МЕТОД МОНТЕ-КАРЛО ДЛЯ РАСЧЕТА ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ В МОРСКОЙ ВОДЕ
Аннотация
Развитие численных методов решения интегро-дифференциального уравнения переноса излучения остается актуальной задачей на сегодняшний день. Среди них можно выделить востребованный в различных нишах современной оптики океана метод Монте-Карло. Цель данной работы – доступное и лаконичное изложение основ метода прямого Монте-Карло моделирования световых полей в морской воде, сопровождающееся подробным описанием способа его программной реализации. Изложены основы метода, описаны процедуры выбора типа взаимодействия, величины длины свободного пробега и направления движения фотонов. Рассмотрен простой случай, соответствующий бесконечно удаленному точечному источнику неполяризованного света, отсутствию влияния атмосферы, гладкой поверхности раздела и отсутствию стратификации первичных гидрооптических характеристик. При этом использованы реалистичные значения показателей поглощения и рассеяния, рассчитанные в соответствии с моделью вод первого оптического типа для концентрации хлорофилла 1 мкг/л, и сильно вытянутая индикатриса Хеньи-Гринстейна с параметром g = 0.95. Выполнен учет френелевского отражения света от поверхности раздела «воздух – морская вода». Относительные ошибки значений коэффициента диффузного ослабления нисходящего потока излучения Kd и коэффициента диффузного отражения R, рассчитанные в спектральном интервале 400–700 нм с использованием 106 фотонов, в сравнении с результатами HydroLight составили 1.5 % и 0.4 % соответственно. Расчет спектров на одном ядре мобильного процессора Intel Core i5-8250U 2017 г. в среде MATLAB занимает 6 минут. Выполнена оценка выбора оптимального количества фотонов, необходимого для получения искомых величин с заданной точностью. Реализованный метод полезен для знакомства с основными принципами, применяемыми для численного решения уравнения переноса излучения в морской воде статистическими методами, и используется в курсе «Оптика океана», читаемом автором студентам 4 курса кафедры термогидромеханики океана МФТИ.
Передача авторских прав происходит на основании лицензионного договора между Автором и Федеральным государственным бюджетным учреждением науки Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (ИО РАН)
