Работы по космической тематике

Научные направления исследований Института, сформулированные академиком В.Е. Зуевым при создании Института в 1969 г., включали практически все возможные аспекты, связанные с взаимодействием оптического излучения с атмосферой, всесторонними исследованиями атмосферы, в том числе, из космоса, с дистанционным зондированием земной поверхности со спутников.
 

Первый отечественный космический лидар БАЛКАН

Макет лидара БАЛКАН

Первой аппаратурной реализацией образцов техники для лазерного зондирования атмосферы из космоса стал первый отечественный космический лидар БАЛКАН – бортовой аэрозольный лидарный комплекс Академии наук. В 1984 г., по заданию НПО «Энергия» (Российская космическая корпорация), начались опытно-конструкторские работы по созданию новой научной аппаратуры для многофункциональной орбитальной станции «МИР». БАЛКАН создавался тремя организациями: головной институт – ИОА СО РАН, СКБ «Оптика» (ИМКЭС СО РАН), Российский научно исследовательский институт космического приборостроения г. Москва. В 1990 г. завершились все наземные испытания, и в составе модуля «Спектр» орбитальной станции «МИР» лидар был готов для вывода в космос. О созданном космическом лидаре академик В.И. Зуев заявил на 15-й Международной лидарной конференции, проводившейся Институтом в Томске в июле 1990 г.  

Приемо-передатчик лидара

Процесс преобразования страны, распад Советского Союза и, как следствие, отсутствие финансирования, оттянули вывод модуля «Спектр» в целом. Модуль законсервировали, и только в мае 1995 г. после проведения новых предстартовых испытаний лидар оказался на околоземной орбите. Измерения с использованием космического лидара БАЛКАН проводились в течение 1995–1996 гг. тремя орбитальными экспедициями космонавтов. В июне 1996 г. из-за внешней аварии на модуле «Спектр» работы с лидаром БАЛКАН прекратились, хотя он использовал менее 10% своего ресурса.

Эксперименты по отработке техники орбитального лазерного зондирования и проверки алгоритмов интерпретации лидарных сигналов продолжены с помощью российско-французского лидара ALISSA в составе модуля «Природа» этой же станции, выведенного на орбиту в середине 1996 г. 

БАЛКАН успешно выполнял свои задачи, прибор использовался для зондирования подстилающей поверхности и верхнего слоя океана, измерения параметров облачных образований в глобальном масштабе, валидации параметров орбиты станции «МИР» методом лазерной локации. Предварительные результаты исследований позволили осуществить технологическую проверку лидаров, отработать методики совместного подспутникового эксперимента и получить массивы лидарных сигналов, пригодных для апробации алгоритмов обработки данных зондирования.

Ссылка:

Балин Ю.С., Тихомиров А.А. История создания и работы в составе орбитальной станции «Мир» первого российского космического лидара БАЛКАН // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24. № 12. С. 1078-1087.

Прием и тематическая обработка спутниковых изображений

Спутниковое изображение очагов лесных пожаров

В 1981 г. в Институте создана группа, затем лаборатория дистанционного зондирования атмосферы космическими средствами. Лаборатория выполнила сложнейшие комплексные исследования, цель которых состояла в калибровке отечественных оптико-электронных приборов дистанционного зондирования земной поверхности из космоса. Задача, сформулированная космическим ведомством СССР, состояла в том, чтобы «научить» приборы превращать измеряемые в космосе параметры оптического излучения в количественные характеристики земной поверхности (например, температуру) с высокой точностью.

Фильтрация спутниковых изображений

К сожалению, с распадом СССР в стране были свернуты работы по созданию и эксплуатации спутниковых группировок, входящих в систему дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса, а зарубежные спутниковые данные оказались недоступными. Однако в Институте исследования, связанные с использованием спутниковых данных для изучения и мониторинга характеристик атмосферы и земной поверхности, не прекратились. В.Е. Зуев обратился к академическому руководству с предложением приобрести станцию приема информации с метеорологических спутников NOAA (США), и на выделенные средства фирма СканЭкс поставила в Институт станцию приема спутниковой информации. С 1987 г. Институт принимает спутниковые данные, обрабатывает их и применяет на практике. В 2011 г. через Приборную комиссию РАН  Институт получил новую современную станцию приема спутниковых данных станцию приема спутниковых данных Model 2.4 XLSA System (США)

Западная Сибирь: спутниковое изображение

Одна из важнейших научных задач Института – создание программно-информационных средств атмосферной коррекции космических изображений для решения ряда задач: получение данных о температуре земной поверхности, необходимых для метеорологов и климатологов; раннее обнаружение чрезвычайных событий и стихийных бедствий – лесных пожаров и наводнений (эффективность разработанного в ИОА СО РАН алгоритма распознавания очагов возгораний – выше, чем у зарубежных аналогов); мониторинг состояния сельскохозяйственных культур, занимающих обширные территории; распознавание объектов на земной поверхности с помощью изучения их отражательных свойств. Алгоритмы обнаружения лесных пожаров в течение более десяти лет успешно использовались для мониторинга пожароопасных ситуаций на территории Томской области.  

С 2017 г. по заказу Российского космического агентства в Институте создается специальное программное обеспечение для атмосферной коррекции изображений земной поверхности, получаемых с возрождающейся отечественной спутниковой системы дистанционного зондирования.

В 2020 г. разработаны программные средства атмосферной коррекции в видимом и ближнем ИК диапазоне для произвольных оптико-геометрических ситуаций и подстилающих поверхностей. Программные средства применены для тематической обработки изображений приборов на спутниках Terra и Aqua (США) и отечественных спутников Ресурс-П и Метеор-М.

Ссылка:

Белов В.В., Тарасенков М.В., Энгель М.В., Гриднев Ю.В., Зимовая А.В., Познахарев Е.С., Абрамочкин В.Н., Федосов А.В., Кудрявцев А.Н. Атмосферная коррекция спутниковых изображений земной поверхности в оптическом диапазоне длин волн. Оптическая связь на рассеянном излучении // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 09. С. 753–757. DOI: 10.15372/AOO20190908.

Комплексы измерения астроклиматических и метеорологических параметров

Бесперебойное функционирование сети квантово-оптических систем (КОС) необходимо для обеспечения успешной работы Российской службы контроля космического пространства. С помощью специальных приборов, входящих в состав КОС, ведутся постоянные наблюдения за движением космических аппаратов и космического мусора. В случае возникновения опасных ситуаций, траектории движения спутников могут быть изменены. Работа систем контроля требует оперативного определения условий видимости через атмосферу. В ИОА СО РАН специально для этой цели созданы уникальные аппаратурные и программные комплексы и системы, модификации комплексов смонтированы на Алтае, в Москве, в Щелково, на Кавказе.

Подмосковье

Алтай

Кавказ

В Институте создана панорамно-оптическая станция «TomSky», предназначенная для круглосуточного мониторинга оптического состояния неба; разработаны методы и средства оперативного дистанционного определения оптико-физических параметров атмосферных объектов: облаков, дымов, аэрозольных образований. Эти методы и средства, кроме того, применимы и для определения аналогичных параметров любых других объектов, находящихся в атмосфере и за её пределами.

При запуске космических аппаратов необходимо иметь объективную и независимую информацию о состоянии космического аппарата, о параметрах траектории и скорости полёта аппарата на всех этапах его разгона, о состоянии облачности и её динамических свойствах вблизи космодрома и вдоль всей трассы полёта. Аппаратурный комплекс функционирует на основе данных фотометрических наблюдений яркости рассеянного оптического излучения от объектов и данных фотограмметрических наблюдениях этих объектов (ракеты на разгонном участке трассы, самолёты, облака, дымы, аэрозольные слои), находящихся как внутри, так и вне атмосферы на наклонных трассах различной протяжённости. В результате наблюдений решаются следующие задачи: оперативное определение в любое время суток траекторных параметров движения объектов в земной атмосфере на дальностях от 0,5 км до 1000 км, оценка их габаритов и яркости; оперативный пространственно-временной прогноз местоположения движущихся объектов.

Ссылка:

Матвиенко Г.Г., Бабушкин П.А., Бобровников С.М., Боровой А.Г., Бочковский Д.А., Галилейский В.П., Гришин А.И., Долгий С.И., Елизаров А.И., Кокарев Д.В., Коношонкин А.В., Крючков А.В., Кустова Н.В., Невзоров А.В., Маричев В.Н., Морозов А.М., Ошлаков В.К., Романовский О.А., Суханов А.Я., Трифонов Д.А., Яковлев С.В., Садовников С.А., Невзоров А.А., Харченко О.В. Лазерное и оптическое зондирование атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 09. С. 726–740. DOI: 10.15372/AOO20190906.

Молекулярные спектры – ключ к пониманию природы экзопланет

В Институте решается задача расчета молекулярных спектров, которые являются своего рода ключом к пониманию процессов, протекающих в атмосферах Земли и других планет Солнечной системы, а также экзопланет. Приходится иметь дело с высокотемпературными спектрами, что требует привлечения большого объема вычислительных ресурсов. Изучение высокотемпературных спектров ведется с применением методов квантовой химии. Одно из направлений исследований – это расчеты спектров молекулы метана, который относится к числу индикаторов, определяющих наличие жизни на той или иной планете, включая экзопланеты. В ИОА СО РАН вычислены высокотемпературные спектры многих молекул.

На протяжении ряда лет Институт сотрудничает с коллегами из университетов Парижа, Реймса и Гренобля (Франция), Гарвардского университета и Национального управления по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (США), а также с научными лабораториями Китая и Японии.

Проводимые исследования имеют важное фундаментальное значение и практические приложения. Например, высокоточные данные о спектрах метана и углекислого газа необходимы японским партнерам, запустившим в ближний космос спектрометр в рамках проекта GOSAT (Green House Gases Observing Satellite). С использованием результатов наших расчетов и данных орбитального сканирующего спектрометра возможно эффективное восстановление концентрации метана, углекислого газа и других парниковых газов в атмосфере Земли. В числе новых перспективных направлений – расчеты спектров сложных пяти-, восьмиатомных молекул (например, молекулы этилена), присутствующих в атмосферах Земли и других планет.

В Институте создан и постоянно пополняется специальный интернет-банк параметров спектральных линий молекулы углекислого газа, из которого более чем на девяносто процентов состоят атмосферы Венеры и Марса. Банк данных активно используются Роскосмосом, NASA, Европейским космическим агентством.

Спектры поглощения СО2 при разных температурах

Тематика работ сотрудников Института связана с изучением спектров водяного пара, который играет огромную роль в жизни человека на Земле, а также участвует в формировании облачного слоя атмосферы Венеры, оказывает существенное влияние на климатические процессы на Марсе.

Совместно с коллегами из Института космических исследований РАН в ИОА СО РАН получены значимые результаты по описанию спектров так называемой «тяжелой» воды, которые позволяют получить новые данные об атмосфере Марса и Венеры. Интерес ученых обращен к атмосфере Марса, если там удастся зарегистрировать газы, содержащие серу (сероводород, оксиды серы), то это позволит подтвердить гипотезу о продолжающейся геологической и вулканической активности на этой планете. Отметим, что при исследовании спектров атмосферы Марса на наличие следов метана, последний не был обнаружен, однако впервые зарегистрирована полоса магнитно-дипольного поглощения молекулы углекислого газа.

Первое наблюдение магнитно-дипольной полосы углекислого газа в атмосфере Марса.  А: Спектр марсианской атмосферы, зарегистрированный аппаратом ExoMars (черная линия), и симулированныйс помощью базы данных HITRAN (синяя линия).  В: Магнитно-дипольная полоса ν2 + ν3 углекислого газа (разность между зарегистрированными и симулированным спектрами)

Ссылка:

Перевалов В.И., Пономарев Ю.Н., Пташник И.В., Синица Л.Н. Молекулярная спектроскопия высокого разрешения в ИОА СО РАН. Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 09. С. 687-702. DOI: 10.15372/AOO20190903.

 

Облачность: обработка спутниковых данных

Данные о глобальном поле облачности, полученные с помощью спутниковых систем, имеют целый спектр применений. Они нужны для прогноза погоды, моделирования климата и обеспечения безопасного полёта авиатранспорта. В Институте с 2009 года ведутся работы по созданию уникальных компьютерных программ, позволяющих автоматически определять разные типы облачных полей. Учёные ведут свои исследования на стыке оптики атмосферы, программирования и высокоточной обработки изображений, разрабатываются специальные программы, которые классифицируют огромный массив данных – высокоточные изображения облаков, полученные с помощью систем дистанционного зондирования Земли из космоса. Это позволяет изучить различные регионы, на территории которых отсутствуют наземные метеостанции. Первым шагом явилось создание специальной базы данных характерных изображений облачности. Следующим этапом стало «обучение» программы – классифицировать облака по текстурным признакам: в автоматическом режиме компьютером дается ответ на вопрос, к какому типу относится облако, например, является оно перистым или кучевым. В основе действия программы лежит анализ перепадов яркости во фрагменте спутникового снимка облачности.

Разработаны оригинальные алгоритмы классификации облачности по спутниковым данным с помощью методов искусственного интеллекта, которые позволяют выделять не только основные формы облаков, но и их подтипы, и некоторые сочетания в любое время суток. Они позволяют распознавать 15 и 13 типов облачности в дневное и ночное время суток соответственно с вероятностью 0,85. Для описания облаков используются текстурные признаки изображений из космоса в видимом диапазоне спектра, а также их физические характеристики. В качестве классификаторов используется вероятностная нейронная сеть. Реализация алгоритмов выполнена с помощью применения технологии параллельных вычислений на графических процессорах общего назначения. На рисунках – результат классификации облачности над Западной Сибирью по спутниковому снимку MODIS, полученному в дневное время суток.

Разработан алгоритм распознавания 5 типов атмосферных фронтов на основе использования результатов дистанционного зондирования Земли из космоса с помощью методов искусственного интеллекта. Основная его суть заключается в использовании результатов классификации облачности для поиска характерных для каждого типа атмосферного фронта последовательностей типов облаков. При этом используется информация о водозапасе облачности, температуре и давлении на уровне подстилающей поверхности. Алгоритм позволяет выделять теплые, холодные 1 рода, холодные 2 рода, окклюдирующие по типу теплого, окклюдирующие по типу холодного атмосферные фронты.

Спутниковый снимок MODIS

Результат классификации облачности по спутниковому снимку

Мозаика облачности

Ссылки:
  1. Астафуров В.Г., Скороходов А.В., Курьянович К.В., Митрофаненко Я.К. Характеристики различных типов облачности над природными зонами Западной Сибири по спутниковым данным MODIS // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 04. С. 266–271. DOI: 10.15372/AOO20200404.
  2. Скороходов А.В., Курьянович К.В. Исследование изменчивости характеристик атмосферных внутренних волн и их сигнатур над Тихоокеанским побережьем Российской Федерации // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 6. С. 245–253. DOI: 10.21046/2070-7401-2019-16-6-245-253.

Определение давления света на сетеполотно антенных рефлекторов ИСЗ

В 2017–2018 гг. по заданию АО «ИСС» в Институте выполнена научно-исследовательская работа «Расчет светового давления на конструкционные материалы». В ходе выполнения НИР на базе Фурье-спектрометра Bruker Optics IFS 125 HR создана экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения интенсивности падающего, рассеянного, поглощённого и пропущенного исследуемым материалом излучения во всём диапазоне излучения Солнца. Знание величины давления света на сетеполотно спутниковых антенн важно для планирования необходимого запаса топлива для долгосрочного пребывания спутника на орбите Земли. Проведены измерения светотехнических характеристик конструкционных материалов: коэффициентов пропускания и коэффициентов отражения; построена математическая модель облучения светом солнечного спектра конструкционного материала под любым углом, проведена верификация модели по результатам экспериментальных исследований; проведён расчёт влияния светового давления на конструкционные материалы. В качестве конструкционного материала использовались образцы сетеполотна спутниковых антенн. Давление солнечного света на сетеполотно спутниковой антенны определено путем прецизионных измерений полной индикатрисы рассеяния на образец. Индикатриса рассеяния получена на основе ~2 тысяч единичных измерений рассеянного разными образцами сетки излучения для массива углов падения и массовых расчетов индикатрисы рассеяния для больших углов падения и рассеяния на основе 3-D оптико-геометрической модели.

Фурье-спектрометр Bruker Optics IFS 125 HR

Сетеполотно

 

Проект космического лидара

Сотрудники Института работают над решением задачи точного приземления космических спускаемых аппаратов. Расчет траектории спуска и координат приземления космического аппарата

– это сложная многопараметрическая задача. Порой между реальной и расчетной точками посадки – десятки километров и даже более, если корабль переходит в режим баллистического спуска. При торможении в атмосфере скорость и направление движения аппарата зависят от плотности, температуры и состава воздуха, скорости ветра и многих других атмосферных параметров. Точность прогноза места приземления спускаемого аппарата определяет ход и длительность поисковой операции. Координаты места приземления определяются с использованием реального значения плотности атмосферы в высотном столбе от 15 до 100 км. В Институте на Малой станции высотного зондирования (МСВЗ) ученые определяют концентрацию аэрозоля, температуру и плотность атмосферы дистанционно, по лидарным данным. Это позволит решать задачу оперативного измерения параметров атмосферы за несколько часов до спуска аппарата с орбиты благодаря разработке специального лидарного комплекса, который можно разместить на борту МКС.

Приемный телескоп МСВЗ

Лазерный передатчик МСВЗ

Ссылки:
  1. Маричев В.Н. Анализ поведения плотности воздуха и температуры в стратосфере над Томском в периоды ее возмущенного и спокойного состояний, выполненный по результатам лидарных измерений. // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 09. С. 783–792.
  2. Матвиенко Г.Г., Бабушкин П.А., Бобровников С.М., Боровой А.Г., Бочковский Д.А., Галилейский В.П., Гришин А.И., Долгий С.И., Елизаров А.И., Кокарев Д.В., Коношонкин А.В., Крючков А.В., Кустова Н.В., Невзоров А.В., Маричев В.Н., Морозов А.М., Ошлаков В.К., Романовский О.А., Суханов А.Я., Трифонов Д.А., Яковлев С.В., Садовников С.А., Невзоров А.А., Харченко О.В. Лазерное и оптическое зондирование атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 09. С. 726–740. DOI: 10.15372/AOO2010906.

Исследование ледяных облаков Земли со спутника

Активно развивается научное сотрудничество между Kyushu University (Япония) и ИОА СО РАН (г. Томск) по теме «Исследование ледяных облаков Земли со спутника EarthCARE». Европейско-японский спутник EarthCARE (для изучения облаков и аэрозоля) оснащенный лидаром и радаром, планируется к запуску в июне 2022 г.
В результате сотрудничества создан уникальный банк данных по матрицам рассеяния света на ледяных кристаллах перистых облаков для различных форм и размеров ледяных кристаллов. Этот банк данных позволяет рассчитывать сигналы лидара и радара при зондировании ледяных облаков со спутника EarthCARE; восстанавливать форму и размеры ледяных кристаллов, что необходимо в численных моделях прогноза погоды и глобального изменения климата. Продемонстрирована возможность восстановления формы частиц из измеренных спектрального отношения на длинах волн 355 нм, 532 нм и деполяризационного отношения.

Ссылка:

Okamoto H., Sato K., Borovoi A., Ishimoto H., Masuda K., Konoshonkin A., and Kustova N. Wavelength dependence of ice cloud backscatter properties for space-borne polarization lidar applications // Opt. Express. 2020. V. 28. No. 20. P. 29178-29191. DOI: 10.1364/OE.400510.

 

Гранты Российского научного фонда

  • Спектроскопическое обеспечение планетарных и астрофизических исследований. Перевалов В.И.  2017–2019 гг.
  • Восстановление пространственной ориентации атмосферных кристаллических частиц из данных поляризационного сканирующего лидара и спутниковых наблюдений. Коношонкин А.В.  2018–2021 гг.
  • Разработка методов и алгоритмов для анализа многолетней изменчивости характеристик различных типов облачности на основе данных полярно-орбитальных спутников. Скороходов А.В.  2018–2021 гг.

Публикации в СМИ