Когерентные и некогерентные лидарные методы зондирования атмосферной турбулентности

• Автор: Шелехов, Александр Петрович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 118 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. ОБРАТНОЕ РАССЕЯНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТУРБУЛЕНТНОЙ СРЕДЕ С ДИСКРЕТНЫМИ ВКРАПЛЕНИЯМИ
§1.1. Обратное рассеяние оптической волны в турбулентной среде с дискретными вкраплениями, локализованными в объеме конечных размеров
§1.2. Однократное рассеяние оптической волны на системе частиц, находящихся в турбулентной среде
§1.3. Однократное рассеяние импульсного излучения на системе
частиц, находящихся в турбулентной среде
ГЛАВА II. МОДЕЛИ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ ЛИДАРНЫХ
СИСТЕМ
§2.1. Некогерентное детектирование рассеянного оптического излучения
§2.2. Когерентное детектирование рассеянного оптического излучения
§2.3. Лазерный прием рассеянного оптического излучения
§2.4. Анализ диаграммы направленности когерентного лазерного
приемника
ГЛАВА III. ТУРБУЛЕНТНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ ПРИ ОПТИЧЕСКОМ ПРИЕМЕ РАССЕЯННОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
§3.1. Методы расчета статистических характеристик поля рассеянного излучения
§3.2. Турбулентные флуктуации фототока лидарных систем с некогерентным детектированием сигнала
§3.3. Турбулентные флуктуации мощности фототока с когерентным и лазерным детектированием сигнала
§3.4. Метод определения структурной характеристики флуктуаций показателя преломления атмосферной турбулентности

ГЛАВА IV. ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ПРОГНОЗА ТОЧНОСТИ ДОПЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В АТМОСФЕРНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ
§4.1. Модель фототока доплеровского лидара
§4.2. Статистический анализ условных и абсолютных характеристик доплеровского сигнала
§4.3. Метод малых возмущений, неравномерная аппроксимация
§4.4. Метод малых возмущений, равномерная аппроксимация .
§4.5. Численная модель прогноза точности доплеровских измерений в атмосферном пограничном слое
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Целью диссертационной работы являются разработка методов определения структурной характеристики флуктуаций показателя преломления атмосферной турбулентности, основанных на измерении флуктуаций интенсивности рассеянного излучения для когерентных, некогерентных и ЛП-лидаров1, и исследование ограничений на точность доплеровских лидарных методов измерений средней радиальной скорости ветра в пограничном слое атмосферы.
Для достижения поставленной пели необходимо решить следующие задачи:
1) исследовать рассеяние оптического излучения на атмосферных частицах, находящихся в турбулентной среде, применительно к лидарной схеме зондирования;
2) создать модели детектирования случайных оптических полей для когерентного, некогерентного и ЛП-лидаров;
3) рассчитать дисперсии турбулентных флуктуаций амплитуды фототока и исследовать их поведение. Разработать лидарный способ определения структурной характеристики флуктуаций показателя преломления атмосферной турбулентности;
4) создать модель оценки радиальной скорости ветра и модель прогноза точности доплеровских измерений, которая позволяет исследовать величину ошибки для метеорологической ситуации, когда стратификация атмосферы значительно меняется в течение суток.
Актуальность работы. В настоящее время дистанционные методы измерений (спутниковые, самолетные, наземные и др.) позволяют получать огромное количество разнообразной информации о параметрах физического состояния атмосферы. Современная тенденция в развитии дистанционных методов измерений — это создание средств гиперспектрального зондирования состояния атмосферы [109, 120]. В рамках проблемы создания средств гиперспектрального зондирования выдвинут синергетический подход [109, 120], который заключается в том, что в целях повышения точности и достоверности измерений наравне с традиционными приборами (радары, содары, приборы, основанные на пассивных методах) необходимо использовать технику лидарного зондирования. Эффектив-
1 ЛП-лидар — это разновидность когерентного лидара, основанного на приеме слабых оптических сигналов на лазер, аббревиатура ЛП расшифровывается как лазерный приемник.
Рассмотрим два частных случая уравнения (2.28), которые соответствуют разным физическим задачам. Первый случай соответствует обратному рассеянию оптического излучения в турбулентной среде с дискретными вкраплениями, второй случай — отражению оптического излучения от поверхности, находящейся в крупномасштабной случайно-неоднородной не поглощающей среде.
При определении ь'т/( (/) в первом случае воспользуемся формулой (1.19),
которая описывает связь между комплексными амплитудами полей падающей и рассеянной волн. Из формулы (2.22) видно, что распределение поля падающего оптического излучения в плоскости левого зеркала представляет собой суперпозицию полей Р^(0<гЛ(р,О). Поэтому функции «0(г) и Р(/) - Р тк (/) в формулах (1.19) и (1.20) имеют следующий смысл:
Таким образом, связь между комплексными амплитудами полей падающей и отраженной волн можно записать в виде
мо(г) = “;^(р,о); Р(0 = Р тк(*)-
(2.29)

К (рФ; 0 = X X Р"1*

(2.30)
д=1 т,п

(2.32)
где Я — радиус кривизны левого зеркала; к = ; /ц — показатель преломле-
ния подложки левого зеркала; £/(р5, Р1/|го|) — функция Грина крупномасштабной случайно-неоднородной среды (гДг^^/соо) в параболическом приближении.