Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Опыт исследования облаков верхнего яруса: наблюдаемые параметры, методы исследований, теория светорассеяния
1.1. Облака верхнего яруса как объект исследования 19
1.2. Оптические методы исследования характеристик облаков верхнего яруса 23
1.3. Основы описания рассеяния электромагнитных волн на частицах 26
1.3.1. Интегральное уравнение рассеяния 27
1.3.2. Наблюдаемые характеристики поля (параметры Стокса)... 29
1.3.3. Сечения рассеяния, оптическая теорема 33
1.3.4. Тензор молекулярного упругого и неупругого рассеяний . 34
1.3.5. Уравнение переноса излучения через рассеивающую среду 35
1.4. Основы поляризационного зондирования облаков верхнего яруса 38
1.4.1. Вывод лидарного уравнения через параметры Стокса 38
1.4.2. Определение преимущественной ориентации в ансамбле
частиц облаков верхнего яруса 39
1.4.3. Канонический (блочно-диагональный) вид матриц обратного рассеяния облаков верхнего яруса . 42
Выводы к первой главе 43
Глава 2. Модифицированная методика поляризационного зондирования атмосферы
2.1. Оптические характеристики свободной атмосферы на основе данных лидара комбинационного рассеяния света в задаче калибровки по "молекулярному реперу" 44
2.1.1. Методика определения профиля температуры 44
2.1.2. Методика определения профилей отношения рассеяния и коэффициента ослабления 43
2.2. Матрицы обратного рассеяния облаков верхнего яруса
по данным поляризационного зондирования 52
2.2.1. Основные методические задачи, решаемые при проведении поляризационных измерений 52
2.2.2. Калибровка по "молекулярному реперу" и учет динамики облачного слоя при определении элементов матрицы обратного рассеяния 56
2.2.3.Профиль отношения рассеяния по данным поляризационных измерений 59
Выводы по второй главе 62
Глава 3. Модифицированные алгоритмы обработки данных лидарного зондирования облаков верхнего яруса
3.1. Помехи и сигналы при зондировании облаков верхнего яруса в режиме счета фотонов 63
3.2. Калибровка сигналов лидарного зондирования по интервалу высот 69
3.3. Алгоритмы предварительной обработки результатов измерений 71
3.3.1. Коррекция просчетов 72
3.3.2. Коррекция эффекта последействия ФЭУ 73
3.3.3. Вычитание уровня шума 74
3.4. Алгоритмы вычисления элементов матриц обратного рассеяния облаков верхнего яруса 75
3.4.1. Калибровка сигналов поляризационного зондирования по "молекулярному реперу" 75
3.4.2. Алгоритмы определения профилей отношения рассеяния 76
3.4.3. Алгоритмы вычисления оценок элементов матрицы обратного рассеяния 79
3.4.4. Алгоритмы вычисления оценок элементов канонической (блочно-диагональной) матрицы обратного рассеяния 82
Выводы по третьей главе 84
Глава 4. Характеристики облаков верхнего яруса по данным лидарного зондирования
4.1. Поляризационный лидар "Стратосфера 1М" 86
4.2. Лидар комбинационного рассеяния 94
4.3. Характеристики облаков верхнего яруса по данным лидара комбинационного рассеяния, в задаче калибровки по "молекулярному реперу" 101
4.4. Характеристики облаков верхнего яруса по данным поляризационного зондирования за период 1991 - 2002 года 106
4.4.1. Характеристики облаков верхнего яруса по результатам измерений отношения рассеяния 107
4.4.2. Матрицы обратного рассеяния и направление преимущественной ориентации частиц в облаках верхнего яруса
по данным поляризационного зондирования 111
4.4.3. Основные выводы по результатам поляризационных измерений облаков верхнего яруса 118
4.5 Практические рекомендации по созданию лидара для мониторинга облаков верхнего яруса на основе модифицированной методики поляризационного зондирования 121
Выводы к четвертой главе 123
Заключение 124
Литература
- Основы описания рассеяния электромагнитных волн на частицах
- Методика определения профиля температуры
- Калибровка сигналов лидарного зондирования по интервалу высот
- Характеристики облаков верхнего яруса по данным поляризационного зондирования за период 1991 - 2002 года
Введение к работе
Актуальность темы
Облака верхнего яруса (ОВЯ) входят в состав свободной атмосферы Земли и находятся на высоте 5-13 км в средних широтах. Имея сложный состав, переменные параметры, ОВЯ являются одним из климатообразующих факторов планетарного масштаба. Необходимо отметить также, что, являясь, по существу, функциональным природным элементом значительного масштаба, ОВЯ влияют на экологическую ситуацию, что также определяет значительную потребность в изучении и использовании знания о природе ОВЯ. Таким образом, решение задачи определения характеристик ОВЯ, одновременно со снижением себестоимости таких исследований за счет привлечения новых технологий, становится одной из актуальных задач современности. ОВЯ при оптической толщине т * 0,1 * 0,2 дают значительный парниковый эффект и изменение альбедо системы Земля-атмосфера до 5% [112-114]. Тонкие ОВЯ, расположенные над подстилающей поверхностью с малым альбедо, больше влияют на альбедо системы, чем плотные нижерасположенные облака [109 - 111].
Оптика облаков, содержащих кристаллы льда, к настоящему времени изучена недостаточно. Исследования форм кристаллов в облаках проводились с помощью аэростатов и самолетов. На основании пока имеющихся статистически малообеспеченных данных трудно сделать обоснованное заключение об общих закономерностях повторяемости форм кристаллов в облаках. Формы облачных кристаллов весьма разнообразны. По принятой Международной метеорологической организацией классификации встречающиеся в облаках и осадках кристаллы подразделяются на 10 видов [1-6].
Настоящим прорывом в развитии методов исследования характеристик облачности надо считать использование лазеров, что дало возможность оперативно измерять такие параметры ОВЯ, как высоту и вертикальную протяженность, распределение плотности, динамику ОВЯ. Таким образом, рассеянное облаками излучение лазера, зафиксированное с помощью регистрирующей аппаратуры, позволяет получить большой объем информации об ОВЯ. Еще большую информацию об ОВЯ можно получить из поляризационных измерений. Практика зарубежных исследований основывается на измерении рассеянного ОВЯ излучения для двух состояний поляризации. Состояние поляризации рассеянного излучения различно для сферических и несферических частиц, и по результатам измерений можно выделить в облачном слое жидкую и кристаллическую фазы [103].
Однако измерения полной матрицы обратного рассеяния (МОР) проводятся только на уникальной лидарной установке Томского государственного университета и Института оптики атмосферы [96-101]. Анализ компонентов МОР позволяет выделить пространственное распределение характеристик и преимущественное направление ориентации рассеивающих частиц. Параметр ориентированности ансамбля частиц ОВЯ играет важную роль в процессах ослабления солнечного излучения и должен также учитываться в моделях распространения солнечного излучения через атмосферу Земли [135].
Процедура непосредственно поляризационных измерений в целом носит законченный характер, и в результате цикла измерений массив данных состоит из 12 пар профилей. За последнее десятилетие накоплен большой объем экспериментальных данных по результатам поляризационных измерений ОВЯ. Однако сложившаяся методика обработки данных не позволяла произвести сравнение характеристик ОВЯ, поскольку МОР были получены в базисах, не учитывающих ориентированность ансамбля кристаллических частиц.
В новой методике необходимо было также учесть, что на механизм кристаллообразования в ОВЯ оказывает влияние распределение температуры в подоблачном и облачном слоях.
Кроме того, важно учесть, что изменчивость ОВЯ в цикле поляризационных измерений, погрешности установки поляризационных элементов приводят к появлению существенных систематических погрешностей в определении МОР. Также существенную роль на точность полученных результатов оказывает изменчивость ошибок измерений. Например, точность оценок элементов МОР находится в зависимости от высоты зондирования. В то же время учет переопределенности данных позволяет повысить точность измерений МОР.
Возможность реализации перечисленных выше требований к новой методике обоснована тем, что в ИОА СО РАН на базе канала спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) Сибирской лидарной станции были достигнуты результаты позволяющие применить их в методике поляризационных измерений [162,165,174,177-179]. Данные измерений с помощью СКР-канала, проводимые совместно с поляризационными измерениями, способны разрешить ряд задач по модификации методики поляризационных измерений. В первую очередь это касается методики измерения профилей отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры до высоты тропопаузы.
7 Целью диссертационной работы является изучение статистических особенностей МОР ОВЯ на основе модифицированной методики лазерного зондирования, уменьшающей систематические и случайные погрешности, обусловленные как несовершенством аппаратуры, так и динамикой ОВЯ. Задачи диссертационного исследования:
Модификация методики поляризационного зондирования ОВЯ путем калибровки аппаратуры по «молекулярному реперу» с использованием лидарных сигналов СКР на чисто вращательных переходах молекул азота и кислорода.
Повышение точности определения МОР последовательным применением методов статистического оценивания параметров: подавление случайного шума в сигналах зондирования ОВЯ с помощью метода оптимальной линейной регрессии; оценивание параметров при калибровке по интервалу высот; учет переопределения данных при вычислении МОР; линеаризация и учет переопределения в нелинейной задаче преобразования МОР на угол преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ.
Разработка методики и алгоритма преобразования МОР на угол преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ: учет свойств симметрии МОР; приведение МОР к каноническому (блочно-диагональному) виду, дающему возможность сравнения результатов независимых измерений.
Получение статистических данных об элементах МОР ОВЯ с применением модифицированной методики обработки результатов зондирования за 1991-2002 гг. Методы исследования
В работе использован комплексный подход: теория рассеяния Рэлея, Ми; теория рассеяния на ансамбле несферических частиц; теория спонтанного комбинационного рассеяния; физическое и численное моделирование; методы математической статистики; натурный эксперимент. На защиту выносятся следующие положения:
Калибровка сигналов поляризационного зондирования облаков верхнего яруса по «молекулярному реперу» на основе сигналов спонтанного комбинационного зондирования и учет переопределенности данных на основе метода наименьших квадратов повышают точность оценок элементов матриц обратного рассеяния не менее чем в 2,2 раза.
Приведение матриц обратного рассеяния к каноническому (блочно-диагональному) виду, не зависимому от ориентации базисных векторов, на основе свойств симметрии и направления преимущественной ориентации ансамбля
8 кристаллических частиц облаков верхнего яруса - позволяет проводить сравнение результатов независимых измерений.
3. Значительная доля (до 25%) облаков верхнего яруса характеризуется отношением рассеяния в интервале 1,25-1,75; до 70% облаков верхнего яруса представлены ансамблями частиц с набором параметров: 0 < ^ < 0,2, |а12| < 0,2 и а44 = 0 ориентацию
которых можно считать случайной. Здесь х ~ параметр ориентированности; аи, аи -элементы матрицы обратного рассеяния ансамбля кристаллических частиц облаков верхнего яруса. Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы
На основе теории СКР получены количественные оценки параметров СКР-лидара, характеристики которого подтверждены результатами натурных исследований. В частности, измерения профиля температуры СКР-лидаром удовлетворительно соответствуют шар-зондовым измерениям.
Разработанные алгоритмы и последовательность операций получения параметров ОВЯ неоднократно проходили проверку на достоверность полученных результатов. В частности, оценки величин, полученные на основе алгоритма метода наименьших квадратов с прямой подстановкой параметров, идентичны оценкам, полученным на основе алгоритма метода, использующего вектор множителей Лежандра для связанных параметров в линейной модели.
Выбор участка калибровки по «молекулярному реперу» обоснован в соответствие с предсказанным теорией характером поведения экспериментальных данных. Полученные в результате обработки данные о МОР ОВЯ, профилях отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры находятся в соответствии с данными, предсказанными теорией, и результатами независимых измерений на участках трассы зондирования с преобладанием молекулярного рассеяния. Для статистической обработки результатов измерений привлекались однородные данные с оценкой стандартного отклонения, не превышающего одной сотой для элементов МОР.
Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований, полученных автором
Для решения задач исследования ОВЯ автором впервые детально проработана методика калибровки сигналов зондирования поляризационного лидара по «молекулярному реперу» на высотах, где преобладает молекулярное рассеяние, с использованием лидарных сигналов СКР на чисто вращательных переходах молекул азота и кислорода.
Впервые разработана и прошла экспериментальную проверку модифицированная методика получения профиля коэффициента ослабления с использованием лидарных сигналов СКР на основе барометрической формулы и уравнения состояния атмосферы.
Впервые детально проработана и апробирована методика повышения точности оценок элементов МОР, полученных из эксперимента, учитывающая такие статистические особенности экспериментальных данных, как динамика ОВЯ, изменчивость ошибок измерений в зависимости от высоты зондирования и переопределённость данных.
Впервые проведен статистический анализ данных зондирования по отношению рассеяния и МОР ОВЯ за 1991- 2002 гг. Научная и практическая полезность результатов диссертационной работы
Методика, разработанная в процессе диссертационной работы, положена в основу систематических исследований МОР ОВЯ в ТГУ и ИОА. Результаты исследований МОР ОВЯ за 1991- 2002 гг. могут быть положены в основу построения физических моделей ОВЯ и могут использоваться для верификации полных МОР кристаллических облаков, полученных теоретическим путем.
Алгоритмы учета изменчивости ошибок измерений, переопределенности данных, приемы линеаризации при обработке данных, алгоритмы калибровки лидарных сигналов по выбранному интервалу высот (дальности), учитывающие ошибки как самих сигналов, так и ошибки привлекаемых для сравнения данных, обладают универсальным характером и могут быть с успехом адаптированы для применения в других задачах лидарного зондирования.
Статистические данные об ориентации ансамблей частиц в ОВЯ могут быть использованы для уточнения моделей перистых облаков в задачах переноса солнечной радиации в атмосфере. В частности, эти данные позволяют оценивать вероятность появления квазихаотической ориентации частиц в ОВЯ и, вследствие этого, использовать модель сфер эквивалентных радиусов.
На основе разработанной методики и полученных экспериментальных данных возможны разработка и построение оптимального лидара для мониторинга ОВЯ. Использование и внедрение результатов работы
Модифицированная методика поляризационного зондирования ОВЯ признана в качестве базовой для проведения исследований и последующей модификации аппаратуры уникальной лидарной установки Томского государственного университета и Института оптики атмосферы.
Результаты диссертационной работы использованы в международной программе НПО «Зонд» при разработке СКР-лидара нового поколения.
10 Простота и эффективность метода восстановления непериодических сигналов, полученного в процессе диссертационной работы, позволяют широко использовать его в прикладных задачах лидарного зондирования в счете фотонов (ИОА, ТГУ). Апробация результатов
Основные положения диссертационной работы, или отдельные ее разделы, докладывались и обсуждались: на Международной конференции по зондированию атмосферы (Кейп-Код, США, 1987); 14-й Международной конференции по лазерному зондированию атмосферы (Сан-Кандино, Италия, 1988); III Международном симпозиуме по зондированию тропосферы (Гамбург, Германия, 1994); ІХ-Х Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1987, 1989); I—II Межреспубликанских симпозиумах (Томск, 1994, 1995); IX Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2002); Юбилейной Всероссийской научной конференции (МГУ, Москва, 2002). Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 152 наименования, содержит 127 страниц машинописного текста, 32 рисунка и 7 таблиц.
В первой главе приведен обзор известных исследований и современное состояние проблемы определения характеристик ОВЯ. ОВЯ образуются в верхней тропосфере в результате упорядоченного подъема и адиабатического охлаждения воздуха.
В главе рассмотрены основные выводы теории рассеяния электромагнитных волн на частицах, интегральное уравнение рассеяния [115-121]. Также рассматриваются вопросы рассеяния на частицах несферической формы, относящиеся к рассеянию на кристаллических образованиях облаков верхнего яруса. Показан квантово-механический подход к описанию СКР [137-152]. Большое внимание уделено теоретическим основам поляризационного зондирования ОВЯ. Для этого рассматривается вид лидарного уравнения выраженного через параметры Стокса. При зондировании в зенит в ансамбле кристаллических частиц в направлении зондирования z существует плоскость зеркальной симметрии [135]. Если плоскость зеркальной симметрии составляет азимутальный угол ф
с плоскостью ориентации координат лидара xoz, то преобразованием поворота, эти плоскости можно совместить
М'(тг) = и(-ф)м(7т)и{-ф). (1)
Таким образом, матрица М.(л) имеет вид
М'(л-):
Здесь матричные элементы, инвариантные относительно оси вращения
А=Ми,С = Ми, Я = МІ4=М4І, = І(М11-М44) = І(М22-М33),
и элементы, неинвариантные относительно оси вращения
В = Мп cos 2ф - Мхъ sin 2ф, D = М34 cos 2ф - М24 sin 2ф,
F = - (М22 + М33 )cos Ц - Мгг sin Ц.
(2)
(3)
(4)
Нормировка матрицы обратного рассеяния М (л-) на элемент Ми позволяет приводить
матрицы, измеренные в разных экспериментах, к единому каноническому (блочно-диагональному) виду, удобному для сравнения и анализа
О Ъ О /Л
Ъ e + f О О
(5)
м0М=
-e + f d -d с
Здесь элементы канонической (блочно-диагональной) матрицы М0(ж) образованы нормировкой на элемент Мп> например h = H/Mn, и т. д. Теперь элементы унифицированной матрицы М0(;г) находятся в одном диапазоне величин [-1,1], что
удобно для задач интерпретации результатов независимых измерений.
Вторая глава посвящена изложению модифицированной методики определения характеристик ОВЯ из лидарных измерений. Глава состоит из двух частей. В первой части описывается методика определения профилей отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры из лидарных сигналов СКР [162]. Метод предполагает регистрацию сигналов обратного рассеяния на несмещенной длине волны Я0 и в двух
узких участках чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния молекул азота и кислорода. Каждый из трех сигналов описывается уравнением лазерной локации
P,(h)h2 =KiG(h)/3l(h)Qxp - \[а0(х) + а((х)}Ьс[, (/ = 1,2,3) (6)
где і - номер спектрального участка; Pt (И) - мощность сигнала в і -м участке спектра, принимаемая с расстояния h; Kt - аппаратурная константа для канала, регистрирующего излучение в /-м участке спектра; G(h) - геометрическая функция, учитывающая
12 перекрытие диаграмм направленности приемной и передающей антенн лидара; Д(/г) и
от, (А) - коэффициенты обратного рассеяния и ослабления соответственно. Для отношения рассеяния можно получить выражение
RQi)= Po(h) (7)
*(Р,(Л) + Р2(А))
Здесь К является коэффициентом пропорциональности между сечениями рассеяния упругого и неупругого молекулярного рассеяния. Используя барометрическую формулу и уравнение состояния идеального газа, можно получить выражение для профиля коэффициента ослабления
G(hj+l) S(hj)T(hj)
In — + ln-
4R Щ)Щ+1) '
CCjj+\ =
2AhJJ+\
G(hj) S(hJ+l)T(hJ+])
где S{h)-{Pl(h) + P2{h))h2. Метод дистанционного определения температуры, предложенный Куни, основан на оптимальном по чувствительности выборе двух участков чисто вращательного спектра азота, таким образом, чтобы отношение сигналов от выбранных участков чисто вращательного спектра максимально зависело от температуры. Показано, что при изменении температуры на один градус изменение величины отношения сигналов может составлять 1,5-2%.
Во второй части главы рассматривается метод извлечения информации о МОР Мж(/г)
из лидарных поляризационных измерений [173,175]. Рассматриваются характеристики принимаемых рассеянных сигналов, образующих систему уравнений для определения МОР из С-функций, определяемых из лидарных сигналов РХ(И) и Р2(К) для разных состояний поляризации излучений передатчика и приемника
С(/0=зд-ад
где P{{h) = ^ckxW0Ah-2T\h)№Ah>\, (Ю)
P2(h) = ^ck2W0Ah~2T2(h)gM!r(h)sl. (11)
Здесь g и g* - нормированные, взаимно-ортогональные приборные вектора
(матрицы-строки) приемника; s, - нормированный вектор-параметр (матрица-столбец) Стокса передатчика.
Для извлечения информации о МОР из принятых лидарных сигналов необходимо учесть вклад и свести к минимуму зависимость полученных данных от характеристик
13 излучения лазера, изменчивости ОВЯ, потерь излучения при прохождении через оптические элементы и характеристик фотоприемника.
Задачу уменьшения влияния систематических погрешностей установки аппаратурных параметров и динамики ОВЯ можно разбить на два этапа.
В начале, на первом этапе, на трассе вертикального зондирования определяется участок с преобладающим молекулярным рассеянием. На высотах, где превалирует молекулярное рассеяние и отношение рассеяния R(h) близко к единице, система уравнений, в частном случае для идеальных приемников, приобретает вид
g'^s^O, (i = l,2,...,4;y = l,2,3), (12)
где gy - инструментальный вектор с координатами gy = [Cv (h),-Xj,-у. ,-z.); нормированная матрица обратного рассеяния аж на молекулах атмосферы имеет диагональный вид
'10 0 0 \
(13)
e» =
0 0,97 0 0
0 0 -0,97 0
ч0 0 0 -0,97 J
Система уравнений решается относительно координат неточно известных приборных векторов. Таким образом, происходит калибровка по «молекулярному реперу».
Затем, на втором этапе, когда координаты приборных векторов известны, система уравнений, для случая идеальных приемников, относительно ОВЯ имеет вид
Полученную систему уравнений необходимо дополнить условиями симметрии [133] an(h)-a2l(h) = 0 ,al3(h)+a3](h) = 0,au(h)-a4l(h) = 01
а2з(И)+аАН)=> а24(И)-а4г(Н)=0> «34М+а4з(Л)=. (15)
и условием, возникающим при превалировании однократного рассеяния над многократным
а11(Л)-а22(Л)=а44(А)-вю(А). (16)
Таким образом, получая из измеренных величин Су (/г) и отношения рассеяния Ry {К), с
известными координатами инструментальных векторов gtj и состояниями параметров Стокса s, передатчика, можно составить и решить систему уравнений относительно неизвестных элементов нормированной матрицы обратного аэрозольного рассеяния.
Третья глава посвящена рассмотрению алгоритмов обработки данных лидарного зондирования облаков верхнего яруса в модифицированной методике.
14 В первой части главы рассматривается предварительная обработка данных лидарного зондирования, полученных в счете фотонов в режиме накопления сигналов. Последовательность операций при предварительной обработке сигналов зондирования происходит следующим образом:
а) измеренные сигналы корректируются на просчеты [183];
б) сигналы корректируются на эффект последействия ФЭУ [182,185];
в) определяется и вычитается из сигналов уровень фона;
г) вычисляются оценки дисперсий скорректированных сигналов;
д) сигналы обрабатываются с помощью метода оптимальной линейной регрессии и
находятся оценки среднего в стробах сигналов и оценки ошибок восстановления
[165,174].
Оценки ошибок определения параметров ОВЯ производятся на основе метода наименьших квадратов с весами (МНК). В качестве весов используются оценки ошибок, получаемые из данных зондирования. При последующих преобразованиях оценки ошибок находятся с помощью первого члена разложения в ряд Тейлора. Оценки параметров, получаемые с помощью МНК, являются несмещенными, состоятельными и эффективными.
При измерениях вероятность регистрации фотона в стробе описывается распределением Пуассона. При накоплении в стробе более пяти фотоэлектронов можно пользоваться асимптотическим свойством статистики, и оценки дисперсий случайных ошибок (шума) принимаются равными оценкам среднего. В начале главы рассматривается оптимальный метод линейной регрессии. В лазерном дистанционном зондировании точность параметров атмосферы, восстановленных из лидарных измерений, уменьшается с высотой зондирования. В этих условиях возникает задача восстановления или получения оценки среднего сигнала и уменьшения случайного шума в стробе с помощью МНК. Величину подавления шума у при восстановлении можно представить в
виде
" 1 <т2
—= т,гдег, =—Ч-. (17)
Здесь п - количество стробов в скользящем интервале; т - порядок линейной модели в
МНК; а] - дисперсия до восстановления;
восстановления. Таким образом, меняя величину интервала восстановления, можно управлять величиной оценки шума.
В процедурах калибровки данных лидарного зондирования нашел применение метод калибровки по выбранному интервалу высот (дальности) на основе МНК. Принцип метода заключается в том, что на трассе зондирования можно выделить участок высот, приводимый в соответствие к модельному сигналу либо к сигналу измеренному независимым способом, например с помощью шар-зонда.
Во второй части главы рассматриваются алгоритмы вычисления МОР ОВЯ из данных поляризационных измерений.
На интервале калибровки по «молекулярному реперу» C(J (И) усредняются
С* =^П1 tCAJ (; = 1,2,...,4;у=1,2,3), (18)
где hc - высота калибровки; / - полуширина участка калибровки. Подстановкой получим систему уравнений относительно неизвестных a,, 5XJ,8yj,dzj.
[Сц -1-аДс, +іЖа, -*«,** -avfj+afc +ф-^)+(с, -\\ = 0 (19)
Здесь щ=^.9х%,\ s, =(1,^,,«,-, v,)r.
Элементы МОР ОВЯ определяются из системы линейных уравнений получаемой при прямой подстановке условий симметрии [133]
H6 = Y. (20)
Здесь в - 8x1 - матрица-столбец, образованная элементами МОР &Л(К):
0 = (^12^13^14^22^23^24^33^34)7 J (21)
Y = (]^)-12xl - матрица-столбец с элементами Yk
Yk =-(AiJ+BljViZj) {k = 3{i-l)+j;i = l,2,..A;j = h2,3); (22)
H - 12x8 - матрица с элементами столбцов ни = Aj4i + B0Xj, Нк2 = AiJui + ВиУ], Нкі = AyV, + ByZj, ЯА4 = вДд,-х,. - v,x,), (23)
Нк5 =Bv(u,Xj -q,yj), Нк6 =By(v,Xj +q,Zj), Нк1 = Ву(и^+ vjZj), Нкі=В^іУ] -w,zy).
Здесь Ay={Ry(h)-\ + t1y\2-(\-aJ\Cu{h) + \)\-2aJRiJ{h){c,J{h) + \)-,
B« = (RV (A) - Ф - (1 - «у lC\ W+ OJ (24)
На первом шаге решим систему МНК без весов, совпадающим с общим методом решения переопределенной системы линейных уравнений:
в=(нгн)н7У. (25)
На втором шаге рассчитываются суммарные оценки дисперсий ошибок:
Dtt ^Zfefe)2 +fc] ( = 1,2,3,...,12). (26)
n=l
На третьем шаге вычислений находятся оценки элементов МОР а Х{И) методом наименьших квадратов с весами
в = (нгБ H)'HrD Y. (27)
Оценки ошибок элементов МОР &п (К) находятся по формуле
о[в]=(нгВ"1н)Г1. (28)
Алгоритм нахождения элементов канонической МОР ял (И) и угла Ф преимущественной ориентации из МОР ОВЯ лл {И) построены на условиях
а]2<0
1 , , (29)
Кроме того, в алгоритме оцениваются величины ошибок определения элементов канонической МОР а^(я) и угла преимущественной ориентации Ф частиц ОВЯ на основе МНК с весами. Производя соответствующие линеаризующие преобразования, получим три значения двойного угла Ф, образующие матрицу-столбец 3x1 Y = (Yi)
Yx =arctg(——) + тл а
72=-arctg( 2—) + п- (т = -1,0,1;« = -2-1,0,1,2;к = -1,0,1) , (30)
_ 1 , 2а-,-, ч п
«22 + «зз' 2
r3=arctg(--^i) + b-
где значения т, п, к доопределяются с помощью условия (29) и условием наименьшего
расхождения между углами Y = (Yi).
В четвертой главе рассматриваются состав аппаратуры и процедура измерений. В начале главы приводится состав, характеристики и процедура измерений с помощью поляризационного лидара «Стратосфера 1М» [97,158]. Лидар состоит из передатчика (Л = 532нм), и трех идентичных приемников диаметром 0.5 м с фокусным расстоянием / = 5,7 м. Порядок поляризационных измерений следующий: последовательно, каждому
из четырех состояний излучения передатчика s,, s2, s3, s4 соответствуют три пары
состояний g, g2, g3 g4, g5 g6 излучения приемника, полученных с помощью призмы
Волластона, и, таким образом, измеряется двенадцать пар лидарных сигналов.
17 СКР-лидар [177] основан на базе большого зеркала Сибирской лидарной станции диаметром 2,2 м и фокусным расстоянием / = 10 м. Рассеянное в атмосфере излучение передатчика попадает на световоды образующие, затем, входную щель двойного полихроматора. Измеряются три сигнала: один на основной длине волны (Л = 532ww); два сигнала СКР на чисто вращательных переходах молекул воздуха.
Обработке подверглись данные зондирования с 1991 по 2002 гг. [172-175]. В результате обработки получено более 600 МОР ОВЯ. Разрешение по высоте составило 96 м. Вычисления МОР ОВЯ проводились в два этапа: на первом этапе рассчитывались МОР. На следующем этапе вычислялись канонические МОР и углы преимущественной ориентации. В п. 4.3. представлены результаты измерений СКР-каналом в задаче калибровки аппаратуры поляризационных измерений ОВЯ по «молекулярному реперу». Таким образом, можно выделить интервал высот с превалированием молекулярного рассеяния над аэрозольным в задаче калибровки по «молекулярному реперу». Кроме того, становится известным поведение отношения рассеяния в ОВЯ и тем самым реализуется модифицированный алгоритм вычислений элементов МОР. На практике, получение за короткое время профилей отношения рассеяния в ОВЯ из лидарных сигналов СКР затруднительно, вследствие небольших сечений СКР рассеяния. Поэтому задачу учета динамики ОВЯ в цикле поляризационных измерений можно решать на основе получения отношения рассеяния из аэрозольных сигналов. Однако в этом случае, для корректного получения результатов необходимо знать лидарное отношение в ОВЯ. Поскольку эта характеристика менее изменчива, ее можно получить, на основе измерения профиля коэффициента ослабления из лидарных сигналов СКР-канала. В 4.4.1. представлены статистические данные об отношении рассеяния в ОВЯ за период измерений. В 4.4.2. приведены гистограммы частот появления элементов МОР. Кроме того, получены средние значения элементов канонических МОР ОВЯ за период измерений с 1991 по 2002 гг. и гистограмма частот параметра ориентированности. Из приведенных данных видно, что значительная доля ОВЯ (до 70%) соответствует случайной ориентации. Наличие преимущественной ориентации частиц в ОВЯ, с учетом положения лидарной установки, соответствует направлению запад-восток.
В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационной работы.
1. Предложена методика поляризационного зондирования с использованием одновременно измеренных профилей отношения рассеяния, коэффициента ослабления и температуры, получаемых из лидарных сигналов СКР на чисто-вращательных переходах молекул азота и кислорода, при этом повышение точности определения МОР ОВЯ не менее чем в 2,2 раза достигается благодаря тому, что:
разработан и апробирован алгоритм уменьшения систематических погрешностей аппаратуры поляризационного зондирования основанный на калибровке по «молекулярному реперу» с использованием лидарных сигналов СКР;
предложен и апробирован алгоритм уменьшения систематических погрешностей элементов МОР, обусловленных динамикой ОВЯ, основанный на явном виде отношения рассеяния, которое, в свою очередь, находится из лидарных сигналов СКР;
- созданы алгоритмы уменьшения случайных погрешностей элементов МОР ОВЯ,
обусловленных статистикой измеряемых лидарных сигналов, основанные на
использовании методов математической статистики и учитывающие изменчивость
ошибок в зависимости от высоты зондирования, интервала калибровки,
переопределенности данных;
- разработан алгоритм приведения МОР ОВЯ к каноническому (блочно-
диагональному) виду, позволяющий сравнивать результаты независимых измерений и
основанный на определении угла преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ.
2. Впервые на основе предложенной методики обработаны данные поляризационного
зондирования за 1991 - 2002 гг. и получены гистограммы и оценки средних значений:
элементов канонических (блочно-диагональных) МОР ОВЯ;
углов преимущественной ориентации ансамбля частиц ОВЯ;
параметра ориентированности ансамбля частиц ОВЯ;
отношения рассеяния в ОВЯ.
3. На основе анализа полученных результатов можно сделать следующие основные
выводы:
- показано, что значительная доля (до 25%) ОВЯ характеризуется небольшим
отношением рассеяния (в интервале 1,25- 1,75);
- большая (до 70%) часть ОВЯ представлена ансамблями частиц с набором
параметров: 0<^<0,2, |а12|<0,2 и а44=0, ориентацию которых можно считать
случайной в соответствии с данными модельных расчетов.
4. Даны рекомендации по созданию поляризационного лидара для мониторинга ОВЯ
на основе созданного метода.
По теме диссертационной работы опубликована 21 работа, из них 11 статей и 10 докладов
на научных конференциях. Работы по теме поддерживались грантами РФФИ: Р98-02-
03031,01-05-65209 - до 2003 г. включительно; 04-05-64495 - с 2004 г.
Автор приносит благодарности
научному руководителю к. ф.-м. н. Каулю Б. В., научному консультанту д. ф.-м. н.,
профессору Самохвалову И. В., коллективу лаборатории ЛЛС, ИОА, ТГУ.
Основы описания рассеяния электромагнитных волн на частицах
Исследование облаков верхнего яруса оптическими методами наиболее предпочтительно, поскольку позволяет получать новые знания о характеристиках облаков с помощью приборов находящихся, например, на поверхности Земли. Ряд важнейших характеристик облаков верхнего яруса получено визуальным изучением рассеяния солнечного излучения с поверхности Земли [76 - 81]. Радиометрическим исследованиям облаков верхнего яруса с помощью самолетных и аэростатных наблюдений посвящен ряд работ [82-89]. Радиометрические исследования проводились, также, с поверхности Земли [86-88].
Оптические методы дистанционного зондирования, к настоящему времени, являются самыми перспективными методами. К первым опытам подобного рода можно отнести результаты прожекторного зондирования [90-95]. Дальнейшее развитие оптических методов исследования облаков верхнего яруса происходит на основе лазерного зондирования.
Поляризационный лидар, принцип построения которого основан на измерении параметров Стокса рассеянного излучения, способен наиболее полно описывать характеристики облаков верхнего яруса. Однако к настоящему времени известно немного примеров зондирования облаков верхнего яруса с целью получения матрицы рассеянного излучения [96-101].
Удачным примером подобного рода служат измерения, проводимые на базе уникального поляризационного лидара Томского государственного университета созданного в содружестве с Институтом оптики атмосферы СО РАН. Основное затруднение в корректной интерпретации результатов измерений поляризационным лидаром вызывает проблема калибровки. Характерный недостаток одночастотного зондирования связан с принципиальной невозможностью разделить вклад молекулярного и аэрозольного рассеянных излучений в измеряемый сигнал, и, как следствие этого, выделить вклад шумовой составляющей, возникающей за счет иных, трудно контролируемых процессов. Поэтому большинство исследователей ограничиваются измерением всего двух параметров Стокса и измеряют усеченную матрицу рассеяния.
В последние годы стремительно развиваются методы зондирования основанные на принципе комбинационного рассеяния света (эффект Рамана - Ландсберга -Мандельштама). Несомненным достоинством методов зондирования на основе комбинационного рассеяния света является возможность не только разделить молекулярную и аэрозольную составляющие рассеянного излучения, вклад газовых составляющих, но, также, по результатам измерений восстановить важную статистическую характеристику состояния атмосферы - распределение температуры.
Дополненные данными о профиле лидарного отношения или отношения рассеяния знания, полученные из лидарного зондирования, становятся наиболее полными.
Первая теоретическая работа, посвященная использованию СКР для определения плотности атмосферы, принадлежит Куни [137]. Первая экспериментальная работа с описанием применения СКР для зондирования атмосферы представлена Леонардом [138] и, затем, Куни [139]. Большая серия работ посвященных лидарной диагностике методом СКР выполнена, начиная с 1969 года, Инаба, Кобаяси и д.р. [140]. Можно отметить мобильный лидар на АИГ-неодимовом лазере [141], и уникальную лидарную установку с площадью приемной антенны 16 м , позволившую Гарри и Кенту [142, 143] измерять профиль плотности атмосферы методом СКР с высот 11-40 км. Среди большого разнообразия работ посвященных использованию СКР для газоанализа атмосферы можно отметить одни из первых: -для анализа загрязненности атмосферы промышленными выбросами [144,145]; - для решения задачи определения дальности видимости в атмосфере [146]; -для определения профиля плотности атмосферы [147].
Особый интерес вызывают работы по применению СКР для определения состояния водяного пара в атмосфере. Трудно переоценить роль влажности в процессах облакообразования и осадков, в радиационном балансе. Определяющее влияние на энергетику и термодинамику атмосферы оказывают фазовые превращения воды. Первые измерения влажности в атмосфере с использованием СКР-лидара провели Мелфи и др. [148] и Куни [149]. В этих измерениях подтвердилась возможность ночных измерений влажности в атмосфере. Дневные измерения профиля влажности проведены Хиршфельдом и др. [150] и, в ближнем ультрафиолете, Захаровым и Торговичевым [151]. Среди методов измерения концентрации газов [142] использующих резонансное рассеяние (резонансную флуоресценцию), резонансное поглощение, резонансное или предрезонансное комбинационное рассеяние (РКР) спонтанное комбинационное рассеяние (СКР) занимает особое место. Перечислим основные преимущества метода СКР.
Метод СКР не привязан к определенной длине волны излучения лазера и, следовательно, не требуется перестраиваемый лазер. Выбор источника излучения, таким образом, зависит от решаемой задачи, возможностей экспериментатора и т. д.
Метод СКР позволяет определить абсолютную концентрацию исследуемого газа сравнением с сигналом азота [152]. Для этого необходимо знать сечение рассеяния исследуемого газа. Сигнал от азота рассматривается как опорный, поскольку азот равномерно перемешан в атмосфере до высот примерно 80 км. Для использования метода нет необходимости контроля температуры в исследуемом рассеивающем объеме. При определении концентрации не требуется решать некорректную обратную задачу, поскольку нет необходимости восстанавливать пространственную производную от функции сигнала.
С помощью спектральной аппаратуры сигналы СКР принимаются на частотах, отличных от частоты излучения передатчика. Таким образом, подавляются мешающие компоненты упругого рассеяния.
Метод СКР позволяет одновременно измерять концентрацию разных газов без перестройки приемной и передающей системы. СКР отличает малое время взаимодействия, поэтому пространственное разрешение не ухудшается.
При приеме сигналов СКР не происходит перегрузки приемника, благодаря подавлению сильных компонент упругого рассеяния. Это обстоятельство позволяет строить приемную часть лидара наиболее оптимальным образом.
Когда сигналы СКР получают в многофункциональных лидарах, то сигналы СКР, кроме прямого использования для определения концентрации газов, позволяют, так же разделять молекулярную и аэрозольную компоненты сигнала упругого рассеяния, определять атмосферное пропускание, аэрозольное отношение рассеяния.
Сигнала СКР можно использовать для дистанционного определения температуры газовой фазы атмосферы. Принцип определения температуры методом СКР основан на зависимости заселенности энергетических уровней молекул атмосферных газов от температуры и, следовательно, на зависимости спектральных коэффициентов упругого и комбинационного рассеяний и резонансного поглощения от температуры.
Методика определения профиля температуры
В основе построения методики, в соответствие с задачами диссертационного исследования, находится использование лидарных сигналов комбинационного рассеяния на чисто-вращательных переходах молекул азота и кислорода [137]. Это дает возможность решить задачу уменьшения аппаратных систематических погрешностей за счет калибровки по "молекулярному реперу" и учета динамики облаков верхнего яруса в цикле поляризационных измерений. Кроме того, использование лидарных сигналов комбинационного рассеяния позволяет получить вертикальный профиль температуры. В зависимости от условий проведения измерений, это позволяет оценивать характеристики облакообразования.
Методика определения профиля температуры
Для того, чтобы описать методику измерения профиля температуры из сигналов комбинационного рассеяния, необходимо более подробно рассмотреть особенности тензора рассеяния / (крк,,), в дальнейшем обозначаемым как [a ), на молекулах в случае спонтанного (обычного) комбинационного рассеяния.
Обычное комбинационное рассеяние света представляет собой эффект второго порядка. При взаимодействии рассеивающей частицы с фотоном обладающим энергией hv0, то тензор релеевского рассеяния составлен из элементов, включающих волновые функции невозмущенного атома, иона или молекулы (эффект первого порядка). Тензор рассеяния обычного комбинационного рассеяния включает в себя элементы с возмущенными и невозмущенными волновыми функциями (эффект второго порядка).
Для комбинационного рассеяния более высокого порядка (гиперкомбинационное рассеяние) имеют значения только возмущенные волновые функции. При этом волновые функции являются электронными даже в случае переходов комбинационного рассеяния между вращательными или колебательными уровнями основного состояния. Следуя [164], полная интенсивность излучения в единицу времени /te в пространстве определяется формулой [135]
В спектроскопии комбинационного рассеяния большое внимание уделяется колебательному и вращательному комбинационному рассеянию. В задачах зондирования атмосферных газовых составляющих вследствие достаточного спектрального разнесения компонент комбинационного рассеяния, соответствующих разным газовым составляющим, используется колебательное комбинационное рассеяние. В процессе рассеяния переход происходит между колебательным уровнем vm нормальной координаты Qm, связанной с электронным состоянием к, и другим колебательным уровнем ок того же электронного состояния к. В большинстве случаев это электронное состояние является основным электронным состоянием. Для элемента тензора рассеяния [а ) . , который можно обозначить как [а ) . можно получить следующее выражение
Вращательные переходы в комбинационном рассеянии могут происходить из основного электронного состояния на вращательные состояния молекулы. Также возможно, что переходы завершаются вращательными уровнями возбужденного колебательного состояния. В большинстве экспериментальных приложений существующие переходы с участием возбужденных электронных состояний не рассматривается, а исследуются данные с вращательными эффектами в основном электронном состоянии. Если основное электронное состояние обозначить g, то переход vm,J,M - om,J ,М будет чисто вращательным, а переход vm,J,M vm,J ,М - колебательно-вращательным.
Для молекул азота N2 и кислорода 02 по условиям симметрии разрешены переходы A/ = 0,+2, таким образом, во вращательном спектре комбинационного рассеяния этих молекул присутствуют ветви О, Q,S.
Мощность рассеянного излучения для чисто вращательных линий в S ветви спектра комбинационного рассеяния в единицу времени внутри единичного телесного угла dQ. равна, для случая рассеяния 180 к направлению распространения линейно-поляризованного падающего излучения, равна
Существует несколько методов дистанционного измерения температуры, основанных на использовании свойств вращательного и колебательного спектров комбинационного рассеяния, отличающихся способами анализа спектра.
Методы, построенные на использовании вращательного спектра комбинационного рассеяния, включают: а) сравнение формы огибающей всех линий наблюдаемой полосы или последовательный анализ профиля интенсивности линий; б) анализ отношения интенсивности спектральных интервалов полосы, выбранных с помощью фильтров или монохроматора; в) сравнение частотных сдвигов максимума интенсивности.
Для методов использующих колебательное комбинационное рассеяние характерным является: г) измерения по отношению интенсивностей стоксова и антистоксова компонентов; д) определение контура отдельной Q-ветви, соответствующей, например, основному состоянию, и ширина которой служит мерой оценки температуры.
Использование вращательного спектра комбинационного рассеяния особенно целесообразно для дистанционных измерений в диапазоне изменений температуры до нескольких сотен градусов Кельвина, поскольку в этом диапазоне наблюдается наибольшее относительное изменение интенсивности вращательных линий в зависимости от температуры. Применение методов использующих колебательную структуру спектров комбинационного рассеяния оптимально по чувствительности и точности для диагностики более высоких температур, например, в пламени многокомпонентных газов.
Метод дистанционного определения температуры предложенный Куни [137], основан на оптимальном по чувствительности выборе двух участков чисто вращательного спектра азота с помощью фильтров, таким образом, чтобы отношение сигналов от выбранных участков чисто вращательного спектра максимально зависело от температуры и, вследствие расположения выбранных участков спектра в узком диапазоне частот вблизи основной линии, не зависело от влияния пропускания атмосферы и характеристик приемопередающей аппаратуры (геометрической функции лидара). В результате, отношение сигналов зависит только от вращательной температуры.
Калибровка сигналов лидарного зондирования по интервалу высот
В процедурах калибровки данных лидарного зондирования нашел применение метод калибровки по интервалу высот калибровки. Принцип метода заключается в том, что при определенных условиях, в данных по трассе зондирования можно выделить участок высот зондирования приводимый в соответствие к модельному сигналу либо измеренный независимым способом, например с помощью шар-зонда. Задача калибровки сводится к задаче подгонки параметров требующих определения таким образом, чтобы между измеренным сигналом и модельным профилем было минимальное расхождение. В общей постановке это задача регрессии.
Однако, в большинстве случаев число независимых параметров известно a priori, поэтому задачу подгонки необходимо сводить к линейной задаче - методу наименьших квадратов с весами. Весовые функции появляются тогда, когда ошибки измерений вдоль калибровочного участка трассы существенно различны, либо, когда ошибки оцениваются через сигналы, подвергнутые последующим преобразованиям. В последующих рассмотрениях принято оценивать ошибки сигналов подвергнутых последующим преобразованиям (как линейным, так и нелинейным) с помощью метода линеаризации около среднего значения.
В этом приближении используется первый член разложения в ряд Тейлора, при этом вместо среднего значения принято использование самого сигнала где f(h) = f[P(h)] - известное преобразование сигнала P{h); D[p{h - оценка ошибки сигнала P{h), полученного из лидарных измерений. Если f{h)= f[al,a2,ai,...,am;P(h)] линейно зависит от параметров ах,а2,аг,...,ат, которые необходимо откалибровать, то необходимо искать минимум среднеквадратичного отклонения
Здесь fmod = {/mod(ht)} - матрица-столбец размером ихі, и состоящий из данных калибровки на интервале калибровки ht є [hj,hJ+n+x J, j - индекс, соответствующий началу участка калибровки; в = {al,a2,ai,...,amf - вектор-столбец размером mxl параметров калибровки; А - матрица размером тхп образованная коэффициентами при а],а2,а2,...,ат в линейной модели /(«,) =/[а,, а2,а3,..., ат;Р(/г,)] на интервале калибровки; D - ковариационная матрица ошибок размером пхп. Ошибки случайны, независимы и с нулевыми средними, поэтому можно полагать матрицу ошибок D диагональной. Необходимо учитывать, что в качестве отсчетов линейной модели выступают измеренные данные входящие в коэффициенты а1,а2,а3,...,ат в линейной модели, и включающие в себя случайные ошибки. Кроме того, профиль сигнала калибровки (модельный или какой-либо другой) известен так же с ошибками, поэтому диагональные элементы матрицы ошибок D можно оценивать в виде суммы оценок независимых ошибок
Решение линейной задачи поиска минимума Q2 известно, оценки параметров калибровки а{,а2,а3,...,ат находятся итерационной процедурой. Итерационная процедура возникает вследствие необходимости поиска оценки /)[/(/?)], для вычисления которой требуется знание величин параметров ах,а2,аъ,...,ат. Таким образом, в качестве первого приближения принимаем
На практике, вследствие быстрой сходимости, достаточно двух приближений. Ошибки оценок находятся по формуле D[e]=(ATD l) ]A}1. (3.2.8) Подводя итог рассмотрения метода калибровки по интервалу высот, необходимо заметить, что в более общем случае, когда необходимо откалибровать сигнал, составленный из нескольких измеренных сигналов ,а2,а3,...,ат;Р1(Н),Рг(И),...,РІІ(іі)], (3.2.9) то задача решается аналогичным образом.
В некоторых задачах калибровки возникает необходимость в дополнительном линейном преобразовании, для того, что свести задачу калибровки к линейному случаю. Такая задача возникает при калибровке данных сигналов комбинационного рассеяния и будет рассмотрена далее. В случае калибровки данных поляризационного лидара, так же рассматриваемом далее, операцию линеаризации удается применить только для случая калибровки отношения рассеяния, а для калибровки элементов матрицы обратного рассеяния приходится рассматривать решение нелинейной задачи. В задаче приведения матриц обратного рассеяния так же применяется операция линеаризации, позволяющая эффективно обойти трудности, возникающие в процессе вычислений.
Алгоритмы предварительной обработки результатов измерений
Сигналы, поступающие на счетчик импульсов с фотодетекторов подвержены искажениям вследствие не идеальности ФЭУ. Поэтому необходима предварительная коррекция сигналов на просчеты, последействие ФЭУ и вычитание уровня фона.
Последовательность операций при предварительной обработке сигналов зондирования происходит следующим образом: а) измеренные сигналы корректируются на просчеты; б) сигналы корректируются на эффект последействия ФЭУ; в) определяется и вычитается из сигналов уровень фона; г) вычисляются оценки дисперсий скорректированных сигналов. В качестве исходных оценок дисперсий сигналов принимаются оценки исходя из асимптотического свойства сигналов описываемых статистикой Пуассона - среднее равно дисперсии. Затем, по мере преобразований (в том числе корректировки) сигналов оценки ошибок вычисляются методом линеаризации, для чего используется первый член разложения в ряд Тейлора около среднего значения
Характеристики облаков верхнего яруса по данным поляризационного зондирования за период 1991 - 2002 года
Приставка содержит кассету с фазовой пластинкой и кассету с призмой Волластона. Последняя жестко закреплена с блоком детекторов и может вращаться вместе с ним вокруг оптической оси. Положение кассеты с пластинкой может устанавливаться независимо от блока призма-детекторы. Если обозначить матрицу Миллера призмы Волластона через П(# ), где (р - угол поворота призмы, то при трех различных положениях углов поворота призмы Волластона и фазовой пластинки, реализуются пары приборных векторов.
В первом состоянии углов осуществляется следующая комбинация При таком положении призмы и фазовой пластины реализуется первая пара приборных векторов G, и G2 Во втором состоянии углов осуществляется следующая комбинация При таком положении призмы и фазовой пластины реализуется вторая пара приборных векторов G3 и G4 В третьем состоянии углов осуществляется следующая комбинация При таком положении призмы и фазовой пластины реализуется третья пара приборных векторов G5 и G6
В первом и втором состоянием углов присутствие фазовой пластинки не обязательно, но потери на френелевское отражение при этом не меняются. Система регистрации сигналов построена на регистрации сигналов в режиме счета фотонов. Детекторами являются два фотоэлектронных умножителя ФЭУ-130. Детекторы отбирались из партии по признакам выраженного счетного плато, малым уровнем темнового шума и стабильностью параметров во времени. Реакция на выход одного фотоэлектрона с катода проявляется в виде импульса анодного тока со средней длительностью 10" си амплитудой 5 10"5-;-10"4 А. Эти импульсы принято называть одноэлектронными в том смысле, что они являются реакцией на выход одного фотоэлектрона. Они имеют статистический разброс по амплитудам и длительностям из-за случайного характера траекторий электронов, а, также, вследствие вероятностного характера выхода электронов в процессе умножения в динодной системе фотоприемника.
Затем одноэлектронный импульс поступает на усилитель-дискриминатор, задачей которого является усиление слабого импульса и формирование до уровня при котором устойчиво работают цифровые логические микросхемы. Задачей усилителя-дискриминатора является срабатывание только в определенном диапазоне амплитуд токов входных сигналов. Таким образом, осуществляется отсекание значительной доли темновых шумов, достигается стабильность работы усилителя-дискриминатора.
В дальнейшем сформированный одноэлектронный импульс поступает на четырехканальный счетчик импульсов. Каждый канал счетчика разбит на последовательный ряд ячеек памяти. Поступающий со счетчика-дискриминатора импульс, соответствующий логической единице, попадает в ячейку памяти счетчика с определенным номером и добавляется к содержимому ее предыдущего состояния. Номер ячейки определяется по тому, какое время прошло с момента поступления импульса синхронизации на счетчик импульсов от импульса излучения лазера. Номера ячеек памяти счетчика последовательно увеличиваются через каждые 80 не, таким образом, поступивший в определенный момент в ячейку памяти счетчика импульс соответствует сигналу с определенной высоты зондирования в атмосфере с пространственным разрешением 96 метров.
Импульсы синхронизации суммируются и, по достижении определенного числа посылок лазерных импульсов в атмосферу, измеренный профиль сигнала в цифровом виде переписывается из счетчика в ЭВМ. Вся система измерений построена таким образом, что к файлу данных добавляется информация о дате и времени измерений, состоянии параметров Стокса передатчика и номере приборного вектора приемника, состоянии метеопараметров на момент измерений. В таком виде измеренные файлы данных хранятся на ЭВМ и готовы к последующей обработке. Можно только добавить, что ряд последних ячеек памяти используется для регистрации суммарных фоновых шумов как счетчика, так и атмосферы.
Таким образом, последовательный порядок измерений сигналов зондирования следующий: последовательно, каждому из четырех состояний передатчика s,, s2, s3, s4 соответствуют три пары состояний G,G2, G3G4, G5G6 приемника и, следовательно, измеряется и записывается двенадцать пар лидарных сигналов.
Лидар комбинационного рассеяния Лидар комбинационного рассеяния света построен на базе большого зеркала Сибирской лидарной станции [177]. В центре лидарной станции расположена шахта сечением 3x3 метра и проходящая через все четыре этажа станции. В основании шахты, на первом этаже, располагается зеркало. Диаметр зеркала - 2,2 метра, фокусное расстояние - 10 метров.
На уровне четвертого этажа, в фокальной плоскости зеркала, располагается круглая площадка, на которой закрепляются устройства, принимающие рассеянное в атмосфере излучение. В помещении на уровне третьего этажа расположен лазер ИЛТИ-407, приемная и регистрирующая аппаратура. Излучение лазера коллимируется, вводится в шахту через отверстие и, с помощью отклоняющих зеркал, реализуется коаксиальная схема зондирования.
Рассеянное в атмосфере излучение попадает в световодный жгут, состоящий из семи световодов каждый диаметром 0,8 мм. Световоды расположены в круглом разъеме, закрепляемом на площадке в фокальной плоскости большого зеркала.
Длина жгута световодов около 10 метров. Световодный жгут выведен на уровень третьего этажа и закреплен на входе двойного линзового полихроматора. Световоды на входе полихроматора выстроены в линейку и образуют входную щель монохроматора.
Двойной полихроматор состоит из двух одинаковых блоков, соединенных с помощью световодов. Каждый блок построен по автоколлимационной схеме на основе линзы диметром 150 мм и фокусным расстоянием 600 мм а, также, - нарезной линейной дифракционной решетки 150x150 мм, работающей в первом порядке. На выходе первого полихроматора, в плоскости изображения, расположены пять линеек, каждая из 7 световодов, образующих выходные щели.
