Содержание к диссертации
Введение
1. Задача интерпретации данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля 29
1.1. Задача определения оптических параметров атмосферы по сигналам обратного рассеяния 29
1.2. Оценка аэрозольной микроструктуры по лидарным данным 40
Выводы 43
2. Методы интерпретации сигналов обратного рассеяния 44
2.1. Традиционный подход к интерпретации лидарной информации 44
2.2. Строгое решение лидарного уравнения 48
2.3. Интегральное решение лидарного уравнения 59
2.4. Моделирование оптических свойств аэрозольных частиц 63
Выводы 72
3. Интегральный метод лидарного зондирования атмосферного аэрозоля 75
3.1. Анализ точностных характеристик метода 75
3.2. Результаты анализа характеристик трехпозиционных схем зондирования
3.3. Результаты анализа характеристик метода для схем зондирования различной позиционности 92
3.4. Точностные характеристики схем зондирования неоднородной атмосферы 97
Выводы 103
4. Результаты применения интегрального метода обработки данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля 105
4.1. Интерпретация результатов лидарного зондирования атмосферы в окрестности пересечения городских автомагистралей 109
4.2. Результаты применения интегрального метода для обработки данных Комплексного ленинградского эксперимента 116
4.3. Результаты обработки данных эксперимента АВТОЭКС-88 121
4.4. Интерпретация результатов самолётного лидарного зондирования атмосферы 124
4.5. Результаты интерпретации данных лидарного зондирования неоднородной атмосферы 131
4.6. Результаты определения характеристик микроструктуры атмосферного аэрозоля 150
Выводы 5. Точностные характеристики методов интерпретации слабых лидарных сигналов 181
5.1. Интерпретация лидарных сигналов с известной фоновой засветкой 181
5.2. Интерпретация лидарных сигналов с неизвестной фоновой засветкой 194
5.3. Интерпретация лидарных сигналов, содержащих систематическую погрешность 224
5.4. Интерпретация сигналов двухпозиционной лидарной системы 240
Выводы 246
Заключение 248
Список обозначений и сокращений 255
Литература 256
- Оценка аэрозольной микроструктуры по лидарным данным
- Строгое решение лидарного уравнения
- Результаты анализа характеристик трехпозиционных схем зондирования
- Результаты применения интегрального метода для обработки данных Комплексного ленинградского эксперимента
Введение к работе
Процесс хозяйственной деятельности человека вызывает рост
загрязнения воздушного бассейна. В настоящее время в практике
определения концентраций загрязняющих веществ используются, в
основном, контактные методы измерений. Недостаток этих методов
состоит в том, что они дают возможность определять локальные
значения характеристик загрязнения атмосферы. В частности,
оптическими счетчиками частиц и фильтровыми аспирационными
устройствами измеряются параметры аэрозоля лишь в
непосредственной близости от этих приборов, что не позволяет
оперативно определять пространственное распределение
загрязняющих компонентов.
Для определения пространственного распределения
атмосферного аэрозоля, газовых компонентов атмосферы, для
измерения метеорологической дальности видимости в нашей стране
и за рубежом интенсивно разрабатываются методы дистанционного
лазерного (лидарного) зондирования среды. Применение лидарных
методов для мониторинга состояния атмосферы целесообразно в
связи с тем, что они обеспечивают дистанционность, высокое
пространственное разрешение и оперативность выполнения
измерений. Т.о. лидарная информация о природной среде важна для
решения проблемы экологического мониторинга, в том числе, при
возникновении чрезвычайных ситуаций, когда отсутствует доступ к объектам мониторинга и его выполнение использующимися методами контактных измерений невозможно.
Вместе с тем, разработка метода лидарного зондирования атмосферы предполагает решение обширной научной проблемы, предусматривающее учет ряда особенностей приемопередающей аппаратуры, физических особенностей аэрозольных частиц и распространения излучения в рассеивающей среде, а также решение проблемы интерпретации лидарной информации. Успешное развитие лидарной техники привело к необходимости сконцентрировать усилия на решении методических задач. В свою очередь, результаты решения методических задач позволяют скорректировать направления развития лидарной техники.
Особенно сложной является задача дистанционного лазерного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, зондирования, выполняемого на значительных расстояниях от лидара. Это связано с существенной ролью случайной и систематической погрешности измерений, включая погрешности из-за фоновой засветки, сдвига нуля эхо сигнала и неточности его коррекции на геометрический фактор.
Работа посвящена проблеме интерпретации результатов зондирования атмосферы лидарными системами и направлена на
совершенствование методов лидарных измерений параметров
атмосферного воздуха. Особое внимание уделяется лидарному
измерению наклонной дальности видимости (НДВ).
Рассматриваются вопросы достоверности, с которой оптические и микрофизические характеристики атмосферы определяются по результатам измерений сигналов обратного рассеяния малой мощности.
Наиболее острой задачей метеорологического обеспечения современной авиации является получение оперативной информации о состоянии нижнего слоя атмосферы, от которого зависит возможность посадки и взлета самолетов, особенно, в сложных метеорологических условиях. При решении этой задачи необходима достоверность получаемой информации, в том числе, визуальной НДВ взлетно-посадочной полосы. Резко выраженная пространственно-временная изменчивость величины НДВ существенно затрудняет получение надежной информации. Кроме того, для определения такого важного параметра как НДВ метеослужба до настоящего времени вообще не располагает необходимой аппаратурой.
Решение проблемы совершенствования методов
дистанционного зондирования атмосферы, в настоящее время, приобретает особую актуальность. Большая трудность, с которой
сталкивается разработка методов лидарного зондирования атмосферы, обусловлена неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе интерпретации результатов и математической некорректностью обратной задачи, прежде всего, в условиях зондирования слабо рассеивающей атмосферы. Эти особенности негативно сказываются на достоверности определения искомых величин и существенно усложняют проблему. Несмотря на многочисленные попытки её решения, получаемая лидарная информация позволяет лишь качественно описать состояние среды.
Таким образом, на современном этапе создания технологии
дистанционного лазерного мониторинга аэрозоля приоритетным
является решение проблемы получения достоверной
количественной информации методами лидарного зондирования атмосферы.
Состояние вопроса. Лидарное зондирование атмосферы относится к наиболее активно развиваемым направлениям геофизики. Важные для решения проблемы результаты получены многими исследователями в нашей стране и за рубежом. В настоящее время достигнуты значительные успехи в решении комплексной научной проблемы создания приемопередающей аппаратуры для определения физических свойств аэрозольных частиц, концентраций аэрозоля и концентраций газовых
компонентов, загрязняющих атмосферу. Решен ряд вопросов, связанных с геометрическими особенностями приемопередающей схемы лазерных устройств; особенностями спектрального диапазона лазерного излучения; особенностями регистрирующей аппаратуры, в том числе, связанными с длительностью и формой зондирующего импульса, кратностью рассеяния лазерного излучения частицами аэрозоля; особенностями распределения аэрозольных частиц по размерам, их структуры, химического состава. Удалось обеспечить требуемую ширину полосы пропускания и чувствительность приемной аппаратуры. В соответствующих разделах работы анализируется состояние исследований по конкретным направлениям.
Решению проблемы лидарного зондирования атмосферы,
учитывающему перечисленные особенности, посвящены
монографии /1-6/ и многочисленные статьи. Развитие методов лидарного зондирования атмосферы невозможно без учета достижений в области исследования распространения лазерного излучения в среде, включая исследования влияния кратности рассеяния на перенос лазерного излучения, в области развития лидарной техники, в направлении исследования оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц и других направлениях /7-17/.
Вместе с тем, требуются дальнейшие усилия в области разработки методов интерпретации лидарной информации. Существенная трудность, с которой сталкивается разработка методов лидарного зондирования атмосферы /18/, обусловлена неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе интерпретации результатов. Это уравнение связывает эхо сигнал (сигнал обратного рассеяния), принимаемый лидаром, с оптическими параметрами атмосферы. Приходится решать задачу со многими неизвестными. Обращаемое уравнение содержит более чем одну величину, неизвестную во многих точках пространствах (два неизвестных коэффициента: коэффициент ослабления и коэффициент обратного рассеяния) и не может быть решено относительно неизвестных величин без введения дополнительных априорных предположений. В частности, вводятся предположения об оптической однородности среды вдоль трассы зондирования, о зависимости между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния и др. /19—23/. Однако достоверность определения искомых параметров, в том числе, наклонной дальности видимости, часто оказывается недостаточной при применении этого традиционного подхода к интерпретации лидарных данных. (Данный подход, основан на однопозиционном зондировании и решении неопределенной обратной задачи
оптической локации). Это снижает точность определения искомых величин, а требование реалистичности предположений существенно усложняет проблему. Проблема, связанная с неопределенностью лидарного уравнения, обращаемого в процессе интерпретации (с неполнотой информации), и с некорректностью обратной задачи, решается посредством привлечения априорных данных о состоянии атмосферы, которые невозможно проверить в рамках существующих методов. Это негативно сказывается на достоверности определения прозрачности метеообразований, концентраций частиц и других характеристик среды и является существенным недостатком известного подхода. Информативность лидарных измерений оказывается особенно низкой при зондировании неоднородной атмосферы.
В настоящее время развиваются два альтернативных направления решения данной проблемы. Направление однопозиционного зондирования базируется на традиционных допущениях о состоянии среды (вводимых для решения лидарного уравнения /24—36/). Новое нетрадиционное направление многопозиционного зондирования включает разработку методов, основанных на строгом решении обращаемого уравнения /37—52/. Оно отличается геометрической схемой зондирования исследуемого объема атмосферы: зондирование осуществляется не
по одной, а по различным трассам, пересекающим объем. Нетрадиционные методы дистанционного зондирования не предполагают введения априорных допущений в целях повышения достоверности результатов измерений. Однако она часто недостаточно высока, поскольку строгое решение является дифференциальным.
При обработке слабых сигналов на результаты решения обратной задачи существенно влияют случайные погрешности измерений, погрешности из-за фоновой засветки, систематические погрешности эхо сигнала.
Сложность учета рассмотренных особенностей лидарного определения оптических характеристик атмосферы в проблеме интерпретации данных зондирования дополняется сложностью параметризации оптико—микроструктурных свойств аэрозольных частиц.
Задача нахождения этих связей особенно сложна в условиях загрязненной атмосферы крупных городов, а также вблизи от них. При ее решении следует учитывать существование различных источников аэрозоля, поставляющих в атмосферу частицы, различающиеся по размеру, химическому составу, оптическим свойствам. Соответственно источникам атмосферный аэрозоль можно разделить на фракции /53/. Источником фракций мелких
частиц являются промышленные и транспортные выбросы.
Концентрации этих частиц определяют оптические характеристики
аэрозоля, что дает возможность использования оптических методов
измерений их параметров. Вместе с тем, микрооптические
характеристики аэрозоля техногенного происхождения, найденные
на основании анализа обширного экспериментального материала,
часто не удается удовлетворительно описать с использованием
традиционных моделей частиц. Для объяснения результатов
анализа и использования их при разработке методов зондирования
важно предложить реалистическую оптическую модель частицы.
Наряду с недостаточной исследованностью микрооптических
свойств аэрозольных частиц сложность проблемы обусловлена
значительной пространственно-временной изменчивостью
характеристик атмосферного аэрозоля.
Источник крупных частиц — подстилающая поверхность. Оптические свойства аэрозоля зависят от содержания этой фракции в меньшей степени.
Зависимость результатов измерений от количества фракций и микрооптических свойств частиц негативно сказывается на достоверности этих результатов.
Отмеченные обстоятельства не позволяют эффективно обработать имеющиеся и получаемые экспериментальные данные.
Остаются существенные трудности в решении проблемы интерпретации лидарной информации (на достоверности результатов интерпретации данных негативно сказываются особенности обратной задачи, решаемой в процессе интерпретации: ее неопределенность и некорректность). Целесообразна разработка методов обработки сигналов лидарного зондирования, сочетающих достоинства традиционного и нетрадиционного подходов, учитывающего особенности атмосферного аэрозоля. Актуален анализ накопленного экспериментального материала /54—58/ на основе этих методов, необходима разработка методов обработки слабых сигналов лидарного зондирования на основе строгого решения лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки в качестве неизвестного параметра.
Цель работы — повышение достоверности результатов интерпретации лидарной информации на основе применения усовершенствованных алгоритмов обработки экспериментальных результатов (включая интегральные).
Алгоритмы базируются на строгом решении обратной задачи, апостериорной оценке возможности введения дополнительных данных, реалистическом описании физических свойств аэрозольных частиц. Исследование направлено на разработку метода лидарного зондирования неоднородной атмосферы, не
требующего привлечения непроверяемой априорной информации и процедуры непосредственного дифференцирования сигналов обратного рассеяния, метода лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, зондирования, выполняемого на значительных расстояниях от лидара. В отличие от традиционного подхода рассматривается статистическое интегральное решение обратной задачи многолучевого лидарного зондирования среды. Решение предназначено для практики лидарного определения метеорологической дальности видимости (в первую очередь, наклонной) и атмосферных загрязнений.
Основные задачи исследования, которые решаются для достижения цели и решение которых составляет содержание работы:
- анализируются особенности методов, применяемых для
определения параметров атмосферного аэрозоля, оцениваются
систематические погрешности, существенно влияющие на
результаты решения обратной задачи, и разрабатываются схемы
обработки сигналов лидарного зондирования атмосферы и
алгоритмы, учитывающие особенности измерительной аппаратуры
и условия зондирования;
— оценивается точность методов, предназначенных для
повышения достоверности результатов лидарного зондирования
атмосферы; оцениваются возможности методов, предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного определения НДВ;
— осуществляется моделирование эхо сигнала, принимаемого
лидаром, решение прямой и обратной задачи с введением
возмущения в сигнал обратного рассеяния при вычислении
коэффициента ослабления с учетом экспериментальных данных;
— осуществляется моделирование процесса рассеяния
электромагнитных волн облучаемыми структурами, необходимое
для уточнения микрооптических характеристик аэрозоля, с учетом
экспериментальных данных;
анализируется наблюдательный материал, собранный в процессе выполнения экспериментов /55, 58/, позволяющий учесть при исследовании и разработке схем обработки эхо сигналов особенности аппаратуры и условия зондирования атмосферы;
выполняется сравнительный анализ данных лидарных, трансмиссометрических и других измерений, выполненных в Ленинградской области и в разнообразных других условиях (в крупном промышленном центре, пустынной, горной зонах) в целях расширения области применимости разрабатываемых схем.
Методы исследования базируются на строгом решении лидарного уравнения. Используются методы численного анализа,
компьютерное моделирование с применением данных натурных экспериментов, статистический анализ.
Научная новизна работы. В работе систематизируются и обобщаются итоги исследований точностных характеристик методов лидарного зондирования атмосферы, включая интерпретацию данных натурных экспериментов (Комплексного ленинградского эксперимента — КЛЭ, Советско—американского эксперимента АВТОЭКС и др.), авиалидарного зондирования, моделирование слабого эхо сигнала, принимаемого лидаром, решение прямой и обратной задачи с введением возмущения в сигнал обратного рассеяния. К основным научным результатам работы, относятся:
найдено новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций — коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния,
выполнен анализ погрешностей определения искомых характеристик для симметричных схем обработки данных (для двух равных шагов дифференцирования) и несимметричных схем (для
двух разных шагов дифференцирования). На основе анализа показано, что погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы;
— установлена специфика применения дифференциальных и
интегральных методов в практике лидарного зондирования;
— построены новые интегральные решения лидарного
уравнения, на которых базируется метод измерения прозрачности
атмосферы и НДВ;
на основе найденных решений лидарного уравнения на уровне изобретений разработаны методы многопозиционного лидарного зондирования;
показано, что повышенная точность методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующихся на строгом решении лидарного уравнения, обусловлена определенностью их области применимости;
— установлено, что для адекватного описания характеристик
неоднородной атмосферы необходимо сочетание строгого и
интегрального решений лидарного уравнения и учет возможности
существенных вариаций связей между коэффициентами ослабления
и обратного рассеяния;
— показано, что повышение достоверности результатов
интерпретации данных лидарного зондирования нетрадиционными
методами достигается посредством привлечения апостериорной
информации.
Таким образом, совокупность сформулированных и обоснованных в диссертационной работе положений можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области многопозиционного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующегося на строгом решении лидарного уравнения. Основные положения, выносимые на защиту:
— новое строгое решение лидарного уравнения, включающего
мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве
независимых переменных рассматриваются координаты точек
посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и
которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух
неизвестных функций — коэффициента ослабления и коэффициента
обратного рассеяния,
— симметричные и несимметричные схемы реализации найденного решения, отличающиеся случайной погрешностью коэффициента ослабления и фоновой засветки,
основы метода лидарного зондирования, осуществляемого в неоднородной атмосфере вдоль трасс, пересекающихся в точках, принадлежащих исследуемому объему;
интегральные решения лидарного уравнения, исключающие процедуру дифференцирования на участках неоднородной среды и предназначенные для обработки сигналов многопозиционного лидарного зондирования атмосферы;
схемы лидарного зондирования атмосферы с апостериорно проверяемой эффективностью, предназначенные для достижения приемлемых погрешностей интерпретации данных эксперимента.
Достоверность полученных результатов подтверждается тем,
что в работе используется подход, базирующийся на строгом
решении лидарного уравнения, являющегося следствием
фундаментального уравнения переноса радиации в дисперсных
средах, причем данное решение не предполагает введения
традиционных непроверяемых априорных допущений. Разработка
методов лидарного зондирования производится на основе
найденных решений и с учетом данных натурных экспериментов.
Установлена сопоставимость результатов определения
характеристик атмосферы лидарными методами и традиционными контактными методами измерений.
Обоснованность результатов обусловлена
аргументированностью исходных положений исследований, выполненных с применением современного математического аппарата, и логической последовательностью рассуждений.
Практическая значимость работы определяется, в соответствии с поставленной целью, повышением достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы. Полученные результаты использованы в учебном процессе в РГГМУ, для интерпретации данных натурных экспериментов и могут быть использованы для целей совершенствования лазерных технических средств, предназначенных для определения дальности видимости на аэродромах, для наземного и авиалидарного мониторинга загрязнения атмосферы.
Личный вклад автора
Все основные результаты получены автором лично. Автор выполнил анализ современного состояния проблемы. Нашел новые дифференциальные и интегральные решения лидарного уравнения. Разработал эффективные схемы реализации найденного решения. Применил полученные результаты для интерпретации данных натурных экспериментов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ряде научных конференций:
— конференции-выставке "Экология и современные
технологии" (Санкт-Петербург, 1995),
— Четвертой международной школе—семинаре—выставке
"Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург,
1995),
— семинаре Российского аэрозольного общества (Санкт-
Петербург, 1997),
— Международном конгрессе PARTEC 98 (Нюрнберг, 1998),
— семинаре "Аналитическое приборостроение для энергетики
и точного машиностроения" (Сосновый Бор, Ленинградская
область, 2001),
— III, IV Международной конференции "Естественные и
антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 2001, 2003),
научно-технической конференции, посвященной 75—летию Архангельского ГТУ (2004),
международной школе — конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда», РГГМУ, 2005,
— итоговой сессии Ученого совета РГГМУ (2006, 2008).
Публикации. Основные результаты, обобщенные и
систематизированные в работе, отражены в 33 научных трудах и
изобретениях:
1. Егорова И.А. Способ оптического определения концентрации
газовых компонентов атмосферы. А.с. № 1781656 // Бюл. изобр. — 1992. -№ 46;
2. Егорова И.А. Способ определения концентраций газовых
компонентов атмосферы. А.с. № 1822946 // Бюл. изобр. — 1993. — №
23;
3. Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения концентрации
газовых компонентов слоя атмосферы. Патент РФ № 2017139 //
Бюл. изобр. - 1994. - № 14;
4. Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения профиля
коэффициента ослабления на заданном участке атмосферы. Патент
РФ № 2018104 // Бюл. изобр. - 1994. - № 15;
Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения коэффициента ослабления в центре участка неоднородной атмосферы. Патент РФ № 2041475 // Бюл. изобр. - 1995. - № 22;
Егоров А.Д., Потапова И.А., Щукин Г.Г. Методы лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Оптический журнал. — 2001.-том 68.-№11;
* Егорова И.А. - Потапова И.А. с 1998 г.
Егоров А.Д., Потапова И.А. Ржонсницкая Ю.Б. Обращение лидарных сигналов малой мощности / Оптический журнал. — 2007. - том 74. - №10;
Yegorov A.D., Potapova I.A., Rzhonsnitskaya Yu.B. Atmospheric aerosols measurements and reliability problem/ International Journal of Remote Sensing, 2008; том 29, 2449 - 2468;
Егоров А.Д., Потапова И.А. Определение характеристик аэрозоля лидарными системами //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2002, вып.4 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 552), с.14 - 18;
10. Егоров А. Д., Потапова И.А. Лидарные исследования
прозрачности атмосферы //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2004,
вып.5 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 553), с. 131 - 142;
Егоров А.Д., Потапова И.А. Анализ погрешностей обращения лидарных сигналов малой мощности //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2005, вып.6 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 554), с. 62 - 66;
Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Систематические погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2006, вып.7 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 555), с. 30 — 34;
Егоров А.Д., Егорова И.А. Вопросы повышения эффективности интерпретации лидарной информации // В кн "Альтернативные направления интерпретации лидарной информации". — СПб — 1993;
Егоров А.Д., Егорова И.А. Альтернативные схемы обработки сигналов обратного рассеяния. СПб. — 1994;
Егорова И.А. Лидарное зондирование загрязняющего атмосферу аэрозоля // В кн.: IV Школа-семинар—выставка "Лазеры и современное приборостроение" (Тезисы докладов.). СПб — 1996;
16. Yegorov A.D., Yegorova I.A. Comparative analysis of
multipositional remote sensing techniques II Image processing, and
synthetic Aperture Radar for Remote sensing, proc. of SPIE. —1997. —
v.3217;
17. Yegorov A.D., Obraztsov S.P., Potapova LA. Inuniform particle
sizing by optical counter II PARTEC 98 7th European Symposium
Particle Characterization, Niirnberg: Niirnberg Messe GmbH — 1998. —
pp.863-866 II Abstracts, p.93;
18. Потапова И.А. Лазерное многолучевое определение
метеорологической дальности видимости в неоднородной
атмосфере // В кн.: Труды конференции молодых ученых
национальных гидромедслужб стран СНГ (Тезисы докладов.).
Москва- 1999;
19. Потапова И.А. Метод интерпретации данных лидарного
зондирования (на англ. яз.: Lidar data processing technique for
aerosol sounding) II В кн.: Ill Международная конференция
"Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб - 2001;
Егоров А.Д., Потапова И.А., Синькевич А.А. Интерпретация данных самолётного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Межвузовский сборник научных трудов "Методы и устройства передачи и обработки информации", Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2001, с. 63 — 70;
Потапова И.А. Восстановление аэрозольных характеристик по данным лидарного зондирования неоднородной атмосферы // Автореферат канд. дисс, СПб — 2001;
22. Потапова И.А. Измерение аэрозольных характеристик
лидарными системами / Тезисы Международного симпозиума
стран СНГ МСАР-2002, СПб, 2002;
Потапова И. А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования (на англ. яз.: Lidar data processing technique for aerosol sounding) II В кн.: Труды III Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб — 2003;
Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Обращение лидарных сигналов малой мощности/ Тезисы IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". — Санкт-Петербург, 2003;
Потапова И. А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Сборник научных трудов «Наука - северному региону», вып. LX, Изд. АГТУ, 2004;
Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Методы лидарного определения параметров атмосферы/ Тезисы Международного симпозиума стран СНГ МСАР-2004, СПб, 2004;
Yegorov A.D., Yegorova I.A. Error analysis of weak lidar signals inverting. 31 International Symposium on Remote Sensing of Environment, St.Petersburg, Russia, 2005, 810.pdf;
Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б. Систематические и случайные погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности / Деп. в ИЦ ВНИИГМИ-МЦД, 2005;
Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б. Особенности лидарного зондирования атмосферного аэрозоля/ Сборник трудов международной школы — конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда», РГГМУ, 2005, с.24 - 25;
Егоров А.Д., Потапова И.А. Ржонсницкая Ю.Б. Обращение слабых сигналов и достоверность результатов лидарных измерений /Тезисы Международного симпозиума МСАР-2006, СПб, 2006;
Егоров А.Д., Потапова И.А. Ржонсницкая Ю.Б. Обращение слабых сигналов и достоверность результатов лидарных измерений /Тезисы XIII Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2006;
32. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б.
Особенности лидарного зондирования атмосферного аэрозоля
/Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета РГГМУ, СПб,
2006, с.37-38;
33. Потапова И. А. Оценка инструментальных погрешностей
лидарных измерений атмосферных характеристик/ Ученые записки
РГГМУ, в печати.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы — 203 наименования, списка обозначений и сокращений. В ней содержится 290 страниц текста, 19 таблиц, 45 рисунков.
Оценка аэрозольной микроструктуры по лидарным данным
Для интерпретации результатов лидарного определения аэрозольной микроструктуры по данным измерений оптических параметров атмосферы необходимо знание оптико— микроструктурных связей частиц. Задача нахождения этих связей особенно сложна в условиях загрязненной атмосферы крупных городов. При ее решении следует учитывать существование различных источников аэрозоля, поставляющих в атмосферу частицы, различающиеся по размеру, химическому составу, оптическим характеристикам /91, 92/. Соответственно источникам атмосферный аэрозоль можно разделить на фракции, как было указано выше.
Концентрация фракции мелких частиц определяет оптические свойства аэрозоля /92/. Источником этих частиц являются промышленные и транспортные выбросы. Вклад крупных частиц определяет суммарную массовую концентрацию аэрозоля. Их источник — подстилающая поверхность /53/.
С этим обстоятельством связано существование четко выраженной сезонной изменчивости коэффициента ослабления и массовой концентрации частиц /57, 93/. Максимум коэффициента ослабления приходится на зимний, а минимум — на летний период. В отличие от коэффициента ослабления зимой наблюдается минимум массовой концентрации частиц. Её максимум приходится на весенний период.
Зимний аэрозольный максимум, зарегистрированный в процессе лидарного зондирования атмосферы, и, вместе с тем, зимний минимум массовой концентрации частиц обязаны своим существованием упомянутым выше разным источникам аэрозоля. Поскольку источник мелких частиц — промышленные и транспортные выбросы, сезонная изменчивость коэффициента ослабления, связанного с концентрацией этой фракции, обусловлена сезонной изменчивостью интенсивности хозяйственной деятельности человека. С другой стороны, минимум суммарной массовой концентрации, источником которых является подстилающая поверхность, приходится на зимний период, когда она покрыта снегом. Её максимум наблюдается весной, когда уже нет снега, но ещё незначительны жидкие осадки.
Таким образом, задача установления оптико— микроструктурных связей аэрозольных частиц достаточно сложна из—за существования различных аэрозольных фракций. Среди других факторов, усложняющих задачу, можно выделить значительную изменчивость микрооптических характеристик частиц, не укладывающуюся в рамки теории рассеяния света однородной частицей. В связи с этим актуально моделирование микрооптических свойств атмосферного аэрозоля, чему посвящен ряд работ /91, 94-98/.
Моделирование процесса рассеяния электромагнитных волн облучаемыми аэрозольными структурами предполагает решение системы уравнений Максвелла относительно векторов напряженностеи электрического и магнитного полей и учет экспериментальных данных /99—106/.
Выводы
Целесообразна разработка методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующихся на эффекте эластичного обратного рассеяния, сочетающих преимущества строгого и интегрального решения лидарного уравнения и учитывающих эффект солнечного излучения, рассеянного атмосферой в направлении на приемное устройство лидара. Актуален теоретический анализ оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц, найденных экспериментальным путем, и моделирование их оптических свойств на этой основе.
Строгое решение лидарного уравнения
Для получения аналога традиционного интегрального решения лидарного уравнения оно формулируется в терминах Клетта и заменяется системой уравнений Клетта на трассах многопозиционного зондирования в тех случаях, когда, в отличие от предыдущего раздела, внутри зондируемой области отсутствуют участки сравнительно однородной атмосферы. Проблема неопределенности рассматриваемой системы решается тогда разработкой схем обработки сигналов обратного рассеяния, предполагающих пересечение трасс в точках, принадлежащих исследуемому объему, и апостериорным определением связи неизвестных коэффициентов в конкретных условиях зондирования неоднородной среды.
Моделирование рассеяния излучения частицами основывается на решении системы уравнений Максвелла относительно векторов напряженностей электрического и магнитного полей /99, 100/. Традиционные методы решения уравнений Максвелла базируются на использовании специальных функций. Это ограничивает область их применимости: рассматриваются частные случаи неоднородных облучаемых структур, в основном, разрывных /101 — 104/. С тем, чтобы существенно расширить область применимости, предлагается решение системы уравнений Максвелла для случая модельного радиального распределения комплексного показателя преломления (как разрывного, так и непрерывного). На основании этого решения разрабатывается оптическая модель частицы, базирующаяся на данных экспериментов /56, 105, 106/.
Показатель преломления частицы — действительная величина, если Для анализа экспериментальных результатов рассматривается модель неоднородной частицы с радиально изменяющимся показателем преломления в оболочке, покрывающей однородное ядро.
В работе находятся численные решения уравнений (2.29), что позволяет рассмотреть достаточно общий случай моделирования рассеяния аэрозольными частицами. Эти уравнения решаются для неоднородной оболочки. На поверхностях раздела: ядро — оболочка, оболочка — среда задаются граничные условия, следующие из непрерывности тангенциальных составляющих векторов напряженностей полей, для чего, с учетом соотношений (2.26).
В разделе развито направление интерпретации лидарной информации, основанное на строгом решении лидарного уравнения и учитывающее, что алгоритм, включающий процедуру дифференцирования (дифференцирования со сглаживанием) отличается значительной случайной погрешностью. Установлена специфика применения дифференциальных и интегральных методов в практике лидарного зондирования. Эффективность методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующихся на строгом решении лидарного уравнения, обусловлена определенностью их области применимости. Строгое решение может быть реализовано лишь в условиях достаточно однородной атмосферы. В таких условиях различие производных сигналов, принятых с различных направлений, в том числе, различие решений переопределенной системы уравнений не должно быть значимым (должны выполняться критерии однородности атмосферы, основанные на строгом решении лидарного уравнения). Для адекватного описания характеристик неоднородной атмосферы необходим учет возможности существенных вариаций связей между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния.
Результаты анализа характеристик трехпозиционных схем зондирования
Выполним анализ характеристик интегрального метода многопозиционного зондирования для практически важного случая к = 3 (трехпозиционное зондирование — рис. 3.1). В табл.3.3—3.9 представлены величины погрешностей, рассчитанные для параметров лидара, выполненного на основе лазерного измерителя высоты облаков (ЛИВО). В таблице 3.3 приведены результаты расчетов погрешностей коэффициента ослабления для ближайшей к лидару вершины и различных трехпозиционных схем измерений с различными геометрическими характеристиками (коэффициенты А в данном случае считаются равными 1). В табл. 3.3 величина Sl/al — среднее квадратичное отклонение ДЛЯ к = 3, dt=l,/Lmax, D LJL , ,= -7 , /,=) - , l2=%-rx\, Lmax максимальная дальность зондирования (отношение сигнал/шум равно 2). Рассматривается случай расположения точек посылок импульсов на общей прямой. Зондирование из точки R3 вдоль трассы содержащей точки гь г3 осуществляется перпендикулярно к этой прямой. Зондирование из точек Rj, R2 по направлению к точке Г2 осуществляется под равными углами к ней. Результаты расчетов показывают, что треугольная схема приемлема для типичных условий загрязненного городского воздуха, включая загрязненные участки вблизи автомагистралей,
Лидарная система посылающая импульсы вдоль трех направлений (1-2, 2-3, 1-3) (треугольная схема лидарного зондирования атмосферы), — позиции лидара В этой же таблице сравниваются величины 8i(m) случайной погрешности коэффициента ослабления, найденные для различных значений т, с величиной 8i(l), рассчитанные по формуле (3.3). Случайная погрешность измерений заметно возрастает при величинах m 1 и незначительно отличается при m 1 от ее величины при m = 1.
Для сравнения в табл.3 .4 представлены результаты расчетов случайных погрешностей для условий, когда определение коэффициента ослабления осуществлялось в процессе зондирования атмосферы по несимметричной схеме: значения оЧ - ! и А-И»- !» В отличие от формулы (3.3), не считаются совпадающими. Кроме того, здесь представлены результаты оценки погрешности определения параметров неоднородной атмосферы (коэффициент ослабления равен 3\ внутри исследуемого объема и а0 вне этого объема). Анализ результатов показывает, что за счет несимметричности схемы существенно повысить точность определения искомых параметров не удается. В табл.3.5 приводятся результаты сравнительного анализа характеристик метода при определении коэффициента ослабления в различных вершинах треугольной схемы.
В целом, схемы многопозиционного зондирования атмосферы приемлемы при выборе коэффициентов А, = 1, однако глубина зондирования, характерная для них, существенно меньше, чем при зондировании традиционным способом. Это показано на примере треугольной схемы зондирования, рассмотренном в табл.3.8, в которой представлены результаты оценки глубины зондирования сіз в сравнении с традиционными значениями d3 (0) (для А 0). Расчеты величины d3 осуществлялись для сопоставимых значений случайной погрешности коэффициента ослабления, найденного двумя методами.
Результаты расчетов показывают, что при увеличении глубины зондирования в многопозиционных схемах случайная погрешность становится чрезвычайно большой. Вместе с тем, ее удается уменьшить до уровня погрешности традиционных измерений за счет рационального выбора коэффициента А, причем систематическая погрешность оказывается значительно меньше, чем ее традиционная величина.
В настоящем разделе проводится анализ точностных характеристик схем зондирования неоднородной атмосферы посредством решения прямой и обратной задачи и на основе наблюдательного материала, собранного в ходе выполнения экспериментов /55, 58/, что позволяет учесть в процессе моделирования особенности аппаратуры и условий зондирования атмосферы.
Расчеты выполнены для лидара на рубине и позволяют учесть в процессе моделирования реалистические параметры лидарной техники (погрешности эхо сигналов). Характеристики лидара на базе рубинового лазера были использованы в модельных экспериментах по оценке уровня аэрозольного загрязнения воздуха.
Для описания оптических параметров на основе данных, полученных вблизи С.-Петербурга и в п.Сиверский, была использована степенная связь между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния. Эффективность метода обеспечена применением приближенного решения (раздел 2). В нем удалось использовать наличие участков сравнительно однородной атмосферы. Подстановка коэффициентов ослабления на этих участках в интегральное решение делает возможным определение искомой связи, а также оптических свойств неоднородной атмосферы. Решение системы уравнений на трассах зондирования позволяет найти средний коэффициент обратного рассеяния и его погрешность. Повышение достоверности результатов достигается за счет установления области применимости используемого метода. Метод включает процедуру лидарного контроля точности результатов (см. подробнее раздел 4).
Параметры связи между коэффициентами обратного рассеяния и ослабления (принимавшиеся во внимание при моделировании) задавались с учетом результатов определения коэффициентов ослабления и обратного рассеяния вблизи автомагистралей (раздел 4) и в п.Сиверский.
Для оценки перспектив -многопозиционных схем зондирования было выполнено моделирование погрешностей для реалистических атмосферных условий, на которых целесообразно, в качестве примера, остановиться подробнее. Исследования базировались на использовании, в частности, данных эксперимента АВТОЭКС (см. подробнее раздел 4). Коэффициент обратного рассеяния вблизи центральной части шоссе вдвое превышал его значение вне шоссе. Заметное загрязнение имело место на расстоянии до 150 м от шоссе. В настоящем разделе приводятся результаты моделирования, выполненного для треугольной схемы лидарного зондирования. Эта схема (рис.3.3) незначительно отличается от схемы рис.3.1 (направления 1-2, 3-2 — основное, перпендикулярное шоссе, 3—1).
Аналогичные результаты были получены при анализе схем зондирования неоднородной атмосферы для условий эксперимента в п.Сиверский. В табл. 3.9 представлены погрешности в процентах для m = 0.8 (а), для т, зависящего от прозрачности атмосферы (б). Средние квадратичные отклонения были рассчитаны для слоев с верхними границами 100 м и 200 м. Эти решения были использованы для определения константы с в замутненной атмосфере под слоем 200-600 мив прозрачной атмосфере под слоем 300-600 м (углы зондирования 90, 30,). Коэффициенты ослабления (граничное значение) в диапазоне 2—4 км" были заданы в горизонтально однородном слое (на высотах 200-400 м). В расчетах, выполненных с использованием данных лидарных измерений (типичные результаты расчетов величины дт/т,% представлены в табл.3.10), учитывалось, что степень в связи оптических коэффициентов может изменяться в пределах 1—3 в зависимости от мутности атмосферы.
Результаты применения интегрального метода для обработки данных Комплексного ленинградского эксперимента
В эксперименте КЛЭ регистрирующая аппаратура была установлена в помещении телебашни на уровне 200 тл и соединена комплектом кабелей с выносным блоком приемопередатчика, располагавшимся на той же высоте. Зондирование выполнялось по различным направлениям в окрестности лидара, в основном, в горизонтальной плоскости /57/.
Анализ данных эксперимента показывает, что результаты применения интегрального метода не отличаются значимо от результатов, полученных ранее дифференциальным методом. Это связано с существованием сравнительно однородной атмосферы в период проведения эксперимента в окрестности телебашни.
В условиях КЛЭ имело мест четко выраженная сезонная изменчивость коэффициента ослабления (от 0,4 км"1 в июне до 1,0 км"1 в январе - данные найденные на высоте 200 м). лидаром, установленным в помещении телебашни). Его максимум приходится на зимний, а минимум — на летний период. В отличие от интегральной счетной концентрации минимум суммарной массовой концентрации частиц в КЛЭ наблюдался зимой, а максимум — весной. Это видно из рис. 4.2, где "представлены результаты измерения суммарной массовой концентрации аэрозольных частиц М, средней за период наблюдений, найденной путем отбора проб на фильтр.
Зимний максимум аэрозольного загрязнения, зарегистрированный в процессе лидарного зондирования атмосферы, и, наоборот, зимний минимум суммарной массовой концентрации обязаны своим существованием разным источникам частиц /53, 116/. Действительно, оптические параметры аэрозоля определяются концентрацией фракции мелких частиц, суммарная массовая концентрация — вкладом крупных частиц. Источник мелких частиц, в свою очередь - промышленные и транспортные выбросы. Источник крупных частиц — подстилающая поверхность. Соответственно, минимум суммарной концентрации приходится на снежный зимний период, а ее максимум — на весенний период, когда уже нет снега, но еще не значительны жидкие осадки. С другой стороны, сезонная изменчивость обусловлена сезонной изменчивостью хозяйственной деятельности человека и особенностями циркуляции атмосферы.
В этой связи следует отметить существование корреляции между коэффициентом ослабления и концентрацией аэрозольных частиц с размерами 1 мкм. Источник этих частиц — промышленные и транспортные выбросы. Наличие отмеченной корреляции было подтверждено при проведении КЛЭ, когда в апреле 1984 г. одновременно с лидарным зондированием аэрозоля выполнялись фотоэлектрические измерения спектра размеров частиц с помощью счетчика A3—5. Оказалось, в частности, что счетную концентрацию частиц, размеры которых превышают 0,4 мкм, приближенно можно определить по результатам измерения коэффициента ослабления, умножив его значение на фактор, равный 100 (коэффициент ослабления и концентрация частиц, соответственно, берутся в км" и см" ). Анализ результатов КЛЭ показывает, что существует четко выраженная сезонная изменчивость и массовой концентрации частиц. В отличие от коэффициента ослабления зимой наблюдается минимум массовой концентрации частиц. Её максимум приходится на весенний период.
Зимний аэрозольный максимум, зарегистрированный в процессе лидарного зондирования атмосферы, и, вместе с тем, зимний минимум массовой концентрации частиц обязаны своим существованием упомянутым выше разным источникам аэрозоля /53/. Минимум суммарной массовой концентрации, источником которых является подстилающая поверхность, приходится на зимний период, когда она покрыта снегом. Её максимум наблюдается весной, когда уже нет снега, но еще незначительны жидкие осадки. Таким образом, задача установления оптико— микроструктурных связей аэрозольных частиц достаточно сложна из-за существования различных аэрозольных фракций.
