Дистанционное лазерное определение параметров атмосферного аэрозоля и облаков с использованием методов многоволнового зондирования и явлений многократного рассеяния излучения

• Автор: Коренский, Михаил Юрьевич
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 163 с. : 2 ил.

Содержание
Введение
Актуальность проблемы
Глава 1. Методология расчета параметров облаков по результатам измерений лидара с переменным полем зрения
1.1. Информационное содержание данных, полученных с использованием лидара с переменным полем зрения
1.2. Решение обратной задачи зондирования для лидара с переменным полем зрения
1.3. Получение информации о параметрах рассеивающих частиц с использованием азимутальной зависимости мощности двукратно рассеянного излучения
1.4. Выводы к главе
Глава 2. Основные параметры лидарной системы,
разработанной для проведения исследований
2.1. Технический облик системы
2.2. Многоволновые измерения
2.3. Флуоресцентные измерения
2.4. Выводы к главе
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований
3.1. Определение параметров аэрозоля методом многоволнового зондирования
3.2. Определение параметров частиц по данным лидара с переменным полем зрения
3.3. Измерение спектров флуоресценции
3.4. Выводы к главе
Выводы и заключение
Библиография

Введение
Актуальность проблемы
Проблемы, связанные с воздействием антропогенных выбросов на окружающую среду, в настоящее время находятся в центре внимания многочисленных исследовательских групп. Увеличение концентрации атмосферного аэрозоля, обусловленное индустриальной деятельностью человека, оказывает воздействие на радиационный баланс планеты и, как следствие, на климат [1]. Для определения количественного вклада этих факторов в вариации радиационного баланса должны быть разработаны методики, обеспечивающие возможность долговременного дистанционного мониторинга аэрозольных составляющих атмосферы.
Среди существующих инструментов для получения информации о состоянии атмосферы одними из наиболее перспективных являются системы лазерного дистанционного зондирования - лидары. Взаимодействие лазерного излучения с атмосферой сопровождается многочисленными физическими процессами, такими как: упругое
рассеяние излучения на аэрозоле и молекулах, колебательное и вращательное комбинационное (римановское) рассеяние, деполяризация излучения и лазерно-индуцированная флуоресценция [2-12]. Использование этих явлений в лидарном зондировании позволяет создавать системы для дистанционного измерения температуры, скорости ветра, параметров частиц, а также концентрации различных газовых составляющих атмосферы.
При создании лидарных систем, способных проводить долговременные измерения в автоматическом режиме в условиях значительных вариаций температуры, должна быть проведена соответствующая модификация для всех основных компонент системы от

конструкции до алгоритмов обработки данных. Алгоритмы должны обеспечивать возможность автоматического выбора граничных условий при решении обратной задачи и обрабатывать большие массивы данных в автоматическом режиме. Лидарная система должна быть также достаточно компактной и удобной в транспортировке, а лазерный источник излучения должен обладать большим временем жизни его компонент. Существующие методики обработки лидарных данных находятся на различных стадиях разработки и не всегда соответствуют перечисленным выше требованиям. Таким образом, создание лидара для регулярных метеорологических наблюдений включает в себя как доработку существующих методик, так и, фактически, создание новых.
Следует отметить, что лидарные системы создаются, как правило, для измерения небольшого числа выбранных параметров атмосферы и. являются достаточно дорогими. Очевидно, что использование нескольких лидаров для одновременной регистрации всех требуемых параметров атмосферы приводит к удорожанию системы и ставит под вопрос целесообразность ее практического использования. Цена лидарной системы обусловлена высокой стоимостью мощных лазеров и широкоапертурной приемной оптики. В настоящее время наметились два пути решения этой проблемы. Во-первых, появление высокоэффективных фотоприемных устройств и прогресс в разработке узкополосных интерференционных фильтров в ультрафиолетовой и видимой области спектра позволяет снизить требования к энергетике лазера и апертуре приемного телескопа, что открывает путь к созданию компактных, относительно недорогих систем. Примером такого подхода является разработка микроимпульсных лидаров, использующих телескоп диаметром 200 мм и с энергией лазерного импульса порядка 10 мкДж [13-15]. Во-вторых, это интеграция системы, то есть использование

1.1.7. Использование деполяризованной компоненты рассеянного излучения
До этого момента рассматривался полный сигнал рассеянного излучения. Данный сигнал может быть разделен на компоненты с поляризацией параллельной и перпендикулярной относительно поляризации лазерного излучения. Каждая из этих компонент содержит в себе информацию о размере частиц, которую можно использовать как отдельно, так и совместно. Потенциал подобной системы с поляризационной дискриминацией на приеме для определения размера частиц был впервые продемонстрирован авторами работы [42], В данном разделе описанный выше подход будет использован для анализа информации, содержащейся в поляризованной и деполяризованной компоненте.
Для вычисления параллельной Sa(ff) и перпендикулярной Sx(e)
компоненты необходимо добавить соответствующий множитель к фазовой функции рассеяния назадР(г,/3Ьаск) в интеграле в уравнении (1.1)
I 8(г z)

1 + 8{r, z) 1 + 8(r,z)
перпендикулярной к параллельной компоненте части рассеянного излучения радиуса г, то есть,
g(r -) „ р2 (f’Pback ) COS2 (РЪаск ) - 2рз (Г, jihack ) COsQg) + I] (fihaek )
Щ (r’Pback ) cos“ (Pback ) + 2Г3 (/% /3Ьаск ) COS(/3Ьаск ) + ЗД (fiback ) где Рь Р2, Рз —элементы матрицы Мюллера [42,65].

При вычислениях, как и раньше, использовались

[fa pHCi 1.11 показаны угловые распределения

перпендикулярной составляющей для различных г0. Для сравнения па том же рисунке приведены результаты для параллельной компоненты.