СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОБЛАКОВ
METHOD FOR LASER PROBING OF CRYSTAL CLOUDS

Изобретение относится к области атмосферных и метеорологических наблюдений и может быть использовано в лидарах при зондировании кристаллических и жидкокапельных облаков.
Известен способ лазерного зондирования облаков, включающий посылку в атмосферу лазерного зондирующего излучения, прием обратного рассеянного атмосферой лидарного сигнала и анализ интенсивности сигнала (Матвиенко Г.Г., Балин Ю.С., Бобровников С.М., Романовский О.А., Коханенко Г.П., Самойлова С.В., Пеннер И.Э., Горлов Е.В., Жарков В.И., Садовников С.А., Харченко О.В., Яковлев С.В., Баженов О.Е., Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Макеев А.П., Невзоров А.А., Невзоров А.В. «Сибирская лидарная станция: аппаратура и результаты» (под редакцией Матвиенко Г.Г.). // Томск. Изд-во ИОА СО РАН. 2016. 414 с. ISBN 978-5-94458-156-3., Гл.7. стр.255.)
Недостатком этого способа является отсутствие возможности определения фазового состава облачности, что обусловлено отсутствием регистрации поляризационных характеристик лидарного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ поляризационного лазерного зондирования облаков (Зуев В.Е., Зуев В.В. «Дистанционное оптическое зондирование атмосферы» // С-Петербург. Гидрометеоиздат. 1992. 232 с. ISBN 5-286-00530-6., Гл.3.стр.64)
Согласно данному способу в атмосферу на облачное образование посылают линейно поляризованное лазерное излучение. Рассеянное в обратном направлении излучение с помощью поляризационного анализатора расщепляют на два пучка со взаимно ортогональной поляризацией, одна из которых параллельна плоскости линейной поляризации зондирующего лазерного излучения. Затем берут отношение этих двух лидарных сигналов и определяют степень деполяризации лидарного сигнала, по величине которой судят о микрофизических параметрах облачных частиц, т.е. о фазовой структуре облака (жидкокапельное, кристаллическое, смешанное).
В то же время, кристаллические облака могут состоять из частиц как с хаотической, так и преимущественной ориентацией.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности при зондировании кристаллических облаков обнаружения в нем областей с преимущественной ориентацией кристаллических ледяных частиц, а также определения их микрофизических параметров относительно формы и размеров – столбики или пластины.
Задачей изобретения является устранение этого недостатка, т.е. обнаружение в облаках областей с преимущественной или хаотической ориентацией кристаллических ледяных частиц, а также их микрофизических параметров.
Поставленная задача достигается тем, что в способе лазерного зондирования облаков, основанном на посылке в атмосферу линейно поляризованного лазерного импульсного излучения и приеме обратно рассеянных атмосферой сигналов в двух взаимно ортогональных поляризационных плоскостях, одна из которых совпадает с плоскостью поляризации исходного излучения, зондирование осуществляют путем сканирования лазерным пучком в вертикальной плоскости в диапазоне зенитных углов от нуля до шестидесяти градусов. При каждом акте зондирования определяют отношение сигналов в двух взаимно ортогональных поляризационных плоскостях, строят зависимость этого отношения от зенитного угла зондирования и по величине отношения судят о микрофизических параметрах облачных частиц.
Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
В лидарных наблюдениях присутствие в облаках кристаллических частиц проявляется, прежде всего, в различиях величины деполяризации обратно рассеянного излучения. Значение деполяризации определяется через отношение интенсивностей ортогональной, по отношению к исходной линейной поляризации лазерного излучения и параллельной компонент лидарного сигнала.
Однако нельзя выявить в структуре облака области с горизонтальной или полностью хаотической ориентацией кристаллических частиц, используя линейную поляризацию исходного лазерного излучения и осуществляя зондирование облака в одном вертикальном направлении.
Как известно, для участков облака состоящих в основном из случайно ориентированных частиц, величина отношения двух ортогональных поляризационных компонент лидарного сигнала находится в пределах диапазона значений 0,3÷0,6.
Во многих случаях кристаллические частицы облачности, которые в основном состоят из пластинок и столбиков, имеют выраженную ориентацию в пространстве. Наиболее известное явление – это преимущественная ориентация кристаллов в горизонтальной плоскости под действием аэродинамических сил, возникающих при свободном падении частиц.
В этой ситуации, при вертикальном лазерном зондировании горизонтально ориентированные частицы вызывают зеркальное отражение излучения. При френелевском зеркальном отражении от плоской грани кристалла обратно рассеянный лидарный сигнал согласно теории не должен содержать кросс-поляризованного компонента, т.е. отношение сигналов кросс-поляризованного к поляризованному должно быть нулевым, не считая погрешностей измерений. Напротив, поляризованный компонент будет содержать зеркальную составляющую, т.е. лидарный сигнал этого компонента значительно возрастет, по отношению к ситуации хаотически ориентированных частиц.
0
Таким образом, при вертикальном зондировании облаков подобные характеристики ортогональных компонент поляризованного лидарного сигнала и их отношения указывают на горизонтальную ориентацию частиц в облаке. Микрофизическим параметром кристаллических частиц облака также является зависимость распределения частиц по углам отклонения от горизонтальной плоскости, так называемый флаттер. Предполагается, что это распределение совпадает с зависимостью интенсивности поляризационного сигнала от зенитного угла трассы зондирования. Это действительно так для крупных частиц (~100 мкм), для которых дифракционный пик уже, чем масштаб отклонения частиц. В этом случае ширина углового распределения интенсивности отраженного поляризованного излучения совпадает со средним отклонением частиц от горизонтальной плоскости (флаттер). В то же время интенсивность кросс-поляризованного ортогонального компонента сигнала будет нулевой, поскольку происходит отражение излучения от плоской зеркальной грани. Обычно величина флаттера колеблется в пределах 0÷7 , поэтому именно в этом диапазоне зенитных углов необходимо проверить сканирование для получения распределения кристаллических частиц по углам отклонения от горизонтальной плоскости.
0
Другой эффект, который можно использовать при лазерном зондировании облаков для селекции между собой пластинок и столбиков, – это эффект уголкового отражения проявляющийся при наклоне лидара на значительный зенитный угол. Основой этого эффекта является наличие угла 90 между плоскостями кристаллов, что приводит к вращению плоскости поляризации отраженного лазерного излучения. Как следствие этого эффекта при зондировании под углом более 30 градусов, если облако состоит из пластинок будет наблюдаться резкий максимум отношения сигналов, а при зондировании столбиков плавный рост отношения вплоть до углов 50-60 градусов.
Таковы закономерности поведения отношения компонент поляризационного лидарного сигнала при вертикальном и наклонном зондировании для оценки микрофизических параметров облачных кристаллических частиц: горизонтальная ориентация при зеркальном отражении, распределение частиц по углам наклона (флаттер), селекция пластинок и столбиков.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит источник поляризационного лазерного излучения 1, и расположенный в непосредственной близости от источника лазерного излучения 1 приемный оптический телескоп 2. На оптической оси телескопа 2 установлен поляризационный расщепитель-анализатор 3, разделяющий световой пучок на два со взаимно ортогональной поляризацией, плоскость одной из которых параллельна плоскости поляризации исходного лазерного излучения. На пути световых поляризованных пучков установлены фотодетекторы 4 и 5 для регистрации лидарных сигналов, электрически подключенные к системе регистрации 6. Система регистрации 6 подключена к входу системы управления и обработки информации 7, которая подключена к источнику лазерного излучения 1, а также к блоку управления 8 поворотной платформы 9.
Устройство работает следующим образом. Система 7 выдает управляющую команду на блок 8 управления платформой 9. В начальный момент времени блок 8 выдает команду на установку поворотной платформы 9 в положение соответствующее вертикальному направлению зондирования, т.е. когда зенитный угол равен нулю, а затем эту информацию направляет в систему управления 7, которая в свою очередь дает команду на запуск лазера 1. Рассеянное облаком в обратном направлении излучение поступает на вход приемного телескопа 2, где собирается в узкий световой пучок и направляется на поляризационный расщепитель-анализатор 3. Обычно в этом качестве используется поляризационная призма Волластона, ориентированная таким образом, чтобы на выходе получались два взаимно-ортогональных поляризационных пучка, плоскость поляризации одного из которых параллельна плоскости поляризации зондирующего излучения, а другого – перпендикулярна.
Ортогональные поляризационные компоненты светового пучка поступают на вход фотодетекторов 4 и 5, где оптические сигналы преобразуются в электрические, которые поступают одновременно на вход системы регистрации 6 для оцифровки, а затем оцифрованные сигналы поступают на вход системы управления и обработки 7. В дальнейшем система 7 осуществляет операцию деления друг на друга амплитуд сигналов от облачного образования, тем самым определяя величину отношения сигналов и соответственно степени деполяризации лидарного сигнала при зондировании атмосферы лазерным излучением с линейной поляризацией. Если отношение близко к нулевому значению, то облако состоит из кристаллических частиц, имеющих преимущественную ориентацию в горизонтальной плоскости. Таким образом, заканчивается первый цикл зондирования кристаллического облака.
В последующий момент времени осуществляется дальнейший цикл измерений по измерению закономерности распределения частиц по углам наклона, т.е. измерению значения флаттера. Система управления 7 выдает команду на блок 8 поворотной платформы 9, которая начинает сканирование в вертикальной плоскости, а также команду на запуск источника лазерного излучения 1.
Лазер 1 направляет линейно поляризованное излучение в атмосферу на облако. Обратно рассеянный сигнал поступает на вход приемного телескопа 2, далее с помощью оптического расщепителя 3 разделяется на два взаимно-ортогональных поляризационных пучка, которые преобразуются в электрические сигналы с помощью фотодетекторов 4 и 5 и регистрируются системой регистрации 6. Оцифрованные сигналы поступают в блок обработки и управления 7, куда одновременно из блока 8 поступает информация о значении зенитного угла зондирования. Таким образом, в блоке обработки 7 формируется массив данных об амплитудах лидарных сигналов в зависимости от зенитного угла наклона трассы зондирования. Фактически вид зависимости поляризованного компонента лидарного сигнала от угла зондирования соответствует виду зависимости распределения кристаллических частиц по углам наклона. Как правило, для получения этой зависимости достаточно провести наклонное зондирование в диапазоне зенитных углов 0÷4°.
Следующий цикл зондирования заключается в дальнейшем наклонном сканировании вплоть до зенитных углов 40°-60°.
При каждом угле наклона в системе 6 регистрируются два ортогональных поляризационных компонента сигнала, а в системе 7 определяется их отношение в зависимости от угла наклона выдаваемого блоком 8. Если отношение сигналов в указанном угловом диапазоне находится в пределах 0,3÷0,5 и не зависит от изменения угла наклона оси лидара, то это указывает на хаотическую ориентацию кристаллов в облаке.
Если в процессе сканирования в блоке обработки 7 выявлена зависимость увеличения величины отношения от изменения угла наклона, то это свидетельствует о наличии в составе облака кристаллических столбиков.
Если в процессе сканирования в диапазоне углов более 32° выявлены скачкообразное увеличение отношения сигналов, то это свидетельствует о наличии в облаке горизонтально ориентированных пластинок. Причиной этого скачка является эффект углового отражения излучения из-за наличия прямого угла между плоскостями пластинок.
Таким образом, данное технические решение по лазерному зондированию кристаллического облака путем наклонного санирования и анализа поляризационных компонент лидарного сигнала позволяет обнаруживать в облаках области с преимущественной ориентацией кристаллов, а также осуществлять селекцию пластинок от столбиков.