автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Многоволновая лидарная система для определения физических параметров тропосферного аэрозоля

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ (МИИГАиК)

На правах рукописи

ВОЛКОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

МНОГОВОЛНОВАЯ ЛИДАРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРОПОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ: МЕТОДИКА РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ И АНАЛИЗА ДАННЫХ

специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1В ДПР ш 13

Москва-2013

005057465

005057465

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК)» на кафедре Оптико-электронных приборов.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Якушенков Юрий Григорьевич

Белов Михаил Леонидович доктор технических наук, старший научный сотрудник, Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана, кафедра лазерных и оптико-электронных систем, профессор

Троицкий Владимир Иванович доктор технических наук, профессор, «Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК)», заведующий кафедрой физики

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Защита состоится «$Р» 2013 года в Ю~ часов на заседании

диссертационного совета Д 212.143.03 при Московском Государственном Университете Геодезии и Картографии по адресу: 105064, Москва, Гороховский пер.4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Университета Геодезии и Картографии.

Автореферат разослан 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Проблема изучения последствий воздействия деятельности человека на окружающую среду становится всё более актуальной. Увеличение количества антропогенных аэрозольных выбросов в атмосферу, повышение концентрации С02 и других парниковых газов оказывает воздействие на радиационный баланс Земли и, как следствие, на её климат. Следует отметить, что среди перечисленных факторов воздействие аэрозоля на радиационный баланс изучено в наименьшей степени. Для уменьшения погрешностей в климатических моделях необходима глобальная информация об основных физических параметрах аэрозоля. Одними из наиболее перспективных инструментов, способных дистанционно проводить измерения параметров аэрозолей (размер, концентрация, комплексный показатель преломления), являются системы лазерного дистанционного зондирования - лидары. Малая длина волны излучения, сопоставимая с размером аэрозолей, и высокое пространственное разрешение делают лидары уникальным инструментом для исследования аэрозолей и облаков.

Многоволновое лидарное зондирование с использованием каналов рамановского рассеяния является интенсивно развивающимся направлением в лидарной технике. Лидарные системы превращаются из лабораторного оборудования в приборы для проведения долгосрочных метеорологических измерений. Тенденции совершенствования лидаров направлены на создание компактных систем с последующей их установкой на мобильные платформы (автомобильные, самолётные и космические), на проведение долгосрочных измерений в полуавтоматическом режиме с минимальным количеством операторов, на обработку больших массивов данных и получение результатов в режиме реального времени. Компактность систем и достоверность полученных с их помощью результатов при наличии температурных колебаний окружающей среды играет немаловажную роль при проведении регулярных измерений.

Разработка многоволновой лидарной системы для определения физических параметров атмосферного аэрозоля, включающая выбор технического облика системы, расчёт её конструкции и создание математического аппарата для обработки лидарных данных, является актуальной задачей на сегодняшний день. Поэтому данная работа направлена на:

- разработку методики расчета и выбора основных параметров многоволновой лидарной системы для измерения микрофизических параметров тропосферного аэрозоля;

- создание компактной, устойчивой к колебаниям окружающей температуры лидарной системы;

- разработку алгоритма и программы, позволяющих обрабатывать большие объемы лидарных данных и осуществлять мониторинг высотно-временных вариаций параметров аэрозоля в режиме реального времени.

Целями диссертационной работы явились: разработка методики расчета основных параметров многоволновой лидарной системы, позволяющей определять микрофизические параметры аэрозоля в реальном масштабе времени; определение технического облика системы, способной к проведению измерений в условиях подвижных платформ и метеостанций, а также создание алгоритма анализа результатов лидарных измерений.

В процессе выполнения диссертационной работы решались следующие задачи:

- разработка методики расчета параметров многоволнового аэрозольного лидара, предназначенного для определения физических параметров тропосферного аэрозоля;

- разработка конструкций стационарной и мобильной многоволновых лидарных систем;

- разработка алгоритма оперативной обработки данных зондирования, позволяющего производить пересчет измеренных коэффициентов

обратного рассеяния и общего ослабления аэрозоля в микрофизические параметры частиц;

- создание образцов систем, проведение измерений, анализ полученных данных.

Объектом исследования является многоволновая рамановская лидарная система для исследования атмосферного аэрозоля.

В работе применялись следующие методы исследования:

- расчет основных параметров лидарной системы проводился с учетом общей методики энергетического расчета оптико-электронного прибора;

- алгоритм решения обратной задачи многоволнового лидарного зондирования основан на методах факторного анализа и методе регуляризации Тихонова.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

- предложена методика расчета параметров многоволновой рамановской лидарной системы, связывающая основные параметры лидара с требуемой точностью определения микрофизических характеристик аэрозоля;

- создан алгоритм вычисления параметров частиц из данных многоволновых лидарных измерений, на основе метода линейных оценок;

- экспериментально продемонстрирована возможность использования разработанной лидарной системы для определения физических параметров вулканического пепла;

- проведены оценки высотно-временных вариаций эффективного радиуса, концентрации, комплексного показателя преломления аэрозоля в пограничном слое атмосферы на основе измерений многоволнового лидара.

Научная ценность работы состоит в разработке методики выбора параметров многоволновой лидарной системы, предназначенной для определения физических параметров тропосферного аэрозоля; в создании

алгоритма вычисления микрофизических параметров частиц на основе данных лидарного зондирования, а также в подтверждении корректности метода путем сравнения результатов лидарных измерений с данными солнечны радиометров.

Практическая ценность работы заключается в разработке семейства лидарных систем, которые будут использоваться в долгосрочных исследованиях аэрозоля в стратосфере и тропосфере в условиях метеостанций и на мобильных платформах. Полученные результаты могут быть использованы в климатических моделях, а также для улучшения точности метеопрогнозов.

Положения, выносимые на защиту:

На защиту выносятся следующие положения и результаты, полученные в диссертационной работе:

- многоволновый рамановский лидар на основе ЫскУАв лазера с генератором третьей гармоники, со средней мощностью лазерного излучения не менее 2 Вт на каждой из длин волн, позволяет оценивать физические параметры частиц внутри пограничного слоя с высотным разрешением не хуже 100 м и временным разрешением менее 30 мин при использовании приёмного телескопа с апертурой 400 мм;

- метод линейных оценок позволяет определять размер, концентрацию и комплексный показатель преломления аэрозоля из данных многоволнового лидарного зондирования; при этом скорость вычисления увеличивается по сравнению с алгоритмами, использующими метод регуляризации Тихонова;

- исключение коэффициента общего ослабления на длине волны 532 нм из полного набора оптических данных: трех коэффициентов обратного рассеяния (355, 532, 1064 нм) и двух коэффициентов общего ослабления (355, 532 нм) не приводит к существенной деградации точности оценки параметров частиц;

- значение эффективного радиуса частиц, определённое методом многоволнового зондирования и измеренное с использованием солнечного радиометра различаются не более чем на 25%. Расхождение между реальными частями комплексного показателя преломления, измеренными этими методами, не превосходит 0,05.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается совпадением результатов измерений, полученных с помощью разработанной лидарной системы, с результатами математического моделирования, а также с результатами измерений с помощью солнечных радиометров.

Реализация и внедрение результатов исследований

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях: ООО «Оптосистемы» г. Троицк, ЭМЗ им. Мясищева совместно с ЦАО г. Долгопрудный, ООО «Лазерные системы» г. Санкт-Петербург, в исследовательском центре «TUB1TAK» г. Гебзе (Turkish Scientific and Technological Research Council, Турция).

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на VII Международном форуме «Оптические приборы и технологии - Optics-Expo-2011» (октябрь 2011 г.), на конференциях студентов и аспирантов МИИГАиК в 2010, 2011 годах, также на 25-ой и 26-ой международных конференциях по лазерным радарам (25, 26th International Laser Radar Conference, г. Санкт-Петербург (июль 2010 г.), и г. Порто Хели, Греция (июнь 2012 г) соответственно).

Публикации

Материалы диссертации и её основные результаты опубликованы в 3 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК: «Научно-технический вестник Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики», вып. 1(77), 2012; «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка», вып. 6, 2012 ; «Метеорология и гидрология», вып. 9, 2012.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Список цитируемых литературных источников включает 98 наименований. Общий объем работы составляет 135 страниц, включая 48 рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цели и основные задачи исследования, указаны научная новизна, практическая ценность результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассматривается общая проблематика создания многоволновой рамановской лидарной системы для дистанционного зондирования атмосферы. В простейших лидарах, служащих для исследования аэрозольного состава атмосферы, измерения проводятся на одной длине волны. Такие системы относительно просты, недороги и поэтому получили широкое распространение. Возможности лидарного зондирования значительно расширяются при его проведении одновременно на нескольких длинах волн. Одновременное детектирование сигналов, как упругого, так и рамановского рассеяния на молекулах азота или кислорода позволяет независимо вычислять коэффициенты обратного рассеяния ()3) и общего ослабления аэрозоля (а) на нескольких длинах волн. На основе этих данных могут быть определены микрофизические параметры частиц (размер, концентрация и комплексный показатель преломления) с погрешностью измерений порядка 10%.

На сегодняшний день широкое распространение получили многоволновые рамановские лидары на основе №:УАО лазера с генератором третьей гармоники. Такие системы позволяют измерять три коэффициента обратного рассеяния р (на длинах волн 355, 532, 1064 нм) и два коэффициента общего ослабления а (355, 532 нм). На основе этих данных могут быть определены основные микрофизические параметры аэрозоля. Для

вычисления параметров аэрозоля из измеренных коэффициентов а и (3, как правило, используется метод регуляризации Тихонова. Проведённый анализ показал, что для широкого использования данного класса лидаров необходимо:

обеспечить возможность проведения измерений в полуавтоматическом режиме;

разработать алгоритм инверсии входных оптических данных а и р в физические параметры аэрозоля, обладающий устойчивостью к погрешности входных оптических данных и позволяющий обрабатывать эти данные в режиме реального времени.

Во второй главе приведена методика расчёта и выбора основных параметров многоволновой лидарной системы. Сформулированы эксплуатационные требования к трём лидарным системам (лабораторной, стационарной, самолётного базирования); тем самым определена исходная информация для проведения расчёта основных параметров систем.

Выбор параметров системы начинается с определения необходимой точности определения микрофизических параметров аэрозоля из лидарных измерений. Погрешность определения параметров аэрозоля при использовании метода линейных оценок (подробное описание этого метода приведено в главе 4) определяется выражением

ДР = К(Ш,Г)Ае, (1)

где, АР - вектор погрешности определения микрофизических параметров аэрозоля, таких как объемная и поверхностная концентрация, эффективный радиус; Аг. - вектор погрешности входных данных; Г - матрица, описывающая увеличение погрешности, элементы которой зависят от показателя преломления и размера частиц.

Численный анализ, проведённый в диссертации, показал, что для типичных аэрозолей коэффициент увеличения ошибки составляет порядка трёх. Таким образом, если требуется определить объем или концентрацию частиц с погрешностью 30%, соответствующая погрешность измерений

коэффициентов обратного рассеяния и общего ослабления должна быть на уровне 10%.

При использовании метода Рамана коэффициент обратного рассеяния может быть достаточно просто определён с погрешностью на уровне 5%. В то же время коэффициент общего ослабления характеризуется большими погрешностями. Поэтому при проведении анализа погрешности будут рассматриваться применительно к вычислению коэффициента общего ослабления.

Количество фотонов, зарегистрированных в рамановском канале, определяется уравнением

А- Аг-р„(г)

/V-----е , (2)

где А - энергетические параметры системы, не зависящие от высоты; г -дистанция зондирования; Ос - коэффициент общего ослабления для сигнала упругого рассеяния; аи - коэффициент общего ослабления для сигнала рамановского рассеяния. Пренебрегая разностью между ае и а.я (ае=ац=а), получим:

а«(2)А=-т!5(г)"а»' о)

где а=а„+ат; аа - коэффициент общего ослабления аэрозоля; а„, -коэффициент общего ослабления молекул; 5-1п(Л/г2). Производная в (3) может быть оценена как приращение, и тогда погрешность определения аэрозольного коэффициента общего ослабления может быть оценена как

Да ~ — " 4Дг

(4)

С уменьшением аа погрешность его вычисления возрастает, поэтому

при рассмотрении величин аа мы ограничимся минимальной величиной а„ =0,02 км"1. Типичное значение коэффициента общего ослабления аэрозоля в пограничном слое в средней части России летом составляет порядка

0,2 км"1 на длине волны 355 нм. Таким образом, минимальная величина 0,02 км"1 является допустимой.

При необходимости иметь погрешность определения коэффициента общего ослабления на уровне 10% отклонение этой величины должно быть равно: Даа=0,1аа=2-10"3км"'. Из (2) следует, что Ы~Аг, соответственно

Даа~у^д- что свидетельствует о быстром уменьшении погрешности

измерения аа с увеличением толщины слоя Аг (с уменьшением высотного разрешения измерений). Соответственно

( ' л2

=

(5)

Задавшись Дг=100 м, для обеспечения статистической погрешности вычисления коэффициента экстинкции на уровне 10% из одного высотного слоя должно регистрироваться порядка-106 фотонов.

Количество детектируемых фотонов может быть оценено из лидарного уравнения (2), учитывая, что

A = NL^S■x^r\ , (6)

где количество фотонов, излучаемых в атмосферу; .V - площадь приемного зеркала телескопа; т - коэффициент пропускания оптической системы; т| - квантовая эффективность фотоприёмника.

Вычисление значения N с помощью уравнения (2) затруднено, поскольку это уравнение содержит произведение неизвестных Ы1 ■ £ • Дг • т ■ г|; а требуемый уровень сигнала (количество фотонов М) может быть обеспечен как за счет увеличения энергии лазера, так и за счет увеличения апертуры телескопа. Увеличение толщины слоя Аг, с которого происходит детектирование сигнала, или времени накопления также может приводить к увеличению требуемого количества фотонов.

Для оценки количества фотонов, детектируемых лидарной системой, необходимо использовать лидарное уравнение и модель атмосферы.

Плотность атмосферы бралась из модели стандартной атмосферы США.

Предполагалось, что основная часть аэрозоля содержится в пограничном слое, верхняя граница которого располагается на высоте трёх километров. Коэффициент общего ослабления аэрозоля на длине волны 355 нм брался равным 0,2 км"1. Расчёт коэффициента общего ослабления на другой длине волны производится в соответствии с соотношением вида

где К - параметр Ангстрема.

В расчетах использовалось значение К= 1,4. Лидарное отношение (отношение коэффициентов общего ослабления и обратного рассеяния) для всех трёх длин волн выбиралось равным 60 ср.

Энергия лазерного излучения выбиралась равной 100 мДж на каждой длине волны при частоте повторения импульсов 10 Гц (средние параметры общедоступных лазеров). Высотное разрешение Д2=100 м позволяет профилировать аэрозольный состав атмосферы и является достаточным для большинства климатологических задач. Максимальная высота зондирования предполагалась равной 10 км.

Для выбора предварительной конфигурации системы апертура телескопа принималась равной 400 мм. Определение микрофизических параметров аэрозоля возможно только внутри пограничного слоя, следовательно, высота, на которой проводятся исследования (с использованием рамановских каналов), для нашего случая не превышает трёх километров. В расчётах предполагалось, что коэффициент пропускания системы составляет 30%, квантовая эффективность фотоприемников 10%. Количество фотонов N связано с частотой счета V как

и 2Дг

• (8) Результаты расчетов частоты счёта фотонов и их количества приведены

в табл. 1. В этой таблице указано количество зарегистрированных фотонов за

один лазерный импульс и частоты счета фотонов на высотах 3 км и 10 км.

(7)

Из табл. 1 можно заключить, что с высоты 3 км на длине волны 608 нм регистрируются три фотона за один импульс, т.е. для обеспечения требуемой точности измерения должны проводиться в течение примерно 50 минут (при частоте повторения импульсов лазера 10 Гц). Однако временное разрешение порядка 50 мин оказывается недостаточным для отслеживания временной эволюции вертикального распределения аэрозоля. Увеличив частоту повторения лазерных импульсов до 20 Гц, получим временное разрешение порядка 25 мин, которое является приемлемым для большинства практических задач.

Таблица 1. Частота счета фотонов и количества фотонов, принимаемых

лидарной системой с высоты 3 и 10 км.

Длина волны приемного канала X, нм. Тип рассеяния Частота счета фотонов, принимаемых системой V, МГц. Количество фотонов, принимаемых системой N.

3,05 км 10 км 3,05 км 10 км

355 Рэлеевское 6,3-10' 174 12,6-103 347

532 2,7-103 113 5,5-103 226

1064 308 13 618 27

387 Рамановское наД^ 7,1 0,2 14 0,42

608 3,02 0,12 6 0,25

Обобщая изложенное выше, можно выделить основные пункты

методики определения параметров лидарной системы: 1. Анализ исходных данных, содержащихся в технических требованиях к аппаратуре, а именно:

- определение максимального высотного диапазона атмосферы, в котором будет проводиться зондирование аэрозоля;

- выбор высотного и временного разрешения измерений;

- выбор требуемых микрофизических параметров исследуемых частиц и определение требуемой точности измерений.

2. Формирование эксплуатационных требований к системе энергопотребления, массогабаритных характеристик, рабочего диапазона температур, стойкости к внешним воздействиям и т.д.

3. Выбор спектрального диапазона измерений, количества измерительных каналов и рабочих длин волн, выбор оптической схемы построения телескопа и первоначальное определение принципиальной схемы системы.

4. Оценка погрешности измерений и определение минимально необходимого количества регистрируемых фотонов из одного высотного слоя на каждой длине волны. Выбор энергетических параметров системы в соответствии с обобщенной методикой энергетического расчета оптико-электронных систем.

5. Расчет оптической схемы фотоприёмного модуля, определение диаметра пучка рассеянного излучения в модуле и необходимых апертур оптических элементов, выбор приёмников излучения для каждой из рабочих длин волн.

6. Выбор параметров отдельных узлов: отсекателя оптического излучения, регистрирующего электронного блока, блока синхронизации процессов в лидарной системе.

7. Выбор метода вычисления микрофизических параметров аэрозоля из лидарных данных.

Третья глава диссертации посвящена описанию лидарных систем, созданных по описанной выше методике, а таюке результатам измерений, полученных с их помощью.

Многоволновый рамановский лидар лабораторного использования предназначен для исследования временных и высотных вариаций микрофизических параметров тропосферного аэрозоля. Предполагалось, что система будет использоваться внутри лабораторного помещения и не предусматривались специальные меры для обеспечения её температурной стабильности. Система детектирует три сигнала упругого рассеяния (>.=355,

532, 1064 нм) и два сигнала рамановского рассеяния азота (>.=387, 607 нм). Это позволяет определить три коэффициента упругого обратного рассеяния (ЗР) и два коэффициента общего ослабления (экстинкции, 2а) - так называемый набор (3|3+2а). В свою очередь, такой набор оптических данных дает возможность вычислить микрофизические параметры аэрозоля.

Телескоп системы построен по схеме Ньютона. Фокусное расстояние системы составляет 1200 мм, апертура приёмного зеркала - 400 мм. Лидар создан на основе Nd: YA G лазера с генератором третьей гармоники (энергия на длинах волн 355, 532 и 1064 нм составляет 200, 200 и 300 мДж соответственно при частоте повторения 10 Гц).

Фотоприёмный модуль системы представляет собой семиканальный анализатор спектра, предназначенный для разделения оптического сигнала обратного рассеяния по спектральным каналам и его детектирования. В его состав входит механический отсекатель излучения, служащий для исключения рассеянного излучения вблизи приёмного телескопа.

Таблица 2. Спектральные каналы регистрации фотоприёмного модуля

Название канала Длины волн, нм

Каналы упругого рассеяния 355, 532, 1064

Каналы рамановского рассеяния азота 387, 608

Канал рамановского рассеяния водяного пара 408

Деполяризационный канал 355

При проведении измерений в труднодоступных удалённых районах, а также в условиях метеостанций лидарная система должна работать значительное время (до нескольких суток) без участия оператора. Таким образом, система должна быть защищена от влияния изменения температуры внешней среды. Для возможности реализации этой задачи была разработана стационарная рамановская лидарная система. Дополнительным требованием являлось обеспечение защиты от воздействия перепада температуры. Излучатель и приемная система установлены на общей оптической плите

внутри защитного кожуха, что обеспечивает взаимную механическую устойчивость приемного и передающего трактов. Излучение лазерных импульсов в атмосферу и приём излучения происходит через оптические окна. Для одновременной коллимации лазерных пучков с длинами волн 355, 532, 1064 нм и исключения влияния хроматических аберраций используется внеосевой параболический зеркальный коллиматор.

Лидарная система самолётного базирования создана для использования в самолёте-лаборатории «Атмосфера» на базе самолёта Як-42Д. В системе используется лазер с диодной накачкой, что позволяет снизить энергопотребление, увеличить частоту следования импульсов, увеличить ресурс работы. Система предназначена для исследования как тропосферного, так и стратосферного аэрозоля с высоты порядка 9 км. С этой высоты проводятся измерения или вертикально вверх (зенит), или вертикально вниз (надир) в зависимости от задачи.

В четвёртой главе диссертации приведено описание алгоритма вычисления микрофизических параметров аэрозоля из данных многоволнового лидарного зондирования, основанного на методе линейных оценок. Как правило, для решения соответствующей обратной задачи лидарного зондирования используется метод регуляризации Тихонова, однако этот метод требует значительных временных затрат. Время вычислений становится решающим фактором, когда речь заходит об обработке большого объема данных. Использование метода линейных оценок позволяет увеличивать скорость вычисления параметров частиц; он также более устойчив к погрешностям входных оптических данных.

В методе линейных оценок интегральные свойства частиц представляются в виде линейной комбинации входных оптических данных (а и р). Коэффициент общего ослабления (а) и коэффициент обратного

рассеяния (Р) связаны с объемным распределением частиц по размерам —

(¡Г

посредством интегрального уравнения

8Р= ] К„(т,г)^-{г)(1г, (9)

где />=(/,Я^)=1,...Д0- Индекс р обозначает тип оптических данных (¡=а,(3) и длину волны Хк, К {т,г) - ядро уравнения, зависящее от комплексного показателя преломления т=т1Гьтх и радиуса частицы ге[гтЫ, /•„„„].

Распределение по размерам может быть разложено по ядрам интегрального уравнения:

(¡V

= ('и,'•)*,+<//(>), (10)

где X, - весовой коэффициент разложения, ц/{г)- остаточный член (часть распределения ортогональная к ядрам).

Подставив выражение (10) в уравнение (9), получим:

г™ .V ';,„„

8р = ¡^Кр(т,г)К/т,г)хЛг + | Кр(т,г)у/{г)<1г. (Ц)

Из условия ортогональности остаточного члена <//{/■) по отношению к ядрам интегральных уравнений К (т, г) следует, что

гт,х

\ Кр{т,г)у/{г)с1г = 0. (12)

'¡иш

Выражение (11) можно переписать в матрично-векторной форме:

ё = Сх, (13)

где С - это матрица ковариации, элементы которой равны

Сп= I КД«.г)К/1и,г)А-. (14)

Уравнение (13) может быть решено, если матрица ковариации определена на всём интервале инверсии параметров частиц:

Х = (15)

Распределение по размерам (10) теперь может быть записано в векторно-

матричной форме:

у = КтС-'§. (16)

Соответственно, любая интегральная характеристика частиц Р, например объемная, поверхностная, числовая концентрации, могут быть оценены, как:

Р = \утКтС"^. (17)

Вектор и> - это вектор набора коэффициентов. Например, для объема

1 - 3

поверхностной плотности % = —, а для числовой плотности

ц' = з. Уравнение (17) представляет параметры аэрозольных частиц в 4 лгк

виде линейной комбинации входных оптических данных. Весовые коэффициенты а = \утКтС-1 могут быть рассчитаны для различных показателей преломления и храниться в базе данных. Однако тропосферный аэрозоль характеризуется сильными вариациями временных и пространственных параметров, и априорная информация о показателе преломления, как правило, недоступна, поэтому желательно получить эту информацию непосредственно из данных лидарных измерений. В предложенном алгоритме уравнение (9) решается для различных априорных значений комплексного показателя и интервалов инверсии г„„„.. .г„,а:,. Таким образом, вместо единственного решения мы получаем семейство решений.

Для выбора решения используется метод минимизации невязки. Для этого из набора входных данных удаляется одно данное gp, и оно

вычисляется на основе оставшихся (А'о-1) данных, используя уравнение (17). Процедура эта повторяется для каждого из оптических данных. Невязка

определяется разностью между измеренными gp и рассчитанными §р

величинами

Л'о

^ > р £р

Р = - , (18)

где р= 1.. .Л^, Л'о -количество данных.

Поскольку мы не имеем предварительной информации ни о распределении частиц по размерам, ни о комплексном показателе преломления, то невязка вычисляется для всего предварительного заданного диапазона /"„,,„...г,„,„, лежащего в интервале [0,075... 10] мкм, а также для всего множества значений реальной /»,. и мнимой части т, комплексного показателя преломления. Эти величины обычно рассматриваются в интервалах [1,35...1,65] и [0,00...0,03]. Обычно общее число найденных решений не превышает ЫТ =3000. Опыт использования данного подхода показывает, что предпочтительнее выбирать решение, усредненное вблизи минимума невязки. Такая процедура усреднения стабилизирует решение обратной задачи. Для усреднения решения сортируются по величине невязки от ртШ до ртах. Обычно для усреднения выбирается 1% от общего количества полученных решений.

При вычислении микрофизических параметров аэрозоля используется, как правило, пять оптических данных: три коэффициента обратного рассеяния и два коэффициента общего ослабления, так называемый (Зр+2а) набор. Однако измерения коэффициента общего ослабления на длине волны 532 нм сопряжено со значительными трудностями, особенно в дневное время, поскольку соответствующий сигнал рамановского рассеяния на молекулах азота достаточно слаб. Поэтому в ряде случаев желательно исключить коэффициент общего ослабления на длине волны 532 нм. Проведённое математическое моделирование продемонстрировало, что вычисление микрофизических параметров аэрозоля может быть проведено из сокращенного набора входных оптических данных (3(3+1 а), т.е. исключение коэффициента общего ослабления на длине волны 532 нм не приводит к значительной деградации данных. Для проверки этого вывода было проведено сравнение параметров аэрозоля, рассчитанных из полного (Зр+2а) и сокращенного набора данных (Зр+1а). На рис.2 приведены вертикальные профили объемной концентрации аэрозоля, полученные с использованием

четырёх и пяти входных оптических данных при использовании метода линейных оценок.

Как видно из рис.1, исключение коэффициента общего ослабления на длине волны 532 нм не приводит к существенному изменению профиля, в то время как удаление коэффициента общего ослабления на длине волны 355 приводит к значительным изменениям профиля объемной концентрации. На этом рисунке также показан высотный профиль, полученный с помощью метода регуляризации.

Объемная концентрация, мкм /см

Рис.1. Вертикальные профили объемной концентрации, полученные методом линейной оценки для набора данных Зр+2а и 3(3+ 1а, а также

методом регуляризации для набора 3(3+2а Как видно из рисунка, результаты, полученные с использованием двух методов, хорошо согласуются между собой.

Для иллюстрации корректности рассмотренного метода были проведены вычисления параметров аэрозоля из лидарных данных, полученных с помощью разработанной системы, и проведено их сравнение с результатами измерений, полученных с помощью солнечных радиометров. На рис.2 приведены вариации значений гед и /ил, полученные из данных измерений с помощью солнечных радиометров, проводившихся в течение 14-ти часов. Первые лидарные измерения начались примерно через час после окончания измерений с помощью солнечного радиометра.

Сравнивая рис. 2 и 3, можно заключить, что Гф полученное из лидарных измерений с использованием выше описанного алгоритма, согласуется с результатами измерений с помощью солнечного радиометра.

Так Гф измеренное солнечным радиометром, не сильно изменяется в течение дня и составляет около 0,25 мкм. Соответствующая величина, полученная с помощью лидара, составляет 0,23±0,06 для времени около часа ночи.

0,25

5

г

о 0.20

£

%

0,15-1

iS О)

-е-

£ 0-05-

ÍK

i!( - данные солнечн.радиом. iH на длине волны 674 нм

1,60

-1,55 1.50 1,45 1.40 -1,35 1,30

Всемирное координированное время (1)ТС), часы

Рис.2. График значений эффективного радиуса и действительной части показателя преломления, полученных из данных АЕИ.(ЖЕТ

0.30-,

Всемирное координированное время (UTC), часы

Рис.З. Эффективный радиус частиц (звезды) и действительная часть показателя преломления (круги) вычисленные из лидарных измерений 21

июля 2011 г. Результаты измерений приведены для двух высот 1100 (контурные значки) и 2500 м (закрашенные значки). Высотное разрешение лидарных измерений составляет 200 м

Действительная часть показателя преломления, измеренная солнечным радиометром на длине волны 674 нм, варьирует между величинами 1,39 и 1,46 в течение дня. Соответствующая величина из лидарных измерений варьирует в диапазоне 1,39-1,43, т.е. величины, полученные с помощью лидара и солнечного радиометра, хорошо согласуются между собой.

Исходя из вышесказанного, можно заключить, что параметры частиц, вычисленные из лидарных измерений, могут рассматриваться как достоверные.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В заключении сформулированы основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.

1. Сформулирована методика расчета параметров многоволновой рамановской лидарной системы, предназначенной для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля, связывающая основные параметры лидара с требуемой точностью определения микрофизических характеристик аэрозоля.

2. Расчет мощности рассеянного в атмосфере лазерного излучения на длинах волн, соответствующих упругому рассеянию (355, 532, 1064 нм) и рамановскому рассеянию на молекулах азота (387, 608 нм), показал, что рациональная величина апертуры телескопа лидарной системы для проведения измерений в тропосфере составляет 400 мм при средней мощности лазерного излучения не менее 2 Вт. Лидарная система с такими параметрами обеспечивает вычисление коэффициентов экстинкции и обратного рассеяния аэрозоля в пограничном слое с погрешностью на уровне 10% при высотном разрешении порядка 100 м. При этом временное разрешение измерений составляет не более 25 мин.

3. Определён технический облик трёх лидарных систем: лабораторной, стационарной, системы самолётного базирования. Выбраны технические решения, обеспечивающие долговременную стабильность работы системы.

4. На основе произведенных расчётов были сконструированы и изготовлены три лидарные системы. Лабораторная система была установлена в исследовательском центре ТиВ1ТАК (Турция), стационарная система - в Центральной аэрологической обсерватории (г. Долгопрудный). Система самолётного базирования установлена на самолёт-лабораторию «Атмосфера», созданную на базе самолёта Як-42Д. Лабораторная и стационарная системы использовались для исследования вариаций аэрозоля в пограничном слое атмосферы, а также при исследованиях аэрозольных слоёв, содержащих вулканическую пыль. Результаты долговременных измерений и оценка параметров аэрозольных слоёв подтвердили правильность предложенных методик выбора основных параметров многоволновой лидарной системы.

5. Предложен алгоритм определения интегральных параметров аэрозоля из данных многоволнового лидарного зондирования, позволяющий определять эффективный радиус частиц, концентрацию и комплексный показатель преломления из линейной комбинации коэффициентов обратного рассеяния и общего ослабления аэрозоля. Данный метод увеличивает скорость вычисления по сравнению с алгоритмом, использующим метод регуляризации Тихонова. Алгоритм позволяет вычислять эффективный радиус и объемную концентрацию частиц в диапазоне радиусов от 0,075 до 10 мкм с погрешностью порядка 30% при погрешности входных данных на уровне 10%.

6. Сравнение результатов, полученных с использованием полного набора входных оптических данных (3 коэффициента обратного рассеяния и 2 коэффициента общего ослабления) и сокращенного набора (коэффициент общего ослабления на длине волны 532 нм отсутствует), продемонстрировало, что исключение коэффициента общего ослабления на длине волны 532 нм не влияет существенным образом на результат.

7. Результаты лидарных измерений эффективного радиуса и показателя преломления частиц согласуются с величинами, полученными из

измерений с помощью солнечных радиометров. Отличия в величинах reff, полученных с использованием двух методов, не превосходят 25%, соответственные различия в измерениях mR составляют менее 0,05.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в центральных журналах из перечня ВАК

1. Волков Н.Н. Выбор параметров многоволнового аэрозольного лидара для дистанционного зондирования атмосферы. // Научно-Технический Вестник ИТМО Санкт-Петербург. - 2012. - Вып. 1(77). - С. 6-9.

2. Волков Н.Н. Многоволновый лидар для измерения параметров атмосферного аэрозоля. // Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка -2012. - Вып. №6. - С. 103-107.

3. Присутствие вулканического пепла над территорией РФ вследствие извержения вулкана в Исландии 14-го апреля 2010 г. по данным модельных расчётов и наблюдений. / Ганыпин А.В., Лукьянов А.Н, Хатгатов В.У, Веселовский И.А., Волков Н.Н. // Метеорология и гидрология. - 2012 -Вып. №9. с. 35-41.

Статьи в сборниках статей и конференций

4. Retrieval of time-sequences of particle parameters from multi-wavelength lidar measurements using principal component analysis. / I. Veselovskii, A. Kolgotin, M. Korenskiy, V. Griaznov, D.N. Whiteman, K. Allakhverdiev, F. Huseyinoglu, N. Volkov. // Proceedings of the 25th ILRC. - St. -Petersburg, 5-9 July 2010. - Vol.1. - P. 520-523.

5. Two years operation of multiwavelength aerosol lidar in turkey./ K. Allakhverdiev, M. Huseyinoglul, Z. Salaeval, A. Secginl, I. Veselovskii, M. Korenskii, N. Volkov. // Proceedinds of 26 International Laser Radar Conference, Porto Heli, Greece.-2012.-25-29 June.-Vol.1.-P. 167-170.

6. Linear estimation of time series of bulk particle parameters from multiwavelength lidar measurements./1. Veselovskii, A. Kolgotin, M. Korenskiy, D. Whiteman, O. Dubovik, N. Volkov. // Proceedinds of 26th International Laser Radar Conference, Porto Heli, Greece. - 2012. - 25-29 June. - Vol 1 - P 525528.

Подписано в печать 26.03.2013. Гарнитура Тайме Формат 60790/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 1,5усл. печ. л. Тираж80 экз. Заказ №14-2013 Цена договорная Издательство МИИГАиК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И

КАРТОГРАФИИ (МИИГАиК)

На правах рукописи

04201356567

ВОЛКОВ НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

МНОГОВОЛНОВАЯ ЛИДАРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРОПОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ: МЕТОДИКА РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ И АНАЛИЗА ДАННЫХ

специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Ю.Г. Якушенков

Москва-2013

Содержание стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

Глава 1. Постановка задачи создания многоволновой рамановской лидарной системы..............................................................................13

1.1 Вычисление оптических данных...........................................16

1.2 Решение обратной задачи многоволнового лидарного зондирования с помощью метода регуляризации Тихонова.............................................................................21

1.3 Современное состояние и развитие лидарной техники...............25

Выводы по главе 1..................................................................27

Глава 2. Методика расчета и выбора параметров многоволновых лидарных систем................................................................................28

2.1 Определение конфигурации лидарных систем.........................28

2.2 Расчет и выбор основных параметров многоволновых рамановских лидарных систем...................................................................32

2.2.1 Выбор энергетических характеристик системы................32

2.2.2 Фотоприёмный модуль лидарной системы......................48

2.3 Расчет температурных изменений параметров телескопа...........51

2.4 Методика выбора параметров механического отсекателя оптического излучения...........................................................54

2.5 Методика определения основных параметров многоволновой лидарной системы для дистанционного зондирования атмосферного

аэрозоля..............................................................................58

Выводы по главе 2..................................................................60

Глава 3. Конструкция и параметры лидарных систем. Экспериментальная

оценка работоспособности систем.............................................62

3.1 Многоволновый рамановский лидар лабораторного

использования.......................................................................63

3.1.1 Требования, предъявляемые к лабораторной системе.........64

у ОЛОА .....................................................'

латы измерений, полученные с использованием

й рамановской лидарной системы.............................

1ение лабораторной лидарной системы: исследован]

вулканического пепла в атмосфере.........................

я рамановская лидарная система............................

1ые узлы стационарной лидарной системы..............

¡тема самолётного базирования..............................

еский облик лидарной системы самолётного

3.

Заключение.... Библиография

ВВЕДЕНИЕ

Проблема изучения последствий воздействия деятельности человека на окружающую среду становится всё более актуальной. Увеличение количества антропогенных аэрозольных выбросов в атмосферу, повышение концентрации С02 и других парниковых газов оказывает воздействие на радиационный баланс Земли, и, как следствие, на её климат. Следует отметить, что среди перечисленных факторов воздействие аэрозоля на радиационный баланс изучено в наименьшей степени [1]. Для уменьшения соответствующих погрешностей в климатических моделях необходима глобальная информация об основных микрофизических параметрах аэрозоля, таких как размер частиц, концентрация и комплексный показатель преломления. Одними из наиболее перспективных инструментов, способных дистанционно проводить измерения параметров частиц, являются системы лазерного дистанционного зондирования - лидары [2]. Малая длина волны излучения, сопоставимая с размером аэрозолей, и высокое пространственное разрешение делают лидары уникальным инструментом для исследования аэрозолей и облаков. В настоящее время наблюдается широкое применение лидарных систем для решения самых различных научных и практических задач. Взаимодействие лазерного излучения с частицами и молекулами атмосферы сопровождается разнообразными физическими процессами, такими как упругое рассеяние излучения на молекулах и частицах [3], колебательное и вращательное комбинационное (рамановское) молекулярное рассеяние, деполяризация излучения, лазеро-индуцированная флюоресценция. Таким образом, рассеянное излучение содержит информацию о рассеивающем объекте, а использование этих процессов в лидарном зондировании позволяет создавать системы для измерения микрофизических параметров частиц, температуры, скорости ветра, концентрации газовых составляющих атмосферы [4-15].

Время жизни тропосферного аэрозоля составляет порядка недели, поэтому его пространственное распределение подвержено значительным вариациям. Получение достоверной информации о распределении аэрозоля требует регулярных и глобальных измерений его параметров [16-19], что предъявляет соответствующие требования к создаваемым лидарным системам. Лидары из лабораторного оборудования превращаются в приборы для проведения долгосрочных измерений высотно-временных вариаций параметров частиц в стратосфере и тропосфере [20], а объединение лидаров в сети позволяет получать информацию глобального характера [21].

Актуальность темы диссертации. Тенденции совершенствования лидаров направлены на создание компактных систем с последующей их установкой на мобильные платформы; на проведение долгосрочных измерений в полуавтоматическом режиме с минимальным количеством операторов; на обработку больших массивов данных и получение результатов в режиме реального времени. Важным фактором для развития лидарных систем является снижение их стоимости. Компактность и надёжность эксплуатации при температурных колебаниях также играет немаловажную роль при проведении регулярных измерений. Поэтому при разработке подобных систем необходимо выбирать технические решения, обеспечивающие минимизацию влияния температурных колебаний, физических воздействий, а также простоту и удобство работы с системой. Применяемые методики расчета и выбора основных параметров лидара, а также методики обработки лидарных данных находятся на различных стадиях развития. При использовании их в регулярных измерениях алгоритмы анализа лидарных данных должны обеспечивать возможность обработки больших массивов данных и получение результатов в режиме реального времени. Поэтому данная работа направлена на:

- создание компактной, устойчивой к внешним воздействиям лидарной системы для проведения долговременных измерений;

- определение методики расчета и выбора основных параметров лидарной системы;

- разработку алгоритма и программы, позволяющих обрабатывать болыиние объемы лидарных данных и осуществлять мониторинг высотно-временных вариаций параметров аэрозоля в режиме реального времени.

Целью диссертационной работы является разработка методики выбора технического облика и расчета основных параметров многоволновой лидарной системы, позволяющей определять микрофизические параметры аэрозоля в реальном масштабе времени и работающей на подвижной платформе или в составе метеостанций; создание математических моделей и алгоритмов оперативного анализа лидарных данных, позволяющих определять микрофизические параметры аэрозоля в реальном масштабе времени.

В процессе выполнения диссертационной работы решались следующие задачи:

- разработка методики расчета и выбора параметров многоволнового аэрозольного лидара для дистанционного зондирования атмосферы;

- разработка конструкции многоволновой лидарной системы, предназначенной для установки на платформы авиационного базирования и работы в условиях метеостанции;

- разработка алгоритма оперативной обработки данных зондирования, позволяющего производить пересчет измеренных коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля в микрофизические параметры частиц;

- апробация создаваемого алгоритма обработки лидарных данных с существующими алгоритмами обработки; сравнение параметров частиц измеренных лидарной системой с результатами измерений пассивных методик, например с результатами измерений солнечных радиометров.

Объектом исследования является многоволновая рамановская лидарная система для исследования атмосферного аэрозоля.

В работе применялись следующие методы исследования:

- расчет основных параметров лидарной системы проводился с учетом общей методики энергетического расчета оптико-электронного прибора;

- алгоритм решения обратной задачи многоволнового лидарного зондирования основан на методах факторного анализа и методе регуляризации Тихонова.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

- предложена обобщенная методика расчета и выбора основных параметров многоволновой аэрозольной лидарной системы;

- разработана схема многоволновой рамановской лидарной системы для стационарной и мобильной платформ, способной к проведению долгосрочных измерений высотных вариаций микрофизических параметров в стратосфере и тропосфере;

- созданы алгоритм оперативного анализа данных многоволнового лидарного зондирования и алгоритм восстановления параметров частиц;

- проведён анализ данных многоволнового лидарного зондирования, полученных с использованием разработанных лидарных систем.

Научная ценность работы состоит в определении рациональной методики выбора параметров многоволновой лидарной системы, используемой для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля, а также модернизации методики вычисления микрофизических параметров частиц.

Положения, выносимые на защиту;

На защиту выносятся следующие новые положения и результаты, полученные в диссертационной работе:

- рациональная величина апертуры телескопа лидарной системы для проведения измерений в тропосфере составляет 400 мм при средней мощности лазерного излучения не менее 2 Вт. Лидарная система с такими параметрами обеспечивает вычисление коэффициентов экстинкции и обратного рассеяния аэрозоля в тропосфере с погрешностью на уровне 10% при высотном разрешении менее 100 м;

- выбранные при разработке лидарной системы технические решения обеспечивают долговременную стабильность работы системы при отклонении температуры окружающей среды на величину ±20°С;

- предложенный алгоритм определения интегральных параметров аэрозоля из данных многоволнового лидарного зондирования позволяет определять эффективный радиус частиц, концентрацию и комплексный показатель преломления из линейной комбинации коэффициентов обратного рассеяния и общего ослабления аэрозоля. Данный метод увеличивает скорость вычисления по сравнению с алгоритмом, использующим метод регуляризации Тихонова;

- исключение коэффициента общего ослабления на длине волны 532 нм из полного набора оптических данных: трех коэффициентов обратного рассеяния (355, 532, 1064 нм) и двух коэффициентов общего ослабления (355, 532 нм) не приводит к существенной деградации точности оценки параметров частиц;

- параметры аэрозоля, такие как эффективный радиус, числовая концентрация, комплексный показатель преломления, полученные из данных лидарных измерений, хорошо согласуются с результатами измерений, полученными с помощью солнечных радиометров.

Практическая ценность работы заключается в разработке семейства лидарных систем, которые будут использоваться в долгосрочных исследованиях аэрозоля в стратосфере и тропосфере в условиях метеостанций и на мобильных платформах. Полученная информация о высотных вариациях микрофизических параметров аэрозоля должна

позволить оценить содержание аэрозолей естественного и антропогенного происхождения в атмосфере. Полученные результаты могут быть использованы в климатических моделях, а также для улучшения точности метеопрогнозов.

Реализация и внедрение результатов исследований

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях: ООО «Оптосистемы» г. Троицк, ЭМЗ им. Мясищева совместно с ЦАО г. Долгопрудный, ООО «Лазерные системы» г. Санкт-Петербург, в исследовательском центре «TUBITAK» г. Гебзе (Turkish Scientific and Technological Research Council, Турция).

Апробация результатов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на VII Международном форуме «Оптические приборы и технологии - Optics-Expo-2011» (октябрь 2011 г.), на конференциях студентов и аспирантов МИИГАиК в 2010, 2011 годах, также на 25-ой и 26-ой международных конференциях по лазерным радарам (25, 26th International Laser Radar Conference, г. Санкт-Петербург (июль 2010 г.), и г. Порто Хели, Греция (июнь 2012 г) соответственно).

Публикации

Материалы диссертации и её основные результаты опубликованы в 3 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК: «Научно-технический вестник Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики», вып. 1(77), 2012; «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка», вып. 6, 2012 ; «Метеорология и гидрология», вып. 9, 2012.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Список цитируемых литературных источников включает 98 наименований. Общий объем работы составляет 135 страниц, включая 48 рисунков и 7 таблиц.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, указаны научная новизна, практическая ценность результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассматривается общая проблематика создания многоволновой рамановской лидарной системы для дистанционного зондирования атмосферы. Рассмотрены аспекты лидарного зондирования, и методики вычисления коэффициентов рассеяния аэрозоля из лидарных данных. Приведены уравнение рамановского лидарного зондирования и формулы для вычисления коэффициентов обратного рассеяния и общего ослабления аэрозоля, а также коэффициента деполяризации частиц. Приведено краткое описание решения обратной задачи лидарного зондирования при помощи метода регуляризации Тихонова. Рассмотрены основные тенденции развития систем лидарного зондирования атмосферного аэрозоля.

Во второй главе приведена методика расчёта и выбора основных параметров многоволновой лидарной системы. Сформулированы эксплуатационные требования к трём лидарным системам (лабораторной, стационарной, самолётного базирования), тем самым определена исходная информация для проведения расчёта основных параметров систем. На основе моделирования процесса лидарного зондирования проводится оценка количества фотонов, принимаемых лидарной системой с различных высот. На основании расчёта выбраны основные энергетические параметры системы. Рассмотрен геометрический фактор перекрытия, характеризующий высоту, на которой лазерный пучок полностью входит в угловое поле телескопа, т.е. минимально возможную высоту проведения зондирования. Сформулированы основные требования к передающей системе и лазерному излучателю, применяемых в различных модификациях лидарных систем. Рассмотрена структура фотоприёмного модуля и приведено описание её

конкретных элементов. Произведён расчёт влияния температурных колебаний на конструкцию лидарной системы, на основе чего определён рабочий температурный диапазон, при котором сохраняется работоспособность системы. Рассмотрена возможность совместного применения двух отсекателей сигнала (механического и электронного) рассеянного излучения на малых высотах.

Третья глава диссертации посвящена описанию разработанных лидарных систем и результатам измерений, полученных с их помощью. В главе приведены типичные лидарные сигналы, соответствующие упругому и рамановскому рассеянию излучения на различных длинах волн, полученные с помощью лабораторной лидарной системы. Из измеренных лидарных сигналов вычисляются оптические данные: коэффициенты обратного рассеяния и общего ослабления аэрозоля. Приведены также высотно-временные распространения коэффициентов общего ослабления, вычисленные при помощи методов Клетта и Рамана. В разделе 3.1.4 приведены результаты измерений аэрозольных слоёв над Московской областью, содержащих вулканический пепел, появившийся в результате движения воздушных масс при извержении вулкана в Исландии. Проведено сравнение с существующими результатами моделирования переноса продуктов извержения вулкана. Показано, что результаты хорошо согласуются между собой.

В четвёртой главе диссертации приведено описание алгоритма восстановления микрофизических параметров аэрозоля, основанного на методе линейных оценок. Данный метод позволяет увеличивать скорость вычисления параметров частиц: он также более устойчив к погрешностям входных оптических данных. Показано, что решение обратной задачи стабильно, как для малых, так и для больших частиц, и даже при 20% погрешност�