Спектральная фильтрация интерферометром Фабри-Перо лидарных откликов вращательного комбинационного рассеяния света

• Автор: Сериков, Илья Борисович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 235 с. : ил.

Глава 1. Методы дистанционного измерения температуры
Глава 2. Спектральная фильтрация в лидарных измерениях температуры атмосферы по
вращательным спектрам комбинационного рассеяния молекул атмосферного воздуха
2.1. Вращательный спектр комбинационного рассеяния азота и кислорода
2.2. Методика лидарных измерений температуры атмосферы
по вращательным спектрам комбинационного рассеяния
2.3. Выбор положения и ширины спектральных участков
2.3.1. Критерий выбора участков спектра
2.3.2. Измерения в отсутствии помех
2.3.2.1. Выбор отдельных линий спектра
2.3.2.2. Выбор участков спектра
2.3.3. Измерения при конечном отношении сигнал-шум
2.3.3.1. Помеха несмещенного рассеяния
2.3.3.2. Помеха фонового излучения
Глава 3. Фильтрация помехи фона в каналах вращательного комбинационного
рассеяния с применением интерферометра Фабри-Перо
3.1. Функция пропускания интерферометра Фабри-Перо
3.1.1. Пропускание интерферометра для пучка конечной расходимости
3.1.2. Зависимость пропускания интерферометра от угла падения пучка
3.1.3. Влияние дефектов поверхности зеркал
3.2. Согласование функции пропускания интерферометра Фабри-Перо и вращательного спектра комбинационного рассеяния
3.3. Подавление помехи рассеянного фона дневного неба
3.4. Фактор повышения отношения сигнал-фон
3.5. Подавление помехи несмещенного рассеяния
3.6. Выбор отражательной резкости функции пропускания
3.6.1. Критерий выбора отражательной резкости функции пропускания
3.6.2. Идеальный интерферометр в плоскопараллельном падающем пучке
3.6.3. Выбор отражательной резкости с учетом дефектов поверхности зеркал
3.6.4. Выбор отражательной резкости с учетом дефектов
поверхности зеркал и конечной расходимости падающего пучка
3.7. Учет фильтрации интерферометром отклика рассеяния кислорода

3.8. Фильтрация фона в промежутках между линиями вращательных
спектров комбинационного рассеяния азота и кислорода
3.9. Выбор ширины линии возбуждающего излучения
Глава 4. Практические вопросы реализации методики фильтрации помехи
рассеянного фона дневного неба с применением интерферометра Фабри-Перо
4.1. Температурный канал комплексного Ми-КР-лидара
4.2. Настройка базы интерферометра
4.2.1. Методика определения базы интерферометра
4.2.2. Автоподстройка базы интерферометра
4.2.3. Экспериментальная проверка настройки
4.3. Фильтрация помехи рассеянного фона дневного неба с применением интерферометра Фабри-Перо
4.4. Влияние крупномасштабных дефектов поверхности зеркал интерферометра
на точность измерений температуры
Заключение
Список литературы
Приложение

Температура, характеризующая среднюю для ансамбля молекул скорость их хаотического теплового движения, является необходимым исходным параметром в задачах прогнозирования состояния атмосферы и тенденций развития протекающих в ней процессов. Это задачи метеопрогноза, прогнозирования смогообразования, задачи оценки интенсивности переноса в атмосфере антропогенных примесей, задачи исследования динамики развития атмосферных процессов, к примеру, динамики формирования облачных образований, динамики фазовых переходов. Во всех этих, и многих других задачах подобного плана вертикальный профиль температуры атмосферы, и его изменение во времени, является важным входным параметром. Необходимые для получения этой информации круглосуточные измерения температуры атмосферы до сих пор ведутся с применением контактных методов, которые не обеспечивают необходимого временного разрешения и повторяемости пространственной привязки профиля измеряемых параметров. Альтернативой контактным методам являются лидарные методы измерений, не имеющие обозначенных недостатков. Анализ существующих на сегодняшний день лидарных методов измерения температуры позволяет выделить, как наиболее перспективный, метод измерения температуры атмосферы по вращательным спектрам комбинационного рассеяния света молекулами атмосферного азота и кислорода. Экспериментальные исследования, проводившиеся различными научными группами, показали высокую эффективность данного метода при проведении измерений в отсутствии помехи рассеянного фона дневного неба (ночных измерений) [1-5]. В случае дневных измерений наличие помехи фона дневного неба существенно ограничивает высотный диапазон применимости метода. Один из подходов, позволяющих если не устранить совершенно, то, по крайней мере, значительно ослабить это ограничение, построен на фильтрации помехи рассеянного фона неба интерферометром Фабри-Перо [6]. Основная идея подхода такова: поскольку вращательный спектр комбинационного рассеяния азота (и кислорода) имеет вид гребенки линий, расположенных в шкале частот практически эквидистантно [7, 8], для выделения линий и подавления фона между ними может быть использован интерферометр Фабри-Перо, представляющий собой гребенчатый фильтр [9-12]. Эта идея фильтрации была высказана в работе [6], но лишь в общем виде, ее физические основы не были изучены вплоть до момента проведения представляемой работы, не был построен соответствующий математический аппарат, не были выполнены экспериментальные исследования. Последнее обуславливает актуальность данной диссертационной работы, целью которой является исследование физических основ метода фильтрации интерферометром Фабри-Перо вращательного спектра комбинационного рассеяния света молекулами атмосферного азота (и кислорода) в задаче измерения температуры атмосферы. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Исследовать сравнительную эффективность измерений температуры атмосферы в зависимости от выбора положения и ширины температурно-чувствительных участков вращательного спектра комбинационного рассеяния азота и кислорода, с учетом влияния на точность измерений помехи несмещенного рассеяния и помехи рассеянного фона дневного неба.
2. Исследовать сравнительную эффективность измерений температуры атмосферы в зависимости от положения спектрального диапазона, в котором возбуждаются спектры рассеяния.
3. Построить математическую модель интерферометра Фабри-Перо, позволяющую учесть физические аспекты фильтрации рассеянного фона дневного неба в задаче измерения температуры атмосферы лидаром по вращательным спектрам комбинационного рассеяния света.
Методы исследования:
В работе применен комплексный подход: используется теория рассеяния Рэлея, рассеяния Ми, теория спонтанного комбинационного рассеяния, теория многолучевой интерференции, физическое и численное моделирование, методы математической статистики, натурный эксперимент.

ном единице, коэффициенты к,0, кы должны быть известны с точностью как раз до третьего знака после запятой, чего на практике достичь практически невозможно. Поэтому, если абсолютного, в смысле выполнения соотношения (2.38), подавления помехи достичь невозможно, и приходится прибегать к коррекции сигналов, уровень подавления помехи должен соответствовать гарантированной точности измерения величин к1о, кы.
Рис. 2.30 Оптимальное время накопления как функция отношения сигнал-помеха в канале с относительно большим частотным сдвигом полосы пропускания. Данные соответствуют оптимизации полос пропускания с учетом выделения в каналах линий вращательного спектра комбинационного рассеяния азота (температура газа 220 К).
Отметим еще один момент, касающийся практической реализации методики. Как следует из расчетов, в оптимальном варианте полоса пропускания канала с относительно меньшим частотным сдвигом должна включать линию вращательного спектра комбинационного рассеяния азота с номером ) = 0. Это выдвигает особые требования к крутизне спектральной характеристики использующегося полихроматора, ибо, предполагая абсолютное пропускание для линии спектра с ) = 0, в идеальном случае необходимо обеспечить практически восемь порядков подавления, см. (2.38), для линии несмещенного рассеяния. Т.е. крутизна спектральной характеристики полихроматора должна быть не ниже, чем восемь порядков величины на двенадцати обратных сантиметрах частотного сдвига. Достичь такого качества фильтрации, при приемлемом пропускании для полезной составляющей сигнала, практически невозможно, и это накладывает соответствующие ограничения на выбор полосы пропускания участка с относительно меньшим частотным сдвигом.
К примеру, для полихроматора со спектральной характеристикой, приведенной на рисунке 2.31, необходимое качество подавления помехи (2.38) достижимо при частотном сдвиге порядка 50 см'1, что близко к частотному сдвигу пятой линии вращательного спектра комбинационного рассеяния азота (и седьмой линии вращательного спектра комбинационного рассеяния кислорода).

Отношение сигнал-помеха