Исследование и разработка методов построения математических моделей атмосферных явлений на основе экспериментальных данных

Научно-технический и технологический уровень развития человечества во многом определяют компоненты его прогрессивной и устойчивой жизнедеятельности. При этом необходимость прогнозирования возможных отклонений от нормального функционирования технических систем и явлений является неотъемлемой частью жизнедеятельности человечества. В этой связи одним из важных моментов является создание системы мониторинга объектов в реальном масштабе времени.

Из реализуемых на практике систем мониторинга объектов следует особо отметить реализацию с помощью оптико-цифровых комплексов дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения из космоса, работающих в автономном режиме (ДЗЗ^). Оценка результатов функционирования ДЗЗх, (да и большинства других технических систем) в процессе их эксплуатации в зависимости от метеорологических и геофизических факторов требует создания комплекса датчиков для оценки этих факторов в реальном масштабе времени, что не всегда возможно — особенно в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра. В этой связи создание аналитических моделей для прогнозирования состояния физических явлений и технических систем с неизвестными или сложными законами функционирования на основе экспериментальных данных, полученных ранее при проведении исследований по оценке метеорологических и геофизических факторов, является актуальным. Задачи, решаемые с помощью ДЗЗа, путём съёмки поверхности различными методами (объектовая, маршрутная, стереоскопическая, статическая, динамическая, спектрометрическая и топографическая), позволяют выполнить:

— оценку техногенных процессов;

— оценку наличия полезных ископаемых;

— оценку реальной ситуации.

Для повышения достоверности получаемых при ДЗЗд. данных важно учитывать состояние атмосферы в момент съёмки, что требует введения дополнительных систем и накладывает дополнительную нагрузку на служебные системы. Состояние атмосферы определяется происходящими в ней физическими явлениями. В дальнейшем будем называть физические явления в атмосфере атмосферными явлениями. Одним из параметров атмосферы, который необходимо учитывать при ДЗЗ*, является коэффициент её пропускания.

На пропускание атмосферой излучения существенное влияние оказывают поглощение составляющих её газов и рассеяние на частицах, молекулах и аэрозолях. При этом количественно присутствие одних газов (например, углекислого) достаточно постоянно, других (особенного водяного пара) -сильно варьируется в зависимости от различных географических и экологических условий.

Сильное влияние на пропускание атмосферы в конкретный момент времени может оказывать текущая метеорологическая обстановка — в частности, наличие таких явлений как дождь, туман, облачность. Из-за различий в уровне влажности значения коэффициента пропускания отличаются для различных климатических зон.

Анализ исследований, посвященных оценке и прогнозированию влияния пропускания атмосферы на прохождение в ней инфракрасного излучения, показал, что существующие методы и модели в основном предполагают использование различных измерительных систем или наличие специальных таблиц и баз данных со сведениями о коэффициентах рассеяния и поглощения и прочей информацией.

Поэтому актуальной является разработка алгоритмов для оценки и прогнозирования значений коэффициента пропускания атмосферы на основе аналитического представления экспериментальных данных, полученных ранее, для проведения мониторинга объектов без дополнительных измерительных систем и наличия специальных баз данных. Решение данной задачи позволит повысить эффективность распознавания, увеличить «дальность» получения чёткого изображения системами зондирования и мониторинга.

В дальнейшем аналитические модели для прогнозирования состояния физических явлений и технических систем будем называть прогнозными аналитическими моделями. Возможно создание прогнозных моделей и не в аналитической форме представления, но это не является предметом настоящей диссертационной работы.

Цель работы — разработка метода и алгоритмов построения аналитических моделей для прогнозирования состояния физических явлений с неизвестными или сложными законами функционирования на основе экспериментальных данных, полученных ранее, применительно к оценке коэффициента пропускания атмосферы при проведении мониторинга объектов в оптическом диапазоне спектра.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Анализ принципов построения прогнозных аналитических моделей на основе экспериментальных данных;

2. Развитие алгоритмов и разработка метода построения на основе экспериментальных данных прогнозных аналитических моделей физических явлений;

3. Анализ существующих методов оценки пропускания атмосферой инфракрасного излучения в среднем и дальнем диапазоне спектра;

4. Применение разработанного метода построения прогнозных аналитических моделей для оценки пропускания атмосферой инфракрасного излучения в спектральных диапазонах [3,0- 5,2] и [8- 14] мкм.

Объектом исследования в данной работе являются методы построения математических моделей физических явлений на основе экспериментальных данных.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы построения прогнозных аналитических моделей атмосферных явлений на основе экспериментальных данных.

Методы исследования. В работе применены численные методы, методы математической статистики, компьютерное моделирование, методы теории ошибок, методы программной инженерии и теории систем.

Научная новизна.

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной.

1. Принципы разбиения диапазонов экспериментальных данных на изотропные участки для их последующего аналитического представления.

2. Метод построения прогнозных аналитических моделей с различной степенью детализации на основе экспериментальных данных.

3. Алгоритмы построения прогнозных аналитических моделей для оценки пропускания атмосферы в спектральных диапазонах [3,0- 5,2] и [8- 14] мкм.

Практическая ценность работы составляют:

1. Алгоритмы построения прогнозных моделей для оценки пропускания атмосферы на основе экспериментальных данных.

2. Расчётные соотношения для спектральных диапазонов [3,0- 5,2] и [8- 14] мкм.

Разработанные алгоритмы и метод построения прогнозных аналитических моделей с различной степенью детализации позволили получить:

1. Ожидаемые характеристики работы оптико-электронных комплексов для визуализации обстановки с применением моделей атмосферных явлений на основе экспериментальных данных в ООО «АвтоВизус».

2. Ожидаемые характеристики оптико-электронного комплекса для измерения нижней границы облаков ДОЛ-2, разработанного в ООО «ЛОМО МЕТЕО».

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Принцип представления прогнозных аналитических моделей атмосферных явлений в виде композиции отдельных компонент.

2. Принципы разбиения диапазонов экспериментальных данных на изотропные участки для их последующего аналитического представления.

3. Метод построения на основе экспериментальных данных прогнозных аналитических моделей с различной степенью детализации.

4. Алгоритмы построения на основе экспериментальных данных прогнозных аналитических моделей коэффициента пропускания атмосферы.

5. Расчётные соотношения, полученные для оценки коэффициента пропускания атмосферы в спектральных диапазонах [3,0- 5,2] и [8- 14] мкм.

Достоверность полученных результатов определяется корректностью использования математического аппарата и подтверждается результатами компьютерного моделирования.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы были использованы компаниями ООО «ЛОМО МЕТЕО» и ООО «АвтоВизус», внедрены в учебный процесс на кафедрах ИПМ и ОЦСиК в НИУ ИТМО.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на конференциях: XXXIX научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2−5 февраля 2010 г.

VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 20−23 апреля 2010 г.

Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям AIS-IT'10, Россия, Дивноморское, 4−10 сентября 2010 г.

XL научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 1−4 февраля 2011 г.

VIII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 12−15 апреля 2011 г.

Международный конгресс по интеллектуальным системам и информационным технологиям IS&IT'll, Россия, Дивноморское, 2−9 сентября 2011 г.

Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2011», Одесса, 20−27 декабря 2011 г.

XLI научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО, Санкт-Петербург, 31 января-3 февраля 2012 г.

I конференция молодых ученых «Будущее оптики» для молодых специалистов, кандидатов наук, аспирантов и студентов оптической отрасли и смежных дисциплин из Санкт-Петербурга и Ленинградской области, Санкт-Петербург, ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И. Вавилова» 2-А апреля 2012 г.

I Всероссийский конгресс молодых ученых, НИУ ИТМО, Санкт-Петербург, 10−13 апреля 2012 г.

Публикации.

Теоретические и практические результаты, представленные в диссертации, отражены в 11 научных работах [12−16, 31−36], из которых три статьи опубликованы в рецензируемых журналах из перечня ВАК.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы.

Выводы.

В главе решалась задача получения расчётных соотношений для оценки коэффициента пропускания атмосферы при проведении мониторинга в оптическом диапазоне спектра.

Сначала была рассмотрена физическая природа явления прохождения инфракрасного излучения атмосферы. Так же были проанализированы существующие методы оценки пропускания атмосферы, подтверждена актуальность поставленной задачи.

Для решения данной задачи применялись принципы разбиения диапазонов экспериментальных данных на изотропные участки и метод построения аналитических моделей с различной степенью детализации на основе экспериментальных данных, предложенные в главе 2.

В качестве экспериментальных данных были взяты данные в спектральных диапазонах [3,0- 5,2] и [8- 14] мкм, известные из литературных источников.

После трёх этапов моделирования для диапазона [8- 14] мкм была получена модель в виде композиции двух компонент — базовой и дополнительной, учитывающей климатические условия. В модели для диапазона [3,0- 5,2] мкм для учёта текущих климатических условий применяются различные коэффициенты в расчётных соотношениях.

Для обоих спектральных диапазонов были разработаны алгоритмы разбиения на изотропные участки.

Полученные расчётные соотношения показывают достаточную точность (с учётом того, что дальность видимости не измеряется при оценки), что подтверждается вычисленными значениями коэффициента детерминации и максимального абсолютного отклонения исходных данных от расчётных.

Заключение

.

В ходе выполнения диссертационной работы были проанализированы существующие принципы построения аналитических моделей физических явлений на основе экспериментальных данных и выполнено развитие существующих методов и алгоритмов для построения прогнозных аналитических моделей на основе экспериментальных данных. Получены следующие результаты:

1. Предложен принцип выделения отдельных компонент в структуре прогнозных аналитических моделей, описывающих атмосферные явления на основе экспериментальных данных.

2. Сформулированы принципы разбиения диапазонов экспериментальных данных на изотропные участки для их последующего аналитического представления.

3. Предложен метод построения на основе экспериментальных данных прогнозных аналитических моделей с различной степенью детализации.

4. Разработаны алгоритмы построения прогнозных аналитических моделей для оценки коэффициента пропускания атмосферы в средней и дальней области инфракрасного диапазона спектра ([3,0- 5,2] и [8- 14] мкм).

5. Получены расчётные соотношения для оценки величины коэффициента пропускания атмосферы на основе известных экспериментальных данных в спектральных диапазонах [3,0- 5,2] и [8- 14] мкм.

Научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при создании оптико-электронных систем ДЗЗя, — в частности, на предприятиях: ООО «JIOMO МЕТЕО», ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева», ООО «АвтоВизус».

Дальнейшее развитие научных исследований по теме диссертационной работы целесообразно проводить в направлении исследования применимости предложенных алгоритмов к оценке пропускания атмосферы в других спектральных диапазонах, а также к прогнозированию иных физических явлений.