ВЛИЯНИЕ НИСХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА РАДИОТЕПЛОВЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ И КОНТРАСТЫ ЗЕМНЫХ
реклама
На правах рукописи ГОЛУНОВ Валерий Алексеевич ВЛИЯНИЕ НИСХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА РАДИОТЕПЛОВЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ И КОНТРАСТЫ ЗЕМНЫХ ПОКРОВОВ В ДИАПАЗОНЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН Специальность 01.04.03 - радиофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Фрязино – 2010 -1- Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук ИНСТИТУТЕ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ им. В. А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал. Научный руководитель: Соколов Андрей Владимирович доктор технических наук, профессор Официальные оппоненты: Чухланцев Александр Алексеевич доктор физико-математических наук Тихонов Василий Владимирович кандидат физико-математических наук Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН (Нижний Новгород) Защита диссертации состоится «15» октября 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 В.А.Котельникова РАН. ознакомиться в библиотеке ИРЭ им Автореферат разослан « 14 » сентября 2010 г. Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук А. А. Потапов -2- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Основой радиотеплолокации (или пассивной радиолокации) является прием крайне слабого теплового излучения окружающей среды. К настоящему времени сформировались следующие применения средств радиотеплолокации: основные дистанционный области 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 атмосферы интенсивность ее изменчивости нисходящего метеопараметров 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. 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 реальном 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 -3- 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) составляющей. температуры Разработка новых излучения и ее атмосферной 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 радиотепловых 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 -4- 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 полученного ошибки в работе приближения точного Релея-Джинса аналитического на основе 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; получены теоретические и экспериментальные количественные оценки устойчивости радиотепловых контрастов относительно вариаций -5- 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 ГГц (длина волны 3 мм) метод поляризационного пассивного радиовидения; -6- 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; впервые определены точные ошибки яркостной температуры нагретых нечерных тел в диапазоне ММ волн, рассчитанной в приближении РелеяДжинса. 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 -7- 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 прочитана лекция на 4-ой Всесоюзной школе по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере (Н. Новгород, 1991). -8- 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 «Наука», 1 препринт, 29 трудов и тезисов докладов отечественных и международных конференций, 5 авторских свидетельств. Список основных работ, опубликованных по 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 æ 0, 05 ) поправки могут составлять от 2 К на длине волны 3 мм до 6 К на 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 покровов, эта группа включает в себя природные факторы, относящиеся только к атмосфере: интегральное содержание водяного пара, облачность и -9- 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 Тп и угловой яркостный спектр Ta (0 ) нисходящего излучения атмосферы, в виде: T æ Tп R Ta* , где æ – коэффициент излучения, а R cos 1 g , cos d 0 0 0 2 - интегральный коэффициент (альбедо) отражения покрова ( æ R 1), Ta* g , T cos d * а 0 0 0 0 , 2 g * , 0 g , 0 cos 0 sec R , g (, 0 ) - индикатриса рассеяния покрова, ( , ) , 0 0 (0 , 0 ) - соответственно углы приема и падения излучения относительно нормали к поверхности покрова. В дальнейшем нормированная величина g*(,) будет называться формой индикатрисы рассеяния, а величина Т а () - температурой подсвечивающего излучения атмосферы. Показано, что в интервале угла приема 50...550 величина Т а 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 qк контраста Т к между находящимися в термодинамическом равновесии с - 10 - приземным слоем атмосферы произвольно выбранным к-ым покровом и черным телом (ЧТ), - в виде: Tkmin (T0 Tak )min qk , Tkmax (T0 Tak )max где Т0 - термодинамическая температура приземного слоя атмосферы, (T0 Tak ) min и (T0 Tak ) max - соответственно статистически минимальное и статистически максимальное значения, определяемые в соответствии с заданной вероятностью того, что текущие значения разности (T0 Tak ) находятся внутри интервала [(T0 Tak ) min , (T0 Tak ) max ] . Величина qк характеризует изменение не только контраста к-ого покрова относительно ЧТ, но и всех контрастов между покровами с одинаковыми Ta или однотипными формами индикатрис рассеяния. Кроме того, установлено, что относительные (нормированные) контрасты покровов, имеющих равные значения Т а или однотипные индикатрисы рассеяния, инвариантны 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 отношения сигнал/шум при этом численно равно коэффициенту устойчивости покровов. Показано, что коэффициент устойчивости плоских поверхностей к вариациям яркости определяется длиной волны, облачной термодинамической атмосферы температурой и водозапасом облаков и, практически, не зависит от полного влагосодержания атмосферы. - 11 - В главе 3 описываются измерительные комплексы и методики, с помощью которых выполнены экспериментальные исследования излучательных 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 а атмосферы, эта предельная температура излучения определяется, главным образом, предельным значением R 0 альбедо отражения. В таблице приведены экспериментальные Толщина эффективно излучающего слоя снега ([м]) при характерных размерах снежных кристаллов d. λ, мм вид снега свежевыпавший мелкозернистый среднезернистый крупнозернистый d < 1 мм d = 1...2 мм d = 2...5 мм 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 - 12 - оценки толщины эффективно излучающего слоя снега с различной структурой на длинах волн 2,15; 3,2 и 8 мм, определенной из уравнения: R(h e )= 0,9 R0, где R0 – альбедо отражения полубесконечного слоя. Установлено, что спектры R0(1/λ) самосформировавшегося снежного покрова в диапазоне ММ волн существенно определяются структурой снега, причем в случае крупнозернистого снега R0 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 700. Анализируются экспериментальные данные по 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 λ = 8 мм в 3 – 4 раза выше, чем при λ = 2,15 мм и λ = 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. На 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 - 13 - полному исчезновению (с точностью не хуже 1 – 2 К) радиотепловых контрастов, при этом на λ = 2,15 мм контрасты исчезают при интенсивности дождя I 5 мм/ч, а на λ = 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, при котором яркостная температура атмосферы численно равна температуре ее излучения, подсвечивающего исследуемый покров. В результате реализации разработанного способа измерена температура Т а* 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 поляризационного пассивного физического радиовидения обоснования следует, что метода разностно- поляризационные изображения содержат информацию о диэлектрических свойствах и геометрических особенностях поверхности объекта. Экспериментально показано, что, например, только поляризационное радиотепловидение позволяет обнаруживать асфальто-бетонную дорогу при угле приема 750 как в летних, так и в зимних условиях. В качестве подтверждения этого на рис. 2 – 3 показаны фотографии (а), радиоизображения при горизонтальной (б) и вертикальной (в) поляризациях - 14 - 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 λ = 3мм существенно снижается только в условиях мощной сплошной облачности ( с водозапасом не меньше 2,5 кг м-2), и, особенно, в дождях. В результате выполненного теоретического и экспериментального изучения возможностей тепловидения в диапазонах ММ и ИК волн установлено, что на ММ волнах яркостная структура собственного излучения различных тел формируется, главным образом, за счет структурных - 15 - контрастов их коэффициента излучения (отражения). В диапазоне ИК волн на яркостную 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 яркостную 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 æ исследуемых образцов основан на регистрации выходного напряжения радиометра и при последовательном приеме излучения исследуемого образца и двух эталонов с известными коэффициентами излучения æ1 и æ2, при этом эталоны и образец должны находиться во взаимном термодинамическом равновесии и иметь равные угловые размеры и Т а* атмосферы. Искомый коэффициент излучения определяют по формуле: æ æ 1 где и1, и2 u u1 æ 1 æ 2 , u1 u 2 – выходные напряжения радиометра, соответствующие интенсивностям излучения первого и второго эталонов. При одновременном приеме излучения на двух ортогональных поляризациях появляются возможности относительных измерений с - 16 - использованием только одного 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 Т а* , и определить параметр Pа uh ua æ h , uv u a æ v где индексы «h» 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 на 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 550; - осуществляется обнаружение и разделение излучения, соответствующего, с одной стороны, подстилающей фоновой поверхности (растительности, почвогрунтам, снежному покрову и т.п.), с другой стороны, ВПП и водным поверхностям. В качестве критерия используются следующие условия: 1) если - 17 - Ра >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 Δt > Δt0 (интервалу времени Δt0 соответствует пространственный масштаб от 100 м), вычисление средних значений <uv>,<Тv> и нахождение опорных максимальных значений <uv мах>,<Тv мах>; - 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 ( æv ,æh ), если отсутствует сухой снежный покров, либо по измеренным значениям параметра Ра при сухом снежном покрове. В качестве примера реализации методики разработан соответствующий алгоритм для λ = 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: 1. В целях количественного описания изменчивости контрастов, обусловленной вариациями яркости нисходящего излучения атмосферы, введена новая величина – коэффициент устойчивости q контрастов земных покровов относительно находящегося с ними в термодинамическом равновесии черного тела. - 18 - 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 θ ≈ 550 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 кучеводождевой облачности могут быть в 2...5 раз выше (в зависимости от длины волны), чем в случае плоских поверхностей; радиотепловые температурами контрасты земных подсвечивающего покровов излучения с равными 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 (q = 0), при этом на длине волны 2,15 мм - 19 - 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 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 λ = 8 мм она на порядок больше, чем на λ = 3 мм; на длине волны 3 мм толщина эффективно излучающего слоя сухого зернистого снега (характерные размеры снежных кристаллов d = 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 ≈ 550. 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 - 20 - 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 сред 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.А. Рассеяние и излучение миллиметровых радиоволн природными образованиями / Г.А. Андреев, В.А. Голунов, А.В. Соколов. // ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. - 1980. - Т. 20. - С. 3-106. 2. Голунов, В.А. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом / В.А. Голунов, В.А. Коротков, Е.В. Сухонин. // 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. А.В. Соколова. - М., Изд. «Радиотехника», 2003. – 508 с. 4. Голунов, В.А. Влияние атмосферы и шероховатости поверхности на радиометрические характеристики естественных покровов / В.А. Голунов, А.Ю. Зражевский, А.Г. Павельев // Радиотехника и электроника. – 1988. - №12. - С. 2544-2550. 5. Голунов, В.А. Тепловое излучение сухого однородного снежного покрова в диапазоне ММВ /В.А. Голунов // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. – 2002. - № 6. - С. 35-44. 6. Зражевский, А.Ю. Поляризационные радиотепловые портреты различных объектов в ММ диапазоне волн / А.Ю. Зражевский [и др.] // Изв. вузов. Радиофизика. – 2005. - Т.48, № 10 – 11. - С. 917-925. 7. Зражевский, A.Ю. Особенности и возможности поляризационного стереорадиовидения в ММ диапазоне волн / А.Ю. Зражевский [и др.] // Радиотехника. – 2006. - № 5. - С. 19-29. 8. Исследование вариаций радиояркостных характеристик окружающей среды в ММ диапазоне волн / В.А. Голунов // Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве: сб. науч. тр. / ИРЭ АН СССР - М., Наука, 1986. - С. 192-200. - 21 - 9. Голунов, В.А. Радиометрическое исследование диэлектрических свойств пресноводного льда в диапазоне ММ волн: препринт № 24 (499) / В.А. Голунов, В.А. Коротков. - М.: ИРЭ АН СССР, 1988. – 24 с. 10. Радиояркостные характеристики природных образований в ММ диапазоне волн / Г.А. Андреев, В.А. Голунов // III Всесоюзный симп. по ММ и СБММ волнам: тез. докл., 22-24 сент. 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. Голунов // XIII Всесоюзная конф по распр. р/волн: тез. докл., 22-24 сент. 1981 г. / ИПФ АН СССР – Горький, 1981. – Ч.2. С.199-202. 12. Вариации радиояркостных контрастов земных покровов на волнах 2 и 8 мм / Г. А. Андреев, В. А. Голунов // I Всес. шк.-симп. по распр. ММ и СБММ волн в атмосфере: труды, 10-17 февраля 1982 г. / ИРЭ АН СССР - Москва, 1983. - С. п61-п66. 13. Спектральные особенности излучения сухого снежного покрова / В. А. Голунов, В. А. Коротков // II Всес. шк.-симп. по распр. ММ и СБММ волн в атм.: труды, Фрунзе, Илим, 1986. - С. 91 - 94. 14. Результаты исследования эффектов объемного рассеяния ММ волн в случайных дискретных средах / В.А.Голунов // Х1 Всес. симп. по распростр. лазерного изл. в атм. и водных средах: тез. докл., Томск, 1991. – С.38. 15. Излучение пресноводного льда и снега в ММ диапазоне волн (лекция) / В. А. Голунов // IV Всес. школа по распр. ММ и СБММ 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 // Тhe 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. Голунов // Радиолокация и радиосвязь: труды XV Междунар. конф., 7-11 ноября 2007 г. / ИРЭ РАН – МЭИ -Москва-Фирсановка, 2007. - С. 168–184. 18. Идентификация бетонных и водных поверхностей методом пассивной локации в диапазоне ММ волн / В.А. Голунов // Радиолокация и радиосвязь: труды XVI Междунар. 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 10th Specialist Meeting on Microwave Radiometry and Remote Sensing for the ENVI: proceed., March 12–14, 2008. Florence, Italy, 2008. – P. 1 – 4. 20. А. с. № 1267865. Способ измерения излучательных характеристик естественных покровов/ В. А. Голунов (СССР), заявл. 19.10.84 г. 21. А. с. № 1363937. Способ измерения коэффициента излучения естественных покровов / В. А. Голунов (СССР), заявл. 22.11.85 г. 22. А. с. № 1417593. Способ измерения коэффициента излучения естественных покровов / В. А. Голунов (СССР), заявл. 06.05.86 г. 23. А. с. № 1394936. Способ измерения полного вертикального ослабления электромагнитных волн в атмосфере / В. А. Голунов, В. А.Коротков, А. В.Соколов, Е. В.Сухонин (СССР), заявл. 22.11.85 г. 24. А. с. № 1380456. Способ пассивной локации / В. А. Голунов, А. И. Кучерявенков, А. Г. Павельев, А. В. Соколов (СССР), заявл.27.05.85 г. - 22 -
