СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПЕРИСТЫХ ОБЛАКОВ
METHOD FOR LASER PROBING OF CIRRUS 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 азимутального угла направления этой ориентации.
Задачей изобретения является устранение этого недостатка, т.е. обнаружение в облаках областей с преимущественной или хаотической ориентацией кристаллических ледяных частиц, а также определение азимутального угла направления этой ориентации.
Поставленная задача достигается тем, что в способе лазерного зондирования облаков, основанном на посылке в атмосферу линейно поляризованного в вертикальной плоскости 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 на двух длинах волн со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации излучения, вращая при этом ось лазерного пучка вокруг вертикальной оси с фиксацией азимутального угла вращения до тех пор, пока поляризованные лидарные сигналы на двух длинах волн одновременно не достигнут своих противоположных экстремальных значений, и по величине этого азимутального угла судят об азимутальном направлении ориентации кристаллических частиц перистого облака.
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 неподвижно в одном вертикальном направлении.
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.
Согласно теории, если при зондировании вертикальная плоскость поляризации лазерного пучка совпадает с плоскостью направления большой оси кристаллического столбика, то при отражении излучения будет регистрироваться максимальное значение величины поляризованного лидарного сигнала. В противоположном случае, если при зондировании вертикальная плоскость поляризации лазерного пучка будет ортогональна плоскости направления большой оси частицы, то будет регистрироваться минимальной значение величины поляризованного лидарного сигнала.
Данную закономерность можно использовать при зондировании перистых облаков, состоящих из кристаллических частиц, если осуществлять зондирование пучком одновременно содержащим излучение со взаимно перпендикулярными плоскостями излучения. Это реализуется при зондировании атмосферы на двух длинах волн, одна из которых содержит линейно поляризованное излучение в вертикальной плоскости, а излучение на другой длине волны линейно поляризовано в ортогональной плоскости. Обычно при зондировании атмосферы твердотельным лазером на первой и второй гармониках, преобразованное излучение на длине волны 0,532 мкм линейно поляризовано в вертикальной плоскости, а исходное излучение на 1,06 мкм - поляризовано в горизонтальной плоскости.
Если, например, в начальный момент времени выставить вертикальную плоскость поляризации лазерного излучения на длине волны 0,532 мкм в направлении на север, то величина поляризованного лидарного сигнала будет определяться взаимным угловым расположением этой плоскости с плоскостью большой оси кристаллической частицы, положение которой неизвестно.
Допустим этот угол, т.е. направление большой оси частицы составляет 60°. Осуществляя азимутальное сканирование по часовой стрелке от нулевого угла, т.е. в восточном направлении будем наблюдать увеличение амплитуды поляризованного лидарного сигнала на длине волны 0,532 мкм, вплоть до достижения максимального значения при азимутальном угле 60°. В то же время при сканировании будет наблюдаться уменьшение амплитуды сигнала на длине волны 1,06 мкм, вплоть до достижения минимального значения при азимутальном угле 60°, поскольку это излучение с ортогональной линейной плоскостью поляризации.
Таковы следующие из теории поляризованного зондирования кристаллических облаков закономерности, которые позволяют при проведении азимутального сканирования выявить два экстремальных значения поляризационных сигналов при зондировании на двух длинах волн со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации излучения и тем самым определить угловое положение большой оси кристалла, т.е. его азимутальное направление ориентации в пространстве горизонтальной плоскости.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит источник поляризованного лазерного излучения 1 на двух длинах волн со взаимно перпендикулярными плоскостями линейной поляризации излучения, 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 блоки интерференционных фильтров 4 и 5, каждый из которых селектирует световой пучок только на одну длину волны. Оптические выходы блоков 4 и 5 подключены ко входу фотоприемного блока 6, состоящего из двух фотоприемников, электрически подключенные к системе регистрации 7. Система регистрации 7 подключена к входу системы управления и обработки информации 8, которая подключена к источнику лазерного излучения 1, а также к блоку управления 9 поворотной платформы 10.
Устройство работает следующим образом. Система 8 выдает управляющую команду на блок 9 управления платформой 10. В начальный момент времени блок 9 выдает команду на установку поворотной платформы 10 в положение, когда зенитный угол соответствует вертикальному направлению зондирования, а азимутальный угол - направлению на север, что соответствует нулевому значению. После установки платформы 10 в исходное состояние блок 9 направляет эту информацию в систему управления 8, которая в свою очередь дает команду на запуск лазера 1. Лазер 1 посылает в атмосферу пучок излучения на двух длинах волн со взаимно перпендикулярными плоскостями линейной поляризации. 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 блоков интерференционных фильтров 4 и 5, которые выделяют раздельно в общем пучке два поляризованных сигнала на двух длинах волн со взаимно ортогональной поляризацией излучения. Например, блок 4 направляет из общего светового пучка в фотоприемный блок 6 излучение на длине волны 0,53 мкм с линейной вертикальной поляризацией, а блок 5 направляет излучение на длине волны 1,06 мкм с ортогональной ей горизонтальной поляризацией излучения. В фотоприемном блоке 6 оптические сигналы преобразуются в электрические, которые затем поступают для оцифровки в систему регистрации 7. Оцифрованные сигналы поступают в блок обработки и управления 7, куда одновременно из блока 9 поступает информация о величине азимутального угла зондирования. Таким образом, заканчивается первый цикл зондирования облаков.
В последующий момент времени начинается следующий цикл измерений.
Система управления 8 выдает команду на блок 9 поворотной платформы 10, которая начинает азимутальное вращение, а также команду на запуск источника лазерного излучения 1.
Цикл зондирования облака по посылке лазерного излучения и регистрации лидарных сигналов осуществляется аналогично предыдущему циклу.
При азимутальном сканировании под постоянным зенитным углом, блок обработки 8 непрерывно анализирует величину поляризованных лидарных сигналов поступающих из системы 7, и фиксирует тот азимутальный угол с блока 9, когда сигнал на одной длине волны достигает своего максимума, а на другой - минимума. Это означает, что в данный момент времени вертикальная плоскость поляризации зондирующего лазерного пучка на одной из длин волн совпала с плоскостью направления большой оси кристаллической частицы, а на другой длине волны ей ортогональна.
Анализируя совокупность этого и начального азимутального угла можно судить о направлении ориентации оси кристаллических продолговатых частиц облаков.
Таким образом, данное технические решение по лазерному зондированию перистого облака путем азимутального сканирования и анализа поляризационных компонент лидарного сигнала на двух длинах волн со взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации излучения, позволяет обнаруживать в облаках области с преимущественной ориентацией кристаллов, а также определять их азимутальное направление ориентации.