Часть 4. Радиоволновой экологический мониторинг.

4. 1. Радиоволновые методы экодиагностики.

Дистанционное СВЧ – радиоволновое зондирование земного покрова, атмосферы и акваторий Мирового океана основано на регистрации собственного или отраженного электромагнитного излучения.

Волны электромагнитного излучения, используемые для дистанционного зондирования в системах мониторинга окружающей среды, занимают широкий участок спектра от 0,3 мкм до 1,3 м с разбиением на диапазоны ближний ультрафиолетовый (УФ, 0,3 – 0,4 мкм), видимый (0,4 – 0,76 мкм), ближний инфракрасный (ИК, 0,76 – 1,5 мкм), средний и дальний (ИК, 1,5 мкм – 1 мм), сверхвысокочастотный (СВЧ, 1 мм – 1,3 м). СВЧ – диапазон радиоволновой экодиагностики принято делить на три основных поддиапазона: миллиметровый (1 – 10 мм), сантиметровый (1 – 10 см) и дециметровый (10 – 130 см).

Радиоволновые методы экодиагностики условно подразделяют на активные и пассивные. Под активными методами понимают те, которые изучают характер отражения, рассеяния и поглощения волн, излучаемых источником с известной спектральной плотностью. Активные методы широко применяют средства радиолокации. При этом объектами изучения являются мощность отраженного и рассеянного излучения, его спектральный состав и поляризационные свойства, фаза и время распространения.

Под пассивными методами понимают те, которые используют анализ собственного излучения природных образований. Характер собственного излучения определяется как температурой вещества, так и его физическими свойствами. Поэтому пассивные методы применяют как для измерения температуры, так и для определения различных параметров среды.

Основная специфика радиоволновой экодиагностики связана с большой радиопрозрачностью атмосферы. В этом одно из ее преимуществ по сравнению с оптическими и ИК – методами.

Технология активного зондирования радиоволн базируется на методах радиолокации, а пассивного – на регистрации собственного излучения. В обоих случаях теоретические задачи радиоволнового мониторинга связаны с излучением условий распространения электромагнитных волн в окружающей среде и, безусловно, в атмосфере и ближней ионосфере.

Основной недостаток радиоволновых методов дистанционного зондирования состоит в сравнительно низкой пространственной разрешающей способности по сравнению с оптическим диапазоном. В радиодиапазоне высокое пространственное разрешение достигается за счет применения многоканальности и специализированных методов обработки данных, что требует дополнительных экономических затрат.

Подавляющее большинство методов дистанционного зондирования окружающей среды основано на решении обратных задач. Как правило, эти задачи связаны с решением интегральных уравнений Фредгольма первого класса. Конкретный выбор алгоритма обращения этих уравнений определяется множеством условий и обстоятельств информационного обеспечения системы мониторинга.

Технической основой радиоволновой диагностики являются радиотехнические приборы пассивного и активного классов. Приборы активного зондирования (радиолокаторы) измеряют амплитуду отраженного или рассеянного сигнала, его частоту, время прихода, фазу и поляризацию. Разрешающая способность на местности определяется параметрами антенны и зависит от угла визирования. Примером эффективного исследования земных покровов является применение радиолокатора бокового обзора на самолете – лаборатории ИЛ – 18.

Пассивные радиоволновые методы экодиагностики основаны на измерении энергетических и поляризационных характеристик радиотеплового излучения природных образований. Высокая чувствительность СВЧ – радиометров обусловила их широкое применение в спутниковых системах мониторинга. Так, например, СВЧ – радиометрический модуль «Природа» орбитальной стации «Мир» обеспечивал решение практически того же круга прикладных задач, который решался бортовой системой самолета - лаборатории ИЛ – 18.

Спектр радиоволновых средств наблюдения за элементами окружающей среды достаточно широк и многообразен. Среди них важное место занимают средства наблюдения из космоса, такие как сканирующие радиометры типа ESMR (Nimbus – 5,6), микроволновый сканер NEMS (Nimbus -5,E), многоканальные сканирующие микроволновые радиометры SMMR и AMSR (Nimbus -7, Seaset, POP) и др.

С точки зрения комплексной задачи диагностики окружающей среды важен синтез системы, объединяющий такие функции, как сбор данных с помощью дистанционных и контактных методов, их анализ и накопление с последующей тематической обработкой. Это возможно при объединении радиоволновых методов экодиагностики, технологии методов экспертных систем и имитационного моделирования. На современном этапе это обеспечивает геоинформационная система (ГИС), которая обеспечивает обработку географических данных, связь с базами данных и символическое представление топологии изучаемых территорий.