Дистанционное лазерное определение параметров атмосферного аэрозоля и облаков с использованием методов многоволнового зондирования и явлений многократного рассеяния излучения

Актуальность проблемы.

Проблемы, связанные с воздействием антропогенных выбросов на окружающую среду, в настоящее время находятся в центре внимания многочисленных исследовательских групп. Увеличение концентрации атмосферного аэрозоля, обусловленное индустриальной деятельностью человека, оказывает воздействие на радиационный баланс планеты и, как следствие, на климат [1]. Для определения количественного вклада этих факторов в вариации радиационного баланса должны быть разработаны методики, обеспечивающие возможность долговременного дистанционного мониторинга аэрозольных составляющих атмосферы.

Среди существующих инструментов для получения информации о состоянии атмосферы одними из наиболее перспективных являются системы лазерного дистанционного зондирования — лидары. Взаимодействие лазерного излучения с атмосферой сопровождается многочисленными физическими процессами, такими как: упругое рассеяние излучения на аэрозоле и молекулах, колебательное и вращательное комбинационное (рамановское) рассеяние, деполяризация излучения и лазерно-индуцированная флуоресценция [2−12]. Использование этих явлений в лидарном зондировании позволяет создавать системы для дистанционного измерения температуры, скорости ветра, параметров частиц, а также концентрации различных газовых составляющих атмосферы.

При создании лидарных систем, способных проводить долговременные измерения в автоматическом режиме в условиях значительных вариаций температуры, должна быть проведена соответствующая модификация для всех основных компонент системы от конструкции до алгоритмов обработки данных. Алгоритмы должны обеспечивать возможность автоматического выбора граничных условий при решении обратной задачи и обрабатывать большие массивы данных в автоматическом режиме. Лидарная система должна быть также достаточно компактной и удобной в транспортировке, а лазерный источник излучения должен обладать большим временем жизни его компонент. Существующие методики обработки лидарных данных находятся на различных стадиях разработки и не всегда соответствуют перечисленным выше требованиям. Таким образом, создание лидара для регулярных метеорологических наблюдений включает в себя как доработку существующих методик, так и, фактически, создание новых.

Следует отметить, что лидарные системы создаются, как правило, для измерения небольшого числа выбранных параметров атмосферы и. являются достаточно дорогими. Очевидно, что использование нескольких лидаров для одновременной регистрации всех требуемых параметров атмосферы приводит к удорожанию системы и ставит под вопрос целесообразность ее практического использования. Цена лидарной системы обусловлена высокой стоимостью мощных лазеров и широкоапертурной приемной оптики. В настоящее время наметились два пути решения этой проблемы. Во-первых, появление высокоэффективных фотоприемных устройств и прогресс в разработке узкополосиых интерференционных фильтров в ультрафиолетовой и видимой области спектра позволяет снизить требования к энергетике лазера и апертуре приемного телескопа, что открывает путь к созданию компактных, относительно недорогих систем. Примером такого подхода является разработка микроимпульсных лидаров, использующих телескоп диаметром 200 мм и с энергией лазерного импульса порядка 10 мкДж [1315]. Во-вторых, это интеграция системы, то есть использование выбранного приемо-передатчика для измерения максимального количества параметров атмосферы.

Исследование возможности создания компактного метеорологического лидара, обеспечивающего измерение основных параметров атмосферы, являлось одной из целей данной работы. Основное внимание при этом уделялось вопросам определения размеров частиц, вследствие важности изучения их воздействия на радиационный баланс планеты [1]. Размеры атмосферных частиц варьируются в широком диапазоне от сотых долей до десятков микрометров. Для измерения вариаций размеров частиц в столь большом диапазоне необходимо использовать методы, основанные на различных физических принципах.

Параметры относительно мелкого аэрозоля (от 0,05 до 2 мкм) могут быть определены с использованием многоволнового лидара, данный подход получил широкое распространение в последнее десятилетие [1621]. Восстановление микрофизических параметров аэрозоля обычно разбивается на две независимые задачи: вычисление коэффициентов обратного рассеяния (3 и общего ослабления, а (экстинкции) из результатов лидарных измерений и, затем, восстановление по ним микрофизических параметров аэрозоля, таких как: размер, концентрация и показатель преломления. Стабильность решения соответствующей обратной задачи сильно зависит от точности вычисления входных оптических данных (Р и а), поэтому уменьшение погрешности их определения является принципиальным моментом в многоволновых лидарных измерениях.

Сложность решения лидарного уравнения обусловлена тем, что оно содержит два неизвестных (коэффициент обратного рассеяния р и экстинкцию а) и для его решения необходимо задаваться предположениями о соотношении между ними. На этом основаны широко используемые методы Клетта, Ферналда и метод асимптотического сигнала [22−24, 4]. Как правило, подобная информация не доступна в процессе лидарных измерений и коэффициенты р и, а вычисляются со значительной погрешностью.

Точность измерения р и, а повышается при использовании лидара комбинационного рассеяния [25,26]. Следует оговориться, что в современных публикациях лидары комбинационного рассеяния повсеместно называются рамановскими, поэтому в процессе изложения будет использоваться именно этот термин. Рамановский метод позволяет независимо вычислять коэффициенты (3 и, а за счет одновременной регистрации сигналов упругого рассеяния и сигналов на длине волны, соответствующей рамановскому сдвигу молекулы кислорода или азота. При этом предполагается, что высотное распределение плотности воздуха известно.

Обратная задача нахождения распределения аэрозоля по размерам из-набора входных оптических данных аир для различных длин волн формулируется в виде интегрального уравнения Фредгольма второго рода и относится к классу некорректных задач. Для ее решения обычно используется метод регуляризации Тихонова [27−29]. Впервые возможность восстановления оптических параметров подобным методом была продемонстрирована в работе [30], при этом точность определения параметров частиц была невысокой. Поэтому применение метода регуляризации в многоволновом лидарном зондировании стало возможным лишь относительно недавно, с появлением мощных рамановских лидаров, обеспечивающих достаточную точность измерений. Наиболее успешной реализацией такого подхода можно считать результаты, полученные в конце 90-х годов в Институте Тропосферных Исследований (ИТИ, Лейпциг), где была создана многоволновая система, использующая сигналы упругого и рамановского рассеяния для вычисления шести коэффициентов обратного рассеяния и двух коэффициентов экстинкции [17−20].

Гораздо более привлекательной является упрощенная версия лидара на основе Nd: YAG лазера с генератором третьей гармоники. Такой лидар использует упругое рассеяние (355, 532, 1064 нм) и сигналы рамановского рассеяния азота (387, 607 нм). Соответственно, могут быть определены три коэффициента обратного рассеяния и два коэффициента экстинкции. Результаты математического моделирования, проведенного в работах [3134], демонстрируют, что даже в такой упрощенной конфигурации лидар способен обеспечить достаточную точность оценки параметров аэрозоля.

В перечисленных выше работах была продемонстрирована принципиальная возможность использования многоволнового лидара для оценки параметров аэрозоля. Следующим шагом должно стать создание системы, способной производить регулярные измерения и использовать получаемые данные для исследования физических процессов в атмосфере. Отметим, что при решении подобных задач алгоритмы обработки лидарных данных должны быть модифицированы, поскольку их работа должна быть устойчива по отношению к выбору граничных условий. Кроме того, стабильность решения обратной задачи также должна быть улучшена за счет уменьшения погрешности входных оптических данных.

Для получения информации о более крупных частицах (свыше 2 мкм) методы многоволнового зондирования оказываются непригодными, следовательно, необходимо использовать другие физические процессы, например, эффекты многократного рассеяния излучения в атмосфере. Многократное рассеяние излучения является источником погрешности при определении оптических параметров аэрозолей и для её минимизации измерения проводятся с минимально возможным полем зрения, либо же используют модели, учитывающие вклад многократного рассеяния в лидарный сигнал [35−39]. Вместе с тем, угловой спектр многократно рассеянного излучения содержит информацию о размерах частиц [40−44]. Возможность использования подобного метода впервые была продемонстрирована в работах Roy и Bissonnette [40−42], где было показано, что использование лидарных сигналов, соответствующих различным полям зрения, позволяет оценивать размеры частиц. Такой лидар получил название «лидар с переменным полем зрения». Несмотря на результаты, полученные в работах [40−42], многие вопросы, связанные с использованием лидара с переменным полем зрения, оставались невыясненными. В том числе не ясно какое количество полей зрения должно быть использовано в приемной системе, в каком диапазоне размеров частиц может быть использован данный метод и как этот диапазон зависит от геометрии рассеяния и погрешности измерения. Получение ответов на эти вопросы является одной из целей диссертации.

В традиционном лидаре с переменным полем зрения используется интегральная по азимутальному углу мощность рассеянного излучения. Однако хорошо известно, что для поляризованного лазерного источника мощность многократно рассеянного излучения может характеризоваться сильной азимутальной зависимостью. При этом ее вид определятся ориентацией поляризатора в приемной системе. Данная азимутальная зависимость содержит дополнительную информацию о параметрах частиц [45], которая может быть использована для решения обратной задачи зондирования. Азимутальная зависимость мощности рассеянного излучения при проведении экспериментов в аэрозольной камере, а также при зондировании атмосферных облаков, впервые наблюдалась авторами работ [46,47]. Зависимость параметров азимутальной структуры от размера частиц, их формы и оптической толщины была экспериментально исследована в аэрозольной камере в работе [48]. В частности, было показано, что азимутальные структуры характерны для процессов двукратного рассеяния излучения, что позволило авторам с их помощью оценить вклад высших порядков рассеяния. Вместе с тем, ряд принципиальных вопросов, связанных с возможностью использования азимутальных структур в лидарном зондировании, оставались открытыми. В том числе не вполне ясно, как радиальное и азимутальное распределение мощности в фокальной плоскости приемника излучения зависит от параметров частиц. Для получения этой информации необходимо разработать адекватную математическую модель, позволяющую вычислять элементы вектора Стокса рассеянного излучения для заданного поля зрения приемной системы и азимутального угла. В модель также должны быть введены такие параметры геометрии рассеяния, как высота основания облака и глубина зондирования.

Относительно простая модель, основанная на рассмотрении двукратного рассеяния излучения на сферических частицах и достаточно хорошо описывающая' экспериментальные данные, была разработана Rakovic и Kattawar [49−50]. К сожалению, эта модель не может быть использована для моделирования процесса лидарного зондирования, поскольку (а) она рассматривает сигнал, проинтегрированный по высоте, соответственно параметры азимутального распределения не зависят от геометрии рассеяния излучения- (б) предполагается, что излучение, рассеянное назад, распространяется параллельно, исходному. Таким образом, данный подход должен быть модифицирован применительно к существующей задаче лидарного зондирования. Подобная модификация была предложена в работе [51], однако в данном случае не рассматривалась азимутальная зависимость.

Помимо размера частиц в ряде приложений желательно иметь информацию об их составе и происхождении. Одним из способов получения подобной информации является измерение спектров лазерно-индуцировапиой флуоресценции. Данный подход широко используется, например, при изучении биоаэрозолей [52−56]. Флуоресцентная методика используется также во многих приложениях, таких как: контроль нефтяных пленок на поверхности океана [2−5,12,57−58], обнаружение опасных загрязняющих веществ на различных подстилающих поверхностях, контроль состояния растительного покрова [59]. Таким образом, возможность флуоресцентных измерений значительно расширяет потенциал лидарной системы. В результате, можно сделать вывод, что совокупное использование различных лидарных методов позволяет получать значительную часть информации о параметрах частиц.

Исследования в данном направлении ведутся в ряде научно-исследовательских институтов, в частности, в Институте Оптики Атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН, в Институте Физики Атмосферы им. A.M. Обухова РАН, в Институте Океанологии им. П. П. Ширшова и некоторых других. Результаты исследований отражены в публикациях: В. Е. Зуева, И. Э. Нааца, И. В. Самохвалова, Б. В. Кауля, С. В Самойловой и других российских ученых.

Из вышесказанного можно заключить, что разработка методов и аппаратуры для дистанционного определения параметров частиц в широком диапазоне размеров является актуальной задачей.

Результаты, представленные в работе, были получены в МГТУ им. Н. Э. Баумана при тесном сотрудничестве с Центром физического приборостроения ИОФ РАН им. А. М. Прохорова и Центром космических полетов (Годдард, США).

Цель диссертационной работы — разработка методов и аппаратуры для получения информации о параметрах атмосферных частиц на основе использования явлений мультиспектрального, многократного, рамановского и флуоресцентного рассеяния лазерного излучения в атмосфере.

Данная цель включает следующие задачи исследования:

1) Оптимизация существующих и разработка новых алгоритмов определения коэффициентов обратного рассеяния и общего ослабления аэрозоля по данным многоволнового рамановского зондирования.

2) Теоретическое исследование информации, содержащейся в угловых спектрах мощности рассеянного излучения в приближении двукратного рассеяния. Определение диапазона размеров частиц, в котором данный метод будет работать устойчиво, а также определение погрешностей данного метода.

3) Разработка модели и проведение расчетов азимутальной зависимости мощности рассеянного излучения в фокальной плоскости премного устройства в приближении двукратно рассеяния поляризованного излучения.

4) Экспериментальное исследование возможности определения параметров частиц с использованием методов мультиспектрального и многократного рассеяния излучения.

5) Создание базы данных спектров лазерно-индуцированной флуоресценции нефтепродуктов и веществ, запрещенных к распространению. Определение возможности распознавания их на различных подстилающих поверхностях.

Используемые методы. Определение перечисленных параметров частиц должно проводиться за счет использования методов многоволнового зондирования, процессов многократного рассеяния лазерного излучения, а также за счет привлечения методов рамановской спектроскопии и флуоресцентного анализа. При анализе полученных результатов используются методы математического моделирования и факторного анализа данных.

Научная новизна работы. К началу проведения исследований перечисленные методики находились в различной степени готовности.

В процессе работы они были развиты до уровня, позволяющего проводить количественные измерения. Соответствующие результаты были получены для следующих методик:

Многоволновое зондирование.

— К началу работ существовал алгоритм решения обратной задачи многоволнового зондирования, основанный на методе регуляризации Тихонова. Однако не существовало алгоритма, обеспечивающего расчет коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля по данным многоволнового рамановского зондирования с погрешностью меньше 10%. Этот алгоритм был предложен и реализован автором в виде программы.

— Принципиальная возможность многоволновых измерений была продемонстрирована ранее. Однако с участием автора была создана система, позволяющая проводить измерения регулярно, что, в свою очередь, позволило набрать статистику измерений и сопоставить их с результатами измерений автоматического солнечного радиомегра.

Многократное рассеяние.

— Эффекты многократного рассеяния достаточно давно используются в лидарах с переменным полем зрения для оценки размеров частиц в облаках. Однако до настоящего времени не существовало ясности в ряде принципиальных вопросов. Автором был предложен подход и проведен анализ проблемы на основе рассмотрения линейной независимости угловых спектров рассеяния. Был предложен и реализован алгоритм решения обратной задачи на основе метода регуляризации Тихонова.

— Предложен подход и реализована программа расчета азимутальной зависимости интенсивности рассеянного излучения в фокальной плоскости телескопа в приближении двукратного рассеяния для поляризованного лазерного источника.

— Проведены экспериментальные измерения, подтверждающие основные результаты теоретического анализа.

Флуоресцентные измерения.

— Лидарные измерения спектров лазерно-индуцированной флуоресценции (например, биологических частиц в атмосфере) хорошо известны. Однако работы по распознаванию загрязнителей на подстилающих поверхностях практически отсутствуют. Автором создан банк данных спектров лазерно-индуцированной флуоресценции широкого класса веществ, включающих в себя нефтепродукты, взрывчатые и наркотические вещества. Для анализа спектральных данных предложено использовать метод факторного анализа. Проведены натурные испытания, подтверждающие возможность распознавания загрязнителей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Рамановский лидар на основе Nd: YAG лазера с генератором третьей гармоники, измеряющий три коэффициента обратного рассеяния и два общего ослабления, позволяет регистрировать увеличение размера частиц в пограничном слое атмосферы, обусловленное их гигроскопическим ростом.

2. Радиальное распределение мощности двукратно рассеянного излучения в фокальной плоскости приемника для любого азимутального угла определяется отношением глубины зондирования.

Az к высоте основания облака т7=—, при этом азимутальное.

Za распределение от rj не зависит.

3. Лидар с шестью полями зрения в диапазоне [0.25−5 мрад] при длине волны зондирования 1064 нм позволяет определять размеры частиц в интервале 1.5−25 мкм погрешностью -30%, при условии, что г] > 0.02.

4. Вариации углового распределения мощности двукратного рассеяния излучения для типичных параметров атмосферных частиц и 10% погрешности измерения содержат не более 4-х независимых компонент для поляризованной составляющей и не более 6 для деполяризованной.

5. Азимутальная зависимость коэффициента деполяризации двукратно рассеянного излучения в фокальной плоскости приемника позволяет проводить дискриминацию сферических частиц и частиц нерегулярной формы в области рассеяния.

Практическая ценность заключается в возможности использования полученных результатов:

— в фундаментальных исследованиях физики атмосферы, связанных с изучением вертикального распределения параметров частиц в пограничном слое и в облаках;

— при моделировании изменений радиационного баланса планеты, обусловленных вариациями содержания аэрозоля естественного и антропогенного происхождения;

— при мониторинге загрязняющих веществ на различных подстилающих поверхностях естественного и искусственного происхождения.

Апробация результатов.

Выносимые на защиту результаты опубликованы в ведущих международных научных журналах и представлены на конференциях: «23st International Laser Radar Conference» в июле 2006 г (Нара — Япония) и «Необратимые процессы в природе и технике» в МГТУ им Н. Э. Баумана в январе 2007 г. А также были проведены приемосдаточные испытания под контролем Государственной технической комиссии при Президенте России.

Публикации.

По теме диссертации были опубликованы 8 печатных работ [45, 6970, 88−92]. Из них тезисы докладов конференций — 1, статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК — 3, сборники трудов конференций — 4.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка из 92 наименований, изложена на 165 страницах, включая 5 таблиц и 95 рисунков.

Выводы и заключение.

В заключении сформулируем основные результаты, полученные в работе.

1) Разработан метод анализа информации, содержащейся в данных лидарных измерений с переменным полем зрения, основанный на рассмотрении собственных чисел матриц ковариации, угловых распределений мощности двукратно рассеянного излучения. Показано, что при зондировании на длине волны 1064 нм и использовании полей зрения в диапазоне [0.25−5 мрад] такой лидар позволяет определять размер частиц в диапазоне радиусов 1,5<�г<25 мкм. Установлено также, что при 10% погрешности измерений вариации мощности двукратно рассеянного излучения для типичных атмосферных аэрозолей содержат не более 6 независимых компонент, следовательно, использование большего количества полей зрения внутри выбранного диапазона не приводит к существенному улучшению точности решения обратной задачи.

2) На основе метода регуляризации Тихонова разработан алгоритм определения распределения частиц по размерам по данным лидара с переменным полем зрения. Достоверность работы алгоритма была подтверждена результатами численного моделирования и результатами обработки экспериментальных данных.

3) Разработан алгоритм расчета азимутальной зависимости мощности двукратно рассеянного поляризованного излучения в фокальной плоскости лидарного приемника для поляризованной и деполяризованной компонент рассеянного излучения. Показано, что соответствующие азимутальные структуры содержат информацию о размере частиц и реальной части показателя преломления.

4) Предложен и реализован в виде программы алгоритм расчета коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля по результатам многоволнового рамановского зондирования. Использование данного алгоритма позволяет проводить вычисления оптических коэффициентов с погрешностью менее 10%.

5) Создан компактный многофункциональный лидарный комплекс, способный проводить многоволновые лидарные измерения, зондирование при различных полях зрения, а также регистрацию спектров лазерно-индуцированной флуоресценции.

6) Исследована высотная вариация параметров аэрозоля в пограничном слое атмосферы методом многоволнового лидарного зондирования. Продемонстрировано, что высотные слои с относительной влажностью превышающей 80% характеризуются увеличением коэффициентов экстинкции и обратного рассеяния и размера частиц, что является следствием их гигроскопического роста. Проведено сравнение с данными солнечного радиометра основных параметров аэрозоля, таких как: средний и эффективный радиус, объемная концентрация и комплексный показатель преломления. Показано, что данные, полученные с использованием этих двух приборов, согласуются.

7) Экспериментально исследована периодическая структура азимутальной зависимости мощности многократно рассеянного излучения. Показано, что область, соответствующая максимуму деполяризации излучения имеет крестообразную форму, ориентированную под углом 45° по отношению к ориентации поляризации лазерного излучения. Данный эффект может быть использован для дискриминации частиц сферической и нерегулярной формы в условиях многократного рассеяния.

8) Измерены спектры лазерно-индуцированной флуоресценции для широкого класса веществ, включающих в себя нефтепродукты, наркотические, взрывчатые вещества и различные подстилающие поверхности. Проведен факторный анализ этих спектров, на основе которого сделаны выводы об их возможной идентификации. Проведены натурные испытания флуоресцентного лидара, продемонстрировавшие возможность дистанционной идентификации веществ.