автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.12, диссертация на тему:Использование пассивных оптических средств для дистанционного определения биооптического состояния природных вод

?\0

V . .

1

о

\\\оа ^

НАУЧНО-*ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ МИКРОПРИБОРОВ НТО "ЭЛАСГ

На правах рукописи

' ЕФИМОВ СЕРГЕИ ЕШЖНТЬЕВИЧ

I . •

УЯК 56Г.45Э.5Й29.78

I

ИСГОЛЬЗОВАНИЕ ПАССИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИООПГИЧЕСКОШ СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД

! '

I ■ ' ' •

I 050712 - дистанционные аэрокосмические исследования

: . У • ...

' ■'■.•■. ' ч .

АВТОРЕФЕРАТ /

диссертациила соискание ученой степени кандидата технических яаук ^

Долгопрудный 1993

Работа выполнена в Московском физико-техническом институте

'• . - ! . Научные руководители: доктор физ.-мат. наук, профессор

Кондранин Т.В. * I

' кандидат физ.-мат. Наук, ст.н.с. " •

Васильков АЛ I

Официальные оппоненты:. доктор технических наук,-профессор

Ходарев Ш(.

кандидат фиэ.-мат. наук, ст.н.с.* -Буренкоз В.И. _ .

I '

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский 1 , 1 институт Физико-технических и

радиотехнических измерений

' Запета состоится "_" _1993 г. в _час.

на заседании специализированного совета Д 142.06.02 при НИИ Никроприбороь НТО "ЭЛАС": 103460, Москва, НИИ Ми'кроприборов

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ Микроприборов

\

Автореферат разослан "_"__1993 г.

Ученей сс:фгтарь

специализированного совета, ///

д.'ГН-, профессор '

.Широ Г.Э.

X. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Развитие . дистанционных методов определения бкооптического состояния природных вод приобретает ь настоящее время особую актуальность в связи с задачами охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. Разработка- таких мзтодоз требует комплексного экспериментально-теоретического изучения характеристик поля восходящего излучения как в целях. повышения информативности существующих методик дистанционного зондирования так и для . создания новых. Эти задачи могут быть решены путем разработки модели, связывающей Физические и биологические явления и опирающейся как на теоретические предпосылки, так и на надежный экспериментальный материал.

Важную информацию о распределении жизни в океане несет свечение морского планктона (явление биолюминесценции). Применение биолюминесценции в дистанционном зондировании обещает быть важным дополнительным каналом оптической информации . исследования и контроля состояния окружающей среды.

Сокращение затрат на финансирование разработок новой аппаратуры активизирует решение задач, связанных с использованием аппаратуры, создаваемой в рамках конверсии. Именно такими системами являются разрабатываемые в НПЦ "ОТГЭКС" НПО "ЭЛАС" многоспектральные камеры видимого диапазона, предказкаченные для наблюдения подстилающей поверхности Земли. Использование данной аппаратуры для мониторинга биооптического состояния природных вод и обнаружения биолюминесцентных аномалий имеет больпов практическое значение для изучения океанических ресурсов, оценки . их запасов и темпа расходования, возможности сохранения и восстановления.

Цели и задачи работы. Целью диссертации являлось исследование возможности мониторинга биооптического состояния океана с помощью многоспектральных камер видимого диапазона, разрабатываемых в НПЦ "ОГГГЭКС" НПО "ЭЛАС".

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующее задачи:

1. Разработка физико-математическрй модели формирования и трансформации биооптического сигнала - в системе "источник-излучения, верхний слой океана, взволнованная граница'раздела, приемник".

2. Программная реализация модели.

3. Расчетно-параметрическое исследование влияния параметров среды на величину информационного сигнала.

4. Проведение в натурных условиях эксперимента по дистанционной регистрации • возмущенных полей биолюминесценции, обусловленных природными факторами и косяками рыб с помощью калиброванного, макета прибора.

5- Анализ основных тактико-технических характеристик камеры КСЭ-ВД-03 (разработки НЩ "ОГГГЭКС" НПО "ЭЛАС") с точки зрения пригодности для решения круга задач, связанных с исследованием водных бассейнов.

6- Разработка методики использования не калиброванных спутниковых данных для восстановления абсолютных значений концентрации хлорофилла.

Научная новизна работы' заключается в том, что: I. Раз'работана приближенная методика расчета поля биояюминесцентного излучения в системе, океан-атмосфера, впервые учитывающая пространственную структуру излучателя, влияние волнения, реальные оптические свойства атмосферы и моря. На ■ основе систематических расчетов по предложенной методике

выдвинуты требования к аппаратуре' дистанционного зондирования биолюминесцентных источников. Проведены расчеты отношения сигнал - шум при использовании существующих систем дистанционного зондирования, работающих в видимом диапазоне спектра (на основе ФЭУ, телевизионных камер, ГВС), для обнаружения биолюминесцентных объектов.

I. Впервые проведены 'дистанционные измерения поля биолюминесценции возбуждаемой как естественными так и искусственными источниками в абсолютных единицах. Проведена интерпретация полученных данных. Определена предельная глубиьа обнаружения биолюминесцентных источников.

3. Проанализированы основные тактико-технические характеристики камеры КОЭ-ВД-ОЗ и круг задач, связанных с исследованием водных бассейнов, которые адекватны этим характеристикам. Предложена методика использования некалиброванных спутниковых данных для восстановления абсолютных значений концентрации хлорофилла.

Достоверность представленных данных обеспечивается:

1. Корректной физической и математической постановкой задачи.

2. Выбором адекватной Физической модели ч обосновании сделанных допущений.

I

,3. Систематической проверкой алгоритмов на тестовых примерах.

4. Сопоставлением с данными натурных измерений.

Практическая ценность работы. Результаты и выводы работы, а также разработанные пакеты программ, могут быть непосредственно, использованы в практика дистанционного зондирования: для расчета трансформации биооптического сигнала в системе "источник излучения, верхний слой океана, взволнованная граница раздела, приемник"; прогнозирования ночных Фоновых условий освещенности, при которых возможна работа систем поиска биолюминесцентных аномалий. Пакет программ по • обработке спутниковой информации

используется в ПО "Полет" при проведении ОКР по созданию комплекса космический аппарат плюс КОЭ-ВД-ОЗ и адаптации камеры для решения задач по определению качества .природных вод. Положения, вынссимые на защиту. '

1. Методика расчета характеристик поля биолюминесцэнтного из лучения в системе океан-атмосфера, учитывающая пространственную структуру излучателя, влияние волнения, 1>еальные оптические свойства атмосферы и моря.

2. Интерпретация экспериментальных результатов дистанционного зондирования биолюминесцентных полей.

3. Расчет отношения сигнал-шум для различных типов существующих оптико-электронных систем при использовании их в дистанционном зондировании биолюминесценции.

4. Методика использования некалиброванных спутниковых данных для восстань зления абсолютных значений концентрации хлорофилла.

Апробация работы. Основные результаты диссертации представлялись на стендовом докладе на Международном радиационном симпозиуме в городе Таллине (1592 г.), а также рассматривались на научных семинарах в ИО РАН и ежегодных научных конференциях МФТИ (1988 - 1991 гг.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем машинописного текста составляет 90 страниц,' список литературы содержит 121 наименование. Работа иллюстрирована' 35 рисунками, е тексте 13 те.блиц. ' ~

И. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.' I- введении обоснована актуальность темы, сформулированы ця^к у задачи работы.

В глэеэ х сформулированы наиболее существенные дня целей

диссертации свойства биолюминесценции..Проведены оценки отношения сигнал-шум для регистратора биолюминесценции, расположенного на уровне моря, в зависимости от Фоновых условий к гл. бин источника излучения. Обсуждены основы пассивных дистанционных оптических методов зондирования океана. Выбрана теоретическая модель оптических свойств атмосферы и толщи моря, необходимая для аппаратурного, методического, . программного обеспечения и интерпретации данных пассивных ■ оптических средстг по дистанционному. определению биооптического состояния природных вод.

В главе и изложены ьетоды и результаты расчета переноса излучения от биолюминесцентного источника в системе "морская среда - взволнованная граница раздела - атмосфера". Дана Физико-математическая постановка задачи. Океан моделируется полубесконечным горизонтально однородным п.лоскостратифицированным слоем рассеивающей и поглощающей среды. Й океану приыыкяет плоско-параллельный горизонтально однородный слой рассеивающей среды, моделирующий оптические свойства атмосферы, учитывающей молекулярное к аэрозольное рассеяние. Граница раздела океан-атмосфера предполагается взволнованной. Верхняя граница атмосферы освещена мононаправленным лунным излучением. В океане на глубине ь находится пространственный изотропный вертикально' стратифицированный симметричный относительно вертикальной оси ог источник биолюминесцентного излучения с объемной плотностью Биолюминесцентный сигнал, распространяясь в морской воде и атмосфере, попадает на вход Фотоприемной системы дистанционного зондирования с заданными оптико-электронными характеристиками и находящейся на произвольной высоте н в атмосфере. Требуется определить:

I. Мощность световой энергии, поступающей на вход Фотопрке'мноЯ

о

системы.

• 2. Отношение сигнал-шум на выходе приемного тракта.

Для решения задачи перэноса оптического сигнала в морской среде использовались численные (метод Монте-Карло) и приближенные (малоуглсвое приближение (МУП>) методы решения уравнения перекоса излучения (УПИ).

Методом Монте-Карло рассчитана освещенность над взволнованной морской поверхность» от точечного изотропного источника света (ТИИС). Исследована зависимость решения от оптических характеристик трассы распространения сигнала, а также скорости приводного ветра. Показано, что индикатриса рассеяния СЕЭта морской воды незначительно влияет на поле освещенности от ТИИС над невзволнованной морской поверхность». Расчет поля излучения вне области полного внутреннего отражения может производится по аналитическим Формулам с погрешностью менее 10 « если известны. вероятность выживания Фотона л и показатель ослабления <= морской воды. Введение , волнения сказывается преимущественно в увеличении освещенности вне угла полного внутреннего отражения. Данный эффект затухает с глубиной и мал при тн > 3 'лн - £ н,.гдэ н - глубина ТИИС).

На основе МУП разработан приближенный метод расчета поля биолюмикесцентного излучения в • .системе океан-атмосфера, учитывающий пространственную структуру излучателя, влияние волнения, реальные оптические свойства атмосферы и моря. Данный метод реализован на ЭВМ в виде пакета программ, моделирующих изображена?) погруженных объектов, наблюдаемых через взволнованную границу раздела с авиакосмического носителя. Погрешность расчета з М.УП для. диапазона глубин 0 < т '< 10 оценена сравненном с расчетами по методу Монте-Кг.рло. На основе полученнь;> результатов крове длиы расчогь: пространственного рас.преде лрния сигнала на

поверхности моря от различных источников излучения. Исследованы возможности алгоритма линейной Фильтрации для подавления шумов сигнала поверхностного '^рассеяния Сон Формирует изображение морской поверхности, которое накладывается на изображение объекта-наблюдения) . Найдено, что эффективное подавление ^¡.:ов (коэффициент, контраста шумов менее 10%) при скорости ветра V - з м/с наблюдается при размере окна Фильтра - 0-2 м; для V - 5 м/с о - 0.5 м; V - 7 м/с о - I и.

»л, л л

В .'главе ш изложены результаты исследования поля биолюминесценции в натурных условиях.

Для проведения измерений использовался спектрофотометр, состоящий из объектива ТАИР-300 с углом поля зрения 2-г .= турели с набором- светофильтров и Фотоумножителя ОЗУ-51. Использование /специального светофильтра позволило, повысить отношение биолючинеСцентный сигнал - астрономический Фон в данной оптико-электронной системе более чем в 3 раза.

Для расчетов переноса биоломинесцентного излучения в морской

воде и атмосфере необходимы абсолютные значения мощности сигнала,

для чего прибор был откалиброван. Найденная пороговая

чувствительность ФЭУ Рпор. = 10 Вт- Минимальная регистрируемая

я ?

прибором яркость в = С 10 Вт/м ср что по порядку величины сравнимо с яркостью ночного безлунного неба.

Эксперименты проводились в сентябре 1990 г.. в северо-восточной части Черного моря . Измерялась биолюминесценция в кильватерном следе судна и от движущихся дельфинов. При регистрации ' биолюминесценции была решена задача выделения биолюминесцентного сигаала из суммарного, включающего Фоновую засветку, обусловленную диффузным рассеянием толшей моря и отражением от поверхности излучения астрономических источников. Предложена методика оценки влияния диФФузно рассеянного излучения

астрономического Фона на воздушных пузырьках, которая повышает достоверность интерпретации сигнала от зоны кильватерного следа " судна. Следует заметить, что наблюдавшийся уровень биолюминесценции был относительно слабый. В то же-время отношение сигнал - Фон существенно превышало единицу.

Измерения, показали, что прибор уверенно регистрирует биолюминесценцию, возбуждаемую движущимися впереди судна дельфинами. Измеренная яркость "свечения" дельфинов Вд * 5-Ю-7 Вт/см^-срХ ' -

В • связи с регистрацией биолюминесценции, возбуждаемой движущимися дельфинами, были проведены оценки предельной глубины обнаружения дельфинов ' или косяков рыб. 'Косяк рыб в первом приближении рассматривался как плоский изотропный источник с яркостью в расположенный на глубине н. Для оценки предельной глубины видимости полагалось, что пороговая мощность регистрации сигнала определяется дробовыми шумами ФЗУ. Расчеты для яркости

-•7 о

источников в -5-ю ■ Вт/См"" -срз (зарегистрированной в эксперименте) показали, что при типичном для прибрежных вод значении показателя поглощения * 0.2 предельная глубина видимости 15 м соответствует условиям безлунной ночи.

В главе IV рассмотрено влияние ночной Фоновой освещенности на возможное время наблюдения ' биолюминесцентных полей в зависимости от места наблюдений и сезона- Определено среднее за год время для поиска косяков на широтах от 45° до 70°. Приведены оценки времени однократного обнаружения косяка для конкретных морей.

На основе, развитого в диссертации системного подхода к дистанционному зондированию биолюминесценции проведено исследование влияния выбора условий наблюдения на качество .аэрокосмического изображения, для характеристик которого

использовались общепринятые критерии - контраст к и отношение сигнал-шум s/n. Исследована зависимость величин к и s/w от оптических > характеристик морской толщи, взволнованности поверхности, параметров атмосферы и ряда основных характеристик используемой аппаратуры. Найдено, что при разрешении свыше 10 м влияние ,шумов сигнала поверхностного рассеяния на . качество изображения мало (коэффициент вариации не превышает 10%' при скорости ветра менее 10 м/с). Показано, что существующие аэрокосмические системы дистанционного зондирования Земли на основе ПЗС могут использоваться для обнаружения биолюминесцентных полей при сообщении их с электронно-оптическим преобразователем, имеющим коэффициент усиления порядка ID при охлаждаемом ПЗС и порядка 100 при обычных условиях. Низкочувствительные ТВ-системы могут использоваться в аэрокосмическом зондировании биолюминесценции без всяких переделок.

В глава v был проведен анализ технических характеристик • разрабатываемых в НЩ "0ГПЭКС" НПО "ЭЛАС" многоспектральных камер видимого диапазона с целью - оценки их возможностей для дистанционного зондирования водных сред. Рассмотрены две .группы" возможных задач экологического мониторинга океана в отсутствие и при наличии абсолютной калибровки видеоспектрометра. Показано, что для- характерных яркостей морской поверхности (МО к>Вт м ср~* мкм~"Ь значения регистрируемых контрастов менее 54 что является достаточным для обнаружения поверхностных загрязнений из космоса. Путем калибровки каналов наблюдения достаточно' надежно восстанавливается количественная информация о концентрации хлорофилла и взвеси в морской воде.

Далее исследовались .возможности использования метода спектральной кривизны для дистанционного определения биооя гического состояния вод океана. Метод спектральной кривизны

на требует калибровки приемных - каналов, в нем концентрация хлорофилла схл связывается с кривизной спектральной зависимости яркости l восходящего излучения в диапазоне 460 < х. < 520 нм:

CLC490323

log С - а Ь log G22 G22 =

хл LC460J LC 520}

Предложенная методика использовалась HACA для восстановления

концентрации хлорофилла при малых высотах полета (менее

*

километра). С увеличением высоты полета ь точность восстановления падала и при ь > 3 км методика давала неудовлетворительные результаты даже при высокой прозрачности атмосферы.

На основе полученных в последнее время данных 6 спектральной прозрачности атмосферы над океанскими и прибрежными районами (океанский регион характеризуется заметно большей стабильностью оптических свойств по сравнению с прибрежным), в однократном приближении находилась яркость атмосферной дымки на уровне а&рокосмичэского носителя. Использование однократного приближения основывается на малости, оптической толщины безоблачной атмосферы и подтверждается натурными экспериментами. Расчет коэффициента спектральной яркости океана производился в квазиоднократном приближении. Яркое тный сигнал loo, .принимаемый радиометром на спутнике, полагался равным сумме сигнало", приходящих от моря и атмосферной дымки. Затем определялась зависимость логарифма величины «га от концентрации хлорифкпла для различных высот наблюдения и атмосферных условий. Через полученный ряд точек методом наименьших квадратов проводилась прямая и определялись регрессионные коэффициенту а . и ь. Такжг. изучалось влияние оптич-< их параметров атмосферы на изменчивость информационного г?.ргмртрэ с-гг. Для малых высот, наблюдения полученные результаты

неплохо согласовывались с зкеперкнйнталлнымк данными.

Было найдено, что в рамках предложенной модели удается восстанавливать концентрацию хлорофилла по методу спектральной кривизны с погрешностью менее 0.2iog с при 0.2 м^/мэ < с < j мг/м9. Использование усредненных регрессионных коэффициентов при зондировании океана и побережья незначительно ухудшает точность восстановления хлорофилла по сравнению с прибрежным районом. Так как даже в водах I типа коэффициент корреляции между хлорофиллом и другими оптически-активными компонентами не равен I, то в регрессионное соотношение связи между хлорофиллом и оптически-активными компонентами морской воды (взвесь., желтое вещество) с помощь» генератора случайных чисел вводилась неопределенность. Расчеты показали, что коэффициент корреляции между log сгг и ' log с имеет значение больше О.Э при коэффициенте корреляции между хлорофиллом и оптически активными компонентами морской воды 0.7 (для вод I типа он обычно больше 0.8).

В задачах дистанционного определения бисоптического состояния вод важной величиной является регистрируемое число градаций содержания хлорофилла. Сравнение по этому параметру метода спектральной кривизны и метода, использующего атмосферную коррекцию Гордона, показало, что при атмосферной коррекции разрешается приблизительно в полтора _ раза больше градаций содержания хлорофилла. Однако неопределенность в знании точного значения спектральной солнечной освещенности "(к которой малочувствителен метод спектральной кривизны) может вносить в метод Гордона погрешность того жэ порядка, что и ошибка в принимаемом сигнале. Это позволяет в первом приближении считать, что метод восстановления абсолютных . значений концентрации хлорофилла на основе атмосферной коррекции Гордона и метод спектральной кривизны сопоставимы пс точности, при отсутствии

*

необходимости для второго метода в абсолютной калибровке и знании точного угла Солнца.

'Далее исследовался вопрос о возможности применения индекса цвета (отношения яркости излучения на двух длинах волн I = ¡-сх1э ✓ 1-сх2э на уровне космического носителя) для определения содержания схл без использования атмосферной коррекции. Было показано, что значительные вариации индекса цвета не позволят однозначно определять содержание хлорофилла.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в работе.

1. Разработана методика решения .прямой задачи Формирования информационного сигнала, генерируемого объемным биолюминесцентным источником, в системе "океан - атмосфера - приемник". Исследована зависимость ' решения от оптических характеристик трассы распространения сигнала, а также, скорости приводного ветра.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования ряда биолюминесцентных источников в натурных условиях с помощью откалиброванного спектрофотометра.'

3. Проведены расчеты сигнально-Фонозых характеристик для различных типов существующих и перспективных оптико-электронных

А •

систем дистанционного зондирования, . с целью^ определения необходимых доработок для повышения информативности при наблюдении возмущенных шлей биолюминесценции.

4. На основе метода спектральной кривизны разработана методика восстановления.абсолютных значений концентрации хлорофилла при дистанционном зондировании природных вод многоспектральными системами в отсутствие бортовой калибровки.

5. Проведен анализ возможностей камеры оптико-электронной • 'л ¿п.чого диапазона обзора земли (К0Э-ЕД-03) и разрабатываемых

камер .данной серии по восстановлению йар?.мэтров : качества Природных вод (концентрации хлорофилла и взвеси). ;

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликован« в следующих печатных раоотах: •

1. Ефимов С.Е Влияние волнения моря на распределение освещенности над поверхностью от заглубленного точечного изотропного источника свэта//Прйнладные задачи аэромеханики й геокосмической Физики. -М: изд. МФТИ ,1990, .С. 27 - 30

2. Ефимов C.B. Дистанционные исследования биолюминесценции , в Черном море//Прикладные задачи аэромеханики и геокосмцческой

Физики. -М: иэд, МФТИ Д991, С. 116'- КО '

3. Ефимов C.B. Влияние фоновой освещённости на возможность регистрации биолюминесцентных полей //Прикладные задачи аэромеханики и геокосмической физики. -М: изд. МФТИ Д992. С. 34

- 41 ■ '' . ' ; ' .

4. Еасильков АД, Ефимов C.B., Кондранкн Т.В. • О дистанционном наблюдении биолюминесценции в море // Океанология,

. -1992, -Т. 32. N 4. -С. 769 773

5. Ефимов СВ. Моделирование ' изображений объемных биолюминесцентных источников в океане. //Прикладные задачи аэромеханики й гэокосмической Физики. -М: иэд. МФТИ, 1932, С. 59

- 63 \ '

6. Ef i mov S.V., Kondranin T. V. and Vasilkov A. P. Calculation of visibility of the- volume biolumi.ieseence sources in the ocean. The 3 International Radiation Symposium. Tallin. 1Э92, P. 108.