Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Оптическая томография искусственных образований в околоземном космическом пространстве

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Оптическая томография искусственных образований в околоземном космическом пространстве"

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И КОНТРОЛЮ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОФИЗИКИ РГб 0.1 ИМЕНИ АКАДЕМИКА ФЕДОРОВА Е.К..

0 / 11011 1393

На правах рукописи УДК 551.510.536

АЛПАТОВ ВИКТОР ВЛАДИМИРОВИЧ

ОПТИЧЕСКАЯ ТОМОГРАФИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ.

04.00.22 - Геофизика.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Москва - 1993 г.

Работа выполнена в Институте прикладной геофизики >

имени академика Федорова Е.К.

Научные руководители: доктор технических наук, с.н.с.

ЛЕВИН Геннадий Генрихович

кандидат физико-математических наук, с.н.с.

РОМАНОВСКИЙ Юрий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

КАЛИНИН Юрий Кириллович доктор физико-математических наук, с.н.с.

КУНИЦЫН Вячеслав Евгеньевич

Ведущая организация:

Научно-производственное объединение Тайфун"

Защита диссертации состоится " 1 " декабря 1993 г. в 10 часов на заседании специализированного совета Д 024.09.01 в Институте прикладной геофизики имени академика Федорова Е.К. по адресу: 129226, Москва, Ростокинская ул., 9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПГ.

Автореферат разослан " 4 " /•/ 1993 г. Ученый секретарь спецсовета

я 02.

024.09.01

А.Г. Старкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы: Метод искусственных нейтральных и ионных облаков(ИО), впервые предложенный для исследований диффузионных и фотохимических процессов в верхней атмосфере, широко используется в исследованиях ОКП для изучения динамических процессов, крупномасштабных электрических полей в ионосфере и магнитосфере, неоднородной структуры ионосферной и маг-нитосферной плазмы. В этих исследованиях ИО используются в качестве "трассеров", визуализирующих общую картину процессов и позволяющих определить его интегральные пространственно-временные характеристики.

Дальнейшее усовершенствование метода ИО и расширение области его применения для исследований ОКП требует изучения локальной внутренней структуры ИО, то есть, пространственного распределения таких параметров ИО, как плотность и состав компонент, значения и градиенты температуры, интенсивность свечения и др. Знание пространственного распределения параметров ИО дает возможность изучения процессов взаимодействия ИО с окружающей верхней атмосферой и ионосферой, тонкой простран-

__X

ственной трехмерной структуры (неоднородностей) ионосферной плазмы, процессов взаимодействия излучений со средами с различными оптическими толщами и других задач физики и оптики ОКП.

Для изучения и восстановления (реконструкции) структуры ИО в ОКП могут быть использованы методы компьютерной реконструктивной томографии (РТ), разработанные й широко применяемые в различных областях науки и техники. Принципиальным преимуществом методов РТ по сравнению с другими методами исследований ИО является возможность изучения по интенсивности свечения ИО, зарегистрированного с нескольких

пунктов наблюдения, пространственного распределения параметров V физико-химических и динамических процессов, протекающих в ИО.

Разработка методов оптической РТ искусственных облаков в активн

экспериментах открывает широкие возможности для исследований иск\ ч

ственых образований различного типа, возникающих в результате антроп генных воздействий ь.ч ОКП - при запусках ракет, функционировании с стем космических аппаратов, воздействии мощного электромагнитного V лучения и т.д.

Разработка методов оптической РТ и их исследование на ИО позво/ иcqoльзoвaть методы РТ для изучения естественных неоднородных струю в ОКП, проявляющихся в оптическом диапазоне - таких, как экваториальн дуги свечения и "пузыри" ионизации , полярные сияния, серебрист облака и т.д. Ряд важных в научном и в прикладном отношении перспеет применения методов оптической РТ открывается при дистанционн зондировании и мониторинге приземной и околоземной среды оптическом диапазоне с борта ИСЗ. Следует отметить, что к настояще времени выполнен ряд работ, в которых показаны возможное использования радиотомографических методов для исследований окол земной среды, -в частности, ионосферы, сделана попытка применить 7 мографические методы для определения структуры кометы Галлея даннным бортовых телевизионных наблюдений с КА "Вега". Однако, полн и систематический анализ использования методов РТ в оптическ диапазоне для исследований ОКП до настоящего времени не проводил Можно полагать, что предпринятая в диссертации первая попытка такс рода анализа на примере ИО в ОКП , а также развитые в диссертаи методы и подходы могут быть в дальнейшем использовны для систем тической разработки оптико-томографических методов исследований мониторинга ОКП.

I

Цели диссертационной работы : - разработка методов оптико-томографической реконструкции искус-

ственных образований в ОКП;

- создание концепции наземного оптического томографа для исследований ИО в ОКП ; - "" -

- опробование и испытания разработанных методов, аппаратурных и программных средств РТ в демонстрационном натурном эксперименте с созданием '10 в ионосфере.

Научная новизна работы. Диссертационная работа представляет собой первую попытку комплексного рассмотрения проблем, связанных с разработкой методов оптической РТ для исследований неоднородных структур в ОКП на примере искусственных облаков. При этом впервые были получены следующие основные результаты:

1.Проведен анализ физико-математических аспектов метода оптической томографии ИО и разработаны методические основы для создания наземного томографа для исследований ИО в ОКП,на основе которых определены условия применимости этих методов для исследований различных типов и стадий развития ИО.

2. Выполнен информационный анализ, который позволяет оптимизировать методику наблюдений и структуру оптического томографа» а также оценены точности реконструкции ИО с учетом параметров томографа.

3. Разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение для обработки данных оптических наблюдений и томографической реконструкции ИО, дающие возможность проводить реконструкцию по малому количеству оптических наблюдений, полученных в натурном эксперименте.

4. Разработан специализированный аппаратурно-вычислительный комплекс для цифровой обработки и реконструкции ИО.

5. Проведено демонстрационное опробование разработанных методов,

аппаратурных и программных средств оптического томографа в натурном

н

эксперименте по исследованию ИО методами оптической томографии и в

численном эксперименте по восстановлению структуры свечения поляр ного сияния.

Научная и практическая значимость работы. Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит том, что впервые разработаны методы оптико-томографической рекснс рукции, концепция и структура наземного оптического томографа для из чения ИО в ОКП, которые при дальнейшей модификации и исследовани могут быть использованы для создания томографов наземного и космиче кого базирования для исследований и мониторинга околоземной среды антропогенных воздействий на различные области ОКП. Разработанн программно-алгоритмический комплекс составляет основу создания авт матизированных комплексов наземных и космических томографов. Мето информационного анализа, развитые в диссертации, могут быть испо; зованы при проектировании и оптимизации оптических томографов ;

I

исследований и мониторинга ОКП.

Основные положения,выносимые на защиту :

1. Результаты разработки методов оптико-томографической реконструк! для исследований ИО в околоземной среде, на основе которых опредеж условия применимости этих методов для исследований различных типо стадий развития ИО.

2. Результаты информационного анализа ИО, позволившие обоснон возможность и оценить эффективность мало- и ультрамалоракурс оптико- томографической реконструкции ИО.

3. Комплекс алгоритмических и программных разработок для назем! оптического томографа, который дает возможность проводить вое! новление внутренней структуры ИО по малому числу зaшyмлe^ проекций-изображений, что подтверждается результатами восстанови структуры модельных объектов.

4. Оптимальная по быстродействию, точности и стоимости структура специализированного аппаратурно-вычислительного, комплекса для цифровой обработки изображений и реконструкции ИО.

5. Результаты томографической реконструкции ИО на натурных объектах, которые позволили впервые получить данные по относительному распределению компонент искусственного плазменного обраювания в ионосфере.

___ Личный вклад автора: --

Лично автором выполнен физико-математический анализ ИО как объектов томографической реконструкции, проведен информационный анализ, выполнено моделирование , разработана методика, алгоритмы и про»

граммы подготовки исходных изображений ИО для томографической реконструкции, осуществлена компьютерная обработка изображений ИО и томографическая реконструкция реального ИО. Помимо этого автор принял непосредственное участие в проведении оптических наблюдений ИО, анализе томографических схем, в определении необходимых методов, алгоритмов, программ, технических решений, необходимых при проектировании оптического наземного томографа для исследований ИО.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях и семинарах по оптической томографии(Москва,1991 г.),по томографии (Ташкент,1959 г.,Звенигород,1991 г.), по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере Земли (Обнинск, 1986 г.), по фотометрии и ее метрологическому обеспечению (Москва,1989 г.), по математическим методам моделирования ближнего космоса (Москва, 1993 г.). На Международных конференциях:

-на международном симпозиуме-сессии СОБРАН (Тулуза,Франция,1986 г.) -на конференции по исследованию верхней атмосферы оптическими методами (Кируна, Швеция, 1992 г., Апатиты, Россия, 1993 г.) _

-на Рабочем Совещании по авроральной томографии (Кируна, Шве ция,1993 г.).

- на международной конференции по томографии ( Новосибирск, Росси! 1993 г.)

Кроме того, основные результаты опубликованы в 14 работах.

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цити рованной литературы. Текст содержит 170 страниц, включая 40 рисунков I 4 таблицы. Список цитированной литературы включает 124 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении, являющемся первой главой, обоснована актуальное^ работы, определены цели исследования, постановка задач, изложенс содержание диссертации и приведены положения, выносимые на защиту.

,Во второй главе рассмотрены существующие методы исследований ИО, определены характеристики и параметры ИО, представляющие наибольший интерес при диагностике ИО, их связь с параметрами окружающее геофизической среды, возможности аппаратуры наблюдения, измерения, регистрации этих характеристик и параметров, а также уровень разработок методов и средств обработки получаемой информации. Показано, что в настоящее время разработана разнообразная высокочувствительная оптическая аппаратура, охватывающая широкий диапазон измеряемых параметров и позволяющая регистрировать геометрические, спектральные, фотометрические, поляриметрические характеристики ИО; разработаны достаточно эффективные методики калибровки аппаратуры, позволяющие сопоставлять данные, полученные разнесенными в пространстве комплексами; известно несколько примеров восстановления внутренней структуры ИО для случаев осесимметричного распределения концентрации в оптически тонких условиях при резонансно-флюоресцентном механизме излучения;

имеется тенденция широкого внедрения методов и средств обработки изображений при оптической диагностике НО. Сделан вывод, что объективно существует необходимость развития методов, позволяющих восстанавливать внутреннюю структуру ИО и аппаратурно-методические предпосылки для успешного решения этой проблемы методами реконструктивной томографии (РТ), в частности, оптической реконструктивной томографии (ОРТ).

В связи с этим рассмотрены методы оптической томографии искусственных образований. Даны краткие основы метода РТ, рассмотрена специфика ИО, проанализированы процессы, происходящие в них, выявлены различные виды связи между регистрируемым излучением и внутренними параметрами ИО. Показано, что для решения поставленной задачи необходимо использовать уравнение переноса излучения(УПИ) и определен вид УПИ для различных типов и стадий развития ИО. Был проведен анализ применимости для восстановления внутренней структуры ИО трех видов томографических схем: трансмиссионной, эмиссионной томографии и томографии рассеивающих сред, определены пределы их применимости, преимущества и недостатки. Фактором, во-многом, влияющим на возможность применения тех или иных схем, является оптическая толща ИО. Были проведены расчеты, показывающие, как может меняться эта характеристика для ряда ИО в процессе развития и соответственно изменяться приемлемая томографическая схема регистрации и обработки данных.

Важной частью главы является проведенный информационный анализ, под которым в работе понимается комплексный анализ условий и эффективности применения методов ОРТ, в том числе определение необходимого числа проекций для восстановления структуры ИО, выбор оптимальных направлений проецирования, оценки информационной емкости томограмм, влияние точности измерений на точность восстановления и другие задачи. В результате такого анализа появляется возможность объективной оценки минимальных размеров восстанавливаемых неоднородностей в зависимо-

сти от энергии принимаемого оптического сигнала, связанного с временем экспозиции и временем "замороженности" объекта, а также с характеристиками оптической аппаратуры регистрации. Такие оценки приведены в данной главе. Были определены также требования к оптимальному выбору пунктов регистрации на основании использования количественного крите-риг информативности. Показана важность, эффективность и способы учета апр..орной информации об ИО.

Важным элементом при создании метода оптико-томографической реконструкции ИО является предварительное моделирование с использованием моделей ИО. В главе описан вид используемой модели, приведены результаты моделирования. Исследовано влияние на точность реконструкции количества проекций, их расположения, уровня шумов и различных алгоритмов реконструкции. Проанализированы особенности ряда алгоритмов томографической реконструкции применительно к таким объектам, как ИО. На основании этого анализа определены предпочтительные классы алгоритмов для дальнейшего использования при реконструкции ИО. Показано, что при оптимальном выборе проекций и при эффективной фильтрации шумов полезную информацию об ИО можно получить даже при использовании очень малого числа проекций, например, при трех проекциях в численном эксперименте была восстановлена достаточно сложная структура модели с приемлемой для практических целей точностью..

Таким образом, содержание первой главы позволяет говорить о.том, что разработаны методы для проведения оптико-томографической реконструкции ИО в ОКП.

Третья глава посвящена разработке концепции наземного экспериментального комплекса для оптической томографии ИО. Сформулированы и обоснованы требования, предъявляемые как к такому комплексу в целом, так и к его составным частям. На основании этих требований проанализированы характеристики различных типов оптической аппаратуры и определены наиболее предпочтительные для использования в комплексе. Опре-

делены также характеристики аппаратуры ввода оптической информации в ЭВМ и требуемые ресурсы компьютера для предварительной обработки информации и использования томографических алгоритмов. Показаны различия в ресурсах для разных режимов работы комплекса и для различных требуемых точностей реконструкции.

На основании разработанных требований к аппаратуре был проанализирован существующий в настоящее время оптический комплекс аппара у-ры и показано, что для решения ряда стоящих перед исследователями ИО задач этот комплекс может быть использован как элемент томографической системы. Создан также специализированный аппаратурный комплекс для ввода оптической информации в ЭВМ и ее обработки- от предварительной фильтрации* до визуализации восстановленных трехмерных распределений параметров внутри ИО.

С учетом результатов, полученных при моделировании, показывающих важную роль устранения шумов перед процедурой реконструкции, были проанализированы геометрические, яркостные искажения и искажения спектра пространственных частот, возникающие при регистрации изображений ИО. Разработаны специальные методы первичной обработки исходных ракурсных изображений ИО, которые позволяют устранять наиболее распространенные при наблюдениях ИО шумы, геометрические и яркостные искажения, контрастировать изображения, вычитать паразитный фон, изменять масштабы изображений и проводить пространственную привязку ракурсных изображений. Все эти операции позволяют получить из исходной оптической информации информацию, пригодную для использования в" алгоритмах реконструкции, которую называют обычно томографическими проекциями.

В четвертой главе рассмотрены результаты демонстрационного эксперимента по оптико-томографической реконструкции искусственного обра-

11

зования. Описаны условия, в которых проходил эксперимент по созданию искусственного бариевого облака на высоте 170 км на полигоне в средних

широтах, расположение пунктов наблюдения. Всего имелось три пункта наблюдения, в которых были размещены оптические комплексы, параметры которых проанализированы в третьей главе. Расположение комплексов было неоптимальным, но позволяло, судя по результатам моделирования, восстановить основные структурные особенности внутреннего распределения свечения и концентрации ионов бария в ИО. П лученная в эксперименте информация была обработана на специальном г тислительном комплексе, созданном также как элемент наземной томографической апларатурно-программной системы (томографа). Результаты восстановления были проанализированы с точки зрения их непротиворечия с априорными данными о конкретном ИО и с ранее надежно установленными физическими представлениями о возможном характере распределений параметров внутри ИО. Анализ подтвердил достаточную надежность полученных результатов для основных особенностей структуры полученного распределения. Так, в частности, в реконструированном распределении хорошо видны внутренние неоднородности - страты, наклоненные под углом к вертикальной координатной оси. Этот угол очень близок к углу наклона магнитного поля на данной широте к вертикальной оси, который определяется независимыми способами. Таким образом, эксперимент подтвердил работоспособность методики и позволил применить ее для другого объекта- полярного сияния. Было смоделировано полярное сияние в вида 2-х дуг и прлучение оптиче-.¿.V. ской информации применительно к реально проектируэмой системе ALIS. Использование моделирования и разработанного в методике информационного анализа, в частности, проверка информативности различных проекций позволило показать, что возможно достаточно эффективное восстановление внутреннего распределения свечения и такого сложного объекта, в

котором имеется лучевая структура и гармоническая модуляция. Было по-

i

казано, что возможно восстановление структуры с практически одинаковым качеством при числе проекции в два раза меньшем, чем предполагается в системе, при оптимальном выборе пунктов регистрации.

В заключении кратко суммированы общие выводы из результатов, представленных в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработан метод оптико-томографической реконструкции ИО в околоземной среде, концепция, стимальная схема и математическая модель наземного оптического томографа для исследований ИО.

2. Выполнен информационный анализ оптического томографа для исследований ИО, который позволил обосновать возможность и определить эффективность мало- и ультрамалоракурсной оптико-томографической реконструкции ИО и выявить зависимость точности реконструкции ИО от параметров томографа. На основе результатов информационного анализа определены исходные требования к экспериментальному оптическому томографу для исследований ИО.

3. Разработан комплекс алгоритмов и программ, реализующих математическую модель томографа и обеспечивающих цифровую обработку, коррекцию и нормализацию изображений ИО, получение из них томографических проекций ИО и реконструкцию ИО по его проекциям.

4. Создан специализированный аппаратурно-вычислительный комплекс для цифровой обработки изображений и реконструкции ИО.

с

5. С использованием многопозиционного оптического комплекса проведен демонстрационный эксперимент по оптико-томографической реконструкции ИО в ионосфере, который подтвердил полноту разработки методических основ и математических моделей, а также эффективность программно-методического обеспечения экспериментального наземного оптического томографа для исследований ИО в околоземной среде.

6. Получено пространственное распределение свечения и относительной концентрации ионов бария в искусственном плазменном образовании в

ионофере, а также проведено моделирование восстановления пространственной структуры свечения полярного сияния.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Алпатов В.В!, Гайдуков В.Ю., Милиневский Г.П., Романовский Ю.А. О методике опрг-деления параметров искусственных облаков (ИО) в ионосфере при обр ботке изображений ИО на ЭВМ.// V Всесоюзное совещание по исследованию динамически ' процессов в верхней атмосфере Земли:Тез. докл. -Обнинск, 1985. С. 127.

2. Алпатов В.В., Левин Г.Г., Пикапов В.В., Романовский Ю.А. Оптическая томография искусственных образований в околоземной среде. // Космические исследования. -1993.-Т.31.-вып.1.-С.121-135.

3. Булыгин Ф.В., Алпатов В.В., Левин Г.Г., Старостенко О.В. О возможности применения томографических методов для восстановления внутренней стру-ктуры искусственных образований в ионосфере. // Высокоскоростная фотог-рафия, фотоника и метрология быстропротекающих процессов: Тез. докл. 14 Всесоюзной научно-технической конференции.- Москва. 1989.-С. 101.

4. Алпатов В.В., Левин Г.Г.,Пикапов В.В., Романовский Ю.А. Результаты томографической реконструкции искусственных образований.//\/ Всесоюзный -Симпозиум по вычислительной томографии:Тез. докл.- Звенигород. 1992.-С.132.

5. Милиневский Г.П., Романовский Ю.А., Евтушевский A.M., Савченко В.А., Алпатов В.В., Гурвич A.B., Лившиц А.И. Оптические наблюдения в активных экспериментах по исследованию верхней атмосферы и ионосферы Земли. // Космические исследования.- 1990.- вып.3.-т.28. -С. 418-429 .

6. Милиневский Г.П.,Романовский Ю.А.,Алпатов В.В. и др. Оптические наблюдения искусстьенных облаков в верхней атмосфере.// Космические исследования.- 1993 г..-том 31.- вып.1.- С.41-54.

■__J/ I

7. Alpatov V.V. Studies of natural and artificial irregularities in the near space by optic tomography methods.// Proceedings of Tomography Workshop. 9-11 March 1993. Kiruna.Sweden. IRFTechnical Report 213. P.13-23.

8. Alpatov V.V. Information analysis in auroral tomography problems.// Abstracts of 20-th Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods. Af :itity,Russia. 14-18 September 1993. P.54.

9. Alpatov V.V., Bulygin F.V., Levin G.G., Pickalov V.V., Romanovsky Yu.A. Optical tomography techniques applied to study geophysical artificial structures. // SP1E. -Vol.1843 Analitical Methods for Optical Tomography. -1991 -P.297-311.

10. Alpatov V.V., Levin G.G., Pickalov V.V., Romanovsky Yu.A. Ultralow-view optic tomography of artificial structures in the ionosphere. // Proc. of the 19th Annual European Meeting on Atmoshperic Studies. Kiruna. Sweden. August 10-14 1993. IRF Scientific Report 207. 1992. P.511-517.

11. Alpatov V.V. .Pickalov V.V., Likhachov A.V. Informational analysis of auroral

tomograph.//Proceedings of Tomography Workshop. 9-11 March 1993. Kiruna.-

i,

Sweden. IRF Technical Report 213. P.35-46.

12. Alpatov V.V. Likhachov A.V., Pickalov V.V., Romanovsky Yu.A.. Optical tomography of natural and artificial optical disturbances in the near terrestrial space. // Abstracts of International Simposium on Tomography. 9-12 August 1993. Novosibirsk, Russia. P.124.

13. Levin G.G., Bulygin F.V.,and Alpatov V.V. Spectrotomography - a new method of studying the internal structure of the polychromatic objects.// Proceedings of Tomography Workshop. 9-11 March 1993. Kiruna.- Sweden. IRF Technical Report 213. P.49-59.

14. jAlpatov V.V., Belotserkovsky M.B., Evtushevsky A.N. et.al. Optical Observations of Phenomena During the Expansion of Alkali Metal Hot Clouds in the Earth's Upper Atmosphere. // XXVI COSPAR:Abst.of Int.Conf. 30 June-12 July 1986. -Toulouse.-France, 1986. P. 311.