Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование радиотеплового излучения морских льдов Арктики применительно к задаче дистанционной диагностики

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Даровских, Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. РАДИОТЕШЮВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ОДНОЛЕТНИХ МОРСКИХ льдов.ю

1.1. Электрические свойства однолетних морских льдов в СВЧ диапазоне (методика расчета).Ю

1.1.1. Морские льды с небольшим содержанием жидкой фазы.

1.1.2. Морские льды с большим содержанием жидкой фазы.

1.2. Основные соотношения для расчета радиояркостной температуры однолетних льдов

1.3. Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчетов.

1.3Л. Постановка экспериментальных исследований

1.3.2. Основные свойства коэффициента пропускания .3"?

1.3.3. Анализ яркостных температур.

1.3.4. Краткие выводы.

1.4. Особенности излучения начальных видов льда и яиласа.

1.5. О возможности определения эффективной температуры ледяного покрова.

1.6. Основные результаты.

2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОТЕШШВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МОРСКОГО ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА.

2.1. Основные характеристики бортового комплекса аппаратуры дистанционного зондирования.

2.2. Корреляционные характеристики теплового излучения дрейфующих льдов.

2.3. Выборочные спектры теплового излучения морского льда.

2.4. Распределения вероятности яркостных температур ледяного покрова.

2.5. Основные результаты.

3. МИКРОВОЛНОВАЯ ДИАГНОСТИКА ВОЗРАСТНОЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ МОРСКОГО ЛЬДА.

3.1. Априорная оценка возможности микроволновой диагностики морского льда

3.2. Построение байесовского классификатора.

3.3. Предварительная обработка измерений.

3.4. Применение байесовского классификатора в микроволновой диагностике возрастной характеристики морского льда.

3.5. Основные результаты.

Введение Диссертация по географии, на тему "Исследование радиотеплового излучения морских льдов Арктики применительно к задаче дистанционной диагностики"

Приоритет СССР в исследовании Земли с помощью СВЧ радиометрической аппаратуры, устанавливаемой на искусственных спутниках, признан во всем мире /I/. С запущенных в 1968 и 1970 гг. ЙСЗ "Космос-243" и "Космос-384" впервые в мире были произведены измерения теплового излучения атмосферы и поверхности Землий. С этого времени пассивные микроволновые методы зондирования получили значительное развитие и нашли широкое применение в разных областях науки и народного хозяйства : в океанологии /1-4/ для измерения температуры водной поверхности, скорости приводного ветра и т.д.; в спутниковой метеорологии /5,6/, в сельском хозяйстве /7/.

Достоинством использования СВЧ радиометрии для зондирования поверхности Земли является незначительное ослабление в атмосферных образованиях миллиметровых и сантиметровых волн вне линий поглощения водяного пара и кислорода. Это дает возможность определения физических характеристик подстилающей поверхности при любых погодных условиях в любое время года, что особенно важно для полярных районов.

Главным объектом исследований в полярных районах является снежно-ледяной покров как основной отличительный элемент арктических морей. Очевидно, что успешная интерпретация данных СВЧ зондирования снежно-ледяного покрова с самолета или ЖЗ невозможна без априорных знаний проотранственяо-врея Микроволновой радиометр, установленный в 1962 г. на космический корабль "Маггпет-2", предназначался для исследования собственного теплового излучения Венеры. менных характеристик собственного теплового излучения морского льда.

В условиях осуществления перехода к круглогодичной навигации, возрастаний требования к оперативности и качеству ледовой информации указанные обстоятельства определяют актуальность диссертационной работы.

К настоящему времени С.М.Рытовым и М.Л.Левиным создана единая теория теплового радиоизлучения /8/. Значительный вклад в теорию и практику исследований радиотеплового излучения морского льда внесли такие известные советские ученые как А.Е.Башаринов, В.В.Богородский, С.Т.Егоров, А.И.Козлов, Л.Т.Тучков, А.А.Курская, Ю.И.Рабинович, Е.М.Шульгина, а также большой ряд зарубежных исследователей. Аэрокосмические эксперименты, проведенные в 70-х годах, показали возможность использования СВЧ радиометрических средств для получения информации о сплоченности и границах ледяного покрова /2,9/. Обнаруженное в дальнейших исследованиях различие в коэффициентах излучения однолетних и многолетних дрейфующих льдов позволило распознавать их на микроволновых изображениях ледяного покрова /10-13/. В работе /14/ было высказано предположение, что экспериментально наблюдаемое уменьшение коэффициента излучения многолетнего льда по сравнению с однолетним вызвано отличием механизмов формирования теплового излучения. Исследования физико-химических свойств морских покровов показали, что верхний слой многолетнего льда в результате многократных летних таяний сильно опреснен и содержит большое количество воздушных включений, в то время как однолетние льды имеют значительное объемное влагосодержание и повышенную соленость /16,15/. Вследствие этого основную роль в формировании излучения многолетнего льда в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн играет рассеяние излучения на воздушных пузырьках, а однолетнего - поглощение /13,17-20/. В связи с тем, что рассеяние носит избирательный характер, спектральные измерения радиотеплового излучения многолетних льдов дают сведения о внутренней структуре льда /21/.

Как известно, толщина однолетних льдов может изменяться в очень широких пределах - от единиц сантиметров (нилас) до 2-х метров (толстый однолетний лед) /22/. Естественно, что для нужд надводной и подводной навигации, строительства ледяных аэродромов или иных инженерных сооружений на льду требуется более подробная диагностика толщины ледяного покрова. Отсюда очевидна необходимость детального исследования радиотеплового излучения однолетних льдов. Радио тепловое излучение морского льда рассматривалось в ряде работ /2,23-27/. Однако в большинстве случаев при дистанционном зондировании ледяного покрова отсутствовали синхронные контактные измерения его физико-химических характеристик. Вместе с тем организация одновременных контактных наземных измерений является одним из основных условий как для успешной интерпретации самолетных микроволновых измерений, так и для проведения теоретических расчетов, базирующихся на реальных данных.

Электрические свойства ледяного покрова, рельеф его верхней поверхности, толщина меняются в пространстве и во времени. Это позволяет рассматривать регистрируемые флуктуации теплового излучения морского льда при измерениях с самолета или других носителей как случайный процесс. Исследование теплового излучения статистическими методами имеет некоторые преимущества перед электродинамическим моделированием. Во-первых, для расчета ряда статистических характеристик корреляционных, спектральных) не требуется абсолютной калибровки СВЧ радиометрической аппаратуры; во-вторых, можно использовать для диагностики возрастных характеристик морского льда вероятностные методы теории распознавания.

В этой связи в настоящей работе поставлены следующие задачи:

- методом электродинамического моделирования исследовать свойства радиотеплового излучения однолетних льдов в зависимости от их толщины и заснеженноети;

- исследовать корреляционные функции и пространственные спектры яркостных температур ледяного покрова;

- получить эмпирические распределения яркостных температур основных видов морского льда в разные сезоны года;

- исследовать возможность микроволновой диагностики возрастной характеристики морского льда.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Эмпирические выражения для расчета показателя преломления и удельного ослабления льда по его температуре и солености в диапазоне длин волн 0,72.20 см, полученные на основе анализа экспериментальных значений электрических параметров однолетних морских льдов.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования радиотеплового излучения однолетнего морского льда, позволившие:

- оценить влияние снежного покрова на излучательные характеристики морского льда;

- установить связь между яркостной температурой на длинах волн 0,8.3,2 см и толщиной для ледяных полей с толщинами 70.220 см;

- выявить, что яркостная температура (X = 1,6 и 3,2 см) светлого ниласа в основном определяется его эффективными электрическими параметрами, в то время как Та начальных вил дов льда и темного ниласа главным образом зависит от их структуры, т.е. определяется внешними условиями во время ледообразования.

3. Результаты расчета статистических характеристик теплового излучения, анализ которых обнаружил:

- выраженную зависимость дисперсии яркостной температуры (Х = 1,6 см) от типа льда и отсутствие таковой для дисперсии радиационной температуры (X = 8. .14 мкм);

- положительную значимую корреляцию между яркостными температурами (Х= 1,6 см и Х= 3,2 см) и отрицательную значимую корреляцию между радиационной температурой (Х= 8.14 мкм) и яркостной температурой (Х= 1,6 см) у многолетних льдов и отсутствие таковой у однолетних льдов (уровень значимости Ы.= 0,05).

4. Неслучайный характер выделяемых гармонических составляющих выборочных пространственных спектров радиационных и яркостных температур фиксированных ледяных полей разного возраста.

5. Эмпирические распределения яркостных температур (X = = 1,6 см, "X = 3,2 см) морского льда разного возраста.

6. Возможность двухканальной (Х = 1»6 см и X = 3,2 см) диагностики основных типов морского льда в осенний и весенний периоды.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Даровских, Андрей Николаевич

ДАНИИ. Результаты работы вошли в пять отчетов по плановым темам и могут найти применение в таких организациях как ГосНИЦШР, ИКИ АН СССР, ИРЭ ДН СССР, ГГО им. Д.И.Воейкова.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по географии, кандидата физико-математических наук, Даровских, Андрей Николаевич, Ленинград

1. Staelin D.H., Eoserikranz P.W. High, resolution passive microwave satellites. Final report, 1978, Research, laboratory oj electronics Massachusetts institute of technology Cambridge, Massachusetts 02139.

2. Башаринов A.E., З^урвич А.С., Егоров С.Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М.: Наука, 1974.- 188 с.

3. Рабинович Ю.И., Мелентьев В.В. Влияние температуры и солености на излучение гладкой водной поверхности в сантиметровом диапазоне. Труды ГГО, 1970, вш 235, .с. 78-123.

4. Петренко Б.З. Статистический метод обработки СВЧ радиометрических измерений в эксперименте со спутниками "Кос-мос-1076" и "Космос-НоГ'. Препринт № 7 (361). ИРЭ АН СССР, М.: 1983.- 27 с.

5. Кондратьев К.Я. Метеорологическое зондирование подстилающей поверхности. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.- 247 с.

6. Кутуза Б.Г. Радиотепловое излучение облачной атмосферы. Автореф. диссерт. на соиск. ученой степени д-ра физ.-матем. наук (спец. 01.04.03 - Радиофизика, включая квантовую радиофизику), М., 1982.- 33 с.

7. URSI Commission International symposium on microwave signatures in remote sensing. Abstracts. Toulose, France, 1984.- 78 p.

8. Рытов C.M., Левин М.Л. Теория равновесных тепловых флуктуации в электродинамике. М.: Наука, 1967.- 308 с.

9. Рабинович Ю.И., Щукин Г.Г., Новоселов А.И. Применение радиотеплолокации в ледовой разведке. Тр. ГГО, 1970, вып.235, с. 67-71.

10. Campbell W.J., Gloersen P., Webster W.J», Wilheit Q?.T., Ramseier R.O. Beaufort Sea ice zones as delineated by microwave imagery. J. of Geophysical Research., vol. 81,N8 6, 1976, p. 1103-1110.

11. Gloersen P., Zwally H.J., Chang A.Т.О., Hall D.K., Campbell W.J., Ramseier P.O. Time dependence of sea-ice concentration and multiyear ice fraction in the Arctic basin.-Boundary-Layer Meteorology 13» 1978» p. 339-359.

12. Лощилов B.C. Использование микроволновых спутниковых измерений для картирования морских льдов. Труды ДАНИИ, 1975, т. 326, с. 21-23.

13. Никитин П.Д. Исследование возможностей определения характеристик морского ледяного покрова по спутниковым СВЧ радиометрическим измерениям. Диссерт. на соиск. ученой ■ степени канд. физ.-матем. наук (спец. 11.00.08 - Океанология), М., 1980.- 172 с.

14. Gloersen P., NordbergW., Schrugs T.J., Wilheit Т.Т., Campbell W.J. Microwave signatures of first-year and multi-year sea ice. J. of Geoph. Res., 1973, vol. 78, N1 18,p. 3564-3572.

15. Богородский B.B., Таврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии.■ Л.: Гидрометеоиздат, 1980.- 383 с.

16. Vant M.R., Ramseier R.O., Makios V. The complex-dielectric constant of sea ice at frequencies in the range 0.1-40 GHz. J. of Appl. Phys., 1978, v. 49, N1 3, p. 1264-1280.

17. Бреховских В.Л. Тепловое излучение случайно-неоднородных сред, имеющих слоистую структуру. Диссерт. на соиск. ученой степени канд. физ.-матем. наук (спец. 01.04.12 -Геофизика). М., 1982.

18. England А.НУ. Thermal microwave emission from a halfspace containing scatterers. Radio Science, 1974-, vol-r 9, Ш 4, p. 447-454.

19. England A.W. Thermal microwave emission from a scattering layer. J. of Geoph. Res., 1975, vol. 80, № 32,p. 4484-4496.

20. Tsang L., Kong J.A. The brightness temperature of a half space random medium with nonuniform temperature profile. Radio Science, 1975, vol-r 10, № 12, p. 1025-1033.

21. Башаринов A.E., Курская А.А. Влияние структуры льда на его радиационные характеристики в СВЧ диапазоне. Труды ААНИй, 1975, т. 326, с. 21-23.

22. Руководство по производству ледовой авиаразведки./ П;од ред. Н.А.Волкова. Л.: Гидоометеоиздат, 1981.- 240 с.

23. Богородский В.В., Козлов А.И., Тучков Л.Т. Радиотепловое излучение земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.224 с.

24. Башаринов А.Е., Курская А.А. Радиотепловые и радиолокационные наблюдения морских льдов различной толщины в СВЧ диапазоне. Тезисы докладов ХП Всесоюзн. конф. по распространению радиоволн, ч. П. - М.: Наука, 1978, с. 246-251.

25. Курская А.А., Федорова Л.В., Яковлева Г.Д. Тепловое излучение льда в сантиметровом дециметровом диапазонах. -Труды IT0, 1968, вып. 222, с. 54-61.

26. Рабинович Ю.И., Лощилов B.C., Шульгина Е.М. Анализрезультатов измерений характеристик ледяного покрова (Вариант С). В сб.: Советско-Американский эксперимент "Беринг". -JI.: Гидрометеоиздат, 1975, с. 294-313.

27. Никитин П.А. О микроволновом излучении морского льда. Труда ААНШ, 1980, т. 374, с. 18-22.

28. Рое G.A., Stogryn A.,Edgerton A.T. A study of microwave emission characteristics of sea ice. Pinal Technical Report 1749R-2. Contract No. 2-35340, Aerojet Electrosystems Co, Arusa, Calif., 1972.

29. Assur A. Composition of sea ice and its tensile strength. Arctic sea ice, Nat. Acad, of Sciences, Nat. Res. Council, Washington, D.C., Publ. 598, p. 106, 1958.

30. Богородский В.В., Хохлов ГЛ. Связь электрических параметров верхних слоев арктического дрейфующего льда в микроволновом диапазоне с температурой и соленостью. Труды ААНШ, 1978, т. 359, с. 13-19.

31. Vant M.R. A combined empirical and theoretical study of the dielectric properties of sea ice over the frequency range 100 MHz to 40 GHz. Technical Report, Carleton University, Ottawa, Canada, 1976.- 438 p.

32. Богородский В.В., Заец П.Г., Погодин Г.К., Хохлов Г.П. Установка для измерения электрических параметров соленого льда на длине волны 3 см. Труды ААНШ, 1974, т. 324, с. 50-56.

33. Пасынков В.В., Хохлов ГЛ. Частотные и температурно-соленостные зависимости удельного ослабления электромагнитных волн арктическим льдом в диапазоне длин волн 0,72-20 см. -Труды ААНШ, 1983, т. 379, с. 10-18.

34. Богородский В.В., Хохлов Г.П. Эффективные электрические параметры начальных видов морского ледяного покрова и ниласа. ЕТФ, 1977, т. 47, вып. 6, с. 1294-1299.

35. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. M, 1961, т. 21, вып. 6, с. 667-678.

36. Wiener О. "Leipziger Berichte", 1910, vol. 9, p. 75.

37. Pierce С.А.В., et al. The Permittivity of two phase mixtures. Brit. J. Appl. Phys., 1955, vol. 6, p. 358.

38. Polder D., J.H. van Santen. The effective permeability of mixtures and solids. Physica XII, № 5> p. 257» 1946.

39. Stogryn A. Equations for calculating the dielectric constant of saline water at GHz frequencies. JEEE Trans, on microwave theory and techniques, 1971> vol. 19> № 8,p. 733.

40. Chambers J. The conductance of Concentrated aqueous solutions of potassium iodide at 25° and of potassium and sodium chloride at 50°. J. Phys. chem., 1958, vol. 62,p. 1136.

41. Grant E., et. al. Dielectric behavior of water at microwave frequencies. J. Chem. Phys., 1957, vol. 26,p. 156.

42. Haggis G., et al. The dielectric properties of water in solutions. J. Chem. Phys., 1952, vol. 20, p. 1542.

43. Hasted J., Roderick G. Dielectric properties of aqueous and alcoholic electrolytic solutions. J. Chem. Phys., 1958, vol. 29, p. 17.

44. Hasted J., El Saheh S. The dielectric properties of water in solutions. Trans. Faraday Soc., 1953, vol. 49,p. 1003.5X. Hasted J., et al. Dielectric properties of aqueous ionic solutions. Parts I and II. -J. Chem. Phys., 1948, vol. 16, p. 1.

45. Lane J., Saxton J. Dielectric dispersion in pure polar liquids at very high frequencies, III. The effect of electrolytes in solution. Proc. Roy. Soc., 1952, vol. A213,p. 531.

46. Lane J., Saxton J. Dielectric dispersion in pure polar liquids at very high frequencies, I. Measurements on Water, methyl and ethyl alcohol. Proc. Roy, Soc., 1952, vol. A213, p. 400.

47. Weyl P. On the change in electrical conductance of sea water with temperature. Limnol. Oceanogr., 1964, vol. 9, p. 75.

48. Stogryn A. The brightness temperature of sea ice. -Internal Report, 1971, Aerojet General Corporation, EL Monte, Calif.

49. Шульгина E.M. Радиоизлучение вертикально-неоднород-ноц среды. Труды IT0, 1975, вып. 331, с. 64-72.

50. Раев М.Д., Шарков Е.А., Ширяева Т.А., Эткин B.C. Вопросы расчета теплового радиоизлучения многослойных структур типа льда и снега методом ориентированных графов с применением ЭВМ. Труды IT0, 1976, вып. 363, с. 27-36.

51. Раев М.Д., Шарков Е.А., Ширяева Т.А., Эткин B.C.О расчете теплового радиоизлучения многослойных структур методом ориентированных графов с применением ЭВМ. Радиотехника и электроника, 1975, т. XX, вып. 3.

52. Бреховских JI.M. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во АН СССР, 1957.- 502 с.

53. Клепиков И.Н., Шарков Е.А. Тепловое излучение слоисто-неоднородных неизотермических сред. Препринт 801, Ин-т космических исследований (ЙКИ) АН СССР, 1983.- 31 с.

54. Богородский В.В., Хохлов Г.П. О тонкой электрической структуре верхних слоев дрейфующего льда. Труды ААНШ, 1978, т. 359, с. 20-26.

55. Башаринов А.Е., Тучков Л.Т., Поляков В.М., Ананок Н.И. Измерения радиотепловых и плазменных излучении. М.: Сов. радио, 1968.- 390 с.

56. Бузуев А.Я., Романов И.П., Федяков В.Е. Изменчивость распределения снега на льдах Северного Ледовитого океана. -Метеорология и гидрология, 1979, В 9, с. 76-85.

57. Башаринов А.Е., Курская А.А., Тучков Л.Т. Измерение микроволнового излучения ледовых покровов в полярных районах.-М.: Препринт В 69, ИРЭ АН СССР, 1971. 17 с.

58. Дшвин П.В., Никитин П.А. К учету климатических характеристик передаточной функции арктической атмосферы при микроволновом зондировании льда. Труды ААНШ, т. 379, 1983, с. 44-60.

59. Кузьмин А.Д., Самолович А.Е. Радиоастрономические методы измерения параметров антенн. М.: Сов.радио, 1964.184 с.

60. Рабинович Ю.И., Щукин Г.Г., Волков Ю.И. О возможных погрешностях абсолютных измерений радиоизлучения. Труды ГГО, 1968, вып. 222, с. 138-144.

61. Калибровка СВЧ радиометра. Труды ГосНИЦИОР, 1982, вып. 14, с. 37-43.

62. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974.- 464 с.

63. Рабинер Л., Гоулд В. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978.

64. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы. М.: Мир, 1982.- 428 с.

65. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. М.: Мир, 1973.- 958 с.

66. Горелик А.Л., Скрипкин В.А. Некоторые вопросы построения систем распознавания. М.: Сов.радио, 1974.- 224 с.

67. Ту Да., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов.-М.: Мир, 1978.- 411 с.

68. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1973.- 831 с.

69. Богородский В.В., Даровских А.Н. Интерпретация измерений микроволнового излучения морского льда с самолета. -Труды ААНШ, вып. 395 (в печати).

70. Bogorodsky V.V., Parovskih А.Н. Interpretation of aircraft sea Ice microwave data. In: UESI - Commission F International symposium on microwave signatures in remote sensing. Toulose, France, 1984, p. 13.