Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время одним из наиболее известных способов дистанционного исследования свойств рассеивающих сред в оптическом диапазоне является метод лидарного зондирования. Принцип действия лидара основан на том, что излучение передатчика рассеивается на аэрозолях и детектируется приемным каналом. Интерпретация данных зондирования, как правило, требует определенных предположений относительно оптических свойств среды, задаваемых исследователем или известных априори. Такая необходимость обусловлена наличием в лидарном уравнении трассового профиля одновременно двух параметров: коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции, изначально не известных. Этот фактор не позволяет до сих пор использовать лидар как калиброванное инструментальное средство исследования рассеивающих свойств статистически неоднородных сред.
В этой связи представляет интерес разработка и реализация новых подходов одновременного определения коэффициентов обратного рассеяния и объемного ослабления, один из которых предложен и проанализирован в диссертации.
Известно [1], что коэффициент экстинкции можно измерять импульсным лидаром на трассах конечной длины по сигналу, рассеянному поверхностью тест-объекта. На открытых трассах коэффициент ослабления определяют по искажениям формы огибающей лидарного сигнала из атмосферы. Такие методы используются, как правило, для лидаров с большой, до нескольких джоулей, энергией в импульсе с последующей аппроксимацией затухания лидарного сигнала на основании сделанных предположений о структуре атмосферы. Однако известные нормы на уровень плотности энергии облучения при зондировании среды обитания, например, не более 0,5 мкДж/см2 в видимом диапазоне [2], ограничивают широкое применение мощных лидарных систем для постоянного мониторинга атмосферы.
Перспективными средствами для решения подобных задач в условиях среды обитания являются миниатюрные полупроводниковые лидары. Под миниатюрными здесь подразумеваются лидары, которые могут быть реализованы в переносном, портативном, варианте с массой порядка 1 кг и низковольтным питанием. Такие лидары, как показано в диссертации, несмотря на предельно малую энергию импульса (доли микроджоулей), обеспечивают измерения
флуктуации пропускания атмосферы, высоты облачности и др, детектирование шлейфов несанкционированных или аварийных выбросов токсических веществ в атмосферу.
Оперативное применение подобных миниатюрных лидаров в задачах
экологического мониторинга и распространения шлейфов повышает точность
прогноза положения их траектории в соответствии с модельными
представлениями и позволяет предпринимать адекватные меры заранее или в реальном времени, что является весьма актуальным.
Основная цель работы
Основные цели работы:
теоретическая разработка нового подхода определения связи «экстинкция -обратное рассеяние» при зондировании рассеивающих сред одночастотными лидарами с одновременным приемом сигнала двумя каналами;
теоретический анализ и экспериментальное исследование особенностей формирования сигнала миниатюрных лидаров с безопасным для глаз уровнем излучения, работающих в сугубо статистическом режиме приема сигнала квантовым счетчиком;
применение этих лидаров для зондирования среды обитания, ^исследования динамики распространения аэрозольных шлейфов атмосферы Марса.
Научная новизна
1. Предложен и теоретически разработан новый подход к зондированию
рассеивающих сред одночастотным лидаром с двумя приемными каналами,
имеющими различную трассовую зависимость геометрического форм-фактора. В
параксиальном приближении получены функциональные зависимости сигналов
обратного рассеяния и их отношения от коэффициента экстинкции в однородной
атмосфере.
2. Впервые показано, что при зондировании однородной атмосферы
лидаром с двумя приемными каналами, когда фазовыми искажениями
зондирующего пучка и многократным рассеянием можно пренебречь, отношение
их сигналов может быть использовано для определения коэффициента
экстинкции. Показано также, что такая схема позволяет измерять искажения
геометрии зондирующего пучка при его распространении в рассеивающей среде.
3. Теоретически и экспериментально обосновано, что рассеивающие среды
можно зондировать серией микроимпульсов с энергией в несколько десятков
наноджоулей с квантовым счетчиком в приемном канале, работающем в сугубо статистическом режиме. Получены основные соотношения для преобразования функции распределения фотоотсчетов к линеаризованному виду лидарного сигнала, отражающему физические параметры среды и позволяющему выделять сигнал в случаях, когда отношение сигнал/фон много меньше единицы.
4. Разработан и создан миниатюрный микроимпульсный лидар обратного рассеяния на основе счетчика фотонов и диодного лазера, работающего с большой (2,5 кГц) частотой повторения импульсов с безопасным для глаз (40 нДж/см2) уровнем излучения. Экспериментально показана способность обнаружения аэрозольных шлейфов лидаром с микроджоульными импульсами, измерения динамики высоты облачности до 1000 м и пропускания атмосферы на трассе длиной до 4000 м. Впервые такой лидар был применен в натурных экспериментах по измерению временной модуляции пропускания дымовых шлейфов с целью использования его для настройки траекторной модели, предсказывающей эволюцию шлейфов и карту загрязнения территории со сложным рельефом или городского ландшафта. Показано, что на основе этих данных может быть произведена оценка коэффициента турбулентной диффузии атмосферы.
Практическая значимость
-
Одновременное измерение лидаром с двумя приемными каналами флуктуации сигналов обратного рассеяния вдоль однородных трасс и отношения их интенсивностей позволяет повысить точность калибровочных коэффициентов между лидарным сигналом и параметрами аэрозоля.
-
Теоретически обоснована возможность использования непрерывного лазера в миниатюрном лидаре, имеющем два приемных канала с различными трассовыми зависимостями геометрических форм-факторов, как эталонной пидарной системы для калибровки импульсных лидаров обратного рассеяния на малых трассах зондирования. При этом абсолютное значение лидарных сигналов характеризует коэффициент обратного рассеяния, тогда как отношение их интенсивностей определяет степень однородности зондируемой трассы.
3. Разработан и изготовлен миниатюрный (с массой не более 1 кг) лидар на
циодном GaAs лазере (длина волны 884 нм) с безопасным для глаз
[международный стандарт- 1,2 мкДж/см2) импульсным излучением (длительность
шпульса 100 не с энергией 400 нДж и плотностью 40 нДж/см2 на выходе из
лидара) с одним приемным каналом. Лидар работает в статистическом режиме счета фотонов. Получены аналитические соотношения, удобные в практическом применении.
4. Компактное исполнение лидара, малое энергопотребление (около 10 Вт) и возможность работы в автономном режиме измерений с переносным компьютером делает его весьма перспективным для мониторинга среды обитания без дополнительной, по сравнению с естественной освещенностью, лучевой нагрузки на исследуемый объект. Перечисленные выше параметры лидара позволили ему войти в состав научной аппаратуры посадочного модуля на поверхность Марса.
Защищаемые положения
На защиту выносятся следующие положения:
1. Предложенный и теоретически развитый в работе подход к
зондированию рассеивающих сред одночастотным лидаром с двумя приемными
каналами, имеющими различную трассовую зависимость геометрического форм-
фактора, позволяет определить соотношение между коэффициентами обратного
рассеяния и экстинкции в однородной атмосфере, необходимое для решения
лидарного уравнения обратного рассеяния аналитическими методами.
2. В случаях, когда коэффициентом экстинкции можно пренебречь,
величина отношения сигналов обратного рассеяния, измеряемых в двух приемных
каналах с различными геометрическими форм-факторами, является индикатором
продольной неоднородности среды вдоль трассы зондирования. Это отношение
показывает направление градиента продольного изменения концентрации
рассеивающих неоднородностей.
-
Предельная точность предложенного метода линеаризации лидарного сигнала детекторами, работающими в режиме счета фотонов с мертвым временем, превышающим длительность строба, определяется количеством сигнальных фотоотсчетов, внутренними источниками шума и нестационарностью регистрируемого излучения. Анализ их вклада может быть проведен на основе формулы Манделя и критерия х2 проверки статистических гипотез.
-
Для определения коэффициента экстинкции лидаром с непрерывным лазером достаточно измерить трассовую зависимость лидарных сигналов от диффузно рассеивающей поверхности с произвольным коэффициентом отражения для каждого из двух приемных каналов лидара.
5. Экспериментально обосновано, что полупроводниковый миниатюрный лидар с безопасным для глаз уровнем излучения, сравнимым или меньшим уровня естественной освещенности, является перспективным инструментом мониторинга среды обитания без ее дополнительного возмущения; его экономичность, компактность и надежность открывают новые возможности таких лидаров в дальних космических экспедициях для исследования атмосферы других планет.
Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались и обсуждались в материалах международных конференций SPIE's -92, (Сан-Диего, США, 1992 г.), XIII IGARSS-93 (Токио, Япония, Август 1993 г.), Международный аэрозольный симпозиум, (Москва, Март 21-25, 1994 г), SPIE's Europto Symposium, (Мюнхен, Германия, 6-9 Июня 1995 г.), 18 ILRC, Berlin, 22-26 July 1996, Вторая всероссийская научная конференция "Физические проблемы экологии" (Москва, 18-21 апреля 1999 г.), а также на семинарах отдела 62 ИКИ РАН, Физического факультета МГУ и Академии химзащиты.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. В первой главе содержится обзор литературы по теме исследования и теоретический анализ работы миниатюрного безопасного для глаз полупроводникового лидара, а в главах со второй по четвертую излагаются экспериментальные результаты. Объем диссертации -170 страницы, включая 38 рисунков, оглавление и список литературы, состоящий из 124 наименований.
