Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Теоретический и экспериментальный анализ возможности дистанционного определения температуры поверхности океана по поляризационным измерениям микроволнового излучения с борта ИСЗ

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Теоретический и экспериментальный анализ возможности дистанционного определения температуры поверхности океана по поляризационным измерениям микроволнового излучения с борта ИСЗ"

Г Г Б ОД АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

МОРСКОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

на правах рукописи'

Ратнер Юрий Борисович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ОКЕАНА ГО ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С БОРТА ИСЗ

04.00.22 - геофизика

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

Севастополь 1994 г.

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Морском гидрофизическом институте АН Украины

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Суетин Вадим Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Кудрявцев Владимир Николаевич кандидат технических наук Михайлюк Юрий Петрович

Ведущая организация: Институт радиофизики и электроники'

Академии наук Украины, г. Харьков

Защита состоится МА^ 1994 г. в ^С часов н

заседании специализированного совета Д 016.01.01 при Морском гид рофиэическом институте АН Украины (335000. г. Севастополь, ул Капитанская 2).

С диссертацией, можно ознакомиться в библиотеке Морского гидро физического института АН Украины (335000. г. Севастополь, ул. Ка питанская 2).

. Автореферат разослан "М^' АПР&ЛЯ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного сове доктор физ.-мат. нау.

Суворов А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Наблюдение океана в микроволновом (СВЧ) диа-азоне электромагнитного спектра является одним'из высокоинформа-лвных способов дистанционного зондирования, который позволяет энтролировать большое многообразие параметров и динамических зоцессов, характеризующих состояние его поверхностного слоя, а в ^которых случаях и более глубоководных слоев. Одним из таких па-аметров, определение которого представляет научный и практически интерес, является температура поверхности океана (ТОО). Наря-{ с микроволновыми измерениями для решения этой задачи возможно ^пользование дистанционных измерений в инфракрасном (ИК) диала-эне электромагнитных волн. Методы определения ТПО по ИК-измере-етм в. настоящее время уже доведены до эксплуатационного уровня, э они могут быть использованы только в безоблачных условиях, что /щественно снижает возможности их практического применения. Мик-эволновые методы свободны от этого недостатка, однако их разви-ле сдерживается рядом факторов принципиального и технического зрактера.

При изучении возможностей и практическом определении ТПО по анным дистанционного зондирования в СВЧ-диапазоне спектра наибо-ге часто рассматриваются методы, основанные на использовании югоканальных спектральных и поляризационно-спектральных измере-т [Аквилонова A.B. и др., 1981; Петренко Б.3., 1983; Mllman .S., Wilheit Т.Т., 1985]. Вместе с тем, существует принципиальна возможность решения данной задачи с помощью более простого гтода, основанного на использовании двухканальных измерений, вы-злняемых на одной длине волны и двух поляризациях - вертикальной горизонтальной, при фиксированном угле наблюдения водной по-фхности. В этом случае обеспечивается более высокая достовер-зсть теоретического моделирования и оценки точности определения Ю, повышается надежность алгоритма решения рассматриваемой за-1чи, упрощается конструктивная схема радиометра, его калибровка.

также проведение экспериментальных исследований. Несмотря на леющиеся в литературных источниках указания на возможность прак-гаеской реализации данного подхода, до настоящего времени не бк-> выполнено достаточно детальной теоретической и эксперименталь-зй его проработки. Все вышесказанное в основном и определяет актуальность и нал-

равленность проведенных в работе исследований возможности определения ТПО по поляризационным измерениям микроволнового излучения

Цели работы заключались в развитии методик теоретических i экспериментальных исследований и изучении на их основе источнике] и уровней погрешностей определения ТПО по двухканальным поляризационным измерениям микроволнового излучения, а также построении i экспериментальной отработке эксплуатационного алгоритма определения ТПО.

Для обеспечения теоретического исследования поставленных зада' было необходимо разработать математическую модель зависимости радиотеплового излучения от наиболее существенных параметров состояния атмосферы и океана, влияющих на его интенсивность. Подробно« изучение источников и уровней погрешностей определения ТПО може^ быть выполнено на основе линейного подхода, с последующей оценкой влияния нелинейных эффектов. При этом важной задачей являетс$ обоснование возможности использования линейного алгоритма восстановления температуры по микроволновым измерениям, что позволилс бы значительно упростить обработку дистанционных данных и повысить ее надежность.

Для экспериментальной проверки сформулированных теоретически представлений могут быть использованы дистанционные измерена микроволнового излучения полученные со спутников "Космос-1151" i "Космос-1869". Учитывая специфику тлеющегося экспериментальное материала при выполнении экспериментальных исследований целесообразно применение методов регрессионного анализа эмпирических данных. Это обеспечит дополнительные возможности проверки и уточнения выводов, полученных на основе математического моделировали? рассматриваемой задачи, а также позволит уточнить калибровку радиометра.

Основные усилия при выполнении экспериментальных исследование должны быть направлены на контроль достоверности получаемых результатов. Эта проблема может быть решена на основе разработка математической модели регрессионного эксперимента и теоретического исследования зависимости получаемых результатов от условий егс выполнения.

Научная новизна работы заключается в изучении и экспериментальной проверке двухканальной схемы восстановления ТПО по поля-

- 5 -

гаационным измерениям микроволнового излучения.

На основе разработанной математической модели радиационно-гео-гаических зависимостей показано, что при использовании лоляриза-юнных измерений микроволнового излучения, с А-5-6 см, е услови-: отсутствия мощной облачности оцениваемая ошибка определения 10 составляет 0,5-1 К.- При этом оказывается возможным применение шейного алгоритма обработки поляризационных измерений, позволяло значительно упростить ее выполнение.

При определении ТПО по поляризационным измерениям микроволно-)го излучения требуется высокоточная стабилизация и контроль уг-)вого положения спутника. Для получения величин ТПО с уровнем )еднеквадратичной ошибки около 0,5-1 К, среднеквадратичная пог-гшность контроля углового положения ИСЗ должна быть не хуже 05-0,1 градуса.

Развита методика экспериментального исследования возможности и жтроля достоверности результатов определения ТПО по поляризаци-1ным микроволновым измерениям с борта ИСЗ, позволяющая уточнять :ходные теоретические представления о радиационно-геофизических цзисимостях и калибровку радиометра.

Получены эмпирические оценки параметров функциональной зависи->сти между ТПО и интенсивностью СВЧ-излучения водной поверхности длиной волны 3,2 см вертикальной и горизонтальной поляризации, )торые согласуются с представлениями, сформулированными на осно-; теоретического исследования решаемой задачи.

Реализована эксплуатационная система обработки дистанционных пфоволновых измерений, предназначенная для систематического фтирования крупномасштабных температурных полей Мирового океа-1.

Положения выносимые на защиту

1. Методы исследования источников и уровней погрешностей опре->ления ТПО, которые обеспечивают требуемую полноту их изучения и эстоверность получаемых результатов;

2. Теоретические и экспериментальные оценки точности определе-!я температуры водной поверхности по поляризационным измерениям 5кроволнового излучения;

3. Требования к точности контроля углового положения спутника т выполнении поляризационных, измерений СВЧ-излучения системы сеан-атмосфера с целью дистанционного определения температуры

- б -

поверхности океана;

4. Эксплуатационный алгоритм определения ТГО, позволяхлцш уточнять калибровку радиометра и теоретические представления < функциональной зависимости между температурой воды и микроволновым излучением океана и атмосферы.

Личный вклад автора в. проведенные исследования

Автором сформулирована математическая модель регрессионногс эксперимента, предложена математическая формулировка критерия, используемого для контроля достоверности его результатов, созданг подсистема тематической обработки спутниковой информации на ЭВМ, получены теоретические и экспериментальные оценки точности определения ТГО по поляризационным измерениям, построена серия кара поля поверхностной температуры северной Атлантики.

Практическая ценность. Выполненные исследования подтверждают возможность определения ТОО по двухканальным поляризационным микроволновым измерениям. На их основе разработана и апробирована эксплуатационная методика восстановления поля поверхностной температуры океана.

Результаты работы имеют практическое значение для развития методов определения ТОО по данным дистанционных СВЧ-радиометричес-ких измерений с целью глобального мониторинга обширных акваторий, регистрации крупномасштабных аномалий поля поверхностной температуры, оказывающих существенное влияние на погоду и климат Земли. Ее материалы могут^елужить основой для определения требований к перспективной СВЧ-аппаратуре, предназначенной для решения этой задачи. Они могут быть использованы при создании эксплуатационных методик, восстановления ТОО по данным дистанционных измерений микроволнового излучения с помощью перспективной СВЧ-радиометри-ческой аппаратуры, разрабатываемой, в.рамках проектов "ОКЕАН-У", "ПРИРОДА" и др.

Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию докладывались на И Съезде советских океанологов (Ялта, 1982 г.), б Всесоюзном совещании- семинаре по неконтактным методам исследования океанографических параметров (Москва, 1983 г. >, на Совещании-семинаре "Температура поверхности океана и методы ее измерения" (Калининград, 1984 г.), на Всесоюзном семинаре по распространению

диоволн и статистической радиофизике (Рига, . 1986 г. ), на 37 ■ждународном конгрессе МАФ (Швейцария, 1986 г.). на 3 Всесоюзном »вещании-семинаре по спутниковой гидрофизике (Севастополь, 1986 ), на 3 Съезде советских океанологов (Ленинград, 1987 г.), на 1учно-практической конференции НПО "Машиностроение" по дистанци-[ному зондированию (Москва,1990 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 ¡чатных работах, перечисленных в списке литературы.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введе-га, трех глав и заключения, содержит 147 страниц текста, 26 ри-'нков и 11 таблиц. Список литературы включает 78 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации ' обсуждаются особенности СВЧ-радио-гтрических методов дистанционного зондирования океана, • излагают-г современные представления о формировании радиотеплового излу-$ния системы океан-атмосфера (COA), регистрируемого на. борту Б. На основе сформулированной здесь математической модели ради-даонно-геофизических зависимостей выполняется теоретический ана-13 основных источников и уровня погрешности определения ТПО по шерениям микроволнового излучения.

В 1.1 изложены особенности СВЧ-радиометрических методов' дис-1нционного зондирования океана из космоса.

К особенностям, имеющим принципиальный характер, относится «ясность связи между радиотепловым излучением океана и атмосферы их состоянием. Это в наибольшей степени характерно для зависи-эстей, обусловленных ветровым воздействием на водную поверх-эсть, которые до настоящего времени не изучены с требуемой сте-энъю полноты, и, в то же время,- являются одними из наиболее ильных помех при определении ТПО по дистанционным измерениям ЗЧ-излучения COA. Дополнительные трудности связаны с крайне нив-эй интенсивностью радиотеплового излучения, которая на несколько эрядков ни?,се, чем в КК-диапазоне, что вызывает большие техкичес-ие сложности при его регистрации.

К особенностям технического характера, относятся недостаточно

высокая стабильность работы СВЧ-радиометров, сложность их калиб ровки при длительной работе на боту ИСЗ, более низкие, по сравне нию с Ж-диапазоном, точность измерения интенсивности излучения пространственное разрешение. Дополнительные помехи при определе нии ТШ могут возникать вследствие нарушений ориентации спутника

Вследствие вышеизложенных трудностей, СВЧ-радиометрические ме тоды до настоящего времени находятся в стадии экспериментально отработки. Из-за низкого пространственного разрешения они могу быть использованы для восстановления крупномасштабной компонент поля ТПО. При их практической реализации необходимо применят специальные алгоритмы обработки получаемой информации, направлен ные на устранение помех, связанных с недостаточной стабильность: работы микроволновых датчиков и трудностью их калибровки. Эт проблемы наложили существенный отпечаток на методологию и способ; выполнения исследований в рассматриваемой работе.

В 1.2 излагаются современные представления о формировании радиотеплового. излучения СОА и приводится его математическая мо дель.

Интенсивность - Ть микроволнового излучения системы океан-атмосфера, регистрируемого на борту ИСЗ, зависит от ТПО, характеристик пенного покрова и морских волн, связанных с ветром, наличия облачности и водяного пара в атмосфере. Математическая модели этих зависимостей, пригодная для изучения поставленной задачи, может быть записана в виде:

х - [*0(Х) + каОО-Ц + ки(х,Тс)-\«-Бес(<р) . (1)

Ть - гг*и(Т.У) -Т-ехрС-Г) + Та- [1-ехр(-<С)3-И+ехрС-С) • Е1-ав»СТ.у)Э>.

где ае*(Т,У) - коэффициент излучения водной поверхности, Та -эффективная температура атмосферы. Этой моделью учитывается влияние изменении ТПО - Т, скорости приповерхностного ветра -V, водо-запаса облаков - У, интегрального содержания водяного пара в атмосфере - Ц, эффективной температуры облачных капель - Тс и углг наблюдения водной поверхности <р. Первое слагаемое описывает вклад радиотеплового излучения океана, второе - восходящего излучения атмосферы -и нисходящего излучения атмосферы, отраженного водной поверхностью.

Эта модель построена исходя из сведений накопленных разными исследователями на основе натурных измерений микроволнового излучения с борта самолетов и морских платформ, а также теоретическо-

1 изучения отдельных механизмов*рздиотеплового излучения природ-й среды. В литературе описано несколько аналогичных моделей. llheit,1980; Francis et al,1983 и др.]. Особенностью модели, строенной в данной работе, является ее направленность на изуче-:е возможностей определения ТПО. Как и другие подобные ей моде;, она имеет достаточно приближенный характер, поэтому все ре-льтаты, получаемые с ее помощью, нуждаются в экспериментальной оверке.

В 1.3 на основе модельных расчетов изучается поляризационная тодика определения ТПО. Она базируется на использовании измере-:й, выполняемых на одной длине волны, двух поляризациях - верти-¡льной и горизонтальной - при фиксированном направлении наблюде-:я водной поверхности, отличном от вертикального. Исследования нтолняются на основе линейного приближения с последующей оценкой ;ияния нелинейности радиацконно-геофизических зависимостей на »грешность' определения ТОО. При получении количественных оценок ■личин погрешности' сделано предположение о случайном характере 1менчивости параметров COA и возможности предварительного разде-иия состояний ' морской поверхности по признаку наличия" ленных •разований. Ошибки определения ТПО оцениваются их срэднеквадра-ганой' величиной.

Основной задачей теоретических исследований являлось выяснение :обенностей радиационко-геофизических зависимостей позволяющих [ределять ТПО по поляризационным измерениям, несмотря на то, что шчество измерительных каналов в этом случае меньше числа вли-)щих факторов. Эта возможность реализуется благодаря выполнению ¡мерений на одной длине волны, вследствие чего происходит агре-фование всех атмосферных помех в одну, влияние которой па ин-¡нсивность радиотеплового излучения значительно уменьшается с ютом длины волны. Кроме того вклад изменений состояния атмосфе-I в вариации . радиотеплового излучения вертикальной и горизон-шьной поляризаций оказывается почти неотличимым от соответству-Ш эффектов, обусловленных' изменениями характеристик морских ш и пены. Все это способствует существенному уменьшению мето-меской погрешности определения ТПО. Поэтому, если измерения вы-злняются на длине волны 5-6 см, то согласно модельным■расчета«, *тодическая погрешность не превышает 0,2 К.

При длине волны 3,2 см, на которой выполнялись измерения со

спутников "Космос", уровень методической погрешности заметно вы ше, но основные особенности поляризационной .методики тлеющие мес то на длине волны 5-6 см, сохраняются. Это открывает принципиаль ную возможность ее проверки на основе имеющихся в нашем распоря женш экспериментальных данных, подученных со спутников "Кос мос-1151" и "Космос-1869".

На основе оценки погрешностей определения ТЛО, возникаюши вследствие нелинейности радиационно-геофизических' зависимостей выполненной с помощью имитационного моделирования, показано, чт< с учетом этого эффекта методическая погрешность увеличивается Однако и при х-5-б см и при А-3,2 см, с учетом достигнутых уров ней погрешностей регистрации интенсивности радиотеплового излучения для современных радиометров и точности контроля угла наблюдения водной поверхности, .влияние нелинейных эффектов не являете! доминирующим. Из, этого следует, что для определения ТПО може* быть использован линейный- алгоритм:

Т - «о + I «гТь(1) + аг-Ф (2)

1-1

Его использование позволяет значительно упростить обработку дистанционных измерений и повысить надежность получаемых результатов.

Дополнительными источниками ошибок определения ТПО являютс? погрешности регистрации микроволнового излучения и изменения углг наблюдения водной поверхности, возникающие из-за нарушений ориентации спутника. Последний из этих факторов оказывается весьмс сильным при использовании поляризационных измерений, что связанс со значительными изменениями коэффициента излучения водной поверхности при изменении ф. В связи с этим требуется высокоточная стабилизация и контроль изменений углов ориентации спутника. Если эти условия выполняются, то при линейном алгоритме обработки измерений на длине волны 5-6 см, и уровнях погрешностей измерений микроволнового излучения около 0,1 К, суммарная ошибка определения ТПО, с учетом методической погрешности, погрешностей регистрации интенсивности радиотеплового излучения и погрешности контроля угла наблюдения водной поверхности, оценивается величиной 0,5 - 1 К.

- 11 -

Во второй главе дается описание системы автоматизированной обработки данных дистанционных измерений, полученных со спутников "Космос-1151" и "Космос-1869", выполняется анализ стабильности работы аппаратуры и изучается взаимосвязь между изменениями интенсивности радиотеплового излучения и состояния атмосферы и океана.

В 2.1 излагаются основные сведения о системе автоматизированной обработки информации. Она была разработана в МГИ АН Украины. В ее создание большой вклад внес автор, настоящей работы. Описываемая система состоит из двух подсистем - подсистемы предварительной и подсистемы тематической обработки дистанционных данных.

Подсистема предварительной обработки предназначена для преобразования исходной формы представления дистанционных данных и контактных измерений гидрометеопараметров к форме, пригодной для их использования при решении научных и практических задач дистанционного зондирования. -

Подсистема тематической обработки предназначена для решения задач, непосредственно связанных с восстановлением ТПО, по полученным дистанционным микроволновым измерениям.. Основная её задача - реализация эксплуатационных методик определения ТПО и создание баз данных спутниковых ТПО,• которые могут использоваться в дальнейшем непосредственно для приложений.

. Для подсистемы тематической обработки характерно наличие многовариантных режимов работы. Это связано с различием состава, качества и количества исходных данных, необходимостью настройки отдельных параметров и программных модулей, которыми определяются результаты работы алгоритмов. Кроме того существует необходимость продолжения научных исследований задачи определения ТПО как таковой, что обусловлено её недостаточной изученностью в настоящее время. Вместе с тем, в отличие от подсистемы предварительной обработки, структура этой подсистемы уже не зависит от формата используемого телеметрического кадра, а определяется только содержательными особенностями информации и решаемых задач.- Поэтому, данная подсистема мотет быть достаточно универсальной и не требовать существенной переделки при переходе к обработке данных приборов новых поколений.^Требуемая универсальность подсистемы те:;, тической обработки была- достигнута автором на основе применения методов структурного проектирования программных систем.

В 2.2 изложены сведения об объемах информации и обеспеченности дистанционными измерениями отдельных акваторий Мирового океана.' Здесь приведены результаты, относящиеся к оценке стабильности работы радиометра "РАДОН-П", с помощью которого выполнялись поляризационные измерения с длиной волны 3,2 см со спутников "Кос-мос-1151" и "Космос-1869". Большое внимание в данном параграфе уделено изучению взаимосвязи между изменчивостью интенсивности микроволнового излучения и состояния COA.

Для выполнения дальнейших экспериментальных исследований важное значение имеют полученные здесь оценки стабильности работы СВЧ-радиометрической аппаратуры. Они были найдены на основе калибровки радиометра по переходам "суша-хюре"- Шетренко, 19831 для 20 сеансов дистанционных измерений. С их использованием показано, что если при реализации линейного алгоритма определения ТПО - (1) осуществлять уточнение коэффициента ао на каждом сеансе дистанционных измерений, то .это позволяет существенно снизить ошибки ее восстановления, вызванные нестабильностью рабочих характеристик радиометра. При таком способе обработки имеющихся микроволновых данных обеспечивается возможность исключения калибровки микроволнового датчика на каждом сеансе дистанционных измерений. Это вначительно упрощает-, алгоритм определения ТПО и расширяет объемы эмпирических данных, пригодных.для выполнения экспериментальных исследований.

С целью уточнения , представлений о радиационно-геофизических зависимостях и - особенностях полученных данных была изучена взаимосвязь между изменчивостью интенсивности радиотеплового излучения, зарегистрированного радиометром "РАДОН-П" и состоянием COA. Эти исследования выполнялись с привлечением гидрометеоинформации, нанесенной на карты анализа погоды и волнения, выпускавшиеся Гидрометцентром СССР. Приведенные здесь материалы наглядно иллюстрируют связь между изменчивостью радиотеплового излучения и процессами, происходящими в системе океан-атмосфера - циклонами,штор-" мами, атмосферными фронтами и т.д. Изучение радиационно-ветровых зависимостей, предпринятое на основе прямого сопоставления вариаций интенсивности радиотеплового излучения и квазисинхронных по пространству и времени контактных измерений скоросгл ветра, демонстрирует качественное соответствие меаду аеореткческиш предположениями, взлаченными б их математическую модель и данными

эксперимента.

В третьей главе выполняется экспериментальный анализ^ двухка-нальной методики восстановления "ГШ по поляризационным измерениям микроволнового излучения.

В основе используемого подхода к выполнению экспериментальных исследований и построению эксплуатационной методики определения ТПО лежит линейный алгоритм обработки дистанционных данных. В силу приближенного характера теоретических представлений о формировании радиотеплового излучения', параметры линейной функциональной зависимости - «о, «1 и «г целесообразно уточнять по имеющимся экспериментальным данным, на основе применения методов регрессионного анализа. Это позволяет также уточнить калибровку радиометра. Для получения' эмпирических оценок коэффициентов функциональной зависимости должны быть сформированы специальные тестовые массивы, содержаще наряду с дистанционными измерениями также и контактные измерения ТПО в некоторых реперных точках акватории океана.•

В 3.1 на основе математической модели регрессионного эксперимента, изучены условия, необходимые для обеспечения достоверности получаемых эмпирических оценок. Согласно результатам модельных расчетов, приведенным в диссертации, для этого в формируемом тестовом массиве необходим достаточно большой перепад ТПО, не менее 4 К в среднем квадратичном, а также независимая существенная изменчивость скорости ветра и облачности. Контроль, выполнения этих условий может производиться на основе рассмотрения областей Пз -допустимых значений коэффициентов функциональной зависимости -«-(«1,«2,с£Г.)т: ,

Йз - < а: (сС-с£о)т-6-С«-о(о) + б02 < Б2 > , (3)

. где «о ~ регрессионная оценка, коэффициентов функциональной зависимости; г - некоторый априорно заданный,- исходя из возможностей конкретной СВЧ-измерительной системы, уровень погрешности определения ТПО. Область Яз представляет собой эллипсоид с центром в точке «о, полуосями, направление которых задается собственными векторами матрицы (3 - ковариаций измеренных радиояркостных темп-ратур, оцененной по сформированному тестовому массиву эмпиричес-

- 14 -

ких данных, а длины - с^ равны:

йл - / (в2 - 6о2)/^ (4)

где ^ - собственные числа матрицы е.

В качестве источника контактной информации о ТПО могут использоваться ее среднемесячные климатические величины. Согласно имеющимся оценкам их точность вне энергоактивных зон, например таких, как участок акватории северной Атлантики, примыкающий к течению Гольфстрим, составляет около 0,5 К, что не уступает точности имеющихся судовых измерений этого параметра. Учитывая ожидаемую точность восстановления ТПО по данным ИСЗ "Космос-1151м, и то, что для получения достоверных оценок ее перепад в тестовом массиве должен примерно на порядок превышать погрешности климатических данных, это не приведет к большим ошибкам в эмпирических оценках точности и параметров функциональной зависимости. С другой стороны климатической информацией могут быть обеспечены практически все имеющиеся дистанционные измерения, что значительно облегчает формирование репрезентативных тестовых массивов.

В 3.2 на основе использования данных, полученных с ИСЗ "Космос- 1151" было сформировано несколько вариантов тестовых массивов и проверено соответствие полученных эмпирических оценок точности и параметров функциональной зависимости теоретическим представлениям, сформулированным в 1.3 и 3.1. Основные результаты выполненных экспериментальных исследований проиллюстрируем конкретным примером, относящимся к одному из тестовых массивов.

Этот массив был сформирован по данным, относящимся к 10 сеансам дистанционных измерений, выполненных, над акваторией северной Атлантики в ночное время суток. При его получении осуществлялось . осреднение дистанционных измерений по элементу разрешения радиометра, что способствовало уменьшению влияния флуктуационных пог-. решностей регистрации интенсивности микроволнового излучения на результаты определения ТПО. Каждый из рассматриваемых сеансов содержал не менее 25-30 осредненных отсчетов. Объем сформированного массива' составил .324 осредненных измерения. Среднеквадратичное значение перепада ТПО для всех отобранных сеансов дистанционных измерений было не меньше 3,5 К. Средний угол наблюдения водкой поверхности ф изменялся в пределах от 50 до 56 градусов, в то

время, как вариации его величин на каждом отдельном сеансе не превышали 2°.

Эмпирические оценки коэффициентов и среднеквадратичной погрешности определения ТПО, полученные по сформированному массиву представлены в таблице 1. Здесь также приведены соответствующие модельные оценки этих величин, полученные в 3.1 для базового модельного варианта тестового массива. Для облегчения сопоставления модельных и эмпирических оценок в табл.1 приведены сведения о среднем значении угла наблюдения - фо, среднеквадратичной величине перепада ТПО - бт и угла наблюдения водной поверхности - 6f.

Полученные оценки «о и б0 согласуются с результатами модельных расчетов, представленными в п. 3.1 и результатами экспериментов с радиометром SMMR, установленном на спутниках SEASAT и Nimbus-7. Эти оценки также неплохо согласуются с результатами исследования радиационно-ветровых зависимостей, приведенными в 2.2.

О степени однозначности оценивания эмпирических значений а и соответствия полученных эмпирических оценок имеющимся теоретическим представлениям южно судить по сечениям областей ßs, соответствующих эмпирическому массиву и базовому варианту модельного тестового массива. Примеры сечений даны на рис.1. При выбранном значении s, которое соответствует ожидаемой точности определения ТПО по имеющимся данным, размеры областей $2s невелики, и они не пересекаются с координатными осями. Это-свидетельствует об устойчивости оценок «, полученных по эмпирическим данным и ó том, что все три измерительных канала, используемых в (1), играют существенную роль при определении ТПО. Данный результат является следствием и показателем репрезентативности сформированных эмпирических массивов. Он подтверждается анализом изменчивости сигналов цля каналов в которых выполняются измерения: с длиной волны 3,2 зм, вертикальной и горизонтальной поляризаций и 1,35 см, при наблюдении в надир; данных карт погоды, соответствующих районам и времени дистанционных съемок.

Здесь приведены также и результаты экспериментальных исследований зависимости Оо и б0 от угла наблюдения водной поверхности и эсобенностей определения ТПО, в условиях, когда при ее восстановлении контрольная информация об изменении углового положения спутника не используется. Они согласуются с теоретическими оце,т нами, приведенными в п.1.3 и п.3.1.

Таблица 1.

Тестовый массив п N <Рт бг бт 0С1о «2о бо

Эмпирический 10 324 53,5 0,74 5,1 2,3 -1.2 -4,0 1,65

Модельный ^ - - 53,5 0,5 5 .2,3 -1,1 -5,0 1,55

2

а)

1

гЗ

-2

«1

I-1-

-2 -1 О аг

б)

гЗ

-2

0(1

(-1-1-1-1-1 I

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 О

О

Рис.1.

В 3.3 излагаются результаты определения ТПО, полученные по данным поляризационных измерений, выполненных- со спутника "Космос- 1869". Вследствие низкой точности контроля его углового положения использование этой информации имеет ограниченные возможности для выяснения научных аспектов решаемой задачи. В то же время, в силу наличия достаточно больших объемов дистанционных данных, ее можно использовать для методической отработки элементов' эксплуатационной системы, предназначенной для систематического картирования крупномасштабных температурных полей океана.

На основе обработки дистанционных измерений была получена серия карт полей ТПО северной Атлантики за период с ноября 1987 по ноябрь 1988 г. Изучено влияние выбора масштабов временного и пространственного осреднения на точность осредненных величин температуры водной поверхности. Выполнено сопоставление карты ТПО, полученной по микроволновым измерениям, при пространственных масштабах осреднения 5° и 2° по широте и долготе и временном интервале осреднения 1 месяц с аналогичным образом построенной картой, полученной на основе обработки инфракрасных измерений, .выполненных с помощью радиометра АШШ-2, установленного на американском спутнике КОДА-9, которое показало качественное согласие между ними при пятиградусном пространственном масштабе осреднения.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

1. Разработаны методы теоретического и экспериментального анализа источников и уровней погрешностей определения ТПО по двухка-нальным угловым поляризационным измерениям микроволнового излучения с длиной волны в диапазоне 3-10 см. Они основаны на использовании линейного подхода к анализу точности и построению практического алгоритма определения ТПО, в сочетании с применением методов регрессионного анализа для экспериментального уточнения имеющихся теоретических представлений о зависимости между температурой водной поверхности и используемыми микроволновыми измерениями.

2. Одним из источников погрешности определения ТПО по поляризационным микроволновым измерениям является изменчивость атмосферы, влияние которой не может быть полностью исключено на оснг" используемого набора измерительных каналов. Однако с ростом длины волны роль атмосферных помех значительно ослабевает. Кроме того

влияние изменений облачности и водяного пара, характеристик пенного покрова и морских волн на радиотепловое излучение вертикальной и горизонтальной поляризаций имеет почти одинаковый характер. В результате, при использовании поляризационных измерений микроволнового излучения с А-5-6 см, в условиях отсутствия мощной облачности, оцениваемая среднеквадратичная ошибка определения ТПО ■составляет 0,5-1 К. При таком уровне погрешностей восстановления температуры водной поверхности оказывается возможным применение линейного алгоритма обработки поляризационных измерений, позволяющего значительно упростить ее выполнение.

.3. На основе выполнения модельных расчетов показано, что при определении температуры поверхности океана по поляризационным измерениям микроволнового излучения требуется высокая точность стабилизации и контроля углов ориентации спутника. Для обеспечения точности восстановления ТПО на уровне 0,5-1 К точность контроля углов ориентации должна быть не хуже 0,05-0,1°. При нарушении этих требований точность двухполяризационной • методики существенно ухудшается. Этот вывод подтверждаются соответствующими результа.-тами экспериментальных исследований, выполненных на основе привлечения дистанционных измерений, полученных со спутников "Космос- 1151" и "Космос-1869".

4. Эмпирические оценки коэффициентов линейной функциональной зависимости и точности определения ТПО, полученные на основе дистанционных измерений, выполненных со спутника "Космос-1151", согласуются с соответствующими теоретическими оценками. Это служит подтверждением справедливости представлений, заложенных в основу математической модели радиационно-геофизических зависимостей и полученных на ее основе оценок точности определения ТПО по данным перспективной СВЧ-радиометрической аппаратуры.

5. Разработана и апробирована на практике эксплуатационная методика определения ТПО по двухканальным поляризационным микроволновым измерениям. На основе обработки данных дистанционных микроволновых измерений* полученных со спутника "Космос-1869", построена серия карт поля поверхностной температуры северной Атлантики и выполнено сопоставление полученных величин ШО с другими источниками информации об этом параметре.

Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в следующих работах (в скобках указаны соавторы):

1. Определение температура океана по поляризационным измерениям микроволнового излучения. В кн.: Дистанционное зондирование океана, Севастополь: МГИ АН УССР, 1982, с. 23-29. (Суетин B.C.)

2. Методика и результаты определения температуры поверхности океана по данным дистанционного зондирования, в СВЧ-диапазоне, полученным в эксперименте с ЙСЗ "Космос-1151" В кн.: Неконтактные методы и средства измерений океанографических параметров. М.: Гидрометеоиэдат, 1986, с. 140-143. (Суетин B.C.)

3. Expirements on Remote Measurements of the Sea Surface Temperatures. 37-Congress'IAF. Insbruk, Austria, 1986, 16 pp. (Korotaev G.K., Suetln V.S., Korolev S.N.)

4". Эмпирический анализ точности определения температуры поверхности океана по многоканальным дистанционным' микроволновым измерениям. Исследование океана дистанционными методами/ Тр. ■ 3 Всесоюзного совещания-семинара по спутниковой гидрофизике. Севастополь, 1986. - Деп. ВИНИТИ 12.05.87, N 3393-В87, с. 11 - 28. (Суетин B.C.)

5. Оценка точности определения скорости приводного ветра по одноканальным измерениям радиотеплового излучения с ИСЗ "Кос-мос-1602". //Исследование океана дистанционными методами/ Тр. 3 Всесоюзного совещания-семинара по спутниковой гидрофизике. Севастополь, 1986. - Деп. ВИНИТИ 12.05.87., N 3393-В87, с. 29 -35. (Суетин B.C., Жулинский A.A.)

б.. Линейный регрессионный анализ зависимости между поляризаци-энными измерениями микроволнового излучения с ИСЗ "Космос-1151" и температурой поверхности океана. // Исследование Земли из космоса. 1987, К З, с. 66 - 69. (Суетин B.C.)'

7. Отчет по теме "Разработать систему комплексной обработки ЗВЧ- и инфракрасных данных для всепогодного определения температурных полей". // Шифр 0.08.07.04, N гос. регистрации )187.0018094, ВНТИцентр вдв. N 0288.0078248, 1988, 173 с. (Суетин J.C., Игнатов A.M. и др.)

8. Теоретический и экспериментальный анализ задачи определена температуры поверхности' океана по поляризационным измерениям (икроволнового излучения//Исследование океана дистанционными методами Тр. 8 Всесоюзного совещания-семинара по спутниковой гщц )изике. Севастополь, 1991. - Деп. ВИНИТИ 24.12.91, N 4745-В91, с. ¡-11. (Суетин B.C.)