ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ТРАССИРОВКИ ОПТИЧЕСКИХ
ПУЧКОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ РАССЕЯНИЯ СВЕТА НА ГЕКСАГОНАЛЬНЫХ
ЛЕДЯНЫХ КРИСТАЛЛАХ ПЕРИСТЫХ ОБЛАКОВ
ВВЕДЕНИЕ 7
1 Методы решения задачи рассеяния света на несферических частицах 9
1.1 Точное решение задачи рассеяния света на несферических частицах 9
1.2 Метод Т-матриц 10
1.3 Метод конечных элементов 11
1.4 Метод конечных разностей во временной области 12
1.5 Метод дискретных диполей 12
1.6 Приближение геометрической оптики 14
1.7 Метод физической оптики 14
2 Автоматизация построения базы данных 16
2.1 Программа для создания пакетного файла запуска расчетов матриц рассеяния
света на вычислительном кластере ПО А СО РАН 16
2.1.1 Принцип работы программ физической оптики и параметры файла
запуска 16
2.1.2 Принцип работы программы для создания пакетного файла запуска
расчетов матриц рассеяния света 19
2.2 Программа для автоматической обработки результатов расчета 21
2.2.1 Алгоритм программы 22
3 Оптимизация метода физической оптики 27
3.1 Теоретическая основа численного интегрирования по пространственной
ориентации частицы 27
3.2 Алгоритм программы 30
4 Построение банка данных матрицы обратного рассеяния 34
4.1 Исследование влияния числа пространственных ориентации и глубины
рекурсии на точность решения 34
4.2 Результаты расчетов 45
4.3 Выводы 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ II ЛИТЕРАТУРЫ 57
ПРИЛОЖЕНИЕ А 64
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 67
ПРИЛОЖЕНИЕ В 70
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 71
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 72
Облака и связанные с ними атмосферные явления играют важнейшую роль в формировании погоды и климата, тем самым влияя на многие сферы деятельности и жизнь человека. Без знания состояния атмосферы и явлений погоды нельзя обойтись авиации и другим видам транспорта, сельскому хозяйству, сфере обеспечения энергетическими ресурсами, строительству. Всем людям важно знать прогноз, чтобы неожиданные явления не смогли застать врасплох. Многообразные формы облачности помогают обнаружить многие процессы в атмосфере.
Японское агентство аэрокосмических исследований Jaxa и Европейское космическое агентство ESA запускают космический лидар в Earth Саге в 2023 году, который будет исследовать перистые облака лидарными методами. Для интерпретации получаемых на лидаре данных, необходимо решить задачу рассеяния света на ледяных частицах несферической формы. Однако в настоящее время в мире не существует эффективного метода для решения поставленной задачи, а необходимая для интерпретации база данных решений строится в ручном режиме. Поэтому требуется провести автоматизацию процесса построения базы данных решений задачи рассеяния света, что включает в себя как создание программного решения для автоматического запуска численных расчетов, так и автоматизацию обработки полученного численного решения.
Поэтому целью данной работы будет являться создание алгоритмического и программного обеспечения, позволяющего эффективно решить задачу рассеяния света на ледяных несферических частицах, для построения базы данных решений, принципиально важной для задач обработки сигнала космического лидара EartCARE.
Для реализации данной цели необходимо выполнить задачи:
1. Провести обзор литературы по темам: “Рассеяние света на гексагональных ледяных кристаллах перистых облаков”, “Оптика атмосферы и океана”, “Методы геометрической и физической оптики в задаче рассеяния света атмосферными ледяными кристаллами”. “Язык программирования C++, С”
2. Ознакомится с современным состоянием развития численных методов решения задачи рассеяния света на кристаллических частицах в рамках приближений геометрической и физической оптики.
3. Сформулировать концептуальные основы построения программной реализации метода трассировки оптических пучков.
4. Разработать и реализовать алгоритм и программное обеспечение для решения задачи рассеяния света в рамка метода трассировки пучков, а также провести исследование быстродействия и эффективности.
5. Разработать и реализовать алгоритм и программное обеспечение для автоматизированного построения базы данных решений задачи рассеяния света.
В данной работе было реализовано две программы для автоматизации построения банка данных решений задачи рассеяния света на ледяных несферических частицах перистых облаков. Первая программа позволила в полуавтоматическом режиме произвести запуск расчетов на вычислительном кластере ИОА СО РАН, вторая программа позволила эффективно обработать результаты численного решения и построить банк данных.
Также в работе проведена модернизация программной реализации метода физической оптики, что позволило ускорить получение решение в 37 раз. Так решение для частиц размером 1000 мкм на длине волны 0,355 мкм после модернизации удалось получить всего за 23 дня, в то время как до модернизации такое решение требовало бы более 2 лет работы вычислительного кластера ИОА СО РАН.
Основным практическим результатом работы является построенный банк данных матриц обратного рассеяния света для гексагональных столбиков, пластинок, частиц неправильной формы, а также дроксталлов. Полученный банк данных был зарегистрирован в государственном реестре, о чем получено свидетельство №2022620452 от 14 марта 2022 г.
Получение результаты необходимы для интерпретации данных планируемого к запуску космического лидара Earth Саге.
