Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Метод расчета и исследование поляризационных характеристик излучения при пассивном дистанционном зондировании моря в видимом диапазоне спектра

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Метод расчета и исследование поляризационных характеристик излучения при пассивном дистанционном зондировании моря в видимом диапазоне спектра"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ им. П.П. ШИРШОВА

На правах рукописи

КРОТКОВ НИКОЛАЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

■ УДК 551.463.5

МЕТОД РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕ П0ЛЯШЗАЦЙ0НШХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПАССИВНОМ ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ МОРЯ В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА

11.00.08 - океанология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Долгопрудный - 1990

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте

Научные руководители: доктор физ.-мат.наук, профессор Кондранин Т.В.;

кандидат физ.-мат.наук, ст.н.с. Васильков А.П.

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат.наук, Козодёров В.В.;

кандидат физ.-мат.наук, ст.н.с. Судьбин А.И.

Ведущая организация: научно-производственное объединение "Планета" (г.Москва)

И

Защита состоится

_1990 г. в

час.

на заседании специализированного совета К.002.86.02 по прису-здению ученой степени кандидата наук при Институте океанологии им.П.П.Ширшова АН СССР.

Адрес института: 117218, Москва, ул.Красикова, 23

Автореферат разослал

А-_и

1990г.

Ученый секретарь специализированного совета к.г.н.

Панфилова С.Г,

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Развитие дистанционных методов контроля за качеством природных вод приобретает в настоящее врзмя особую актуальность в связи с задачами охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. При пассивном дистанционном зондировании (ДЗ) моря в видимом диапазоне спектра информация о приповерхностной толще вод, как правило, извлекается из яркостных характеристик рассеянного солнечного излучения, поступающего на вход приемной системы. В то яе время, дополнительная информация о водной среде содержится в поляризационных характеристиках (ПХ): степени поляризации - Р и угле наклона плоскости преимущественной поляризации - восходящего излучения.

Изучение ПХ рассеянного системой море-атмосфера солнечного излучения необходимо в целях:

- повышения информативности существующих методик ДЗ;

- создания комплексных спектрополяризациошшх (СП) методик, позволяющих получать качественно новую информацию о водной среде;

- уменьшения методических погрешностей в методиках ДЗ, основанных на регистрации спектральных распределений яркости выходящего из толщи воды излучения;

- оптимизации процедур атмосферной коррекции данных ДЗ моря, полученных с авиакосмических носителей.

Цели и задачи работы: Целью диссертации является исследование ПХ рассеянного солнечного излучения видимого диапазона в системе: верхний слой моря - взволнованная поверхность - атмосфера и возможностей использования этих характеристик для повы-

пиния шфо]мативности и точности существующих методик пассивного. ДЗ водных сред.

В соответствии с поставленной целы) в работе решается сло-дукзяо аадачи:

- обоснование е реализация мэтода расчета ШС естественао-го светового поля в атмосфере над ыорам;

<- расчетно-парамзтрическоа исследование влияния различных факторов систеш ыоре-атмосфэра на Щ сигнала на ьходе приемной системы;

- анализ экспериментальных данных о ИХ излучения на различных высотах в атмосфере над морем;

- обоснование н оптимизация использующихся на практике пассивных СП методик ДЗ водных сред.

Метод исследования. Математическое моделирование процесса ДЗ водных сред с различных высот на основе разработанного метода расчета параметров Стокса рассеянного солнечного излучения видимого диапазона в системе: мсре-атмосфера. Отличительной особенность» предложенного метода является полнота физической постановки задачи, что позволяет учесть реальные условия проведения натурных поляризационных измерений. Вместе с тем, метод не требует больших затрат времени ЭВМ, что позволяет проводить систематическое сопоставление с результатами натурных измерений Щ излучения в широком диапазоне варьирования исходных параметров модели. Точность предложенной расчетной методики соответствует как точности измерения первичных оптических поляризационных характеристик атмосферы и морской воды, так и современной точности СП измерений в натурных условиях.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1) впервые разработан и реализован в вида пакета прикладных программ приближенный йот од расчета ПХ излучения видимого диапазона в атмосфере над мором, учитывающий волнение, реальные оптические свойства атмосферы (вертикальная стратификация, оптические поляризадзсонныв свойства аэрозоля) и водной толща, эффекты многократного рассеяния;

2) на основе расчзтно-параметрачаского моделирования с использованием разработанного метода выявлены и подтвервдены экспериментальными данными неизвестные ранее закономерности высотных и угловых зависимостей степени поляризации восходящего излучения ( Р ), основными среда которых, являются:

- немонотонный характер высотной зависимости Р (Н ) при определенной геометрии визирования;

- связь полоаения минимума азимутальной- зависимости Р {ур) ( ф - азимут восходящего над морем излучения ) с поляризацией восходящего излучения под поверхностью моря;

3) впервые осуществлена научно-обоснованная интерпретация систематических экспериментальных данных о ПК на различных высотах над морей;

4) впервые обоснованы и сфорлулированы требования по выбору условий спектрополяразационного зондирования верхнего слоя моря, оптимизирующие отношение сигнал/фон.

Достоверность представленных данных обеспечивается:

- методическим обоснованием выбора исходных оптических моделей атмосферы, морской воды и поверхности раздела море-аткос-фера;

- обоснованием упрощаасца: предположений при разработке приблЕхенного метода расчета переноса поляризованного излучения в системе море-атмосфера;

- тестированном программ, сравненжвм с точными аналитическими л численными расчетазш;

- систематическим сопоставлением с данными натурных поляризационных измерений.

ГЬактотэское значение.

1. Результаты диссертации могут найти применение при разработке методик ДЗ водных сред в целях контроля загрязнений, определения биопродуктивности вод, а такке при решении научных задач оптики и биологии моря.

2. Разработанный метод расчета К излучения на различных высотах в атмосфере над морем при произвольной геометрии визирования может служить основой методики атмосферной коррекции, СП данных.

3. Численные расчеты эффективности поляризационного метода увеличения отношения полезный сигнал/фон в существующих системах дистанционного пассивного спектрофотометрироваяия моря являются основой повышения информативно сти методик контроля за качеством вод.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Ш съезде советских океанологов в г.Ленинграде (1987 г.), на X и XX Пленумах ЕГ по оптике океана Комиссии АН СССР по проблемам Мирового океана, а такке на научных семинарах в институте озероведения АН СССР (г.Ленинград), ОКБ "Интеграл" ГО, ВНИИ ОТРИ, ВНИРО, ИФ АНБССР (г. Минск), Институте океанологии АН СССР им.

П.П.Ширвова и ежегодных научных кокфзренцаях ШИ (г.Долгопрудный) в I98G-I9B9 гг.

Осноанне результаты работы отражены в публикациях /1-9/. В работах, Еагксаяных в соавторстве, личный вклад соискателя состоял в разработке йазико-магеиатичасках моделей, программ, проЕОДЗнкя численных расчетов, анализа н интерпретации полученных результатов. Б работах, где используется экспершэнталгные данные, соискатель приншгал участге в организации 2 проведения натурных измерений, анализа полученных результатов.

Стоткттш и объем дяосарташд. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения-и приложения. Объем работы составляет 189 страниц, з том числе 37 расункоа и список основной использованной литературы из 149 наименований на-17 страницах.

Дйдашия. m

1) Метод расчета ПХ естественного излучения видалого дга-пазона в атмосфере над морем, учитывающий реальные оптические свойства морской воды и атмосфер, волнение, условия освещзния, эффекты многократного рассеяния, поляризацию подводного излучения;

2) Выявленные на основе расчетно-параметрического исследования с помощью разработанного метода закономерности угловых и высотных распределений степени поляризации в атмосфере над морем;

3) Интерпретация экспериментальных данных о ПХ восходящего от водной поверхности излучения на различных высотах в атмосфере над морем;

4) Количественный анализ контрастов степени поляризации и

обосковакнз выбора, оптимальных условна проведения кз^арзннЁ з поляризационной гатодане дистанционного определения концентрации взвйезеннх всцвств в поверхностном слое вод;

5} Рекоггзндадгз по оптшжзгздщ отношения: полезннй снтнал/ фон при пассивном спектрсфото^эгргроЕннЕх яолщи оксапа в поляризованном свзте и обоснование выбора оптегальпых условий наб-дадепая в зависимости от высоты над уровнем коря а высота солн-I»;

6) Рокоиэвдацяи по одонке степени поляризации нодводаого излучения по нашрешшм ПХ восходящего излучения над поверхность» моря.

П. СОДЗЕЕШЕ РАБОТЫ.

Во ввезгенля дана общая характеристика работы: рассмотрены вопросы актуальности, научной новизны, практической ценности. На основе критического обзора литература, связанной с темой диссертации, сфорыулярованы цели и задачи работы. Приведено описание структуры диссертации.

В лэрзой главе излоеон прибляг,энный метод расчета ПХ рассеянной солнечной радиации ввдшого диапазона в атмосфера над рем. Дается обоснование основных упрощазхщх предположений и оценивается точность расчетов.

В § 1.1 сфорадирована физико-математическая постановка задача. Атмосфера моделируется плоскостраткфицированшм горизонтально однородным слоем конечной оптической толщины. Учитывается рассеяние газовой и аэрозольной фазами. Аэрозольное рассеяние описывается матрицей рассеяния (МР) полвдисперсных сфори-

чзсхих части;, ыоделирущах аэрозоль морского типа. Изменчивость дымка учитывается варьированием аэрозольной оптической толщзнн атмосфэрн Та0 и ее высотного хода V ( И ). Водная толча моделируется располозенной под границей раздела еффектавкой подстзлакцзй поверхностью с альбедо, численно равным спактраль-ному коэффициенту яркости - р ( Я ). Граница раздела предполагается взволнованной. Условная верхняя граница атмосферы ос-вепэна ыононаправлежшм кзазшонохр6катич9сю*м неполяризовакша? солнечным излучением. Поле рассеянной радиации описывается компонентами вектор-павакотра Стокса ( к = 1,2,3), черэз кок

торке выразаются игмерязцыэ яркость а степень линейной поляризации р. В^'• Зависимость $ от прострзнс-твзнннх переменных задачи - Н » ® . (И - высота над уровнем моря, б е [О 1Г~\ - вертикальный угол визирования, отсчитываемый от направления в "надир", О - азимут относительно плоскости солнечного вертикала ШСВ))определяется репе-ниом соотвэтстзуг^зй краевой задачи для векторного стационарного уравнения переноса излучения (БУШ). 3 рассматриваемой постановке £ моано приближенно представить в виде:

+ 1р (I)

где описывает вклад фотонов всех порядков рассеяния в атмосфере без взаимодействия с подстилащей поверхностью, &р -вклад фотонов один раз отраженных от толщи либо поверхности моря и рассеянных в атмосфере. Вектор Стокса£(я)( Ъ. = ( 9 ¿р))

Р

на поверхности моря рассчитывается с учетом трех составлявших: отраяенных от взволнованной поверхности прямого солнечного -&Л Я") и диффузного излучения небосвода - ( 7Г), а такгэ

излучения, выходящего из толщи воды с учетом преломления на плО' ской граница раздела - £.( п.).

В § 1.2 иалогзп метод решения задачи переноса излучения в атмосфере. Атмосферная даоса /бу ищется в виде:

где опвсывает нерассеянное солнечное излучение, ж однократно и многократно рассеянное излучение. Краевая задача для решается численно итерационным методом Гаусса-Зейдэля с обращением дифференциального оператора БУШ интегрированием вдоль характеристик, заменой интеграла столкновений квадратурами на единичной сфере и использованием второй кратности рассеяния в качестве начального приближения.

В случае релеевской атмосферы предоохенный численный метод позволяет рассчитать с высокой точностью ( $ 1%). Дяя

произвольно стратифицированной атмосферы (с учетом аэрозоля) расчет Щ проводится в приближении Соболева, согласно которому многократный характер рассеяния учитывается только при расчете яркости излучения, в то время как ПХ рассчитываются в приближении однократного рассеяния. Точность расчета яркости восходящего излучзния £2$. Сравнение с численными и аналитическими решениями других авторов проведено в Прилоаении. Составленная ¿у (17 гь ) на произвольном уровне в атмосфере ( Н ) определяется численно в рамках приближения однократного рассеяния.

В § 1.3 описан алгоритм учета волнения при расчете излучения, отраженного от морской поверхности. Составляющие ¿0 и /Е>5 рассчитываются на основе модели случайно распределенных площа-

док (М0ГП) с использованием экспериментальной функции распределения уклоноз волн в зависимости от скорости ветра V . Составляйся определяется на основе численного интегрирования по всем направлениям нисходящего излучения небосвода на уровне моря.

В § 1.4 излоган метод расчета ИХ излучения, выходящего из толяи воды через границу раздела - £ . Предполагается, что угловое распределение яркости выходящего излучения под границей раздела изотропно в конусэ направления с углом полураствора, равным углу полного внутреннего отражения ( 49°). Угловое распределение стопекл поляризации выходящего излучения под поверхностью - Р задается в виде:

Я'= (3)

где ги;)= . -

элемент приведенной ИР морской воды, представляющий собой степень поляризации при однократном рассеянии солнечных лучей в толще воды, - угол рассеяния, Р. (30°) = р.тах _ обобщенный варьируемый параметр модели, приближенно учитываггщй как микрофизкческие характеристики морской взвеси, так и эффекты деполяризации при шогократном рассеянии солнечного излучения на малые углы, Е (А ) и (Я ) - рассчитанные освещенности

о Ь

горизонтальной площадки прямым солнечным и диффузным излучением неба под границей раздела. Направление преимущественной поляризации выходящего излучения предполагается перпендикулярным плоскости рассеяния солнечных лучей. Параметры Стокса выходящего

излучения над границей раздела £>. рассчитываются с учетом

I, к

преломления на плоской френелевской поверхности.

В § 1.5 рассмотрены вопросы обоснования приблигенкй, принятых при расчете переноса поляризованного излучения в системе: море-атмосфера. Обоснованность щотблизэнкй определяется на основе учета особенностей оптических свойств атмосферы и морской вода и ех интегральных характеристик, таких как оптическая толщина атмосферы, альбедо моря и других. Точность расчетов ИХ рассеянного излучения определяется на основе сравнения с опубликованными результатами численных-расчетов других авторов. Показано, что точность расчетов является достаточной для суждения об эффективности использования ПХ в задачах дистанционного зондирования и соответствует точности определения первичных оптических характеристик атмосферы и морской воды.

Во второй главе рассмотрены особенности угловых зависимостей степени поляризации восходящего излучения непосредственно над морской поверхностью: 9 , , 0о), соответствующие случав наблюдения с борта судна ( 0о - зенитный угол солнца).

В § 2.1 анализируется вклад различных потоков восходящего излучения в формирование углоеой структуры Р ( 0 , ^ , 6а). Составляющая а>0 вносит определяющий вклад в Рр для направлений визирования, соответствующих "солнечной дорозке" ( у? £ 30°). Величина Р^ для данных направлений определяется, главным образом, углом отражения радиации от зеркальных площадок и при 45°, 40° достигает максимальных величин:

80-90?. Напротив, при У ^30° определяется на основе векторного сложения составляющих Л и ,5 . :

с

где Р. и - степони поляризации составляющих и а>5 , Р ( X , р ) = . /¿> - отноззние их яркостей, У - угол

О ; ^ 1 1 ■■ ■»" .иди '

мэдду направлениями поляризации л ( ^ является функцией длшш волны ззлучения ^ и зависит как от условий осва-щэння, так и от оптического типа вод). Азимутальные зависимости

при постоянных б и 90 скмкетргчны относительно ПСВ и имеют немонотонный харагтер с мпнимуггсм при ^ ~ 90-135°. Показано, что при 9 л 45° положение ¡.янгмума зависимости Р ( ^ ) при у ^ 110-140° указывает на частичную поляризацию излучения, выходящего из толщи моря: Р. ф 0.

В § 2.2 рассмотрено влияние исходных параметров модели ( Л , р , "V" , ^ о , Р^(90°)) на угловую зависимость Влияние Р(30°) на абсолютные значения Рр невелико, однако мояет приводить к качественным изменениям азимутальной зависимости Р0 ( У ) при 0 45°, в частности, к смещению минп-

' 0 ' о

мума этой зависимости в сторону больших у : <^ = 110-140 (см.

§ 2.1). Влияние "V на Рр связано, главным образом, с изменением угловых размеров "солнечной дорокки". Зависимость ^(0.

) от р проявляется наиболее сально при у? ^ 40° и 0^30°. Показано, что спектральный ход р С Л ) является одной из причин спектральной зависимости Р^ (Я ). Второй причиной является спектральная зависимость яркости и поляризации рассеянного излучения неба (через величину £ ) в (4)), определяе-

->0

мая соотношением медцу релеевским "И аэрозольным рассеянием.

Проведенный анализ чувствительности угловых распределен^ Рр ( 9 ) к различным факторам реальной системы: море-атмосфера показал, что их влияние неодинаково в зависимости от направления визирования и высоты солнца. Это открывает пришила-

альнув возможность оценки отдельных параметров водной толщи и

поверхности при измерениях Р. в различных направлениях визи-

Г

рования.

§ 2.3 посвящен анализу результатов натурных измерений Рр . Измерения угловых распределений ( В} ^ ) в нескольких спектральных интервалах были проведены с борта судна в прибрежных водах Валтгйского и Черного морей /6, 8, 9/ при помощи разработанного в ЛГУ трассового спектрсшолярЕметра. Анализ и интерпретация результатов проводились на основе предложенной методики расчета. При измерениях на Балтийском море /6, 8/ значения параметров модели ( р ,Тв0Дг , Р.^(90°)) варьировались в широких пределах и выбаралжсь из условия наилучшего совпадения рассчитанных в измеренных значений Рр для тех направлений ввзнрования, где влияние соответствующего параметра на Рр максимально. Такнм образом удалось описать экспериментальные угловые зависимости 0 ) во всем диапазона углов 6 и У . На Черном море измерения Рр сопровождались независимыми измерениями р { А ), Тг 0 СХ) ."V" /9/. Сопоставление рассчитанных и наморенных значений 9 , р, А ) для различных высот солнца показало их хорошее совпадение. Тага: образом, расчетная методака правильно описывает угловую зависимость {р ( $ » 0 » У » А ) и влияние на нее основных факторов системы море-атмосфера. (V , р ,Т0 0).

В 3 гл?зе рассмотрены высотные и азимутальные зависимости степени поляризации восходящего излучения в атмосфере над морем -Р(Н Сложность проблемы коррекции атмосферы в СП измерениях связана с необходимостью учета многочис-

ленных факторов, оказывающих различное влияние на Р (оптические характеристики водной толща,взволнованность морской поверхности, атмосферный аэрозоль). В диссертационной работе с целью упрощения теоретического анализа отдельно рассматривается влияние факторов, усиливающих поляризация излучокия (молекулярное рассеяние, отражение от гладкой фрепэлевской поверхности) и факторов, вызывапцих деполяризацию излучения (волнение, аэрозоль, выходящее аз толещ моря излучение).

В § 3.1 рассмотрены зависимости Р ( Н ,9 , ^ ) для системы рэлээвская атмосфера-гладкая фреяелевская подстилапзая поверхность, т.е. без учага деполяриэущих факторов. Рассмотренная модель позволяет получить верхнюю оценку степени поляризации рассеянного излучения в реальной системе море-атмос-фера.. Результаты получены на основе прямого чиненного интегрирования БУШ, что позволяет строго учесть эффекты многократного рассеяния. Рассмотрено влияние таких факторов, как длена волны излучения X » геометрия визирования, высота солнца 90, влияние показателя преломления подстилающей поверхности. Показано, что высотная зависимость Р ( Н ) дая излучения, распространяющегося вверх под углами, близкими к углу Брюстера 9 ~ 45-600ярз 6^30° качественно различна для разных азимутов относительно ПСВ; в частности, для ^ ~ 90°, 270° (при визировании перпендикулярно ПСВ) зависимость Р ( Н ) имеет немонотонный

характер с минимумом при Н "300-500 м. Предложено объясне-

0

ние отмеченных особенностей зависимостей Р ((-( ) при различных у? , основанное на учете поляризационных свойств атмосферного рассеяния. В частности, существование минимума Р ( И ) при ^Р ~ 90°, 270° связано с несовпадением направлений поля-

ркзации фотонов, отразившихся от френелевской поверхности и рассеянных в атмосфере.

В § 3.2 исследовано влияние деполяризующих факторов реальной систем море-атмосфера Y ^ Р. (30°)) на зависимости Р ( ). Эффекты многократного рассеяния учитываются в приближении Соболева (см. главу I). Расчеты проведены для }. = 450 им, 0 = 45°, 90= 50°.

Показано, что при деполяризация восходящего излу-

чения прямо пропорциональна ^ 0 и происходит в пределах аэро-золькох'о слоя. На верхней границе уменьшение Р определяется величиной tQ и практически не зависит от вида вертикального распределения аэрозоля - 7Г ( И ). Увеличение V также приводит к уменьшению Р при на всех высотах. При vp ^90°, 270° с увеличением высоты аэрозольного слоя (до 3 км) увеличивается высота минимума И 0~ 1-2,5 ш зависимости Р ( Н ) и

растут значения Р( Н ). При увеличении толщины слоя мини-

о

мум Р ( Н ) становится менее выраженным. Увеличение Та 0

приводит к увеличению Н ~0,5-1,5 ш, кроме того, значения

о

Р (И ) увеличиваются для. Н i 0 • 5км и уменьшаются для Н^-

1 км. Для Vp х; 180° атмосфера оказывает чисто деполяризующее воздействие на восходящее излучение, поэтому зависимость Р(Н) от и t" (Н ) незначительна.

Увеличение р приводит к уменьшению Р . Заметная зависимость Р от р проявляется лишь на малых высотах: Н ^ I-

2 км.

Изменение Р^ слабо сказывается на Р (Н,0 ) при 120-130°; приводит к увеличению Р при ^f ~30-60° и оказывает сложное воздействие на Р при ^ ~90° в зависимости от кон-

кратных значений Н и р .

В целом, расчеты показывают, что с ростом замутнэнноста атмосферы зависимость Р от оптических свойств толги воды сохраняется лишь для малых высот наблвдения.

Как показано во введении, предлоаенные до настоящего вра-мени методики атмосферной коррекции СП данных относятся к случаю наблвдения в ПСВ. В то же время, сведения об азимутальных зависимостях Р ( у? ) на различных высотах является валнкми, так как при ДЗ водных объектов ДХ излучения наиболее информативны при визирования в направлениях, отличающихся от надир!ого. В § 3.3 проведено сопоставление расчетных ж экспериментальных полных азимутальных индикатрис Р при 9 = 45° 0о=5О°, ^ = 450 вм для различных высот Н . Экспериментальные данные были получены с вертолета над Каспийском морем. На основе сравнения расчетных и экспериментальных зависимостей Р (\р) были оценены значения параметров Т~ч о , р , Р. (90°) и V во время проведения измерений. Поскольку подобранные значения ехсдных параметров модели, с одной стороны, не противоречат литературным данным об оптических свойствах вод и атмосферы в районе Каспийского моря, а, с другой стороны, позволяют достичь удовлетворительного совпадения с экспериментальными данными во всем диапазоне значений И и , делается вывод о том, что расчетная методика з целом адекватно описывает реальные зависимости Р ( Н »9 ¡'р ) в атмосфере над морем.

В 4 главе рассмотрены вопросы практического использования поляризационных свойств излучения в пассивных системах ДЗ водных сред видимого диапазона, связанные как с повышением пнфор-

катжвкостз сигнала, так и с увеличением отношения полезный сигнал/фон.

В § 4.1 найдена расчетным путей область оптимальных направлений визирования ( Q , f ) в поляризационной методике дистанционного определения концентрации взвешенных веществ - Cfi в поверхностном слое вод /8/. Первоначально экспериментально обнаруженная тенденция уменьшения Р при увеличении с в обусловлена возрастанием яркости слабо поляризованного света, выходящего из толща вода - jS. . . Расчеты соответствующих конт-

л *

растов Р при изменении св показали, что при малых 9^30° измзрепия ггалов^ЭЕтгвны в силу малых абсолютных значений Р . При 8 5:40° наблщцаются две области максимальных контрастов : при tp à 150° ж f ~ 30-60°. О увеличением H влияние атмосферы проявляется сильнее для ^>150°, что не позволяет проводить кз&аресая для данных направлений уха при H 500 м. Для направлений 0 ~ 45°, у * 45° измерения при Н^ 2 кы шгно проводить лепь в красной области спектра при t"4o-£0,i. В czhúü области спектра практкческое использование СП методики .определен®! С в даже для оптшлальных направлений визирования ограничено высотами I - 1,5 км.

В § 4.2 обсуждается возможность оценки степени поляризации подводного излучения - (90°) по измерениям ПХ восходящего излучения над поверхностью с борта суда. Значения Р(90°) определяются на основе сопоставления измеренных и рассчитанных зависимостей Р ( В ) при условии независимого определения параметров р (У) ТГ 0<Х ) .

При Q ^ 40° наиболее благоприятными направлениями визирования для регистрации зависимости Р от Р £ являвтся:

0^30-53°, ^ %45°-75°.

В § 4.3 исследована возможность гспользования поляроида с целью отсечки фонового излучения при спэктрофотометраровании водной толща с различных высот. Задача поляризационного выделения сигнала (излучения, вышадаего из воды рассмотрена в следующей постановке: для данной высоты зондирования Н а спектрального интервала X требуется определить как оптимальное направление визирования (0 ), так и ориентацию поляроида (задаваемую углом X с вертикальной плоскостью), совместно обеспечивающих максимальное отношение сигнал/фон. В отличие от ранее опубликованных оценок в диссертационной работе эта задача решается с учетом всэх основных факторов, влаящях на перенос излучения в реальной система: море-атмосфера (волнение, поляризация подводного излучения, аэрозоль, эффекты многократного рассеяния). В работа показано, что количественным критерием эффективности применения поляроида в данной задача является отношение:

- / (5)

^ п

где 7Г = ( ® , ) - направление визирования, ^ ( Н , л. )= - ' З^ ~ интенсивности сигнала и фона после

проховдения излучения через поляроид, ориентированный под углом X к вертикальной плоскости; - аналогичное отношение в отсутствии поляризатора. В (5) максимум ^ ищется по всем направлениям визирования, а ^ - по всем [0,1Т~] . Величина М зависит татаэ от условий освещения (высоты солнца), состояния атмосферы, волнения и спектрального диапазона. Про-

веденные расчет показали, что на уровне коря еф&зктивность поляризационной отсечки фона (излучения, отрагонного от поверхности) ограничена волнением. Для гладкой поверхности при наб-ЛЕдэнж ЕОд углом Брвстера ( 9 ~ 53°) в вертикальной полярз-задет ( Х- 0) косно полностью устранить фоновое излучение. Однако для реальной взволнованной поверхности при ' "V— Ю м/с величина Л) ~ 6-8 /7/ . В случае низкого солнца: 0О ^ 50° оптвкалыакз стаповятся утлы, меньшие угла Брюстера: 0 ~ 3545° при ^р 150°. На верхней границе атмосферы основной со-ставляпдэй фонового излучения является атмосферная дымка. Максимальные значения \) составляют 1,3-1,5 (для X = 450 ¡ил,

= 0,3). Оптимальные направления визирования: при 0о$ЗО°-© = 45° и у = 45°, при 9^40° - 0 «20-40°, ^ЗО0.

Варной с практической точки зрзния является возможность увеличения контрастов в изображении моря при проведении измерений через надаегал12м образом ориентированный поляроид. Количественной марой увеличение контрастов при визировании в данном направлэнЕИ п. является отношение:

= { таосЩКК)} /}о(Н,-ЯГ) (6)

Очевидно, что дая всех Ъ, справедливо "О ^ ^ (5). При наблюдении с верхней границы атмосферы (для Л - 450 пм,1г ~ 0,3) макимальные значения 2 при бо^30° и возрастает

до значений* \)х4 при 0О 50°. Соответствующие направления визирования: 0^40° и 30° (т.е. в зоне "солнечной дорокки") .

£

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе:

I. Разработан алгоритм численного знтогрзровашгя гогаорно-го уравнения переноса излучения в плоскостратзфицировачной среде з стлаг.ен комплекс програ-гл, позволявций рассчитывать псяя-разавронннэ характеристика поля рассеянной солнечно" рздаацкп дяя реальной огсхевд: моро-атаосфера в газасккссги от условзЗ наблюдения и высоты над уровнем коря с учетом поляризационных оптических свойств морской воды з атмосферы, аэрозоля, волнения, поляризации выходящего из толця моря излучения.

Я. Проведены сиетематическгэ расчеты ПХ поля рассеянного излучения для системы: море-атмосфера з широком диапазоне варьирования исходных параметров модели.

Анализ получениях результатов для системы релеевская ат-мосфера-френелевская подстилающая поверхность позволил показать, что при дистанционных измерениях, начиная с высот 300400 м, необходим обязательный учет влияния атмосфер!. Этот вывод остается справедливым и для реальной атмосферы.

Ш. На основе расчетпо-параметрачэского моделирования установлены неизвестные ранее закономерности угловых и высотных распределений степенп поляризации восходящего излучения Р(И 0 ,У ) в системе: кора-атмосфера.

17. Проведено сопоставление рассчитанных зависимостей Р С И , б ,У ) с данными натурных измерений ПХ зосводящего излучения, з том числе, при контроле основных оптических параметров атмосферы и водной толщи. Показано, что разработанная математическая модель правильно описывает роачьну^ угловую и высотную зависимость Р ( н »9 , ^Р ), а также влияние на нее

основных факторов системы:море-атмосфера (волнение, аэрозоль, оптические свойства водной толщи).

У. На основе расчетов контрастов степени поляризации установлена область оптимальных углов визирования в СП методике определения концентрации взвешенных веществ в поверхностном слое вод в зависимости от высоты наблвдения.

71. Исследована эффективность поляризационной отсечки фонового излучения в задачах спектрофотометрирования водной толща, с учетом выбора направления визирования н ориентации входного поляризатора.

УП. Показано, что на основе предложенной методики расчета можно оценить степень поляризации подводного излучения ( Р^ ) по измерениям ПХ восходящего излучения над поверхностью; значения Р. (з СОопрэделяются на основе сопоставления измеренных и рассчитанных угловых зависимостей Р { 6 , ^ ), при условии независимого определения коэффициента яркости водной толщи и аэрозольной оптической толщины. Определены оптимальные направления визирования для регистрации зависимости Р ( 0 ) от

Pl-

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в следующих печатных работах:

1. Кротков H.A. Численный расчет высотного хода степени поляризации восходящего излучения для системы "релеевская атмосфера-поверхность моря".// Труды Всес.студ.конф."ХУ1 Королёвские чтения", ШТН, 3-5 апр. 1985 г. - Деп. В ВИНИТИ 13.01.86 г. - Л 284-В 86, с;94-102.

2. Васильков А.П., Кондранин Т.В., Кротков H.A. 0 немоно-

тонности высотного хода степени поляризации восходящего излучения для системы: "аэрозольная атмосфера-^рэнелевская подстилающая поверхность"// Современные вопросы гидродинамики, аэрофизики и прикладной механики. - M.: МИИ, 1986, - с.105-110.

3. Васильков А.П., Кондранин Т.В., Кротков H.A. Оценка возможности снижения помехи обратного рассеяния с помощью поляризационных измерений при пассивной оптической локации океана/ Гагаринские научн.чтения по авиации и косм., 1986, - 'Л.: Наука, 1987, - с.249.

4. Васильков А.Д., Кондранин Т.В., Кротков H.A. Об эффективности поляризационных измерений при пассивном дистанционном зондировании океана в видимой области спектра // Исслед. Земли из космоса. - 1987. - № 5, - с.66-74.

5. Васильков А.П., Кондранин Т.В., Кротков H.A. Оценка оптического отношения сигнал-шум при пассивном дистанционном зондировании океана под углом Брастера в вертикальной поляризации// Тезисы докладов Ш Съезда советских океанологов. - секция "Физика и химия океана. Акустика и оптика". - Л., Гидроме-теоиздат. - 1987. - с.118-119.

6. Васильков А.П., Ковдранин Т.В., Кротков H.A., Лахтанов Г.А., Чу ров B.S. Влияние волнения на степень поляризации излучения, восходящего от водной поверхности // Тез.докладов X Пленума РГ "Оптика океана". г.Ростов-на-Дону, 1988. Л.: изд-во ГОИ. - 1988. - с.404-405.

7. Васильков А.П., Кондранин Т.В., Кротков H.A. Учет волнения при оценке эффективности спектрополяризационного метода пассивного зондирования океана в видимой области спектра // Прикладные задачи механики сплошной среды и геокосмической фи-

зихи. - М.: М5ТИ. 1988. - о.120-125.

8. Васильков А.П., Кондраник Т.В., Кротков H.A., Лахтанов Г.А., Чуроз В.Е. Об особенностях угловой зависимости поляризации излучения, восходящего от водкой поверхности, в видимом да апазоне сшктра // Известия АН ССОР, Сизнка атмосферы и океана XS90. т.26. - Я 5. - с.540-546.

9. Васильков А.П., Коцдранш Т.В., Кротков H.A., Лахтанов Г.А., Чуров В.Е. Измерение и расчотно-теоретическое моделирование азимутальной зависимости степени поляризации восходящего солнечного излучения для вод Черного моря // Tea.докладов XI Пленума РГ "Оптика океана". г.Красноярск. 1990. Кр.: изд-во Ш СОАН СССР. - 1990. - с.20-21.

60x90 ^/16 Печ.л.1 Л.

Подписано к печати 25.10.1990 года. SaK.tf б£. Тираж 100.

Институт океанологии им.П.П.Ширшова Академии наук СССР Москва, ул.Красикова, дом 23.