Захаров А.И., Яковлев О.И., Смирнов В.М.

Спутниковый мониторинг Земли:
Радиолокационное зондирование поверхности Изд. 4, стереотип.

Оглавление

Предисловие

Прогресс изучения Земли идет очень быстро: то, что раньше казалось фантастикой, теперь становится реальностью. В 1521 году после трехлетнего плавания каравелла Магеллана впервые обогнула земной шар, а в 1961 году первый космонавт Ю. А. Гагарин облетел Землю уже всего за 90 минут. Сбылись вещие слова: "И увидел я новое небо и новую землю... ".

Изучение Земли потребовало создания сети геофизических центров, обсерваторий и метеостанций, которые исследуют состояние поверхности, атмосферы и ионосферы. Эти средства локального контроля плотно покрывают территории Европы и Северной Америки, но их мало в обширных океанических районах, в Арктике, Антарктике, в Сибири, Африке и в Южной Америке. Использование экспедиций, морских судов, авиации расширило возможности геофизических исследований. Особенно эффективной оказалась аэрофотосъемка труднодоступных районов. Фотографирование в разных участках спектра дало обширную информацию о состоянии и изменчивости лесов и тундр, пустынь и ледников, озер и рек. При авиационном лазерном зондировании сред удается получать сведения о профиле поверхности и о состоянии атмосферы, но применение оптического диапазона часто бывает затруднено из-за влияния облаков. Новые возможности дистанционного зондирования появились при использовании радиоволн. Применение авиационных радиолокаторов -- высотомеров позволило сначала оценивать особенности рельефа и степень неровности поверхности, а затем были созданы локаторы бокового обзора, дающие видимое изображение поверхности. Радиолокаторы оказались особенно эффективными для контроля ледовой обстановки в северных морях, т. к. на "радиоизображениях" видны зоны, свободные от льда, крупные разводья и айсберги. Использование радиометров, регистрирующих радиоизлучение природных объектов, продемонстрировало возможность изучения теплового режима поверхности; их применение оказалось эффективным для определения зон возгорания торфяников и контроля лесных пожаров. Применение аэрофотосъемки и авиационных радиосредств для геофизических исследований привело к созданию специализированных приборов, использующих широкий спектр электромагнитных волн. Стала понятной высокая эффективность методов дистанционного зондирования для изучения и контроля различных сред.

Применение спутников открыло новые возможности, т. к. позволило перейти к глобальному мониторингу поверхности, атмосферы и ионосферы. Особенности зондирования Земли со спутников обусловлены их быстрым перемещением и большим расстоянием до исследуемой среды, что потребовало другого подхода к принципам дистанционного зондирования и создания приборов, соответствующих жестким требованиям космической техники. Результаты зондирования Земли из космоса оказались столь интересны и многогранны, что это привело к появлению специализированных журналов. Нужно отметить следующие журналы, где анализируются особенности и результаты разных методов дистанционного зондирования сред: "International Journal of Remote Sensing", "Исследование Земли из космоса", "IEEE Transactions of Geoscience and Remote Sensing". В 1974--1988 годах по этой тематике были опубликованы первые обобщающие монографии и учебники [1--5]. В настоящее время большое развитие и применение получили три радиофизических спутниковых метода мониторинга Земли: радиолокационный, использующий отражение радиоволн поверхностью, радиометрический, анализирующий тепловое радиоизлучение атмосферы и поверхности, и радиозатменный, осуществляющий просвечивание атмосферы и ионосферы. Эти методы и соответствующая аппаратура оказались эффективными для мониторинга морей и ледников, тундры и лесов, степей и пустынь, сельскохозяйственных угодий и урбанизованных районов. Они позволили накапливать данные об особенностях погоды, о состоянии земных покровов, обнаруживать тенденции климатических изменений, изучать региональные особенности дождей, формирования облаков, волнения моря, направления и силы ветров.

В связи с развитием и применением дистанционных методов зондирования представляется необходимым изложить в относительно сжатой форме принципы и возможности спутникового радиофизического мониторинга Земли. В этой книге описаны принципы и возможности радиолокационного метода, в [6] изложены основы микроволновой радиометрии, а в [7] -- рассмотрен радиозатменный метод. Эти три небольших монографии являются введением в глобальный радиофизический спутниковый мониторинг Земли. Содержание трехтомника сформировалось в результате работы с аспирантами Института радиотехники и электроники Российской академии наук и чтения лекций студентам-радиофизикам в Московском физико-техническом институте и Московском институте радиотехники, электроники и автоматики. Оно соответствует программам курсов "Дистанционное зондирование окружающей среды" (МФТИ) и "Применение радиоэлектронных методов в физике" (МИРЭА). В трехтомнике показано, каковы принципы радиофизических спутниковых исследований, и что можно узнать о средах, зарегистрировав соответствующие радиоэффекты. Сузив таким образом цель этого трехтомника, авторы еще более упростили задачу и решили не описывать сложную схемотехнику радиосредств дистанционного зондирования, а дать лишь краткое описание укрупненных блок-схем соответствующей аппаратуры.

Развитие радиофизических спутниковых методов и средств мониторинга Земли привело к появлению большого числа публикаций по этой тематике. Авторы стремились привести полную библиографию работ по каждому методу, которая позволит читателю ориентироваться в этой массе работ и находить журнальные статьи по интересующему разделу. Такие термины как "дистанционное зондирование", "спутниковый мониторинг" или просто "зондирование", используются нами как синонимы, когда речь идет о спутниковом радиозондировании Земли.

В первой, вводной главе этой книги, рассмотрены принципы радиолокационного зондирования поверхности, описаны общие энергетические соотношения и особенности рассеяния и распространения радиоволн. Вторая и третья главы посвящены вертикальному зондированию поверхности, когда необходимо точное профилирование обширных районов и изучение характеристик дождей и облаков. В четвертой главе содержатся сведения о радиолокации методом бокового обзора и получении "радиоизображений" разных районов Земли, а в пятой главе изложен метод определения характеристик поверхности с помощью радиолокатора-скатерометра. Шестая глава содержит сведения о возможностях подповерхностного радиолокационного зондирования сухих грунтов, вечной мерзлоты и льдов. Седьмая глава посвящена бистатической радиолокации поверхности.

Авторы полагают, что эта книга будет полезна студентам, аспирантам, научным сотрудникам радиофизической специальности, а также радиоинженерам -- разработчикам спутниковых радиосредств мониторинга Земли. Преподаватели вузов могут использовать книгу в качестве учебного пособия по курсам "Радиолокация", "Спутниковый мониторинг Земли" и "Распространение радиоволн".

Мы благодарим С. С. Матюгова за проверку текста и полезные замечания, а также Л. Н. Захарову, Л. П. Исаеву, О. М. Ракитину, О. В. Юшкову, В. А. Ануфриева и А. В. Смирнова за помощь при подготовке текста и рисунков.

Об авторах

Кандидат технических наук, лауреат Государственной премии СССР.

Олег Изосимович ЯКОВЛЕВ

Профессор, академик Международной академии астронавтики, лауреат двух Государственных премий СССР.

Владимир Михайлович СМИРНОВ

Доктор физико-математических наук.