Калибровка как часть обработки экспериментальных радиополяриметрических измерений

В процессе разработки новых подходов и моделей физических процессов невозможно обойтись без постановки натурных экспериментов, т.к. проведение измерений в лабораторных условиях не могут в полной мере отразить сущность изучаемого процесса или явления. Одной из главных частей любых экспериментов является обработка полученных данных.
Настоящая работа посвящена особенностям обработки данных натурных радиополяриметрических исследований. Для анализа использованы данные, полученные в рамках международного натурного эксперимента «CAPMOS’07».
На первом этапе обработки данных осуществляется калибровка оборудования. Т.е. производится установление взаимно-однозначного соответствия между яркостной температурой исследуемого элемента пространства и выходными показаниями радиометрической системы.
Известно, что выходное напряжения радиометра линейно зависит от яркостной температуры. Следовательно, для построения калибровочной прямой (определения калибровочных коэффициентов) достаточно знать координаты удаленных друг от друга точек (традиционно, яркостной температуры АЧТ, реликтового излучения и соответствующих им выходных напряжений). Однако, в силу того, что исследования производятся у поверхности земли, к реликтовому излучению необходимо добавить нисходящее излучение атмосферы, которое зависит от угла наблюдения и интегрального поглощения атмосферы. Поэтому, для нахождения калибровочных коэффициентов и интегрального поглощения атмосферы пара уравнений калибровочной зависимости должна быть дополнена.
Полученную систему уравнений решается в три этапа:
1. Случайным образом в заданном диапазоне генерируются значения калибровочных коэффициентов и интегрального поглощения атмосферы;
2. На их основе рассчитываются величины радиояркостных контрастов АЧТ и подсвета атмосферы;
3. Вычисляется функция невязки с экспериментальными данными.
Данный итерационный процесс повторяется более 1000 раз. В конце вычислений принимается решение, удовлетворяют ли найденные коэффициенты условию минимума функции невязки или нет. Если решение не найдено, то процесс калибровки необходимо провести еще раз задав новые начальные значения и диапазон поиска определяемых коэффициентов.
Для уменьшения количества итераций, а следовательно и времени калибровки, в работе было предложено разбить итерационный процесс на несколько равных частей, причем в каждой части изменять начальные значения калибровочных коэффициентов и сужать диапазон их поиска. Диапазон поиска коэффициентов сужался в 2 раза, 3 раза, 10 раз и по экспоненциальному закону. В ходе испытаний было отмечено, что при сужении диапазона в 10 раз и по экспоненциальному закону калибровочные коэффициенты находились быстрее, чем при фиксированном диапазоне. Однако, при сужении диапазона в 10 раз возникала ситуация, что если в одной части итерационного процесса коэффициенты были подобраны неправильно, то в следующей части, после сужения диапазона поиска, генерируемые значения коэффициентов тоже оказывались ошибочными. Т.о., было принято решение сужать диапазон поиска калибровочных коэффициентов по экспоненциальному закону.
Рассмотренные в работе вопросы позволили сократить время калибровки, а предложенный алгоритм поиска калибровочных коэффициентов был внесен в рабочую программу автоматической калибровки.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №08-05-00890-а, №09-02-00780-а, №09-05-10075-к, №10-02-10019-к, №10-05-10054-к и гранта Президента РФ № МК-927.2009.2.