ЛИДАРНО-ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ

Полезная модель относится к области технологий оптических методов контроля оптико-физических параметров атмосферы и предназначена для дистанционного определения профилей оптических и микрофизических параметров аэрозольных полей. Модель может быть также использована для решения экологических задач атмосферы, в частности, при контроле трансграничных переносов аэрозольных примесей в период лесных пожаров и активной вулканической деятельности.
В настоящее время для контроля оптического состояния всей толщи атмосферы широко используются многоволновые солнечные фотометры [1]. Наиболее известна совокупность этих фотометров под названием мировая сеть AERONET [2].
Основной недостаток подобного рода аппаратуры заложен в самом принципе измерений, когда после фотометрирования солнца представляется только некоторый интегральный параметр всей толщи атмосферы и нельзя с высоким пространственным разрешением определить высотный профиль, как оптических, так и микрофизических параметров атмосферы.
Дистанционное лазерное зондирование устраняет этот недостаток и позволяет создать новый класс приборов дистанционного мониторинга атмосферы.
Метод лазерного зондирования атмосферы основан на эффектах рассеяния света на молекулах и аэрозольных частицах атмосферы, в том числе и обратном направлении в направлении источника излучения. Это является основой метода дистанционного зондирования при регистрации обратного рассеяния лазерного импульса. Оптический сигнал поступает на приемный оптический телескоп, затем направляется на фотодетектор, где преобразуется в электрический сигнал. Электрический сигнал преобразуется с помощью аналого-цифровых преобразователей или счетчиков фотонов в цифровой вид и направляется для обработки в ПЭВМ, где в соответствии с алгоритмами обработки сигналов извлекают информацию о параметрах атмосферы.
Многообразие эффектов взаимодействия излучения с атмосферой упругое и комбинационное рассеяния, доплеровское рассеяние, поляризационное зондирование, многоволновое зондирование, однократное и многократное рассеяние обуславливает такое же многообразие способов и устройств зондирования атмосферы.
Наиболее простые из них основаны на использовании эффектов упругого рассеяния при зондировании атмосферы на одной длине волны.
Известно устройство для исследований аэрозольных и облачных полей тропосферы, основанное на использовании лазера с одной длиной зондирования и последующей регистрацией пространственной амплитуды развертки сигнала вдоль трассы зондирования [3].
Основное предназначение этого устройства заключается в получении информации о высотной стратификации аэрозольных и облачных полей, а также о высотном профиле оптических параметров (коэффициенты общего и обратного рассеяния) атмосферы.
Основным недостатком этого устройства являются трудности обработки получаемой информации, поскольку в уравнение лазерного зондирования, которое непосредственно связывает параметры атмосферы с характеристиками сигнала, входят одновременно несколько неизвестных параметров. Тем самым задача обработки сигнала, даже для восстановления оптических параметров с математической точки зрения является некорректной и приходится накладывать определенные априорные ограничения на свойства самой атмосферы. Тем более, при зондировании на одной длине волны вообще нельзя реализовать задачу восстановления параметров микроструктуры аэрозоля.
Следующим шагом для расширения функциональных возможностей лидара является использование в процессе зондирования двух волн зондирования, при этом регистрация сигналов осуществляется только на этих длинах волн. т.е. используются только эффекты упругого рассеяния.
Известен двухволновой лидар для зондирования атмосферы, содержащий два лазерных передатчика, оси излучения которых параллельны и приемную систему, включающие последовательно установленные приемный объектив, блок смены интерференционных и нейтральных светофильтров и фотодетекторы, выход которых подключен к блоку регистрации [4].
Недостатком этого устройства является низкая оперативность измерений. Это обусловлено тем, что при каждом акте зондирования на оптической оси объектива приемной системы может быть установлен только один интерференционный фильтр, соответствующий в данный момент времени длине волны работающего передатчика, а затем требуется временной промежуток для замены. Таким образом, производится попеременное зондирование атмосферы. Кроме того, при регистрации сигналов только упругого рассеяния на двух длинах волн зондирования по прежнему остаются проблемы связанные с решением обратной задачи по восстановлению оптических параметров атмосферы по данным зондирования.
Основным недостатком известных устройств использующих только упругое рассеяние являются большие погрешности восстановления оптических параметров и микроструктурных аэрозольных частиц.
Наиболее перспективными средствами лазерного зондирования атмосферы являются устройства сочетающие прием сигналов как, на посылаемых длинах волн излучения, так и использующих эффекты комбинационного рассеяния света. В большинстве известных систем для этого используют колебательно-вращательный спектр комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода. Поскольку сечение рассеяния света на этих газах известно, то это позволяет непосредственно из сигналов комбинационного рассеяния без всяких априорных допущений о свойствах атмосферы определять оптические параметры среды.
Аналогом лидарной системы для многоволнового зондирования атмосферы является лидар Института оптики атмосферы СО РАН [5]. Данное устройство состоит из источника лазерного излучения, генерирующего одновременно световые импульсы на трех длинах волн: 1064. 532 и 355 нм, приемного телескопа с набором интерференционных фильтров, позволяющих селектировать эти оптические сигналы, а также сигналы комбинационного рассеяния, фотодетекторов, подключенных через блоки регистрации электрических сигналов к ПЭВМ.
Основным недостатком этого многоволнового лазерного устройства является ограниченный набор длин волн, обусловленный спецификой конструкции твердотельного лазерного излучателя. Из основной длины волны 1064 нм, все последующие гармоники получаются дискретно, путем установки на пути луча нелинейных оптических кристаллов. В данном случае это три длины волны упругого рассеяния, а также два сигнала комбинационного рассеяния (387 и 607 нм).
В то же время, чтобы восстанавливать спектр размеров атмосферного аэрозоля (мелкодисперсная и грубодисперсная фракции), необходим диапазон длин волн от ультрафиолета до ИК-области (~2 мкм).
Ближайшим аналогом лидарно-фотометрического комплекса, который устраняет этот недостаток является комплекс, описанный в работе [6]. Комплекс состоит из стационарного высотного лидара на трех длинах волн (1064, 532 и 355) и солнечного фотометра, измеряющего спектральную оптическую толщу атмосферы от 0.3 до 2 км.
Комплекс функционирует следующим образом. Из радиометрических данных восстанавливают интегральные параметры микроструктуры аэрозоля по всей толще атмосферы. Поскольку в общем случае длины волн лидара и фотометра не совпадают, то пересчитывают данные фотометра на длины волн лидара.
Затем интегральные параметры используют как дополнительные при обработке высотных профилей лидарных сигналов, т.е. при расчете высотных профилей концентрации аэрозольных фракций (мелко и крупно-дисперсной). Это является несомненным преимуществом перед вышеописанными аналогами, поскольку позволяет в полной мере использовать возможности лидара и фотометра.
Основным недостатком прототипа является то. что при реализации совместных лидарно-фотометрических наблюдений, зондирование осуществляется в различных областях атмосферы. Солнечный фотометр непрерывно отслеживает положение Солнца, поскольку оно является источником излучения, а лидар зондирует вертикально вверх. В этом случае, особенно при низком положении Солнца, часто проявляются ошибки измерений, вследствие зондирования приборами различных атмосферных объектов. В частности, в случае разорванной облачности при солнечной фотометрии необходимо принимать специальные меры, чтобы отселектировать постоянное присутствие крупнодисперсного аэрозоля в разрывах между облаками. А по трассе лазерного зондирования в этот момент может находиться облако.
В данной полезной модели устраняет этот недостаток, обеспечивая контроль атмосферы обоими устройствами по возможности в наиболее общей для них пространственной зоне.
Задачей технического решения является уменьшение ошибок измерений параметров аэрозольных полей при комплексном наблюдении лидаром и солнечным фотометром за счет уменьшения пространственных рассогласований объектов зондирования.
Решение поставленной задачи достигается следующим образом.
Приемо-передатчик лидара и оптическую головку солнечного фотометра устанавливают на общую двухкоординатную поворотную платформу, оснащенную системой наведения и сопровождения Солнца. При этом угол зрения солнечного фотометра составляет 0.5÷2 градуса для полного перехвата солнечного диска. Угол поля зрения приемо-передатчика лидара не превышает одного миллирадиана, что позволяет максимально уменьшить угловое расхождение между оптическими осями лидара и фотометра. Мерой такого сближения является величина дробового шума фотоприемников лидара, т.е. отношение сигнал/шум.
На фиг.1 схематично изображена блок-схема лидарно-фотометрического комплекса для зондирования атмосферы.
Приемо-передатчик лидара 1 содержит источник лазерного излучения на длинах волн 1064. 532 и 355 нм. Расходимость лазерного пучка на выходе составляет 1 млрад.
Приемо-передатчик содержит также оптический телескоп 2 с углом поля, охватывающим весь световой пучок, направляемый лазерным источником в атмосферу. Лазер 1 и приемный телескоп 2 жестко связаны между собой, а их оптические оси практически параллельны. Рядом с приемо-передатчиком лидара расположена оптическая головка 3 солнечного фотометра с углом поля зрения охватывающим солнечный диск. Оптические оси лидара и фотометра расположены в одной плоскости, выставлены в одном направлении и имеют угловое расхождение для предотвращения попадания прямого солнечного излучения на фотоприемники лидара. Приемо-передатчик 1 и 2, а также оптическая головка фотометра 3 смонтированы на двухкоординатной поворотной платформе 4, снабженной системой наведения на Солнце с возможностью его углового сопровождения. Приемо-передатчик 1. 2, оптическая головка 3. поворотная платформа 4 электрически связаны с блоком управления, регистрации и обработки информации 5, в который поступают электрические сигналы с фотоприемников комплекса и информация об угловом положении поворотной колонки.
Лидарно-фотометрический комплекс работает следующим образом.
В случае безоблачной атмосферы система наведения поворотной платформы 4 по команде с блока управления 5 осуществляет поиск солнечного диска и настройку на него оптической оси головки фотометра 3. После этого осуществляется цикл измерений как фотометром, так и лидаром. Фотометр измеряет спектральную прозрачность всей толщи атмосферы в 10÷12 каналах диапазона длин волн от 0.3 до 2 мкм. а лидар на трех длинах волн 1064. 532 и 355 мкм измеряет коэффициенты обратного рассеяния.
Для этого источник излучения 1 направляет в атмосферу лазерное излучение вдоль оптической оси лидара. отклоненной от оптической оси фотометра на 20-25 градусов. Рассеянное атмосферой в обратном направлении излучение собирается приемным телескопом 2, регистрируется его фотоприемниками, а затем электрические сигналы направляются в блок управления оцифровки и обработки 5. В блоке обработки на основе фотометрической информации определяются интегральные параметры аэрозольного слоя, которые затем используются как дополнительные ограничения при расчете профилей концентрации аэрозольных фракций из данных высотных профилей лидарных коэффициентов обратного рассеяния.
Базовая система уравнений в блоке обработки 5 решается на основе методов статистической регуляризации решения некорректной обратной задачи. Решения системы относительно профилей концентрации аэрозоля проводится посредством нахождения функции правдоподобия, путем оценки ковариационной матрицы ошибок.
Как показали проведенные испытания, лидарно-фотометрический комплекс позволяет контролировать высотное распределение микро и грубо дисперсной фракций аэрозоля нижней тропосферы, особенно в период проявления аномальных явлений: лесные пожары и извержения вулканов.
Литература:
1. http://
2. Holben B.N., Eck T.F., Slutsker I., Tanre D., Buis J.P., Stezer Α., Vermote T.F., Reagan J.Α., Kaufman Y.J., Nakadjima T., Lavenu F., Jankowiak I., Smirnov A. AERONET - A federated instrument network and data archive for aerosol characterization // Remote Sens.Environ. 1998. V.66. N 1. P. 1-16.
3. Bairashin G.S., Balin Yu.S., Ershov A.D., Kokhanenko G.P., Penner I.E. Lidar "LOZA-MS'' for investigation of aerosol fields in troposphere.// Optical Engineering. 2005. V.44(7). P.071209-1-071209-7.
4. Авторское свидетельство №801721, авторы: Балин Ю.С., Кауль Б.В., Самохвалов И.В., Зуев В.Е.. Жильцов В.И., Козинцев В.И. «Двухволновой оптический локатор для зондирования атмосферы»
5. Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Клемашева М.Г., Пеннер И.Э., Самойлова С.В. Патент (Россия) №106966 Многоволновый лидарный комплекс для контроля оптического состояния атмосферы. Патентообладатель: ИОА СО РАН. Зарегистрировано в госреестре полезных моделей РФ 27 июля 2011 г.
6. Tamio Takamura. Yasuhiro Sasano, and Tadahiro Hayasaka. Tropospheric aerosol optical properties derived from lidar, sun photometer, and optical particle counter measurements 7132-7140 APPLIED OPTICS / Vol.33. No. 30/20 October 1994