Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Статистическое моделирование процесса распространения узкого нестационарного пучка света в океане

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Захаров, Алексей Константинович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. МОДЫ МОНТЕ-КАРЛО В РАСЧЕТАХ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УЗКОГО ПУЧКА СВЕТА В МОРЕ

Глава 2. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА. МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УЗКОГО НЕСТАЦИОНАРНОГО ПУЧКА СВЕТА В МОРЕ.

2.1 Анализ причин снижения эффективности алгоритма А

2.2 Модернизированный алгоритм расчета

2.3 Сравнение с физическим моделированием и с А

2.4 Расчет хар&щщзд|ж импульса обратного рассеяния от толщи однородной морской воды.

2.5 Выводы.

Глава 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕНОСА СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ В ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ЗОНЕ УЗКОГО НЕСТАЦИОНАРНОГО ПУЧКА.

3.1 Постановка задачи. Диапазон изменения параметров

3.2 Зависимость яркости нестационарного пучка света от геометрии системы источник-приемник.

3.3 Соотношение нерассеянной, однократно рассеянной и многократно рассеянной компонент

3.4 Область больших оптических глубин. Размытие импульса. Сравнение с экспериментом.

3.5 Краткие выводы.

Глава 4. ВЛИЯНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОРСКОЙ ВОДЫ НА СТРУКТУРУ УЗКОГО НЕСТАЦИОНАРНОГО ПУЧКА СВЕТА.

4.1 0 влиянии слоя повышенной мутности в океане на структуру узкого нестационарного пучка света

4.2 Закономерности переноса световой энергии в геометрической зоне нестационарного пучка света для различных по оптическим свойствам океанских вод

4.3 Инженерная формула расчета ослабления пиковой мощности в геометрической зоне нестационарного пучка света.

4.4 Краткие выводы.

Введение Диссертация по географии, на тему "Статистическое моделирование процесса распространения узкого нестационарного пучка света в океане"

В связи с интенсивным развитием лазерных методов исследований Мирового океана особую важность приобретает задача изучения пространственно-временных характеристик нестационарного светового поля узконаправленного источника в морской воде. Знание структуры узкого пучка света в море необходимо при создании систем подводного видения, фотографирования и т.д.

Основными достоинствами систем лазерного зондирования океана являются высокая оперативность, высокое пространственное разрешение, способность светового излучения проникать через границу раздела вода-воздух. Одной из существенных сложностей применения таких систем является трудность интерпретации получаемых данных,: поэтому возникает необходимость разработки математической модели процесса переноса узкого нестационарного пучка света в морской воде. Однако создание такой модели связано с большими сложностями, т.к. требует решения нестационарного уравнения переноса излучения [I] .

Методы решения этого уравнения принято делить на аналитические и численные, хотя такое деление весьма условно, т.к. в большинстве практически важных случаев для получения количественного результата из формально записанного аналитического решения требуется проделать большой объем вычислительной работы [2] .

Разработанные в последнее время приближенные аналитические методы решения уравнения переноса для случая узконаправленного точечного источника позволяют получить результат в пригодном для практического использования виде лишь при существенном упрощении задачи, либо для некоторых предельных случаев [3] , при этом, как правило, остается невыясненным вопрос о границах применимости принятых допущений и не всегда удается однозначно определить входящие в решение параметры.

Из численных методов решения уравнения переноса излучения для случая узконаправленного источника наибольшее развитие получил метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) [4], большим достоинством которого является возможность учесть практически все существенные геометрические и физические особенности задачи. Эффективные алгоритмы расчета методом Монте-Карло характеристик узких пучков света в рассеивающих средах построены в [б]. С помощью этих алгоритмов удалось получить решение ряда важных задач оптики атмосферы и океана.

Важной особенностью гидрооптических задач является необходимость рассчитывать сигнал на больших оптических расстояниях от источника, что требует значительных затрат машинного времени, а, следовательно, резко повышаются требования к эффективности алгоритмов расчета. Вместе с тем данные о структуре пучка на больших оптических глубинах особенно важны, т.к. их сложно получить в натурном эксперименте из-за большого ослабления пучка и высоких требований к точности юстировки системы источник-приемник.

Высокая эффективность алгоритмов необходима также и в задаче расчета характеристик импульса, отраженного толщей морской воды. В этом случае фотоны испускаются по направлению от источника, а в силу большой анизотропии рассеяния в морской воде вероятность поворота фотона назад, в сторону приемника мала, а значит требуется набрать большую статистику траекторий для получения результатов с приемлемой точностью. Вместе с тем данные о сигнале обратного рассеяния при облучении среды импульсным узконаправленным источником света необходимы для интерпретации ре-зультатоц лазерного зондирования океана.

Применение метода Монте-Карло оказывается весьма эффективным также и в задачах, где требуется менять заданным образом свойства среды, например, в задаче о влиянии оптических свойств морской воды (в широком диапазоне их изменения, с учет.ом наличия слоя повышенной мутности ) на структуру узкого нестационарного пучка света.

В первой главе настоящей работы рассмотрены алгоритмы расчета по методу Монте-Карло пространственно-временных характеристик нестационарного светового поля от узконаправленного источника в океане. Проанализированы имеющиеся в литературе данные о структуре узкого пучка света в морской воде и сформулированы основные задачи работы.

Во второй главе разработан новый высокоэффективный алгоритм расчета методом Монте-Карло характеристик узкого нестационарного пучка света в океане. В первом параграфе на числовом примере проанализированы причины снижения эффективности наиболее распространенного из известных ранее алгоритма расчета. Во втором параграфе строится модернизированный алгоритм расчета. В третьем параграфе проводится сравнение эффективности модернизированного алгоритма и исходного, а также сравнение с физическим моделированием. В четвертом параграфе с помощью нового алгоритма проводится расчет сигнала обратного рассеяния от толщи однородной морской воды при облучении ее мгновенным световым импульсом от узконаправленного источника. На основании полученных данных оцениваются методические погрешности лидара, предназначенного для измерения показателя поглощения света морской водой, и даются способы их уменьшения.

В третьей главе рассмотрены закономерности переноса световой энергии в геометрической зоне узкого нестационарного пучка до предельных глубин. В первом параграфе рассматривается постановка задачи и обосновывается диапазон изменения исходных параметров. Во втором параграфе изучается зависимость регистрщуе-мого приемником сигнала от исходной расходимости пучка и угла поля зрения приемника. В третьем параграфе изучается изменение с глубиной соотношения между нерассеянной, однократно рассеянной и многократно рассеянной компонентами для средних океанских вод. Устанавливаются границы применимости закона Бугера в сочетании с законом обратных квдцратов. В четвертом параграфе рассматривается область больших оптических толщин, где доминирует многократно рассеянное излучение. Приводятся результаты расчетов размытия &-импульса. Проводится сравнение с экспериментом.

Б о о четвертой главе изучается влияние оптических свойств морской воды на структуру узкого нестационарного пучка света. В первом параграфе рассматривается влияние слоя повышенной мутности на ослабление пиковой мощности и размытие пучка, распространяющегося в толщу океанской воды. Во втором параграфе приводятся результаты и анализ расчетов сигнала, принимаемого приемником в геометрической зоне пучка, для различных по оптическим свойствам морских вод. В третьем параграфе предлагается малопараметрическая приближенная формула расчета ослабления пиковой мощности светового излучения в геометрической зоне узкого нестационарного пучка в различных по оптическим свойствам морских водах и оцениваются ее погрешности.

Сформулируем основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработан высокоэффективный алгоритм расчета методом Монте-Карло пространственно-временных характеристик узкого нестационарного пучка света в океанской воде.

2. Впервые для широкого диапазона изменения оптических свойств морской воды и для практически важного диапазона изменения углов поля зрения приемника исследованы методом Монте-Карло характеристики импульса обратного рассеяния при облучении среды мгновенным узконаправленным источником света в диапазоне изменения локационного времени, когда приближение однократного рассеяния уже не применимо, а асимптотический режим еще не наступил. Оценены методические погрешности лидара, предназначенного для измерения показателя поглощения света морской водой.

3. Впервые количественно исследован процесс распространения световой энергии в геометрической зоне нестационарного узкого пучка в океане вплоть до предельных глубин. Установлены границы применимости закона Бугера в сочетании с законом обратных квадратов. Изучено влияние геометрии системы источник-приемник,. временных характеристик аппаратуры, рассеивающих свойств морской воды.

4. Впервые для нестационарного светового пучка, распространяющегося в толщу морской воды, проведены количественные оценки влияния слоя повышенной мутности на ослабление пиковой яркости и размытие.

5, Впервые исследовано влияние первичных гидрооптических характеристик океанской воды, практически во всем диапазоне их изменения для сине-зеленой части спектра, на ослабление пиковой мощности и временное затягивание сигнала на приемнике, расположенном в геометрической зоне узкого нестационарного пучка света.

Работа выполнена в Лаборатории прикладной гидрооптики Института океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Захаров, Алексей Константинович

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на УН Пленуме рабочей группы по оптике океана Коммисии АН СССР по проблемам мирового океана (Таллин 1980) У Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва 1981 ), на коллоквиумах Лаборатории прикладной гидрооптики Института океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР и Отдела экспериментальной и космической океанологи И0 АН СССР, а также опубликованы в ряде работ автора [68 - 73] .

Пользуясь случаем, выражаю искреннюю благодарность научному руководителю, доктору технических наук Б.Ф. Кельбалиха-нову и кандидату физико-математических наук Ю.А. Гольдину за внимание к работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по географии, кандидата физико-математических наук, Захаров, Алексей Константинович, Москва

1. Шифрин К. С. Опт яка океана. - В кн.: Физика океана./ Гидрофизика океана. - В кн.: Океанология. М.: Наука, 1978, т.1.

2. Васильков А.П., Долин Л.С., Монин A.C. Уравнение переноса излучения и основные методы его решения. В кн.: Оптика океана. T.I. Физическая оптика океана. М.: Наука, 1983, с. 55-95.

3. Гольдин Ю.А., Долин Л.С., Пелевин В.Н. Световое поле от искусственных источников света в океане. Там же, с. 307342.

4. Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) . / Бусленко Н.П., Голенко Д. И., Соболь И.М. и др. М.: Физматгиз, Г962.

5. Метод Монте-Карло в атмосферной опт же. / Марчук Г. И., Михайлов Г.А., Дарбинян Р.А., Каргин Б.А., Назаралиев М.А., Елепов Б.С. Новосибирск: Наука, 1976. - 283 с.

6. ГОСТ 19210-73 Гидрооптические характеристики: Термины и определения. М.: Госкомстандарт СССР, 1974. - 10 с.

7. Креков Г.М., Михайлов Г.А., Каргин Б.А. Об алгоритмах метода Монте-Карло для решения задач теории распространения узких пучков света. I. Изв. вузов. Физика, 1968, М,с. II0-II5; II. №5, с. 54-59.

8. Зеге Э.П., Иванов А.П., Каргин Б.А., Кацев И.Л. Определение показателей ослабления и рассеяния водной среды и атмосферы по временному размытию отраженного импульсного сигнала. -Изв. АН СССР. ФАО, 1971, т.7, №, с. 750-757.

9. Голубицкий Б.М., Танташев М.В. Расчет методом Монте-Карло характеристик светового поля узкого пучка в мутной среде. -Изв. АН СССР. ФАО, 1969, т.5, №, с.749.

10. Ю. Fu.nk С J. Multiple 4ca.tte.iioy Calculait о tid of ¿fig it Piopatja-iion in Ocean Watet-éppL 0pt4 19n,v.12, р.Ъ04-ЫЪ.

11. Золотухин В.Г., Ермаков G.M., Применение метода Монте-Карло для расчета защиты от ядерных излучений. В кн.: Вопросы физики защиты реакторов. М.: Госатомиздат, 1963, с. 171182.

12. Голубицкий Б.М., Жадько Т.М., Танташев М.В. О влиянии геометрических параметров лидара на применимость приближения однократного рассеяния. Изв. АН СССР. ФАО, 1972, т.8, ЖИ, с. 1226-1229.

13. Katod MM. Outfit В dilation of flu я ata Point êy ßotde-Cailo. tiud. ki Я Eng., W3, v.i6,p. HI-11?.

14. Михайлов Г.А. Некоторые вопросы теории методов Монте-Карло. Новосибирск: Наука, 1974, 142 с.

15. Голубицкий Б.М., Танташев М.В. О корректном использовании метода Монте-Карло при решении некоторых оптических задач переноса.- Изв. АН СССР. ФАО, 1973, т.9, №11, с.1213-1215.

16. Plan &Л, КаИашг Ô.W. Reflection of My fit Ри1ш fia m Clouds. éppl. Opt, Î9H, v. <o, H10.

17. Pool X.k. ,Veita6le Ъ.ЪЧ Campée It J. w. kmianatitic Mode-Саг to ladlatiise ïiœtufei model ofoz oceanogiapAic tidau.

18. Ofitetm dppl. Opt4 vJO, 19S1, M 20, p. 365}-me.20. (joidon H.R. yrrteipzetaiion of aitbotne oceanic licLaieffet ti of nnu Hip le it a tie tiny , jfpp i. Opt. t 19è2 { v- If H16, p. £996-300/.

19. Гурфинк A.M., Каргин Б.А. Исследование раоплывания i-импульса от узконаправленного источника излучения в море. В кн.: Оптика океана и атмосферы. Л.: Наука, 1972, с.62-70.

20. Утенков Б.И., Кононов A.A., Форш H.H. Пространственно-угловая структура ограниченного светового пучка в водной среде.-S. приклада, спектроскопии, т.ХХХУ, вып.1, июль IS8I,с. 176 178.

21. Гурфинк A.M. Расчет временной структуры сигнала, приходящего на приемник малой угловой апертуры, расположенный в произвольной точке среды. В кн.: Световые поля в океане. М.: ИО АН СССР, 1979, с. 115 165.

22. Пелевин В.Н., Гурфинк A.M., Гольдин Ю.А. Влияние формы индикатрисы рассеяния воды на нестационарное световое полев море. Изв. АН СССР. Океанология, 1979, т.19, вып.2, с. 228 - 232.

23. Гурфинк A.M. О влиянии формы индикатрисы рассеяния морской воды на нестационарное световое поле. Изв. АН СССР. Океанология, 1979, т.19, вып.6, с. 969-972.

24. Голубицкий Б.М., Танташев М.В. Об ограничении дисперсии "локальных" оценок при решении задач переноса методом Монте-Карло. -Ж. вычисл. мат ем. и мат ем. физ., 1972, т. 12, М,с. 249 252.

25. Каргин Б.А. Некоторые вопросы решения нестационарных задач теории переноса узких пучков излучения методом Монте-Карло. В кн.: Вероятностные методы решения задач математической физики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1971, с. 123-155.

26. Cove у on R.R., Cain V.R., Yod К J. Adjoint and %poito nee iti Monte daito appUaííon.-MuctJd.l pM-234.

27. Марчук Г. И. Методы расчета ядерных реакторов.М.: Атомиздат, 1961, 666 с.

28. Михайлов Г.А. Об одном принципе оптимизации расчетов по методу Монте-Карло. Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 1968, т. 8, J&5, с. 1085-1093.

29. Михайлов Г.А. Использование приближенных решений сопряженной задачи для улучшения алгоритмов метода Монте-Карло. -Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 1969, т.9, №5, с.1145-II52.

30. Каргин Б.А., Михайлов Г.А. Исследование эффективности использования асимптотических решений в расчетах по методу Монте-Карло. -Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 1972, т. 12, $1,с.150-158.

31. Дэвидсон Б. Теория переноса нейтронов. М.: Атомиздат, I960, 520 с.

32. Зеге Э.Л.,. Иванов А.П., Кацев И. Л., Каргин Б. А., Михайлов Г.А. Световая дымка от ограниченного импульсного источника. Изв. АН СССР. ФАО, 1973, т.9, МО, с.1054-1062.

33. Джетыбаев Е.О. Об использовании преобразования Лапласа в расчетах по методу Монте-Карло. В кн.: Методы Монте-Карло в вычислительной математике и математической физике. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1979, ч.2, с.25-30.

34. Иванов А.П., Скрелин А.Л. Определение показателя ослабления водных и воздушных бассейнов по измерению нестационарного рассеяния света. Изв. АН СССР. ФАО, т.5, №12, с.1328.

35. Джетыбаев Е.О. К решению нестационарного уравнения переноса методом Монте-Карло. Препринт №346. Новосибирск, 1982,12 с. В надзаг. :ВЦ СО АН СССР.

36. Джетыбаев Е.О., Каргин Б. А. Применение статистического моделирования в задаче оптического зондирования системы атмосфера-океан. В кн.: Актуальные проблемы прикладной математики и математического моделирования. Новосибирск: Наука, 1982, с.83-91.

37. Гуреев Б.А. Использование интерференционных и выравнивающих фильтров в широкоугольных измерительных фотоэлектронных устройствах. Оптико-механич. промышленность, 1983, №10,с. 20 22.

38. Гольднн Ю.А. Лидары для океанологических исследований. -В кн.: Оптика океана. Т.2. Прикладная оптика океана. М.: Наука, с.200-215.

39. Долин Л.С., Савельев В.А. О характеристиках сигнала обратного рассеяния при импульсном облучении мутной среды узким направленным световым пучком. Изв. АН СССР. ФАО, 1971,т.7, №5, с.505-511.

40. Гольдин Ю.А., Пелевин В.Н., Шифрин К.С. Световое поле от импульсного источника в морской воде. В кн.: Оптика океана и атмосферы. М.: Наука, 1981, с.56-95.

41. Венцкут Ю.И., Гольдин Ю.А., Гуреев Б.А. Исследование влияния стратификации среды на структуру узкого нестационарного пучка света. В кн.: Оптика моря и атмосферы. Тезисы докладов. Л.: 1984, с.129.

42. Долин Л.С. Автомодельная теория многократного малоуглового рассеяния света и ее уточнение. Изв. АН СССР. ©10, 1982, т. 18, №8, с.840-849.

43. Ремизович B.C., Рогозкин Д.Б., Рязанов М.И. Распространение импульсного светового сигнала в мутной среде. Изв. АН СССР. ФАО, 1983, т.19, МО, с. I053-I06I.

44. Савенков В.И., Мельников Г.А. О решении интегрального уравнения переноса применительно к световым полям в водных средах, создаваемым искусственными источниками. В кн.: Световые поля в океане. М.: ИО АН СССР, 1979, с. 98-109.

45. Иванов А.П. Физические основы гидрооптики. Минск.: Наука и техника, 1975, 503 с.

46. Будак В.П., Мельников Г.А., Савенков В.И. Метод приближений квазикратных рассеяний. В кн.: Оптика моря и атмосферы. Тезисы докладов. Л., 1984, с.117-118.

47. Ващенко C.B., Гольдин Ю.А. Исследование пространственно-временного распределения облученности от узконаправленного источника света а океане. Там же, с.127-128.

48. Копелевич О.В. Оптические свойства океанской воды. Автореферат дисс. докт. ф.-м. н. - М.: КО АН СССР, 1981 - 39 с.

49. Долин Л.С., Савельев В.А. О структуре узкого пучка света в стратифицированной среде. В кн.: Оптика моря. М. Наука, 1983, с.123-128.

50. Вортман М.И., Гольдин, Ю.А., Гуреев Б. А., Кельбалиханов Б.Ф. Судовой лддар для измерения оптических характеристик морской воды. В.кн.: Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов. Тезисы докладов. - Таллин, 1980,с.276-279.

51. Левин И.М. Мощность рассеянного назад излучения при дистанционном зондировании толщи морской воды узким световым пучком. В кн. : Оптика моря и атмосферы. JI., 1984, с. 133-134.

52. Решение прямых и некоторых обратных задач атмосферной оптики методом Монте-Карло. /Марчук Г. И., Михайлов Г. А., Назаралиев М. А., Дарбинян Р. А. Новосибирск.: Наука, 1968, 100с.

53. Джетыбаев Е.О. Сравнение методов моделирования длины свободного пробега при использовании локальной оценки,- Препринт № 835 Новосибирск, 1981, 21 с. - В надзаг.: ВЦ СО АН СССР.

54. Fiaty ÎK., Hoffman 7.7. bounded Ftua-ai-a Point Bitwcrton <(ог Mutihjwup Ж Compuiei Codai-Mutt, ici Я Eng., №9, v, 40, Ш, p.M-<Q.

55. Копелевич O.B., Буренков В.И. О нефелометрическом методеопределения общего показателя рассеяния света морской водой. Изв. АН СССР. ФАО, 1971, т.7, №12, с.1280-1289.

56. Долин Л.С. О распространении узкого пучка света в среде с сильно анизотропным рассеянием. Изв. вузов. Радиофизика, 1966, т.II, №1, с. 61-71.

57. Шифрин К.С., Айвазян Г.М. Влияние индикатрисы рассеяния на прозрачность. ДАН СССР, 1964, т. 154, М, с.824-826.

58. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосферы (в условиях помех) . М. : Сов. радио, 1977, 368 с.

59. Креков Г.М. Распространение пространственно-ограниченных пучков света в рассеивающей и поглощающей среде со сферической геометрией. Изв. вузов. Физика, 1969, №3, с.7.

60. Копелевич О.В. Экспериментальные данные об оптических свойствах морской воды. В кн.: Оптика океана. T.I. Физическая оптика океана. М. : Наука, 1983, с. 166-208.

61. Гольдин 10.А., Пелевин В.Н. Об учете временных характеристик аппаратуры при экспериментальных исследованиях нестационарных световых полей. В кн. : Световые поля в океане. М. : И0 АН СССР, 1979, с.166-168.

62. Левин И.М. Вертикальная дальность видимости в стратифицированном океане. В кн.: Оптика моря и атмосферы. Тезисы докладов. Л. 1984, с. 163-164.

63. Копелевич О.В., Маштаков 10.Л., Павлов В.М., Очаковский Х).Е. Светорассеивающие свойства морской воды в различных районах. В кн.: Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах. М.: Наука, 1974, с. II3-II6.

64. Захаров А.К., Гольдин 10.А., Кельбалиханов Б.Ф. Расчет методом Монте-Карло отражения лазерного импульса толщей однородной морской воды. В кн.: Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов. Таллин, 1980, с. 140 - 142.

65. Захаров А.К. Замечание к алгоритму расчета методом Монте-Карло нестационарного светового поля от узконаправленного источника. TL вычисл. матем. и мат ем. шиз., 1984, т. 24, №2, с. 314 - 316.

66. Захаров А.К., Гольдин Ю.А. Об учете рассеяния при измерении методом лазерного зондирования показателя поглощения света морской водой. Изв. АН СССР. ФА0, 1984, т.20, №, с. 661664.

67. Гольдин Ю.А., Захаров А.К. Расчет структуры узкого нестационарного пучка света в море до больших глубин. В кн.:: Оптика моря и атмосферы. Л., 1984, с. 133-134.

68. Захаров А.К. Статистическое моделирование процесса распространения короткого светового импульса от узконаправленногоисточника в морской воде. В кн.: Теоретические и прикладные вопросы светотехники. М.: МЭИ, 1984, с. 38 - 45.