автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Дистанционное лазерное определение параметров атмосферного аэрозоля и облаков с использованием методов многоволнового зондирования и явлений многократного рассеяния излучения

На правах рукописи

КОРЕЙСКИЙ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

УДК 681 723 26

ДИСТАНЦИОННОЕ ЛАЗЕРНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ И ОБЛАКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ МНОГОВОЛНОВОГО ЗОНДИРОВАНИЯ И ЯВЛЕНИЙ МНОГОКРАТНОГО РАССЕЯНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05 11 07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003065866

Работа выполнена на кафедре «Лазерные и оптико-электронные системы» Московского государственного технического университета имени Н Э Баумана

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Пахомов Иван Иванович

Официальные оппоненты. доктор технических наук

Носов Виктор Николаевнч

кандидат физико-математических наук Бухарин Алексей Владимирович

Ведущая организация

Институт физики атмосферы им А М Обухова РАН, г Москва

Защита диссертации состоится «10» октября 2007 г в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212141 19 при Московском государственном техническом университете им Н Э Баумана по адресу 105005, Москва, 2-я Бауманская ул , д 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им Н Э Баумана

Автореферат разослан сентября 2007 г

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направить по адресу 105005, Москва, 2-я Бауманская ул,д 5, МГТУ им НЭ Баумана, диссертационный совет Д 212 141 19

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

Бурый Е В

Общая характеристика работы Актуальность проблемы

Проблемы, связанные с воздействием антропогенных выбросов на окружающую среду в настоящее время находятся в центре внимания многочисленных исследовательских групп Увеличение концентрации атмосферного аэрозоля, обусловленное индустриальной деятельностью человека, оказывает воздействие на радиационный баланс планеты и, как следствие, на климат Для определения соответствующего количественного вклада в вариации радиационного баланса должны быть разработаны методики, обеспечивающие возможность долговременного дистанционного мониторинга аэрозольных составляющих атмосферы

Наиболее перспективными инструментами для дистанционного определения параметров частиц являются лидары Взаимодействие лазерного излучения с атмосферой сопровождается многочисленными физическими процессами, такими как упругое рассеяние излучения на аэрозоле и молекулах, колебательное и вращательное комбинационное (рамановское) рассеяние, деполяризация излучения и лазерно-индуцированная флуоресценция Использование этих явлений позволяет получать информацию о параметрах частиц

Размеры атмосферных частиц варьируются в широком диапазоне - от сотых долей до десятков микрометров Для измерения размеров частиц в столь большом диапазоне необходимо использовать методы, основанные на различных физических принципах

Параметры относительно мелкого аэрозоля (от 0,05 до 2 мкм) могут быть определены с использованием многоволнового зондирования Этот метод получил широкое распространение в последнее десятилетие Однако при использовании этого метода для регулярных измерений, алгоритм обработки данных и решения обратной задачи должен быть существенно модифицирован

Размеры более крупных частиц^ (свыше 2 мкм) могут быть вычислены из данных лидара с переменным полем зрения, использующего эффекты многократного рассеяния излучения Возможность определения параметров частиц данным методом была продемонстрирована ранее, однако, ряд принципиальных вопросов, связанных с конструкцией лидара и алгоритмом обработки данных к моменту проведения данных исследований оставались невыясненными.

Информация о составе частиц может быть получена с использованием методов лазерно-индуцированной флуоресценции Флуоресцентная методика используется в многочисленных приложениях, таких как контроль нефтяных пленок на поверхности океана, обнаружение загрязняющих веществ на различных подстилающих поверхностях и контроль состояния растительного покрова Таким образом, проведение

флуоресцентных измерений значительно расширяет потенциал лидарной системы

Исследования в перечисленных выше областях ведутся в ряде научно-исследовательских институтов, в частности, в Институте оптики атмосферы им В Е Зуева СО РАН, в Институте физики атмосферы им АМ Обухова РАН, в Институте океанологии им ПП Ширшова Результаты исследований отражены в публикациях В Е Зуева, И Э Нааца, И В Самохвалова, Б В Кауля, С В Самойловой, Э П Зеге и других российских и зарубежных ученых

Из вышесказанного можно заключить, что разработка методов и аппаратуры для дистанционного определения параметров частиц в широком диапазоне размеров является актуальной задачей

Результаты, представленные в работе, были получены в МГТУ им НЭ Баумана при тесном сотрудничестве с Центром физического приборостроения ИОФ им А М Прохорова РАН и Годцаровским центром космических полетов HACA

Цель диссертационной работы - разработка методов и аппаратуры для получения информации о параметрах атмосферных частиц на основе использования явлений мультиспектрального, многократного и рамановского рассеяния лазерного излучения в атмосфере, а также идентификация загрязнителей на подстилающих поверхностях методом дистанционного флуоресцентного анализа

Данная цель включает следующие задачи исследования

1 Оптимизация существующих и разработка новых алгоритмов определения коэффициентов обратного рассеяния и общего ослабления аэрозоля по данным многоволнового рамановского зондирования

2 Теоретическое исследование информации, содержащейся в угловых спектрах мощности рассеянного излучения в приближении двукратного рассеяния Определение диапазона размеров частиц, в котором данный метод будет работать устойчиво, а также определение погрешностей данного метода

3 Разработка модели и проведение расчетов азимутальной зависимости мощности рассеянного излучения в фокальной плоскости приемного устройства в приближении двукратно рассеяния поляризованного излучения

4 Экспериментальное исследование возможности определения параметров частиц с использованием методов мультиспектрального и многократного рассеяния излучения

5 Создание базы данных спектров лазерно-индуцированной флуоресценции нефтепродуктов и веществ, запрещенных к распространению Определение возможности распознавания их на различных подстилающих поверхностях

Используемые методы Определение перечисленных параметров частиц должно проводиться за счет использования методов многоволнового зондирования, процессов многократного рассеяния лазерного излучения, а также за счет привлечения методов рамановской спектроскопии и флуоресцентного анализа При анализе полученных результатов используются методы математического моделирования и факторного анализа данных

Научная новизна работы

- Разработан алгоритм определения коэффициентов обратного рассеяния и общего ослабления аэрозоля по данным многочастотного лидарного зондирования с погрешностью менее 10%

- Создана лидарная система, позволяющая проводить регулярные многочастотные измерения, что дало возможность набрать статистику измерений и сопоставить их с результатами измерений автоматического солнечного радиометра

- Предложен подход, определения информационного содержания данных лидара с переменным полем зрения, на основе рассмотрения линейной независимости угловых распределений мощности двукратно рассеянного излучения Разработан и реализован в виде программы алгоритм решения обратной задачи на основе метода регуляризации Тихонова

- Предложена модель и реализована программа расчета азимутальной зависимости интенсивности рассеянного излучения в фокальной плоскости телескопа в приближении двукратного рассеяния для поляризованного лазерного источника

- Проведены экспериментальные измерения, подтверждающие основные результаты теоретического анализа

- Создан банк данных спектров лазерно-индуцированной флуоресценции широкого класса веществ, включающего в себя нефтепродукты, взрывчатые и наркотические вещества

Основные положения, выносимые на защиту;

1 Рамановский лидар на основе N<1УАО лазера с генератором третьей гармоники, измеряющий три коэффициента обратного рассеяния и два общего ослабления, позволяет регистрировать увеличение размера частиц в пограничном слое атмосферы, обусловленное их гигроскопическим ростом

2 Радиальное распределение мощности двукратно рассеянного излучения в фокальной плоскости приемника для любого азимутального угла определяется отношением глубины зондирования к высоте основания

облака Т] = —, при этом азимутальное распределение от г) не зависит

3 Лидар с шестью полями зрения в диапазоне [0 25-5 мрад] при длине волны зондирования 1064 нм позволяет определять размеры частиц в интервале 1 5-25 мкм с погрешностью -30%, при условии, что ц > 0 02

4 Вариации углового распределения мощности двукратного рассеяния излучения для типичных параметров атмосферных частиц и 10%-ой погрешности измерения содержат не более 4-х независимых компонент для поляризованной составляющей и не более 6 для деполяризованной

5 Азимутальная зависимость коэффициента деполяризации двукратно рассеянного излучения в фокальной плоскости приемника позволяет проводить дискриминацию сферических частиц и частиц нерегулярной формы в области рассеяния

Практическая ценность заключается в возможности использования полученных результатов

- в фундаментальных исследованиях физики атмосферы, связанных с изучением вертикального распределения параметров частиц в пограничном слое и в облаках,

- при моделировании изменений радиационного баланса планеты, обусловленных вариациями содержания аэрозоля естественного и антропогенного происхождения,

- при мониторинге загрязняющих веществ на различных подстилающих поверхностях естественного и искусственного происхождения

Апробация результатов. Выносимые на защиту результаты представлены на конференциях «23st International Laser Radar Conference» (Япония, Hapa 2006 г ) и «Необратимые процессы в природе и технике» в МГТУ им Н Э Баумана (Россия, Москва 2007 г) Проведены приемосдаточные испытания лидара под контролем представителей Государственной технической комиссии при Президенте России

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ некоторые из которых опубликованы в ведущих международных научных журналах

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка из 92 наименований Общий объем работы -164 страницы, включая 5 таблиц и 95 рисунков

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи работы, проведен обзор литературы и анализ результатов исследований по направлению работы, изложены методы исследования, описаны структура и содержание диссертации

В первой главе диссертации рассматривается методология расчета параметров частиц облаков по результатам измерений лидара с переменным полем зрения

Облако

В разделе 1.1 приведен анализ информации, содержащейся в данных лидара с переменным полем зрения, выяснены основные характеристики лидара и его возможности определения параметров частиц

При проведении исследования предполагалось, что частицы имеют сферическую форму, коэффициент общего ослабления в облаке постоянен и геометрия рассеяния соответствует приведенной на рис 1 Лазерное излучение рассеивается вперед на высоте г, расположенной между

основанием облака га и высотой гс, где излучение рассеивается назад,

Д2 = 2с-2а это глубина зондирования Также предполагалось, что расходимость лазерного излучения мала и Рис 1 Геометрия двукратного рассеяния, однократно рассеянное

используемая в лидарах с переменным полем зрения излучение содержится внутри минимального поля зрения 0тш

Лидар с переменным полем зрения измеряет мощность рассеянного излучения в зависимости от поля зрения системы 8(0) (угол 0 соответствует половине угла поля зрения системы) Изменение параметров частиц приводит к вариациям углового распределения мощности Если распределения (в) , соответствующие различным параметрам частиц линейно независимы, то определение этих параметров становится возможным Рассеянная мощность в интервале Д в = в1+х-в1 может быть вычислена как

= Б -Г-X

Приемный телескоп _______

■ 7* 1 ч ___,

7

. 7-'

. гс й+1

(1)

X | /(г>2 | ] Р(г,р)[а(2)Р(г,рЬдск)}5т{р)с1рё2с1г ГШ1П Р,

где 8 - константа, включающая в себя все фиксированные параметры, независящие от высоты, - коэффициент экстинкции,

Р(г,Р) и Р(г,/3Ьаск) - значения фазовых функций для углов рассеяния

вперед Д назад Рьаск, и радиусов частиц г, га - высота нижней границы облака, гс - высота, на которой происходит рассеяние назад Углы

рассеяния /Зав связаны между собой соотношением =

В качестве числового критерия линейной независимости угловых распределений мощности использовалось минимальное собственное число

матрицы ковариации С, элементы которой есть с1] = | 5((0)5у(0)й?0, где

7Л/д\ ®тах

$(в) = —— При этом с1} нормированы так, что = 1 Функции

5,(0) будут различимы, если минимальное собственное число больше квадрата ошибки измерения, то есть /тш > 52 Исследование на линейную независимость было проведено с использованием набора данных 5, (0), полученных для логнормальных распределений с модальными радиусами г о, и дисперсией 1псг=0 35

т. =2000 м

^ !\Г ~.»1 [VI »у

✓ га=500 м веО25-5мрад*

0 25 - 5 мрад

Го (мкм)

Рис 2 Зависимость минимального собственного числа от размера частиц Использовалось гауссово приближение фазовой функции рассеяния вперед Шаг изменения радиуса г0, = 1 5г0,ч

Проведенный анализ показал,

Рис 3 Информационное содержание данных лидара с переменным полем зрения для различных интервалов углов в 0 25-5

мрад, 0 25-10 мрад, 0 1-10 мрад Штрихпунктирной линией обозначены результаты для фиксированного Дг что уменьшение отношения г]=Ыгл (рис 2) приводит к смещению диапазона стабильного решения обратной задачи в область малых размеров Увеличение диапазона углов полей зрения приводит к стабилизации решения в широком интервале размеров С практической точки зрения интервал 0,25—5 мрад является оптимальным и моделирование проводилось, главным образом, для данного интервала Проведенный анализ также показал, что вариации угловых распределений двукратно рассеянного излучения, соответствующие типичным параметрам атмосферы, содержат не более 4-х независимых компонент для полного сигнала (рис 3) и не более 6 для деполяризованной компоненты Это означает, что лидар с 6-ю полями зрения позволяет извлечь основную часть информации, содержащуюся в угловых распределениях мощности двукратно рассеянного излучения и дальнейшее увеличение количества полей зрения не приводит к существенному увеличению точности решения обратной задачи При этом использование деполяризованной компоненты рассеянного излучения оказывается предпочтительным

Раздел 1.2 посвящен решению соответствующей обратной задачи на основе метода регуляризации Тихонова

Уравнение лидарного зондирования (1) может быть записано в виде

S(zc,Д6>) = J f(r)K(finz,r)dr

(2)

где K(j3nz,r) - ядро интегрального уравнения, /(г) - искомое распределение частиц по размерам Распределение можно представить в виде суперпозиции базовых функций

m^CjB^dr, (3)

где Вj (г) — базовые функции, С} - весовые коэффициенты, которые определяются из выражения

С= ATA + yU "VS, (4)

S - вектор входных данных, матрица А состоит из элементов

'max

At]- , Н - сглаживающая матрица, у - параметр

'mm

регуляризации (множитель Лагранжа)

В диссертации использовалась модификация критерия минимума невязки, позволяющая автоматически определять у из результатов измерений Модифицированная невязка записывается в виде

р = ||a +1/| - s||, где операция А|/| соответствует вычислению оптических

данных из модуля приближенного решения / Невязка характеризует соответствие найденного решения исходным оптическим данным В диссертации показано, что зависимость р(у) имеет четко выраженный минимум, который и позволяет автоматически определять у

В процессе моделирования рассматривались логнормальные распределения частиц по размерам для различных значений среднего радиуса с 1по=0 35 В исходные данные вводилась случайная ошибка ё В

результате моделирования

показано, что при 8=10% данный алгоритм обеспечивает

определение среднего размера частиц в диапазоне от 1 5 до 25 мкм с погрешностью менее 30% На рис 4 приведено

восстановление модельного

распределения частиц по размерам « 2» ¿Б для 6, 8 и 10 полей зрения лидара

г'мкм Данный пример иллюстрирует

Рис 4 Восстановление исходного работоспособность алгоритма

распределения размеров Ошибка входных

данных 8=10% 7

014 012 f 010 О 0S

^оое

% 004 0 02 000-

-Исходное

- -а- 6 полей зр

- -о- - 8 полей зр --&- 10 полей зр

В разделе 1.3 предложена модель и получены формулы для расчета азимутальных зависимостей мощности поляризованной Е^{9,<р,г) и

деполяризованной Е±(ß,g>,r) компоненты рассеянного излучения в фокальной плоскости приемной системы Геометрия рассеяния излучения

Нерасходящийся лазерный пучок распространяется вдоль оси OZ Первое рассеяние происходит в точке А внутри облака, основание которого расположено на высоте za После второго рассеяния в точке В излучение возвращается в приемную оптическую систему под углом в Полный путь, который прошло излучение, вычисляется как 2R = z + v + w Облако предполагается

однородным, угол поля зрения приемной системы в мал

Элементы вектора Стокса для освещенности в фокальной плоскости приемника вычисляются как

EJI=CTJIMeff(9,<p,R)E0,

EL = CT±Meff(9,<p,R)E0, (5)

где С - аппаратная константа, и Tj_ - матрицы Мюллера, описывающие поляризатор, Ме# - эффективная матрица рассеяния и Е0 - исходная

освещенность Элементы эффективной матрицы рассеяния представлены в виде

ti Ii ext) —2т ^тах

= = - I F(<p,ß,9)dß, (6)

^ 8

А'тт

где ¥{ср, ß, в) = R(»m(А в)Щ(р), m{ßß)= М(ж - ß) + 9Ш'{п - ß) M{ß), где R - матрица поворота, М - матрица рассеяния, элементы которой вычисляются на основе теории Ми

В диссертации приведен расчет азимутальных структур Ец(#,^)и

Еу{9,(р) для различных параметров частиц и геометрии рассеяния Показано, что азимутальное распределение мощности поляризованной компоненты рассеянного излучения зависит от размера частиц и показателя преломления Соответствующие распределения приведены на рис 6 При малом го распределения имеют гантелеобразную форму, тогда как для больших частиц распределения становятся симметричными относительно 0Х и 9У

представлена на рис 5

Рис 5 Геометрия двукратного рассеяния, используемая дм расчета азимутальных распределений

L . t___ 'n - - — I

•015 -010 -OOS ООО 005 010 015

0 (рад)

Л 04 -0 02 0 00 0 02 О 04

е Град)

-0 0030 -0 0015 00000 00015 0 0030

ех (рад)

0 00050 0 00025 0 00000 0 00025 0 00050

,(рад)

0 002 3 "О"0

О.

в,"- -0 002

-0 004

0 004 -0 002 0 000 0 002

е, (рад)

Рис 6 Азимутальные структуры Ец(в, (р), полученные для логнормального распределения частиц по размерам с модальными радиусами (а) г0=0 2 мкм, (б) го=1 мкм, (в) го=10 мкм, (г)го=50мкм Вычисления проводились для za=500 м, Az=50 м и т=1 33+1 0 Поляризация лазерного излучения ориентирована вдоль оси ОХ При этом

вх =0cosq> и ву =6svü<p

Для перпендикулярно поляризованной компоненты азимутальное распределение имеет характерную крестообразную форму, повернутую на угол 45° относительно исходной поляризации лазера, как это показано на рис 7 Как следствие максимумы коэффициента деполяризации располагаются также под углом 45° Для частиц нерегулярной формы подобная зависимость отсутствует Таким образом, азимутальное распределение деполяризованной компоненты ,

позволяет проводить дискриминацию частиц сферической и нерегулярной формы в присутствии многократного рассеяния излучения

Во второй главе приведены основные характеристики лидарной системы, разработанной для проведения исследований

В разделе 2.1 описаны параметры системы излучения и приемной системы

Система излучения состоит цз YAG Nd3+ лазера с генератором третьей гармоники, который имеет три длины волны излучения 1064, 532 и 355 нм, при этом энергия в импульсе составляет 700, 200 и 70 мДж соответственно Частота повторения импульсов 25 Гц при длительности импульса 10 не, диаметр пучка на выходе лазера составляет 8 мм, расходимость излучения не превосходит 1 мрад для \=ЪЪ5 нм

9

Рис 7 Азимутальная структура для £j_ 9,<р

Непосредственно за выходным окном лазера расположен зеркальный коллиматор, состоящий из двух внеосевых парабол, длина которого 300 мм и коэффициент увеличения равен 5

Излучение направляется вдоль оптической оси приемной системы посредством двух поворотных зеркал Диэлектрическое покрытие поворотных зеркал и зеркал коллиматора обеспечивает коэффициент отражения не менее 98% для трех длин волн излучения лазера

Приемная система состоит из зеркального объектива, выполненного по схеме Ньютона с апертурой 300 мм и относительным отверстием 1/3 В нем предусмотрена возможность быстрой смены полевой диафрагмы для проведения измерений с различными полями зрения В зависимости от задачи оптический сигнал поступает либо в многоканальный анализатор спектра, либо в спектрограф с CCD камерой и стробируемым усилителем яркости

В разделе 2.2 представлены алгоритмы вычисления коэффициентов обратного рассеяния и общего ослабления аэрозоля на различных длинах волн

При проведении многоволнового зондирования использовались пять приемных каналов три канала упругого рассеяния и два комбинационного рассеяния на молекулах азота Типичные лидарные сигналы показаны на рис 8

_ 0 „ . Рис 9 Выбор точки привязки для длины

Рис 8 Лидарные сигналы ,ЛГ,

волны 10о4 нм

Лидарное уравнение для сигнала упругого рассеяния может быть записано в виде

К <Х> + 01О) I гч \ \

^ (г) = ХАК1 ^ ' ехр(-2|о («£(*•) + (*-))<&'], (7)

где (г)- принимаемый сигнал с дистанции г на длине волны лазерного излучения Я1, ^^ - начальная мощность излучения, - аппаратная константа, которая включает в себя все независящие от высоты параметры приемной оптической системы Символами Д"' (г), (г) и а^гХа^г)

обозначаются молекулярные и аэрозольные коэффициенты обратного рассеяния и общего ослабления

Данное уравнение содержит два неизвестных ос^(г) и (г) ,

поэтому для его решения необходимо задаваться предположениями о взаимосвязи этих коэффициентов Эта неопределенность может быть устранена при использовании сигнала комбинационного рассеяния на молекулах азота Уравнение лидарного зондирования в таком случае имеет вид.

/__т / 1\ . /_»\ *\

-j:

dz'

(8)

где - принимаемый сигнал комбинационного рассеяния на

смещенной длине волны Лк , N(2) - концентрация молекул азота, а* л„ ' сечение комбинационного рассеяния в обратном направлении Молекулярный и аэрозольный коэффициенты общего ослабления на длине волны комбинационного рассеяния обозначаются как а™^ (г) и (г) соответственно

Совместное решение уравнений (7) и (8) позволяет независимо определять аэрозольные коэффициенты обратного рассеяния и общего ослабления для длин волн 355 и 532 нм Для длины волны 1064 нм такой возможности не существует, поскольку для нее сигнал комбинационного рассеяния слишком мал Поэтому в работе представлен алгоритм нахождения Доб4 > основанный на решении уравнения (7), в котором коэффициент общего ослабления а"ш(г) вычислялся как

г 3 л

532

.4«

(9)

V1064 У

где. к - параметр Ангстрема, а°32 - аэрозольный коэффициент общего ослабления для длины волны 532 нм При этом точка привязки выбирается в области свободной от аэрозоля, как это показано на рис 9 Достоверность работы алгоритма была подтверждена результатами численного моделирования и результатами обработки экспериментальных данных

В разделе 2.3 приведены технические характеристики подсистемы для измерения спектров лазерно-индуцированной флуоресценции Приемный объектив соединялся оптическим волокном с оптическим многоканальным анализатором спектра В спектрографе использовалась дифракционная решетка с плотностью 600 лин/мм, которая обеспечивала спектральное разрешение на уровне 2 нм Измерения проводились в спектральном диапазоне 380-700 нм

Третья глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию возможности определения параметров частиц с использованием методов многоволнового зондирования и эффектов

многократного рассеяния В ней также изучается возможность идентификации загрязняющих веществ на подстилающих поверхностях по сигналу флуоресцентного рассеяния

В разделе 3.1 приведены результаты экспериментального исследования параметров тропосферного аэрозоля на основе данных, полученных при многоволновом лидарном зондировании

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Высота (м)

Высота (м)

Рис 10 Высотные профили коэффициента Рис 11 Высотные профили среднего и

общего ослабления и параметра Ангстрема

эффективного радиуса частиц и профиль относительной влажности

2000 2500

Высота (м)

Радиус (мкм)

Рис 13 Распределение частиц по размерам для различных высот

Рис 12 Высотные профили количественной и объемной концентрации

В результате проведенного исследования показано, что метод многоволнового зондирования позволяет определять количественную Н поверхностную Б и объемную V концентрации аэрозоля, его средний гтеап и эффективный радиусы, а также комплексный показатель преломления т Погрешности при определении параметров следующие для гтеап, гсЯ- и V, Б ~ 20%, для N ~ 40%, тк ~ 0 05 и т, ~ 50%

Разработанная лидарная система использовалась, в частности, для исследования гигроскопического роста аэрозоля в пограничном слое атмосферы На рис 10-13 представлены типичные результаты многоволнового зондирования. Относительная влажность в день исследований растет с высотой и на высоте 1800 м достигает уровня 80% Начиная с этой высоты параметр Ангстрема уменьшается от 1 5 до 0, что свидетельствует об увеличении размера частиц Уменьшение коэффициента Ангстрема соответствует увеличению аэрозольных коэффициентов обратного рассеяния и общего ослабления Начиная с высоты 1800 м резко увеличиваются средний и эффективный радиусы В этом же диапазоне возрастает объемная концентрация, а числовая уменьшается (рис 12) Полученные результаты позволяют заключить, что

увеличение коэффициента общего ослабления на высоте 2000 м обусловлено гигроскопическим ростом частиц. Б этом же разделе приведено сравнение данных, получаемых лидаром и автоматическим солнечным радиометром. Показано, что результаты, получаемые двумя приборами, согласуются.

В разделе 3.2 приведены результаты зондирования облаков лидаром с переменным полем зрения.

Типичные результаты зондирования представлены на рис. 14. Из рисунка видно, что с увеличением поля зрения коэффициент деполяризации растет, достигая уровня 20%. Следует отметить, что подобная зависимость согласуется с результатами моделирования, проведенного в первой главе.

Как уже отмечалось в разделе 1,3, азимутальное распределение коэффициента деполяризации позволяет проводить дискриминацию частиц сферической и частиц произвольной формы в условиях многократного рассеяния. Для экспериментального подтверждения этого факта проводились измерения с крестообразной маской, установленной в фокальной плоскости объектива. ] 1а рис. 15 представлены высотные профили коэффициента деполяризации для различных ориентация крестообразной маски. Видно, что при угле поворота 45° относительно поляризации лазерного излучения максимальное значение деполяризации в три раза меньше, чем при угле поворота в 0°, что свидетельствует о сильной азимутальной зависимости коэффициента деполяризации.

Высота {м I

500 1000 1500 2000 Высота (м)

Рис 14. Высотные профили коэффициента деполяризации в зависимости от поля зрения приемника. Раздел 3.3 посвящен

Рис. 15 Высотные профит коэффициента деполяризации и обратного рассеяния, полученные при различной ориентации крестообразной маски. экспериментальным исследованиям возможности идентификации загрязнителей и веществ, запрещенных к распространению, на натуральных и искусственных подстилающих поверхностях. Исследования проводились для некоторых нефтепродуктов, и ряда наркотических и взрывчатых веществ.

В процессе исследования был создан банк спектров лазерное индуцированной флуоресценции. Для анализа возможности распознавания спектров использовался метод факторного анализа. При проведении анализа 3000 спектральных точек были сгруппированы в 500 спектральных

интервалов, и средняя мощность каждого интервала рассматривалась как независимая переменная Для каждой пары переменных вычислялся коэффициент ковариации и, затем, составлялась матрица ковариации Первые два собственных вектора (характеризуемые наибольшими собственными числами) описывают основные вариации спектров В пространстве собственных векторов каждый спектр представляется одной точкой

Результаты проведенного анализа представлены на рис 16-17, пунктирными окружностями обозначены интервалы возможной дискриминации спектров для данной погрешности измерения Для нефтепродуктов можно заключить, что внутривидовая дискриминация затруднена, тогда как спектры веществ различного типа можно различить

Для взрывчатых и наркотических веществ дискриминация в принципе возможна, что было экспериментально подтверждено в процессе проведения натурных испытаний Ситуация осложняется тем фактом, что часто эти вещества представляют собой смеси и их следовые количества находятся на сильно флуоресцирующих подстилающих поверхностях Таким образом, задача дистанционного обнаружения этих веществ очень сложна и требует проведения дальнейших исследований

-С

О -2

Б

о

Керосин Бензин 98 *

Бензин 80*^*

Бензин 95

О. 3-

| НМТй

ТНК * """'.мазут 1,

. * ^ „ х Пластиг • ШеаЛь тпл™ ■

' Солярка Л ^"-З^дно | о "" Тр0™ .

/ Солярка , -ч „¡¡„¡ж

Мобил1 Устькутская I ^ & Кожалав°ии

масл° нефть Якутская ^"ская "§ .з- Гексоген

нефть не<',ть

Собственный вектор 1 Собственный вектор 1

Рис 16 Результаты факторного Рис 17 Результаты факторного анализа анализа для определения возможности для определения возможности

распознавания спектров распознавания спектров взрывчатых

нефтепродуктов веществ

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы

Основные результаты

1.Разработан метод анализа информации, содержащейся в данных лидарных измерений с переменным полем зрения, основанный на рассмотрении собственных чисел матриц ковариации, угловых распределений мощности двукратно рассеянного излучения Показано, что при зондировании на длине волны 1064 нм и использовании полей зрения в диапазоне [0 25-5 мрад] такой лидар позволяет определять размер частиц в диапазоне радиусов 1,5<г<25 мкм Установлено также, что при 10%-ой погрешности измерений вариации мощности двукратно

рассеянного излучения для типичных атмосферных аэрозолей содержат не более 6 независимых компонент, следовательно, использование большего количества полей зрения внутри выбранного диапазона не приводит к существенному улучшению точности решения обратной задачи

2.На основе метода регуляризации Тихонова разработан алгоритм определения распределения частиц по размерам по данным лидара с переменным полем зрения Достоверность работы алгоритма была подтверждена результатами численного моделирования и результатами обработки экспериментальных данных

3.Разработан алгоритм расчета азимутальной зависимости мощности двукратно рассеянного поляризованного излучения в фокальной плоскорти лидарного приемника для поляризованной и деполяризованной компонент рассеянного излучения Показано, что соответствующие азимутальные структуры содержат информацию о размере частиц и реальной части показателя преломления

4. Предложен и реализован в виде программы алгоритм расчета коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля по результатам многоволнового рамановского зондирования Использование данного алгоритма позволяет проводить вычисления оптических коэффициентов с погрешностью менее 10%

5. Создан компактный многофункциональный лидарный комплекс, способный проводить многоволновые лидарные измерения, зондирование при различных полях зрения, а также регистрацию спектров лазерно-индуцированной флуоресценции

6.Исследована высотная вариация параметров аэрозоля в пограничном слое атмосферы методом многоволнового лидарного зондирования Продемонстрировано, что высотные слои с относительной влажностью превышающей 80% характеризуются увеличением коэффициентов экстинкции и обратного рассеяния и размера частиц, что является следствием их гигроскопического роста Проведено сравнение с данными солнечного радиометра основных параметров аэрозоля, таких как средний и эффективный радиус, объемная концентрация и комплексный показатель преломления Показано, что данные, полученные с использованием этих двух приборов, согласуются

7. Экспериментально исследована периодическая структура азимутальной зависимости мощности многократно рассеянного излучения Показано, что область, соответствующая максимуму деполяризации излучения имеет крестообразную форму, ориентированную под углом 45° по отношению к ориентации поляризации лазерного излучения Данный эффект может быть использован для дискриминации частиц сферической и нерегулярной формы в условиях многократного рассеяния

8.Измерены спектры лазерно-индуцированной флуоресценции для широкого класса веществ, включающих в себя нефтепродукты,

15

наркотические, взрывчатые вещества и различные подстилающие поверхности Проведен факторный анализ этих спектров, на основе которого сделаны выводы об их возможной идентификации Проведены натурные испытания флуоресцентного лидара, продемонстрировавшие возможность дистанционной идентификации веществ

Список публикаций по теме диссертационной работы

1. Information content of data measured with a multiple-field-of-view lidar /1 Veselovskn, M Korenskii, V Griaznov, et al //ApplOpt -2006 - Vol 45, No 26 -P 6839-6848

2. Епифанов А С, Коренский M Ю Быстрая гладкая сплайн-аппроксимация // Необратимые процессы в природе и технике - МГТУ им НЭ Баумана-МоскваФИАН -2007 -Сб труд Часть 1 -С 260

3. Veselovskn I, Korenskii М, Vartapetov S Remote detection of narcotics and explosives by fluorescence lidar //23rd International Laser Radar Conference - Nara (Japan), 2006 - P 95-99

4. Intensity distribution of doubly scattered polarized laser radiation m the focal plane of lidar receiver / V Griaznov, I Veselovskn, M Korenskii, et al // 23rd International Laser Radar Conference - Nara (Japan), 2006 -P 113-117

5. Comparison of aerosol microphysical parameters retrieved from multi-wavelength lidar and sun photometer / I Veselovskn, DN Whiteman, O.Dubovik, et al // 23rd International Laser Radar Conference — Nara (Japan), 2006 -P 309-313

6. On the potential of lidar with multiple fields of view for retrieval of cloud particle parameters /1 Veselovskn, M Korenskii, V Griaznov, et al // 23rd International Laser Radar Conference - Nara (Japan), 2006 -P 457-461

7. Специальный принцип отбора решений при использовании регуляризирующего алгоритма Тихонова для обработки многоволновых лидарных данных / А В Колготин, В И Алехнович, М Ю Коренский, КН Камша //Измерительная техника -2005 -№10 - С 14-19

8. Применение регуляризирующего алгоритма Тихонова для обработки многоволновых лидарных данных в условиях отсутствия информации об ошибке измерения / В И Алехнович, М Ю Коренский, С Ю Тюменцев, А В Колготин //Измерительная техника -2005 -№10 -С 8-14

Подписано к печати 04 09 07 Заказ № 580 Объем 1,0 печ л Тираж 100 экз Типография МГТУ им Н Э Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул, д 5 263-62-01

Актуальность проблемы.

Глава 1. Методология расчета параметров облаков по результатам измерений лидара с переменным полем зрения.

1.1. Информационное содержание данных, полученных с использованием лидара с переменным полем зрения.

1.2. Решение обратной задачи зондирования для лидара с переменным полем зрения.

1.3. Получение информации о параметрах рассеивающих частиц с использованием азимутальной зависимости мощности двукратно рассеянного излучения.

1.4. Выводы к главе.

Глава 2. Основные параметры лидарной системы, разработанной для проведения исследований.

2.1. Технический облик системы.

2.2. Многоволновые измерения.

2.3. Флуоресцентные измерения.

2.4. Выводы к главе.

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований.

3.1. Определение параметров аэрозоля методом многоволнового зондирования.

3.2. Определение параметров частиц по данным лидара с переменным полем зрения.

3.3. Измерение спектров флуоресценции.

3.4. Выводы к главе.

Актуальность проблемы

Проблемы, связанные с воздействием антропогенных выбросов на окружающую среду, в настоящее время находятся в центре внимания многочисленных исследовательских групп. Увеличение концентрации атмосферного аэрозоля, обусловленное индустриальной деятельностью человека, оказывает воздействие на радиационный баланс планеты и, как следствие, на климат [1]. Для определения количественного вклада этих факторов в вариации радиационного баланса должны быть разработаны методики, обеспечивающие возможность долговременного дистанционного мониторинга аэрозольных составляющих атмосферы.

Среди существующих инструментов для получения информации о состоянии атмосферы одними из наиболее перспективных являются системы лазерного дистанционного зондирования - лидары. Взаимодействие лазерного излучения с атмосферой сопровождается многочисленными физическими процессами, такими как: упругое рассеяние излучения на аэрозоле и молекулах, колебательное и вращательное комбинационное (рамановское) рассеяние, деполяризация излучения и лазерно-индуцированная флуоресценция [2-12]. Использование этих явлений в лидарном зондировании позволяет создавать системы для дистанционного измерения температуры, скорости ветра, параметров частиц, а также концентрации различных газовых составляющих атмосферы.

При создании лидарных систем, способных проводить долговременные измерения в автоматическом режиме в условиях значительных вариаций температуры, должна быть проведена соответствующая модификация для всех основных компонент системы от конструкции до алгоритмов обработки данных. Алгоритмы должны обеспечивать возможность автоматического выбора граничных условий при решении обратной задачи и обрабатывать большие массивы данных в автоматическом режиме. Лидарная система должна быть также достаточно компактной и удобной в транспортировке, а лазерный источник излучения должен обладать большим временем жизни его компонент. Существующие методики обработки лидарных данных находятся на различных стадиях разработки и не всегда соответствуют перечисленным выше требованиям. Таким образом, создание лидара для регулярных метеорологических наблюдений включает в себя как доработку существующих методик, так и, фактически, создание новых.

Следует отметить, что лидарные системы создаются, как правило, для измерения небольшого числа выбранных параметров атмосферы и. являются достаточно дорогими. Очевидно, что использование нескольких лидаров для одновременной регистрации всех требуемых параметров атмосферы приводит к удорожанию системы и ставит под вопрос целесообразность ее практического использования. Цена лидарной системы обусловлена высокой стоимостью мощных лазеров и широкоапертурной приемной оптики. В настоящее время наметились два пути решения этой проблемы. Во-первых, появление высокоэффективных фотоприемных устройств и прогресс в разработке узкополосиых интерференционных фильтров в ультрафиолетовой и видимой области спектра позволяет снизить требования к энергетике лазера и апертуре приемного телескопа, что открывает путь к созданию компактных, относительно недорогих систем. Примером такого подхода является разработка микроимпульсных лидаров, использующих телескоп диаметром 200 мм и с энергией лазерного импульса порядка 10 мкДж [1315]. Во-вторых, это интеграция системы, то есть использование выбранного приемо-передатчика для измерения максимального количества параметров атмосферы.

Исследование возможности создания компактного метеорологического лидара, обеспечивающего измерение основных параметров атмосферы, являлось одной из целей данной работы. Основное внимание при этом уделялось вопросам определения размеров частиц, вследствие важности изучения их воздействия на радиационный баланс планеты [1]. Размеры атмосферных частиц варьируются в широком диапазоне от сотых долей до десятков микрометров. Для измерения вариаций размеров частиц в столь большом диапазоне необходимо использовать методы, основанные на различных физических принципах.

Параметры относительно мелкого аэрозоля (от 0,05 до 2 мкм) могут быть определены с использованием многоволнового лидара, данный подход получил широкое распространение в последнее десятилетие [1621]. Восстановление микрофизических параметров аэрозоля обычно разбивается на две независимые задачи: вычисление коэффициентов обратного рассеяния (3 и общего ослабления а (экстинкции) из результатов лидарных измерений и, затем, восстановление по ним микрофизических параметров аэрозоля, таких как: размер, концентрация и показатель преломления. Стабильность решения соответствующей обратной задачи сильно зависит от точности вычисления входных оптических данных (Р и а), поэтому уменьшение погрешности их определения является принципиальным моментом в многоволновых лидарных измерениях.

Сложность решения лидарного уравнения обусловлена тем, что оно содержит два неизвестных (коэффициент обратного рассеяния р и экстинкцию а) и для его решения необходимо задаваться предположениями о соотношении между ними. На этом основаны широко используемые методы Клетта, Ферналда и метод асимптотического сигнала [22-24, 4]. Как правило, подобная информация не доступна в процессе лидарных измерений и коэффициенты р и а вычисляются со значительной погрешностью.

Точность измерения р и а повышается при использовании лидара комбинационного рассеяния [25,26]. Следует оговориться, что в современных публикациях лидары комбинационного рассеяния повсеместно называются рамановскими, поэтому в процессе изложения будет использоваться именно этот термин. Рамановский метод позволяет независимо вычислять коэффициенты (3 и а за счет одновременной регистрации сигналов упругого рассеяния и сигналов на длине волны, соответствующей рамановскому сдвигу молекулы кислорода или азота. При этом предполагается, что высотное распределение плотности воздуха известно.

Обратная задача нахождения распределения аэрозоля по размерам из-набора входных оптических данных аир для различных длин волн формулируется в виде интегрального уравнения Фредгольма второго рода и относится к классу некорректных задач. Для ее решения обычно используется метод регуляризации Тихонова [27-29]. Впервые возможность восстановления оптических параметров подобным методом была продемонстрирована в работе [30], при этом точность определения параметров частиц была невысокой. Поэтому применение метода регуляризации в многоволновом лидарном зондировании стало возможным лишь относительно недавно, с появлением мощных рамановских лидаров, обеспечивающих достаточную точность измерений. Наиболее успешной реализацией такого подхода можно считать результаты, полученные в конце 90-х годов в Институте Тропосферных Исследований (ИТИ, Лейпциг), где была создана многоволновая система, использующая сигналы упругого и рамановского рассеяния для вычисления шести коэффициентов обратного рассеяния и двух коэффициентов экстинкции [17-20].

Гораздо более привлекательной является упрощенная версия лидара на основе Nd:YAG лазера с генератором третьей гармоники. Такой лидар использует упругое рассеяние (355, 532, 1064 нм) и сигналы рамановского рассеяния азота (387, 607 нм). Соответственно, могут быть определены три коэффициента обратного рассеяния и два коэффициента экстинкции. Результаты математического моделирования, проведенного в работах [3134], демонстрируют, что даже в такой упрощенной конфигурации лидар способен обеспечить достаточную точность оценки параметров аэрозоля.

В перечисленных выше работах была продемонстрирована принципиальная возможность использования многоволнового лидара для оценки параметров аэрозоля. Следующим шагом должно стать создание системы, способной производить регулярные измерения и использовать получаемые данные для исследования физических процессов в атмосфере. Отметим, что при решении подобных задач алгоритмы обработки лидарных данных должны быть модифицированы, поскольку их работа должна быть устойчива по отношению к выбору граничных условий. Кроме того, стабильность решения обратной задачи также должна быть улучшена за счет уменьшения погрешности входных оптических данных.

Для получения информации о более крупных частицах (свыше 2 мкм) методы многоволнового зондирования оказываются непригодными, следовательно, необходимо использовать другие физические процессы, например, эффекты многократного рассеяния излучения в атмосфере. Многократное рассеяние излучения является источником погрешности при определении оптических параметров аэрозолей и для её минимизации измерения проводятся с минимально возможным полем зрения, либо же используют модели, учитывающие вклад многократного рассеяния в лидарный сигнал [35-39]. Вместе с тем, угловой спектр многократно рассеянного излучения содержит информацию о размерах частиц [40-44]. Возможность использования подобного метода впервые была продемонстрирована в работах Roy и Bissonnette [40-42], где было показано, что использование лидарных сигналов, соответствующих различным полям зрения, позволяет оценивать размеры частиц. Такой лидар получил название «лидар с переменным полем зрения». Несмотря на результаты, полученные в работах [40-42], многие вопросы, связанные с использованием лидара с переменным полем зрения, оставались невыясненными. В том числе не ясно какое количество полей зрения должно быть использовано в приемной системе, в каком диапазоне размеров частиц может быть использован данный метод и как этот диапазон зависит от геометрии рассеяния и погрешности измерения. Получение ответов на эти вопросы является одной из целей диссертации.

В традиционном лидаре с переменным полем зрения используется интегральная по азимутальному углу мощность рассеянного излучения. Однако хорошо известно, что для поляризованного лазерного источника мощность многократно рассеянного излучения может характеризоваться сильной азимутальной зависимостью. При этом ее вид определятся ориентацией поляризатора в приемной системе. Данная азимутальная зависимость содержит дополнительную информацию о параметрах частиц [45], которая может быть использована для решения обратной задачи зондирования. Азимутальная зависимость мощности рассеянного излучения при проведении экспериментов в аэрозольной камере, а также при зондировании атмосферных облаков, впервые наблюдалась авторами работ [46,47]. Зависимость параметров азимутальной структуры от размера частиц, их формы и оптической толщины была экспериментально исследована в аэрозольной камере в работе [48]. В частности, было показано, что азимутальные структуры характерны для процессов двукратного рассеяния излучения, что позволило авторам с их помощью оценить вклад высших порядков рассеяния. Вместе с тем, ряд принципиальных вопросов, связанных с возможностью использования азимутальных структур в лидарном зондировании, оставались открытыми. В том числе не вполне ясно, как радиальное и азимутальное распределение мощности в фокальной плоскости приемника излучения зависит от параметров частиц. Для получения этой информации необходимо разработать адекватную математическую модель, позволяющую вычислять элементы вектора Стокса рассеянного излучения для заданного поля зрения приемной системы и азимутального угла. В модель также должны быть введены такие параметры геометрии рассеяния, как высота основания облака и глубина зондирования.

Относительно простая модель, основанная на рассмотрении двукратного рассеяния излучения на сферических частицах и достаточно хорошо описывающая' экспериментальные данные, была разработана Rakovic и Kattawar [49-50]. К сожалению, эта модель не может быть использована для моделирования процесса лидарного зондирования, поскольку (а) она рассматривает сигнал, проинтегрированный по высоте, соответственно параметры азимутального распределения не зависят от геометрии рассеяния излучения; (б) предполагается, что излучение, рассеянное назад, распространяется параллельно, исходному. Таким образом, данный подход должен быть модифицирован применительно к существующей задаче лидарного зондирования. Подобная модификация была предложена в работе [51], однако в данном случае не рассматривалась азимутальная зависимость.

Помимо размера частиц в ряде приложений желательно иметь информацию об их составе и происхождении. Одним из способов получения подобной информации является измерение спектров лазерно-индуцировапиой флуоресценции. Данный подход широко используется, например, при изучении биоаэрозолей [52-56]. Флуоресцентная методика используется также во многих приложениях, таких как: контроль нефтяных пленок на поверхности океана [2-5,12,57-58], обнаружение опасных загрязняющих веществ на различных подстилающих поверхностях, контроль состояния растительного покрова [59]. Таким образом, возможность флуоресцентных измерений значительно расширяет потенциал лидарной системы. В результате, можно сделать вывод, что совокупное использование различных лидарных методов позволяет получать значительную часть информации о параметрах частиц.

Исследования в данном направлении ведутся в ряде научно-исследовательских институтов, в частности, в Институте Оптики Атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, в Институте Физики Атмосферы им. A.M. Обухова РАН, в Институте Океанологии им. П.П. Ширшова и некоторых других. Результаты исследований отражены в публикациях: В.Е. Зуева, И.Э. Нааца, И.В. Самохвалова, Б.В. Кауля, С.В Самойловой и других российских ученых.

Из вышесказанного можно заключить, что разработка методов и аппаратуры для дистанционного определения параметров частиц в широком диапазоне размеров является актуальной задачей.

Результаты, представленные в работе, были получены в МГТУ им. Н.Э. Баумана при тесном сотрудничестве с Центром физического приборостроения ИОФ РАН им. А. М. Прохорова и Центром космических полетов (Годдард, США)

Цель диссертационной работы - разработка методов и аппаратуры для получения информации о параметрах атмосферных частиц на основе использования явлений мультиспектрального, многократного, рамановского и флуоресцентного рассеяния лазерного излучения в атмосфере.

Данная цель включает следующие задачи исследования:

1) Оптимизация существующих и разработка новых алгоритмов определения коэффициентов обратного рассеяния и общего ослабления аэрозоля по данным многоволнового рамановского зондирования.

2) Теоретическое исследование информации, содержащейся в угловых спектрах мощности рассеянного излучения в приближении двукратного рассеяния. Определение диапазона размеров частиц, в котором данный метод будет работать устойчиво, а также определение погрешностей данного метода.

3) Разработка модели и проведение расчетов азимутальной зависимости мощности рассеянного излучения в фокальной плоскости премного устройства в приближении двукратно рассеяния поляризованного излучения.

4) Экспериментальное исследование возможности определения параметров частиц с использованием методов мультиспектрального и многократного рассеяния излучения.

5) Создание базы данных спектров лазерно-индуцированной флуоресценции нефтепродуктов и веществ, запрещенных к распространению. Определение возможности распознавания их на различных подстилающих поверхностях.

Используемые методы. Определение перечисленных параметров частиц должно проводиться за счет использования методов многоволнового зондирования, процессов многократного рассеяния лазерного излучения, а также за счет привлечения методов рамановской спектроскопии и флуоресцентного анализа. При анализе полученных результатов используются методы математического моделирования и факторного анализа данных.

Научная новизна работы. К началу проведения исследований перечисленные методики находились в различной степени готовности.

В процессе работы они были развиты до уровня, позволяющего проводить количественные измерения. Соответствующие результаты были получены для следующих методик:

Многоволновое зондирование.

- К началу работ существовал алгоритм решения обратной задачи многоволнового зондирования, основанный на методе регуляризации Тихонова. Однако не существовало алгоритма, обеспечивающего расчет коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля по данным многоволнового рамановского зондирования с погрешностью меньше 10%. Этот алгоритм был предложен и реализован автором в виде программы.

- Принципиальная возможность многоволновых измерений была продемонстрирована ранее. Однако с участием автора была создана система, позволяющая проводить измерения регулярно, что, в свою очередь, позволило набрать статистику измерений и сопоставить их с результатами измерений автоматического солнечного радиомегра.

Многократное рассеяние.

- Эффекты многократного рассеяния достаточно давно используются в лидарах с переменным полем зрения для оценки размеров частиц в облаках. Однако до настоящего времени не существовало ясности в ряде принципиальных вопросов. Автором был предложен подход и проведен анализ проблемы на основе рассмотрения линейной независимости угловых спектров рассеяния. Был предложен и реализован алгоритм решения обратной задачи на основе метода регуляризации Тихонова.

- Предложен подход и реализована программа расчета азимутальной зависимости интенсивности рассеянного излучения в фокальной плоскости телескопа в приближении двукратного рассеяния для поляризованного лазерного источника.

- Проведены экспериментальные измерения, подтверждающие основные результаты теоретического анализа.

Флуоресцентные измерения.

- Лидарные измерения спектров лазерно-индуцированной флуоресценции (например, биологических частиц в атмосфере) хорошо известны. Однако работы по распознаванию загрязнителей на подстилающих поверхностях практически отсутствуют. Автором создан банк данных спектров лазерно-индуцированной флуоресценции широкого класса веществ, включающих в себя нефтепродукты, взрывчатые и наркотические вещества. Для анализа спектральных данных предложено использовать метод факторного анализа. Проведены натурные испытания, подтверждающие возможность распознавания загрязнителей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Рамановский лидар на основе Nd:YAG лазера с генератором третьей гармоники, измеряющий три коэффициента обратного рассеяния и два общего ослабления, позволяет регистрировать увеличение размера частиц в пограничном слое атмосферы, обусловленное их гигроскопическим ростом.

2. Радиальное распределение мощности двукратно рассеянного излучения в фокальной плоскости приемника для любого азимутального угла определяется отношением глубины зондирования

Az к высоте основания облака т7=—, при этом азимутальное

Za распределение от rj не зависит.

3. Лидар с шестью полями зрения в диапазоне [0.25-5 мрад] при длине волны зондирования 1064 нм позволяет определять размеры частиц в интервале 1.5-25 мкм погрешностью -30%, при условии, что г] > 0.02.

4. Вариации углового распределения мощности двукратного рассеяния излучения для типичных параметров атмосферных частиц и 10% погрешности измерения содержат не более 4-х независимых компонент для поляризованной составляющей и не более 6 для деполяризованной.

5. Азимутальная зависимость коэффициента деполяризации двукратно рассеянного излучения в фокальной плоскости приемника позволяет проводить дискриминацию сферических частиц и частиц нерегулярной формы в области рассеяния.

Практическая ценность заключается в возможности использования полученных результатов:

- в фундаментальных исследованиях физики атмосферы, связанных с изучением вертикального распределения параметров частиц в пограничном слое и в облаках;

- при моделировании изменений радиационного баланса планеты, обусловленных вариациями содержания аэрозоля естественного и антропогенного происхождения;

- при мониторинге загрязняющих веществ на различных подстилающих поверхностях естественного и искусственного происхождения.

Апробация результатов

Выносимые на защиту результаты опубликованы в ведущих международных научных журналах и представлены на конференциях: «23st International Laser Radar Conference» в июле 2006 г (Нара - Япония) и «Необратимые процессы в природе и технике» в МГТУ им Н.Э. Баумана в январе 2007 г. А также были проведены приемосдаточные испытания под контролем Государственной технической комиссии при Президенте России.

Публикации

По теме диссертации были опубликованы 8 печатных работ [45, 6970, 88-92]. Из них тезисы докладов конференций - 1, статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК - 3, сборники трудов конференций - 4.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка из 92 наименований, изложена на 165 страницах, включая 5 таблиц и 95 рисунков.

Выводы и заключение

В заключении сформулируем основные результаты, полученные в работе

1) Разработан метод анализа информации, содержащейся в данных лидарных измерений с переменным полем зрения, основанный на рассмотрении собственных чисел матриц ковариации, угловых распределений мощности двукратно рассеянного излучения. Показано, что при зондировании на длине волны 1064 нм и использовании полей зрения в диапазоне [0.25-5 мрад] такой лидар позволяет определять размер частиц в диапазоне радиусов 1,5<г<25 мкм. Установлено также, что при 10% погрешности измерений вариации мощности двукратно рассеянного излучения для типичных атмосферных аэрозолей содержат не более 6 независимых компонент, следовательно, использование большего количества полей зрения внутри выбранного диапазона не приводит к существенному улучшению точности решения обратной задачи.

2) На основе метода регуляризации Тихонова разработан алгоритм определения распределения частиц по размерам по данным лидара с переменным полем зрения. Достоверность работы алгоритма была подтверждена результатами численного моделирования и результатами обработки экспериментальных данных.

3) Разработан алгоритм расчета азимутальной зависимости мощности двукратно рассеянного поляризованного излучения в фокальной плоскости лидарного приемника для поляризованной и деполяризованной компонент рассеянного излучения. Показано, что соответствующие азимутальные структуры содержат информацию о размере частиц и реальной части показателя преломления.

4) Предложен и реализован в виде программы алгоритм расчета коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля по результатам многоволнового рамановского зондирования. Использование данного алгоритма позволяет проводить вычисления оптических коэффициентов с погрешностью менее 10%.

5) Создан компактный многофункциональный лидарный комплекс, способный проводить многоволновые лидарные измерения, зондирование при различных полях зрения, а также регистрацию спектров лазерно-индуцированной флуоресценции.

6) Исследована высотная вариация параметров аэрозоля в пограничном слое атмосферы методом многоволнового лидарного зондирования. Продемонстрировано, что высотные слои с относительной влажностью превышающей 80% характеризуются увеличением коэффициентов экстинкции и обратного рассеяния и размера частиц, что является следствием их гигроскопического роста. Проведено сравнение с данными солнечного радиометра основных параметров аэрозоля, таких как: средний и эффективный радиус, объемная концентрация и комплексный показатель преломления. Показано, что данные, полученные с использованием этих двух приборов, согласуются.

7) Экспериментально исследована периодическая структура азимутальной зависимости мощности многократно рассеянного излучения. Показано, что область, соответствующая максимуму деполяризации излучения имеет крестообразную форму, ориентированную под углом 45° по отношению к ориентации поляризации лазерного излучения. Данный эффект может быть использован для дискриминации частиц сферической и нерегулярной формы в условиях многократного рассеяния.

8) Измерены спектры лазерно-индуцированной флуоресценции для широкого класса веществ, включающих в себя нефтепродукты, наркотические, взрывчатые вещества и различные подстилающие поверхности. Проведен факторный анализ этих спектров, на основе которого сделаны выводы об их возможной идентификации. Проведены натурные испытания флуоресцентного лидара, продемонстрировавшие возможность дистанционной идентификации веществ.

1. Contribution of Working Group 1.to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). / J.T. Houghton, Y. Ding, D.J. Griggs et al. //Cambridge University, England, 2001. 944 pp.

2. Межерис P. Лазерное дистанционное зондирование: Пер. с англ.- М: Мир, 1987. 510 с.

3. Инаба X. Лазерный контроль атмосферы. М.: Мир, 1979. 417 с.

4. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды. /В.И. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов и др.; Под редакцией В.Н. Рождествина. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. 528 с.

5. Зуев В.Е. Лазерное зондирование тропосферы и поверхности Земли. -Новосибирск: Наука, 1987. 321 с.

6. Зуев В.Е., Банах А.В., Покасов В.В. Современные проблемы оптики атмосферы. Т. 5. Оптика турбулентной атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1988. 271 с.

7. Захаров В.М., Костко O.K., Хмелевцов С.С. Лидары и исследование климата. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1990. 216 с.

8. Зуев В.Е., Зуев В.В. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы-Ленинград: Гидрометеоиздат, 1992. 232 с.

9. Зуев В.Е., Титов Г.А. Современные проблемы оптики атмосферы Т. 9. Оптика атмосферы и климата. М.: изд. Спектр ИОА СО РАН, 1996.272 с.

10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. 2-е. изд. - М.: Наука, 1973. 856 с.

11. Ивлев J1.C., Андреев С.Д. Оптические свойства атмосферных аэрозолей-Ленинград: ЛГУ, 1986. 320 с.

12. Бункин А.Ф., Власов Д.В., Миркамилов Д.М. Физические основы лазерного аэрозондирования поверхности земли. Ташкент: издательство Фан, 1987. 272 с.

13. In-line type micropulse lidar with an annular beam: experiment. / T. Shiina, K. Yoshida, M. Ito, and Y. Okamura. //Appl. Opt. 2005. -Vol. 44, № 34. - P. 7407-7413.

14. Spinhirne J.D. Micro pulse lidar. // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. -1993.-Vol. 31.-P. 48-55.

15. Spinhirne J.D. Micro pulse lidar systems and applications. // Proceedings of 17th International Laser Radar Conference. 1994. - P. 162-165.

16. Scanning 6-wavelength 11-channel aerosol lidar. /D. Althausen, D. Miiller, A. Ansmann, U. Wandinger, H. Hube, E. Clauder, S. Zorner. // J. Atmos. and Oceanic Technol. 2000. - Vol. 17. - P. 1469 - 1482.

17. Miiller D., Wandinger U., and Ansmann A. Microphysical particle parameters from extinction and backscatter lidar data by inversion with regularization: theory. //Appl. Opt.- 1999. Vol. 38. - P. 2346-2357.

18. Miiller D., Wandinger U., and Ansmann A. Microphysical particle parameters from extinction and backscatter lidar data by inversion with regularization: simulation. //Appl. Opt- 1999. Vol. 38. -P. 2358-2368.

19. Miiller D., Wandinger U., and Ansmann A. Microphysical particle parameters from extinction and backscatter lidar data by inversion with regularization: experiment. // Appl. Opt- 2000. Vol. 39. -P. 879-1892.

20. Raman lidar measurements of aerosol extinction-to-backscatter ratio over southern Great Plains. / R.A. Ferrare, D. Turner, L. Brasseur, W. Feltz, O. Dubovik, T. Tooman. //J. Geophys. Res. 2001. - Vol. 106. -P. 20333-20348.

21. Raman lidar and sunphotometric measurements of aerosol optical properties over Thessaloniki, Greece during a biomass burning episode. /D.S. Balis, V. Amiridis, C. Zerefos, et al. //Atmospheric Environment. 2003. - Vol. 37. - P. 4529-4538.

22. Kovalev V.E., Eichinger W.E. Elastic Lidar: Theory, Practice, and Analysis Methods. New Jersey: John Wiley & Sons, inc., 2004. 620 pp.

23. Klett D. Stable analytical inversion solution for processing lidar returns. // Appl. Opt.- 1981. Vol. 20. - P. 211-220.

24. Fernald F.G. Analysis of atmospheric lidar observations: some comments. // Appl. Opt.- 1984. Vol. 23. - P. 652-653.

25. Тихонов A.H., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.: Наука 1974. 285 с.

26. Twomey S. Introduction to the Mathematics of Inversion in Remote Sensing and Direct Measurements. New York: Elsevier, 1977. 245 c.

27. Зуев В.Е., Наац И.Э. Обратные задачи оптики атмосферы. М.: Гидрометеоиздат, 1989. 242 с.

28. Зуев В.Е Наац И.Э. Современные проблемы оптики атмосферы. Т. 7. Обратные задачи лазерного зондирования атмосферы. -Новосибирск: Наука, 1982. 287 с.

29. Inversion with regularization for the retrieval of tropospheric aerosol parameters from multiwavelength lidar sounding. / I. Veselovskii, A. Kolgotin, V. Griaznov, D. Muller, U. Wandinger, D. Whiteman. //Appl. Opt. 2002. - Vol. 41. - P. 3685-3699.

30. Retrieval of tropospheric aerosol parameters from multiwavelength lidar sounding. / I. Veselovskii, A. Kolgotin, V. Griaznov, D. Muller, U. Wandinger, C. Bockmann, D. Whiteman. //Proceedings of ILRC 21 Quebec City. July 2002. - P. 573-576.

31. Inversion of multiwavelength Raman lidar data for retrieval of bimodal aerosol size distribution. / I. Veselovskii, A. Kolgotin, V. Griaznov, D. Muller, K. Franke, D.N. Whiteman. //Appl. Opt. 2004. - Vol. 43. - P. 1180-1195.

32. Veselovskii I., Kolgotin A., Muller D. Retrieval of bimodal aerosol size distribution with multiwavelength Mie-Raman lidar. // 6-th International Symposium on Troposphere Profiling, Leipzig, Germany. 14-20 September, 2003. - P. 363-365.

33. Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Уравнение лазерной локации атмосферы с учетом двухкратного рассеяния. // Изв. вузов, Физика, -1975.-№8.-С. 109-113.

34. Samokhvalov I.V. Double scattering approximation of lidar equation for inhomogeneous atmosphere. // Opt. Lett. 1979. - № 5. - P. 12-14.

35. Самойлова С.В. Теория кратного рассеяния и ее приложения к задачам лазерного зондирования аэрозолей. // Оптика атмосф. и океана.-2001.-Т. 14, №3,-С. 180-186.

36. Use of a polarization lidar for the retrieval of cloud optical parameters. / S.V. Samoilova, Y.S. Balin, G.G. Matvienko, M.V. Panchenko. // Seventh International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics; Proc. SPIE. Dec. 2000. - Vol. 4341P. 488-496.

37. Самойлова C.B., Балин Ю.С. Использование поляризационного лидара для определения из космоса оптических параметров облачности. // Известия РАН, Физика атмосферы и океана. -2001. -Т. 37, №2.-С. 201-212.

38. Bissonnette L.R., Hutt D.L. Multiply scattered aerosol lidar returns: inversion method and comparison with in situ measurements. // Appl. Opt. 1995. - Vol. 34. - P. 6959-6975.

39. Estimation of cloud droplet size density distribution from multiple- fleld-of-view lidar returns. / G. Roy, L.C. Bissonnette, C. Bastille, G. Vallee, // Opt. Eng. 1997. - Vol. 36. - P. 3404-3415.

40. Retrieval of droplet-size density distribution from multiple-field-of-view cross-polarized lidar signals: theory and experimental validation. /G. Roy, L. Bissonnette, C. Bastille, G. Vallee. //Appl. Opt. 1999. - Vol. 38. -P. 5202- 5211.

41. Bissonnette L.R., Roy G., Roy N. Multiple-scattering-based lidar retrieval: method and results of cloud probing. // Appl. Opt. 2005. -Vol. 44.-P. 5565-5581.

42. THOR cloud thickness from offbeams lidar returns. / R.F. Cahalan, M. McGill, J. Kolasinski, T. Varnai, K. Yetzer. //J. of Atmospheric and Ocean Tech. - 2005. - Vol. 22. - P. 605-627.

43. Information content of data measured with a multiple-field-of-view lidar. /1. Veselovskii, M. Korenskii, V. Griaznov, D.N. Whiteman, M. McGill, G. Roy and L. Bissonnette. // Appl. Opt. 2006. - Vol. 45. - P. 68396848.

44. Carswell A.I., Pal S.R. Polarization anisotropy in lidar multiple scattering from clouds. //Appl. Opt. 1980. - Vol. 19. - P. 4123-4126.

45. Pal S.R., Carswell A.I. Polarization anisotropy in lidar multiple scattering from atmospheric clouds. // Appl. Opt. 1985. - Vol. 24. - P. 3464-3471.

46. Measurement of the azimuthal dependence of cross-polarized lidar returns and its relation to optical depth. / N. Roy, G. Roy, L.R. Bissonnette and J-R. Simard. //Appl. Opt. 2004. - Vol. 43. - P. 2777-2785.

47. Rakovic M.J. and Kattawar G.W. Theoretical analysis of polarization patterns from incoherent backscattering of light. //Appl. Opt. 1998. -Vol. 37.-P. 3333-3338.

48. Light backscattering polarization patterns from turbid media: theory and experiment. / M.J. Rakovic, G.W. Kattawar, M. Mehrubeoglu, B.D. Cameron, L.V. Wang, S. Rastegar, and G.L. Cote. // Appl. Opt. 1999. -Vol. 38, № 15. - P. 3399-3408.

49. КаиГ В.V., Samokhvalov I.V. Double scattering approximation of the atmospheric laser location equation taking polarization effects into account. // Izvestia Vuzov: Fizika. 1976. - № 1. - P. 80-85.

50. Ben-David A., Ren H. Detection, identification, and estimation of biological aerosols and vapors with a Fourier-trans form infrared spectrometer. // Appl. Opt. 2003. - Vol. 42, № 24. - P. 4887^1900.

51. Emission wavelength dependence of fluorescence lifetimes of bacteriological spores and pollens. / A. Thomas, D. Sands, D. Baum, L. To, and G.O. Rubel. //Appl. Opt. 2006. - Vol. 45, № 25. - P. 66346639.

52. Flanigan D.F. Detection of organic vapors with active and passive sensors: a comparison. // Appl. Opt. 1986. - Vol. 25, № 23. - P. 42534260.

53. Oil spill fluorosensing lidar for inclined onshore or shipboard operation. /R. Karpicz, A. Dementjev, Z. Kuprionis, S. Pakalnis, R. Westphal, R. Reuter, and V. Gulbinas. // Appl. Opt. 2006. - Vol. 45, № 25. -P. 6620-6625.

54. Laser spectroscopy of mineral oils on the water surface. / S. Patsayeva, V. Yuzhakov, V. Varlamov, R. Barbini, R. Fantoni, C. Frassanito and A. Palucci. // Proceedings of EARSeL-SIG-Workshop LIDAR. Dresden, FRG.-2000.-June 16- 17.-P. 106-114.

55. Tan S., Narayanan RM. Design and performance of a multiwavelength airborne polarimetric lidar for vegetation remote sensing. // Appl. Opt. -2006. Vol. 45, № 25. - P. 2360-2368.

56. Information content of multiwavelength lidar data with respect to microphysical particle properties derived from eigenvalue analysis. / I. Veselovskii, A. Kolgotin, D. Miiller, D.N. Whiteman. //Appl. Opt. -2005. Vol. 44. - P. 5292-5303.

57. Bruscaglioni P., Ismaelli A., Zaccanti G. Monte Carlo calculations of lidar returns: procedure ans results of Florence group. // Appl. Phys. B: Lasers and optics. 1995. - Vol. 60. - P. 325-331.

58. Efficient technique to determine backscattered light power for various atmospheric and oceanic sounding and imaging systems. / I.L. Katsev, E.P. Zege, A.S. Prikhach, and I.N. Polonsky. // J. Opt. Soc. Am. A . -1997.-Vol. 14.-P. 1338-1346.

59. Bissonnette L.R. Lidar and Multiple Scattering. //Lidar : Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. / Editor Clauss Weikamp-Springer, 2005. 455 pp.

60. Eloranta E.W. Practical model for the calculation of multiply scattered lidar returns. // Appl. Opt. 1998. - Vol. 37. - P. 2464-2472.

61. Sassen K. and Zhao H. Lidar multiple scattering in water droplet clouds: toward an improved treatment. //Opt. Rev. 1995. - Vol. 2. -P. 394-400.

62. Golub G.H., Heath M., and Wahba G. Generalized cross validation as a method for choosing a good ridge parameter. // Technometrics. 1979. -Vol. 21.-P. 215-223.

63. O'Sullivan F. A statistical perspective on ill-posed inverse problems. // Statistical Science 1986. - Vol. 1. - P. 502-527.

64. Sabatier P.C. Basic concepts and methods of inverse problems in Basic Methods of Tomography and Inverse Problems Bristol and Philadelphia : Adam Hilger, 1987. - 669 pp.

65. Polonskii I.N., Zege E., and Katsev I.L. Lidar Sounding of Warm Clouds and Determination of Their Microstructure Parameters. // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. -2001. Vol. 37, № 5. - P. 624-632.

66. Bohren F. B. and Huffman D. R. Absorption and scattering of light by small particles. New York: John Wiley, 1983. 530 pp.

67. Whiteman David N. Examination of the traditional Raman1 lidar technique. I. Evaluating the temperature-dependent lidar equations. // Appl. Opt. 2003. - Vol. 42. - P. 2571-2592.

68. Whiteman David N. Examination of the traditional Raman lidar technique. II. Evaluating the ratios for water vapor and aerosols. // Appl. Opt. 2003. - Vol. 42. - P. 2593-2608.

69. Holben B.N., et al. AERONET-A federated instrument networkand data archive for aerosol characterization. / Remote Sens. Environ. -1998.-Vol. 66.-P. 1-16.

70. Variability of Absorption and Optical Properties of Key Aerosol Types Observed in Worldwide Locations. / O. Dubovik, B.N. Holben, T.F. Eck, A. Smirnov, Y.J. Kaufman, M.D. King, D. Tanre, and I. Slutsker. //J. Atmos. Sci. 2002. - Vol. 59. - P. 590-608.

71. Tang I.N. and Munkelwitz H. Composition and temperature dependence of the deliquescence properties of hygroscopic aerosols. // Atmospheric Environment. 1993. - Vol. 27A. - P. 467-473.

72. Behrendt and Nakamura T. Calculation of the calibration constant of polarization lidar and its dependency on atmospheric temperature. //Optics Express.-2002.-Vol. 10, №. 16.-P. 805-817.

73. Heaton H. I. Principal-components analysis of fluorescence cross-section spectra from pathogenic and simulant bacteria. // Appl.Opt. 2005. -Vol. 44. - P. 6486-6495.

74. Interpretation of Raman spectra of nitro-containing explosive materials. Part I: group frequency and structural class membership. / I.R. Lewis, N.W. Daniel, JR., and P.R. Griffiths. // Appl. Spectr. 1997 - Vol. 51. -P. 1854-1867.

75. Ершов А.Д., БалинЮ.С., Самойлова C.B. Обращение лидарных данных при исследовании оптических характеристик слабозамутненной атмосферы. // Оптика атмосф. и океана. 2002. -Т. 15, № 10.-С. 894-899.

76. Самойлова С.В., Балин Ю.С., Ершов А.Д. Устойчивый .метод восстановления оптических характеристик аэрозольных полей по данным комбинационного лидарного зондирования. // Известия РАН, Физика атмосферы и океана. 2003.- Т. 39, № 3. - С. 384-393.

77. Специальный принцип отбора решений при использовании регуляризирующего алгоритма Тихонова для обработки многоволновых лидарных данных. / А.В. Колготин, В.И. Алехнович, М.Ю. Коренский, К.Н. Камша, // Измерительная техника. 2005. -№ 10.-С. 14-19.

78. Veselovskii I., Korenskii M., Vartapetov S. Remote detection of narcotics and explosives by fluorescence lidar. // Proceedings of 23rd International Laser Radar Conference, Nara, Japan. 2006. - 24-28 July. - P. 95-99.

79. Епифанов A.C., Корейский М.Ю. Быстрая гладкая сплайн-аппроксимация. // Необратимые процессы в природе и технике -Конференция в МГТУ им. Н.Э. Баумана, Сб. труд, часть 1. Москва ФИАН. - 2007 - С. 260.