Введение к работе
Актуальность работы
В рамках проблемы создания средств гиперспектрального зондирования в работе [1] предложен синергетический подход, который заключается в том, что в целях повышения точности, быстродействия и достоверности измерений наравне с традиционными приборами (радары, содары, приборы, основанные на пассивных методах) необходимо использовать технику лидарного зондирования. Эффективность синергетического подхода основана на уникальном свойстве лидарных методов: на возможности осуществления в широком спектральном диапазоне как глобальных, так и локальных измерений с высокой точностью, пространственно-временным разрешением, а также с высоким быстродействием и с хорошей периодичностью.
Большое значение в развитии синергетического подхода придается применению лидаров для мониторинга состояния атмосферной турбулентности [1]. Информация о состоянии турбулентности используется при решении различных научных задач физики атмосферы, метеорологии, океанологии, климатологии и экологии, а также ряда прикладных проблем. Например, структурная характеристика флуктуации показателя преломления связана с внешним масштабом атмосферной турбулентности. Внешний масштаб и профиль среднего ветра входят в качестве основных параметров современных моделей прогноза атмосферы, таких как Yamada - Mellor Model, PSU/NCAR Mesoscale Model (MM5), Weather Research and Forecasting (WRF) Model и др. [2-4].
Информация о структурной характеристике флуктуации показателя преломления и профиле ветра применяется в задачах лазерной локации, адаптивной оптики, оптической связи, передачи оптической энергии в заданную точку, а также в задачах лазерного зондирования атмосферы в условиях сильной турбулентности [5-8]. При изучении ряда экологических проблем, связанных, например, с дистанционным мониторингом экологического состояния подстилающей поверхности [9], необходимо знать состояние турбулентной атмосферы, так как она определяет характер взаимодействия пограничного слоя атмосферы и самой поверхности.
Таким образом, разработка лидарных методов определения структурной характеристики и исследование ограничений на точность доплеровских лидарных методов измерений средней радиальной скорости ветра в пограничном слое атмосферы являются актуальными задачами.
Цель диссертационной работы
Разработка методов определения структурной характеристики флуктуации показателя преломления атмосферной турбулентности, основанных на измерении флуктуации интенсивности рассеянного излучения для коге-
рентных, некогерентных и ЛП-лидаров, и исследование ограничений на точность доплеровских лидарных методов измерений средней радиальной скорости ветра в пограничном слое атмосферы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать рассеяние оптического излучения на атмосферных частицах, находящихся в турбулентной среде, применительно к лидарной схеме зондирования;
создать модели детектирования случайных оптических полей для когерентного, некогерентного и ЛП-лидаров;
рассчитать дисперсии турбулентных флуктуации амплитуды фототока и исследовать их поведение. Разработать лидарный способ определения структурной характеристики флуктуации показателя преломления атмосферной турбулентности;
создать модель оценки радиальной скорости ветра и модель прогноза точности доплеровских измерений, которые позволяют исследовать величину ошибки для метеорологической ситуации, когда стратификация атмосферы значительно меняется в течение суток.
Основные защищаемые положения
Турбулентные флуктуации фототока когерентного, некогерентного и ЛП-лидаров возникают, если приемная оптическая система разрешает спекл-картину в рассеивающем объеме, которая обусловлена турбулентными пульсациями показателя преломления. Величина относительной дисперсии флуктуации фототока возрастает с увеличением интенсивности турбулентности на трассе и зависит от дифракционных параметров источника.
Метод определения структурной характеристики флуктуации показателя преломления атмосферной турбулентности заключается в посылке в исследуемую среду зондирующего лазерного излучения, приеме рассеянного излучения через апертуру приемной системы и выделении из него части потока. Площадь поперечного сечения части потока, которая соответствует ей в объектной плоскости, должна быть меньше или равна площади первой зоны Френеля. По величине флуктуации фототока судят о структурной характеристике флуктуации показателя преломления.
Показано, что в задаче оценки точности доплеровских лидарных измерений скорости ветра в турбулентной атмосфере причиной неравномерной аппроксимации являются негауссовы свойства сигнала доплеровского лидара. Оценка радиальной скорости ветра есть сумма регулярной и двух флуктуационных частей. Регулярная составляющая оценки совпадет с радиальной скоростью ветра, а две флуктуационные части определяются
условными гауссовыми и негауссовыми флуктуациями частоты и являются причиной ошибки измерений средней радиальной скорости ветра.
4. В условиях сильной турбулентности величина негауссовой условной компоненты может превосходить в 2 раза вклад гауссовой условной компоненты ошибки измерений. С ростом интенсивности турбулентности и с уменьшением размеров рассевающего объема величина ошибки измерений растет, что будет приводить к ограничениям на точность при зондировании средней радиальной скорости ветра с высоким пространственным разрешением, когда ситуация в пограничном слое атмосферы значительно меняется в течение суток.
Достоверность результатов работы обеспечивается:
применением в расчетах моделей среды, обоснованных и подтвержденных данными, которые получены в результате многочисленных экспериментов в атмосфере;
использованием в расчетах теоретических подходов и приближенных методов, область применения и погрешность которых хорошо известна;
сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными;
сравнением результатов расчетов в частных случаях с теоретическими выводами других авторов.
Научная новизна работы
На основе теории многократного рассеяния волн на системе частиц применительно к лидарной схеме зондирования атмосферной турбулентности поставлена и решена задача рассеяния оптического излучения, что позволяет выйти за границы применимости приближений «мягких» частиц, идеально отражающих дисков и «точечных» частиц.
В случае когерентного лазерного приема случайных оптических полей предложена и изучена модель фототока для лидарной схемы определения параметров атмосферной турбулентности. Проведено сравнение методов регистрации оптических полей при гетеродинном детектировании и когерентном приеме на лазер. Показано, что при когерентном приеме на лазер в зависимости от кривизны выходного зеркала выделяются два режима детектирования случайных оптических полей: одномодовый и мно-гомодовый. Установлено, что применение лазерного приемника с устойчивым и плоским резонаторами для низшей моды в задачах оптического зондирования, локации, видения и т.д. вместо гетеродинного приемника при прочих равных условиях позволяет превзойти критерии, принятые при аподизации в оптике.
Теоретически изучено поведение амплитудных флуктуации фототока при когерентном, некогерентном и лазерном приеме рассеянных оптических полей в зависимости от состояния атмосферной турбулентности и от оптических параметров лидаров. Показано, что флуктуации мощности
фототока лидара возникают при высоком пространственном разрешении приемника.
Разработан и теоретически обоснован новый метод определения структурной характеристики флуктуации показателя преломления атмосферной турбулентности, основанный на измерении флуктуации интенсивности рассеянного излучения для основных типов лидаров: когерентный, некогерентный и ЛП-лидары.
Для негауссовой статистики и нестационарного сигнала обратного рассеяния предложена модель оценки радиальной скорости ветра, которая одновременно учитывает влияние шумов, дискретности при обработке сигнала и пространственное усреднение скорости ветра в рассеивающем объеме. Данная модель удовлетворяет требованию равномерной аппроксимации, а в предельных случаях она совпадает с результатами уже существующих теоретических подходов.
Разработана модель прогноза точности доплеровских измерений, основанная на предложенном в данной диссертации выражении для оценки радиальной скорости ветра и на известных прогностических моделях расчета метеорологических полей. Такая модель прогноза точности доплеровских измерений позволяет исследовать ограничения на точность измерений для метеорологической ситуации, когда стратификация в пограничном слое атмосферы значительно меняется в течение суток.
Научное и практическое значение результатов работы
Полученные результаты имеют научное и практическое значение при использовании лидаров для мониторинга состояния атмосферной турбулентности. В рамках синергетического подхода применение лидарных методов определения структурной характеристики флуктуации показателя преломления, а также использование полученных результатов по точности зондирования профиля радиального ветра позволят на новом качественном уровне решать научные задачи физики атмосферы, метеорологии, океанологии, климатологии, экологии и т.д.
С точки зрения практики эти результаты дают возможность в условиях сильной турбулентности атмосферы оценить потенциально достижимые технические характеристики систем зондирования, адаптивной оптики, оптической связи и других систем, которые широко используются в авиации, сельском хозяйстве, при прогнозе погоды, предсказании и мониторинге чрезвычайных ситуаций. Полученные результаты представляют также большое практическое значение для решения проблем прикладного характера.
Апробация результатов работы
Основными работами являются [1-30] (см. с. 22-24), из них 6 статей опубликованы в ведущих рецензируемых журналах, входящих в перечень
ВАК [1-6], 1 авторское свидетельство [7], 2 депонированные статьи [8, 9], 3 статьи в рецензируемых сборниках научных конференций [10-12], 10 статей в сборниках SPIE, CLRC и ISTP [13-22]. Результаты также были представлены в виде 13 приглашенных, устных и стендовых докладов на международных конференциях, в которых автор диссертации принял личное участие [10-12, 21-30].
Материалы диссертации докладывались на OSA Annual Meeting, IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Meeting of Working Group on Space-Based Lidar Winds, International Laser Radar Conference, Coherent Laser Radar Conference, International Symposium on Tropospheric Profiling, International Conference on Wave Propagation in Random Media (Scintillation). Результаты докладывались на конференциях SPIE, а также и на конференциях, спонсируемых этим обществом.
Кроме того, доклады были представлены на Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере, Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсных средах, Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии, Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи информации», Всесоюзном совещании по радиоэлектронике.
Соавторы работ принимали участие в постановке задачи, обсуждении полученных результатов. Основная часть исследований, которые представлены в диссертации, была выполнена автором самостоятельно.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Полный объем диссертации составляет 118 страниц основного текста, 20 рисунков, список используемой литературы содержит 170 наименований.
