Введение к работе
- з -Актуальность работы. Теоретической основой исследования взаимодействия излучения с веществом в лучевом приближении является теория переноса. Общая теория электромагнитного поля содержится в уравнениях Максвелла, однако понятие светового поля не тождественно понятию электромагитного поля. Пользование оптическим приемником, характеризующимся квадрагичностью, конечностью размеров и постоянной времени, существенно превышающих длину и период световой волны, неизбежно порождает приближение лучевой оптики: волновое поле представляется совокупностью независимых лучей, по которым течет энергия излучения. Предметом теории при этом становится прослеживание всех возможных вариантов путей, по которым лучистая энергия приходит в точку поля, что приводит к формулировке уравнения переноса излучения (УПЮ.
Именно УПИ обеспечивает адекватное физической природе описание светового поля в среде при наличии процессов перепоглощения и переизлучения (плазма, люминофор) или рассеяния света (мутная среда). В этих случаях яркость луча существенно изменяется от точки к точке поля и теряет всякий смысл понятие яркости поверхности, и можно говорить о диффузнол свето&ол поле, а теория переноса излучения выступает как фотометрическая теория диффузного светового поля.
Настоящая диссертационная работа посвящена вопросам теории диффузного светового поля в мутной среде. Исследования в этой области в связи с запросами практики переживают интенсивное развитие:
Во-первых, прогресс оптико-электронной аппаратуры привел к созданию качественно новых систем генерации, приема и регистрации излучений, что стимулировало развитие новых устройств наблюдения, локации, передачи информации, обработки изображения. Оптимальная разработка такого рода устройств опирается на фотометрию мутных сред. Во-вторых, разработка дистанционных методов зондирования подстилающей поверхности, океана и атмосферного аэрозоля, близко связанных с использованием результатов полетов космических спутников, требует умения пересчитывать измеряемые характеристики излучения в интересующие параметры среды -т.е. знать закономерности распространения излучения в мутной среде. В-третъих, активное изучение динамики атмосферы и океана, построение долгосрочных прогнозов их изменения (погоды), опирающееся на баланс притоков и диссипации энергии, где решающая
роль принадлежит радиации, процесс трансформации которой
изучает теория переноса излучения.
Таким образом, развитие фотометрической теории диффузного светового поля может способствовать решению таких фундаментальных проблем, как освоение Космоса, Мирового океана, Охрана окружающей среды и т.д.
Сложность решения УПИ, как и любого интегрального уравнения, зависит от ядра, которое здесь определяется индикатрисой рассеяния света элементарным объемом среды. Точное решение УПИ для произвольной индикатрисы, по-видимому, невозможно, да и вряд ли необходимо. Отнюдь не обязательно отыскивать точное решение, а затем приводить его к виду, удобному для применения в прикладных задачах, поскольку приближенный метод может дать то же самое, но значительно быстрее и нагляднее.
Реальные среды распространения, будь то океан или атмосферный аэрозоль, имеют сильно анизотропное рассеяние. Перечисленные выше практические задачи стимулировали разработку группы приближенных методов решения УПИ применительно к мутным средам с анизотропным рассеянием, получивших общее название жиоугловые. Физически все эти приближения строятся на пренебрежении дисперсией путей рассеянных фотонов и обратным рассеянием, однако аналитические трудности привели к трем различным формам приближенного решения УПИ: диффузионное, малоугловое с сохранением вида интегрального члена уравнения и малоугловое с преобразованием его в интеграл свертки.
Наибольшие успехи достигнуты в третьей форме малоуглового приближения. Аналитические удобства интегрального уравнения типа свертки позволили решить весьма широкий класс прикладных задач. Однако подмена физического представления малости дисперсии путей и обратного рассеяния допущением об угловом распределении яркости, отличном от нуля только в области малых углов, где возможна замена интеграла по сфере на интеграл свертки по плоскости, касательной к этой сфере, одновременно загрубили решение, сделав его справедливым только для сильно анизотропного рассеяния, практически исключив применение к атмосфере и т.п.
По этим же причинам применение малоуглового приближения в третьей форме к векторному УПИ, описывающему перенос поляризованного излучения, позволило описывать лишь ослабление состояний поляризации падающего излучения. Более важным для решения задач дистанционного зондирования является учет процессов перехода мощ-
- 5 -ности излучения между состояниями поляризации. Именно эти процессы несут всю полноту информации о микрофизических параметрах среды.
Поэтому, несмотря на успехи в решении отдельных прикладных задач, на сегодня нельзя говорить о жиоугловой теории диффузного светового поля в лутной среде. Такая теория может быть построена на решении УПИ, которое обладает свойствами: в пренебрегает только, дисперсией путей рассеянных фотонов и
обратным рассеянием; о единый подход к решению задач при произвольных геометрии среды
и условиях ее освещения; справедливо как в скалярном, так и в векторном (учет поляризации) случаях, причем в последнем случае решение обязано описывать "генерацию" состояний поляризации средой; » все остальные формы малоуглового приближения должны следовать из него при дополнительных ограничениях.
Цели работы. Основной целью настоящей диссертационной работы является разработка тлоугловой теории диффузного светового поля в мутной среде. Для этого в работе рассматриваются следующие задачи:
-
Исследование архитектуры краевых задач фотометрии мутных сред и определение фундаментальных, через решение которых в виде композиции выражается решение задач в произвольной геометрии;
-
Анализ существующих форм малоуглового приближения, определение сложностей в построении общей формы малоуглового решения, пренебрегающего только дисперсией путей и обратным рассеянием;
-
Разработка общего малоуглового решения фундаментальных задач фотометрии мутных сред;
-
Оценка точности и границ применимости, как решения фундаментальных задач, так и их композиции;
-
Обобщения разработанного малоуглового подхода к решению векторного уравнения переноса излучения (ВУПИ) для описания полей поляризационных параметров в мутной среде;
-
Разработка методов решения прикладных задач фотометрии мутных сред: перенос оптического изображения в ОЭС наблюдения объектов в мутной среде и дистанционного зондирования подстилающей поверхности.
Научную новизну составляют результаты, полученные лично автором диссертационной работы:
-
Новое решение уравнение переноса излучения в мутных средах с анизотропным рассеянием - малоугловая модификация метода сферических гармоник (МСГ), пренебрегающая лишь дисперсией путей рассеянных фотонов и обратным рассеянием, являщаяся наиболее общей формой малоуглового приближения, причем другие известные формы следуют из него при дополнительных ограничениях;
-
Параболическая аппроксимация в МСГ, позволяющая учитывать дисперсию Путей раССеЯННЫХ фОГОНОВ В Приближении cosax1-a2/2\
-
Развитие МСГ для случая азимутальной зависимости световых полей, позволившее получить фундаментальные решения УПИ для случаев точечных мононаправленного и диффузного излучателей;
-
Связь различных форм малоуглового приближения и создание на базе МСГ единой малоугловой теории светового поля в мутных средах с анизотропным рассеянием;
-
Оценка точности и границ применимости малоугловых методов при расчетах световых полей в мутных средах с анизотропным рассеянием;
-
Архитектура краевых задач фотометрии мутных сред при произвольных геометрии среды и условиях освещения:
-
Архитектура краевых задач теории переноса изображения в ОЭС наблюдения объектов сквозь толщу мутной среды с учетом влияния случайно неровной границы раздела двух сред;
-
Обобщение МСГ на векторный случай переноса в среде с анизотропным рассеянием поляризованного излучения, описывающее, в отличие от известных решений, не только ослабление состояний поляризации, но и их взаимное преобразование;
-
Модель отражения поляризованного излучения от подстилающей поверхности, основанная на решении векторного УПИ для плоскопараллельного слоя мутной среды, ограниченного с одной стороны СНП, а с другой - диффузно отражающей подложкой.
Совокупность полученных результатов представляет собой научное обобщение малоугловых подходов к анализу световых полей в мутных средах, позволившее автору сформулировать фотометрическую теорию диффузного свтювого поля б лутнш средах с анизотропным рассеянием, методы которой позволяют конструировать и оптимизировать ОЭС, работающие в реальных мутных средах, будь то морская вода или атмосферный аэрозоль.
Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в следующем:
-
разработка алгоритма расчета переноса изображения в ОЭС наблюдения в мутных средах и его реализации на ЭВМ в виде автоматизированного рабочего места исследователя ОЭС по имитационному моделированию изображения в ней;
-
разработка простых и эффективных алгоритмов расчетов яркости и интегральных характеристик световых полей в реальных мутных средах с анизотропным рассеянием типа морская вода или аэрозоль;
-
создании эффективных численных алгоритмов энергетического расчета оптических систем, основанных на применении к ним методов теории переноса излучения, что позволяет включить учет дифракции Фраунгофера в лучевую схему;
-
разработке методов расчета параметров глубинного светового режима и определения направления на максимум тела яркости в переходном световом режиме;
-
создании малопараметрической модели отражения произвольно поляризованного излучения от подстилающей поверхности, допускающей обращение: определение параметров среды по характеристикам отраженного излучения, что позволило предложить новый метод зондирования мутных сред - метод многоугловой видеополяриме-трии.
Достоверность результатов проведенных в диссертации исследований определяется:
критической оценкой всех известных методов решения уравнения переноса излучения в мутных средах с анизотропным рассеянием;
строгим аналитическим анализом связи всех малоугловых форм решения УПИ и соблюдением принципа соответствия полученного решения с результатами других авторов;
сравнением расчетов световых полей в МСГ с их численными расчетами на ЭВМ по собственным алгоритмам и с результатами других авторов при широком варьировании оптических характеристик мутных сред;
сравнением расчетов световых полей по полученным в работе алгоритмам с результатами лабораторных и натурных экспериментов различных авторов;
экспериментальной проверкой алгоритмов расчета переноса изображения в ОЭС видения в мутных средах.
- 8 -Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались более чем на 40 всероссийских и международных конференциях и семинарах, среди которых: и (Ялта. 1982г.) и ш (Ленинград, 1987г.) Съезды советских океанологов, їх (Батуми, 1984г) и XI (Красноярск, 1990г.) Пленумы Рабочей группы по оптике океана Комиссии по проблемам Мирового океана АН СССР, III Всесоюзная школа по оптике рассеивающих сред (Минск, 1990г.), Международный семинар по светотехнике (Москва, 1992г.), International Symposium "Numerical Transport Theory" (Москва, 1992г.), VII European Lighting Conference lux eueopa (Edinburgh, 1993), Симпозиум "Прикладная оптика" (Санкт-Перербург, 1994г.), Oceanology International Conference "Pacific Rim" (Singapore, 1997), Международная конференция "Оптика в экологии" (Санкт-Перербург, 1997г.), international Conference "EnviroSence: Remote Sensing" (Munich, 1997)-
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 52 печатных работах. Под научным руководством автора защищены 3 диссертации на соискание степени кандидатов технических наук.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Работа изложена на 259 страницах, имеет 81 рисунок, общий объем, включая приложения и список используемых источников, 388 страниц. Список литературы включает в себя 444 наименования.
