Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Расчет временной зависимости эхо-сигнала на смещенной частоте 17
1. Гидрооптические характеристики (обзор) 17
2. Распространение излучения в случайно-неоднородных средах (обзор) 27
3. Обзор методов решения уравнения переноса излучения 32
4. Расчет величины и временной зависимости эхо-сигнала 38
4.1. Стационарный случай 38
4.2. Влияние рассеяния на формирование эхо-сигнала при дистанционном лазерном зондировании 41
4.3. Решение нестационарной задачи дистанционного зондирования 55
5. Постановка задачи определения параметров среды по эхо-сигналу 57
ГЛАВА 2. Решение обратной задачи нестационарной лазерной спектроскопии водной срещы методом внутреннего репера (теория) 61
1. Анализ временной зависимости эхо-сигнала 61
2. Определение вертикальных распределений температуры и солености по форме полосы СКР воды 68
3. Определение вертикальных распределений концентрации флуоресцирующих частиц с использованием СКР воды в качестве внутреннего репера 76
3.1. Прішцип дистанционной лазерной флуориметрии водных сред с калибровкой по СКР воды (обзор) 76
3.2. Расчет временного хода флуоресцентного параметра при однородном распределении примеси 79
3.3. Неоднородное распределение флуоресцирующей примеси 82
4. Краткие выводы 96
ГЛАВА 3. Решение обратной задачи нестационарной лазерной спектроскопии водной срщы методом внутреннего репера (эксперимент) 98
1. Схема установки 98
1.1. Экспериментальная установка с временным разрешением 101
1.2. Контрольная установка с высоким спектральным разрешением 109
2. Влияние геометрии зондирования на величину эхо-сигнала 113
3. Исследование временного хода эхо-сигнала 122
4. Сравнение возможностей нестационарной спектроскопии и бистатической схемы зондирования 123
5. Восстановление профиля флуоресцирующей примеси. I2S
5.1. Восстановление постоянного распределения флуоресцирующей примеси 126
5.2. Исследование неоднородного распределения примеси 131
6. Краткие выводы 135
ГЛАВА 4. Лазерное зондирование водной срщы в нелинейном режиме 137
1. Оценка нелинейности распространения зондирующего излучения, вызванная просветлением среды 137
2. Учет эффекта насыщения флуоресценции при дистан ционном зондировании водных сред 141
3. Экспериментальные исследования нелинейности флуоресценции при дистанционном зондировании 152
4. Источники погрешностей в определении параметров насыщения 160
5. Краткие выводы 161
ГЛАВА 5. Нелинейная флуориметрж фитопланктона 162
1. Необходимые сведения о фитопланктоне (обзор) . 163
2. Экспериментальное исследование флуоресценции фитопланктона 169
3. Факторы, приводящие к нелинейности флуоресцентного отклика ФСЕ 175
4. Описание процессов преобразования фотовозбудцения в ФСЕ 182
5. Практические возможности дистанционной диагностики фитопланктона 187
6. Краткие выводы 193
Заключение 194
Литература 196
- Распространение излучения в случайно-неоднородных средах (обзор)
- Определение вертикальных распределений температуры и солености по форме полосы СКР воды
- Экспериментальная установка с временным разрешением
- Учет эффекта насыщения флуоресценции при дистан ционном зондировании водных сред
Введение к работе
В последние годы все более актуальними становятся проблемы контроля состояния природной среды, изучения и рационального использования природных ресурсов. В первую очередь это относится к водным средам, ибо водной поверхностью занята большая часть земного шара и водные бассейны играют большую роль в природных процессах и жизнедеятельности человека. В последние годы все большее развитие получает дистанционная лазерная диагностика состояния водных сред /1/. Это связано с высокой экспрессностью получения информации и широкой областью возможных приложений. Дистанционные методы находят применение не только для анализа состояния, состава и структуры естественных водных сред, но и для контроля технических и технологических вод /1/.
В основе оптических методов дистанционного зондирования лежат следующие физические принципы: использование рассеяния Ми и Релея на частоте зондирующего излучения для определения первичных гидрооптических характеристик /2-7/ и размеров частиц взвеси /8/; использование доплеровского смещения частоты зондирующего излучения для создания систем гидроанемометрии /8-14/; спектральный анализ эхо-сигнала для определения состава и термодинамических параметров водной среды, например, использование флуоресценции для диагностики фитопланктона (ФП) /15-30/, растворенного органического вещества (РОВ) /25,31-34/, нефтепродуктов (НП) /34-39/, использование спонтанного /40-48/ и когерентного /49-50/ комбинационного рассеяния света молекулами воды для измерения температуры среды /40-48/ и содержания в ней солей /44-48/, а также для непрерывной калибровки интенсивности флуоресценции (метод внутреннего репера измерений) /17,51/.
Интенсивно развиваются пассивные неконтактные методы диагностики водных сред. Б основе этих методов лежит регистрация спектральной зависимости яркости излучения, выходящего из верхнего слоя моря в светлое время суток. Установлена связь спектра исходящего излучения с концентрацией РОВ и хлорофиллом фитопланктона /52-65/.
Преимуществами активных методов перед пассивными являются меньшая зависимость от условий измерений, возможность использования в любое время суток и, главное - возможность получения вертикальных распределений параметров среды. Основным достоинством пассивных методов является их простота.
Проблема дистанционной диагностики водных сред в полном своем объеме включает в себя получение вертикальных (по глубине) распределений параметров среды (их стратификации). Однако большинство из отмеченных выше методов либо принципиально не могут обеспечить решение этой задачи (например, пассивные методы), либо не доведены до соответствующей стадии разработки аппаратуры и алгоритмов обработки информации.
Лазерные методы, в принципе, позволяют получать стратификацию параметров среды, благодаря узкой направленности лазерных пучков и малой длительности импульсов (как известно, в настоящее время достаточно хорошо развита техника получения нано- и субна-носекундных лазерных импульсов). Однако эти возможности реализованы только применительно к задаче дистанционного измерения первичных гидрооптических характеристик (показателя поглощения и рассеяния) путем регистрации временных зависимостей рассеяния Ре-лея и Ми /2-7/. Что касается дистанционной лазерной спектроскопии, имеющей дело с сигналами на сильно смещенных частотах (флуоресценция, спектроскопия комбинационного рассеяния), то известна только работа /66/, которая посвящена.определению гидрооптических характеристик путем регистрации временной зависимости сигнала спонтанного комбинационного рассеяния (GKP) воды. Попытки получения вертикального профиля температуры методом квазистационарного зондирования (усреднение по слою 0-10, 10-20 и 10-30 метров) по сигналу СКР воды были также предприняты группой Леонарда /67-69/.
Проблема измерения стратификации параметров водной среды состоит не только в создании аппаратуры, но и в разработке алгоритмов математической обработки эхо-сигналов. Этот аспект проблемы в литературе по существу не затрагивался. Таким образом, к началу нашей работы (в 1980 г.) проблема лазерно-спектроскопической диагностики вертикальных распределений параметров водных сред была далека от своего решения. Актуальность этой проблемы несомненна: полную информацию о среде дают только трехмерные распределения ее характеристик. Исследованию теоретических и экспериментальных подходов к решению задачи дистанционной диагностики вертикальных распределений параметров водной среды лазерно-спек-троскопическими методами и посвящена эта работа.
Возможны следующие пути решения данной задачи: а) применение бистатической схемы зондирования, требующей некоторой (довольно большой в случае зондирования заглубленных слоев) базы ме-дцу передатчиком (лазером) и приемником эхо-сигнала из среды и позволяющей определять паратлетры среды в области пересечения диаграмм направленности передатчика и приемника. Недостатком данного метода получения информации о глубинном распределении параметров среды являются неоднозначность определения глубины слоя из-за волнения поверхности естественного водоема, значительное увеличение толщины зондируемого (ухудшения разрешения по глубине) слоя при малых углах между оптической осью передатчика и приемника из-за конечных угловых и линейных апертур реальных приборов и некомпактности лазерного локатора (лидара) из-за большой базы между передатчиком и приемником; б) применение метода временного анализа спектра эхо-сигнала - метода нестационарной лазерной спектроскопии.
Рассмотрим кратко процесс зондирования вертикального распределения примеси и отметим возможные трудности при решении обратной задачи методом нестационарной лазерной спектроскопии, представляющимся наиболее перспективным из двух отмеченных выше.
Казалось бы, что при достаточно коротком лазерном импульсе и быстродействующем приемнике (в пределе "- імпульс лазера и передаточная 5" -функция приемника) можно получить сколь угодно высокое пространственное разрешение структуры характеристик среды. Однако это не так: существенные ограничения на разрешающую способность метода могут наложить эффекты, связанные с нестационарностью процесса распространения и преобразования энергии излучения.
Основной характеристикой нестационарного поля излучения является длительность пребывания кванта света в среде. При распространении фотонов на какой-либо определенной длине волны (без ее преобразования и изменения) в мутной среде, т.е. среде с рассеянием и поглощением излучения, это время равно произведению числа актов рассеяния фотонов в среде на сумму времен + , где it - время нахождения фотона в поглощенном состоянии, 4 - время пролета между двумя последовательными рассеяниями /70/. Если полученная длительность пребывания приближается по порядку величины к времени заметного изменения поля излучения, то необходимо рассмотрение нестационарных процессов распространения излучения. В случае, когда эхо-сигнал обусловлен флуоресценцией органических соединений и комплексов, большое влияние на временные характеристики эхо-сигнала может оказывать процесс переизлучения, в связи с конечностью времени жизни возбужденного флуоресцентного состояния. Действительно, для достижения приемлемого разрешения по глубине ( А2 - 1м) необходимо проводить зондирование импульсами длительностью ТЛ Щ - = 10 не ( с 2-Ю м-1 с"1 - ско-рость света в воде). Типичные значения времени жизни возбужденного состояния сложных органических молекул лежат в интервале Я —R 10 ...10 ° с, что обусловливает существенную нестационарность процесса формирования флуоресцентного эхо-сигнала. Даже для суб-наносекундных времен преобразования,характерных, напршлер, для на-тивного фитопланктона СЕрл— 0,2...0,5 не) и некоторых типов неф-тей, это время может быть сравнимо с длительностьюлазерного импульса.
Таким образом, задача состоит в установлении взаимосвязи между спектрально-временными характеристиками эхо-сигнала и глубинным распределением искомых параметров среды (напршлер, концентрации флуоресцирующих частиц и (z ) ) с учетом факторов, обусловливающих нестационарность (преобразования зондирующего излучения в сигнал оптического отклика молекулами среды, длительности лазерного импульса и передаточную функцию приемника), в условиях сильного ослабления излучения в водной среде.
В работе развиваются общие подходы к решению этой задачи и исследуются конкретные методы решения обратной задачи для определения температуры Т(2) , солености В(г) и распределения концентрации естественной или искусственной флуоресцирующей примеси /i-(z-J с применением методов дистанционной лазерной кинетической спектроскопии водной среды. Проводится теоретическое и экспериментальное сравнение возможностей данного метода и метода получения глубинного разрешения при помощи бистатического зондирования.
Эта работа распадается на несколько разделов, из них теоре -ІО-тический включает в себя расшифровку временной зависимости различных компонентов эхо-сигнала с учетом гидрооптических характеристик, параметров пучка зондируемого излучения, вида и концентрации примеси и оптимизацию параметров лидара, т.к. вопрос чувствительности имеет в данном случае первостепенное значение в связи с большим значением показателя полного ослабления оптического излучения в воде (типичные значения показателей поглощения эе , рассеяния б и полного ослабления на Я =550 нм для океа А — 1 — 1 на 0,07 иг,0,16 м \ 0,23 м \ что на 2...4 порядка превышает соответствующие параметры для атмосферы /70-74Д
Наиболее кардинальным решением проблемы увеличения глубины зондирования является увеличение мощности зондирующего излучения, что неминуемо приведет к просветлению верхних слоев среды и насыщению флуоресценции примеси. Таким образом, в теоретическом плане, кроме исследования кинетики спектральных компонентов, необходим учет нелинейных эффектов в широком диапазоне изменения значения мощности зондирующего излучения.
Экспериментальный раздел включает в себя проверку теории на модельных экспериментах в 50-метровом бассейне гидрофизической лаборатории МГУ" и натурные эксперименты, выполненные на ЇЇИС "Академик Петровский", ЇЇИС "Профессор Штокман", ОИС "Башкирия" и Морской гидрофизической платформе МГИ АН УССР.
В работе решались следующие задачи:
1. Теоретическое исследование временной зависимости различных компонентов эхо-сигнала с учетом гидрооптических характеристик, параметров лазерного пучка, вида и концентрации пршлеси (прямая задача дистанционной лазерной спектроскопии).
2. Исследование влияния нелинейных эффектов (в широком диапазоне изменения плотности потока фотонов лазерного излучения) на характеристики эхо-сигнала в квазистационарном и нестационарном режимах дистанционного зондирования.
3. Разработка алгоритмов решения обратных задач нестационарной дистанционной лазерной спектроскопии водных сред - алгоритмов определения вертикальных распределений параметров среды по измеряемым временным зависимостям спектров эхо-сигнала.
4. Проверка полученных зависимостей и алгоритмов в модельных и натурных экспериментах. Оптимизация параметров лидара.
Результаты исследований, проведенных для решения этих задач, содержатся в пяти главах диссертации.
В первой главе дается постановка задачи, содержится обзор математических методов решения уравнений переноса излучения в рассеивающих средах и приводится решение нестационарной задачи дистанционного зондирования для узких лазерных пучков и остронаправленных приемников в случае приема излучения на смещенной (относительно зондирующей) частоте излучения. Параграфы 1-3,5 носят обзорный характер, в § 4 содержатся оригинальные результаты. В нем приводится решение уравнения переноса излучения для лазерного источника и расчет принимаемого эхо-сигнала для оптимального приемника. Рассчитаны величины и временные зависимости эхо-сигналов в стационарном и нестационарном режимах зондирования.
Вторая глава посвящена разработке теоретических основ решения обратной задачи нестационарного зондирования, т.е. задачи определения распределения параметров среды по временным зависимостям характеристик эхо-сигнала. В данной главе развиваются общие подходы к этой задаче, которые затем конкретизируются для определения вертикального распределения температуры ТСг) , солености S (2г) и концентрации флуоресцирующей примеси в водных бассейнах. Показано, что так же,как и в случае зондирования всей толщи воды (т.е. в квазистационарном режиме), в этом, более сложном случае, задачу можно решить, если регистрировать временную зависимость не одной спектральной компоненты, а нескольких и при- . менять метод внутреннего репера, т.е. взаимную калибровку их ин тенсивностей У Лі) в каждый момент времени, т.е. получать параду /j.) метр Срс.= у г.і » который оказывается связанным существенно более жестко с /г(в) , и, следовательно, влияние других факторов существенно ослабляется.
Наиболее точно эта задача решается в случае мгновенного отклика молекул среды на 0 -импульс возбуждающего излучения при регистрации его безынерционным приемником. Можно получить достаточно точное решение обратной задачи и для реальных параметров лазера и переходных характеристик приемо-регистрирующей аппаратуры, но при мгновенном отклике среды в точке (например, когда интенсивности %f (і) являются спектральными компонентами внутри полосы СКР воды а определяемыми параметрами Т и S /Ш1 В случае, когда оптический отклик на одной из спектральных компонентов УХІ Ш имеет конечную длительность (например, флуоресценция /75/), зависимость Сри(і) может существенно отличаться от И (г)..
Предлагается алгоритм восстановления истинного распределения примеси для реальных характеристик лазеров, приемников и параметров объектов зондирования.
Параграф 1 содержит оригинальные результаты, в § 2 содержатся оригинальные данные и материалы обзорного характера, § 3.1 носит обзорный характер. В параграфах 3.2 и 3.3 содержатся оригинальные результаты.
В главе 3 приведены результаты экспериментальной проверки теоретических расчетов, выполненных во второй главе.
Представлены результаты экспериментального исследования влияния на величину эхо-сигнала геометрии зондирования и геометрических параметров лидара при зондировании на Я0 =532 и 337 нм и при расстоянии до поверхности воды 10 и 1 м. Данные этих изме - ІЗ рений использованы для оптшжзащи оптической схеглы лидара и геометрии зондирования. Исследованы параметры временного хода эхо-сигнала СКР воды. Проведено сравнение метода нестационарной спектроскопии и метода бистатического зондирования для получения вертикального распределения примеси; проанализированы погрешности обоих методов.
Приводятся результаты экспериментов по восстановлению профиля равномерно и неоднородно распределенной флуоресцирующей примеси. Исследования проводились в бассейне гидрофизической лаборатории физического факультета МГУ. Неоднородное распределение примеси (слой повышенной концентрации примеси) моделировался при помощи герметичной кюветы. Полученные данные сравнивались с результатами прямых измерений в пробах из разных участков трассы зондирования и теоретическими расчетами. На основании этого сравнения сделана оценка точности измерений.
Глава 4 посвящена лазерному зондированию в нелинейном режиме. Произведена оценка нелинейности при распространении зондирующего излучения в водной среде и учет эффекта насыщения флуоресценции примеси при дистанционном зондировании водных сред. Приводятся результаты расчетов влияния эффектов просветления для случаев зондирования с пространственным разрешением и для случая квазистационарного зондирования (интегрального зондирования).
Приведены результаты экспериментальных исследований просветления среды и нелинейности флуоресцентного отклика при дистанционном зондировании.
Глава 5 посвящена экспериментальному исследованию нелинейного флуоресцентного отклика фитопланктона (ФП). Параграф 1 носит обзорный характер, в параграфах 2-5 описаны оригинальные результаты. При зондировании распределения фитопланктона в естественной среде учет нелинейных эффектов с одной стороны необходим для точного восстановления истинного распределения, с другой стороны, нелинейный режим зондирования этого объекта позволяет получать информацию о его видовой принадлежности и функциональном состоянии.
Приведены результаты экспериментальных измерений интенсив-ностей и спектральных зависимостей флуоресцентного отклика ФЇЇ для большого диапазона изменения мощности возбуждающего излучения (Ротах /Рокіт = 10 ). Обсуждаются возможные механизмы нелинейности, формирующие кривую насыщения. Полученные экспериментальные данные подтверждают предположение о том, что нелинейные механизмы связаны с функционированием и организацией ФСЕ. Приводится система кинетических уравнений, описывающая населенности энергетических уровней пигментов ФСЕ с учетом этих механизмов.
Даются рекомендации по использованию полученных закономерностей для решения задач лазерной диагностики фитопланктона - определения концентрации хлорофилла, видовой принадлежности Ш и его функционального состояния.
В диссертации получены следующие новые научные результаты, выносимые на защиту:
1. Выражение для интенсивности смещенных по частоте компонентов эхо-сигнала при дистанционном лазерном зондировании, полученное с учетом дисперсии первичных гидрооптических характеристик и стратификации концентрации частиц среды, обусловливающих эхо-сигнал, длительности акта переизлучения, параметров лидера (в частности, длительности лазерного импульоа и временных параметров приемника) и геометрии зондирования. Характерные временные зависимости интенсивности эхо-сигнала, рассчитанные по этому выражению.
2. Нелинейные эффекты (типа насыщения флуоресценции) при дистанционном зондировании водной толщи проявляются иначе, чем при возбуждении проб воды. Измерение нелинейного параметра (например, фактора насыщения флуоресценции) при нескольких уровнях возбуждения позволяет восстановить "ненасыщенное" значение интенсивности флуоресценции на данной глубине.
3. Обратная задача дистанционной лазерной спектроскопии водных сред может быть решена с использованием разработанного в работе алгоритма, основанного на применении метода внутреннего репера - непрерывной взаимной калибровки интенсивностей различных спектральных компонентов эхо-сигнала в каждый момент времени. При этом значительно ослабляется влияние трудноконтролируемых факторов эксперимента.
4. С применением разработанного алгоритма, как показали модельные эксперименты в гидроканале и натурные эксперименты на НИС "Академик Петровский", стратификация флуоресцирутащих примесей может быть определена с разрешением лучше 1 м.
5. Кривая насыщения флуоресценции фитопланктона имеет существенно нелинейное поведение, определяемое несколькими нелинейными механизмами взаимодействия лазерного излучения с фотосинте-зирующими организмами (обеднением основного состояния и синглет-синглетной аннигиляцией) и влиянием реальных параметров лазерного излучения. Учет этих факторов позволяет проводить дистанционные измерения концентрации пигментов клеток фитопланктона в широком диапазоне изменения плотности потока зондирующего излучения.
Практическая ценность диссертации определяется тем, что разработанные в ней методы дистанционной лазерной спектроскопии водных сред могут быть использованы для решения актуальных задач океанологии, охраны окружающей среды и рыбного хозяйства.
Диссертационная работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики физического факультета Московского государственного университета игл. М.В.Ломоносова. Основные результаты доложены на XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 22-25 ноября 1982 г.), заседании секции биофизики Московского общества испытателей природы (Москва, июнь 1980 г.), Ш Всесоюзной конференции по спектроскопии рассеивающих сред (Батуми, 2-5 октября 1983 г.), Девятом Пленуме РГ по оптике океана Комиссии по проблемам Мирового океана АН СССР (Батутж, 3-6 октября 1984 г.), Всесоюзном семинаре-совещании "Проблемы лазерного аэрозондирования поверхности Земли" (Ташкент, 14-16 ноября 1984 г.) и опубликованы в работах /76-86/. диссертация изложена на 135 машинописных страницах и содержит 59 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 213 наименований.
Распространение излучения в случайно-неоднородных средах (обзор)
Задача описания распространения излучения в атмосфере и океане становится все более важной, особенно в таких областях,как связь, дистанционное зондирование и обнаружение. Свойства этих сред, вообще говоря, подвержены случайным изменениям в пространстве и во времени. К настоящему времени разработано достаточно большое количество методов описания процессов распространения и рассеяния излучения в средах со случайными неоднородностями. К таким методаїл относятся /111,112/: метод малых возмущений, метод геометрической оптики, метод плавных возмущений; наиболее точное описание параметров распространяющегося излучения дает использование марковского приближения для описания распространения волн в среде со случайными неоднородностями. Задача о поглощении и многократном рассеянии светового пучка в мутной среде может быть рассмотрена чисто энергетически и приближенно сведена к решению уравнения переноса лучистой энергии /70,113,114/. Это уравнение представляет собой математическую формулировку условия энергетического баланса, если рассматривать частицы как некогерентные источники и пренебрегать дифракционными эффектами. Для неполяри-зованного монохроматического излучения оно имеет вид: где S - яркость излучения - функция координат точки Т и направления, определяемого единичным вектором т? .
В работе /112/ уравнение переноса излучения получается из уравнения Гельмгольца (точнее,Бэте-Солпитера). Показано, что интенсивность излучения представляет собой угловой спектр функции когерентности. Соотношения между энергетической теорией переноса излучения и уравнениями Максвелла обсуждаются в работе /115/.
Для описания распространения поляризованного света вводится вектор поляризации о : Индикатриса рассеяния заменяется на матрицу рассеяния D , элементы которой соответствуют четырем компонентам поляризационного тензора. Матрица D известна для молекулярного рассеяния Уравнение переноса для поляризованного излучения записывается в виде: Это уравнение эквивалентно системе четырех уравнений вида (1.6).
При рассмотрении нестационарных процессов распространения излучения в среде основное значение имеет соотношение между скоростью нарастания излучения источника и средней длительностью пребывания кванта в среде /113,138/. Если пренебречь временем td по сравнению с Ьл (а это для рассеяния Релея и Ми можно сделать), то 4 - («с)" » 10"6. ..10 7 /119/.
При наличии преобразования квантов падающего излучения в кванты вторичного излучения со смещением частоты (например, в кванты флуоресценции или СКР), эту привычную картину распространения необходимо уточнить. Естественно разделить процессы распространения квантов падающего излучения и вторичного (флуоресценция, СКР), считая для каждого из них в отдельности справедливым изложенный выше подход, а влияние времени преобразования одних в другие учитывать как самостоятельный, третий фактор,введя его как переходную функцию сечения преобразования.
Для случая описания процессов распространения узконаправленных пучков излучения в средах с крупномасштабными неоднородностя-ми, когда индикатриса рассеяния сильно вытянута вперед, наиболее удобным является представление уравнения переноса излучения (УШ) в малоугловом приближении /120,121/.
Сильная вытянутость индикатрисы предполагает заметное отличие от нуля функции Х(ітг-ті) лишь при rt^M. Узконаправлен-ность первоначального пучка излучения означает, что функция 3 (%Я) заметно отлична от нуля лишь в узком конусе направлений около оси (пусть ось в совпадает с направлением распространения излучения) и
Аналогичные замечания относятся и к векотору тгь : 7пг ^± , /лТі/«і » т-к« рассеяние происходит только на малые углы. Интегрирование в (1.6) проводится по единичной сфере, но основной вклад в него дает небольшая область вблизи оси 2 .
Определение вертикальных распределений температуры и солености по форме полосы СКР воды
Выше исследовано решение прямой задачи дистанционного зондирования для стационарного и нестационарного режимов зондирования. Это решение можно представить следующим образом: где Pz (Ь) - мощность эхо-сигнала, Р0 - средняя импульсная мощность передающего устройства, Т , Я. - параметры приемника, Є&,%/7й,їч) - функция, зависящая от расположения лазера и приемника и направлений их оптических осей, Q- (& , .,& ,6л) -- функция, определяемая гидрооптическими характеристиками, функция пересечения апертур лазера и приемника, №) - временная зависимость лазерного импульса.
Основной задачей дистанционного зондирования является определение свойств среды по принимаемому излучению. В этой задаче счи таются заданными свойства и параметры зондирующего устройства и приемника излучения, искомой величиной является какой-либо параметр среды или его распределение. Это обратная задача. Обратная задача может быть разрешимой и неразрешимой. Так, например, в принимаемом сигнале вообще может не содержаться информации об интересующем нас объекте. Задачей теоретического исследования является поиск правильной постановки задачи. В данной работе исследуется возможность определения величины и стратификации пршлеси в естественных водных средах, дающих оптический отклик на смещенной относительно зондирующей длине волны. Очевидно, что в принимаемом эхо-сигнале будет содержаться информация о наличии такой пршлеси, но надо учитывать и дрзггие эксперименталыше факты. Так, серьезные ограничения на глубину зондирования могут наложить солнечная засветка и восходящая из моря радиация (даже при стробиро-вании приемника). Оценим глубину зондирования в дневное время суток при использовании передающего устройства с Л0 =532 нм и Р = 1 и 10 МВт и приемника на основе светосильного спектрометра (например, полихроматора прибора (ОМА)). По литературным данным /148,149/ и нашим измерениям в экваториальной части Тихого океана величину восходящей радиации можно оценить «? 10 Вт/wr нм ср. Тогда будет зарегистрирована фоновая мощность Для оценки глубины зондирования используем выражение (1.54), тогда при Р = 1 МВт сигнал СЕР воды с глубины 12 м будет равен сигналу засветки от поверхности. Увеличение мощности зондирующего излучения до 10 МВт повысит глубину зондирования до 19 м. Следует отметить, что величина восходящей радиации зависит от облачности, волнения, обратного рассеяния, широты места и других факторов. В ночное время суток влияние этого фактора значительно ослабляется.
Существование информативного эхо-сигнала есть необходимое условие для решения задачи дистанционного зондирования. Достаточным условием является однозначность и устойчивость к ошибкам эксперимента. Обратные задачи, как правило, оказываются очень чувствительными к небольшим ошибкам измерений или обработки /150,151/. В /152/ описываются методы определения интересующих нас количественных характеристик явлений по результатам измерений их косвенных проявлений. Пусть задача состоит в определении функции ит (?) ; тгт (і) недоступна для прямого измерения и исследуется ее проявление определяется из эксперимента и может быть известна только приближенно: В этом случае задача состоит в нахождении приближенного решения уравнения
При этом %экеп может не принадлежать множеству R , являющемуся отображением множества решений 2reF оператором О (например, монет иметь скачки производной по і ), т.е. нельзя в ка-честве приближенного решения брать 2 - и Р2 эксп .
Одним из методов решения таких некорректных задач является метод подбора: для элементов п() некоторого заданного подкласса возможных решений вычисляется оператор Dn. , т.е. решается пряглая задача. В качестве приближенного решения берется такой элемент іе(ї) , для которого невязка (Dr,, Ргэхсп) достигает минимума. Метод квазирешений основан на поиске п.єЯ , глинимизирующиВ функционал J v (Dn, Ргжсл)
В методе регуляризации используется качественная информация об объекте (например, гладкость функции). Пусть известно %вкегп D и оценка погрешности О . Введем оператор (Р, ) , зависящий от оС и действующий из V в Г . Если существует такое число 4 0, что в(Р,$) определен для всякого О (О о д ) и любо-го %жспє V такого, что pv(Pft Рг) $0, и для всякого 0 , существует 00 00(&,Р#) ; S" такое, что из неравенства следует неравенство где то оператор (р,&) называется регуляризующим.
Приближенное решение уравнения Dn P можно строить методом итераций. Одним из итерационных алгоритмов является следующий /152/
Здесь параметром регуляризации является номер итерации п. . Такая итерационная последовательность может быть с успехом реализована на ЭВМ. Так же для решения (1.56) можно использовать метод редукции.
Таким образом, задача получения вертикального распределения п(г) является не только сложной физической задачей, но и требует специальной математической обработки, учитывающей специфику исследуемых объектов и используемой аппаратуры.
Экспериментальная установка с временным разрешением
Лидар состоит из передающей, приемо-регистрирующей частей и системы обработки данных.
В передающую часть входит ИАГ: Jfd3 лазер с модуляцией добротности на основе излучателя ИЗ-25 с улучшенной структурой излучения и форсированншл режимом по мощности и система контроля мощности излучения. Проводилась ориентация кристаллографических осей отобранного экземпляра кристалла ИАГ: Wd3t относительно поляризации, задаваемой призмой Глана электрооптического затвора, и оптимизация пропускания выходного зеркала. Для преобразования основной частоты во вторую гармонику (532 нм) использовались как dirfSOs с температурным синхронизмом, так и скМОз , К DP с угловым синхронизмом. Лазер имеет следующие характеристики на X - 532 нм: мощность в импульсе излучения - 2...3 МВт; длительность импульса излучения при использовании блока управления затвором ГИН-7 или МГЙН-5 с тиратроном ТГИ 100/8 составляла 7 не по уровню 0,5; 2&j d - 0,5 см, 2А9І - 0,0045 рад; частота повторения импульсов 1,2,5,10,30 Гц при использовании самодельного блока питания лазера и 12,5, 25, 50 Гц при использовании комплекта МИД-31. Мощность измерялась прибором ИМ0-2Н, длительность импульса - /? « диодом (модель 403 ЪргсЬга. PA UCA , лР = 800 МГц) и осциллографом С9-4. Блоки МШЕ-31 выдают энергию 30 Дж и напряжение 1 кВ на лампу накачки, самодельный блок - 50 Дж и напряжение 1,1 кВ.
Остановимся кратко на описании самодельного блока. Он имеет следующие эксплуатационные преимущества по сравнению с МИЛ-31: возможность питания от бытовой однофазной сети (импульсные нагрузки на сеть малы), точного контроля напряжения накопительных конденсаторов, формирование предварительных импульсов запуска системы регистрации, запуска дополнительного блока питания усйл ителя, небольшие габариты и массу (0,6x0,22x0,4 м; 30 кг).
В основу работы силовой части блока положен принщш разряда мощного накопительного конденсатора на импульсную лампу-вспышку без отключения его от заряжающей системы. Такое решение позволило увеличить надежность работы блока и обеспечило более мягкую нагрузку на сеть, так как накопительные конденсаторы постоянно подзаряжаются. Стабильность напряжения на С определяется постоянной времени заряда T-R.C , где Я - буферное сопротивление, и временной стабильностью разрядных импульсов (период этих импульсов Т=ЗТ ).
Мощный высоковольтный выпрямитель через сопротивление заряжает конденсатор С (см. рис.26). С приходом импульса запуска происходит отпирание тиристора Т и начинается разряд конденсатора С на сопротивлении И , образованном столбом плазмы в лампе накачки ИСП-2500. При падении напряжения на конденсаторе С до U=17numR )(И 1-к происходит восстановление тиристорного перехода; лампа отключается от цепи питания и начинается заряд конденсатора С .
Для нормальной работы импульсной лампы необходимо, чтобы в ней на время работы лазерной установки постоянно горела слаботочная дуга ( 0,75 1 А).
При включении части блока "дежурная дуга" заряжаются конденсаторы в блоке установления "дежурной дуги" и на выходе этой части устанавливается высокий мощный потенциал (800 В). Для начала разряда необходимо ионизовать газ в лампе.
Высокое ионизующее напряжение вырабатывается в блоке "поджи-га дути" при накатил кнопки "поджиг". Ионизированный газ пробивается высоким потенциалом блока "установления дуги", который автоматически отключается при установлении разряда в лампе. Автоматика дает разрешение на подключение силовой части; происходит пере Блок-схема источника питания лазера ИЗ-25: I- делитель частоты, 2 - управляемый делитель частоты, 3,5 -схемы временной задержки, 4 - формирователь импульса запуска регистрирующей части лидара, 5 - генератор опорной частоты, 7 - формирователь импульсов запуска силовой части, 8 - узел индикации, 9 - схема запуска блока управления электрооптическим затвором, 10 - мощный высоковольтный выпрямитель, II - узел поддержания "дежурной" дуги, 12 - блок поджига "деяурной" дуги, 13 - блок установления "деяурной" дуги. на низкий потенциал питающего напряжения "дежурной дуги" (100-120 В). Система контроля мощности излучения лазера состоит из диода ФД-4, эммитерного повторителя АЦП, стробирующей системы и частотомера 43-34. Для работы системы используется излучение, отраженное от светофильтра СЗС-21, установленного на выходе лазера. Фотодиод выведен на линейный режим нейтральными светофильтрами.
Блок-схема передающей и приемной системы лидара представлена на рис.27.
Приемная часть лидара состоит из входной оптической части, формирующей диаграмму направленности приемника и осуществляющей частотную селекцию эхо-сигнала, приемника типа ЭЛУ-ФМ, блоков питания приемника (4 кВ стаб., 30 В стаб.) и регистратора (использовались осциллографы С1-75 или С9-4Б).
Оптическая часть приемной системы состоит из собирающей линзы ( ?Д/э2=Ю0 мм, =250 мм), фильтров ОС-14 и ОС-12 и сменных интерференционных фильтров (ИФ). Такая система позволяет получить максимально возможное значение & =0,1 civrcp для приемника при минимальных геометрических размерах последнего. Дальнейшее увеличение Я. (например, за счет зшеличения др2 ) бесполезно, так как выводит приемник за пределы его динамической характеристики. Система нескольких фильтров предназначена для надежного отрезания основного сигнала на 532 гол.
Учет эффекта насыщения флуоресценции при дистан ционном зондировании водных сред
Большая группа примесей в природных водах представляет собой органические соединения и комплексы (фитопланктон, РОВ, нефтяные и другие органические загрязнения), обладающие способностью флуоресценции при оптическом возбуждении. В работе /147/ показано, что уже при сравнительно низких (для импульсных лазеров) плотнос-тях потока фотонов F & Ю см -с начинают проявляться эффекты насыщения флуоресценции, связанные прежде всего с обеднением основного энергетического состояния молекул органических соединений. При дистанционном зондировании водной толщи эффект насыщения флуоресценции будет проявляться по другому, чем при возбуждении проб. Напршлер, при регистрации флуоресценции из пробы, имеющей большую оптическую плотность, лазерное излучение полностью поглотится в кювете с пробой и эффект насыщения проявляться не будет, а при дистанционном зондировании его следует ожидать, так как разные слои воды (сильно рассеивающей среды) находятся в неравноправном положении относительно лидара.
Рассчитаем величину эхо-сигнала Рц (F) с учетом эффекта насыщения флуоресценции исследуемой пршлеси. При расчете будем предполагать просветление среды зондирующим излучением малым, что справедливо, пока поглощение излучения органическими молекулами составляет небольшую долю общего ослабления пучка.
Воспользуемся значением яркости B( ,tt) в точке среды г , в направлении т , полученным ранее ( 4 гл.1). Зная яркость, можно получить плотность потока фотонов F (фотон/сгл с) или освещенность &) .
Взаимодействие возбуждающего излучения с флуоресцирующей примесью можно приближенно описывать двухуровневой системой /155/. Освещенность, создаваемая флуоресценцией примеси, выражается через Ел (?) где тц» - концентрация молекул исследуемой флуоресцирующей примеси, 19 - квантовый выход флуоресценции.
Если на слой dt падает излучение с плотностью потока фотонов F , то при изотропном распределении флуоресценции по углам флуоресценции сіВрь, слоя в AST раз меньше светимости Ея.
Использование теоремы взаимности /133/ позволяет получить выражение для принимаемого сигнала в виде где «4 л - количество принимаемых квантов флуоресценции, Бл -- фурье-образ освещенности, которая возникла бы в плоскости я при замене приеьлника передатчиком с "обращенной" диаграммой направленности.
Освещенность слоя можно получить, исходя из выражения: Перейдем в систему координат, начало которой лежит на поверхности воды. эффективная площадь пучка в сечении 2 .
Для вызванной флуоресценцией освещенности справедливо следующее выражение: Если для описания процессов распространения излучения при небольших 2- и узкой диаграшле направленности лазера использовать приближение однократного рассеяния и считать, что фотовозбуждение молекул примеси не слишком сильное (f 3 ), то, перейдя в полярную систему координат, можно получить фурье-образ Е рл () в виде
Численный расчет по формуле (4.14) в случае регистрации интегрального сигнала от полубесконечной среды, содержащей флуоресцирующие примеси с сечением поглощения и временем жизни, характерным для органических красителей и РОВ, представлен на рис. 45.
Из расчетов следует, что и величина принимаемого сигнала,и проявление эффекта насыщения довольно сложным образом зависят от показателя ослабления среды эе и показателя рассеяния 6* . На рис.46 представлены зависимости фактора насыщения Г от F, соответствующие кривым насыщения флуоресценции примеси на рис.45. Очевидно, что с увеличением поглощения при &~еоги существенно уменьшается величина принимаемого сигнала. Мы получаем меньше квантов флуоресценции за счет поглощения (аналогично уменьшению толщины кюветы с исследуемым раствором), и это приводит к увеличению эффекта насыщения (кривые 1, 2 на ]5ис.46). Увеличение рассеяния при 2e-con^t приводит к увеличению и сжатию в ближней зоне области повышенной яркости и, следовательно, к увеличению принимаемого сигнала и уменьшению интегрального насыщения флуоресценции от слоя (кривые , 4 на рис.45). Дальнейшее увеличение поглощения при б"=&>пи: приводит к резкому уменьшению принима- " емого сигнала и увеличению насыщения (на рис.45 и 46 кривые 3,4).
Перейдем к рассмотрению проявления эффекта насыщения при зондировании выбранного слоя й на глубине г (число фотонов эхо-сигнала Лд в этом случае получается как разность между величинами ь#2 , рассчитанными по (4.13) для слоев 0...2- и 0... ... ? +дг ). Вклад членов знакопеременного ряда в выражении (4.13) уменьшается с ростом п .
На рис.47 представлены кривые, соответствующие вкладам членов ряда в эхо-сигнал от слоя Z2- = 50 см, находящегося на глубине ? .
Ряд зависимостей, аналогичных кривой 1 на рис.47, но при различных значениях мощности передатчика, представлены на рис.48. На каждой глубине зависимость Ф от Р имеет прямолинейный характер - см. рис.49, где представлены такие зависимости для глубин 0,5 м и 6 м. Линейная экстраполяция прямой Ф (F) в точку F- дает величину ft . Как и следовало ожидать, величина фактора насыщения флуоресценции Л= То/Т(F) уменьшается по мере заглубления зондируемого слоя, поскольку уменьшается значение плотности потока фотонов Г , достигающих этого слоя.
В пршщипе, это может быть использовано для определения показателя ослабления Е на длине волны зондирующего излучения. Таким образом, показано, что при плотностях потока фотонов 10 фотон/смгс (на поверхности воды) начинает значительно проявляться эффект насыщения флуоресценции ( Г'& 1,2). Полученные зависимости Ф (F) позволяют восстановить "ненасыщенный" параметр Фо , который связан с концентрацией флуоресцирующей примеси.
Полное решение задачи о нелинейном флуоресцентном отклике водной среды при дистанционном лазерном зондировании включает в себя учет как нелинейности преобразования лазерного излучения во флуоресцентный отклик в каждой точке среды, так и нелинейность распространения лазерного пучка.
