов по размерам и, другими словами, даёт возможность существенно повысить угловую разрешающую способность, не прибегая к увеличению размеров антенн. По сравнению с активными радиолокаторами, радиотеплолокационные станции имеют более низкую разрешающую способность, но, с другой стороны, обладают преимуществом вследствие того, что тепловое излучение имеет очень широкий спектр, и наличие искусственных помех в этом диапазоне не так сильно влияет на работу радиотеплолокатора.

При активном зондировании, когда измерительная аппаратура размещена на воздушных или космических носителях, применяется радиолокационная станция бокового обзора (РЛСБО). Надо отметить, что в такой аппаратуре для повышения разрешения, широко применяются системы с синтезированной апертурой.

В настоящее время многочисленные исследования направлены на совершенствование методов и средств дистанционного зондирования. Одной из важных решаемых задач является создание моделей, которые бы удовлетворяли всем требованиям при восстановлении физических параметров природных сред. К сожалению, удовлетворить всем требованием, оказывается невозможно. Разработано много теоретических моделей решения проблем микроволновой диагностики [72]. Вместе с тем, нет универсальных способов решения общих задач. Каждый раз рассматривается своя конкретная задача из-за разнообразия электрических характеристик исследуемых объектов. Это даёт возможность использовать самый широкий арсенал методов и средств для изучения разнообразных процессов, заниматься численным моделированием, статистическим анализом полученной информации, внедрять и комбинировать разные приёмы математической обработки.

Известно, что при решении проблем радиотеплолокации используется несколько электродинамических задач. В частности, задача о поверхностном рассеянии, объёмном рассеянии или обе задачи одновременно [34,50]. Решить эти задачи одновременно очень сложно, тем более что нет универсального метода, который учитывал бы все факторы, влияющие на излучение.

Показано, что рассеяние зависит от структуры исследуемой среды [6]. Авторами этой работы разработана модель, которая позволяет учитывать основные факторы структуры ледовых покровов, влияющие на характеристики радиолокационных сигналов и яркостную температуру льдов, такие, как слоистость льдов, неровности отдельных слоев, наличие объёмных неоднородностей, их анизотропию, возможность плавного изменения диэлектрической проницаемости внутри слоев, эффекты, связанные с деполяризацией рассеянного излучения.

В настоящей работе сделана попытка создать методику определения параметров сред на моделях.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы: В последние годы интенсивно развиваются радиофизические методы и средства исследования поверхности Земли. Одной из актуальных проблем является развитие методов дешифрирования и интерпретации получаемых данных от неоднородных сред, методами дистанционного зондирования. Применительно к микроволновому диапазону к таким средам относятся грунт, снег и морской лёд.

Микроволновые методы дистанционного зондирования находят применение в ряде областей. Среди них: геология, география, метеорология, океанология, гидрология, экология, сельское и лесное хозяйство, навигация. Целью дистанционного зондирования подстилающих поверхностей является получение оперативной и надежной информации о наличии месторождений полезных ископаемых, наличии подземных вод, температуре и степени взволнованности морской поверхности, направлении и скорости приводного ветра, наличии и локализации антропогенных загрязнении, влажности и засоленности почвы, обнаружение и локализация лесных пожаров, наличие айсбергов. Существенным является исследование динамики выявленных процессов.

Несмотря на разнообразие возможностей применения радиофизических методов при изучении свойств природных сред, вопрос дистанционного определения характеристик льда остается недостаточно изученным. Исследования естественного природного льда, проводимые контактными методами, оказываются достаточно сложными и дорогостоящими. Кроме того, статистическая обработка и анализ данных являются отдельным этапом обработки результатов измерений. При интерпретации получаемых радиометрических данных можно исходить из известных эмпирических соотношений между получаемым сигналом и типом льда. Однако поскольку параметры радиотеплового излучения льда в выбранном диапазоне частот связаны с его характеристиками рассеяния, знание этих характеристик и их связи с внутренним физическим строением льда позволяет более правильно и точно интерпретировать получаемые данные.

Морской лёд представляет собой весьма динамичную среду. При росте и разрушении льда условия на его поверхности и в толще постоянно меняются, что предопределяет разнообразие форм шероховатости, рельефа и внутренней структуры. Существенный вклад в это разнообразие вносят пространственно-временные вариации толщины и состояния снежного покрова. Становится ясно, что получение стабильных повторяющихся результатов в ходе полевого эксперимента невозможно из-за динамичности природного льда.

Одной из важных решаемых задач является создание моделей, которые бы удовлетворяли всем требованиям при восстановлении физических параметров природных сред. К сожалению, удовлетворить всем требованием, оказывается невозможно. Разработано много теоретических моделей решения проблем микроволновой диагностики, поскольку нет универсальных способов решения общих задач. Каждый раз рассматривается своя конкретная задача из-за разнообразия электрических характеристик исследуемых объектов. Это обстоятельство даёт возможность использовать самый широкий арсенал методов и средств для изучения разнообразных процессов. Вышеизложенное положение свидетельствует об актуальности постановки и решения задач диссертационной работы.

В диссертационной работе экспериментально исследованы характеристики рассеяния моделей природных сред и возможные подходы к определению физических свойств по данным микроволновых измерений, что повышает достоверность дешифрирования и интерпретации данных, получаемых методами дистанционного зондирования.

Целью диссертационной работы является обоснование, разработка и практическая реализация экспериментального метода восстановления физических свойств морского льда на основе данных дистанционного радиометрического зондирования.

В соответствии с поставленной целью необходимо:

1. Провести анализ существующих методов оценки и восстановления геофизических параметров природных сред.

2. Разработать методы устранения основных помеховых факторов в процессе измерения индикатрисы рассеяния и эффективной площади рассеяния моделей морского льда.

3. Провести экспериментальные исследования индикатрисы рассеяния и определить эффективные площади рассеяния для сред с различными характеристиками.

4. Исследовать возможные подходы к определению физических свойств по данным микроволновых измерений.

5. Получить соответствующую физическую интерпретацию данных дистанционного зондирования.

Методической основой диссертации являются теоретические и экспериментальные труды по проблемам исследования и восстановления физических свойств природных сред в связи с дешифрированием и интерпретацией данных микроволновых измерений в частности эксперимент «CEAREX» (Drift station 7).

Научная новизна результатов диссертационной работы.

1. Разработан метод исследования характеристик морского льда на моделях с использованием эффекта Доплера.

2. Детально проанализировано влияние рассеяния на интенсивность радиоизлучения применительно к дальнейшей корректной интерпретации данных микроволнового зондирования.

3. Разработана методика разделения обратного излучения, связанного с рассеянием и зеркальным отражением.

Практическая значимость работы.

Разработаны методы уменьшения влияния зеркального отражения электромагнитной волны, которые позволяют осуществлять высокоточное исследование характеристик рассеяния.

Разработана методика исследования характеристик рассеяния моделей на основе эффекта Доплера, которая позволяет повысить точность измерений характеристик этих моделей на фоне мешающих объектов. ¦ Проведён анализ влияния рассеяния на интенсивность радиоизлучения, который обеспечивает повышение точности определения связи радиояркостной температуры с эффектом рассеяния электромагнитных волн.

Структура работы.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературных источников, приложений, изложенных на 97 страницах основного текста. Работа иллюстрирована 40 рисунками и 7 таблицами.

Во введении приведен обзор литературы, исторические этапы развития и общие вопросы дистанционного зондирования. Рассмотрены достигнутые к настоящему времени уровень развития методов дистанционного исследования природных сред и областей их применений.

В первой главе рассматриваются основные алгоритмы оценки геофизических параметров. Описаны только те алгоритмы восстановления физических свойств морского льда, которые опираются на теорию переноса излучения.

Вторая глава содержит основные соотношения радиометрических величин, природу и характеристики теплового радиоизлучения, влияние рассеяния в средах на интенсивности радиоизлучения и основное положение теории переноса излучения.

В третьей главе рассматриваются основные методики измерения индикатрисы рассеяния и эффективной площади рассеяния на экспериментальных устройствах различного типа. Описываются электронные блоки измерительной установки, методы теоретического расчёта эффективной площади рассеяния, калибровка измерительной установки, исследование поля в зоне измерения и методика проведения исследования.

Четвёртая глава представляет собой краткий обзор структуры морского льда, выбор и подготовку модели морского льда, исследование, результаты и их обсуждение.

Глава пятая посвящена экспериментальному исследованию модельного образца и льда на полигоне кафедры радиофизики. Проведен сравнительный анализ результатов.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Метод микроволнового экспериментального исследования характеристик природных сред на основе моделей, характеристики которых имитируют характеристики реальных сред. Использование эффекта Доплера.

16 позволяет избавиться от мешающих факторов в процессе проведения эксперимента.

2. Метод измерения эффективной площади рассеяния с учётом устранения зеркального отражения. Выявлена тенденция изменения уровня рассеянного поля при изменении количеств неоднородностей и числа слоев модели многолетнего льда.

3. Возможность исследование характеристики природных сред в стабильных и контролируемых лабораторных условиях.

Вывод.

Из графиков можно сделать вывод о том, что рассеяние вызывает уменьшение яркостной температуры, как свидетельствует рис. 5.3. Если эти результаты сравнить с лабораторными результатами, то для одного слоя образца изменение яркостной температуры (таблица 4.6) равно 2,5К. Из рисунка 5.3 видно, что эти значения в среднем совпадает с результатами эксперимента. Расхождение может быть объяснено как следствие выхода части луча антенны за пределы площади образца из-за недостаточного большого размера оргстекла. Для льда (рис. 5.4) прямое сравнение отсутствует, так как полученный образец льда имел неровную поверхность, различную толщину в различных своих участкахв отдельных местах подо льдом был слой воды, а где-то слой льда достигал дна бассейна. Таким образом, с одной стороны, сравнение со слоем оргстекла постоянной толщины, находившемся на поверхности воды, не представляется целесообразным. С другой стороны следует отметить удобство и преимущества работы с моделями льда (необходимая конфигурация, стабильность характеристик) по сравнение с натуральным льдом.