Рис. 1.4.3. Типичный лидарный сигнал на длине волны 355 нм. Измерения проводились под углом 30 град. к горизонту.

Рис. 1.4.4. Вариации коэффициента обратного рассеяния  на длине волны 1064 нм. Измерения проводились в окрестности Стамбула с 21:00 по 6:00.

 

     Лидар дифференциального поглощения на основе эксимерных лазеров является одним из наиболее перспективных инструментов для изучения процессов генерации и переноса озона в тропосфере и стратосфере. Примером подобного лидара является озонный лидар дифференциального поглощения OLS-100 [11], внешний вид которого показан на рис. 1.4.5.

 

Рис. 1.4.5. озонный лидар дифференциального  поглощения OLS-100.

 

     Принцип работы лидара дифференциального поглощения состоит в измерении лидарного сигнала на двух длинах волн, одна из которых поглощается в исследуемом газе (λ_on), а вторая является опорной (λ_off). Спектральная зависимость сечения поглощения озона, приведена на рис. 1.4.6. Наиболее эффективным зондирование озона оказывается в УФ спектральной области.

 

Рис. 1.4.6. Спектр поглощения озона

 

      Погрешность измерений тем меньше, чем выше дифференциальное сечение поглощения озона, однако при большом сечении поглощения уменьшается дальность зондирования. Вследствие этого, для различных высот зондирования необходимо выбирать различные длины волн. Наиболее распространенные источники излучения на сегодняшний день это эксимерные XeCl и KrF с ВКР преобразователями на основе водорода и дейтерия. Длины волн различных стоксовых компонент приведены в табл. 1.4.1 и табл. 1.4.2.

 

Таблица 1.4.1.

Длины волн трех первых стоксовых компонент H₂ и D₂, при использовании в качестве накачки излучения эксимерных лазеров.

 
 

Таблица 1.4.2.

Оптимальные пары длин волн для зондирования

 

     Конфигурация  лидара OLS-100 может варьироваться  в зависимости от поставленной задачи. Лидар включает:

• источник излучения на основе эксимерного XeCL лазера;
• приемный телескоп;
• фотоприемный модуль;
• электронный модуль.

      Основные  технические характеристики лазера лидара OLS-100 представлены в табл. 1.4.3.

 

Таблица 1.4.3.

Основные  технические характеристики лазера лидара OLS-100

 

      На  рис. 1.4.7 представлен вид типичных лидарных сигналов.

 

Рис. 1.4.7. Типичные лидарные сигналы. Время накопления 20 минут.

 

      На  рис. 1.4.8 показан измеренный лидаром OLS-100 профиль концентрации озона.

Рис. 1.4.8. Измеренный профиль концентрации озона, Москва, январь 2007.

 

      Лидар OLS-100 может работать в двух режимах. В первом режиме производиться измерения тропосферного озона, Во втором режиме – измерение стратосферного озона. Характеристики лидара в обоих режимах похожи, типичные лидарные сигналы в обоих режимах качественно совпадают с сигналами, показанными на рис. 1.4.7.

     Выводы  по обзору литературных источников

 

      Проведенный обзор литературных источников и  сети Интернет позволяет сделать следующие выводы:

1. Мониторинг атмосферы на предмет наличия и измерения концентрации вредных примесей (газов, аэрозолей, механических частиц, тяжелых металлов и т.п.) является актуальной задачей, получивший в настоящее время широкое развитие.
2. Использование для целей мониторинга атмосферы лидарных систем существенно упрощает проведение такого анализа с технической точки зрения.
3. Современные лидарные системы представляют собой сложные программно – аппаратные комплексы, разрабатываемые, как правило, под конкретный заказ той или иной лаборатории. Высокая цена таких комплексов вызывается, в том числе, множеством выполняемых подобным комплексом функций.
4. При разработке лидара не следует стремиться реализовать универсальность его применения, лидар должен работать в одном режиме и выполнять только требуемые функции, такой подход позволит уменьшить цену комплекса и позволит упростить его состав.

 

2. Теоретические основы метода  дистанционного лазерного зондирования  атмосферы

     2.1. Математический аппарат, методика и алгоритм определения числовой и массовой концентрации аэрозоля

 

     Лидарные  исследования многоволнового и Рамановского рассеяния аэрозоля в настоящее время широко используются в изучении турбулентной диффузии. Исследование вертикального распределения концентрации и микрофизических параметров аэрозоля имеет важное значение для решения проблем радиационного баланса атмосферы, физики и химии аэрозоля, а также процессов переноса загрязняющих веществ в атмосфере. Лидарное зондирование может дать ценную информацию в дополнении к контактным измерениям, так как позволяет проводить длительные непрерывные измерения с хорошим пространственным и временным разрешением. Данные многоволновых лидарных измерений содержат информацию не только о пространственном распределении аэрозоля, но также и о его микрофизических параметрах, таких как функция распределения аэрозольных частиц по размерам и показатель преломления вещества аэрозоля.

     Известно, что включение в набор исходных данных вместе с коэффициентами обратного рассеяния еще и коэффициентов ослабления в существенной степени стабилизирует получаемые решения². Коэффициенты ослабления могут быть получены в самих же лидарных измерениях при приеме сигналов комбинационного рассеяния (КР) на одном из основных атмосферных газов, например, на атмосферном азоте. В последнее время развитие техники лидарного зондирования привело к появлению комбинированных лидаров, сочетающих прием сигналов КР с многоволновым зондированием. Среди них наибольший интерес представляют сравнительно простые системы, построенные на основе Nd: YAG лазеров c преобразованием частоты во вторую и третью гармоники (длины волн 1064, 532 и 355 нм). Здесь возможны 5-ти волновые измерения с использованием двух сигналов КР на атмосферном азоте (387 и 607 нм), либо 4-х волновые измерения с использованием только одного канала КР, например, на 387 нм.

     Для получения решений, отвечающих реально наблюдаемым распределениям, предлагается в явном виде учитывать априорную информацию о функции распределения атмосферного аэрозоля. Априорная функция распределения выбирается в виде гистограммы, задаваемой в параметрическом виде. Ряд параметров находится на основе статистического анализа некоторого представительного набора экспериментальных функций распределения, полученных путем контактных измерений, остальные параметры являются свободными. Используется двухступенчатая схема восстановления функции распределения³: на первом этапе подбираются свободные параметры заданной априорной функции распределения, а на втором – находятся поправки к ней с применением регуляризации решения по Тихонову. Для исследования возможностей рассматриваемой схемы обращения проведен обширный цикл численного моделирования. При этом в численных экспериментах в качестве исходных данных берутся не коэффициенты ослабления и обратного рассеяния, а лидарные сигналы, после чего проводится совместное решение системы лидарных уравнений и задачи обращения оптических данных зондирования итерационным методом.

     Распространяясь по атмосферной трассе зондирования, лазерный импульс испытывает поглощение и рассеивание на молекулах и аэрозолях атмосферы. Часть излучения, рассеянная атмосферой назад в направлении лидарной системы, может быть собрана и сфокусирована с помощью приемной аппаратуры на фотодетектор, который преобразует ее в электрический сигнал, пропорциональный падающему световому потоку. При этом расстояние до любого рассеивающего объема на трассе зондирования однозначно определяется по значению временного интервала с момента посылки лазерного импульса, поскольку свет распространяется с известной скоростью. А интенсивность принятого сигнала в каждый конкретный момент времени зависит как от свойств конкретного рассеивающего объема атмосферы, так и от характеристик всей атмосферной трассы зондирования на двойном пути от лидара до рассеивающего объема и обратно.

     Лидарное  уравнение, связывающее измеряемые сигналы на длине волны λ_k (k=1,…,N_λ) с оптическими параметрами атмосферы имеет следующий вид:

 

     Где:

     F(λ_k, z)=A(λ_k)×P(λ_k, z)×z²;

     A(λ_k) – аппаратная константа;

     z – расстояние вдоль трассы лидара;

     P(λ, z) – мощность сигнала лидара;

     β _a (λ, z) и β _m (λ, z) - коэффициенты аэрозольного и молекулярного обратного рассеяния;

     σ _a (λ, z) и σ _m (λ, z) – коэффициенты ослабления для аэрозольного и молекулярного рассеяния.

 

     Оптические  коэффициенты обратного рассеяния  и ослабления связаны так называемым лидарным отношением:

 

     β _a (λ, z) = θ _a (λ, z)σ _a(λ, z),

     β _m (λ, z) = θ _mσ _m (λ, z),       (2.1.2.)

     где:

     θ _a (λ, z) и θ _m – лидарные отношения для аэрозольного и молекулярного типов рассеяния.

 

     Удобнее представить лидарное уравнение в следующем виде:

 

      (2.1.3.)

     где:

     σ _a (λ₁, z)  и σ _m (λ₁, z) – аэрозольный и Релеевский коэффициенты ослабления на лазерной длине волны λ₁, что согласуется с уходом длины волны при Рамановском рассеянии;

     σ _a(λ_R, z) и σ _m (λ_R, z) – то же для перемещенной Рамановской длины волны λ_R .

 

     Рассеяние оптических волн в атмосфере существенно  зависит от пространственных и временных вариаций макроскопических частиц вещества, взвешенных в воздухе.

     Теория  рассеяния электромагнитных волн аэрозольными частицами в приближении диэлектрических  сфер (теория Ми) подробно изложена в  монографиях⁴. На ее основе можно получить выражения величин β _a и σ _a для аэрозольных коэффициентов обратного рассеяния и ослабления, интегрально связанных с функцией рассеяния аэрозоля f (r):