Разработка и экспериментальная реализация методов измерения параметров упругого рассеяния атмосферы миниатюрными микроимпульсными лидарами

• Автор: Бухарин, Алексей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Теоретический анализ зондирования рассеивающих сред узкими пучками света
1.1 Лидарный метод исследования рассеивающих сред
1.2 Постановка задачи для схемы зондирования с двумя приемными каналами
1.3 Вывод основных соотношений в параксиальном приближении
1.4 Случай непрерывной подсветки среды точечным источником
1.5 Случай импульсной подсветки объема точечным источником
1.6 Зависимость отношения интенсивностей сигналов от положения зондируемой поверхности
1.7 Зависимость отношения интенсивностей сигналов от коэффициента экстинкции
1.8 Отношение интенсивностей как индикатор однородности рассеивающей среды
1.9 Влияние коэффициента экстинкции на суммарный лидарный сигнал из атмосферы для предложенной схемы зондирования
1.10 Применимость предложенной схемы зондирования
Выводы к 1-ой главе
Глава 2. Особенности зондирования рассеивающих сред миниатюрным
полупроводниковым лидаром
2.1 Описание миниатюрного лидара
2.2. Безопасный для глаз уровень излучения
2.3 Особенности формирования сигнала на лидаре с квантовым счетчиком. Постановка задачи
2.4 Вывод основных соотношений
2.5 Зависимость относительной погрешности линеаризованных шумовых фотоотсчетов от длительности строба
2.6 влияние степени нестационарное™ внешнего фонового излучения на форму восстановленных гистограмм
2.7 Оценка вклада дополнительных источников шума в погрешность измерений сигнала

2.8 Принцип действия полупроводникового лидара с квантовым счетчиком в приемном канале
Выводы ко 2-ой главе
Глава 3. Калибровка миниатюрного лидара с квантовым счетчиком в приемном канале
3.1 Теоретическое рассмотрение калибровки миниатюрного лидара
3.2 О влиянии длительности лазерного импульса на форму лидарного сигнала из атмосферы
3.3 Постановка эксперимента
3.4 Эксперимент
3.5 Обсуждение результатов калибровки
3.6 Общая схема абсолютной калибровки лидара
3.7 Калибровка миниатюрных лидарных систем с двумя приемными каналами
Выводы к 3-ей главе
Глава 4. Использование лидара для зондирования аэрозольных образований
4.1 Предельная дальность зондирования топографических объектов
4.2. Лидарное зондирование в коридоре здания
4.3 Использование лидара для оперативного прогнозирования динамики развития и распространения аэрозольных шлейфов
4.4 Наблюдение крупномасштабных изменений параметров упругого рассеяния среды вдоль всей трассы зондирования
4.5 Другие примеры использования лидара
Выводы к 4-ой главе
Заключение
Литература

Введение
В настоящее время одним из наиболее известных способов дистанционного исследования свойств рассеивающих сред в оптическом диапазоне является метод лидарного зондирования. Принцип действия лидара основан на том, что излучение, сформированное каналом передатчика, рассеивается на статистических неоднородностях и детектируется приемным каналом. Интерпретация данных зондирования, как правило, требует определенных предположений относительно оптических свойств таких сред, задаваемых исследователем или известных априори [1]. Такая необходимость обусловлена наличием в лидарном уравнении трассового профиля одновременно двух параметров: коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции, изначально не известных. Этот фактор не позволяет до сих пор использовать лидар как калиброванное инструментальное средство исследования рассеивающих свойств статистически неоднородных сред.
В этой связи представляет интерес разработка и реализация новых подходов одновременного определения коэффициентов обратного рассеяния и объемного ослабления, один из которых предложен и проанализирован в диссертации.
Известно [2], что коэффициент экстинкции можно определять импульсным лидаром на трассах конечной длины по сигналу, рассеянному поверхностью объекта. При этом весьма актуальным является определение степени однородности трассы, так как сигнал обратного рассеяния из атмосферы сосредоточен на малых дистанциях от лидара, тогда как топографический объект должен находиться на значительном удалении от лидара. Связано это с необходимостью перекрытия динамических диапазонов измеряемых сигналов из атмосферы и топографической мишени. Для подобной схемы зондирования необходима дополнительная информация о физических свойствах зондируемой среды, например, о направлении ветровых потоков во время измерений. Наиболее известным из методов зондирования на трассах с фиксированной дальностью является метод наклонных трасс [1]. Для его применения требуется однородность трассы в различных направлениях в течение времени измерения.
Для открытых трасс коэффициент ослабления определяют только по искажениям формы огибающей лидарного сигнала из однородной атмосферы. В методе однородных трасс используется регрессионный анализ для получения

, М;к~а~аС'’ 8л12
(1.3.14)
И для отношения интенсивностей на объеме, образованном рассеянием зондирующего пучка микроскопическими неоднородностями получаем выражение:
При переходе к (1.3.14) предполагается постоянство о при изменении £2] в некотором диапазоне. Это связано с тем, что телесный угол зондируемого пучка в близи входной апертуры приемного канала лидара больше чем на удаленных дистанциях.
1.4 Случай непрерывной подсветки среды точечным источником.
Рассмотрим случай, когда зондирующий пучок образован точечным источником, находящимся в точке Я=0 плоскости наблюдения. В этом случае пространственное распределение центров, на которых происходит рассеяние, повторяет угловые характеристики поля зрения приемного канала, то есть:
Для точечного источника света, находящегося в точке Я=0 плоскости наблюдения, полная интенсивность в каждом поперечном сечении должна быть постоянной. Данная модель соответствует коаксиальной схеме зондирования непрерывным источником света. При этом для поля зрения должно выполняться Чо=аН1/2, а интеграл от -со до + <*- По р выражения (1.2.2) должен быть постоянным для любого г, т. е.:
Из (1.4.2) следует следующее значение для продольного распределения интенсивности вблизи оптической оси оптической системы:

(1.3.15)
(1.4.1)
(1.4.2)
10(г) = 10/Н(2)г2
(1.4.3)