Дистанционное оптическое зондирование атмосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Мы ставим задачу изложения основных аспектов успешного развития одного из наиболее перспективных направлений практического использования оптических волн, а именно дистанционного оптического зондирования атмосферы.

В настоящее время разработаны основные методологические основы проблемы лазерного мониторинга атмосферных параметров, ответственных за погодообразующие процессы. Более того, разработаны, созданы и получили широкое распространение в практике соответствующие технические средства наземного, корабельного и самолетного базирования. В ближайшие годы планируются запуски первых космических лидаров.

Подчеркнем, что именно одновременное получение количественной информации о распределении индустриальных аэрозолей и загрязняющих атмосферу газов, с одной стороны, и влажности, температуры, скорости и направления ветра, с другой, обеспечивает решение задачи экологического мониторинга воздушного бассейна в ее наиболее полной постановке. Мы имеем в виду решение следующих основных задач экологического мониторинга: 1) получение надежной информации о состоянии загрязнения воздушных бассейнов и динамики ее изменения; 2) получение количественной информации о выбросах вредных веществ в атмосферу из труб всех организованных источников; 3) прогноз наступления наиболее опасных экологических ситуаций в атмосфере.

Следует остановиться на соотношении методов дистанционного зондирования атмосферы и прямых контактных измерений характеристик атмосферных параметров. Сегодня широкое распространение получили методы определения концентрации загрязняющих атмосферу компонент в локальных точках приземного слоя атмосферы.

Лазерные дистанционные методы экологического мониторинга пока еще не нашли широкого распространения в практике, несмотря на их бесспорную перспективность. Основные причины такого положения дел связаны с несомненной сложностью этих методов, с кажущейся дороговизной и революционной новизной.

Если теперь рассмотреть возможности методов прямых измерений как оперативных, так и не оперативных, то в свете сформулированной концепции экологического мониторинга воздушного бассейна индустриального центра они лишь частично могут решить первую из трех задач, поскольку прямые измерения проводятся в приземном слое атмосферы. При этом в сети Госгидромета заборы проб берутся в настолько ограниченном числе точек, что с их помощью нельзя составить реальную картину распределения загрязнителей даже в приземном слое атмосферы (средние расстояния между этими точками составляют километры).

Из сказанного следует вывод о том, что проблема экологического мониторинга воздушного бассейна индустриального центра не может быть решена без применения методов дистанционного зондирования атмосферы. При этом было бы неправильным полностью отказаться от использования методов прямых измерений.

Однако их роль должна сводиться прежде всего к калибровке аппаратуры для дистанционного зондирования как в приземном слое атмосферы, так и на различных высотах, где информация от прямых методов может получаться с летательных аппаратов (самолеты, вертолеты, дельтапланы, дирижабли, аэростаты).

Отдельно следует остановиться на проблеме штрафных санкций против предприятий, загрязняющих атмосферу вредными, а иногда и опасными компонентами выбросов. Эта проблема может быть решена объективно только с использованием дистанционных и прежде всего лазерных методов мониторинга. И только такими: методами можно добиться существенного уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу из труб организованных и неорганизованных источников загрязнений.

В качестве первого этапа мы предлагаем разработку и внедрение в практику варианта автоматизированной системы.

Финансирование соответствующих закупок частично осуществляется за счет целевых бюджетных средств комитета, частично за счет местных советов. Хотелось бы подчеркнуть, что предлагаемый вариант решения проблемы экологического мониторинга экономически наиболее целесообразен.

Решение этих сложнейших проблем требует разработки методов и технических средств зондирования из космоса, с самолетов, кораблей и наземных станций многоцелевого назначения. При этом самолетные, корабельные и наземные системы одновременно с дистанционным зондированием должны выполнять задачи подспутниковых полигонов для калибровки соответствующих космических систем.

В заключение следует подчеркнуть, что системы экологического мониторинга, и в первую очередь его лазерные дистанционные методы, сегодня объективно имеют не только огромное социальное, но и не меньшее экономическое значение прежде всего потому, что надежный экологический мониторинг обеспечит существенное уменьшение выбросов вредных и опасных веществ в окружающую среду и тем самым соответственно уменьшит наносимый загрязнениями экономический ущерб. Кроме того, оперативный контроль вредных выбросов непосредственно из труб организованных источников обеспечивает решение важной задачи оптимизации технологических процессов и прежде всего процессов сжигания топлив. Например, критерием такой оптимизации может служить концентрация угарного газа, выбрасываемого из труб.

Применение лазеров для дистанционного исследования протекающих в атмосфере процессов имеет значение, которое трудно переоценить и одновременно с этим практическая реализация самой идеи требует преодоления значительных технических и технологических трудностей.

Говоря о значимости развития этого направления, прежде всего следует подчеркнуть принципиальную возможность в случае успеха получения данных о профилях, а следовательно, и о полях различных физических параметров атмосферы с высоким пространственным и временным разрешением. Именно такие данные крайне необходимы для решения проблемы надежности краткосрочных и в особенности долгосрочных прогнозов погоды. Одновременно лазерное зондирование атмосферы из космоса обеспечит получение данных о динамике ее заполнения продуктами индустриальной деятельности человека, а также компонентами естественного происхождения, например от извержений вулканов.

Основные технические трудности практической реализации методов лазерного космического зондирования атмосферы связаны прежде всего с жесткими требованиями, предъявляемыми к лидарной технике, которые усугубляются недостатком энергии на космических бортах и соответствующими ограничениями на массу и габариты бортовых систем. Поэтому неудивительно, что, хотя космические лидары разрабатываются в США уже около десяти лет, до сих пор еще ни один лидар не побывал в космосе.

Перейдем теперь к рассмотрению некоторых результатов численного моделирования ожидаемых результатов лазерного зондирования атмосферы из космоса. Первые данные в этом направлении применительно к зондированию аэрозолей из космоса были получены в Институте оптики атмосферы еще в 1970 г. Для заданной более или менее реалистической модели аэрозолей были получены профили ожидаемых эхо-сигналов для различных длин волн, нормированные на мощность зондирующего импульса. Расчет проводился для случая пространственного разрешения 5 км_г диаметра приемного зеркала лидара 1 м и энергии зондирующего импульса 1 Дж.

Для длины волны излучения рубинового лазера 0,69 мкм для указанных выше условий основной результат моделирования говорил о том, что при использовании одного зондирующего импульса возможно получение профиля эхо-сигнала от аэрозолей и рэлеевского рассеяния для высот 0... 30 км, в интервале которых реализуется большая доля аэрозольного вещества атмосферы. Из этого же результата однозначно следует вывод о том, что любые облака, встречающиеся в указанном интервале высот, будут давать существенно более высокие значения эхо-сигналов. Можно сказать, что лазерное зондирование верхней части облаков любого яруса из космоса -- одна из наиболее простых задач.

Результаты численного моделирования возможности лазерного зондирования из космоса главнейшей газовой компоненты атмосферы-- водяного пара. Данные показывают, что с использованием трех пар линий поглощения Н₂0 в районе 3 мкм для всей толщи стратосферы ошибки восстановления профилей влажности не превышают 10 %. Зондирование профилей влажности в тропосфере может осуществляться на всех высотах в зимнее и на высотах больше 5 км в летнее время с погрешностями меньше 10 % при использовании космического лидара, разрабатываемого по проектам НАСА С: высота лидара над уровнем моря 200 км, пространственное разрешение 1 км, энергия зондирующего импульса 0,1 Дж, диаметр приемного зеркала 1,2 м, эквивалентная мощность шума 1,03 * 10^-15 Вт.

Таким образом, результаты проведенного нами численного моделирования говорят о весьма высоких потенциальных возможностях лазерного зондирования и профилей, и полей влажности тропосферы и стратосферы с использованием гармоник излучения СО- и С0₂-лазеров в области 3 мкм.

Вторая компонента успеха связана с лидарами, лучший из которых использует С0₂-лазер с энергией в импульсе 2 Дж и частотой их следования 50 Гц. О нем мы уже говорили выше. Однако для применения из космоса, по утверждению автора, необходимо энергию в импульсе излучения довести до 10 Дж, что в ближайшее время считается реальным.

Основные параметры создаваемого лидара: твердотельный АИГ Nd-лазер с энергией 400 мДж на длине волны 1064 нм и 120 мДж на длине волны 532 нм с частотой следования импульсов 0 Гц; приемный телескоп кассегреновского типа с диаметром зеркала 50 см и углом поля зрения в пределах 0,2... 1 мрад.

С помощью указанного лидара планируется получение информации в глобальном масштабе о следующих параметрах атмосферы:

1) Высота верхней границы облаков;

2) Высота планетарного пограничного слоя;

3) Оптическая толща и высота нижней границы низкой и средней плотности облаков;

4) Дискриминация фазового состава облаков (кристаллические, водные);

5) Высота тропопаузы;

6) Тропосферные аэрозоли;

7) Стратосферные аэрозоли.

В качестве подготовки аппаратуры к запуску в космос планируются соответствующие наземные испытания.

Перечислим задачи, которые планируется решать с данным лидаром: индентификация облаков над подстилающей поверхностью, определение высоты верхней границы облаков и их оптических свойств; исследование статистической структуры и оптических параметров подстилающей поверхности, в особенности океанов и морей.

Группа французских авторов из двух учреждений в своем докладе представила разработку перспективного космического метеорологического лидара, который предназначен прежде всего для получения данных о верхней границе облачных полей с высоким пространственным разрешением, обусловленным, с одной стороны, большой средней мощностью излучения лазера на АИГ Nd,значительной частотой следования импульсов, с другой стороны, сканированием лазерного пучка в пределах большого угла, при котором может быть охвачена полоса зондирования шириной порядка 1000 км.

Параметры предлагаемого лидара достаточно уникальны: средняя мощность излучения до 10 Вт при энергии импульсов 20 мДж; частота повторения 500 Гц, которая может быть достигнута в ближайшие годы при использовании в качестве накачки диодных лазеров, диаметр телескопа 50 см; поле зрения 0,1 мрад, спектральная ширина 35 пм для длины волны X = 532 нм и 150 пм для = 1064 нм; общая оптическая эффективность 0,4 для обеих длин волн.

При указанных параметрах за одно сканирование в конусе угла ± 30° обеспечивается полоса шириной 800 км с пространственным разрешением 1 км.

В качестве второй задачи предлагается определение верхней границы планетарного пограничного слоя в синоптических масштабах.

В свою очередь, вносится существенный вклад в решение таких крупнейших проблем, как проблемы надежных прогнозов погоды, оперативной диагностики загрязнений атмосферы в глобальном масштабе, включая их трансграничные переносы, а также в решение значительного количества других важных проблем, для которых существенно необходимо надежное значение протекающих в атмосфере разнообразных процессов.

лазерный излучение атмосфера зондирование

Глава 1. Взаимодействие лазерной системы с атмосферой

1.1 Распространение лазерного излучения в атмосфере

Распространяясь в атмосферном канале, лазерное излучение испытывает энергетическое ослабление за счет его поглощения атомами, молекулами и аэрозолями, а также изъятия части энергии за пределы канала при рассеянии на молекулах и аэрозолях. Под коэффициентом ослабления атмосферного канала распространения излучения с частотой н в направлении z понимают коэффициент пропорциональности в законе Бугера -- Бэра, который в дифференциальной форме для плоской волны записывается в виде

(1.1)

где dI(н)--изменение интенсивности I(н) в Вт/см² при прохождении элементарного слоя среды dz; б(z,н) --объемный коэффициент ослабления, измеряемый в см^-1, м^-1 или км^-1. Он является количественной мерой всех видов взаимодействия, вносящих вклад в ослабление лазерного излучения в слое dz, и может быть представлен в виде суммы

(1.2)

где б_р и б_п -- объемные коэффициенты рассеяния и поглощения.

Коэффициент б_р, в свою очередь, определяется рассеянием на аэрозолях б_ра и молекулах воздуха б_рм:

а б_п -- резонансным поглощением молекулами воздуха б_пр, нерезонансным молекулярным (континуальным) поглощением а_пн и аэрозольным поглощением б_па:

 (1.3)

Если известно число рассеивающих или поглощающих центров в единице объема N_i(z), то при выполнении условия линейного взаимодействия соответствующие коэффициенты б_ik(н,z) можно представить в виде

(1.4)

где у_i(z,н) --сечение того или иного вида взаимодействия (обычно в см²).

Интегральное ослабление излучения, прошедшего в атмосфере расстояние может быть получено путем интегрирования:

(1.5)

Здесь экспонента характеризует спектральную прозрачность или спектральное пропускание атмосферного слоя

(1.6)

а показатель степени экспоненты определяет оптическую толщу слоя

(1.7)

Выражение для спектральной прозрачности атмосферы справедливо для идеального случая, когда ширина линии излучения источника Дн_e полагается равной 0. Спектр излучения реальных лазерных источников, естественно, имеет конечную ширину . Если в пределах спектрального интервала Дн_e коэффициент ослабления нельзя считать постоянным, то при лазерном зондировании регистрируется уже не спектральная прозрачность атмосферы, а функция пропускания, искаженная действием аппаратурной функции источника J (v--н_e), которая характеризует форму контура линии излучения с центром н_e. Наиболее сильное проявление этого факта имеет место, когда измеряется пропускание атмосферного канала в районе селективных линий поглощения атмосферных газов, спектральные ширины которых могут быть сравнимы или уже линии лазерного излучения. При этом регистрируемая прозрачность T'(н_e,z) описывается интегралом свертки

(1.8)

Для многих лазерных источников, например твердотельных или газовых малого давления, форма контура линии излучения описывается гауссовым распределением. В этом частном случае выражение (1.8) примет вид

(1.9)

1.2 Методы лазерного зондирования облаков

Одночастотное зондирование аэрозолей и облаков

Простейший метод одночастотного зондирования аэрозолей и облаков естественно получил наиболее широкое распространение, несмотря на его ограниченность. Рассмотрим возможности его использования и приведем иллюстрации его применения.

Даже для простейшего случая, когда зондирующий импульс не поглощается атмосферными газами, мы имеем два неизвестных -- объемный коэффициент ослабления и объемный коэффициент обратного рассеяния, каждый из которых в свою очередь зависит от аэрозольной и рэлеевской компонент. Таким образом, для получения, скажем, важной информации о профиле объемного коэффициента ослабления и, следовательно, прозрачности атмосферы, необходимо прибегнуть к определенным предположениям.

Первое предположение: рэлеевские компоненты величин Я(r) и j(r) берутся из стандартной модели атмосферы. Согласно второму предположению, считается известным лидарное отношение

(1.10)

где Я_а(r) и б_a(r) -- объемный коэффициент аэрозольного рассеяния по направлению назад и объемный коэффициент ослабления соответственно.

Методы и результаты исследований лидарного отношения детально описаны в монографии.

Приведем некоторые иллюстрации использования одночастотного лазерного зондирования аэрозолей и облаков.

В пределах применимости сделанных предположений одночастотное лазерное зондирование аэрозолей позволяет получать информацию о профилях объемного коэффициента ослабления и, следовательно, прозрачности атмосферы, о распределении массовой концентрации аэрозолей, если задано распределение частиц по размерам, о стратификации аэрозольного заполнения атмосферы, о водности и границах нижней или верхней кромки облаков.

В случае если эхо-сигнал при одночастотном зондировании может быть получен в линейно поляризованной и кроссполяризованной компонентах, появляется существенно новая возможность интерпретации результатов зондирования, о чем речь пойдет в разделе о поляризационной технике.

Конкретные результаты одночастотного зондирования аэрозолей индустриального происхождения будут приведены в отдельном параграфе. Здесь же мы подчеркнем значение вопроса одночастотного лазерного зондирования аэрозолей стратосферы, имеющего принципиальное значение в связи с возможностями исследований динамик распространения вулканических аэрозольных облаков. Блестящим примером такого рода следует считать лазерное зондирование динамики распространения аэрозольного заполнения стратосферы продуктами извержения вулкана Эль-Чичон. Целая серия станций лазерного зондирования, расположенных на разных широтах и долготах в северном и южном полушариях, впервые обеспечила получение реальной модели динамики распространения вулканического облака в глобальном масштабе. Можно с уверенностью считать, что сегодня не существует других методов решения подобной задачи.

Многочастотные зондирования аэрозолей и облаков

Метод многочастотного лазерного зондирования аэрозолей атмосферы был развит и применен на практике в Институте оптики атмосферы. На рис. 1 приведена великолепная иллюстрация успешного применения этого метода для получения распределений числа частиц дымки по размерам на высотах от 360 до 660 м через каждые 30 м, восстановленная из данных трехчастотного лазерного зондирования (л= 0,53; 0,69 и 1,06 мкм). Зондирование проводилось в 0 ч 30 мин. Аналогичные результаты были получены в 1 и 2 ч, что позволило проследить за деформацией спектров размеров частиц на различных высотах во времени.

Поляризационное зондирование

При наличии в лидаре поляризационной приставки, позволяющей получать линейно поляризованные и кроссполяризованные компоненты эхо-сигнала и, следовательно, определять степень деполяризации отраженного сигнала, открываются принципиально новые возможности зондирования. На рис. 12 иллюстрируется одна из таких возможностей зондирования облаков.



Рис. 1. Восстановленные спектры размеров частиц дымки, полученные в результате трехчастотного лазерного зондирования.

Рис. 2. Эхо-сигналы зондирующих импульсов (линейно- и кросс- поляризованная компоненты, соответственно Il и Ir).

Сплошные кривые на рисунке -- расчетные зависимости интенсивности линейной и кроссполяризованной компонент эхо-сигналов, пунктирные -- экспериментальные данные, полученные при близких к расчетным условиям.

Наличие отличной от нуля кроссполяризованной компоненты может быть обусловлено или эффектами многократного рассеяния, или -- при однократном рассеянии -- несферичностью частиц. Таким образом, при измерениях кроссполяризованной компоненты эхо-сигналов с малых оптических толщ облака, когда эффектами многократного рассеяния можно заведомо пренебречь, возможно, однозначно определять фазовое состояние облака (водное или кристаллическое). Подчеркнем, что эхо-сигналы от облаков достаточно велики, поэтому указанный метод определения фазового состояния облаков может быть успешно использован при измерениях с борта космического корабля или спутника.

Рисунок 3 иллюстрирует еще одну заманчивую возможность практического использования поляризационных эффектов при лазерном зондировании аэрозолей. В левой части этого рисунка изображены вертикальные профили компонент Q, U и V вектор-параметра Стокса и угловой позиции доминирующего положения плоскости поляризации эллиптически поляризованного излучения ? эхо-сигнала для интервала высот 4. . . 26 км. В правой части

Рис. 3. Вертикальные профили параметров Q, U, V и величины ? и Яр, полученные в результате лазерного зондирования.

рисунка -- вертикальный профиль объемного коэффициента рассеяния по направлению назад. Указанные результаты получены по предложенному нами оригинальному методу измерения всех четырех компонент вектор-параметра Стокса в эхо-сигнале зондирующих импульсов.

Отличие от нуля величины ? на всех высотах свидетельствует о наличии эллиптической поляризации эхо-сигналов, которая может быть объяснена отражением от частиц продолговатой формы, преимущественно ориентированных в пространстве. Изменение ? с высотой тогда должно быть связано с соответствующим изменением преимущественной ориентации частиц.

Особенно примечательными являются зависимость четвертой компоненты вектор-параметра Стокса V от высоты и смена ее знака в районе тропопаузы, указывающая на изменение правосторонней эллиптической поляризации на левостороннюю, что может быть объяснено различными свойствами частиц в тропосфере и стратосфере.

Таким образом, измерение всех четырех компонент вектор-параметра Стокса открывает принципиально новые возможности для изучения аэрозолей атмосферы и, прежде всего, определения их формы и ориентации в пространстве. Подчеркнем, что описанный метод требует для использования лишь призмы Воллостона и четвертьволновой пластинки, устанавливаемых при анализе эхо- сигнала зондирующего импульса под определенными углами к референтной плоскости. Он вполне может быть использован при зондировании аэрозолей из космоса.

Математический формализм и физические принципы метода дифференциального поглощения

Метод дифференциального поглощения впервые был предложен и реализован на практике Счетлэндом в 1964 г. для лазерного зондирования водяного пара атмосферы. Счетлэнд назвал этот метод дифференциальным поглощением рассеянной энергии (DASE). В настоящее время наиболее широко применяется термин «лидар дифференциального поглощения» (DIAL). Этот метод основан на явлении резонансного поглощения в пределах контура селективной линии поглощения атмосферного газа. В таком узком спектральном интервале коэффициент молекулярного резонансного поглощения в зависимости от спектральной частоты испытывает максимальные изменения, а коэффициент ослабления за счет нерезонансного рассеяния и поглощения практически не меняется. Это позволяет при сравнении данных лазерного зондирования атмосферы на двух близких спектральных частотах, одна из которых н_o расположена в центре линии поглощения атмосферного газа, а вторая н₁ на ее крыле, выделить в чистом виде зависимость отношения данных зондирования только от резонансного поглощения по трассе зондирования.

На практике зондирование атмосферы с использованием дифференциального поглощения реализуется двумя способами: методом дифференциального поглощения на длинных трассах и лидарным методом дифференциального поглощения.

Дифференциальное поглощение на длинных трассах

На рис. 4 изображены две схемы трассового зондирования, использующие в качестве контротражателя поворотное зеркало или диффузный рассеивающий отражатель, которым может являться любой топографический объект (стена здания, склон горы или холма, плотная чаща леса и т. д.).

Схема с зеркальным отражателем (рис. 4 а), как правило, реализуется с полным перехватом лазерного луча. Естественно, требование полного перехвата ограничивает длину трассы зондирования из-за расходимости лазерного излучения и турбулентного дрожания лазерного пучка. Кроме того, схема требует соблюдения точной оптической юстировки всей системы: лазерный передатчик -- зеркальный отражатель-- приемная антенна с фотодетектором, что ограничивает возможности оперативного изменения трассы зондирования по направлению и длине. Однако безусловным преимуществом этой схемы является возможность использования лазеров с малой мощностью излучения, в том числе непрерывных лазеров, так как основные потери мощности, определяемые при регистрации пройденного по трассе излучения, обусловлены только пропусканием атмосферы:



Рис. 4 Схемы трассового зондирования атмосферных газов методом дифференциального поглощения с использованием в качестве контротражателя поворотного зеркала (а) или диффузно-рассеивающего отражателя (б).

(1.11)

где -- регистрируемая мощность лазерного излучения с трассы зондирования; -- излучаемая мощность лазерного источника; -- полный коэффициент эффективности всей оптической системы: передающей антенны -- зеркального отражателя -- приемной антенны; и -- пропускание атмосферного слоя протяженностью , учитывающее соответственно эффекты нерезонансного (н.о) и резонансного (р. о) ослабления лазерного излучения. Квадрат пропускания учитывает тот факт, что лазерное излучение дважды проходит фактически одну и ту же трассу зондирования от приемопередатчика до контротражателя и обратно.

При работе с топографической целью с трассы зондирования регистрируется только та часть лазерного излучения, которая рассеивается от цели в направлении назад и попадает в поле зрения приемной антенны:

(1.12)

где -- эффективность приемопередатчика; А -- площадь приемной антенны; --коэффициент рассеянного назад лазерного излучения от топографической цели. Такая схема в отличие от предыдущей, с одной стороны, конечно дает свободу оперативного выбора в направлении и длине трассы зондирования, но, с другой стороны, предъявляет более высокие требования к мощности лазерного источника, чувствительности фотодетектора и площади приемной антенны. В этой схеме, как правило, используются импульсные источники.

Согласно закону Бугера--Бэра,

(1.13)

(1.14)

где , и --соответственно коэффициент нерезонансного ослабления, сечение резонансного поглощения молекулами атмосферного газа и концентрация этого газа, усредненные по трассе протяженностью . Тогда из (1.11) и (1.13), если зондирование на близких спектральных частотах _o и _I происходит в достаточно малом промежутке времени, в течение которого отсутствуют существенные временные изменения атмосферных параметров и отражательных характеристик цели, можно получить простое соотношение:

 (1.15)

(1.16)

Отношение называется относительной спектральной прозрачностью атмосферного слоя , а произведение буквенных сомножителей в показателе экспоненты -- дифференциальной оптической толщей . Произведя в формуле (1.16) операцию логарифмирования, приходим к конечной формуле

(1.16)

Эта формула отражает основную идею метода дифференциального поглощения на длинных трассах, согласно которой по отношению данных зондирования в линии и вне линии поглощения атмосферного газа восстанавливается его концентрация, усредненная по всей, иногда весьма протяженной, трассе зондирования длиной .

Лидарный метод дифференциального поглощения позволяет получать информацию о пространственном распределении атмосферного газа вдоль трассы зондирования. Предваряя описание этого метода, рассмотрим промежуточную схему зондирования, характеризующую логическую связь между трассовым и лидарным методами дифференциального поглощения.

На рис. 5 а изображена трассовая схема, но с распределенными по трассе зондирования контротражателями на расстоянии z и z + от лазерного приемопередатчика. Реализация такой схемы на практике может осуществляться либо путем повременного пересечения лазерного пучка промежуточным контротражателем либо небольшим смещением диаграммы направленности лазерного приемопередатчика попеременно с одного отражателя на другой, разведенных на незначительный угол.

Рис. 5. Схемы пространственно-разрешенного зондирования атмосферных газов методом дифференциального поглощения с использованием распределенных по трассе зондирования контротражателей (а) или обратного рассеяния зондирующего излучения аэрозолями и молекулами атмосферы (б).

Эта схема позволяет получить информацию об относительной спектральной прозрачности атмосферного слоя , удаленного от приемопередатчика на расстояние z, по измерениям пропусканий атмосферных слоев протяженностью z и z + :

(1.18)

Откуда

 (1.19)

где z < < z + Дz указывает на усреднение величин в интервале Дz. Формула (1.9) иллюстрирует возможность дистанционного определения концентрации резонансного поглощающего газа с пространственным разрешением Дz с использованием распределенных по трассе зондирования контротражателей.

В лидарном методе роль контротражателей, распределенных по всей трассе зондирования, играют аэрозоли и молекулы атмосферы. Рассеянная ими назад часть энергии лазерного импульса, распространяющегося вдоль трассы зондирования, улавливается приемной антенной и регистрируется в фоторегистрирующем тракте в виде лидарного сигнала:

(1.20)

где с -- скорость света; -- длительность импульса лазерного излучения; -- объемный коэффициент обратного рассеяния зондирующего излучения молекулами и аэрозолями атмосферы. Если зондирование на двух близких спектральных частотах в линии () и вне линии () поглощения атмосферного газа осуществляется за достаточно малый промежуток времени, когда ощутимых временных изменений сечений взаимодействия атмосферы с лазерным излучением не происходит, то из (1.20) вытекает, что

(1.21)

где z₀ -- координата точки стояния лидара, откуда N(z) в привязанной к лидару системе координат (z₀ = 0) равно

Формула (1.21) показывает возможность восстановления непрерывного профиля N(z) при непрерывной записи лидарных сигналов. Однако на практике, как правило, лидарные сигналы регистрируются в виде дискретного цифрового массива данных, получаемых через равные промежутки времени Дt, что соответствует пространственному разрешению Дz= cДt/2. Тогда из (1.22) для сигналов, принятых из атмосферных объемов, удаленных по трассе зондирования на расстояние z и z + Дz, следует знакомое выражение

(1.22)

Где указывает на усреднение в каждом пространственном объеме протяженностью Дz. Идентичность формул (1.21) и (1.18) указывает на то, что как в трассовом, так и в лидарном методе дифференциального поглощения информация извлекается из относительной спектральной прозрачности атмосферных слоев, а роль рассеивающих атмосферных объемов во втором методе сводится только к распределенным контротражателям по трассе зондирования.

Чувствительность метода дифференциального поглощения характеризуется минимальными значениями концентрации атмосферного газа N_min, которые могут быть обнаружены с минимально реализуемым на практике уровнем погрешностей измерений оптических сигналов. Для оценки чувствительности МДП для трассовой схемы зондирования удобно пользоваться формулой,

(1.23)

которая вытекает из (1.22) при условии, что минимальный уровень значений разности логарифмов измеряемых оптических сигналов составляет примерно 0,02. Для этого необходимо, чтобы погрешности измерений оптических сигналов не превышали 1 %. В принципе это реализуется на практике при измерении медленно изменяющихся средних значений оптических сигналов, что характерно для трассовой схемы зондирования, с помощью типичных современных устройств цифровой регистрации и обработки.

Из формулы (1.23), видно, что для повышения чувствительности трассового метода дифференциального поглощения при заданном Дz следует выбирать наиболее интенсивные линии поглощения атмосферного газа с максимальными значениями дифференциального коэффициента поглощения Ду. В лидарной же схеме зондирования методом дифференциального поглощения ситуация другая, поскольку погрешности измерений лидарных сигналов, как правило, существенно изменяются по трассе зондирования, а следовательно вдоль нее изменяется и чувствительность газоанализа. В этом случае выбор наиболее интенсивных линий поглощения атмосферного газа может наоборот привести к снижению чувствительности газоанализа в объеме Дz, удаленном на расстоянии от точки расположения лидара, так как интенсивное поглощение зондирующего излучения в максимуме линии поглощения вдоль трассы длиной приводит к существенному спаду лидарного сигнала в точках z±Дz/2 и соответственно к значительному увеличению погрешностей его измерения.

Чувствительность газоанализа лидарным методом дифференциального поглощения согласно (1.20) можно оценить по значениям минимально достижимых среднеквадратических отклонений восстанавливаемых концентраций атмосферных газов:

(1.23)

Где -- относительная дисперсия регистрируемых лидарных сигналов на частотах и , n -- число парных актов зондирования, по которому осуществляется усреднение лидарных сигналов.

При регистрации в режиме счета фотоэлектрических импульсов, когда флуктуации сигналов описываются пуассоновской статистикой, дисперсия сигналов равна среднему числу зарегистрированных фотоотсчетов из стробируемого масштаба Дz:

(1.22)

где h и с -- постоянная Планка и скорость света; --мощность лидарного сигнала; -- мощность фоновой засветки ФЭУ попадающим в поле зрения приемной антенны лидара рассеянным в атмосфере излучением небесных светил, звездных скоплений, северных сияний, а также искусственного освещения городов и поселков; Р_т -- эквивалентная мощность темнового шума ФЭУ, обусловленного термоэлектронной эмиссией и эмиссией в сильном электрическом поле с фотокатода. Величина фоновых шумов характеризуется спектральной яркостью фона R_ф() на частотах зондирования и параметрами приемной системы:

(1.26)

где ? -- пропускание приемной антенны; з -- эффективность фотоэмиссии фотокатода ФЭУ (квантовый выход ФЭУ); А -- площадь приемной антенны; ? и Дл -- поле зрения и спектральная ширина полосового фильтра приемной системы.

Собственные темновые шумы ФЭУ можно оценить, зная из паспортных данных темновой ток фотокатода /_т и анодную чувствительность ФЭУ V_а, как

(1.27)

где е -- заряд электрона; В -- ширина полосы пропускания измерительного тракта.

В режиме токового сигнала, флуктуации которого в предположении дробовой природы шумов описываются нормальным распределением, дисперсию можно выразить по значению эквивалентной мощности шума (NЕР):

(1.28)

где А_D -- площадь фоточувствительного элемента; D* -- отношение сигнал/шум в полосе пропускания 1 Гц при единичной мощности падающего излучения на единицу площади фоточувствительного элемента. Параметром D* часто характеризуют обнаружительную способность фотодетектора. Чувствительность фотодетекторов, собственные шумы которых сравнимы или даже менее фоновых шумов, чаще характеризуются параметром D**. Этот параметр учитывает поле зрения детектора в схеме измерения и определяется как

(1.29)

где и -- половина плоского угла в сечении поля зрения фотодетектора. В лидарных схемах в УФ, видимом и ближнем ИК - диапазонах спектра угол и определяется углом зрения приемной антенны лидара

(1.30)

где d_A -- линейный размер полевой диафрагмы; F -- фокусное расстояние приемной оптики.

В среднем ИК - Диапазоне спектра, где фоновые шумы обусловлены тепловым излучением, соотношение (1.2) справедливо только при низких криогенных температурах всей приемной системы (например, условие открытого космоса с затененной зоны несущей платформы). В обычных условиях, чувствительные ИК - фотоприемники, как правило, снабжаются охлаждаемыми жидким азотом диафрагмами. При этом характерные значения и? 20°.

Выражение (1.23) позволяет определить оптимальные значения интенсивностей используемых при лидарном зондировании линий поглощения атмосферных газов для достижения максимальной чувствительности в выбранном объеме Дz. Формулы (1.22) и (1.24) можно применять для оценки потенциальных возможностей метода дифференциального поглощения.

Чувствительность лазерного газоанализа методом дифференциального поглощения в значительной степени зависит от ширины линии зондирующего лазерного излучения Дн_e, поскольку регистрируемое пропускание атмосферы представляет собой свертку истинного спектрального пропускания с аппаратурной функцией лазерного источника. С увеличением Дн_e чувствительность газоанализа снижается.

Основные источники ошибок лазерного газоанализа атмосферы методом дифференциального поглощения

Видимая простота формул (1.8) и (1.13) создает впечатление легкости практической реализации метода дифференциального поглощения. Однако несоблюдение целого ряда условий и требований, часто весьма жестких, которые не все вытекают из этих формул, может привести к существенным ошибкам при интерпретации данных лазерного зондирования. Сравнительно подробный анализ ошибок восстановления концентрации водяного пара атмосферы из данных лазерного зондирования влажности методом дифференциального поглощения был выполнен основоположником этого метода Счетлэндом. Он показал, что основными источниками погрешностей являются: ошибки, обусловленные вариациями рассеивающих свойств атмосферы; ошибки измерений; погрешности априорного расчета коэффициентов поглощения. При этом Счетлэнд рассматривал идеализированный случай, когда ширина линии лазерного излучения полагалась пренебрежимо малой. На практике аппаратурная функция спектрального распределения мощности лазерного излучения оказывает значительное влияние на регистрируемые данные лазерного зондирования и в ряде случаев вынуждает учитывать целую гамму источников погрешностей восстановления лидарных данных.

1.2 Аппаратура для лазерного зондирования

Обобщенная схема лидара

Для решения каждой конкретной атмосферной задачи, естественно, используется конкретная схема лидара. Однако во всех случаях в лидаре непременно присутствуют три основных блока: 1) лазерный источник излучения с передающей антенной; 2) приемная антенна с фотодетектором и 3) регистратор лидарных сигналов. Для многих атмосферных задач необходимо селектировать собранный приемной антенной лидарный сигнал по спектральным частотам или по поляризации. В этих случаях на выходе приемной антенны лидара устанавливают анализаторы спектра или поляризации принимаемого оптического сигнала. Следовательно, анализаторы спектра или поляризации лидарного сигнала также можно отнести к основным блокам лидара. Кроме того, регистрация таких быстропротекающих процессов, каким является лидарный сигнал, невозможна без использования быстродействующих процессов. Как правило, для этих целей используют современные компьютеры, которые позволяют не только обрабатывать, хранить и визуализировать лидарные данные, но и контролировать параметры и управлять всеми компонентами лидара в автоматизированном режиме. Таким образом, обобщенную схему современного лидара можно представить состоящей из пяти основных блоков (рис. 6).

Естественно, главным активным элементом лидара является лазерный источник излучения. Все основные энергетические, временные, пространственные, спектральные и поляризационные характеристики лазерного излучения, как правило, реализуются непосредственно в самом лазерном источнике.

Рис. 6 Обобщенная схема лидара.

Они обычно контролируются на выходе с помощью блока контроля лазерного излучения. Чаще всего такой блок используется для измерения опорного сигнала и выработки сигнала запуска регистрирующей аппаратуры, а также для контроля длины волны лазерного излучения.

При многочастотном зондировании могут использоваться различные комбинации лазеров, как перестраиваемых по частоте, так и с фиксированными частотами излучения, с разными типами преобразователей частоты, среди которых наиболее широкое распространение получили генераторы гармоник (ГГ) и газовые ВКР-ячейки высокого давления.

Для дополнительного уменьшения расходимости лазерного излучения обычно используют оптические расширители пучка на основе линзовых или зеркальных телескопов, в том числе внеосевых. Лазерный источник совместно с передающей антенной составляют лазерный передатчик лидара (или лидарный передатчик).

Приемная антенна лидара представляет собой телескоп, чаще всего зеркальный, построенный обычно по схеме Ньютона (рис. 7 а) или Кассегрена (рис. 7 б), в фокусе которого устанавливают полевую диафрагму. Она служит для сужения угла зрения приемной антенны ц, поскольку он определяется отношением ц = d₀/f, где d₀-- диаметр полевой диафрагмы, f -- фокусное расстояние телескопа. Уменьшение угла зрения приемной антенны Ш позволяет снизить уровень фоновых шумов, приходящих из атмосферы. Однако при этом необходимо учитывать, что уменьшение ф всегда ограничено снизу углом расходимости зондирующего лазерного излучения ш, т. е. , откуда d_0min = шf.

Рис. 7. Зеркальные телескопы Ньютона (а) и Кассегрена (б).

Если необходима спектральная селекция собранного приемной антенной локационного оптического сигнала, то для этих целей обычно используют монохроматоры, входные отверстия которых совмещают с полевой диафрагмой. В этом случае в фокальной плоскости монохроматора наблюдаются монохроматические изображения входного отверстия, число и положение которых соответствуют спектральным частотам принятого излучения. Кроме частот зондирующего лазерного излучения в локальном сигнале можно обнаружить частоты комбинационного рассеяния, а также частоты резонансной флуоресценции и полосы люминесценции аэрозолей. Разделенные в спектроанализаторе монохроматические световые потоки посылаются затем на отдельные фотодетекторы.

Для снижения уровня фоновых шумов перед фотодетекторами, как, правило, устанавливают узкополосные интерференционные фильтры, поэтому расходящиеся световые потоки сначала коллимируют, а после фильтра фокусируют на фотодетектор.

Для уменьшения влияния мощной засветки фотодетектора локационным сигналом с начала трассы зондирования используют ослабители излучения, специальные виньетирующие диафрагмы, а также оптические затворы, синхронизованные с импульсом генерации лазерного передатчика.

В качестве фотодетекторов лидарного сигнала в УФ и видимом диапазонах спектра наибольшее распространение получили фотоэлектронные умножители (ФЭУ). В ближнем и среднем ИК-Диапазонах спектра используют полупроводниковые фотодиоды. При этом чувствительные элементы фотодиодов среднего ИК-Диапазона спектра необходимо охлаждать до креогенных температур, а в ближнем ИК-Диапазоне спектра фотодиоды, как правило, работают при комнатной температуре.

Оптический локационный сигнал сначала преобразуется в фотодетекторе в пропорциональный ему электрический сигнал, затем регистрируется с помощью специальных быстродействующих регистраторов лидарных сигналов в виде массива цифровых данных, который заносится в память компьютера.

Рассмотрим подробнее наиболее важные составные части лидара.

Источники для лазерного зондирования

Наиболее мощными источниками УФ когерентного излучения безусловно являются эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов. Типичные параметры эксимерных лазеров приведены в табл. 1. На рис. 7 а приведены линии излучения эксимерных лазеров, аранжированные по энергиям излучения, получаемые в одной лазерной системе за счет смены рабочей газовой смеси. Видно, что наибольшей эффективностью обладает лазер на Кr--F. Вторыми по эффективности являются ХеС1-, ХеF- и АrF-лазеры. Лазеры на КгСl и ХеВr наименее эффективные из этого класса лазеров и в настоящее время пока не нашли широкого применения.

На рис. 7 б приведены положения по шкале длин волн сдвинутых частот в область 1-го (сплошная черта) и 2-го (прерывистая черта) стоксового сдвига частот излучения эксимерных лазеров в ВКР-ячейках для разных газов при высоком давлении. Типичная длина ячеек порядка 1 м, а давление газа -- десятки атмосфер. В таких преобразователях эффективность перекачки мощности излучения эксимерных лазеров на частоту 1-го стоксового сдвига, например для Н2 или D2, может превышать 30 %. Из рис. 1. видно, насколько плотно можно заполнить УФ- диапазон спектра основными и преобразованными частотами эксимерных лазеров.

Таблица 1 Типичные параметры лазеров, применяемых в лидарных системах

Тип лазера	Длина волны, мкм	Энергия излучения, Дж	Длительность импульса, МКС	Частота повторения, Гц
Газовый
CO2	9... 11	0,1...	1	0,1...	2	10.	.. 50
CO	5... 6	0,01...	0,05	10		10
НF	2,7... 3	0,1...	0,5	0,1...	1	1..	. 10
DF	3,7... 4	0,1...	0,5	0,1...	1	1. .	. 10
Эксимерный
АгF	0,193	0,1		0,01		10.	.. 100
КгСl	0,222	0,1		0,01		10.	.. 100
КгF	0,249	0,1...	0,5	0,01		10.	.. 100
ХеВг	0,282	0,1		0,01		10.	.. 100
ХеСl	0,308	0,1...	0,5	0,01		10.	.. 100
ХеF	0,352	0,1		0,01		10.	.. 100
Твердотельный
александрит	0,71...0,8	0,1...	1	0,1...	0,2	10
рубин	0,6943	1		0,02		0,1
АИГ Nd	1,064	0,5...	1	0,01		10.	.. 30
АИГХ2 Nd	0,532	0,2...	0,5	0,01		10.	.. 30
АИГХЗ Nd	0,355	0,1...	0,2	0,01		10.	.. 30
СО : MgF2	1,5... 2,3	0,01		0,3		10
На красителях видимый		0,01...	0,01	0,01		10.	.. 30
и ближний ИК	0,4…0,8
УФ	0,2... 0,4	0,001..		0,01		10.	.. 30
		0,01

Отметим, что в некоторых современных лидарных передатчиках рассматриваются частоты даже 3-го стоксового сдвига.

Спектр излучения эксимерных лазеров без специальной селекции содержит одну или несколько компонент шириной 0,1 -- 0,3 нм каждая. Применение специальных селектирующих устройств (либо интерферометров Фабри -- Перо, либо дифракционных решеток) позволяет сузить линию излучения до 1... 10 см^-1 и перестраивать ее в пределах ±1 нм от центра линии свободной генерации.

Спектральные и энергетические параметры источников УФ-излучения на основе эксимерных лазеров, снабженных ВКР-преобразователями частоты, хорошо подходят для решения задач лазерного мониторинга атмосферного озона. При зондировании тропосферного озона, как правило, используется излучение КrF-лазера, сдвинутое на 1-ю и 2-ю стоксовы частоты в ВКР- ячейках на Н₂ и D₂: 270 нм--1 D₂; 277 нм--1 Н₂; 299 нм -- 2 D₂ и 312 нм -- 2Н₂. Зондирование стратосферного озона ведется с помощью ХеС1-лазера с длиной волны 308 нм, снабженного ВКР-ячейкой на 1 СН₄ (338 нм) либо на 1 Н₂ (345 нм).

Наряду с эксимерным КrF-лазером при зондировании тропосферного озона все более широкое распространение получает генератор четвертой гармоники (266 нм АИГ Ш-лазера совместно с ВКР-преобразователями на 1 Б₂ (288 нм) и 1 Н₂ (299 нм)/ Если учесть, что современные преобразователи частоты из нелинейных р-кристаллов ВВа₂О₅ (ВВО) и LiВа_з0₅ (LВО) позволяют перекачивать в область 4-й (266 нм) и 3-й (355 нм) гармоник АИГ Nd-лазера до нескольких десятков процентов мощности основной гармоники, то такие лазерные источники УФ-излучения фактически уже могут конкурировать с эксимерными лазерами по энергии излучения.

Рис. 8. Линии излучения эксимерных лазеров (а) и положения сдвинутых частот излучения этих лазеров в газовых ВКР-ячейках (б).

УФ, видимый и ближний ИК-Диапазоны спектра довольно плотно перекрыты спектром излучения основных и двух гармоник перестраиваемых лазеров на красителях. Этот класс лазеров хорошо освоен и широко используется в различных атмосферных задачах. Даже в коммерческих моделях (например, модель FL 2002Е фирмы “Lamda Physics”) достигнуто сужение линии излучения до значений Дл_е < 2 пм, что позволяет использовать такие лазеры для точной настройки линии излучения в резонанс с селективными линиями поглощения молекулярных и атомарных составляющих атмосферы. Поэтому лазеры на красителях нашли применение при зондировании целого ряда газовых компонент атмосферы, таких как Н₂0, NO₂, S0₂, N0 и 0₃, а также паров ртути (Hg) в тропосфере, натрия (Nа), калия (К) и других элементов верхней атмосферы.

Типичные параметры лазеров на красителях для основной и 2-й гармоник излучения при накачке 2-й гармоникой АИГ Nd-лазера приведены в табл. 1.

К отрицательным характеристикам лазеров на красителях следует отнести малую радиационную стойкость и недолговечность красителей, что вынуждает использовать непрерывную прокачку раствора красителя через активный объем

Рис. 9. Спектральные кривые излучения лазера на сапфире с титаном и лазеров на красителях при накачке аргоновым лазером со средней мощностью 20 Вт.

Кроме того, диапазон перестройки длины волны генерации для одного красителя составляет примерно 100 нм. Поэтому для перекрытия широкого спектрального диапазона необходимо использовать последовательно несколько красителей, спектры генерации которых перекрываются по краям. По этой причине внимание специалистов в области лазерной и лидарной техники сразу привлекли уже первые перестраиваемые твердотельные лазеры на александрите (Сr : ВеА1₂0₄) с диапазоном перестройки длины волны излучения от 700 до 800 нм и на кристалле Со : МgF₂ с диапазоном перестройки от 1,5 до 2,28 мкм. Эти лазеры уже нашли применение для зондрования влажности, температуры тропосферы) и приземных концентраций СH₄, С0₂ и Н₂0 (Со :MgF₂).

Следует отметить, что на начальных этапах генерация в лазере на Со: MgF₂ была реализована только при температуре жидкого азота. Однако в уже сообщается об удачной импульсной генерации этого лазера при комнатной температуре с 50 %-ной эффективностью преобразования мощности АИГ Nd-лазера накачки.

В настоящее время особое внимание уделяется перестраиваемому твердотельному лазеру на сапфире с титаном (Ti:Al₂0₃), который обладает уникально широким диапазоном перестройки длины волны генерации от 0,65 до 1,17 мкм. При этом в нем можно достичь преобразования мощности накачки от 2-й гармоники АИГ Nd-лазера с эффективностью до 30%. На рис. 1.3.4 из изображены для сравнения спектральные кривые излучения лазера на сапфире с титаном и наиболее эффективных лазеров на красителях при одинаковой накачке непрерывным излучением аргонового лазера со средней мощностью 20 Вт. Видно, что мощность генерации Ti : А1₂0₃-лазера более чем в 3 раза выше мощности лазеров на красителях, а его диапазон перестройки перекрывает интервалы перестройки по крайней мере четырех лазеров на красителях. Таким образом, преимущества налицо. Подчеркнем, что кроме диапазона спектральной перестройки лазеры на красителях, а также перестраиваемые лазеры на центрах окраски значительно уступают лазеру на сапфире с титаном по надежности и долговечности. Поэтому неудивительно, что все последние работы по лазеру на сапфире с титаном, в том числе на Международной конференции по лазерам и электрооптике CLEO-89, представляются под общим девизом: “Say Goodbye to Dye” («Скажем до свидания лазерам на красителях»).