Технические средства лазерного зондирования аэрозольной атмосферы и подстилающей поверхности Тихомиров, Александр Алексеевич

Введение к работе

Актуальность темы и состояние вопроса

Среди дистанционных методов зондирования окружающей среды с использованием электромагнитного излучения наиболее эффективными для исследования атмосферы являются методы, использующие оптический диапазон, длины волн которого сравнимы с размерами составляющих атмосферных компонентов - молекулами газов и аэрозольных частиц, активно взаимодействующих с этим излучением. Развитие оптических методов и технических средств дистанционного зондирования атмосферы способствует решению многих исследовательских и прикладных задач: совершенствованию знаний о самой атмосфере как среде обитания; исследованию физических явлений, происходящих при распространении в ней оптического излучения; проведению мониторинга с использованием приборов оптического диапазона; и в конечном итоге - совершенствованию самих оптических систем и средств, работающих в атмосфере.

Появление лазеров стимулировало развитие методов дистанционного зондирования атмосферы с помощью лазерных локаторов - лидаров (Захаров В.М., Костко O.K. Метеорологическая лазерная локация, Л.: Гидрометеоиздат, 1977; Лазерный контроль атмосферы, под ред. Э.Д. Хинкли, М: Мир, 1979; Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование, М.: Мир, 1987). Существенными преимуществами методов лазерного зондирования являются: 1) высокое пространственное разрешение, достигающее нескольких метров по дальности и единицы миллирадиан по углу; 2) быстродействие, позволяющееимпаек54 получать информацию о зондируемой среде в реальном масштабе времени; 3) большой интервал дальности действия - от нескольких десятков метров до десятков и сотен километров. Размещение лидаров на мобильных наземных носителях позволяет осуществлять оперативный контроль состояния атмосферы в региональном масштабе. Установка лидаров на самолетах в значительной степени расширяет возможности зондирования, как по территории, так и виду и числу исследуемых объектов. И, наконец, размещение лидаров на космических аппаратах позволяет осуществлять оперативное дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности в глобальном масштабе. Лидарная техника развивается одновременно с совершенствованием методов зондирования, которые характеризуются различными эффектами взаимодействия лазерного излучения с компонентами атмосферы и, соответственно, различными алгоритмами обработки сигналов.

В течение более трех с половиной десятилетий, после создания первого лидара, в развитии методов и средств лазерного зондирования атмосферы достигнут существенный прогресс. В СССР, а затем в России работы по созданию лидаров ведутся в Институте

оптики атмосферы (ИОА) СО РАН и в Институте оптического мониторинга СО РАН (прежние названия: СКБ научного приборостроения "Оптика" СО АН СССР, затем - КТИ "Оптика" СО РАН), в Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО), Главной геофизической обсерватории (ГГО) им. А.И. Воейкова, в Институте прикладной геофизики (ИПГ) им. Е.К. Федорова и в Институте экспериментальной метеорологии (ИЭМ) Росгидромета, в Белоруссии - в Институте физики НАНБ, на Украине - в Харьковском институте радиоэлектроники (ХИРЭ), а также в ряде других организаций РАН и Росгидромета." В 80-х годах на основе конструкторской документации, разработанной в СКБ НП "Оптика", в НПО "Зенит" МЭП СССР была создана малая серия лидаров различных модификаций для зондирования атмосферы под общим названием "Электроника". Первые образцы самолетных лидаров были созданы в ЦАО, а затем в ИОА с СКБ НП "Оптика", первый российский космический лидар - совместно СКБ НП "Оптика", ИОА, НПО "Радиоприбор" и НПО "Энергия". За рубежом работы по созданию лидаров активно ведутся в США (NASA, SRI, NOOA и др.), Германии (DLR и др.), Японии (NIES и др.), Франции (CNRS и др.), Италии (CNR-IROE), а также в других странах. В конце 70-х годов в ФРГ фирмой Impuls Physics была выпущена малая серия аэрозольных лидаров.

Отдельные вопросы теории и расчета параметров лидаров рассматривались в работах В.Е. Зуева, И.В. Самохвалова, Ю.Ф. Аршинова и других сотрудников ИОА, В.М. Захарова, O.K. Костко и других сотрудников ЦАО, А.Д. Егорова, В.А. Ковалева и других сотрудников ГГО, М.Ф. Лагутина с сотрудниками (ХИРЭ), А.П. Иванова с сотрудниками (ИФ НАНБ), Г.Ф. Туликова и Ш.Д. Фридмана (ИПГ), Ю.Е. Польского и Г.И. Ильина (Казанский государственный технический университет). Работами по созданию лидаров серии "Электроника" руководил В.И. Козинцев (НПО "Зенит" МЭП СССР).

Однако системный подход к проектированию лидаров, как новых дистанционных измерительных средств оптического диапазона, до настоящего времени отсутствует. Последовательное развитие лидарной техники от стационарных экспериментальных установок к мобильным наземным системам, затем к системам самолетного и космического базирования требует создания инженерных методик расчета параметров лидаров, отработки и оптимизации технических средств лазерного зондирования, доведения их до уровня опытных образцов, удовлетворяющих условиям эксплуатации при воздействии механико-климатических факторов широкого диапазона, а также решения вопросов метрологического обеспечения лидарньгх измерений и оптимизации технологий их проведения.

Цель работы - разработка основ расчета и проектирования лидаров, поверочных устройств для их метрологаческой аттестации, технологий дистанционного зондирования и создание на этой основе новых измерительных средств оптического диапазона - лидарных

систем наземного, самолетного и космического базирования для зондирования аэрозольной атмосферы и подстилающей поверхности.

Основные задачи диссертационной работы:

1. Создание инженерных методик расчета параметров лидаров, основ практического проектирования их составных частей, с учетом имеющихся в литературе и полученных автором данных по дальнейшему развитию теории приема и регистрации лидарных сигналов.

2. Оптимизация проектируемой дидарной техники и ее составных частей по предложенным критериям эффективности.

3. Создание опытных образцов мобильных лидарных систем наземного, авиационного и космического базирования, удовлетворяющих условиям эксплуатации при воздействии механико-климатических факторов широкого диапазона.

4. Разработка технологий проведения лидарного мониторинга атмосферы и подстилающей поверхности.

5. Метрологическое обеспечение комплексных испытаний лидарной техники и создание поверочных средств для контроля параметров разработанных лидаров, как нового класса измерительных приборов (с учетом требований нормативных документов).

6. Проведение научно-экспериментальных работ с использованием созданной лидарной техники для исследования аэрозольной атмосферы и подстилающей поверхности.

Научная новизна. Теоретические и экспериментальные исследования, анализ данных комплексных испытаний разработанных приборов и устройств позволили получить новые результаты, которые формулируются следующим образом:

7. Предложена методика оценки динамического диапазона лидарных сигналов, которая учитывает ограничивающее действие внешних фоновых помех и собственных шумов лидарной системы на динамический диапазон снизу, а также влияние составных частей приемной системы лидара на ограничения динамического диапазона сверху.

8. Для лидарных систем в приближении геометрической оптики решены задачи: а) формирования изображения удаляющегося рассеивающего объема в зафокалыгом пространстве приемного объектива; б) определения функции геометрического фактора лидара и границ интервата ее действия, с учетом всех оптических характеристик приемопередающей системы, включая разъюстировку оптических осей.

9. Теоретические исследования пространственной фильтрации лидарных сигналов поззюлили: а) провести оптимизацию пространственных фильтров приемной системы лидара; б) получить соотношения для расчета параметров новых типов полевых диафрагм, обеспечивающих повышение отношения сигнал/фон в 4 раза; в) определить места их

оптимальной установки, уменьшающие влияние аберраций приемного объектива; г) провести анализ работы диафрагм и растров, позволяющих выделять сигналы кратного рассеяния, к других специальных пространственных фильтров.

4. Предложен и развит системный подход к оценке эффективности методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов, позволяющий проводить их классификацию и сравнительный анализ технических средств, применяемых для этих целей.

5. Предложены и проанализированы новые оптические методы, позволяющие сжимать динамический диапазон обратнорассеянного потока излучения как за счет его ступенчатого регулирования в приемной системе, так и путем функционального регулирования, используя пространственные фильтры с коэффициентом передачи, зависящим от расстояния до рассеивающего объема.

6. Предложен и экспериментально исследован фотоприемник на основе серийного ФЭУ с регулировкой коэффициента умножения по квадрату текущего времени; обоснована методика его калибровки с помощью имитатора оптических сигналов и экспериментально показана эффективность применения в ладарах для увеличения дальности зондирования. Для активных методов компенсации обратноквадратичной временной зависимости сигналов оценено влияние фоновых помех на погрешность определения коэффициента рассеяния при использовании алгоритма накопления (интегрирования) принимаемого сигнала.

7. Проведена классификация лидарных приемных объективов различных типов и на основе предложенных критериев оценки выполнен их сравнительный анализ по двум введенным показателям: коэффициенту относительной энергетической эффективности (нормированное произведение коэффициента пропускания приемного объектива на его эффективную площадь) и минимальному относительному габариту (отношение минимально возможной длины объектива к его диаметру). ' '

8. Для сканера на основе двух оптических клиньев, вращающихся синфазно или ортофазно, получены соотношения, определяющие траекторию перемещения оптической оси самолетного лидара, а также плотность распределения лазерных пятен на поверхности при сканировании по образующей конуса или в плоскости, составляющей любой угол с направлением полета, с учетом параметров зондирования, сканирования и полета. Эти соотношения применимы также для сканеров на основе вращающихся и качающихся зеркал или на основе вращающейся дифракционной решетки и экстраполируются на космическое зондирование со сканированием.

9. Предложена методика оптимального синтеза приемопередающих устройств поляризационных лидаров для одновременного (параллельно в нескольких каналах) и последовательного (в одном приемном канале) измерения параметров Стокса, необходимых

для определения элементов матрицы рассеяния неоднородной зондируемой среды.

10. Впервые реализованы методики лидарных измерений облачной атмосферы и подстилающей поверхности из космоса, связанные с планированием и расчетным баллистическим обеспечением экспериментов, пространственно-временной привязкой результатов измерений, проведением сопутствующих подспутниковых измерений.

Совокупность полученных результатов позволила решить важную научно-техническую проблему разработки, практического проектирования, метрологической аттестации и применения высокоэффективной лидарной техники для исследовательских и специальных задач зондирования атмосферы и подстилающей поверхности.

Практическая значимость работы обусловлена, прежде всего, ее направленностью на создание принципиально новых измерительных средств для решения важных задач мониторинга окружающей среды. Новые способы и технические решения, обеспечивающие разработку лидаров с улучшенными параметрами, защищены авторскими свидетельствами. Ряд из них положен в основу работы созданной аппаратуры. Технические и конструкторские решения, реализованные в экспериментальных и опытных образцах лидарной техники, подтвердили ее высокую эффективность в объеме требований ГОСТов серии "В".

Реализация результатов работы подтверждается их использованием в технических средствах, разработанных в ИОМ СО РАН на уровне экспериментальных и опытных образцов в ходе выполнения НИОКР по постановлениям директивных органов, хоздоговорных работ по заказам Института оптики атмосферы СО РАН, а также предприятий и организаций ряда министерств. Испытания аппаратуры, проведенные в объемах требований ГОСТ В20.39.304-76, подтвердили эффективность ее внедрения в исследовательские и специальные комплексы.

Конструкторская документация на лидары "ЛОЗА-2" и "ЛОЗА-3" передана в НПО "Зенит" МЭИ СССР, где на ее основе были выпущены малой серией лидары "Электроника". Самолетный поляризационный лидар "Светозар-3" использовался в ИОА СО РАН для исследования облачных образований и на самолетах Минрыбхоза СССР для поиска биопродуктивных зон в акваториях Мирового океана. Для этих же целей были созданы специальные лидары типа "Макрель-2" и "Макрель-2М". Малые серии этих самолетных лидаров, ввиду их уникальности, выпущены опытным заводом СО РАН и в ИОМ СО РАН.

Созданный оптический имитатор лидарных сигналов ИОС-1 прошел метрологическую аттестацию во ВНИИОФИ и использовался для настройки, испытаний и проверки приемо-регистрирующих трактов лидаров.

Первый отечественный космический лидар "Балкан", созданный в кооперации с другими организациями страны, в 1995 г. был введен в состав научной аппаратуры

орбитальной станции "Мир" и являлся первым стационарным лидером, длительное время работавшим на орбите. С его помощью отработаны методологические и технологические основы проведения сеансов космического лазерного зондирования.

достоверность полученных результатов обеспечивается совпадением, в пределах обоснованных погрешностей, -расчетных и экспериментальных данных, а также метрологически обоснованными испытаниями разработанной аппаратуры.

Личный вклад автора. Диссертация является обобщением работ, выполненных автором в Институте оптического мониторинга СО РАН в период с 1972 г. по настоящее время, по проблемам: создание лидаров, разработка технических решений по оптимизации их структуры и инженерных методик расчета параметров, метрологическое обеспечение испытаний и технология проведения лидарных измерений. Работа выполнена с использованием результатов, полученных лично автором или при его творческом участии в постановке задач и исследований. Под руководством автора и при его участии в качестве ответственного исполнителя либо научного руководителя разработан, изготовлен и испытан ряд экспериментальных и опытных образцов наземных, самолетных и космического лидаров.

Автором непосредственно предложена система классификации методов и технических средств сжатия динамического диапазона лидарных сигналов и проведен их сравнительный анализ по предложенным критериям качества. В приближении геометрической оптики получено аналитическое выражение для функции геометрического фактора лидара и соотношения, определяющие границы ее действия, с учетом возможных разъюстировок оптических осей приемопередатчика.

Совместно с А.А. Абрамочкиным и С.А. Даничкиным, определены параметры оптимальных пространственных фильтров, на которые получен ряд авторских свидетельств. Работы по созданию и исследованию ФЭУ с временной регулировкой усиления выполнены совместно с А.И. Абрамочкиным и П.М. Нолле. Исследования по оптимизации параметров приемной системы лидара проведены совместно с А.И. Абрамочкиным. Вместе с ним, а также с Б.В. Каулем и B.C. Шаманасвым проведена оптимизация структуры поляризационных лидаров.

Организация и проведение космических экспериментов осуществлялись автором совместно с Ю.С. Балиным. Анализ и обработка результатов дальнометрирования облачных полей, а также океанической поверхности лидаром "Балкан" выполнены в основном соискателем. Баллистическое обеспечение лидарных экспериментов проведено сотрудниками Группы математического моделирования ЦУПа.

Разработка, проектирование и испытания лидарных систем и контрольно-поверочной аппаратуры выполнялись коллективами, руководителем которых являлся соискатель.

Автор благодарен чл.-корр. РАН М.В. Кабанову и д.ф.-м.н. И.В. Самохвалову за полезные замечания по структуре и содержанию излагаемого материала диссертации.

Апробаиия работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3+9 Всесоюзных симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1974, 1976, 1978, 1980, 1982, 1984; Туапсе, 1986); 3, 5 и б Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1975, 1979, 1981); Всесоюзном симпозиуме "Радиофизические исследования атмосферы" (Ленинград, 1975); 3 и 4 Всесоюзных научно-технических конференциях "Фотометрия и ее метролопіческое обеспечение" (Москва, 1979, 1982); Болгаро-советском семинаре "Лазерные методы и средства измерения и контроля параметров окружающей среды" (София, Болгария, 1985); Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии (Москва, 1986); 13 Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фототехника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1987); на Республиканской научно-практической конференции "Охрана окружающей среды в РСФСР на основе достижений научно-технического прогресса" (Ленинград, 1990); на III Всесоюзной конференции "Аналитическая аппаратура и средства вычислительной техники для охраны окружающей среды в теплоэнергетике" (Батуми, 1990); па Международном симпозиуме "Инженерная экология - 91" (Звенигород, 1991); 1, 3, 4, 5, 6 Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994, 1996, 1997, 1998, 1999); Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" - "ПООС-95" (Томск, 1995); 1, 2 и 3 Сибирских совещаниях по климато-экологическому мониторингу (Томск, 1995, 1997, 1999); Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики" (Томск, 1996); 3 Международной практической конференции по проблемам информационного обеспечения подготовки и профессиональной деятельности операторов аэрокосмических систем (Звездный, 1997); Международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля" (Москва, 1999); V Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 1999); 9 (Munich, FRG, 1979), 12 (Aix-on-Provance, France, 1984), 15 (Tomsk, USSR, 1990) International Laser Radar Conference; 9 International Symposium of the Technical Committee IMEKO on Photon-Detector (Visegrad, Hungary, 1980); I (Rome, Italy, 1994), II (Paris, France, 1995), III (Taormina, Italy, 1996) the European Symposium on Satellite Remote Sensing; the European Symposium on Aerospace Remote Sensing: Conference on Laser Radar Techniques (Ranging and Atmospheric Lidar) (London, UK, 1997); 13 International Symposium on AeroSense'99: Conference on Laser Radar Technology and Applications IV (Orlando, US, 1999); EOS/SPIE Symposium on Remote Sensing (Florence, Italy, 1999).

Разработанные приборы экспонировались на ВДНХ СССР в 1980 и 1982 гг., и автор награжден бронзовой медалью ВДНХ СССР (постановление № 984-н от 09.12.82).

Публикации. По теме диссертации опубликовано лично и в соавторстве более 110 работ, включая 44 статьи в научных журналах и сборниках, 52 публикации в виде тезисов и кратких докладов, 15 авторских свидетельств на изобретения.

На зашиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследования динамики формирования изображения удаляющегося рассеивающего объема, полученные в приближении геометрической оптики для биаксиальных и коаксиальных лидаров, позволяют определить функцию геометрического фактора лидара, как коэффициента передачи приемной системы, зависящего от расстояния, и решить задачу оптимальной пространственной фильтрации лидарного сигнала с помощью полевых диафрагм, обеспечивающих увеличение отношения сигнал/фон более чем в 4 раза.

2. Предложенные система классификации и совокупность критериев оценки методов сжатия динамического диапазона лидарных сигналов позволяют разработать эффективные способы и технические решения по регулированию этого диапазона: в оптической части приемной системы - с помощью многообъективных приемных систем, сменных полевых диафрагм и пространственных фильтров, использование которых повышает отношение сигнал/фон; в фотодетекторе - путем временной регулировки коэффициента умножения ди-нодной системы ФЭУ, обеспечивающей за счет сжатия динамического диапазона увеличение дальности зондирования в слабозамутненных средах до 7 раз.

3. Предложенные критерии оценки приемных объективов по двум показателям: 1) коэффициенту относительной энергетической эффективности (нормированное произведение коэффициента пропускания объектива на его эффективную площадь) и 2) минимальному относительному габариту (отношение минимальной длины объектива к его световому диаметру) - являются достаточными для выбора необходимого типа объектива при проектировании лидара по заданным требованиям.

4. Разработанные алгоритмы самолетного лазерного зондирования со сканированием направления оптической оси лидара с помощью двух вращающихся оптических клиньев применимы к сканерам на основе вращающихся и качающихся зеркал или на основе вращающейся дифракционной решетки, а также экстраполируются на космическое зондирование со сканированием направления оптической оси лидара.

5. Оптимизация технологии поляризационного лазерного зондирования достигается путем задания необходимого и достаточного числа состояний поляризации излучения передатчика, а также за счет рационального соотношения между числом приемных каналов, анализаторов состояния поляризации и минимальным числом актов зондирования.

6. Пространственно-временная привязка результатов дальнометрирования океанической поверхности космическим лидаром "Балкан" показывает, что основная причина расхождения измеренных и расчетных значений наклонной дальности обусловлена: 1) систематической погрешностью в расчетных баллистических данных; 2) погрешностью расчетного значения углов между оптической осью лидара и осями связанной системы координат орбитальной станции.

7. Разработанный имитатор оптического сигнача со ступенчатой аппроксимацией функциональной зависимости излучаемой мощности позволяет проводить метрологическую аттестацию лидара путем сквозной проверки его приеморегистрирующего тракта, от входной апертуры до получения конечного результата на ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложения. В ней содержится 250 страниц основного текста, 114 рисунков, 23 таблицы и список литературы из 321 наименования. Каждый раздел завершается выводами, в которых резюмируются основные результаты.