О влиянии пространственных флуктуаций гидрооптических характеристик на энергию приходящего из водоема лидарного эхо-сигнала

Разработаны теоретические модели статистических характеристик лидарного эхо-сигнала, предназначенные для интерпретации результатов оптического зондирования сильно эвтрофированных водоемов. Получены формулы для расчета статистически среднего значения и коэффициента вариации энергии сигнала упругого обратного рассеяния, приходящего из приповерхностного слоя воды со случайно-неоднородными показателями поглощения и рассеяния. Приведены примеры зависимости указанных характеристик сигнала от коэффициентов вариации оптических характеристик воды. Установлено, что флуктуации показателя поглощения приводят к увеличению средней энергии принимаемого сигнала, а флуктуации показателя рассеяния — к ее небольшому уменьшению. Значительное уменьшение средней энергии эхо-сигнала может наблюдаться при взаимно коррелированных флуктуациях показателей поглощения и рассеяния, т. е. в случае, когда флуктуирует показатель ослабления при неизменном альбедо однократного рассеяния. Высказаны соображения о том, каким образом могут быть построены алгоритмы оценки средних значений оптических характеристик воды и параметров их неоднородностей по среднему значению и коэффициенту вариации энергии эхо-сигнала. 

1. Долин Л.С., Савельев В.А. О характеристиках сигнала обратного рассеяния при импульсном облучении мутной среды узким направленным световым пучком // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7, № 5. С. 505–510.

2. Браво-Животовский Д.М., Гордеев Л.Б., Долин Л.С., Моченев С.Б. Определение показателей поглощения и рассеяния морской воды по некоторым характеристикам светового поля искусственных источников света // Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах. Под ред. А.С. Монина, К.С. Шифрина. М.: Наука, 1974. С. 153–158.

3. Оптика океана / Под ред. А.С. Монина. М.: Наука, 1983. Т. 1. Физическая оптика океана. 371 с.

4. Billard B., Abbot R.H., Penny M.F. Airborne estimation of sea turbidity parameters from the WRELANDS laser airborne depth sounder // Applied Optics. 1986. Vol. 25. P. 2080–2088.

5. Браво-Животовский Д.М., Долин Л.С., Савельев В.А., Фадеев В.В., Щегольков Ю.Б. Оптические методы диагностики океана. Лазерное дистанционное зондирование // «Дистанционные методы изучения океана». Горький: ИПФ АН СССР, 1987. С. 84–125.

6. Hoge F.E., Wright C.W., Krabill W.B., Buntzen R.R., Gilbert G.D., Swift R.N., Yungel J.K., Berry R.E. Airborne lidar detection of subsurface oceanic scattering layers // Applied Optics. 1988. Vol. 27. P. 3969–3977.

7. Васильков А.П., Кондранин Т.В., Мясников Е.В. Определение профиля показателя рассеяния света по поляризационным характеристикам отраженного назад излучения при импульсном зондировании океана. // Известия АН СССР, Физика атмосферы и океана. 1990. Т. 26, № 3. С. 307–312.

8. Долин Л.С., Левин И.М. Справочник по теории подводного видения. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991. 230 с.

9. Dolin L.S., Levin I.M. Optics, Underwater // Encyclopedia of Applied Physics, VCH Publishers, 1995. Vol. 12. P. 571–601.

10. Васильков А.П., Гольдин Ю.А., Гуреев Б.А. Определение вертикального распределения показателя рассеяния морской воды с помощью авиационного поляризационного лидара // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1997. Т. 33, № 4. С. 563–569.

11. Vasilkov A.P., Goldin Y.A., Gureev B.A., Hoge F.E., Swift R.N., Wright C.W. Airborne polarized lidar detection of scattering layers in the ocean // Applied Optics. 2001. Vol. 40, N 24. P. 4353–4364. doi:10.1364/AO.40.004353

12. Bissonnette L.R., Roy G., Poutier L., Cober S.G., Isaac G.A. Multiple-scattering lidar retrieval method: tests on Monte Carlo simulations and comparisons with in situ measurements // Applied Optics. 2002. Vol. 41, N 30. P. 6307–6324. doi:10.1364/AO.41.006307

13. Feygels V.I., Kopilevich Y.I., Surkov A., Yangel J.K., Behrenfeld M.J. Airborne lidar system with variable field-of-view receiver for water optical measurements // Proceedings of SPIE. Ocean Remote Sensing and Imaging II. 2003. Vol. 5155. P. 12–21.

14. Коханенко Г.П., Крекова М.М., Пеннер И.Э., Шаманаев В.С. Обнаружение неоднородностей гидрозоля поляризационным лидаром // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17, № 9. С. 750–758.

15. Kopilevich Yu., Feygels V.I., Tuell G.H., Surkov A. Measurement of ocean water optical properties and seafloor reflectance with scanning hydrographic operational airborne lidar survey (SHOALS): I. Theoretical background // Proceedings of SPIE. 2005. Vol. 5885. 9 p.

16. Tuell G.H., Feygels V., Kopilevich Yu., Weidemann A.D., Cunningham A.G., Mani R., Podoba V., Ramnath V., Park J.Y., Aitken J. Measurement of ocean water optical properties and seafloor reflectance with scanning hydrographic operational airborne lidar survey (SHOALS): II. Practical results and comparison with independent data // Proceedings of SPIE. 2005. Vol. 5885. 13 p.

17. Hoge F.E. Oceanic inherent optical properties: proposed single laser lidar and retrieval theory // Applied Optics. 2005. Vol. 44, N 34. P. 7483–7486. doi:10.1364/AO.44.007483

18. Churnside J.H., Thorne R.E. Comparison of airborne lidar measurements with 420 kHz echo-sounder measurements of zooplankton // Applied Optics. 2005. Vol. 44, N 26. P. 5504–5514. doi:10.1364/AO.44.005504

19. Zege E., Katsev I., Prikhach A. Retrieval of seawater inherent optical properties profiles from lidar waveforms // Proceedings of SPIE. 2007. Vol. 6615, 66150B, 10 p.

20. Dolina I.S., Dolin L.S., Levin I.M., Rodionov A.A., Savel’ev V.A. Inverse problems of lidar sensing of the ocean. In: Current Research on Remote Sensing, Laser Probing, and Imagery in Natural Waters // Proceeding of SPIE. 2007. Vol. 6615, 66150C — 1–10.

21. Долин Л.С. Лидарный метод измерения частотно-контрастной характеристики водных слоев // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2010. Т. 3, № 3 (9). С. 62–71.

22. Коханенко Г.П., Балин Ю.С., Пеннер И.Э., Шаманаев В.С. Лидарные и in situ измерения оптических параметров поверхностных слоев воды в озере Байкал // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24, № 5. С. 377–385.

23. Palmer S.C.J., Pelevin V.V., Goncharenko I., Kovács A.W., Zlinszky A., Présing M., Horváth H., Nicolás-Perea V., Balzter H., Tóth V.R. Ultraviolet Fluorescence LiDAR (UFL) as a Measurement Tool for Water Quality Parameters in Turbid Lake Conditions // Remote Sensing. 2013. Vol. 5. P. 4405–4422. doi:10.3390/rs5094405

24. Пелевин В.В., Завьялов П.О., Коновалов Б.В., Абрамов О.И., Грабовский А.Б., Гончаренко И.В. Дистанционное лазерное зондирование морей и внутренних водоемов портативными ультрафиолетовыми лидарами // Труды VIII международной конференции «Современные проблемы оптики ествественных вод». 2015. С. 179–184.

25. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А. Экспериментальная оценка возможностей лидара ПЛД-1 по регистрации гидрооптических неоднородностей в толще морской среды // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2017. Т. 10, № 2. С. 41–48. doi:10.7868/S207366731702006X

26. Глухов В.А., Гольдин Ю.А., Родионов М.А. Лидарный метод регистрации внутренних волн в водах с двухслойной стратификацией гидрооптических характеристик // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14, № 3. С. 86–97. doi:10.7868/S2073667321030084

27. Леднёв В.Н., Гришин М.Я., Першин С.М., Бункин А.Ф., Капустин И.А., Мольков А.А., Ермаков С.А. Лидарное зондирование пресноводной акватории с высокой концентрацией фитопланктона // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса. 2016. Т. 13, № 1. С. 119–134. doi:10.21046/2070-7401-2016-13-1-119-134

28. Grishin M. Ya., Lednev V.N., Pershin S.M., Bunkin A.F., Kobylyanskiy V.V., Ermakov S.A., Kapustin I.A., Molkov A.A. Laser remote sensing of an algal bloom in a freshwater reservoir // Laser Physics. 2016. Vol. 26. 125601 (8pp). doi:10.1088/1054–660X/26/12/125601

29. Мольков А.А., Капустин И.А., Щегольков Ю.Б., Воденеева Е.Л., Калашников И.Н. Взаимосвязь первичных гидрооптических характеристик на 650 нм с глубиной видимости диска Секки и концентрацией сине-зеленых водорослей в Горьковском водохранилище // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. С. 26–33. doi:10.7868/S2073667318030036

30. Molkov A.A., Fedorov S.V., Pelevin V.V., Korchemkina E.N. On regional models for high-resolution retrieval of Chlorophyll a and TSM Concentrations in the Gorky Reservoir by Sentinel-2 Imagery // Remote Sensing. 2019. Vol. 10, N 11. P. 1215–1241. doi.org/10.3390/rs11101215

31. Мольков А.А., Пелевин В.В., Корчемкина Е.Н. Оригинальная методика валидации спутниковых данных в условиях сильной пространственно-временной изменчивости оптических свойств воды внутренних эвтрофных водоемов // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 2. С. 60–67. doi:10.7868/S2073667320020070

32. Fukshansky L. Absorption statistics in turbid media // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1987. Vol. 38. P. 389–406.

33. McClendon J.H., Fukshansky L. On the interpretation of absorption spectra of leaves — II. The non-absorbed ray of the sieve effect and the mean optical pathlength in the remainder of the leaf // Photo-chem Photobiol. 1990. Vol. 51. P. 211–216.

34. Anisimov O., Fukshansky L. Stochastic radiation in macroheteroge-neous random optical media // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1992. Vol. 48. P. 169–186.

35. Долин Л.С., Сергеева Е.А., Турчин И.В. Теневые шумы в оптических томограммах биотканей // Квантовая электроника. 2008. Т. 38, № 6. С. 543–550.

36. Долин Л.С. Развитие теории переноса излучения в приложении к задачам инструментального видения в мутных средах // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 5. С. 553–560. doi:10.3367/UFNe.0179.200905k.0553

37. Dolin L.S., Sergeeva E.A., Turchin I.V. Correlation characteristics of optical coherence tomography images of turbid media with statistically inhomogeneous optical parameters // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2012. Vol. 113, N 9. P. 691–703. doi:10.1016/j.jqsrt.2012.02.004

38. Долин Л.С., Долина И.С., Савельев В.А. Лидарный метод определения характеристик внутренних волн // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48, № 4. С. 501–511.

39. Долин Л.С., Савельев В.А. К теории распространения узкого пучка света в стратифицированной рассеивающей среде // Известия вузов. Радиофизика. 1979. Т. 22, № 11. С. 1310–1317.

40. Левин И., Копелевич O. Корреляционные соотношения между первичными гидрооптическими характеристиками в спектральном диапазоне около 550 нм. // Океанология. 2007. № 3, C. 374–379.

41. Левин И.М. Малопараметрические модели первичных оптических характеристик морской воды // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2014. Т. 7, № 3, С. 3–22.

42. Турлаев Д.Г., Долин Л.С. О наблюдении подводных объектов через взволнованную водную поверхность: новый алгоритм коррекции изображений и лабораторный эксперимент // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, № 3. С. 370–376.

43. Турлаев Д.Г. Нахождение вектора уклонов взволнованной водной поверхности по ее изображению в условиях естественного освещения // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11, № 3. С. 91–96. doi:10.7868/S20736673180300115