Лидарное зондирование природных вод для решения задач промысловой океанографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Горяинов Виктор Сергеевич

• Горяинов Виктор Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Горяинов Виктор Сергеевич

Введение

1. Теоретические основы лидарного метода зондирования

водной среды

1.1 Первичные и вторичные гидрооптические характеристики природных вод

1.1.1 Поглощение и рассеяние света в водной среде

1.1.2 Угловые характеристики рассеяния

1.1.3 Вторичные гидрооптические характеристики

1.1.4 Коэффициенты диффузного ослабления

1.2 Поверхностные процессы

1.3 Оптически активные компоненты природных вод

1.3.1 Чистая морская вода

1.3.2 Растворённое органическое вещество

1.3.3 Органическая и неорганическая взвесь

1.3.4 Фитопланктон

1.4 Основное лидарное уравнение

1.4.1 Решение лидарного уравнения

1.4.2 Метод базового сигнала

1.5 Выводы

2. Инструментальное обеспечение лидарного метода зондирования водной среды

2.1 История лидарных методов и примеры ранних лидарных

систем

2.2 Примеры современных лидарных систем

2.2.1 Лидар FLOE

2.2.2 Лидар ПАЛ-1М

2.2.3 Лидар SHOALS-1000T

2.2.4 Авиационный поляризационный лидар АПЛ

2.2.5 Морской поляризационный лидар ПЛД-1

2.2.6 Лидар Университета штата Монтана

2.3 Выводы

3. Методика применения лидара для зондирования водной среды

3.1 Конструкция судового лидара «Гидробионт»

3.2 Размещение лидара при зондировании

3.3 Оценка прозрачности морской воды

3.4 Батиметрические измерения

3.5 Зондирование погруженных объектов

3.6 Спектральные измерения

3.7 Выводы

4. Методика и результаты восстановления гидрооптических характеристик водной среды по данным лидарного зондирования

4.1 Модификация метода базового сигнала

4.2 Обработка данных лидарного зондирования вод Охотского

моря

4.3 Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Программный код для моделирования и аппроксимации лидарных эхо-сигналов

126

Введение

Необходимость изучения Мирового океана и уточнения его экологической роли не вызывает сомнений. Океан действует как колоссальный аккумулятор тепловой энергии и различных химических веществ, во многом определяя климат планеты и поддерживая циркуляцию биогенов. Фотосинтез фитопланктона, населяющего морскую воду, в значительной степени влияет на процентное соотношение кислорода и углекислого газа в земной атмосфере, начиная с докембрийского периода [1].

Континентальный шельф хранит огромные запасы нефти и газа, железо-марганцевых руд и других полезных ископаемых. Эксплуатация этих ресурсов регулируется международными договорами [2].

Водные биоресурсы представляют важный компонент в рационе человечества. Согласно данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) [3], благополучие населения численностью до 500 млн человек, проживающих преимущественно в развивающихся странах, зависит от рыболовства и аквакультуры. В 2011 году мировая добыча рыбы и морских животных превысила 150 млн тонн, причём до трети этого объёма обеспечивается аквакультурой.

Существенная часть рыбных ресурсов испытывает повышенную нагрузку вследствие чрезмерно активного лова и изменения условий среды обитания. В этой связи высока значимость технологий для быстрой и достоверной оценки биопродуктивности промысловых регионов, а также для определения видового состава рыбных ресурсов и уменьшения доли прилова.

Ряд областей человеческой деятельности: рыболовство, сельское хозяйство, добыча полезных ископаемых и энергетика, водный транспорт, химическая промышленность, — связан с загрязнением Мирового океана, в том числе нефтью и нефтепродуктами, радиоактивными веществами. Защите морской среды и сокращению загрязнения посвящён ряд международных соглашений [4].

С середины XX века известна идея комплексного изучения характеристик морской среды, оказывающих влияние на её биологическое разнообразие и продуктивность. В 1961 г. вышла в свет книга И. Хела и Т. Левасту [5],

обобщившая имеющиеся практические сведения о связях между условиями среды обитания и численностью промысловых видов рыбы, а также предложившая концепцию промысловой океанографии, включающую прогнозирование вероятного улова в том или ином районе океана. Более поздняя (1966 г.) резолюция рабочей группы ФАО дала определение рыбопромысловой океанографии как «науки, занимающейся изучением живых ресурсов моря с использованием тех аспектов океанографии (включая биологию, физическую океанографию, морскую химию, метеорологию и геологию), которые влияют на их численность, доступность и условия промысла».

Хотя исторически для изучения водной среды раньше начали применяться контактные методы, однако по мере развития элементной базы и методов обработки данных растёт информативность и расширяется сфера применения дистанционных методов, базирующихся на разработке и применении оптико-электронных и радиоэлектронных приборов и систем. Среди них наибольшее значение приобретают лидары — оптические локаторы, т. к. современный этап развития лидарных методов позволяет применять их и для дистанционного исследования Мирового океана.

Лидарные методы обладают рядом преимуществ по сравнению с другими методами, применяемыми в гидрофизике и гидрооптике, в том числе дистанционными. Лидары относятся к активным приборам дистанционного зондирования, что означает их независимость от солнечного освещения и относительно малое влияние на результаты измерений внешних условий. В то же время использование зондирующего излучения оптического диапазона позволяет получать информацию о вертикальной структуре среды под поверхностью, поскольку поглощение водой в видимой области спектра крайне мало по сравнению, например, с поглощением радиоволн.

Высокая скорость зондирования даёт возможность наблюдения квазисиноптического распределения измеряемой величины на большой площади, то есть распределения значений, соответствующего относительно короткому промежутку времени.

Лидарные системы могут устанавливаться на различных носителях и применяться совместно с другими методами для повышения достоверности данных дистанционного зондирования. Так, например, применение акустических эхолотов даёт мало информации о приповерхностном неоднородном слое воды. Совместное использование эхолота и лидарной системы позво-

ляет заполнить этот пробел и использовать данные, полученные одним из методов, в качестве опорных для другого [6; 7].

В то же время, как и другие дистанционные методы, лидарные методы относятся к косвенным, что затрудняет получение абсолютных значений определяемых величин по данным зондирования. С этой целью требуется дальнейшая разработка и совершенствование математических методов обработки данных зондирования.

Вышесказанное позволяет отнести лидарное зондирование к наиболее перспективным методам дистанционного зондирования Мирового океана для решения задач промысловой океанографии.

Целью данной работы является исследование лидарного метода зондирования природных вод для определения их биологической продуктивности и возможностей их использования в промысловом рыболовстве.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Проанализировать теоретические сведения об оптических свойствах компонентов природных вод и процессах, лежащих в основе лидарного зондирования водной среды.

2. Изучить имеющийся опыт создания и использования лидарных систем для зондирования водной среды, описанный в научных публикациях.

3. Сформулировать требования к конструкции и условиям применения лидарной системы для зондирования природных вод.

4. Провести лабораторные и натурные испытания разработанного и изготовленного опытного образца лидара.

5. Провести измерения параметров водной среды в натурных условиях (прибрежные воды Чёрного моря).

6. Разработать алгоритм обработки данных лидарного зондирования для определения гидрофизических параметров природных вод.

7. Обработать результаты зондирования прибрежных вод Чёрного моря и дистанционного зондирования вод Охотского моря лидаром, установленным на борту самолёта-лаборатории.

8. Сделать заключение о результатах испытания опытного образца судового лидара и рекомендовать его для серийного производства.

Научная новизна:

1. Впервые сформулированы требования к конструкции лидара для одновременного определения прозрачности природных вод, содержания в них растворённых органических веществ и фитопланктона.

2. Лидар с длиной волны зондирующего излучения 532 нм, двумя приёмными поляризационными каналами, работающими на исходной длине волны, и тремя приёмными спектральными каналами с рабочими длинами волн 610, 651 и 685 нм впервые был применён для зондирования природных вод.

3. Впервые было проведено исследование прибрежных вод Чёрного моря путём дистанционного зондирования лидаром с длиной волны зондирующего излучения 532 нм, двумя приёмными поляризационными каналами, работающими на исходной длине волны, и тремя приёмными спектральными каналами с рабочими длинами волн 610, 651 и 685 нм.

4. Разработан алгоритм определения прозрачности воды и обнаружения слоёв повышенного рассеяния путём аппроксимации лидарного эхо-сигнала асимметричной гауссовой кривой. Программная реализация алгоритма защищена свидетельством о регистрации программы для ЭВМ №

Практическая значимость выполненного исследования состоит в разработке метода лидарного зондирования вод Мирового океана для определения биологически продуктивных районов. Сформулированы требования к лидарным системам, используемым для решения задач промыслового рыболовства и определения экологического состояния природных вод исследуемых регионов.

Mетодология и методы исследования. При решении поставленных задач использовались основные теоретические положения гидрооптики, методы проектирования и практического использования оптико-электронных приборов дистанционного зондирования. Применялись аппроксимация данных лидарного зондирования аналитическими функциями и методы математической статистики. Для выполнения расчётов были использованы среда для статистических вычислений R [8] и математический пакет Scilab [9]. Для построения карт и обработки спутниковых данных использовалась геоинформационная система GRASS GIS [10].

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Для дистанционной оценки биологической продуктивности природных вод наиболее универсальна конструкция лидара с длиной волны зондирующего излучения 532 нм, двумя приёмными поляризационными каналами, работающими на исходной длине волны 532 нм, позволяющими определять вертикальный профиль коэффициента рассеяния, и приёмными спектральными каналами с рабочими длинами волн 610, 651 и 685 нм, соответствующими спектральным полосам комбинационного рассеяния, флуоресценции растворённого органического вещества и флуоресценции хлорофилла.

2. Лидар с длиной волны зондирующего излучения 532 нм, двумя приёмными поляризационными каналами, работающими на исходной длине волны, и приёмными спектральными каналами с рабочими длинами волн 610, 651 и 685 нм, установленный не ниже 3,5 м над поверхностью воды, при углах зондирования 0 ... 62 ° и прозрачности воды по белому диску не менее 2 м обеспечивает обнаружение и идентификацию неподвижных и движущихся объектов размером не менее 10 см на глубинах до 10 м, что соответствует условиям обнаружения скоплений пелагических видов рыб.

3. Алгоритм, основанный на аппроксимации лидарного эхо-сигнала асимметричной гауссовой кривой, позволяет сократить время определения коэффициента диффузного ослабления К в 1,5 раза по сравнению с методом базового сигнала, использующим экспоненциальную функцию.

Достоверность полученных результатов обеспечивается опорой на теоретические положения оптики естественных вод и принципы построения лидаров; анализом публикаций, посвящённых существующим лидарным системам; выбором факторов, подлежащих рассмотрению при проведении эксперимента; использованием математических методов и современного программного обеспечения.

Апробация работы. Основные результаты, полученные при написании диссертации, докладывались на XIII всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (Санкт-Петербург, 2016), постоянно действующем международном семинаре «Дистанционные методы зондирования природной среды» (Санкт-Петербург, 2016), между-

народной конференции «Laser Optics» (Санкт-Петербург, 2014 и 2016), VIII и IX международной конференции «Современные проблемы оптики естественных вод» (Санкт-Петербург, 2015 и 2017), Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика» (Санкт-Петербург, 2014, 2016) и Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России» (Санкт-Петербург, 2013, 2015,2017).

Личный вклад. Автор принимал участие в усовершенствовании конструкции судового лидара «Гидробионт», его лабораторных и морских испытаниях, разработке методик его применения для зондирования водной среды и обработки данных зондирования. Обработка лидарных данных, результаты которой использованы при написании диссертации, была выполнена автором самостоятельно.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 13 печатных публикациях, 4 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 8 — в докладах всероссийских и международных конференций, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, д-ру техн. наук, проф. А. А. Бузникову за помощь в планировании исследований, обсуждение и анализ полученных результатов, постоянную моральную поддержку и оптимизм; сотрудникам отдела инструментальных технологий мониторинга биологических ресурсов АО «Гипрорыбфлот» и лаборатории оптики океана Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН (Москва) — за предоставленную возможность получения данных лидарного зондирования Чёрного и Охотского морей и обсуждения методов и результатов их обработки; сотрудникам кафедры квантовой электроники и оптико-электронных приборов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) — за моральную поддержку в подготовке диссертации и обсуждение текущих результатов; авторам шаблона LTjX Russian Phd LaTeXDissertation Template — за облегчение процесса вёрстки диссертации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 127 страниц, включая 45 рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 99 наименований.

1. Теоретические основы лидарного метода зондирования водной среды

По своему принципу действия лидар представляет собой оптический локатор. В направлении исследуемой среды испускается короткий импульс лазерного излучения — поляризованного и монохроматического. Приёмник, как правило, сонаправленный с источником, фиксирует эхо-сигнал, то есть часть излучения, рассеянного в его направлении.

Морская вода — это сложная смесь разнородных компонентов, обладающих различными оптическими свойствами. Вследствие этого характеристики эхо-сигнала зависят как от свойств водной среды, так и от параметров зондирующего импульса.

В данной главе рассматриваются основные концепции, описывающие распространение света в водной среде, а также её компоненты и оптические процессы, влияющие на параметры эхо-сигнала.

1.1 Первичные и вторичные гидрооптические характеристики природных вод

Распространение света в воде сопровождается процессами его поглощения и рассеяния. В первом случае путь фотона заканчивается после взаимодействия с поглощающим элементом, а квант энергии переходит в другую форму (например, тепловую или энергию химических связей). Во втором случае фотон практически мгновенно переизлучается, изменив при этом направление движения или энергию (либо то и другое).

1.1.1 Поглощение и рассеяние света в водной среде

Способность среды поглощать и рассеивать излучение определяется только свойствами самой среды и не зависит от геометрической структуры распространяющегося в ней светового поля. По этой причине коэффициенты

рассеяния и поглощения, а также индикатриса рассеяния получили название первичных оптических свойств [11], или первичных гидрооптических характеристик (ПГХ) [12]. Величины, необходимые для введения этих характеристик, показаны на рис

Рассмотрим тонкий слой воды толщиной Ат и объёмом А У. Пусть с одной стороны на него падает узкий коллимированный пучок монохроматического света со спектральной плотностью потока Ф«(Л), Вт/нм, на некоторой длине волны Л.

Рисунок 1.1 — Величины, используемые для введения ПГХ

Некоторая часть Фа(Л) потока падающего излучения поглощается в объёме воды. Ещё часть ФДЛ,ф) рассеивается за пределы пучка под углом ф. Оставшаяся часть потока Фг(Л) проходит объём воды, не меняя направления. Обозначим через ФДЛ) полный поток, рассеянный во всех направлениях. Кроме того, будем считать, что все рассеянные фотоны сохранили исходную длину волны, то есть имело место только упругое рассеяние.

Исходя из этих предположений, можно ввести коэффициенты поглощения и рассеяния, которые представляют отношения соответственно поглощённой и рассеянной долей излучения на единицу длины в среде к полному падающему потоку. Оба этих коэффициента вводятся через пределы при стремлении Ат к нулю, вследствие чего должны поглощаться и рассеиваться только малые части падающего потока:

(1.1)

КЛ) s llm ¿A^U d(1.2)

v 7 Дг^О Ar \Фг{Л) J dr Ф{(Л) Сумма коэффициентов поглощения и рассеяния называется коэффициентом ослабления коллимированного светового пучка:

с(Л) = а(Л) + Ь(Л) = , (1-3)

где C — ослабляющая способность среды. Из определений (1-1)—(1-3) следует, что данные коэффициенты имеют размерность обратной длины (м-1 в системе СИ).

1.1.2 Угловые характеристики рассеяния

Для описания ослабляющих свойств среды требуются не только величины, характеризующие «активность» процессов рассеяния и поглощения, но и угловая характеристика рассеивающей способности. Рассматривая по-прежнему оптическую схему на рис. 1.1, будем считать водную среду изотропной, а свет — неполяризованным. Тогда процесс рассеяния будет осе-симметричным относительно исходного направления пучка и зависеть только от угла рассеяния ф, 0 ^ ф ^ п.

Обозначим B(ф, Л) долю потока, рассеянную в телесный угол A^, соответствующий всем направлениям между углами рассеяния ф и ф + Аф (промежуток между концентрическими эллипсами на рис. 1.1). Тогда угловая рассеивающая способность для единичных расстояния и телесного угла ß (ф, Л) выражается следующим образом:

Р(ф,Л)= lim lim = Um Um *'(ф' Л> . (1.4)

v у дг^одп^о ArAÜ дг^одп^о Ф^Л)АгАй

Из определений фотометрических величин следует: Ф5(ф, Л) = 13(ф, Л)АП, Ei (Л) = Фi(Л)/AS, где 13(ф, Л) — спектральная плотность интенсивности излучения, рассеянного в направлении ф; AS — площадь поверхности, освещённой падающим потоком; ЕГ1(Л) — спектральная плотность освещённости на площади AS. Учитывая, что объём слоя AV = ArAS, выражение (1.4) можно переписать в виде

В такой форме записи в (ф,Л) называется объёмной функцией рассеяния (ОФР) и представляет собой интенсивность излучения, рассеянного единичным объёмом среды, на единицу освещённости.

Интегрирование объёмной функции рассеяния (в предположении осевой симметрии) по углам 0 ^ ф ^ п/2 и п/2 ^ ф ^ п даёт величину потока, рассеянного единичным объёмом среды в переднюю и заднюю полусферу соответственно, при единичной освещённости падающим излучением. Эти две величины представляют коэффициенты рассеяния вперёд и назад:

п/2

bf (Л) = 2п

|3(*, Л) sin*d*, (1.6)

п

ЬЪ(Л) = 2п |3(*, Л) sin*d*. (1.7)

п/2

Отношение объёмной функции рассеяния к коэффициенту рассеяния называется фазовой функцией рассеяния или индикатрисой рассеяния:

Л) . ^. (1.8)

Следует заметить, что сделанное выше предположение об осевой симметрии рассеяния справедливо не всегда. В частности, линейно поляризованное лазерное излучение в водной среде рассеивается неравномерно относительно плоскости своей поляризации. Асимметричность фазовой функции рассеяния характеризуется её средним косинусом:

п

g = (cos *) = 2п

|(*) cos * sin * d*. (1.9)

Так, например, д & 1, если $(ф) принимает большие значения при малых ф. Напротив, если ОФР симметрична относительно ф = 90°, то д = 0. Для океанских вод характерны значения д = 0,8 ... 0,95.

1.1.3 Вторичные гидрооптические характеристики

Прямое определение первичных гидрооптических характеристик морской воды требует обработки контактных проб, отобранных при помощи зонда, в лабораторных условиях. Наиболее широко распространены приборы для измерения коэффициента ослабления коллимированного пучка с, включающие направленные друг на друга источник и приёмник излучения, разделённые слоем воды толщиной 0,1... 1м. Ошибки при измерении этим методом определяются полем зрения приёмника и видом ОФР, результаты измерений различными приборами могут различаться на десятки процентов. Методикам измерения коэффициента ослабления пучка и коррекции возникающих ошибок посвящён, например, обзор Boss [и др.] [13].

Ограниченность измерительных методик, особенно в начальный период развития оптической океанографии, привела к широкому использованию вторичных гидрооптических характеристик (ВГХ) для описания оптических свойств водной среды и опосредованного определения ПГХ.

К вторичным гидрооптическим характеристикам относят величины, удовлетворяющие двум условиям. Во-первых, они зависят как от оптических свойств водной среды, так и от геометрической структуры (в частности, направления) падающего излучения. Во-вторых, они проявляют достаточно устойчивых закономерностей, чтобы служить для описания водной среды.

Так, например, спектральная плотность нисходящей освещённости Ed(z, Л), хотя и легко измеряется как функция глубины, однако удовлетворяет только первому из двух требований. В самом деле, Ed подвержена большим изменениям при изменении зенитного угла Солнца, облачности, а также флуктуациям, связанным с фокусированием излучения участками взволнованной поверхности воды. Аналогичной изменчивости подвержены и другие яркости и освещённости, также не входящие в число вторичных гидрооптических характеристик.

В то же время второму требованию в гораздо большей степени удовлетворяет отношение восходящей и нисходящей освещённостей:

Л) = Jg ■ о-10)

Действительно, при изменении условий освещённости вначале меняется нисходящая освещённость, а вместе с ней и восходящая, формируемая преимущественно рассеянным солнечным излучением.

То же самое верно и для производной натурального логарифма нисходящей освещённости по глубине:

к ) А1п Еа{х, Л) 1 ¿Е^г, Л)

К^ Л) =--Тг-= " Е,(г, Л) Аг ' (1Л1)

Данная величина носит название коэффициента диффузного ослабления нисходящей освещённости. Аналогичным образом, при помощи отношений и производных по глубине, можно ввести ещё ряд характеристик среды. В таблице 1.1 приведены примеры часто используемых ВГХ.

Таблица 1.1 — Примеры часто используемых ВГХ

Название величины 1 Обозначение 2 Определение 3 Единица измерения

Коэффициенты диффузного ослабления (К-функции):

яркости во всех К (0,ф) -А 1п Ь(0,ф)/Аг м-1

направлениях Ь(0,ф)

восходящей яркости нисходящей Кьи —А 1п Ьи/Аг м-1

Кл —А 1п Ел/Аг м-1

освещённости Ел

восходящей Ки —А 1п Еи/(1г м-1

освещённости Еи

скалярной Ко —А 1п Е0 / Аг м-1

освещённости Е0

Отражательные способности:

отражательная способность Я Еи/ЕЛ б/м

продолжение следует

(продолжение)

1

«дистанционная» йтв Е-™ / Еа 1 ср

отражательная

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лидарное зондирование природных вод для решения задач промысловой океанографии»

способность

Средние косинусы:

распределения яркости Р (Еа — Еи)/Ео б/м

нисходящей яркости Ра Еа/Еоа б/м

восходящей яркости Ри Еа/Еои б/м

1.1.4 Коэффициенты диффузного ослабления

Среди перечисленных вторичных гидрооптических характеристик более подробного рассмотрения заслуживают К-функции, поскольку коэффициент диффузного ослабления нисходящей освещённости Ка будет часто использоваться в последующих главах в качестве показателя прозрачности природных вод.

Рассмотрим случай распространения прямого и рассеянного солнечного излучения в однородной морской воде, достаточно далеко от поверхности и дна (чтобы исключить влияние граничных условий). Наблюдения показывают, что величины яркости и освещённости при таких условиях убывают с глубиной примерно по экспоненциальному закону. Следовательно, изменение нисходящей освещённости можно представить в виде следующей функции:

Еа(г, Л) = £¿(0, Л) ехр

Ка(г', ЛЦх'

(1.12)

где £¿(0, Л) — спектральная плотность нисходящей освещённости на поверхности воды. Выразив отсюда К ¿(г, Л), мы получим равенство (1.11), которое ранее использовали, чтобы ввести коэффициент диффузного ослабления

1В определение данной величины входит яркость восходящего излучения, измеренная в воздухе непосредственно над поверхностью воды.

нисходящей освещённости. Аналогичные выражения можно записать для других фотометрических величин и соответствующих им К-функций.

МоЬ1еу в своей монографии [14] отмечает следующие особенности К-функций, полученные в результате численного моделирования.

1. Вблизи поверхности воды разные К-функции могут принимать сильно различающиеся значения вследствие граничных эффектов. Граничное условие поверхности в уравнении переноса излучения по-разному влияет на яркости в различных направлениях, в зависимости от высоты Солнца.

2. К-функции могут принимать как положительные, так и отрицательные значения вблизи границ. Последний случай означает, что фотометрическая величина возрастает с глубиной.

3. К-функции изменяются в зависимости от глубины даже в однородных водах, опять же за счёт граничных эффектов. Разумеется, если ПГХ водной среды неоднородны по глубине, К-функции также будут изменяться, даже далеко от границ.

4. Вдали от границ водного слоя (на достаточно большой глубине и далеко от дна) все К-функции стремятся к некоторому общему значению которое зависит только от первичных гидрооптических характеристик.

5. Скорость схождения К-функций к общему асимптотическому значению также зависит от ПГХ водной среды. В сильно рассеивающих водах схождение к Кж происходит значительно быстрее, нежели в сильно поглощающих, поскольку первоначальные направления фотонов при входе в воду быстрее изменяются и образуют асимптотическое распределение яркости Ьж.

Важно различие между коэффициентом ослабления коллимированно-го светового пучка, описывающим потери энергии из сонаправленного пучка фотонов, и диффузным коэффициентом ослабления, характеризующим уменьшение фоновой освещённости, вклад в которую вносят фотоны, движущиеся во всех направлениях. Теория переноса излучения показывает, что в общем случае а ^ ^ с, где — средний косинус нисходящей ярко-

сти.

Известна корреляция между значениями К-функций и концентрацией хлорофилла фитопланктона, что позволяет использовать их в качестве пока-

зателя биологической продуктивности среды. Кроме того, поскольку до 90% диффузного отражения света водной средой происходит в приповерхностном слое толщиной 1/Ка, данный коэффициент характеризует ограничения применимости дистанционных методов по глубине [15]. С развитием космических дистанционных методов были созданы алгоритмы оценки коэффициента диффузного ослабления Ка по данным спутниковых спектрогра-

1.2 Поверхностные процессы

Перед тем как перейти к описанию оптически активных компонент природных вод, кратко рассмотрим пропускание и отражение света поверхностью раздела вода--воздух. Подробному рассмотрению поверхностных оптических процессов полностью посвящена, например, одна из глав монографии МоЫеу [17].

Зондирующее излучение лазера, как правило, линейно поляризовано. Как и в случае неполяризованного света, поведение электромагнитных волн на границе раздела сред подчиняется формулам Френеля, однако форма их усложняется. Поляризация лазерного излучения описывается четырёхкомпо-нентным вектором Стокса, элементы которого связаны с комплексными амплитудами вектора напряжённости электрического поля Е, разложенного по направлениям, параллельному (Ец) и перпендикулярному (Е±) выбранной опорной плоскости. Для описания излучения в водной среде применяется диффузный вектор Стокса, элементы которого имеют размерность яркости, то есть мощности на единицу площади и единичный телесный угол [18].

Как известно, при падении светового луча на границу раздела воздух-вода под углом к нормальному направлению (рис. 1.2, а) отражённый луч распространяется под углом 6т = 6^, а прошедший в среду — согласно закону Снеллиуса, под углом

фов [16].

Поскольку показатель преломления воды пш & 1,34 превышает показатель преломления воздуха па = 1, то при распространении излучения из воды в воздух возможно явление полного внутреннего отражения, если угол падения превысит критическое значение 0С = агсзт(1/пад) & 48° (рис. 1.2, б).

а

n

n

воздух, na=1

вода, nw=1,34 ■

%

/ч^ i i i i

а б

Рисунок 1.2 — Пути лучей на границе раздела вода—воздух

Пусть Rab — матрица отражения для случая распространения света из среды с показателем преломления na в среду с показателем nb, а Tab — матрица пропускания для тех же условий. Эти матрицы имеют следующий вид [19; 20]:

Rab =

(RllR* + R1R*) 2(RllR* — R1R1)

2 (RllR*\- R1R1) 2 (RllR* + R1R1)

0 0

0 0

0 0 00 Re(RR1) Im(RR1) Im(RyR*) Re(RR)

(114)

Tab = fT

(тт * + T1T1) 1 (Tit, *- T1T1)

2(TiT*- TiT*) 2(TiT* + TiT*)

0 0

0 0

00 00

Re(T|T1) Im(T|T1) Im(T|T*) Re(T||T1)

(1.15)

Здесь звёздочкой отмечены сопряжённые векторы, а Re и 1т обозначают вещественную и мнимую части числа соответственно. Компоненты матриц определяются показателями преломления сред и углами, под которыми распространяются лучи в той и другой среде 0а, 6Ь. Для краткости приведём сразу вещественную форму компонент матриц, верную для случаев, когда свет распространяется из воздуха в воду (па < щ) либо из воды в воздух под углом, меньшим критического (па > щ, 0а < 6С):

щц =

R±R*± =

Re(R\\R*±) = Im(RyRl) = 0,

TT =

T±T1 =

Re(T\\Tl)

'cos ea - Uab cos Qb COS ea + Uab cos eb 'nab COS ea - COS eb Uab COS ea + COS eb 'cos ea - Uab COS eb COS ea + Uab COS eb

' 2Uab COS ea ' COS ea + Uab COS eb, ' 2Uab COS ea ' Uab COS ea + COS eb

)(

Uab COS ea - COS e, Uab COS ea + COS e,

,

(1.16)

4Uab COs2 ea

(COS ea + Uab COS eb)(^b COS ea + COS eb) '

Im(T\\Tl) = 0.

Здесь Uab = Ua/Ub, Uba = Щ/ria.

Множитель fT для случая диффузного распространения света имеет

вид

fT = UL

i cos eA \cos ej.

(1.17)

COS ea

На рис. 1.3 приведён набор зависимостей элементов матриц отражения Raw (красные кривые) и Taw (синие кривые) от угла падения светового луча e,. Излучение распространяется из воздуха в воду. Вертикальной пунктирной линией на значении e, = 53,3° отмечен угол Брюстера.

Вышеприведённые соотношения полностью описывают отражение и пропускание поляризованного света плоской границей раздела вода—воздух. Наличие волнения на поверхности воды значительно осложняет описание

2

2

2

2

Raw 2,0 Taw 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,5

0 30 60 90 0 30 60 90 ' 0 30 60 90 ' 0 30 60 90

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5

0 30 60 90

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,5

0 30 60 90 0 30 60 90

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5

30 60 90

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5

0 30 60 90 0 30 60 90 0 30 60 90 0 30 60

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5

Рисунок 1.3 — Зависимость значений элементов матриц Raw ,Ta

падения светового луча

90

01, °

от угла

переноса излучения через поверхность, и решение удаётся найти только численно, например, с помощью метода Монте-Карло. При этом проходят следующие этапы [21]:

1. Создание случайного набора данных, описывающего распределение наклона элементов на границе вода—воздух.

2. Отслеживание распространения излучения над границей раздела, под ней и через неё.

3. Задание величины потока для каждого из «дочерних» лучей.

4. Сохранение «дочерних» лучей для дальнейшей обработки, как в пунктах 2—3.

5. Суммирование энергии «дочерних» лучей и определение отражающей и пропускающей способности случайной поверхности.

Расчёты показывают, что отражательная способность водной поверхности сильно зависит от зенитного угла источника излучения (который в дан-

ном случае считается точечным). Так, коэффициент отражения для = 45° составляет порядка 0,03 значения коэффициента для скользящих лучей (05 « 90°). При больших коэффициент отражения быстро убывает с ростом скорости ветра и высоты волнения, в то время как при = 45° наблюдается даже некоторый рост. Во всех рассмотренных авторами статьи случаях рассеяние возрастало при повороте плоскости, в которой лежали источник и приёмник излучения, относительно направления ветра.

Дополнительное влияние на рассеяние и прохождение света на границе раздела оказывает пена, которая образуется при разрушении вершин волн и постепенно распадается на поверхности воды. Кроме того, присутствие на водной поверхности плёнок различной природы резко меняет поляризационные свойства рассеянного излучения, что позволяет, например, обнаруживать загрязнения водоёмов нефтью и даже оценивать толщину нефтяной плёнки. В то же время, как будет показано в следующей главе, для определения типа загрязнителя более полезным может быть зондирование ультрафиолетовым излучением и регистрация флуоресценции [22].

Помимо численных экспериментов, достаточно давно известны и исследования, в которых лидары (установленные, как правило, на авиационном носителе) применяются для практического изучения процессов волнения [23—26].

1.3 Оптически активные компоненты природных вод

Чистая вода крайне слабо воздействует на электромагнитное излучение в видимом интервале спектра. Тем не менее, получение образцов воды высокой чистоты возможно только в лабораторных условиях [27], в то время как природные воды содержат ряд растворённых и взвешенных компонентов, которые вносят вклад в поглощение и рассеяние света. В этом разделе рассматриваются основные компоненты морских вод, их экологическая роль и оптические свойства, представляющие интерес при лазерном дистанционном зондировании.

1.3.1 Чистая морская вода

В первом приближении можно считать морскую воду раствором различных солей (хлоридов и сульфатов натрия, магния, кальция, марганца) в воде. Концентрация этих солей (солёность воды) различна в разных частях Мирового океана, но в среднем составляет порядка 35%о по весу.

Для чистой пресной воды характерно «окно прозрачности» в видимой области спектра: мнимая часть к(Л) комплексного показателя преломления уменьшается более чем на девять порядков в ближней ультрафиолетовой области, а затем так же быстро возрастает до прежних значений в ближней инфракрасной области. Объясняется это поведение строением и энергетической структурой молекулы воды. При смещении из видимой в ультрафиолетовую область спектра энергия фотонов достигает значений, при которых становится возможно поглощение электронами в атомах кислорода и водорода. В инфракрасной области поглощённые фотоны начинают возбуждать вначале колебательные, а затем и вращательные моды молекулы. В обоих случаях поглощение быстро возрастает.

Растворённые соли почти не оказывают влияния на поглощение видимого излучения, однако усиливают поглощение в дальней ИК-области за счёт улучшения проводящих свойств воды. Существуют также сведения [28] о существовании слабой зависимости поглощающих свойств воды в красной и ближней инфракрасной области от температуры (da/dT & 0,0015 м-1К-1 для Л = 600 нм; da/dT & 0,001 м-1К-1 для Л = 750 нм) и, в меньшей степени, от солёности.

Smith и Baker [27] приводят результаты тщательных косвенных измерений спектрального распределения верхнего предела коэффициента поглощения чистой морской воды в диапазоне длин волн 200 . . . 800 нм. Их работа основана на следующих предположениях: а) поглощение солями и другими растворёнными компонентами пренебрежимо мало; б) рассеяние происходит только на молекулах воды и ионах солей; в) отсутствует неупругое рассеяние (в частности, флуоресценция). При соблюдении этих условий верно следующее неравенство, полученное из теории переноса излучения:

a-w(Л) ^ Кл(Л) - 1 bsw(Л), (1.18)

где Ъ8т — спектральный коэффициент рассеяния для чистой морской воды, известный по предыдущим измерениям.

Коэффициент диффузного ослабления К ¿{к) был измерен для проб особо прозрачных природных вод из озера Крейтер (США) и Саргассова моря. Полученные распределения коэффициентов показаны на рис. 1.4.

г<

10е

10

-1

10

-2 _

10

1

s

"is

гО

10

2

10

-3

200 400 600 Л, нм

800

200 400 600 800 Л, нм

а б

Рисунок 1.4 — Спектры поглощения (а) и рассеяния (б) излучения чистой

водой [27]

Как видно из графиков, вклад рассеяния в общее ослабление в видимом диапазоне спектра оказывается на порядок меньше поглощения. Тем не менее, полностью отделить его влияние невозможно даже в случае очень прозрачной воды, поскольку излучение всегда рассеивается непосредственно на молекулах воды и ионах солей. Важную роль рассеяния на микроскопических компонентах природных вод впервые отметили Raman [29] и Шулей-кин [30] ещё в 1920-х гг.

Рассеяние света на молекулах воды описывает теория Рэлея, в которой молекулы считаются малыми сферическими частицами со свойствами электрического диполя. Параллельно Эйнштейн и Смолуховский разработали свою теорию рассеяния света в воде, опирающуюся на флуктуации концентрации молекул в элементарном объёме среды AV ^ Л (достаточно большом, однако, для применения статистических методов) и связанные с ними изменения показателя преломления. Оба подхода дают одинаковое выражение для объёмной функции рассеяния водой:

(ф, Л) = (90°, Л0)( -Л

(Л?)

-4,32

(1 + 0,835 cos2 ф).

(119)

Выражение (1.19) отличается от традиционной формулы для рэлеев-ского рассеяния значениями показателя степени и коэффициента при cos2 ф (в общем случае —4 и 1 соответственно), что объясняется спектральной зависимостью показателя преломления и анизотропией молекул воды.

Спектральная зависимость полного коэффициента рассеяния описывается выражением

bw(А) = 16,06 ( А

©

-4,32

ew (90°, Ао).

(1.20)

На рис. 1.5 показаны спектральные распределения объёмной функции рассеяния в нормальном направлении в (А) (а) и коэффициента рассеяния назад Ьь(А) (б) для чистой пресной и морской (5 = 35 ... 39%о) воды [31]. Как видно, ионы солей, растворённых в морской воде (С1~, и др.), усиливают её рассеивающие свойства на всём протяжении видимого диапазона. В то же время и вклад солей, и общая интенсивность рассеяния уменьшаются по мере роста длины волны.

р с

(А

(w

со

са

7

р с

7

м,

)(А

(w

са

10

4

8 6 4 2 0

Pw (А) tfisw(А)

• 5 « .

400

500 А, нм

600

р с

А

b

р с

А

b

10

2

0,5

0

■ • bbw (А)

■bbsw (А)

— —■— • ■

• ■ • ■ • ■ • ■ • --— : • •. -—

400

а

500 А, нм б

600

Рисунок 1.5 — Спектральные зависимости объёмной функции рассеяния в нормальном направлении (а) и коэффициента рассеяния назад (б) для чистой пресной и морской воды [31]

Измерения показывают также [32], что рассеяние на молекулах воды ослабевает с уменьшением температуры или ростом давления. Причина этого эффекта состоит в уменьшении микроскопических флуктуаций плотности.

1

Натурные данные, накопленные к 1980-м гг., показали, что освещённость на глубинах порядка десятков метров, особенно в жёлтой и красной областях спектра (к > 550 нм), убывает значительно медленнее, чем предсказывают теоретические расчёты, учитывающие только упругое рассеяние излучения. Такие результаты объясняются вкладом в формирование освещённости неупругого комбинационного (рамановского) рассеяния [33].

В ходе данного процесса фотон с исходной частотой V передаёт молекуле воды часть своей энергии Д W, соответствующую разности энергий между двумя разрешёнными состояниями молекулы, и переизлучается на новой частоте V — ДW/Н, где Н — постоянная Планка. Возможен и обратный случай, когда фотон приобретает энергию и переизлучается на меньшей длине волны, однако при температурах воды, характерных для Мирового океана, населённость первого колебательного уровня мала, и такой механизм рассеяния маловероятен. В результате комбинационного рассеяния в спектре рассеянного излучения формируются симметричные линии-спутники, смещённые в красную и фиолетовую области. Первая компонента, соответствующая уменьшению энергии фотона, называется стоксовой, а вторая, соответствующая обратному случаю — антистоксовой. С повышением температуры среды интенсивность антистоксовых линий возрастает, так как растёт населённость первого колебательного уровня.

В отличие от флуоресценции, в комбинационном рассеянии может участвовать свет в широком диапазоне длин волн. Положение центральной, несмещённой спектральной полосы соответствует исходной длине волны рассеиваемого излучения, а величина стоксова и антистоксова сдвига определяется разностью энергий ДW, зависящей от структуры рассеивающих молекул.

Таким образом, механизм комбинационного рассеяния должен учитываться при проектировании и применении лидарных систем для дистанционного зондирования водной среды. Рамановская составляющая рассеянного излучения может использоваться для калибровки других каналов системы [34; 35], а кроме того, и для определения температуры на поверхности и в толще воды [36]. Поскольку с температурой воды связан ряд параметров, влияющих на размножение и миграции рыбы (растворимость кислорода, скорость развития фитопланктона и другие), то дистанционное измерение

температуры водных масс представляет прямой интерес для промыслового рыболовства и аквакультуры [37].

1.3.2 Растворённое органическое вещество

Как пресные, так и солёные природные воды содержат определённое количество растворённых органических веществ (РОВ), образующихся при разложении отмерших растительных и животных тканей. В состав этих веществ входят преимущественно различные гуминовые, гиматомелановые кислоты и фульвокислоты с небольшими примесями полисахаридов, пептидов и таннинов [38; 39]. Смесь этих органических компонентов обычно имеет коричневый цвет и в достаточно высоких концентрациях придаёт воде желтовато-бурый оттенок. По этой причине совокупность растворённой органи-

2

ки называют желтым веществом.

Один из основных источников РОВ — разложившиеся ткани наземных растений. Поэтому его концентрации максимальны в водах озёр, рек и прибрежных водах, состав которых определяется речным стоком. Источники попадания РОВ в естественные водоёмы могут быть как точечными (выпускные коллекторы очистных сооружений), так и распределёнными. К последним относятся смыв с дорог, сельскохозяйственных земель и т. п., продукты выщелачивания грунтовыми водами и осаждение органических веществ из атмосферы с осадками [40]. В водах открытого океана, далеко от берега, содержание жёлтого вещества обычно мало по сравнению с другими компонентами, однако некоторое количество РОВ всегда присутствует за счёт разложения клеток фитопланктона, особенно после периодов его цветения.

Растворённая органика участвует в ряде важных процессов в экологии водной среды. Во-первых, она поглощает часть приходящего солнечного излучения, уменьшая глубину фотической зоны, в которой возможен фотосинтез. Под действием коротковолнового излучения РОВ деградирует, распадаясь на более низкомолекулярные соединения, часть из которых усваивается бактериями и другими одноклеточными, возвращаясь в биосферу. В то же

2В англоязычных источниках используется обозначение «окрашенное растворённое органическое вещество» (CDOM) или немецкое заимствование gelbstoff.

время гуминовые и фульвокислоты могут переносить в форме комплексов токсичные поллютанты, такие, например, как тяжёлые металлы [41] и га-логенированные углеводороды [42]. В этой связи оптические свойства РОВ представляют интерес при дистанционной оценке экологического состояния природных вод.

Поглощение света жёлтым веществом очень мало в красной области спектра, но резко возрастает по мере уменьшения длины волны. В первом приближении такая спектральная зависимость в диапазоне длин волн 350 ... 700 нм хорошо описывается следующей моделью [43]:

ау(Л) = ау(Ло) ехр [-0,014(Л - Ло}] (1.21)

где Л0 — опорная длина волны, в качестве которой часто принимают Л0 = 400 нм. Константа в показателе экспоненты, согласно результатам различных исследований, может принимать значения -0,014 ... -0,019 [44].

В таблице 1.2 показаны типичные значения коэффициента поглощения растворённой органикой на длине волны 440 нм ау (440) для различных видов природных вод [38]. Из-за высокой временной и пространственной изменчивости концентрации и поглощающих свойств растворённой органики даже в пределах одного и того же водоёма данные значения дают представление только о порядке величин поглощения РОВ. На сегодняшний день не существует теоретической модели, которая позволяла бы определять полное спектральное распределение ау (Л) для известной концентрации и состава РОВ.

Таблица 1.2 — Результаты измерений коэффициента поглощения ау (440) для различных видов природных вод

Водоём ау (440), м-1

1 2

Океанские воды:

Саргассово море побережье Бермудских островов Гвинейский залив Индийский океан, олиготрофные Индийский океан, мезотрофные « 0 0,01 0,024... 0,113 0,02 0,03

продолжение следует

(продолжение)

1 2

Индийский океан, эвтрофные 0,09

Воды у побережий и в эстуариях:

Северное море 0,07

Балтийское море 0,24

устье р. Рона, Франция 0,086... 0,572

эстуарий р. Клайд, Австралия 0,64

Озёра и реки:

оз. Кристал-Лейк, США 0,16

оз. Георг, Австралия 0,69... 3,04

оз. Георг, Уганда 3,7

р. Каррао, Венесуэла 12,44

Ряд составляющих РОВ способен к флуоресценции под действием как падающего солнечного, так и лазерного зондирующего излучения. Построение теоретической модели флуоресценции РОВ, учитывающей, в частности, самопоглощение излучения между различными органическими веществами, представляет достаточно сложную задачу, заслуживающую отдельного исследования. Ограничимся поэтому кратким рассмотрением качественных и статистических закономерностей данного процесса.

Карабашев в главе своей монографии, посвящённой флуоресценции РОВ [45], приводит следующие особенности. Флуоресценция растворённого органического вещества может возбуждаться излучением в ближней ультрафиолетовой, синей и зелёной области спектра. Форма и положение полос флуоресценции в спектре определяются спектральным составом возбуждающего излучения. В случае возбуждения монохроматическим излучением спектр флуоресценции РОВ представляет асимметричную бесструктурную полосу полушириной 100... 140 нм, максимум которой смещён в красную область на 80 ... 100 нм относительно длины волны возбуждения. Форма и соотношение интенсивностей спектральных полос флуоресценции РОВ при возбуждении на различных участках спектра почти не меняются по Мировому океану и слабо зависят от состава морской воды.

Хотя и показатель поглощения света РОВ, и интенсивность его флуоресценции пропорциональны концентрации растворённых органических ве-

ществ, тем не менее, прямая зависимость между концентрацией и интенсивностью флуоресценции РОВ наблюдается редко. Карабашев в упомянутой выше монографии приводит примеры контактных измерений с борта научно-исследовательских судов (НИС), указывающие на различия в ходе интенсивности флуоресценции РОВ и концентрации углерода РОВ по глубине. Значительная положительная корреляция между ходом концентрации и интенсивности флуоресценции РОВ наблюдалась только в приповерхностном слое воды, причём более высокая — в районах большой биологической продуктивности и вблизи устьев рек.

Интересны также результаты совместных измерений интенсивности флуоресценции РОВ и содержания биохимических фракций [46], проведённых в восточной части Тихого океана. Авторы не наблюдали прямой корреляции между интенсивностью флуоресценции и концентрацией РОВ. В то же время показано изменение по глубине связи интенсивности флуоресценции с содержанием биохимических компонентов: вблизи поверхности интенсивность коррелировала с концентрацией белков, в термоклине — с концентрацией углеводов, а под ним — с концентрацией липидов.

Для этого эффекта авторами предложено следующее объяснение. За флуоресценцию и поглощение в видимом диапазоне спектра «отвечают» соединения с двойными связями между атомами, в то время как значительная часть углерода РОВ входит в молекулы с одинарными связями, флуоресцирующие в ультрафиолетовой области. Флуорофорные группы атомов, соединённые двойными связями, отличаются высокой химической устойчивостью и могут переходить из одних фракций РОВ в другие в ходе вертикального переноса вещества. В подповерхностном слое с высоким содержанием РОВ, находящегося на начальной стадии разложения, интенсивность флуоресценции определяется преимущественно долей флуорофорных соединений, поэтому в наиболее продуктивных районах океана флуоресценция активнее всего именно вблизи поверхности. В других акваториях доля флуорофорных соединений может быть выше в «старом» РОВ, поэтому флуоресценция может усиливаться с глубиной, несмотря на уменьшение концентрации РОВ.

Всё вышесказанное указывает на сложность определения содержания РОВ лидарным методом. Для повышения точности измерений представляется полезной предварительная калибровка метода по пробам, отобранным контактным способом, то есть поиск статистических зависимостей между

концентрацией в них РОВ и активностью флуоресценции, зарегистрированной в точке взятия пробы при тех или иных условиях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Горяинов Виктор Сергеевич, 2018 год

Список литературы

1. Tappan H. Primary production, isotopes, extinctions and the atmosphere // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. — 1968. —Vol. 4, no. 3. — Pp. 187-210.

2. Convention on the continental shelf. — Geneva : United Nations, 1958. — (Treaty series).

3. Fisheries and aquaculture in our changing climate. — Copenhagen, 2009. — (Policy brief of the FAO for the UNFCCC COP-15).

4. Протокол 1996 года об изменении Конвенции по предотвращению загрязнения моря сбросами отходов и других материалов 1972 года. — 1996. — (офиц. текст).

5. Hela I., Laevastu T. Fisheries hydrography. — London : Fishing News Ltd., 1961. — 137 pp.

6. Churnside J. H., Demer D. A., Mahmoudi B. A comparison of lidar and echosounder measurements of fish schools in the Gulf of Mexico // ICES Journal of Marine Science. — 2003. — Vol. 60, no. 1. — Pp. 147-154.

7. Comparison of airborne lidar with echosounders: a case study in the coastal Atlantic waters of southern Europe / P. Carrera [et al.] // ICES Journal of Marine Science. — 2006. — Vol. 63, no. 9. — Pp. 1736-1750.

8. R Core Team R: A Language and Environment for Statistical Computing / R Foundation for Statistical Computing. — Vienna, Austria, 2016. — URL: https://www.R-project.org/.

9. Scilab Enterprises Scilab: Free and Open Source software for numerical computation / Scilab Enterprises. — Orsay, France, 2012. — URL: http: //www.scilab.org.

10. GRASS Development Team Geographic Resources Analysis Support System (GRASS GIS) Software, Version 7.2 / Open Source Geospatial Foundation. —2017. —URL: http://grass.osgeo.org.

11. Ерлов Н. Г. Оптическая океанография / под ред. Ю. Е. Очаковского. — Москва : Мир, 1970. — 222 с.

12. Бузников А. А., Поздняков Д. В. Дистанционное зондирование природной среды: вопросы переноса излучения в системе «вода — атмосфера». — Санкт-Петербург : ГЭТУ, 1996. — 71 с. — (учеб. пособие).

13. Acceptance angle effects on the beam attenuation in the ocean / E. Boss [et al.] // Optics Express. — 2009. — Feb. 2. — Vol. 17, no. 3. — Pp. 15351550.

14. Mobley C. D. Light and Water: Radiative Transfer in Natural Waters. — Academic Press, 1996. — 592 pp.

15. Smith R. C., Baker K. S. The bio-optical state of ocean waters and remote sensing 1: Remote sensing // Limnology and Oceanography. — 1978. — Mar. — Vol. 23, no. 2. — Pp. 247-259.

16. Austin R. W., Petzold T. /.The Determination of the Diffuse Attenuation Coefficient of Sea Water Using the Coastal Zone Color Scanner // Oceanography from Space / ed. by J. F. R. Gower. — Boston, MA : Springer US, 1981.—Pp. 239-256.

17. Mobley C. D. Across the surface // Light and Water: Radiative Transfer in Natural Waters. — Academic Press, 1996. — Pp. 147-235.

18. Mishchenko M. I. Multiple scattering, radiative transfer, and weak localization in discrete random media: Unified microphysical approach // Reviews of Geophysics. — 2008. — Apr. 19. — Vol. 46, no. 2.

19. Garcia R. Fresnel boundary and interface conditions for polarized radiative transfer in a multilayer medium // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. — 2012. — Mar. — Vol. 113, no. 4. — Pp. 306-317.

20. Zhai P.-W., Kattawar G. W., Hu Y. Comment on the transmission matrix for a dielectric interface // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. — 2012. — Nov. — Vol. 113, no. 16. — Pp. 1981-1984.

21. Preisendorfer R. W., Mobley C. D. Unpolarized irradiance reflectances and glitter patterns of random capillary waves on lakes and seas, by Monte Carlo simulation. — Seattle, Washington : Pacific marine environmental laboratory, 1985. — (NOAA Technical Memorandum).

22. О применении лазерной локации для определения загрязнения поверхности моря нефтепродуктами / О. И. Абрамов [и др.] // Оптические методы исследования океана и внутренних водоёмов / под ред. Г. И. Гала-зий, К. С. Шифрин. — Новосибирск : Наука, 1979. — С. 184—187.

23. Локация волнующейся поверхности моря с помощью ОКГ с борта вертолёта / Ю. А. Гольдин [и др.] // Оптические методы исследования океана и внутренних водоёмов / под ред. Г. И. Галазий, К. С. Шифрин. — Новосибирск : Наука, 1979. — С. 135—140.

24. Гришин А. И., Матвиенко Г. Г., Самохвалов И. В. Отражательные свойства морской поверхности при касательном зондировании лидаром // Оптические методы исследования океана и внутренних водоёмов / под ред. Г. И. Галазий, К. С. Шифрин. — Новосибирск : Наука, 1979. — С. 140—149.

25. Стемковский А. И. Лазерный способ измерения дисперсии уклонов волнующейся морской поверхности // Световые поля в океане / под ред. В. Н. Пелевин, М. В. Козлянинов. — Москва : Институт океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР, 1979. — С. 224—230.

26. Пелевин В. Н. Метод локации волнующейся морской поверхности расходящимся световым импульсом // Световые поля в океане / под ред. В. Н. Пелевин, М. В. Козлянинов. — Москва : Институт океанологии им. П. П. Ширшова АН СССР, 1979. — С. 216—223.

27. Smith R. C., Baker K. S. Optical properties of the clearest natural waters (200800 nm) // Applied Optics. — 1981. — Jan. 15. — Vol. 20, no. 2. — P. 177.

28. Pegau W. S., Zaneveld J. R. V. Temperature dependent absorption of water in the red and near-infrared portions of the spectrum // Limnology and Oceanography. — 1993. — Vol. 38, no. 1. — Pp. 188-192.

29. Raman C. V. On the Molecular Scattering of Light in Water and the Colour of the Sea // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. — 1922. — Apr. 1. — Vol. 101, no. 708. — Pp. 6480.

30. Шулейкин В. В. О цветности моря // Известия Института физики и биофизики. — 1922. — Т. 2. — С. 119—136.

31. Morel A. Optical properties of pure water and pure sea water // Optical Aspects of Oceanography / ed. by N. G. Jerlov, E. S. Nielsen. — New York : Academic Press, 1974.—Pp. 1-24.

32. Shifrin K. S. Physical optics of ocean water. — New York: Amer. Inst. Phys., 1988. — 285 pp. — (AIP Translation series).

33. Sugihara S., Kishino M., Okami ^.Contribution of Raman scattering to upward irradiance in the sea // Journal of the Oceanographical Society of Japan. — 1984. — Dec. — Vol. 40, no. 6.

34. Hoge F. E., Swift R. N.Airborne simultaneous detection of laser induced water Raman backscatter and fluorescence from chlorophyll-a and other naturally occurring pigments // Applied Optics. — 1981. — Vol. 20, no. 18. — Pp. 3197-3205.

35. Desiderio R. A. Application of the Raman scattering coefficient of water to calculations in marine optics // Applied Optics. — 2000. — Apr. 20. — Vol. 39, no. 12.—Pp. 1893-1894.

36. Remote sensing of seawater and drifting ice in Svalbard fjords by compact Raman lidar / A. F. Bunkin [et al.] // Applied Optics. — 2012. — Aug. 1. — Vol. 51, no. 22.—P. 5477.

37. Хела И., Левасту Т. Промысловая океанография / под ред. Д. Я. Берен-бейм. — Москва : Пищевая промышленность, 1970. — 184 с.

38. KirkJ. T. O. Light and photosynthesis in aquatic ecosystems. — Cambridge : Cambridge University Press, 1983. — 401 pp.

39. Поздняков Д. В. Исследование водной среды методом оптического активного зондирования // Оптическое зондирование в океанологии / под ред. К. Я. Кондратьев. — Таллинн : Валгус, 1990. — С. 242—345.

40. Wakeham S. G. Synchronous fluorescence spectroscopy and its application to indigenous and petroleum-derived hydrocarbons in lacustrine sediments // Environmental Science & Technology. — 1977. —Mar. —Vol. 11, no. 3. — Pp. 272-276.

41. Nriagu J. O., Coker R. D. Trace metals in humic and fulvic acids from Lake Ontario sediments // Environmental Science & Technology. — 1980. — Apr. — Vol. 14, no. 4. — Pp. 443-446.

42. Trussell R. R., Umphres M. D. The formation of trihalomethanes // Journal A. W. W. A. — 1978. — Vol. 70. — Pp. 604-612.

43. Bricaud A., Morel A., Prieur L. Absorption by dissolved organic matter of the sea (yellow substance) in the UV and visible domains // Limnology and Oceanography. — 1981. — Jan. — Vol. 26, no. 1. — Pp. 43-53.

44. Roesler C. S., Perry M. J., Carder K. L. Modeling in situ phytoplankton absorption from total absorption spectra in productive inland marine waters: Modeling in situ absorption // Limnology and Oceanography. — 1989. — Dec. — Vol. 34, no. 8. — Pp. 1510-1523.

45. Карабашев Г. С. Флюоресценция органических веществ, растворённых в морской воде // Флюоресценция в океане. — Ленинград : Гидрометео-издат, 1987.— С. 37—75.

46. Карабашев Г. С., Агатова А. И. О соотношении флуоресценции и концентрации растворённых органических веществ в водах океана // Океанология. — 1984. — Т. 24, № 6. — С. 906—909.

47. Dynamics and composition of particles from an aeolian input event to the Sargasso Sea / K. L. Carder [et al.] // Journal of Geophysical Research. — 1986. — Vol. 91, D1. — P. 1055.

48. Churnside J. H. Bio-optical model to describe remote sensing signals from a stratified ocean// Journal of Applied Remote Sensing. — 2015. —Nov. 6. — Vol. 9, no. 1.—P. 095989.

49. Churnside J. H., Marchbanks R. D. Subsurface plankton layers in the Arctic Ocean // Geophysical Research Letters. — 2015. — June 28. — Vol. 42, no. 12.—Pp. 4896-4902.

50. Iturriaga R., Siegel D. A. Microphotometric characterization of phytoplank-ton and detrital absorption properties in the Sargasso Sea: Microphotometric characterization of absorption // Limnology and Oceanography. — 1989. — Dec. — Vol. 34, no. 8. — Pp. 1706-1726.

51. Estimation of the spectral absorption coefficients of phytoplankton in the sea / M. Kishino [et al.] // Bulletin of Marine Science. — 1985. — Vol. 37, no. 2. — Pp. 634-642.

52. Morrow J. H., Chamberlin W. S., Kiefer D. A. A two-component description of spectral absorption by marine particles: Marine particle absorption // Limnology and Oceanography. — 1989. — Dec. — Vol. 34, no. 8. — Pp. 15001509.

53. Stramski D. Artifacts in measuring absorption spectra of phytoplankton collected on a filter // Limnology and Oceanography. — 1990. — Dec. — Vol. 35, no. 8.—Pp. 1804-1809.

54. Борн М., Вольф Э. Дифракция на проводящей сфере. Теория Ми // Основы оптики / под ред. Г. П. Мотулевич. — Москва : Наука, 1973. — С. 585—611.

55. Розенштейн А. З. Рассеяние поляризованного света микрочастицами в лазерных зондирующих системах// Оптическое зондирование в океанологии / под ред. К. Я. Кондратьев. — Таллин : Валгус, 1990. — С. 346— 439.

56. Airborne polarized lidar detection of scattering layers in the ocean / A. P. Vasilkov [et al.] // Applied Optics. — 2001. — Aug. 20. — Vol. 40, no. 24.—Pp. 4353-4364.

57. Parsons T., TakahashiM. Biological oceanographic processes. — London : Pergamon Press, 1973. — 186 с.

58. Sathyendranath S., Lazzara L., Prieur L. Variations in the spectral values of specific absorption of phytoplankton: Phytoplankton specific absorption // Limnology and Oceanography. — 1987. — Mar. — Vol. 32, no. 2. — Pp. 403-415.

59. Bricaud A., Bédhomme A.-L., Morel A. Optical properties of diverse phyto-planktonic species: experimental results and theoretical interpretation// Journal of Plankton Research. — 1988. — Vol. 10, no. 5. — Pp. 851-873.

60. Хит О. Фотосинтез (физиологические аспекты). — Москва : Мир, 1972.— 314 с.

61. Карабашев Г. С. Флюоресценция фотосинтетических пигментов в океане // Флюоресценция в океане. — Ленинград : Гидрометеоиздат, 1987.— С. 76—143.

62. Measures R. M. Laser remote sensing: Fundamentals and applications. — Malabar, Florida : Krieger publishing company, 1992. — 510 pp.

63. Kildal H., Byer R. Comparison of laser methods for the remote detection of atmospheric pollutants // Proceedings of the IEEE. — 1971. — Vol. 59, no. 12.—Pp. 1644-1663.

64. Measures R. M. Lidar equation analysis allowing for target lifetime, laser pulse duration, and detector integration period // Applied Optics. — 1977. — Apr. 1. —Vol. 16, no. 4.—Pp. 1092-1103.

65. Горяинов В. С., Бузников А. А., Черноок В. И. Применение искусственных нейронных сетей для сортировки лидарных эхосигналов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ».. — 2016. — № 3. — С. 62—67.

66. Mitra V., Wang C.-J., Edwards G. Neural network for LIDAR detection of fish // Proceedings of the International Joint Conference on Neural Networks, 2003. Vol. 2. — Portland : IEEE, 2003. — Pp. 1001-1006.

67. Васильков А. П., Кондранин Т. В., Мясников Е. В. Методика расчёта мощности сигнала обратного рассеяния при импульсном зондировании стратифицированной водной среды // Известия АН СССР.. — 1989. — Т. 25. — С. 102—105. — (Физика атмосферы и океана).

68. Gordon H. R. Interpretation of airborne oceanic lidar: effects of multiple scattering // Applied Optics. — 1982. — Aug. 15. — Vol. 21, no. 16. — Pp. 2996-3001.

69. Smart J.H., Kwon K. H. Comparisons between in-situ and remote sensing estimates of diffuse attenuation profiles // Proceedings SPIE 2964, CIS Selected Papers: Laser Remote Sensing of Natural Waters: From Theory to Practice / ed. by V. I. Feigels, Y. I. Kopilevich. — Nov. 13, 1996. — Pp. 100-109.

70. Hickman G. D., Hogg J. E. Application of an airborne pulsed laser for near shore bathymetric measurements // Remote Sensing of Environment. — 1969. — Vol. 1, no. 1. — Pp. 47-58.

71. Hoge F. E., Swift R. N., Frederick E. B. Water depth measurement using an airborne pulsed neon laser system // Applied Optics. — 1980. — Vol. 19, no. 6.—Pp. 871-883.

72. Balandin V. N., Volodarskiy R. D. Laser instruments for measuring the depth of shallow water // Geodeziya i kartografiya. — 1979. — № 2. — С. 58—61.

73. O'Neil R. A. Field trials of a lidar bathymeter in the Magdalen islands // Proc. 4th Laser Hydro. Symp. — Salisbury : Australian Defense Research Center, 1981.—Pp. 56-84.

74. Penny M. F. Laser hydrography in Australia // Proc. Intl. Conf. on Lasers '81. —1981.—Pp. 1029-1041.

75. Laser depth sounding in the Baltic Sea / O. Steinvall [et al.] // Applied Optics. — 1981. — Vol. 20, no. 19. — Pp. 3284-3286.

76. Иванов А. П., Калинин И. И., Колесник А. И. Импульсное зондирование объектов в мутной среде // Оптические методы исследования океана и внутренних водоёмов / под ред. Г. И. Галазий, К. С. Шифрин. — Новосибирск : Наука, 1979. — С. 116—124.

77. ВайндрукЭ. С., Парицкий А. С., СоколовЕ. С. Использование светового луча для зондирования водной поверхности // Оптические методы исследования океана и внутренних водоёмов / под ред. Г. И. Галазий, К. С. Шифрин. — Новосибирск : Наука, 1979. — С. 134—135.

78. Определение оптических характеристик поверхностных вод на ходу судна методом лазерного зондирования / Ю. А. Гольдин [и др.] // Оптические исследования в океане и в атмосфере над океаном. — Москва : изд. ИО АН СССР, 1975. — С. 116—125.

79. Герман А. И. Лазерные самолётные исследования контрастов отражательных свойств морской поверхности, загрязнённой нефтью // Оптические методы исследования океана и внутренних водоёмов / под ред. Г. И. Галазий, К. С. Шифрин. —Новосибирск : Наука, 1979. — С. 164— 166.

80. Houston R. W., Stephenson D., Measures R. M. Laser induced fluorescence and environmental sensing // The use of lasers for hydrographic studies. — NASA, 1975. — Pp. 153-170.

81. Churnside J. H. Airborne lidar for fisheries applications // Optical Engineering. — 2001. — Mar. 1. — Vol. 40, no. 3. — P. 406.

82. Churnside J. H., Wilson J. J., Tatarskii V. V. Lidar profiles of fish schools // Applied Optics. — 1997. — Aug. 20. — Vol. 36, no. 24. — Pp. 6011-6020.

83. Авиационные лидары в промыслово-океанологических исследованиях / Ю. А. Гольдин [и др.] // (XII международная конференция по промысловой океанологии). — Калининград : АтлантНИРО, 2002. — С. 66— 68. — (тезисы докладов).

84. Исследование пространственной изменчивости оптических характеристик морской воды с использованием поляризационного авиационного лидара / Ю. А. Гольдин [и др.] // (Труды VII всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики»). — Санкт-Петербург, 2004.

85. Optech SH0ALS-1000T. — URL: http://www.optech.ca.

86. Estimation of the water optical properties and bottom reflectance from SHOALS data / V. I. Feygels [et al.] // Proc. SPIE / ed. by I. M. Levin [et al.]. — Apr. 6, 2007. — 66150F-66150F-6.

87. Some results of the airborne lidar survey of Sakhalin coastal waters / V. I. Chernook [et al.] // Proc. 6th International conference «Current problems in optics of natural waters». — Saint Petersburg, 2011. — Pp. 149-152.

88. Морской поляризационный лидар ПЛД-1 / Ю. А. Гольдин [и др.] // Труды XIII всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». — Санкт-Петербург, 2016. — С. 215—217.

89. Глухов В. А., Гольдин Ю. А., Родионов М. А. Экспериментальная оценка возможностей лидара ПЛД-1 по регистрации гидрооптических неодно-родностей в толще морской среды // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. — 2017. — Т. 10, № 2. — С. 41—48.

90. Dual-polarization airborne lidar for freshwater fisheries management and research / M. R. Roddewig [et al.] // Optical Engineering. — 2017. — Vol. 56, no. 3.—P. 031221.

91. Судовой лидар «Гидробионт» / Ю. А. Гольдин [и др.] // Труды VIII международной конференции «Современные проблемы оптики естественных вод». — Санкт-Петербург, 2015. — С. 160—165.

92. Горяинов В. С., Бузников А. А., Черноок В. И. Морские испытания судового лидара «Гидробионт» // 67-я Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ».. — Санкт-Петербург, 2014. — С. 75—78.

93. Финенко З. З., Чурилова Т. Я., Ли Р. И. Вертикальное распределение хлорофилла и флуоресценции в Чёрном море // Морський еколопчний журнал. — 2005. — Т. 4, № 1. — С. 15—45.

94. Stramski D., BabinM., Wozniak S. B. Variations in the optical properties of terrigenous mineral-rich particular matter suspended in seawater // Limnology and Oceanography. — 2007. — Vol. 52, no. 6. — Pp. 2418-2433.

95. NASA NASA Ocean Color. — URL: https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/.

96. Горяинов В. С., Черноок В. И., Бузников А. А. Алгоритм сортировки лидарных эхосигналов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ».. — 2014. — № 10. — С. 3—7.

97. Горяинов В. С., Бузников А. А., Черноок В. И. Модификация метода базового сигнала// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ».. — 2017. — № 8. — С. 63— 67.

98. Hu C., Lee Z., Franz B. Chlorophyll a algorithms for oligotrophic oceans: A novel approach based on three-band reflectance difference // Journal of Geophysical Research. — 2012. — Vol. 117, no. C1.

99. Горяинов В. С., Черноок В. И., Бузников А. А. Сравнение данных спектрометрического и лидарного зондирования дальневосточных морей // Труды IX международной конференции «Современные проблемы оптики естественных вод». — Санкт-Петербург, 2017. — С. 135—137.

А

Программный код для моделирования и аппроксимации лидарных эхо-сигналов

Листинг А.1 Вычисление коэффициента детерминации

rsq <— function(nls) {

RSS <— sum(residuals(nls)A2)

TSS <— sum((predict(nls) — mean(predict(nls 1 rsq <— 1 — (RSS / TSS) return(rsq)

}

Листинг А.2 Функции, использованные для генерации массива модельных данных

asym_gauss <— ^пс^оп(х, а, Ь, с, d) {

asym_gauss <— ifelse(x < Ь, a * exp(—((x — Ь) / с)л2), а * ехр(— ((х — Ь) / (с * d))л2))

5 }

М <— matrix(0, псо1=1, nrow=100)

^гЦ in 1:10) {

S <— asym_gauss(t, со[1], со[2], со[3], ^ М <— cbind(M, matrix(S, nrow=100, псо1=100))

}

М<— М[, 2:1001]

М_ <— sapply(1:1000, function(i) {jitter(M[,i], factor=1, amount=0.03)})

Листинг А.3 Аппроксимация модельных данных

bsm <— function(x, A, Kd) { n <— 1.33 c0 <— 3e8 H <— 150

bsm <— A * exp(—Kd*c0*x) / (2*n*H + c0*x)A2

}

10

15

20

25

30

proc2 <— function(k) {

A_ <— c(1.3e9, 6.2e6, 1e6, 5e5, 4e5, 3e5, 2.4e5, 2.4e5, 2.1e5, 1.9e5)

K_ <— c(0.83, 0.31, 0.15, 0.09, 0.07, 0.05, 0.03, 0.028,

0.017, 0.012) maxpos <— which.max(M_[,k]) ydata <— M_[(maxpos+5):(maxpos+2 0),k] xdata <— t[(maxpos+5):(maxpos+2 0)] res <— rep(0, 3)

tryCatch(S <— nls(ydata ~ bsm(xdata, A, K), start=list(A=A_[1+(k%/%100)],

K=K_[1+(k%/%100)]), control=list(maxiter=1000, warnOnly=TRUE)), error = function(e) res <— rep(NA, 3))

if(S$convInfo$stopCode == 0) { res <— c(coef(S), rsq(S))

}

return(res)