Лазерное зондирование атмосферы

Деятельность человека во все времена его существования всегда было связано с проблемами загрязнения окружающей среды. Одним из основных и наиболее опасных видов загрязнения является загрязнение воздуха атмосферы. Без необходимого воздействия на эту проблему, человечество может столкнуться с ужасающими последствиями, которые в свою очередь нанесут огромный ущерб населению планеты.

Правительства почти всех мировых держав, понимая эту опасность приняли участие в создании законопроектов о снижении выбросов загрязняющих веществ в атмосферу (Венская конвенция об охране озонового слоя 1985 года, Монреальский протокол 1987 года по веществам, разрушающим озоновый слой, с внесенными в него поправками, Рамочная конвенция Организации Объединенных Наций 1992 года об изменении климата и др.). Но возник другой вопрос, заключающийся в контроле концентраций этих веществ в воздухе. Исторически этот контроль осуществлялся с помощью химических методов и путем быстрого забора проб для дальнейшего лабораторного анализа. В последнее время было создано множество автоматических систем, на основе этих методов, которые удовлетворяют многим требованиям контроля. Однако минус такого способа в его локальности действия и трудоемкости. Например, для определения температуры или состава атмосферы выше земной поверхности необходимо поместить ваш прибор на самолет, шар-пилот, метеорологическую или геофизическую ракету, искусственный спутник Земли. Вследствие этого были созданы технологии на основе лазерного зондирования которые позволили дистанционно и что самое важное пространственно определять степень загрязнения.

В 1905 году наш соотечественник В. В. Кузнецов измерил ночью высоту облаков с помощью мощного прожектора. Прожекторное зондирование атмосферы развивалось в течение 50 лет — от простого измерения высоты облаков до определения общего содержания молекул в единице объема воздуха на различных высотах. Однако возможности даже самого мощного прожектора оказались на этом практически исчерпанными, хотя с помощью различных технических ухищрений и можно было попытаться повысить потолок зондирования. Но делать этого уже не пришлось: в 1960 году был создан принципиально новый источник излучения — лазер, а спустя три года итальянский ученый Дж. Фиокко опубликовал первую работу о лазерном зондировании атмосферы. Годом позже он же провел измерения высоты и толщины серебристых облаков.

В нашей стране лидарное зондирование также не было обделено вниманием. В 1969 году в Томске был создан академический Институт оптики атмосферы. Вместе с Институтом физики в Минске они одни из первых создали в своих лабораториях лидарные установки (лазерные локаторы). В течение последующего времени эти институты сильно развивались в своем направлении, и вскоре достигли мирового уровня. Признание этого уровня красноречиво засвидетельствовал, например, прошедший в июле 1990 года первый в СССР XV Международный симпозиум по лазерному зондированию, собравший в закрытом в ту пору Томске рекордное число иностранных участников – 150 человек.

В настоящее время существуют целые сети лидарных установок по всему миру: всемирная сеть обнаружения стратосферных изменений (NDSC), европейская сеть EARLINET, обеспечивающая координирование работы 22 лидарных станций с целью мониторинга крупномасштабного переноса аэрозоля в регионы Европы и исследования влияния аэрозольного фактора на климат и экологические условия, азиатская сеть AD-Net, проводящая исследования выноса пыли из пустыни Гоби в регионы Тихого океана, а также «CISLiNet» («Лидарная сеть стран СНГ»), которая позволяет связать европейскую и азиатскую сети в единое целое.

Структура и состав атмосферы

Атмосфера земли в основном состоит из азота и кислорода. Эти молекулы составляют 99% общего содержания молекул сухого воздуха. Заметную часть остатка (около 1%) составляют молекулы аргона. Кроме всего этого, в атмосфере в малых количествах присутствуют углекислый газ, озон, метан, закись азота, водород, гелий, неон, криптон и ксенон. Многие другие газы попадают в атмосферу как загрязнение воздуха в промышленных районах. Они присутствуют в едва заметных концентрациях и их содержание подвержено сильным временным и пространственным вариациям.

Обычно атмосферу Земли делят на некоторые слои, каждый из которых характеризуется своим видом температурного профиля (рисунок 1)

Температурный профиль атмосферы:
1 – тропосфера, 2 – стратосфера, 3 – мезосфера, 4 термосфера
Рис. 1. Температурный профиль атмосферы:
1 – тропосфера, 2 – стратосфера, 3 – мезосфера, 4 термосфера

Для лидарного зондирования необходимо рассматривать первые два нижних слоя атмосферы: тропосферу и стратосферу.

Обычный состав тропосферы выглядит следующим образом: азот и кислород составляют 99 % газового состава, далее аргон (порядка 1%), углекислый газ (0,03 %). Содержание водяного пара в тропосфере сильно изменчиво и варьируется от 1% до 3 %. Также в этом слое содержатся множество малых составляющих, таких как, аэрозоли и частицы, окислы углерода, соединения серы, углеводороды, озон.

Из этого списка целесообразно уделить внимание аэрозолям и частицам.
Аэрозоль – твердые или жидкие мельчайшие частицы веществ, взвешенные в воздухе. Наиболее заметным эффектом, который они оказывают на тропосферу, является их вклад в снижение видимости. Кроме того, они являются центрами прохождения химических реакций для загрязняющих газов, изменяют осадки, выступая в роли ядер конденсации, а также способствуют попаданию загрязнений в легкие, глаза и другие чувствительные органы человека.

Естественные источники аэрозолей и частиц включают вулканическую, минеральную пыль, частицы дыма лесных и торфяных пожаров, капли облаков и туманов. Человек также вносит немалый вклад в концентрацию этих частиц: частиц сажи, пепла, цемента, других отходов производства, частицы ядохимикатов, используемых в сельском хозяйстве и другие – их концентрации напрямую зависят от деятельности человека. Размер аэрозолей в тропосфере разнообразен, но в условиях устойчивого состояния, их радиус обычно лежит обычно в пределах 0,01– 20 мкм. Их концентрация быстро убывает в приземистом слое толщиной в 1 км, выше этого слоя она сильно колеблется.
В стратосфере аэрозоли и частицы распределены по всему объему. Максимумы концентраций расположены в области высот 20 км, и называются 20-километровым аэрозольным слоем или слоем Юнге. Главное значение содержания аэрозолей в стратосфере заключается в их возможном влиянии на перенос излучения в атмосфере с последующим влиянием на общий радиационный баланс Земли.

Типы систем дистанционного лазерного зондирования атмосферы

В зависимости от источника излучения методы дистанционного зондирования атмосферы можно разделить на две обширные категории: активные и пассивные. Пассивные методы используют естественно встречающееся в атмосфере излучение (например, солнечное и отраженное или испускаемое землей излучение). По наблюдениям взаимодействия этого излучения с исследуемыми компонентами (поглощения и рассеяния) извлекают информацию о концентрациях. Активные методы, наоборот, характеризуются введением в атмосферу определенного излучения, но обычно в качестве источников такого излучения используются лазеры. Информация о концентрации исследуемых компонентов извлекается из наблюдений таких видов взаимодействия излучения с атмосферой, как рассеяние, поглощение и флуоресценция.
Рассмотрим лидарные системы, работающие на активных методах, принципиальное деление их на типы можно посмотреть на рисунке 2.

Рассмотрим системы лидарного зондирования атмосферы. В них входят:

1) Аэрозольный лидар

Эта схема лидара получила наибольшее распространение из моностатических систем. Она заключается в совмещении источника и приемника излучения, то есть, приемник и источник излучения устанавливают в одном месте, например на поворотном устройстве (как в действующем лидаре в НИИ ПП), что позволяет изменять зенитный угол и азимут зондирования. Для зондирования используют несколько вариантов систем: одноволновые, многоволновые и поляризационные. Многообразие таких систем связано с важностью получения информации о физических параметрах атмосферного аэрозоля, которые зачастую определяют тип загрязнения. В то же время получение такой информации является технически сложной задачей в связи с многообразием типов аэрозолей.

Схематическое деление активных методов дистанционного зондирования атмосферы
Рис. 2. Схематическое деление активных методов дистанционного зондирования атмосферы

2) Лидар на комбинационном рассеянии (лидар на КР)

Лидар на КР используется для измерений ряда молекул атмосферы, включая H2O, SO2 и CO2. Его использование требует мощных лазеров, больших телескопов, длительных времен накопления и обычно ограничено измерениями высоких концентраций молекул.

3) Лидар на резонансных эффектах

Лидар на резонансных эффектах характеризуется тщательным подбором как длины волны излучения лазера, так и длины волны излучения, регистрируемого приемником, для того чтобы они совпадали с длиной волны линии поглощения исследуемого компонента атмосферы. Возбуждение молекулы на частоте поглощения приводит к резонансному рассеянию, которое может быть значительно более интенсивным, чем нерезонансное рассеяние. Этот метод успешно применяется для измерения концентраций атомарных натрия и калия на больших высотах.

4) Лидар на дифференциальном поглощении рассеянного излучения

Его работа зависит от рассеяния на аэрозолях атмосферы, но измерения выбранного вида молекул осуществляются по их поглощению. В основу ее работы заложено использование по крайней мере двух лазерных пучков с различными длинами волн, которые последовательно или одновременно посылаются вдоль одного и того же направления в атмосферу. Первый лазерный пучок поглощается исследуемыми молекулами, в то время как второй пучок с близкой длиной волны поглощается не очень сильно. Так как пучки отличаются небольшим промежутком длин волн, то сечения аэрозольного рассеяния можно считать практически одинаковыми для обоих случаев. Различие в интенсивности рассеяния лучей в атмосфере можно считать обусловленным разницей в их поглощении исследуемыми молекулами. Анализ зарегистрированных сигналов от обоих лучей как функция времени позволяет осуществлять пространственно-разрешенные измерения концентрации поглощающих молекул.

Разнесенные системы характеризуются тем, что лазерный передатчик и приемный телескоп, либо расположены на определенном расстоянии, либо в одном месте, но имеют на некотором расстоянии отражатель. Существуют два основных вида разнесенных систем:

5) Бистатические системы

Бистатические системы в общем случае тоже можно назвать лидарными, однако, в бистатическом лидаре лазерный пучок источника входит в поле зрения приемника только на некотором расстоянии, которое определяется заранее (рисунок 3), поэтому измерения проводятся только в ограниченной области пространства.

Бистатическая схема зондирования
Рис. 3. Бистатическая схема зондирования

Характерной особенностью этой схемы является большая база между источником и приемником. Оптические оси приемника и источника в
такой схеме пересекаются на определенном расстоянии. Если зафиксировать высоту пересечения, то соответственно можно будет получать информацию от одного и того же участка атмосферы.

6) Трассовые методы

Эти методы получения значения концентрации молекул использует в качестве измеряемого параметра поглощение лазерного луча при его распространении в атмосфере. Лазерный источник и приемный телескоп могут быть разнесены и направлены навстречу друг другу, но для облегчения работы лазер и телескоп размещают в одном месте, их оптические оси совмещают и направляют, на, например, топографическую мишень. Два лазерных луча настраиваются по длинам волн так, чтобы излучение одного совпадало с линией поглощения исследуемой молекулы, а другого было вне этой линии. Сравнение двух сигналов после регистрации собранного телескопом излучения дает меру интегральной (вдоль пути прохождения лазерного луча) концентрации молекул данного вида и не дает информации о распределении загрязнения вдоль трассы зондирования.

Принцип действия аэрозольного лидара

Основной локационный принцип дистанционного зондирования с помощью лазеров называется лидар — сокращение из начальных букв английских слов Light Detection and Ranging. В простейшем случае лазер в лидаре используется просто как источник пригодных по величине импульсов энергии с достаточно короткой длительностью. Чаще всего используют твердотельные лазеры, работающие на длинах волн 532 нм и 1064 нм, генерирующие импульсы с пиковой мощностью, измеряемой десятками мегаватт, при длительности 10 – 20 нс. Импульсы с такой энергией формируются в пучки подходящими оптическими системами, пример которых схематически изображен на рисунке 4.

Схематическое изображение основной конструкции лидара с коаксиальной геометрией приемо-передатчика
Рис. 4. Схематическое изображение основной конструкции лидара с коаксиальной геометрией приемо-передатчика

Лазерное излучение монохроматично и в высокой степени когерентно, имеет малую расходимость. Молекулы газов, частицы и капли, с которыми сталкивается лазерное излучение при распространении и атмосфере, вызывают рассеяние. Небольшая часть этого излучения рассеивается назад в направлении лидарной системы и может быть обнаружена. В лидаре рассеянное назад излучение собирается в соответствующем приемнике с помощью отражающей или преломляющей оптики и направляется на фотодетектор (обычно фотоумножитель), который преобразует его в электрический сигнал; интенсивность этого сигнала в любой момент времени пропорциональна принимаемому оптическому потоку. Поскольку свет распространяется с известной скоростью, расстояние до рассеивающего объема, из которого принят сигнал, в любой момент времени может быть определено по величине времени с момента запуска импульса. Величина принятого сигнала определяется способностью атмосферы рассеивать излучение в направлении назад на последовательных участках трассы, а также атмосферным ослаблением на двойном пути. Рассеяние назад в атмосфере зависит в свою очередь от используемой длины волны лазерного излучения, числа, размера, формы и преломляющих свойств частиц, капель (или молекул), находящихся на пути падающего излучения.

Взаимодействие излучения с атмосферой

Лидарное уравнение

Основные принципы лазерного зондирования могут быть выражены следующим лидарным уравнением:

Pr(R) = P0 (cτ/2)β(R)ArRexp(-2∫α(r)dr) (1)

где Pr(R) – мгновенное значение принимаемой мощности в момент времени t
P0 – посылаемая мощность в момент времени t0
c – скорость света
τ – длительность импульса
β – объемный коэффициент рассеяния
R – расстояние до объекта
Ar – эффективная площадь приемника
α – объемный коэффициент ослабления.

Объемный коэффициент рассеяния назад β определяется как доля падающей энергии, рассеянная в единичном телесном угле (стерадиан) в направлении назад участком атмосферы единичной длины (он имеет размерность м-1 ср-1).

Эффективная площадь приемника Ar входит в лидарное уравнение из-за того, что она определяет телесный угол Ar/R2, под которым приемник виден с расстояния R (при условии, что угол расходимости посылаемого пучка не превышает угол приема и вся испущенная энергия вносит вклад в рассеяние назад с расстояния R).

Выражение exp(-2∫α(r)dr) представляет частичное пропускание излучения на двойном пути между лидаром и расстоянием R. Оно зависит от α – объемного коэффициента ослабления атмосферы, который показывает, во сколько раз уменьшается поток излучения на единичном пути в направлении распространения (имеет размерность м-1).

Рассеяние, поглощение и ослабление в атмосфере

Под коэффициентом рассеяния, поглощения и ослабления единицы объема находящихся в воздухе частиц понимают величины, определяемые соответственно следующими формулами:

αp.s(λ) = Np∫αp.s(λ,a)f(a)dα (2)
αp.a(λ) = Np∫αp.a(λ,a)f(a)dα (3)
αp(λ) = Np∫αp(λ,a)f(a)dα (4)

где Np – число рассеивающих частиц в единице объема
αp.s(λ,a), αp.a(λ,a), αp(λ,a) — соответственно коэффициенты рассеяния, поглощения и ослабления частицами радиусом a.

f(a) – функция распределения частиц по размерам, удовлетворяющая условию

Np‘(a)da = Npf(a)da (5)

где Np‘(a)da — число частиц в единице объема, имеющих радиусы от a до (a+da)
Np – общее число частиц в единице объема

Рассеяние и ослабление на молекулах газа

Объемный коэффициент рассеянии назад определяется суммой вкладов от газовой фазы атмосферы и от содержащихся в ней частиц, т. е.

β = βg + βp (6)

где индексом g обозначен коэффициент рассеяния на газах, а индексом р — на частицах.

Поскольку размеры газовых молекул очень малы по сравнению с длинами волн лазерного излучения, упругое рассеяние в направлении назад на молекулах атмосферных газов описывается приближением релеевского рассеяния

βg = βR = NgR(π)/dΩ (7)

где Ng – число молекул газа в единице объема
R(π)/dΩ — дифференциальное сечение релеевского рассеяния под углом θ = π в расчете на 1 «среднюю» молекулу газа.

Для смеси атмосферных газов, имеющихся на высотах до 100 км,

R(π)/dΩ = 5.45 (λ(мкм)/0.55)-4⋅10-28см2/ср (8)

Это уравнение показывает характерную зависимость от длины волны интенсивности релеевского рассеяния, пропорциональной λ-4.

Коэффициент релеевского рассеяния назад есть простое кратное коэффициенту ослабления за счет релеевского рассеяния:

βR = 1.5/4 αR = 0.119αR (9)

Так что, измерив либо βR, либо αR, можно тут же найти значение другой величины. Более того из выражения (7) видно, что измерения βR могут быть использованы для нахождения плотности атмосферы Ng. В тропосфере, где рассеяние назад на частицах часто превосходит рассеяние на газах или сравнимо с ним по интенсивности, сделать такое заключение невозможно, но для верхней атмосферы его справедливость доказана.

Коэффициент ослабления на молекулах газа может быть выражен формулой

αg = αg.s + αg.a (10)

Коэффициент ослабления αg.s за счет рассеяния на молекулах газа содержит компоненты упругого и неупругого рассеяния, однако компонент упругого рассеяния всегда доминирует (на несколько порядков величины для большинства длин волн), поэтому другим компонентом обычно пренебрегают. Поскольку размер молекул мал по сравнению с длинами волн лазерного излучения, то упругое рассеяние газами описывается сечением релеевского рассеяния σR, Т. е.

αR = σRNg (11)

где Ng — концентрация молекул газов в исследуемом объеме атмосферы. Для света с длиной волны λ сечение релеевского рассеяния в атмосфере на высотах до 100 км дается выражением

σR = 4.55(λ(мкм)/0.55)-4 10-27см2 (12)

Коэффициент поглощения для газов αg,a очень сильно зависит от длины волны, становясь доминирующим компонентом коэффициента ослабления α в окрестностях линий и полос поглощения различных атмосферных газов. Наиболее часто, эти черты сильного поглощения проявляются в ультрафиолетовой (λ < 300 нм) и инфракрасной (λ > 900 нм) областях спектра, где они могут жестко ограничить эффективную дальность дистанционных лазерных измерений. С другой стороны, эти спектральные особенности могут быть использованы в методах дифференциального поглощения для осуществления дистанционных измерений отдельных газовых составляющих.

Рассеяние и ослабление назад на частицах

Типичные концентрации взвешенных в воздухе частиц на высотах до нескольких километров приводят к таким значениям коэффициента рассеяния назад для частиц βp, которые часто превышают величину для газового компонента βp. Линейные размеры атмосферных частиц колеблются в пределах от 0,001 мм и до 10 мм и более. Свойства рассеяния света на крупных частицах трудно, если вообще возможно, описать точно из-за сильной естественной изменчивости формы частиц, их химического состава и распределения по размерам.

Для частиц произвольных размера и формы, а также неоднородного химического состава не существует аналитического решения задачи рассеяния электромагнитных волн. Тем не менее, многие атмосферные частицы (например, капли тумана и облаков) являются практически однородными сферами. Кроме того, полезная информация о рассеивающих свойствах других частиц может быть получена, если при рассмотрении их заменить эквивалентными однородными сферами.

Объемный коэффициент рассеяния назад взвеси, состоящей из однородных сфер различного размера, при освещении светом с длиной волны λ дается выражением

βp(λ) = ∫σB(a,λ,m)N’p(a)da (13)

где σB(a,λ,m) — сечение рассеяния назад частицы радиусом а и комплексным коэффициентом преломления m
N’p(a) — число частиц радиусом между a и a+da в единице объема.

Распределение частиц по размерам N’p(a)da связано с полным числом частиц Np выражением

Np = ∫N’p(a)da (14)

Зависимость σB от a,λ,m была найдена в 1908 году ученым Ми

σB(a,λ,m) = πa2QB(x,m) (15)

где QB(x,m) — фактор эффективности рассеяния в направлении назад, или отношение сечения рассеяния назад к геометрическому сечению частицы πa2.

Зависимость фактора эффективности рассеяния назад от радиуса частицы a и длины волны λ выражается только через их отношение или, более общепринято, через «параметр размера» х, определяемый как

x =2πa/λ (16)

Отношения рассеяния назад и ослабления для теории Ми, для типичных распределений аэрозоля, лежат в пределах

0.01 ср-1 ≤ βpp ≤ 0.10 ср-1 (17)

Влияние формы частиц на величину объемного коэффициента ослабления αp не так велико, как в случае коэффициента рассеяния назад βР. Следовательно, по своим свойствам ослаблять излучение, атмосферные частицы очень часто и с хорошей надежностью могут быть описаны как эквивалентные сферы. В такой формулировке объемный коэффициент ослабления для света с длиной волны λ запишется как

αp(λ) = ∫σE(a,λ,m)N’p(a)da (18)

где σE(a,λ,m) — сечение ослабления для частицы с радиусом а и коэффициентом преломления m
N’p(a)da — число частиц радиусом между a и a+da в единице объема.

Метод многоволнового зондирования

Зондирование на одной длине волны, предоставляет информацию о прозрачности атмосферы. Для получения большей информации об объекте, необходимо использовать многоволновое или поляризационное зондирование.
На рисунке 5 показаны экспериментальная зависимость коэффициента ослабления водяных облаков и туманов от длины волны в области 0,5 -25 мкм. Из графика видно, что характер зависимости меняется при изменении размера частиц, поэтому, произведя измерение на нескольких длинах волн, можно получить информацию о распределении частиц по размерам внутри аэрозольного образования.

Поведение коэффициента ослабления водяных облаков и туманов в области 0,5 – 25 мкм при наиболее вероятном размере частиц
Рис. 5. Поведение коэффициента ослабления водяных облаков и туманов в области 0,5 – 25 мкм при наиболее вероятном размере частиц a1 = 2, a2 = 4, a3 = 6, a4 = 10 мкм

Принцип данного метода заключается в следующем:
• На исследуемый объем атмосферы посылается излучение на нескольких длинах волн одновременно и регистрируется рассеянный назад сигнал.
• С помощью методов логарифмической производной или же методов интегрального накопления определяется коэффициент ослабления для каждой длины волны. При этом можно получить значения коэффициентов ослабления вдоль всей трассы зондирования.
• Используя полученные значения коэффициентов ослабления на разных длинах волн, по уже известным экспериментальным зависимостям α(λ) для разных радиусов частиц, идентифицируют тип аэрозольного загрязнения. Точность данного метода будет возрастать при увеличении числа длин волн зондирования.

Метод поляризационных измерений состава аэрозоля

Основные понятия

Частично-поляризованный свет, содержащий как поляризованные, так и неполяризованные компоненты, можно описать четырехмерным столбцом Стокса.

S = (S1, S2, S3, S4) (19)

• S1 – полная интенсивность светового пучка;
• S2 – разность интенсивностей компонент светового пучка с линейной поляризацией в некоторой плоскости (плоскости референции) и перпендикулярной к ней плоскости;
• S3 – разность интенсивностей компонент светового пучка с линейной поляризацией в плоскостях, повернутых относительно плоскости референции на 45° и 135°;
• S4 – разность компонент светового пучка с правой и левой круговыми поляризациями.

Параметры Стокса удовлетворяют условию:

S12 ≥ S22 + S32 + S42 (20)

в котором знак равенства имеет место для полностью линейно поляризованного света.

Для неполяризованного (естественного) света имеет место соотношение:

Sн2 = Sн3 = Sн4 = 0 (21)

Степень поляризации света:

P = (S22 + S32 + S42)0.5/S1 (22)

В лидарных измерениях зондирующий пучок полностью поляризован. Состояние поляризации обратных сигналов, возникающих в результате рассеяния зондирующего пучка в атмосфере, в том числе на атмосферном аэрозоле различной природы, характеризуется в общем случае степенью деполяризации принимаемого излучения:

D = 1-P / 1+P = Imin/Imax (23)

Диагностика облаков на содержание в них жидкокапельных и кристаллических аэрозолей основана на измерении степени деполяризации D=Imin/Imax лидарного сигнала. Компоненту Imax называют также параллельной и обозначают I||, а компоненту Imin – кроссполяризованной (перпендикулярной) компонентой.

При однократном рассеянии на облачных каплях типичное значение степени деполяризации составляет D=0–0,002. Однократное рассеяние на кристаллах льда размером 20–100мкм дает значение деполяризации D=0,38±0,03. Однако, присутствие жидкокапельной фазы в смеси с кристаллической может снизить значение D до 0,1 и ниже.

Методика поляризационных лидарных измерений

Для измерения параметров стокса лидарного сигнала, необходимо выполнить шесть измерений интенсивностей рассеянного излучения при различных положениях анализатора состояния поляризации. Однако, так как эти измерения должны проводиться единовременно, придется использовать 6 принимающих устройств излучения. Поэтому на практике, в большинстве случаев, измеряют только два параметра лидарного сигнала: на первом приемнике устанавливается поляризатор, так чтобы его прозрачная ось совпадала с плоскостью поляризации зондирующего луча, а на втором приемнике поляризатор перпендикулярный плоскости поляризации зондирующего луча – соответсвенно, мы сможем получить значения Imax на первом и Imin на втором приемнике.

Эта методика используется для определения фазового состояния аэрозоля и соотношения концентраций его твердых и жидких частиц. Определяется профиль коэффициента деполяризации D(R) по трассе излучения

D(R) = Imin(R)k/Imax(R) (24)

где Imin® и Imax® – минимальная и максимальная интенсивности света, соответствующие двум взаимно перпендикулярным составляющим электрического вектора, k – коэффициент анизотропии оптико-электронных каналов приемного блока.

Фазовое состояние аэрозольных образований определяется по коэффициенту деполяризации D®, его градиенту

grad D(R) = dD(R)/dR (25)

Для капельных оптически однородных аэрозольных образований D < 0,3, grad D = 4,4±1,3 км-1, grad α = const. Для капельных неоднородных аэрозольных образований значение D – то же, а grad D и grad α изменяются вдоль трассы зондирования.

Для кристаллических однородных аэрозольных образований D>0,4, grad D = 7,7±1,6 км-1, grad α =const. Для кристаллических неоднородных образований значение D – то же, а grad D и grad α изменяются вдоль трассы зондирования.

Для смешанной оптически однородной фазы 0,3-1, grad α=const. Для смешанной неоднородной фазы значение D – то же, а gradD и grad α изменяются вдоль трассы зондирования.

Выводы
Подводя итоги, следует отметить ее основные моменты. Принцип работы аэрозольного лидара заключается в приеме и оценке рассеянного излучения на интересующем объекте, в частности аэрозольных частицах. При одноволновом зондировании, можно оценить только прозрачность атмосферы. Для более информативного результата, необходимо использовать зондирование на нескольких длинах волн и поляризационное зондирование. В первом случае, можно оценить размеры рассеивающих частиц, во втором — их форму. Комплексное использование данных методов позволяет идентифицировать тип аэрозольного загрязнения


Оставить комментарий





Статистика

Рейтинг@Mail.ru