Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы регистрации лидарных сигналов большого динамического диапазона 14
1.1. Уравнение лазерной локации 14
1.2. Геометрический фактор лидара 17
1.3. Отбор фотоэлектронных умножителей, работающих в режиме счета одноэлектронных импульсов 21
1.4. Способы расширения диапазона линейной работы фотоэлектронных умножителей при регистрации лидарных сигналов 25
1.4.1. Оптико-механические методы расширения диапазона линейной работы фотоприемников 28
1.4.2. Электронные методы расширения диапазона линейной работы фотоприемников 33
1.5. Математические методы устранения искажений лидарных сигналов 39
Выводы 43
Глава 2. Оптимизация работы каналов УФ лазерного зондирования на. Сибирской лидарной станции 44
2.1. Основы восстановления профилей озона методом дифференциального поглощения 44
2.2. Аппаратурная реализация лидара по зондированию стратосферного озона 46
2.3. Влияние аппаратурных искажений лидарных сигналов на погрешность восстановления профилей концентрации стратосферного озона 48
2.4. Программные и аппаратные способы улучшения точности регистрации лидарных сигналов 50
2.4.1. Коррекция лидарных сигналов на просчеты, обусловленные «слипанием» импульсов фотоприемников 51
2.4.2. Корректное определение фонового сигнала на конце трассы зондирования и между зондирующими импульсами 53
2.4.3. Модернизация приемо усилительного тракта озонового лидара СЛС 54
2.4.4. Автоматизация управления работой механического обтюратора...60
2.5. Модернизация УФ лидара для зондирования влажности в тропосфере 64
Выводы 67
Глава 3. Разработка канала зондирования облачности в дневное и ночное время на Сибирской лидарной станции 69
3.1. Схемное построение лидара для зондирования характеристик облачности 70
3.2. Регистрация сигналов от облаков в дневное и ночное время в видимом и ИК - диапазоне спектра 74
3.3. Некоторые результаты измерений характеристик облачности 76
Выводы 80
Глава 4. Разработка автоматизированного аэрозольно-температурного комплекса Сибирской лидарной станции 82
4.1. Основы метода восстановления стратосферного аэрозольного слоя и. температуры средней атмосферы из данных лазерного зондирования 83
4.2. Общая схема автоматизированного аэрозольно-температурного комплекса и его технические параметры 87
4.3. Сравнение компактного лидара на основе Nd:YAG лазера с аэрозольным каналом СЛС на основе лазера на парах меди 93
4.4. Автоматизация управления работой системы фотоэлектронной регистрации и оптико-механических узлов компактного лидара на основе Nd:YAG лазера 94
4.4.1. Применение электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ для расширения диапазона линейной работы фотоприемников 96
4.4.2. Разработка автоматизированного юстировочного узла выходного зеркала для передачи лазерного излучения в атмосферу 97
4.5. Измерение вертикальных профилей температуры в диапазоне 10-75 км с помощью основного телескопа СЛС ...101
4.6. Сравнение результатов лидарных наблюдений интегральных характеристик аэрозольного слоя стратосферы в Томске и Минске 103
4.7. Вертикальная структура стратосферного аэрозольного слоя по данным стационарных и экспедиционных измерений 105
Выводы 109
Заключение 111
Литература 114
Приложения 124
- Способы расширения диапазона линейной работы фотоэлектронных умножителей при регистрации лидарных сигналов
- Влияние аппаратурных искажений лидарных сигналов на погрешность восстановления профилей концентрации стратосферного озона
- Регистрация сигналов от облаков в дневное и ночное время в видимом и ИК - диапазоне спектра
- Общая схема автоматизированного аэрозольно-температурного комплекса и его технические параметры
Введение к работе
Актуальность проблемы. Для обнаружения климатоэкологических атмосферных изменений, для оценки степени влияния природных и антропогенных факторов на подобные изменения требуются регулярные длительные измерения параметров атмосферы. Одной из наиболее острых проблем является обнаруженное уменьшение содержания стратосферного озона в умеренных и особенно полярных широтах. Стратосферный озоновый слой, как известно, является единственным природным фильтром, который оберегает биосферу от губительной коротковолновой части ультрафиолетовой солнечной радиации. Поэтому исследование физико-химических механизмов, определяющих изменения озонового слоя, является одной из наиболее актуальных задач физики атмосферы.
Значительное влияние на радиационный режим атмосферы оказывает стратосферный аэрозольный слой (САС). Массовое содержание фонового стратосферного аэрозоля (СА) в десятки раз меньше, чем масса аэрозоля в периоды вулканического возмущения стратосферы. Так, после мощнейшего в XX в. извержения вулкана Пинатубо (июнь 1991 г.) глобальная масса H2SO4-НгО стратосферного аэрозоля оценивалась величинами от 21 до 40 Мт, в то время как для фоновых периодов оценки составляют от 0,6 до 1,2 Мт [1]. При этом стратосферная аэрозольная оптическая толща, которая рассматривается в качестве главного параметра, определяющего воздействие стратосферного аэрозольного слоя на радиационный режим атмосферы и климатические эффекты [2], оценивается на длине волны 0,55 мкм для северного полушария фоновых периодов значениями 0,004-0,007, а после извержения вулкана Пинатубо достигала значений 0,2 [1, 3]. В периоды максимального аэрозольного наполнения стратосферы прямыми измерениями регистрируются значительные радиационно-температурные эффекты — уменьшение приземной температуры на несколько десятых градуса вследствие рассеяния вулканогенным аэрозолем коротковолновой солнечной
б радиации и повышение температуры на несколько градусов на высотах локализации слоя вследствие поглощения РІК восходящей радиации Земли [4, 5].
Медленные температурные изменения могут быть обусловлены и фоновым аэрозолем при накоплении его содержания в стратосфере в результате роста промышленного производства. Гипотеза об антропогенном увеличении массы фонового СА до 5% в год была высказана на основе сравнения аэрозольного содержания в фоновые периоды 1979 и 1989-90 гг. [6]. По модельным расчетам при ежегодном увеличении антропогенного потока карбонилсульфида в стратосферу на 4,5% к 2050 г. оптическая толща СА увеличится более чем на порядок, и средняя приземная температура уменьшится на 1,5 [7]. В связи с проблемой возможных климатических последствий антропогенного увеличения мощности САС исследованиям в этой области уделяется большое внимание.
Необходимы знания о природе, источниках, характеристиках и динамике фонового СА. Кроме того, фоновый СА необходимо учитывать при модельном анализе баланса малых газовых составляющих атмосферы. О учетом того, что характеристики САС имеют географические особенности, сезонные и другие циклы изменчивости, необходимы долговременные, в больших пространственных масштабах климатологические исследования САС. При этом, используя СА как трассер динамических процессов в нижней стратосфере, возможно исследовать по широтному градиенту его распределения процессы меридиональных переносов.
Не менее актуальной является проблема уменьшения температуры верхней стратосферы и мезосферы в течение последних 20 лет. Эту тенденцию рассматривают с позиции влияния антропогенного фактора, в частности за счет увеличения содержания «парниковых» газов, участвующих в радиационном выхолаживании средней атмосферы.
Исследованию этих проблем посвящены современные международные программы и проекты, например MAP (программа «Средняя атмосфера»);
' 7 SPARC (проект «Стратосферные процессы и их роль в климате»); NDSC (проект «Сеть обнаружения стратосферных изменений»), Европейская сеть аэрозольных исследований EARLINET. Во всех этих проектах и программах определенное место занимают методы лазерного дистанционного зондирования, которые обладают большим пространственным и временным разрешением, а также рекордными концентрационными чувствительностями. Всего по данным Интернет сайта ICLAS [8] (Международная координационная группа по лазерному исследованию атмосферы) на сегодняшний день зарегистрировано 85 лидарных групп, среди которых представлена и Сибирская лидарная станция (СЛС) Института оптики атмосферы Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН). Большинство лидарных обсерваторий работают в режиме регулярных измерений, так как такой режим необходим для обнаружения эпизодических, кратковременных и долговременных атмосферных изменений, постепенно накапливающихся под действием природных и антропогенных факторов, а так же сезонных, квазидвухлетних и других циклических изменений.
На большой территория России в режиме регулярных измерений стратосферного озона, аэрозоля и температуры работает лишь Сибирская лидарная станция в г. Томске, которая начала свою работу с конца 80-х годов. Многочастотная, многоканальная Сибирская лидарная станция имеет в своем составе главный телескоп диаметром 2,2 м, который осуществляет прием сигналов из стратосферы и мезосферы, а также телескопы меньшего диаметра 0,5 и 0,3 м. Первые профили стратосферного аэрозоля были получены в 1986 году [12], в 1988 году был организован канал зондирования стратосферного озона, а в 1995 году на базе главного приемного телескопа диаметром 2,2 м был разработан канал зондирования профилей температуры в диапазоне 30-70 км. В 1996 году СЛС была включена в число уникальных экспериментальных установок России (per. № 01-64).
Требование регулярности наблюдений параметров атмосферы ставит задачи обеспечения оперативности и надежной работы лидарной техники,
8 для чего необходимо проведение комплексной автоматизации управления работой приемопередающих блоков лидаров. Существует также проблема обеспечения линейного режима работы систем фотоэлектронной регистрации лидарных сигналов в большом динамическом диапазоне. Для этого необходимо применять меры сокращения динамического диапазона лидарных сигналов, так как он может достигать 10-12 порядков, в то время как диапазон линейности современных счетных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) не может превышать 5 порядков.
Учитывая все вышесказанное можно сформулировать цель и основные задачи исследования диссертационной работы.
Цель работы: модернизация каналов лазерного зондирования характеристик атмосферы на Сибирской лидарной станции для расширения числа измеряемых параметров и комплексной автоматизации управления фотоэлектронными и оптико-механическими системами лидарных приемопередатчиков.
В нашем случае под каналом лазерного зондирования мы подразумеваем лидарную систему, обеспечивающую измерение определенного параметра атмосферы: озона, аэрозоля, температуры, облачности или влажности на конкретных длинах волн.
В ходе работы выполнялись следующие задачи:
Исследование и отбор счетных фотоприемников, работающих в
ультрафиолетовом, видимом и ИК - диапазонах спектра, для установки
их на лидары СЛС.
в Разработка и изготовление устройств сокращения большого динамического диапазона лидарных сигналов.
Оптимизация работы канала зондирования стратосферного озона на
основе программных и аппаратных способов повышения точности
измерений лидарных сигналов.
'" 9
Разработка канала по зондированию профилей влажности в тропосфере, получаемых на основе сигналов обратного комбинационного рассеяния.
Разработка канала зондирования характеристик облачности в дневное и ночное время.
Разработка систем фотоэлектронной регистрации лидарных сигналов и автоматизация управления работой аэрозольно-температурного комплекса на базе приемных телескопов диаметром 0.3 и 2.2 м, позволяющего одновременно получать профили' оптических характеристик стратосферного аэрозоля в диапазоне 10-30 км по обратным сигналам упругого рассеяния и профили температуры в диапазоне 10-75 км по сигналам комбинационного и упругого рассеяния.
Разработка перевозимого варианта стратосферного аэрозольного лидара на базе приемного телескопа диаметром 0.3 м. для проведения экспедиционных измерений от средних до субполярных широт регионов Сибири с целью климатологических исследований фонового состояния стратосферного аэрозольного слоя.
На защиту выносятся:
Способ электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ, работающего в режиме счета фотонов, путем подачи управляющих импульсов на фотокатод или первые диноды в зависимости от его конструктивных особенностей и устройства его реализующие, которые позволяют на практике расширить диапазон линейности ФЭУ до пяти порядков.
Лидар для зондирования перистой облачности, работающий в режиме счета одноэлектронных импульсов в ближнем ИК диапазоне спектра, обеспечивающий оперативное получение лидарных сигналов с временным
10 разрешением (до 3-х секунд) в дневное и ночное время даже при наличии нижележащих облаков с оптической толщей не более 0.3.
Программные и аппаратные способы повышения точности измерений лидарных сигналов за счет корректного определения фона и обеспечения линейной работы ФЭУ, а также коррекции сигналов на просчеты фотоприемников, позволяющие расширить высотный диапазон получения физически достоверной информации о стратосферном озоне с 15-35 км до 10-45 км.
Компактный перевозимый макет аэрозольного лидара и полученные с его помощью результаты экспедиционных измерений характеристик стратосферного аэрозольного слоя в разных регионах Сибири от средних до субполярных широт.
Научная новизна работы
Получен многолетний ряд данных наблюдений за динамикой вертикального распределения озона, аэрозоля и температуры в условиях возмущения стратосферы мощным вулканическим извержением и в фоновых условиях длительного вулканически спокойного периода.
Разработанная оптико-электронная система одновременной регистрации лидарных сигналов обратного упругого молекулярного рассеяния на длине волны 532 нм в высотном диапазоне 30-75 км и обратного комбинационного рассеяния от молекулярного азота на длине волны 607 нм в высотном диапазоне 10-30 км позволяет одновременно получать из данных лазерного зондирования непрерывный профиль температуры в высотном диапазоне 10-75 км.
Впервые проведены лидарные климатологические исследования стратосферного аэрозольного слоя от средних до субполярных широт региона Сибири, в условиях длительного вулканически спокойного периода.
Использование результатов работы.
Представленные в работе исследования выполнялись в рамках ряда международных, государственных и региональных программ, среди которых можно отметить: ГНТП России «Глобальные изменения природной среды и климата»; Российско-китайский проект «Лазерные технологии в климатоэкологическом мониторинге»; программу института оптики атмосферы СО РАН SATOR (Stratospheric and Tropospheric Ozone Research); программу Национального американского космического агентства (NASA) LITE (Lidar In-Space Technology Experiment); контракт 352654-A-Q1 с Тихоокеанской Северо-Западной лабораторией Департамента энергетики США по программе атмосферных радиационных измерений (ARM); проект «Оптические комплексные исследования физических механизмов стратосферных изменений» (№ госрегистрации 01.20.04 06059) программы СО РАН 12.3 «Физика атмосферы и окружающей среды»; Международный проект МНТЦ (№ В-1063) «Мониторинг атмосферного аэрозоля и озона в регионах СНГ посредством сети лидарных станций» (CIS-Li Net).
Практическая значимость работы заключается в следующем:
В результате работы проведено исследование электронных методов расширения диапазона линейной работы фотоприемников, работающих в режиме счета одноэлектронных импульсов. Разработаны и изготовлены устройства расширения диапазона линейной работы фотоприемников в. которых управление фотоэлектронными умножителями осуществляется по фотокатоду или по динодам, в зависимости от конструктивных особенностей разных типов ФЭУ.
Комплексная автоматизация управления работой систем фотоэлектронной регистрации и процессом юстировки лидарных приемопередатчиков обеспечивает оперативный, не требующий длительных юстировок, режим измерений на СЛС.
; 12
Разработанные устройства электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ и автоматизации управления используются в измерительных комплексах Сибирской лидарной станции, которая работает в режиме регулярных измерений в составе сети лидарных станций СНГ (CIS-LiNet).
Разработан лидар по зондированию параметров облачности, который позволяет регистрировать лидарные сигналы в режиме счета одноэлектронных импульсов в дневное и ночное время с большим временным (до 3 сек.) и пространственным разрешением.
Достоверность результатов работы обеспечивается проработкой методических вопросов получения и регистрации лидарных сигналов; использованием апробированных, развиваемых в ИОА СО РАН методик обработки лидарных сигналов; статистической обеспеченностью экспериментальных данных. Полученные результаты согласуются с результатами измерений лидарной станции Института физики НАН Беларуси г. Минск, и других среднеширотных станций.
Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации, полученные автором, опубликованы в 17 статьях в российских научных рецензируемых журналах, сборниках SPIE, ILRC и ARM, докладывались на: I, II, III, IV, V,
VII Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999,2000 гг.); III Сибирском совещании по климатоэкологическому мониторингу (Томск, 1999 г); VIII, IX и XI Международных симпозиумах по оптике атмосферы и океана и атмосферной физике (Иркутск 2001г., Томск 2002 г. и Томск 2004 г.); I и III международной школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 1999 и 2002 г.); 9 Рабочем совещании по атмосферным радиационным измерениям (Туксон, Аризона, США 1998 г.);
VIII , IX и XI Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (Томск 2000, 2001,
' 13 2002 и 2004 г.г.); I и II Международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск, 2001 и 2003г.); VII Российско-китайском симпозиуме по лазерной физике и лазерным технологиям (Томск, 2004 г.); 22 Международной конференции по лазерному зондированию (ILRC) в Матера, (Италия 2004 г.); Международной конференции по оптическим технологиям для исследований атмосферы, океана и окружающей среды (Пекин, Китай 2004 г.).
Личный вклад Представленные в данной работе результаты исследований были получены при непосредственном участии автора в осуществлении регулярных лидарных наблюдений озона, аэрозоля и температуры. Автором осуществлена разработка и запуск устройств сокращения большого динамического диапазона, проведена комплексная автоматизация приемопередающего тракта аэрозольно-температурного комплекса СЛС, которая представляет собой разработку устройств управления работой фотоэлектронной регистрации и процессом юстировки лидарных приемопередатчиков, написание программ, управляющих работой приемопередающего тракта лидара. Автор активно принимал участие в экспедиционных измерениях, проводимых в регионах Сибири (Омск, Сургут, Норильск, Байкал). Работа не могла быть выполнена без помощи коллектива сотрудников лаборатории. Постановка задач и конкретизация направлений исследований осуществлялась чл.-кор. РАН В.В. Зуевым. Неоценимая помощь в проведении натурных исследований и обсуждении результатов была оказана автору д.ф.-м.н. А.В. Ельниковым, к.ф.-м.н. В.Д. Бурлаковым, и к.ф.-м.н. СИ. Долгим.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем диссертации 128 страниц, она содержит 51 рисунок и 6 таблиц. Список используемой литературы содержит 93 наименования.
Способы расширения диапазона линейной работы фотоэлектронных умножителей при регистрации лидарных сигналов
Лазерное зондирование основывается на принципе световой локации, которое, по аналогии с радаром, называется лидар (аббревиатура английских слов Light Detection and Ranging). В обобщённом смысле лазер в лидаре используется как импульсный источник направленного светового излучения. В отличие от радиодиапазона в оптическом диапазоне частот из-за малости длин волн, особенно видимого и УФ-излучения, отражателями локационного сигнала являются все молекулярные и аэрозольные составляющие атмосферы, т.е., по сути дела, сама атмосфера формирует лидарный эхо-сигнал со всей трассы зондирования. Это позволяет осуществлять дистанционное лазерное зондирование весьма удаленных атмосферных объемов в любых направлениях.
Распространяясь по атмосферной трассе зондирования, лазерный импульс испытывает поглощение и рассеяние на молекулах и аэрозолях атмосферы. Часть излучения, рассеянная атмосферой назад в направлении лидарной системы, может быть собрана и сфокусирована с помощью приёмной антенны на фотодетектор, который преобразует её в электрический сигнал, пропорциональный падающему световому потоку. При этом расстояние до любого рассеивающего объёма на трассе зондирования однозначно определяется по значению временного интервала с момента посылки лазерного импульса, поскольку свет распространяется с известной скоростью. А интенсивность принятого сигнала в каждый конкретный момент времени зависит как от свойств конкретного рассеивающего объёма атмосферы, так и от характеристик всей атмосферной трассы зондирования на двойном пути от лидара до рассеивающего объёма и обратно [15].
Функциональная связь между всеми параметрами приемопередающей системы лидара и величинами потоков излучения, принимаемых с различных расстояний при зондировании протяженных сред, описывается уравнением лазерной локации, выводы которого представлены в [9]. При зондировании атмосферы короткими лазерными импульсами, когда ги ? = 2z/c, выражение для мощности, принимаемой с высоты z от всего освещенного объёма при однократном рассеянии, имеет вид: [9] где, с - скорость света, -Ро[Вт] — пиковая мощность лазерного импульса длительностью ги, SQ= TWQ вся площадь приемной апертуры, г\ — суммарный коэффициент пропускания приемной оптической системы, ехр прозрачность слоя атмосферы на пути от лидара до зондируемого объема и обратно, функция G(z)- геометрический фактор лидара. В том случае, если регистрация лидарного сигнала осуществляется со спектральным смещением относительно длины волны лазерного излучения Ч), например, при комбинационном рассеянии, уравнение лазерного зондирования имеет вид [10]: где (% (А -Aitz) — объемный коэффициент комбинационного рассеяния в направлении назад для атмосферного газа с характеристичным комбинационным сдвигом v = с(Х -А;1). Для наиболее характерной ситуации, когда в отражении лазерного импульса из атмосферного объема участвуют явления рэлеевского и аэрозольного рассеяния коэффициент (Z) = ;(z)+/?;(z) представляет собой сумму коэффициентов, соответственно, молекулярного J3"(z) и аэрозольного J3(z) рассеяния в направлении назад. Результаты вертикального распределения атмосферного аэрозоля в лазерном зондировании принято представлять в виде вертикальных профилей отношения рассеяния R(Z), отношение суммарного объемного коэффициента обратного рассеяния к молекулярному: Для полученных при зондировании сигналов, в нашем случае в виде числа зарегистрированных фотонов во временном интервале (стробе) N(Z), лидарное уравнение (1.1) можно записать в виде где Щ - фоновый сигнал, T2(Z) - квадрат прозрачности атмосферы, из уравнения (1.1); С - аппаратная постоянная лидара, включающая площадь приемного телескопа, пропускание приемно-передающего тракта, энергию лазерного импульса, квантовую эффективность фото детектор а. В уравнении (1.6) неизвестными величинами являются С, T2(Z) и Д"(Z). Квадрат прозрачности атмосферы и коэффициент обратного молекулярного рассеяния могут быть определены по моделям атмосферы [11]. Если имеются метеорологические данные, соответствующие времени лидарных измерений, то коэффициент обратного молекулярного рассеяния можно рассчитать через давление и температуру. Аппаратная константа С определяется методом калибровки по сигналу из слоя расположенного на высоте ZK с которой определяющим является молекулярное рассеяние. Такое предположение справедливо для высот 25-30 км, где аэрозоль в обычных условиях практически отсутствует и величина R(ZK) принимает свое минимальное значение и 1. на высоте ZK и выше вклад аэрозольного рассеяния в прозрачность атмосферы пренебрежимо мал, поэтому величины T(ZK) и J3"(ZK) довольно точно определяются по моделям.
Влияние аппаратурных искажений лидарных сигналов на погрешность восстановления профилей концентрации стратосферного озона
Здесь рассматривается точка с координатами (г, р), началом системы координат является пересечение плоскости исследуемого объекта с осью оптической приемной системы, т.е. г - расстояние точки на плоскости исследуемого объекта от оси телескопа, ср - соответствующий азимутальный угол. F(H,r, p) - функция распределения интенсивности лазерного излучения по освещенной плоскости исследуемого объекта обычно принимается равной 1, т.е. предполагается, что лазерный импульс имеет прямоугольную форму с равномерным распределением интенсивности. G(H,r, p) - основанная на геометрическом рассмотрении вероятность того, что излучение элемента площади поверхности объекта, положение которого определяется координатами г и ср и расстоянием Н, достигнет приемника излучения.
Таким образом, функция G(H) зависит от степени перекрывания области, освещаемой лазерным лучом на высоте Н, полем зрения приемника. Практически она будет определяться геометрией конструкции приемопередающей оптической системы лидара, т.е. величинами: b, re,r0,j3 и а (т.е. d и f). Очевидно, что а должно быть больше J3.
В зависимости от степени перекрытия площадей сечения излучения передатчика и сечения луча, попадающего в поле зрения приемника, можно выделить три высотные зоны, показанные на рис. 1.1. 1. Н /і, - теневая зона, перекрытия сечений передатчика и приемника нет, G(H)=0. 2. h2 Н /г, - переходная зона, частичное перекрытие сечений, где необходимо учитывать геометрический фактор. 3. Н h2 - зона полного вхождения сигнала, полное перекрытие сечения луча полем зрения приемника G(H)=1. Границы зон могут быть определены из геометрического рассмотрения пересечения краевых лучей, формирующих изображение зондируемого слоя в фокальной плоскости приемного телескопа, с краевыми лучами зондирующего излучения для определенной геометрии лидара. В каждой точке фотодетектора фокусируется излучение, приходящее с площади крута радиуса г0 излучающей поверхности. В точке Р на краю фотодетектора (диафрагмы) фокусируется граничное излучение, приходящее с площади круга радиуса г0 с центром в точке М, отстоящей на расстоянии аН от оси приемника. Высота теневой зоны Л, определится из рассмотрения треугольников ABC и ВСД, высота начала зоны полного вхождения сигнала Ьг определится из треугольников КТЕ и КТО следующими соотношениями:
Все результаты наших измерений обрабатывались для высотного диапазона, где геометрический фактор уже равняется 1. Геометрия оптических систем лидарных приемо-передатчиков строилась с учетом достижения на требуемой высоте h2 величины G(H)=1. На рис. 1.2 приведены расчетные зависимости верхней и нижней границ переходной зоны от диаметра диафрагмы (т.е. от угла поля зрения приемной системы) для конкретной геометрии разработанных нами лидаров.
Снижение верхней границы переходной зоны наблюдается естественным образом при увеличении угла поля зрения. Однако это одновременно ведет к снижению отношения сигнал/шум за счет увеличения фоновых засветок, что влияет на точность зондирования. Кроме того, при этом возрастает сигнал от ближней зоны зондирования.
Регистрация оптических сигналов в современных лидарах системах осуществляется с помощью фотоэлектронных умножителей, эти виды фотоприемников имеют большой коэффициент усиления и относительно маленький уровень шумов. Они получили широкое распространение при регистрации слабых и сверхслабых сигналов. Фотоэлектронный умножитель - электрооптический прибор, преобразующий световые сигналы в электрические. ФЭУ состоит из фотокатода и цепочки динодов, расположенных в вакуумной стеклянной трубке. Световой поток через входное окно ФЭУ попадает на фотокатод, который испускает электрон почти для каждого падающего на него светового фотона [13]. Электроны, эмитируемые фотокатодом, при облучении его световым потоком устремляются под воздействием электрического поля к первому диноду. На его поверхность наносится кислородно-цезивое, медно-серно-цезиевое или дрзтое сложное покрытие, обеспечивающее коэффициент вторичной эмиссии (обычно a=6-8). Таким образом, если при данном световом потоке ток с фотокатода равен 1ф, то ток первого динода равен о 1ф5 второго - о21ф и т.д. На анод должен прийти поток электронов, умноженный в о11 раз, где п - число динодов. Однако уже с фотокатода на первый динод попадают не все электроны, поэтому отношение числа Пі электронов, достигших первого динода к числу фотоэлектронов, называют коэффициентом сбора.
Обычно гк несколько меньше единицы, так как рассеивается часть электронов по пути от одного динода к другому. Коэффициент усиления ФЭУ зависит от числа динодов и эффективности вторичной эмиссии одиночного динода. Поэтому общий коэффициент усиления ФЭУ описывается формулой:
Регистрация сигналов от облаков в дневное и ночное время в видимом и ИК - диапазоне спектра
Основные искажения в форму зарегистрированного лидарного сигнала вносит мощный оптический сигнал от ближней зоны зондирования, который ведет к эффекту насыщения, появлению импульсов последействия ФЭУ и искажению всей формы лидарного сигнала. Для отсечки оптического сигнала от ближней зоны зондирования широко применяют устройства механической отсечки, механические обтюраторы. Рассмотрим работу этих устройств на примере лидара по зондированию стратосферного аэрозоля, который разработан нами на Сибирской лидарной станции Института оптики атмосферы СО РАН. На рис. 1.6 показаны лидарные сигналы, зарегистрированные одновременно на длинах волн 532 и 683 нм. Передача сигналов к кювете спектральной селекции с ФЭУ осуществляется по световоду. Диск механического обтюратора установлен сразу после выходного торца световода перед коллимирующей линзой. Кривые 1,2 соответствуют сигналам, когда отсечка ближней зоны не работает. Более чем до 10 км наблюдается эффект насыщения ФЭУ мощным сигналом от ближней зоны зондирования. В каждом стробе этого высотного интервала регистрируются порядка 105 импульсов фототока, большинство которых представляют собой «слипшиеся фотоны». Наблюдается также эффект последействия ФЭУ. Уровень сигналов для кривых 1, 2 даже после 10 км выше, чем для соответствующих сигналов Г, 2 с отсечкой ближней зоны. Кривые Г и 2 на рис. 1.6 показывают сигналы при отсечке ближней зоны механическим затвором. Этим же рисунком иллюстрируется принцип действия затвора. Затвор выполнен в виде тонкого металлического диска с двумя вырезанными по краю отверстиями: одно рабочее, второе-на противоположном краю для балансировки. Диск насажен на валу двигателя, который в нашем случае обеспечивал угловую скорость вращения «=6000 оборотов/мин. На противоположном конце вала, с другой стороны двигателя, укреплён диск меньшего диаметра с отверстиями. Независимо установленная оптопара срабатывает в момент открытия её этим отверстием и служит датчиком положения рабочего диска. Затвор устанавливается так, что центр отверстий рабочего диска, вырезанных по радиусу R, совпадает с центром пятна изображения диаметром d. В случае размещения затвора после полевой диафрагмы диаметр d выбирается несколько большим, чем диаметр полевой диафрагмы, а при использовании световода, d- это диаметр светового пучка в месте пересечения его диском затвора.
Запуск лазера осуществляется импульсом управления от затвора в момент времени k. Одновременно с излучением лазера происходит запуск счётчика фотонов с помощью запускающего импульса фототранзистора, установленного на краю лазерного луча. К моменту времени t\ передний край прорези диска достигает светового пятна. В интервале времени t\ to световое пятно перекрыто диском, и полезный сигнал на ФЭУ не поступает. Наблюдаемый на рис. 1.4 для кривыхГ и 2 сигнал в этом интервале времени обусловлен боковыми засветками и собственными шумами ФЭУ.
Время перекрытия ФЭУ (t\ - to), т.е. время отсечки лидарного сигнала, определяется расстоянием L между прорезью диска и началом светового пятна на момент времени tQ. Расстояние L контролируется датчиком положения диска на основе оптопары. Это расстояние, а следовательно, и время задержки задаётся с помощью формирователя интервала времени.
С момента времени ti прорезь диска начинает приоткрывать световое пятно и оптический сигнал поступает на ФЭУ. В момент времени t2, когда передний край прорези диска пройдёт весь диаметр светового пятна, сигнал полностью поступает на- ФЭУ. Время полного вхождения сигнала определяется как At = t2 - h = . По интервалу дальности зондирования это время соответствует зоне вхождения АН =—. При конструктивно заданных величинах о и R, значения At и АН будут определяться диаметром светового пятна d. Зона вхождения сигнала на примере рис. 1.6 составляет = 4 км, что соответствует диаметру светового пятна в месте установки диска 1,5 мм. С дальности более 8 км сигнал полностью попадает на ФЭУ и наблюдается его спад до высот 35 км для длины волны 532 нм и 25 км для длины волны 683 нм. Меньшая дальность зондирования на длине волны 683 нм обусловлена меньшей энергией лазерного импульса и меньшей чувствительностью ФЭУ в этой спектральной области.
Применение на лидарах диафрагм различных форм для расширения диапазона линейной работы фотоприемников рассматривается в работе. Абрамочкина и др. [16], где проанализированы и определены формы согласованных и оптимальных диафрагм, повышающих отношение сигнала к шуму. Также проведено сравнение диафрагм и растров, предназначенных для регулируемого виньетирования пропускаемого потока излучения в заданном интервале высот. К основным недостаткам применения диафрагм можно отнести искажение энергетического распределения лидарного эхо-сигнала, вызванного атмосферной турбулентностью.
Как правило, при регистрации лидарных эхо-сигналов применяются несколько методов расширения диапазона линейной работы фотоприемников. В работе Макдермида и др., [17] авторами была разработана и проанализирована оптическая приемная система озонового лидара дифференциального поглощения. Для расширения высотного диапазона зондирования озона были организованы дополнительные каналы с низкой интенсивностью. Блок-схема системы оптического детектирования показана на рисунке 1.7. Наряду с применением механического обтюратора для расширения диапазона линейной работы фотоприемников, авторы используют светоделительные пластины S4, которые делят оптический сигнал в отношении 100:1. Это дает возможность использовать каналы с низкой интенсивностью 308 нм,353 нм (L), включая каналы комбинационного рассеяния (332 нм и 385 нм), позволяющие учесть влияние обратного рассеяния от аэрозоля, для восстановления профилей озона до высот 35 км, а каналы с высокой интенсивностью (Н) до 50-60 км.
Общая схема автоматизированного аэрозольно-температурного комплекса и его технические параметры
Следующая исследовательская работа по расширения диапазона линейной работы фотоприемников была предложена Вшъямсон и др., [22] которая используется в лидаре самолетного базирования по зондированию озона. Для устранения мощных сигналов ближней зоны зондирования авторы использовали, вместо механического обтюратора, электронно - управляемый ФЭУ и внешний электрод, выполненный в виде кольца. Кольцевой электрод расположен в соприкосновении с поверхностью входного окна ФЭУ, на который подается импульс управляющего напряжения необходимой длительности, чтобы электрическим полем изменять направление движения электронов в промежутке фотокатод - первый динод. Экспериментальная установка для моделирования ИП, показана на рис. 1.11. Внешние размеры электрода: диаметр 2 дюйма, толщина 0,133 дюйма. Геометрия кольца выбиралась из условия полного попадания обратнорассеянного светового пятна на фотокатод приемника. блока ФЭУ оснащенного внешним кольцевым электродом.
Эксперимент проводился с использованием двух светодиодов (СД) излучающих на длине волны 470 нм. Первый светодиод СД1 включался прямоугольным импульсом длительностью 100 ісек и обеспечивал 10 кратное насыщение фотокатода приемника, которое вызывало импульсы последействия, с управляемого ФЭУ, протяженностью более чем на 200 цсек. В это же время, на кольцевой электрод подавался импульс управления определенной амплитуды и длительностью равной импульсу СД1. Второй светодиод СД2 - моделировал лидарный сигнал изменяющийся по экспоненте. ФЭУ включался относительно первого светодиода через 100 цсек и регистрировал сигнал от СД2. Идеально, изменения характеристик управляющего кольцевого электрода не должны были влиять на амплитуду и форму зарегистрированного сигнала от СД2. Но как показали результаты исследования, с увеличением амплитуды управляющего напряжения кольцевого электрода уменьшается амплитуда сигнала от СД2 и с увеличением длительности импульса подаваемого на кольцевой электрод уменьшается время спада зарегистрированного сигнала от СД2. Таким образом, было определено, что применение внешнего кольцевого электрода с управляемым ФЭУ, позволяет уменьшить импульсы последействия.
В нашей работе Правдин, Зуев, Невзоров [23] исследовались различные методы электронного управления коэффициентом усиления (КуС) счетных ФЭУ, предназначенных для регистрации в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра и имеющих различные конструктивные особенности. Исследовалась эффективность запирания фотоприемника во входной камере, по первым динодам и в конце динодной системы, т.к. все эти три области наиболее ответственны за возникновение эффекта последействия. У ФЭУ, имеющих модулирующий электрод (ФЭУ-79, ФЭУ-104, ФЭУ-106), наиболее эффективным оказалось запирание, осуществляемое во входной камере фотоприемника путем подачи управляющего импульса напряжения на фотокатод, а не на модулятор (рис! 1.12).
В фотоприемниках, в которых отсутствует модулирующий электрод (ФЭУ-130) и имеется высокое напряжение между фотокатодом и первым динодом, наилучших результатов по запиранию удалось добиться в промежутке между первым и вторым динодами. Запирание фотоприемника в области последних динодов при воздействии на его фотокатод больших засветок оказалось недостаточно эффективным. Для иллюстрации на рис. 1.13.а представлены три последовательных лидарных сигнала на длине волны 532 нм (время накопления — 30 мин). Сигнал 1 получен без применения каких-либо мер ограничения светового и фотоэлектронного потоков. Сигнал 2 получен с отсечкой ближней зоны с помощью блока электронного управления Кус ФЭУ, а 3 — с помощью механического обтюратора. Видно, что сигнал 1 имеет выраженные искажения: во-первых, в виде насыщения фотоприемника, приводящего к потере информации до высоты 20 км; во-вторых, в виде дополнительных импульсов последействия в конце трассы зондирования в 5-6 раз превышающих фон неба и внутренние шумы фотоприемника. Как видно на восстановленном профиле температуры 1, представленном на рисунке 1.13.6, они проявляются на конце трассы зондирования и приводят к искажению профиля в сторону уменьшения температуры.
Из сравнения сигналов 2 и 3 (на рис. 1.13.а) видно, что применение механического обтюратора из-за ограниченности скорости вращения вала двигателя приводит к более протяжённой переходной зоне. Это проявляется в виде завышения величины температуры в нижней части профиля 3 на рисунке 1.13.6. При использовании электронного управления Кус ФЭУ ход профиля 2 на рис. 1.13.б совпадает с профилем температуры 3 и не имеет искажений в нижней части трассы зондирования.
Все перечисленные выше электронные методы управления ФЭУ уменьшают, но не могут в полной мере устранить импульсы последействия, так как фотокатод приемника остается незащищенным от мощных оптических сигналов. Механические обтюраторы наиболее эффективны, но в ряде случаев неприемлемы для использования в лидарных приложениях, например, в лидарах самолетного базирования.
