Развитие спектроскопических методов лидарных измерений метеопараметров атмосферы и характеристик растительности

• Автор: Харченко, Ольга Викторовна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 117 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ И ХАРАКТЕРИСТИК РАСТИТЕЛЬНОСТИ
1.1 Спектроскопические эффекты взаимодействия лазерного излучения с атмосферой, применяемые в лидарпом зондировании
1.2 Физические основы и математический формализм лидарного метода дифференциального поглощения
1.3 Физические основы лидарного зондирования температуры и влажности атмосферы методом дифференциального поглощения

1.4 Физические основы метода индуцированной лазером флуоресценции

1.5 Краткие выводы по главе 1 ГЛАВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ
2.1 Методика планирования и проведения лидарных измерений ' профилей температуры и влажности
2.2 Результаты поиска информативных длин волн для лидарных измерений метеопараметров атмосферы в области генерации лазера на сапфире с титаном

2.3 Результаты поиска длин волн, информативных для

измерений метеопараметров атмосферы в области генерации СО-лазера
2.4 Метеорологический лидар МЕЛ-
2.5 Применение лазера на парах стронция для решения задач лидарного зондирования метеопараметров атмосферы
2.6 Краткие выводы по главе 2 ГЛАВА
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ
3.1 Численное моделирование лидарных измерений профилей

температуры и влажности в ближней ИК-области спектра
3.2 Анализ возможностей лидарных измерений метеопараметров
атмосферы в безопасной для глаз области спектра 2 мкм
3.3 Результаты численного моделирования лидарных измерений
влажности атмосферы с помощью Бг-лазера
3.4 Результаты моделирования лидарных измерений
метеопараметров атмосферы с помощью обертонного СО-лазера
3.5 Краткие выводы по главе 3 81 ГЛАВА
ДИСТАНЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА РАСТЕНИЙ
МЕТОДОМ ИНДУЦИРОВАННОЙ ЛАЗЕРОМ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
4.1 Флуоресцентный лидар для исследования древесной растительности
4.1.1 Выбор длины волны излучения лазера
4.1.2 Описание лидара
4.1.3 Модернизация лидара
4.2 Результаты экспериментов
4.2.1 Сезонные измерения флуоресцентных характеристик
4.2.2 Влияние фоновой освещённости
4.2.3 Изучение процессов увядания хвои и листьев древесных растений
4.2.4 Спектры повреждённых растений
4.2.5 Определение содержания хлорофилла. Калибровка лидара
4.2.6 Влияние общего содержания озона на флуоресценцию древесных
растений
4.3. Краткие выводы по главе 4
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Применение лазерных дистанционных (лидарных) спектроскопических методов зондирования для решения актуальной проблемы контроля состояния окружающей среды дает ряд несомненных преимуществ в оперативном получении бесконтактным способом необходимых данных как для изучения газового состава и метеорологических параметров атмосферы, так и для исследования характеристик растительности. Лидарные методы измерения метеорологических параметров атмосферы и характеристик растений находят всё более широкое применение. Лазерное зондирование предлагает ряд методов дистанционного определения метеорологических параметров [1], основанных на взаимодействии лазерного излучения с естественными атмосферными полями и подстилающей поверхностью.
Из всех лидарных методов измерения профилей температуры и влажности атмосферы наибольшую чувствительность имеет метод дифференциального поглощения (МДП), так как сечение резонансного поглощения значительно больше сечений комбинационного рассеяния и резонансной флуоресценции.
Суть метода дифференциального поглощения, предложенного Счетлэндом в ^ 1964 г. [2], заключается в том, что информация о концентрациях исследуемого газа вдоль трассы зондирования извлекается из сравнения регистрируемых лазерных эхо-енгналов в узком участке спектра на двух длинах волн, одна из которых находится в линии (или полосе) поглощения исследуемой газовой компоненты, а вторая расположена в области либо слабого, либо полного отсутствия поглощения. При этом длины волн зондирования должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы спектральными вариациями рассеивающих свойств атмосферы можно было пренебречь. Первые измерения вертикальных профилей влажности по МДП были осуществлены Счетлэндом с использованием селективных линий поглощения водяного пара в области генерации рубинового лазера, при этом с помощью температурной перестройки длина волны рубинового лазера настраивалась на центр линии поглощения водяного пара 694.38 нм [2]. В дальнейшем вертикальные профили влажности в работе [3] были измерены до высоты около 4 км. Совершенствование лидарных систем на основе рубинового лазера и применение

Время, с
Рис. 1.6. Индукционная кривая флуоресценции в относительных единицах при внезапном освещении адаптированного к темноте листа (1- начальный, 2 - пиковый и 3 — устойчивый уровни флуоресценции) [76]
Физиологи используют переходные состояния флуоресценции для изучения особенностей процесса фотосинтеза, например, определения эффективности захвата энергии возбуждения в реакционных центрах, размера антенны ФС, фотохимической составляющей тушения флуоресценции и др.
При дистанционном зондировании (с борта самолета) использование такой методики невозможно, поскольку конечная цель здесь - ускоренная съемка обширных площадей на значительном удалении от земли. Поэтому невозможно обеспечить достаточную энергию возбуждения. Более того, нет времени для регистрации переходных состояний флуоресценции.
Для исследования возможностей метода ИЛФ по распознаванию разновидностей сортов и степени зрелости растений проведен ряд экспериментов по дистанционному лазерному зондированию салата-латука в условиях лабораторной оранжереи [80, 81]. В качестве источника возбуждения
использовались импульсный азотный лазер с длиной волны 337 нм и непрерывный гелнй-кадмиевый лазер с длиной волны 441 нм. Удалось установить, что флуоресценция латука возрастает по мере его созревания. Однако попытки определить с помощью методики ИЛФ разные сорта латука (провести дифференциацию сортов в пределах одного вида) не увенчались успехом. Впоследствии эксперименты на зерновых культурах показали, что квантовый