Распространение и рассеяние волн в случайно неоднородных средах. Том 2 - Исимару А.
Скачать (прямая ссылка):
Глава 22
Дистанционное зондирование и методы обращения
Дистанционное зондирование окружающей среды на основе анализа распространения и рассеяния волн представляет большой интерес, поскольку оно является одним из способов исследования свойств среды и ее влияния на линии связи, а также служит для обнаружения и отождествления объектов, расположенных в различных средах. Например, дистанционное зондирование тропосферы используется для предсказания погоды, целенаправленного изменения погоды, исследования загрязнений, предупреждения о штормах и обеспечения безопасности воздушного сообщения. Полезность и важность дистанционного зондирования обусловлены необходимостью получения данных о среде в обширной области пространства в течение ограниченного промежутка времени. Решение этой задачи обычными методами оказывается либо недопустимо дорогим, либо фактически невозможным [394].
В этой главе мы рассмотрим сначала некоторые аспекты дистанционного зондирования тропосферы. Будут приведены результаты зондирования атмосферной турбулентности и скорости ветра. При дистанционном зондировании ошибки измерения часто существенно возрастают в процессе извлечения нужной информации. Это соответствует так называемой некорректно поставленной задаче, при решении которой необходимо прибегать к специальным методам обращения, позволяющим уменьшить эти ошибки до приемлемой величины. Мы опишем три основных метода обращения: метод сглаживания (регуляризации), метод статистического обращения и метод обращения Бакуса — Гильберта.
Мы рассмотрим также кратко дистанционное зондирование геофизических характеристик земной атмосферы, поверхности океана и земной поверхности, а также подповерхностных сред. Будут затронуты и вопросы дистанционного зондирования атмосфер планет и солнечного ветра. В связи с описанием методов обращения будет рассмотрено дистанционное зондирование распределения частиц по размерам, играющее важную роль в физике атмосферы и океана. Дистанционное зондирование биологических сред представляет собой важную область исследований, однако мы здесь не будем касаться этого вопроса [9, 113, 374].
Дистанционное зондирование и методы обращения
247
22.1. Дистанционное зондирование тропосферы
Методы дистанционного зондирования тропосферы [90, 91, 224, 394, 567] можно разбить на два вида: пассивные и активные. К пассивным системам зондирования относятся такие системы, которые просто принимают собственное излучение исследуемого объекта, например излучение газа и аэрозольных компонент атмосферы или излучение Солнца, Луны или планет. В качестве примера можно назвать радиометрические методы. К активным системам зондирования относятся такие системы, в которых сигнал излучается передатчиком, взаимодействует со средой или мишенью, а затем принимается и измеряется. Примерами могут служить радиолокаторы, лидары, звуковые локаторы, просвечивание в пределах прямой видимости, радиокартографирование и голографические методы.
При зондировании атмосферы [91] можно выделить два типа взаимодействия: молекулярное и взаимодействие с флуктуациями показателя преломления. В первом из них молекулы атмосферы взаимодействуют с волной, вызывая ее поглощение и рассеяние. Сечения поглощения и рассеяния зависят от свойств данной молекулы, частоты и свойств окружающей среды (давления, температуры). Характеристики рассеяния и поглощения диэлектрических сфер, к которым относятся частицы дымки, тумана и дождевые капли, могут быть точно вычислены на основе теории Ми. Если размер частицы мал по сравнению с длиной волны, то можно использовать формулы рэлеевского рассеяния (гл. 2). По измерениям характеристик рассеяния могут быть найдены распределение частиц по размерам и их показатель преломления. Однако при этом необходимо прибегать к методам обращения. Эти вопросы обсуждаются ниже в разд. 22.4—22.8.
Рассеяние Ми и рэлеевское рассеяние могут иметь место при любых длинах волн. «Флуоресцентное» рассеяние происходит только в том случае, когда частота падающей волны лежит в полосе поглощения частицы. Оно вызывает переход в более высокое энергетическое состояние и излучение на частотах, равных или лежащих ниже, чем исходная частота. Этот случай называется стоксовой флуоресценцией. Излучение на более высоких частотах соответствует так называемой антистоксовой флуоресценции. Комбинационное рассеяние, хотя и является более слабым по сравнению с упомянутыми выше процессами рассеяния, тем не менее оказывается полезным благодаря тому, что оно происходит независимо от частоты падающей волны. Комбинационное рассеяние содержит ряд линий на частотах v ± vi, v ± V2,.. ., где v — частота падающей волны. Нижние частоты называются стоксовыми линиями, а верхние— антистоксовыми линиями (подробнее см. в работе [334]).
248
Глава 22
Импульсно-доплеровские радиолокаторы могут быть использованы для изучения движения атмосферы [90] (см. также ультразвуковое зондирование течения крови [9]). Поскольку им-пульсно-доплеровский радиолокатор может измерять фазу, он позволяет оценивать спектр радиальной компоненты скорости частиц и турбулентности в рассеивающем объеме. Кроме того, этот метод дает информацию о сечениях рассеяния, отражательной способности и плотности. Доплеровские радиолокаторы использовались в исследованиях по физике облаков, при оценке систем предупреждения о штормах, а также полей скорости ветра и турбулентности. Система из двух или более доплеровских радиолокаторов используется для триангуляционного определения положения шторма и для разрешения компонент его скорости.
