Восстановление характеристик атмосферы по данным лидарного зондирования

Потапова, Ирина Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Восстановление характеристик атмосферы по данным лидарного зондирования
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Восстановление характеристик атмосферы по данным лидарного зондирования"

На правах рукописи

Потапова Ирина Александровна

003459026

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.30 - метеорология, климатология и агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт - Петербург 2008

003459026

Работа выполнена в ГОУВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет»

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Дивинский Леонид Исаевич

доктор физико-математических наук, профессор Ивлев Лев Семенович доктор физико-математических наук, профессор Покровский Олег Михайлович Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского

Защита состоится «12» февраля 2009 года в 1530 на заседании диссертационного совета д 212.197.01 при ГОУВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет» по адресу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет».

Автореферат разослан «2А » декабря 2008

года.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р физ. - мат. наук, профессор А.Д. Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Наиболее острой задачей метеорологического обеспечения современной авиации является получение оперативной информации о состоянии нижнего слоя атмосферы, от которого зависит возможность посадки и взлета самолетов, особенно, в сложных метеорологических условиях. При решении этой задачи необходима достоверность получаемой информации, в том числе, визуальной НДВ взлетно-посадочной полосы. Резко выраженная пространственно-временная изменчивость величины НДВ существенно затрудняет получение надежной информации. Кроме того, для определения такого весьма важного параметра как НДВ метеослужба до настоящего времени вообще не располагает необходимой аппаратурой.

В практике определения концентраций загрязняющих веществ используются, в основном, контактные методы измерений. Недостаток этих методов состоит в том, что они дают возможность определять локальные значения характеристик загрязнения атмосферы. Например, оптическими счетчиками частиц и фильтровыми аспирационными устройствами измеряются параметры аэрозоля лишь в непосредственной близости от этих приборов, что не позволяет оперативно определять пространственное распределение загрязняющих компонентов.

Для измерения НДВ, для определения пространственного распределения атмосферного аэрозоля, газовых компонентов

атмосферы в нашей стране и за рубежом интенсивно разрабатываются методы лидарного зондирования среды. Применение лидарных методов для мониторинга состояния атмосферы целесообразно в связи с тем, что они обеспечивают дистанционность, высокое пространственное разрешение и оперативность выполнения измерений.

Важные для решения проблемы лидарного зондирования среды результаты получены многими исследователями. В частности, достигнуты значительные успехи в решении комплексной научной проблемы создания приемопередающей аппаратуры для определения концентраций аэрозоля и концентраций газовых компонентов, загрязняющих атмосферу. Решен ряд вопросов, связанных с особенностями спектрального диапазона лазерного излучения; особенностями регистрирующей аппаратуры, кратностью рассеяния лазерного излучения частицами аэрозоля.

Вместе с тем, остается трудность, обусловленная следующими особенностями проблемы: неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе интерпретации результатов (оно содержит более чем одну величину, неизвестную во многих точках пространствах - коэффициент ослабления и коэффициент обратного рассеяния) и математической некорректностью обратной задачи. Эти особенности негативно сказываются на достоверности определения искомых величин и существенно усложняют проблему. Информативность лидарных измерений оказывается низкой при зондировании неоднородной атмосферы.

Особенно сложной является задача дистанционного лазерного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, зондирования, выполняемого на значительных расстояниях от лидара. Это связано с существенной ролью случайной и систематической погрешности измерений, включая погрешности из-за фоновой засветки, сдвига

нуля эхо сигнала и неточности его коррекции на геометрический фактор.

Сложность учета рассмотренных особенностей лидарного определения оптических характеристик атмосферы в проблеме интерпретации данных зондирования дополняется сложностью параметризации оптико-микроструктурных свойств аэрозольных частиц.

Таким образом, совершенствование методов интерпретации данных лидарного зондирования атмосферы в настоящее время, приобретает особую актуальность-

Цель работы - повышение достоверности результатов интерпретации лидарной информации на основе применения усовершенствованных алгоритмов обработки экспериментальных результатов.

Алгоритмы базируются на строгом решении обратной задачи, апостериорной оценке возможности введения дополнительных данных, реалистическом описании физических свойств аэрозольных частиц. Исследование направлено на разработку метода лидарного зондирования неоднородной атмосферы, не требующего привлечения непроверяемой априорной информации и процедуры непосредственного дифференцирования сигналов обратного рассеяния; метода лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы. В отличие от традиционного подхода рассматривается статистическое интегральное решение обратной задачи многолучевого лидарного зондирования среды. Решение предназначено для практики лидарного определения НДВ и атмосферных загрязнений.

Основные задачи исследования. которые решаются для достижения цели и решение которых составляет содержание работы:

- анализируются особенности методов, применяемых для определения параметров атмосферы, оцениваются систематические

погрешности, существенно влияющие на результаты решения обратной задачи, и разрабатываются схемы обработки сигналов лидарного зондирования атмосферы и алгоритмы, учитывающие особенности измерительной аппаратуры и условия зондирования;

- оцениваются возможности методов, предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного определения НДВ;

- осуществляется моделирование эхо сигнала, принимаемого лидаром, решение прямой и обратной задачи с введением возмущения в сигнал обратного рассеяния при вычислении коэффициента ослабления с учетом экспериментальных данных;

- осуществляется моделирование процесса рассеяния электромагнитных волн облучаемыми структурами, необходимое для уточнения микрооптических характеристик аэрозоля, с учетом экспериментальных данных;

- анализируется наблюдательный материал, собранный в процессе выполнения натурных экспериментов, позволяющий учесть при исследовании и разработке схем обработки эхо сигналов особенности аппаратуры и условия зондирования атмосферы;

- выполняется сравнительный анализ данных лидарных, трансмиссометрических и других измерений, выполненных в Ленинградской области и в разнообразных других условиях (в крупном промышленном центре, пустынной, горной зонах) в целях расширения области применимости разрабатываемых схем. Методы исследования базируются на строгом решении лидарного уравнения. Используются методы численного анализа, компьютерное моделирование с применением данных натурных экспериментов, статистический анализ.

данных натурных экспериментов (Комплексного ленинградского эксперимента - КЛЭ, Советско-американского эксперимента АВТОЭКС и др.), авиалидарного зондирования. К основным научным результатам работы, относятся:

- найдено новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций - коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния,

- выполнен анализ погрешностей определения искомых характеристик для симметричных схем обработки данных (для двух равных шагов дифференцирования) и несимметричных схем (для двух разных шагов дифференцирования). На основе анализа показано, что погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы;

- установлена специфика применения дифференциальных и интегральных методов в практике лидарного зондирования;

- построены новые интегральные решения лидарного уравнения, на которых базируется метод измерения прозрачности атмосферы и НДВ; ' •

- на основе найденных решений лидарного уравнения на уровне изобретений разработаны методы многопозиционного лидарного зондирования;

- показано, что повышенная точность методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующихся на строгом решении лидарного уравнения, обусловлена определенностью их области применимости;

- установлено, что для адекватного описания характеристик неоднородной атмосферы необходимо сочетание строгого и интегрального решений лидарного уравнения и учет возможности существенных вариаций связей между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния;

- показано, что повышение достоверности результатов интерпретации данных лидарного зондирования нетрадиционными методами достигается посредством привлечения апостериорной информации.

Таким образом, совокупность сформулированных и обоснованных в диссертационной работе положений можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области многопозиционного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующегося на строгом решении лидарного уравнения. Основные положения, выносимые на защиту:

- новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций - коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния,

симметричные и несимметричные схемы реализации найденного решения, отличающиеся случайной погрешностью коэффициента ослабления и фоновой засветки,

- основы метода лидарного зондирования, осуществляемого в неоднородной атмосфере вдоль трасс, пересекающихся в точках, принадлежащих исследуемому объему;

- интегральные решения лидарного уравнения, исключающие процедуру дифференцирования на участках неоднородной среды и

предназначенные для обработки сигналов многопозиционного лидарного зондирования атмосферы;

- схемы лидарного зондирования атмосферы с апостериорно проверяемой эффективностью, предназначенные для достижения приемлемых погрешностей измерения НДВ.

Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что в работе используется подход, базирующийся на строгом решении лидарного уравнения, являющегося следствием фундаментального уравнения переноса радиации в дисперсных средах, причем данное решение не предполагает введения традиционных непроверяемых априорных допущений. Разработка методов лидарного зондирования производится на основе найденных решений и с учетом данных натурных экспериментов. Установлена сопоставимость результатов определения характеристик атмосферы лидарными методами и традиционными контактными методами измерений.

Обоснованность результатов обусловлена

аргументированностью исходных положений исследований, выполненных с применением современного математического аппарата, и логической последовательностью рассуждений.

Практическая значимость работы определяется, в соответствии с поставленной целью, повышением достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы. Полученные результаты использованы в учебном процессе, для интерпретации данных натурных экспериментов и могут быть использованы для целей совершенствования лазерных технических средств, предназначенных для определения НДВ, для наземного и авиалидарного мониторинга загрязнения атмосферы.

Личный вклад автора

Все основные результаты получены автором лично. Автор выполнил анализ современного состояния проблемы. Нашел новые

дифференциальные и интегральные решения лидарного уравнения. Разработал эффективные схемы реализации найденного решения. Применил полученные результаты для интерпретации данных натурных экспериментов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ряде научных конференций:

- конференции-выставке "Экология и современные технологии" (Санкт-Петербург, 1995),

- Четвертой международной школе-семинаре-выставке "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1995),

- семинаре Российского аэрозольного общества (Санкт-Петербург, 1997),

- Международном конгрессе РАИ/ГЕС 98 (Нюрнберг, 1998),

- семинаре "Аналитическое приборостроение для энергетики и точного машиностроения" (Сосновый Бор, Ленинградская область, 2001),

III, IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 2001, 2003),

научно-технической конференции, посвященной 75-летию Архангельского ГТУ (2004),

- международной школе - конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда», РГГМУ, 2005,

- итоговой сессии Ученого совета РГГМУ (2006, 2008). Публикации. Основные результаты, обобщенные и систематизированные в работе, отражены в 33 научных трудах и изобретениях.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы - 203 наименования, списка обозначений и сокращений. В ней содержится 290 страниц текста, 19 таблиц, 45 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении анализируется современное состояние рассматриваемой проблемы, обосновывается актуальность темы диссертации, указывается цель работы, формулируются основные задачи исследования и положения, выносимые на защиту, отмечается научная новизна работы, се практическая значимость, аргументируется обоснованность и достоверность полученных результатов, дастся краткая характеристика диссертации.

В первой главе осуществляется физическая и математическая постановка задачи интерпретации данных лидарного зондирования атмосферы, которая основывается на обращении лидарного уравнения, записанного для коротких зондирующих импульсов и в приближении однократного рассеяния

Р - мощность сигнала обратного рассеяния, г, - радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента, R, - радиус-вектор точки посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния, причем рассматривается как однопозициониое зондирование с фиксированным радиус-вектором R,, так и многопозиционное зондирование (г - й точке расположения

приемопередатчика соответствует радиус-вектор R,, -/ = 1,2.....),

f = K(r,-R,)'2 - геометрический фактор лидара, К - коэффициент заполнения, А - постоянная лидара, (3 - коэффициент обратного рассеяния, о - коэффициент ослабления,

г - текущий радиус-вектор точки прямой, проходящей через точки г, j,

сы - отрезок [Л„г/], по нему вычисляется интеграл в уравнении

¿г - элемент длины отрезка,

Р, — мощность солнечного излучения, рассеянного атмосферой в направлении на приемное устройство лидара, зависящая от положения точки посылки импульсов и связанного с ним направления на исследуемый объем. Рассматривается задача нахождения оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц.

Делается вывод о целесообразности разработки методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, сочетающих преимущества строгого и интегрального решения лидарного уравнения, а также об актуальности теоретического анализа оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц, найденных экспериментальным путем, и моделирования их оптических свойств на этой основе. Во второй главе разрабатываются методы интерпретации сигналов обратного рассеяния.

Анализируются особенности методов, связанные с неопределенностью лидарного уравнения. Отмечается, в частности, что за счет введения традиционных предположений для определения неизвестных величин систематическая погрешность коэффициента ослабления может превысить сотни процентов. Делается вывод о необходимости поиска новых подходов к решению рассматриваемой проблемы.

Вычитанием из приходящего сигнала величины фоновой засветки выделяется сигнал, зависящий от коэффициента обратного рассеяния и коэффициента ослабления. В этом случае строгое решение уравнения (1) записывается в виде:

(1),

где Б - скорректированный эхо сигнал, равный РЯ,

(1п5) ; - производная по г - му направлению зондирования, п - размерность пространства зондирования,

'дЬп/З

COS ОС; ■, i<n,

а?: = Ъ"

' j

-2, г=л + 1;

эХ,.

о,

i<n,

i = n +1;

cos aij-направляющие косинусы, равные (Х,--Х,)*

где X;, х, - декартовы координаты, соответственно, рассеивающего элемента и приемопередатчика.

Если фоновая засветка Р* не определена экспериментально, она может быть найдена из решения уравнения (1). Коэффициент ослабления, его производные и производные коэффициента обратного рассеяния определяются тогда (вне ближней зоны лидара - при К - 1) на основании решения системы уравнений:

(М, +2

' V / = 1,2...8

,Y\

KRi у/

(4)

где

d2ln/3 2 д2\гф . 2

=-т- cos СС; +-- sin a, +

дх2 ' ду

n д2\хф .

+2-sin ai cos ai,

дхду

(S)

Wf=M, -2

rl Л -+СГ

/ ч' д\пв д\пв ' Эсг дет .

(1пД. =-^cosa,. +-~-sina;, о cosa +—sin а , дх av 1 OX I Ил; l

ду

(6) (7)

где а,- угол места.

При выполнении условия, которое можно рассматривать как уравнение, определяющее коэффициент ослабления однородной атмосферы, система может быть решена (ее решение записано ниже в конечно-разностном виде).

Решение (2), включающее процедуру дифференцирования, отягчено значительной случайной погрешностью. Оно может быть реализовано, например, на участках достаточно однородной атмосферы. На таких участках различие логарифмических производных сигналов, принятых с различных направлений, не должно быть значимым. Другая возможность реализации строгого решения уравнения (1) связана с существованием физических причин, способствующих образованию в атмосфере горизонтально однородных слоев.

Строгое решение лидарного уравнения может быть использовано и при определении параметров приближенных решений. В частности, удается определить постоянную с в степенной связи коэффициента обратного рассеяния с коэффициентом ослабления

которая привлекается при разработке методов зондирования неоднородной атмосферы. Величина с определяется соотношением

Р=0(Тс,

(8)

С-

(9)

_ п

где угол места,

(Ю)

К, 2 ъ\ъг(рх -(^5) 1 вт2 (р.

(П)

Коэффициент ослабления неоднородной атмосферы а,(Я.) вне горизонтально однородной области связывается с его значением о(Н) внутри этой области интегральным соотношением:

в котором т = 1/с.

Для получения аналога традиционного интегрального решения лидарного уравнения оно заменяется системой уравнений Клетта на трассах

рассматриваемой задачи решается тогда разработкой схем обработки сигналов обратного рассеяния, предполагающих пересечение трасс в точках, принадлежащих исследуемому объему, и апостериорным определением связи неизвестных коэффициентов в конкретных условиях зондирования неоднородной среды.

Запишем эту систему уравнений на пересекающихся трассах, формирующих замкнутый многоугольник, введя в рассмотрение новую неизвестную функцию

где с - постоянная, определяющаяся минимизацией погрешности решаемой системы уравнений.

Если обозначить

(12)

многопозиционного зондирования. Проблема неопределенности

(13)

(И)

(15)

(знак зависит от направления зондирования) с, и ск, отрезки [г,,г1+1] иО*,^], то система уравнений, позволяющая связать значение Z( в i-ой вершине многоугольника с введенной функцией v(r), интегрируемой по сторонам многоугольника, запишется в виде:

a>jZraiMi^+i =Ä«' ' = 1. 2,..., А:-1

(17)

ak,kZk~ük\Z\~bk-> (18) а её решение - следующим образом:

Z, =A4ß , (19)

где

^ = , (20)

а 1,1 <=2

а2,2 ' ö3,3 -'ai + l,i + l

(21)

(22)

= ~~Вк-1 . (23) 1,1

Данное решение особенно полезно, если функция v(r) может быть представлена в виде степенного ряда. Рассмотрением различных многоугольников, имеющих общие точки, определяется искомая величина, для чего целесообразно ограничиться первым членом ряда в разложении функции v(r).

В настоящей главе для анализа экспериментальных результатов определения свойств аэрозольных частиц рассматривается модель частицы с радиально изменяющимся показателем преломления в оболочке,

покрывающей однородное ядро. Показатель преломления частицы задается действительной или комплексной величиной.

Моделирование рассеяния излучения частицами основывается на решении системы уравнений Максвелла относительно векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Традиционные методы решения уравнений Максвелла базируются на использовании специальных функций. Это ограничивает область их применимости: рассматриваются частные случаи неоднородных облучаемых структур, в основном, разрывных. С тем, чтобы существенно расширить область применимости, предлагается решение системы уравнений Максвелла для случая модельного радиального распределения комплексного показателя преломления как разрывного, так и непрерывного. Уравнения, которыми описываются потенциалы Дебая (переходящие в уравнение Гельмгольца при постоянном показателе преломления), решаются методом разделения переменных. В результате каждое из уравнений разделяется на три обыкновенных дифференциальных уравнения. При этом вместо дифференциальных уравнений Бесселя получаются дифференциальные уравнения второго порядка с переменными коэффициентами (переходящие в уравнение Бесселя при постоянном показателе преломления), которые интегрируются численно для неоднородной оболочки, покрывающей однородное ядро и находящейся в однородной среде.

В третьей главе исследуется интегральный метод многопозиционного лидарного зондирования.

Исследуется решение (19) системы интегральных уравнений многопозиционного зондирования (17) - (18), связывающей неизвестные величины в точках замкнутого многоугольника, сформированного пересечением трасс зондирования, с измеряемыми мощностями эхо сигналов.

Среднее квадратичное отклонение St коэффициента ослабления в вершине 1 многоугольника (afn) = Yi) рассчитывается в линейном приближении:

Л2]/2

¿1

* ( дУ

/=1

л2 /

1 аг,

1=1

\as* 1

дУх

(24)

по формуле, получающейся с учетом решения (21):

~вкТ

'ж*

V ,SU J

Га, V

+Д

'к, 1

V J

1=1

V 5Н/ у

V SU J

Уг

(25)

Система (17) - (18) решается также и приближенно умножением 1-го уравнения на коэффициент А | и сложением уравнений, в связи с большими величинами погрешностей

г=1,2,...Д-1, (26)

4*(<

*\akkzk-cinz,

(27)

где коэффициенты А' выбираются из условия минимума погрешности определения искомых величин.

Анализ предлагаемого решения выполнен на примере конкретных схем зондирования атмосферы (к = 3; 4) (трехпозициоиное зондирование - рис.1).

Исследование характеристик разрабатываемых новых схем обработки данных выполняется с учетом реалистических зависимостей погрешностей эхо сигнала от его величины. В работе применяется степенная зависимость (показатель степени 0.5).

Сравнение результатов определения коэффициента ослабления методом лидарного зондирования с данными регистратора дальности

видимости (РДВ) дает возможность оценить погрешность лидарных измерений в однородной атмосфере и погрешность эхо сигнала.

Используя результаты оценки на основании выражения для определения случайной погрешности в линейном приближении можно проанализировать эффективность интегрального метода многопозиционного зондирования.

В табл.1 представлены величины погрешностей треугольной схемы зондирования, рассчитанные для параметров лидара, выполненного на основе лазерного измерителя высоты облаков (ЛИВО), для различных значений коэффициента А включая 0 и 1 (в системе уравнений (26-27) два коэффициента равны А, один - 1).

Рассматривается случай расположения точек посылок импульсов на общей прямой. Зондирование из точки R3 вдоль трассы содержащей точки Г15 Г3 осуществляется перпендикулярно к этой прямой. Зондирование из точек Rb R2 по направлению к точке Гг осуществляется под равными углами к ней.

В табл.1 5aj/CTi - среднее квадратичное отклонение, >>>> >> ->> т

h= ¡гг -r,l = lr3 - г2\, ¡2 = /о -ri\, l3=IRj-r/l, - максимальная

Рис 1. Лидарная система посылающая импульсы вдоль трех направлений (1-2, 2-3, 1-3) (треугольная схема лидарного зондирования атмосферы), *- позиции лидара

дальность зондирования (отношение сигнал/шум = 2). Результаты расчетов показывают, что при увеличении глубины зондирования в многопозиционных схемах случайная погрешность становится чрезвычайно большой. Вместе с тем, ее удается уменьшить до уровня погрешности традиционных измерений за счет рационального выбора коэффициента А, причем систематическая погрешность оказывается значительно меньше, чем ее традиционная величина.

Анализ показал, что для типичных атмосферных условий приемлемой является треугольная схема. Наибольшая точность достигается для измерений в ближней вершине треугольника. Отношение случайных погрешностей в ближней и дальней вершинах не превышает 0,5. Еще более точной оказывается схема

Таблица 1

Точностные характеристики интегрального многопозициопного

алгоритма

d, d2 d3 cj| ,1/км Scti/CT! ôi(CHCT)/CFi A

0,09 0,14 0,63 3,0 300 0 1,0

30 30 0,4

30 70 0,0

0,20 0,34 0,52 2,0 200 0 1,0

20 30 0,4

15 50 0,0

0,12 0,18 0,58 1,0 500 0 1,0

30 40 0,4

30 80 0,0

0,17 0,35 0,65 0,5 700 0 1,0

30 40 0,4

30 80 0,0

четырехпозиционного зондирования: отношение погрешностей, характерных для нее и треугольной схемы, не превышает 0,6. Исследование точностных характеристик схем зондирования неоднородной атмосферы выполнено посредством решения прямой и обратной задачи на основе собранного наблюдательного материала, что позволяет учесть в процессе моделирования особенности аппаратуры и условий зондирования атмосферы.

Для описания оптических параметров на основе данных, полученных вблизи С.-Петербурга и в п.Сиверский, была использована степенная связь между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния (см. ниже).

На рис.2 представлены погрешности 5Ш/ ш для схемы рис.1. Анализ результатов показал, что точность интегрального метода многопозиционного зондирования обеспечена возможностью апостериорного определения связи между коэффициентами обратного рассеяния и ослабления. Новый метод более эффективен для оптически более плотной и (или) неоднородной атмосферы.

5ил / ш, %

40 30 20 10

♦-2 0-1

В ♦

0,2

0,4

0,6

0,8

1 01, КМ"1

Рис.2. Точностные характеристики треугольной схемы, углы зондирования 90°, 30°, т=1, 1 - ст3 /о2 = 0,5; 2 - о2 = 2 км"'

Дополнительная точность при использовании схемы связана с увеличением угла между направлениями 3-2, 1-3. Ошибка может быть меньше 20%.

В четвертой главе рассматриваются результаты применения интегрального метода обработки данных лидарного зондирования атмосферы. •

В январе-феврале 1991 г. было произведено лидарное зондирование атмосферы в окрестности перекрёстка: пр.Непокоренных и Пискаревского пр. Для обеспечения более полного анализа состояния воздушного бассейна лидар был установлен в фургоне передвижной лаборатории. Лидарные измерения осуществлялись ГГО им А.И.Воейкова с использованием устройства, выполненного на базе серийного лазерного измерителя высоты облаков (ЛИВО).

Посылка импульсов осуществлялась из нескольких точек обследовавшегося района в различных направлениях. Было отмечено существенное затухание светового импульса, связанное со значительной концентрацией частиц, содержавшихся в воздухе.

Его изменение вдоль трассы может быть связано не только с ослаблением излучения, но и с изменением коэффициента обратного рассеяния в пространстве. Разделить эти два фактора можно, осуществив посылку зондирующих импульсов по одной прямой в противоположных встречных направлениях из двух различных точек. В таком случае эхо сигналы для каждой из точек посылки импульсов будут убывать с расстоянием, если определяющим фактором является ослабление излучения. Если определяющим фактором является изменение коэффициента обратного рассеяния, то эхо сигнал, принятый в одной точке, будет убывать, а в другой -возрастать с расстоянием от точки приема (посылки).

Анализ результатов выявил определяющую роль фактора ослабления излучения. В частности, отношение сигналов в сериях зондирования в двух противоположных направлениях не отличалось значимо от единицы.

Для интерпретации результатов лидарного зондирования атмосферы в окрестности пересечения городских автомагистралей, наряду с дифференциальным методом, был применён интегральный метод. В табл.2 представлены результаты определения коэффициентов ослабления в окрестности пересечения пр. Непокорённых и Пискарёвского пр. Для сравнения в ней приведены результаты ослабления найденные дифференциальным (о) и

Таблица 2

Коэффициенты ослабления в окрестности пересечения пр.Непокорённых и Пискарёвского нр.

Дата Время о, км"1 0|.км"1 МДВ, км

23.01.91 11.00 3 ± 1 3,0/2,7 1

24.01.91 10.30 0.7 ± 0.2 0.6/0,5 5-6

30.01.91 12.40 2.4 ± 0.9 2.4/2,5 1

20.02.91 16.00 1.1+ 0.2 1.0/1,2 3

22.02.91 15.00 0.8 ±0.1 0.7/0,6 4-5

интегральным (о,-от/к пересечению) методами.

Анализ представленных данных показывает

удовлетворительную сопоставимость результатов применения двух методов. Случайная погрешность методов в зависимости от условий измерений меняется в пределах 0.1-1 км"1 и определяется

пространственной протяжённостью участка трассы зондирования (не превышая, как правило, 30%). Можно отметить наличие существенной загрязненности атмосферы. Этот факт приводит к МДВ в пределах 1 - 6 км (см. табл.2).

В эксперименте КЛЭ, выполненном ГГО им А.И.Воейкова, регистрирующая аппарэтура была установлена в помещении телебашни на уровне 200 м.

Анализ данных эксперимента показывает, что результаты применения интегрального метода не отличаются значимо от результатов, полученных ранее дифференциальным методом. Это связано с существованием сравнительно однородной атмосферы в период проведения эксперимента в окрестности телебашни.

Советско-американский эксперимент по исследованию загрязнения воздуха автотранспортом АВТОЭКС-88 был проведен в сентябре 1988 г. в окрестности аэропорта Пулково. Лидарное зондирование атмосферы в ходе выполнения эксперимента осуществлялось ГГО. Во время проведения эксперимента был применён лидар ЛИВО. Лидар был расположен в помещении на расстоянии 400 м от Киевского шоссе приблизительно в 3-4 км от аэропорта Пулково.

Прозрачность атмосферы в окрестности лидара определялась путем зондирования атмосферы по трем направлениям с небольшим положительным углом места. Обработка данных измерений в однородной атмосфере над дорогой, выполненная интегральным методом, привела к результатам, не отличающимся значимо от результатов, полученных дифференциальным методом.

Аналогичные результаты были получены при интерпретации данных лидарного зондирования атмосферы в районе Аральского моря и в районе г. Ереван, полученных с самолета-лаборатории ГГО.

Наиболее сложными для интерпретации оказались результаты лидарного аэрозольного зондирования, выполненного в п. Сиверский Ленинградской области в 1968 г. Наряду с лидарными данными в ходе эксперимента были получены данные измерений прозрачности (дальности видимости) стандартным трансмиссометром -регистратором дальности видимости (РДВ). Сравнение лидарных данных с независимыми измерениями прозрачности однородной атмосферы, осуществленное в этом эксперименте с помощью РДВ, показало их удовлетворительное согласие. С другой стороны, результаты зондирования неоднородной атмосферы удалось обратить лишь после создания алгоритмов, осуществленного в настоящей работе.

Для измерений в эксперименте использовался лидар на основе рубинового лазера (длина волны излучения 0,6943 мкм), который имел энергию в импульсе 0,2-1,0 Дж и длительность импульса 50 не.

Для описания оптических параметров на основе данных, полученных этим лидаром, была использована степенная связь между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния. Связь была найдена посредством решения лидарного уравнения в терминах Клетта для различных направлений зондирования и зондируемых слоев. Эти решения были использованы для определения константы с в атмосфере под слоем 200-600 м (углы зондирования 80°, 40°, 30°, 20° - цикл 1) и в атмосфере под слоем 300-600 м (углы зондирования 90°, 40°, 20° -цикл 2).

На рис.3 для двух циклов измерений представлено найденное относительное среднее квадратичное отклонение 8 решений интегрального уравнения по совокупности направлений зондирования и зондируемых слоев.

0.0 0 4 0.8 1.2

1 /с

Рис.3. Среднее квадратичное отклонение решений интегрального уравнения

Искомое значение с определяется из условия минимума функции 8(с). Сравнение показывает, что степень (величина с), найденная для двух зависимостей, представленных на рис.3, различается почти в 3 раза. Таким образом, расчеты, выполненные с использованием результатов лидарных измерений, приводят к выводу, что степень в связи оптических коэффициентов может существенно изменяться в зависимости от состояния атмосферы. Анализ показывает, что погрешность лидарных измерений величины с не превышает, как правило, 30%.

Разработанный метод дает возможность вместе с измерением прозрачности вдоль зондирующего луча определять НДВ.

В настоящей главе для условий экспериментов, выполненных в ГГО, осуществлено моделирование процесса рассеяния электромагнитных волн, основанное на решении уравнений Максвелла. Моделирование оказалось эффективным для решения проблемы дифракции в случае сферических частиц, составленных из однородного ядра и неоднородной оболочки. Результаты

моделирования позволили сделать вывод о большей стабильности микрооптических параметров частиц субмикронной фракции по сравнению с крупными частицами. Имеет место факт меньшего влияния оптических свойств частиц на ослабление излучения по сравнению с их влиянием на направленное рассеяние. Это объясняет результаты измерений, которые дали возможность установить корреляцию коэффициента ослабления с концентрацией частиц (в п.Воейково, С.-Петербурге, Репетеке, Лбастумани), что важно для практики лидарного мониторинга атмосферы.

В пятой главе исследуются точностные характеристики методов интерпретации слабых лидарных сигналов. Рассматривается возможность учета фоновой засветки на основании решения лидарного уравнения (1) в случае зондирования атмосферы разной позиционности.

В случае однородной атмосферы лидарное уравнение можно записать в виде:

Уравнение (1), записанное для двух дополнительных зондируемых элементов (/ -го, к -го), дает возможность сформулировать два дополнительных равенства:

(28)

где В = А/3.

(29)

(30)

В результате получается система из трех уравнений относительно неизвестных величин Р,, В, а.

Исключение неизвестных Р., в из системы (28) - (30) приводит к уравнению

Р,-Р>

. К)_

(31)

для величины а в общем случае несимметричной схемы обработки данных зондирования.

Аналогичное решение получается для величины Р.. Случайная погрешность в линейном приближении:

Уг

и \2 эл

'эдл2

(32)

где производные вычисляются следующим образом:

ад др;

ЭР*

э я эя

1+-р* р*

= 1-

Рк

рг -р* (

Рк

Рк -р*

-Рг

Рк - Р* Ру -Р* у

Р^ Р* Р^ Р* у

Рк - Я; Рк - Р{

1-1

р* Pj р* ^

(33)

(34)

(35)

Случайная погрешность мощности 5Р здесь пропорциональна квадратному корню из мощности, величина С» - коэффициент пропорциональности.

Особенно простым оказывается его решение для симметричной схемы обработки данных, когда

> £=/+2т. (36)

В таком случае уравнение (31) можно записать в виде Р-Р Р-Р Р —Р

1 I -1 1 + 1 у 2 I 1 + 2т у х 1 + Ш 1 1 + 2т _

я2 т д2 т Р2 , (37)

г + 2т -"Ч' + т

где

Хт=ехр(-2сгтЛ); Л4-/г.=2отД,

(38)

А - шаг зондирования.

Решением уравнения (37) является выражение

—-

где

2а. ' (39)

Р-Р Р-Р Р -Р

1 / * /+т , •* 1+2т 1 /+т 1 /+2т

а-—-;-, £>;, =-=-, С- =

ш „2 ' т п2 ' «и „2 (40)

1\+2т ¡ + т

С учетом введенных обозначений для коэффициента ослабления получается формула

<7=---—1пХ,и ....

2тА <41>

Для определения знака в формуле (39) решается прямая и обратная задача. Знак выбирается из условия совпадения заданной и рассчитанной величины коэффициента ослабления.

При оценке чувствительности результата расчета к величине возмущения оно задавалось по данным, характерным для ЛИВО. Исходные данные для расчетов этой величины получаются по результатам измерений мощности, например:

др^ир,- 2РМ + Р^2)2,

(42)

<Я>,2 = (Р. - 2Рм + Pi+2)2 (P¡ ~ 2Рм + P^y'P, (43)

Сравнение показало удовлетворительную сопоставимость оценки чувствительности в различных приближениях.

Анализ результатов показал, что погрешность 5 Р./Р. находится в пределах от десятых процента до нескольких процентов. Вместе с тем, относительная погрешность а может в сотни раз и более превышать относительную погрешность Р.. Таким образом, величина 8а/а оказывается значительной и может достигать сотен процентов.

Результаты анализа случайной погрешности 8а показывают наличие минимального значения величины 5а = 8arain, зависящего от условий зондирования и равного, приблизительно, D=C,(AP) ^ • Таким образом, погрешность 8а/8оШ1П может как уменьшаться, так и увеличиваться при увеличении шага зондирования. Данный факт объясняется усилением при этом затухания эхо сигнала, с одной стороны, и увеличением погрешности мощности сигнала, с другой стороны. Путем выбора шага зондирования можно существенно (в несколько раз) уменьшить погрешность определения коэффициента ослабления методом лидарного зондирования. Путем выбора схемы обработки данных погрешность можно уменьшить до 20%. В частности, случайная погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных (два разных шага дифференцирования) может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы.

С использованием экспериментальных данных в настоящей работе был выполнен анализ систематической погрешности коэффициента ослабления атмосферы путем решения прямой и обратной задачи. Выполненные расчеты показали существенную чувствительность к систематическим погрешностям эхо сигнала результатов определения коэффициента ослабления.

На рис.4 приведена зависимость погрешности коэффициента ослабления от числа шагов, по которому проводится осреднение (пунктирная кривая). По измеренной мощности вычислялся коэффициент ослабления. Значение ст выбиралось, кроме того, из условия максимального соответствия рассчитанной мощности и измеренного сигнала. Погрешность коэффициента ослабления определялась как разность между выбранным и рассчитанным значениями. Видно, что погрешность может превысить 100 %.

(а-б)! а 1.2 т

0,8

-0,4

-0,8

1 'V,

1 I V

»I V

_51

Рис.4. Зависимость величины 8ст/ст, найденной путем решения прямой и обратной задачи от числа шагов

1 - скорректированные экспериментальные данные,

2 - экспериментальные данные)

На рис.5 приведена погрешность 8Р*, отнесенная к величине Р*. Существование этой погрешности обусловлено погрешностью измерения эхо сигнала. Данную погрешность можно связать с потерей чувствительности приемника при освещении его излучением, рассеянным в процессе прохождения через атмосферу лазерного импульса. Оценку систематической погрешности 8Р* можно выполнить для параметров рассматриваемой аппаратуры,

определяя разность между значениями фоновой засветки (заданным и вычисленным). Учет этой погрешности существенно уменьшает погрешность коэффициента ослабления.

На рис.4 сплошной кривой представлена погрешность коэффициента ослабления, рассчитанная по мощности эхо сигнала, скорректированной с учетом погрешности рис. 5. Эта погрешность невелика и уменьшается с ростом числа К

В разделе выполнен анализ результатов измерений 8Р*/Р*

Рис.5. Зависимость величины погрешности 8Р*/Р* от расстояния зондирования г км

коэффициента ослабления неоднородной атмосферы, когда требуется осуществлять зондирование более чем из одной точки пространства.

Сравнение показало отсутствие значительных различий погрешностей двухпозиционного и однопозиционного зондирования. В заключении сформулированы основные выводы работы:

засветки и двух неизвестных функций - коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния. Предложены различные схемы реализации найденного решения, в том числе симметричные и несимметричные. Случайная погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы.

2. Анализ данных, полученных в натурных экспериментах, показал, что строгое решение может быть реализовано лишь в условиях достаточно однородной атмосферы, когда выполняются критерии однородности, основанные на этом решении.

3. Найдены новые решения лидарного уравнения, включая решение системы интегральных уравнений многопозиционного зондирования. Система связывает неизвестные коэффициенты ослабления и обратного рассеяния атмосферы в точках замкнутых многоугольников, сформированных пересечением трасс зондирования. Ее решение позволяет находить функции, связывающие искомые оптические коэффициенты. Разработанный метод дает возможность вместе с измерением прозрачности определять НДВ, концентрации частиц аэрозоля и газовых компонентов.

4. Показано, что случайная погрешность многопозиционных лидарных измерений, обеспечивающих исключение систематической погрешности, многократно превышает случайную погрешность однопозиционных измерений. В решение удалось ввести весовые коэффициенты, регулирующие случайную и систематическую погрешности измерений. При этом случайная погрешность метода многопозиционного зондирования снизилась до уровня случайной погрешности однопозиционных измерений, а систематическая погрешность измерений оказалась в несколько раз меньше, чем ее

величина, характерная для распространенных в настоящее время методов.

5. Анализ данных, полученных в экспериментах АВТОЭКС, КЛЭ, в окрестности пересечения пр. Непокоренных и Пискаревского пр., подтвердил перспективность интегрального решения обратной задачи многопозиционного лидарного зондирования атмосферы.

6. Анализ данных лидарного зондирования вблизи п. Сиверский (Ленинградская область) выявил существование степенной связи между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния. Оказалось, что степень варьирует в широких пределах (1-3). Это важно учитывать для достижения достоверности результатов лидарного определения искомых оптических параметров неоднородной атмосферы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Егорова И.А.* Способ оптического определения концентрации газовых компонентов атмосферы. A.c. № 1781656 // Бюл. изобр. — 1992. - № 46;

2. Егорова И.А. Способ определения концентраций газовых компонентов атмосферы. A.c. № 1822946 // Бюл. изобр. - 1993. - № 23;

3. Егоров А.Д., Егорова H.A. Способ определения концентрации газовых компонентов слоя атмосферы. Патент РФ № 2017139 // Бюл. изобр. - 1994. - № 14;

4. Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения профиля коэффициента ослабления на заданном участке атмосферы. Патент РФ № 2018104 // Бюл. изобр. - 1994. - № 15;

Егорова И.А. - Потапова И.А. с 1998 г.

5. Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения коэффициента ослабления в центре участка неоднородной атмосферы. Патент РФ № 2041475 // Бюл. изобр. - 1995. - № 22;

6. Егоров А.Д., Потапова И.А., Щукин Г.Г. Методы лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Оптический журнал. - 2001. - том 68. - №11;

7. Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Обращение лидарных сигналов малой мощности / Оптический журнал. - 2007. -том 74. - №10;

8. Yegorov A.D., Potapova I.A., Rzhonsnitskaya Yu.B. Atmospheric aerosols measurements and reliability problem/ International Journal of Remote Sensing, 2008; том 29, 2449 - 2468;

9. Егоров А.Д., Потапова И.А. Определение характеристик аэрозоля лидарными системами //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2002, вып.4 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 552), с.14 - 18;

10. Егоров А.Д., Потапова И.А. Лидарные исследования прозрачности атмосферы //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2004, вып.5 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 553), с. 131 - 142;

11. Егоров А.Д., Потапова И.А. Анализ погрешностей обращения лидарных сигналов малой мощности //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2005, вып.6 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 554), с. 62 - 66;

12. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Систематические погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2006, вып.7 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 555), с. 30 - 34;

13. Егоров А.Д., Егорова И.А. Вопросы повышения эффективности интерпретации лидарной информации // В кн "Альтернативные направления интерпретации лидарной информации". - СПб - 1993;

14. Егоров А.Д., Егорова И.А. Альтернативные схемы обработки сигналов обратного рассеяния. СПб. - 1994;

15. Егорова И.А. Лидарное зондирование загрязняющего атмосферу аэрозоля // В кн.: IV Школа-семинар-выставка "Лазеры и современное приборостроение" (Тезисы докладов.). СПб - 1996;

16. Yegorov A.D., Yegorova I.A. Comparative analysis of multipositional remote sensing techniques II Image processing, and synthetic Aperture Radar for Remote sensing, proc. of SPIE. - 1997. -v.3217;

17. Yegorov A.D., Obraztsov S.P., Potapova I.A. Inuniform particle sizing by optical counter // PARTEC 98 7th European Symposium Particle Characterization, Nürnberg: Nürnberg Messe GmbH - 1998. -pp.863-866 // Abstracts, p.93;

18. Потапова И.А. Лазерное многолучевое определение метеорологической дальности видимости в неоднородной атмосфере // В кн.: Труды конференции молодых ученых национальных гидромедслужб стран СНГ (Тезисы докладов.). Москва - 1999;

19. Потапова И. А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования (на англ. яз.: Lidar data processing technique for aerosol sounding) // В кн.: III Международная конференция "Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб - 2001;

20. Егоров А.Д., Потапова И.А., Синькевич A.A. Интерпретация данных самолётного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Межвузовский сборник научных трудов "Методы и устройства передачи и обработки информации", Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2001, с. 63 - 70;

21. Потапова И.А. Восстановление аэрозольных характеристик по данным лидарного зондирования неоднородной атмосферы // Автореферат канд. дисс., СПб - 2001;

22. Потапова И.А. Измерение аэрозольных характеристик лидарными системами / Тезисы Международного симпозиума стран СНГ МСАР-2002, СПб, 2002;

23. Потапова И.А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования (на англ. яз.: Lidar dala processing technique for aerosol sounding) // В кн.: Труды III Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб - 2003;

24. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Обращение лидарных сигналов малой мощности/ Тезисы IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". - Санкт-Петербург, 2003;

25. Потапова И.А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Сборник научных трудов «Наука - северному региону», вып. LX, Изд. АГТУ, 2004;

26. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Методы лидарного определения параметров атмосферы/ Тезисы Международного симпозиума стран СНГ МСАР-2004, СПб, 2004;

27. Yegorov A.D., Ycgorova I.A. Error analysis of weak lidar signals inverting. 31 International Symposium on Remote Sensing of Environment, St. Petersburg, Russia, 2005,

http://www.isprs.org/publications/related/ISRSE/html/papers/ 810.pdf;

28. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б. Систематические и случайные погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности / Деп. в ИЦ ВНИИГМИ-МЦД, 2005;

29. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б. Особенности лидарного зондирования атмосферного аэрозоля/ Сборник трудов международной школы - конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда», РГГМУ, 2005, с.24 - 25;

30. Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Обращение слабых сигналов и достоверность результатов лидарных измерений /Тезисы Международного симпозиума МСАР-2006, СПб, 2006;

31. Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Обращение слабых сигналов и достоверность результатов лидарных измерений /Тезисы XIII Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2006;

32. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б. Особенности лндарного зондирования атмосферного аэрозоля /Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета РГГМУ, СПб, 2006, с.37 - 38;

33. Потапова И.А. Оценка инструментальных погрешностей лидарных измерений атмосферных характеристик/ Ученые записки РГГМУ, в печати.

Отпечатано с готового оригинал-макета в ЦНИТ «АСТЕРИОН» Заказ № 289. Подписано в печать 26.06.2008 г. Бумага офсетная. Формат 60x84'/| 6 Объем 2,5 п. л. Тираж 100 экз. Санкт-Петербург, 191015, а/я 83, тел. /факс (812) 275-73-00, 275-53-92, тел. 970-35-70 www.asterion.ru E-mail: asterion@asterion.ru

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Потапова, Ирина Александровна

ВВЕДЕНИЕ

1. Задача интерпретации данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля

1.1. Задача определения оптических параметров атмосферы по сигналам обратного рассеяния

1.2. Оценка аэрозольной микроструктуры по лидарным данным

Выводы

2. Методы интерпретации сигналов обратного рассеяния

2.1. Традиционный подход к интерпретации лидарной информации

2.2. Строгое решение лидарного уравнения

2.3. Интегральное решение лидарного уравнения

2.4. Моделирование оптических свойств аэрозольных частиц

Выводы

3. Интегральный метод лидарного зондирования атмосферного аэрозоля

3.1. Анализ точностных характеристик метода

3.2. Результаты анализа характеристик трехпозиционных схем зондирования

3.3. Результаты анализа характеристик метода для схем зондирования различной позиционности

3.4. Точностные характеристики схем зондирования неоднородной атмосферы

Выводы

4. Результаты применения интегрального метода обработки данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля

4.1. Интерпретация результатов лидарного зондирования атмосферы в окрестности пересечения городских автомагистралей

4.2. Результаты применения интегрального метода для обработки данных Комплексного ленинградского эксперимента

4.3. Результаты обработки данных эксперимента АВТОЭКС

4.4. Интерпретация результатов самолётного лидарного зондирования атмосферы

4.5. Результаты интерпретации данных лидарного зондирования неоднородной атмосферы

4.6. Результаты определения характеристик микроструктуры атмосферного аэрозоля

Выводы 178 5. Точностные характеристики методов интерпретации слабых лидарных сигналов

5.1. Интерпретация лидарных сигналов с известной фоновой засветкой

5.2. Интерпретация лидарных сигналов с неизвестной фоновой засветкой

5.3. Интерпретация лидарных сигналов, содержащих систематическую погрешность

5.4. Интерпретация сигналов двухпозиционной лидарной системы

Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Восстановление характеристик атмосферы по данным лидарного зондирования"

Процесс хозяйственной деятельности человека вызывает рост загрязнения воздушного бассейна. В настоящее время в практике определения концентраций загрязняющих веществ используются, в основном, контактные методы измерений. Недостаток этих методов состоит в том, что они дают возможность определять локальные значения характеристик загрязнения атмосферы. В частности, оптическими счетчиками частиц и фильтровыми аспирационными устройствами измеряются параметры аэрозоля лишь в непосредственной близости от этих приборов, что не позволяет оперативно определять пространственное распределение загрязняющих компонентов.

Для определения пространственного распределения атмосферного аэрозоля, газовых компонентов атмосферы, для измерения метеорологической дальности видимости в нашей стране и за рубежом интенсивно разрабатываются методы дистанционного лазерного (лидарного) зондирования среды. Применение лидарных методов для мониторинга состояния атмосферы целесообразно в связи с тем, что они обеспечивают дистанционность, высокое пространственное разрешение и оперативность выполнения измерений. Т.о. лидарная информация о природной среде важна для решения проблемы экологического мониторинга, в том числе, при 5 возникновении чрезвычайных ситуаций, когда отсутствует доступ к объектам мониторинга и его выполнение использующимися методами контактных измерений невозможно.

Вместе с тем, разработка метода лидарного зондирования атмосферы предполагает решение обширной научной проблемы, предусматривающее учет ряда особенностей приемопередающей аппаратуры, физических особенностей аэрозольных частиц и распространения излучения в рассеивающей среде, а также решение проблемы интерпретации лидарной информации. Успешное развитие лидарной техники привело к необходимости сконцентрировать усилия на решении методических задач. В свою очередь, результаты решения методических задач позволяют скорректировать направления развития лидарной техники.

Работа посвящена проблеме интерпретации результатов зондирования атмосферы лидарными системами и направлена на совершенствование методов лидарных измерений параметров атмосферного воздуха. Особое внимание уделяется лидарному измерению наклонной дальности видимости (НДВ). Рассматриваются вопросы достоверности, с которой оптические и микрофизические характеристики атмосферы определяются по результатам измерений сигналов обратного рассеяния малой мощности.

Наиболее острой задачей метеорологического обеспечения современной авиации является получение оперативной информации о состоянии нижнего слоя атмосферы, от которого зависит возможность посадки и взлета самолетов, особенно, в сложных метеорологических условиях. При решении этой задачи необходима достоверность получаемой информации, в том числе, визуальной НДВ взлетно-посадочной полосы. Резко выраженная пространственно-временная изменчивость величины НДВ существенно затрудняет получение надежной информации. Кроме того, для определения такого важного параметра как НДВ метеослужба до настоящего времени вообще не располагает необходимой аппаратурой.

Решение проблемы совершенствования методов дистанционного зондирования атмосферы, в настоящее время, приобретает особую актуальность. Большая трудность, с которой сталкивается разработка методов лидарного зондирования атмосферы, обусловлена неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе интерпретации результатов и математической некорректностью обратной задачи, прежде всего, в условиях зондирования слабо рассеивающей атмосферы. Эти особенности негативно сказываются на достоверности определения искомых величин и существенно усложняют проблему. Несмотря на многочисленные попытки её решения, получаемая лидарная информация позволяет лишь качественно описать состояние среды.

Таким образом, на современном этапе создания технологии дистанционного лазерного мониторинга аэрозоля приоритетным является решение проблемы получения достоверной количественной информации методами лидарного зондирования атмосферы.

Состояние вопроса. Лидарное зондирование атмосферы относится к наиболее активно развиваемым направлениям геофизики. Важные для решения проблемы результаты получены многими исследователями в нашей стране и за рубежом. В настоящее время достигнуты значительные успехи в решении комплексной научной проблемы создания приемопередающей аппаратуры для определения физических свойств аэрозольных частиц, концентраций аэрозоля и концентраций газовых компонентов, загрязняющих атмосферу. Решен ряд вопросов, связанных с геометрическими особенностями приемопередающей схемы лазерных устройств; особенностями спектрального диапазона лазерного излучения; особенностями регистрирующей аппаратуры, в том числе, связанными с длительностью и формой зондирующего импульса, кратностью рассеяния лазерного излучения частицами аэрозоля; особенностями распределения аэрозольных частиц по размерам, их структуры, химического состава. Удалось обеспечить требуемую ширину полосы пропускания и чувствительность приемной аппаратуры. В соответствующих разделах работы анализируется состояние исследований по конкретным направлениям.

Решению проблемы лидарного зондирования атмосферы, учитывающему перечисленные особенности, посвящены монографии /1-6/ и многочисленные статьи. Развитие методов лидарного зондирования атмосферы невозможно без учета достижений в области исследования распространения лазерного излучения в среде, включая исследования влияния кратности рассеяния на перенос лазерного излучения, в области развития лидарной техники, в направлении исследования оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц и других направлениях /7-17/.

Вместе с тем, требуются дальнейшие усилия в области разработки методов интерпретации лидарной информации. Существенная трудность, с которой сталкивается разработка методов лидарного зондирования атмосферы /18/, обусловлена неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе интерпретации результатов. Это уравнение связывает эхо сигнал (сигнал обратного рассеяния), принимаемый лидаром, с оптическими параметрами атмосферы. Приходится решать задачу со многими неизвестными. Обращаемое уравнение содержит более чем одну величину, неизвестную во многих точках пространствах (два неизвестных коэффициента: коэффициент ослабления и коэффициент обратного рассеяния) и не может быть решено относительно неизвестных величин без введения дополнительных априорных предположений. В частности, вводятся предположения об оптической однородности среды вдоль трассы зондирования, о зависимости между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния и др. /19—23/. Однако достоверность определения искомых параметров, в том числе, наклонной дальности видимости, часто оказывается недостаточной при применении этого традиционного подхода к интерпретации лидарных данных. (Данный подход, основан на однопозиционном зондировании и решении неопределенной обратной задачи оптической локации). Это снижает точность определения искомых величин, а требование реалистичности предположений существенно усложняет проблему. Проблема, связанная с неопределенностью лидарного уравнения, обращаемого в процессе интерпретации (с неполнотой информации), и с некорректностью обратной задачи, решается посредством привлечения априорных данных о состоянии атмосферы, которые невозможно проверить в рамках существующих методов. Это негативно сказывается на достоверности определения прозрачности метеообразований, концентраций частиц и других характеристик среды и является существенным недостатком известного подхода. Информативность лидарных измерений оказывается особенно низкой при зондировании неоднородной атмосферы.

В настоящее время развиваются два альтернативных направления решения данной проблемы. Направление однопозиционного зондирования базируется на традиционных допущениях о состоянии среды (вводимых для решения лидарного уравнения /24—36/). Новое нетрадиционное направление многопозиционного зондирования включает разработку методов, основанных на строгом решении обращаемого уравнения /37—52/. Оно отличается геометрической схемой зондирования исследуемого объема атмосферы: зондирование осуществляется не по одной, а по различным трассам, пересекающим объем. Нетрадиционные методы дистанционного зондирования не предполагают введения априорных допущений в целях повышения достоверности результатов измерений. Однако она часто недостаточно высока, поскольку строгое решение является дифференциальным.

При обработке слабых сигналов на результаты решения обратной задачи существенно влияют случайные погрешности измерений, погрешности из-за фоновой засветки, систематические погрешности эхо сигнала.

Сложность учета рассмотренных особенностей лидарного определения оптических характеристик атмосферы в проблеме интерпретации данных зондирования дополняется сложностью параметризации оптико—микроструктурных свойств аэрозольных частиц.

Задача нахождения этих связей особенно сложна в условиях загрязненной атмосферы крупных городов, а также вблизи от них. При ее решении следует учитывать существование различных источников аэрозоля, поставляющих в атмосферу частицы, различающиеся по размеру, химическому составу, оптическим свойствам. Соответственно источникам атмосферный аэрозоль можно разделить на фракции /53/. Источником фракций мелких частиц являются промышленные и транспортные выбросы. Концентрации этих частиц определяют оптические характеристики аэрозоля, что дает возможность использования оптических методов измерений их параметров. Вместе с тем, микрооптические характеристики аэрозоля техногенного происхождения, найденные на основании анализа обширного экспериментального материала, часто не удается удовлетворительно описать с использованием традиционных моделей частиц. Для объяснения результатов анализа и использования их при разработке методов зондирования важно предложить реалистическую оптическую модель частицы. Наряду с недостаточной исследованностью микрооптических свойств аэрозольных частиц сложность проблемы обусловлена значительной пространственно-временной изменчивостью характеристик атмосферного аэрозоля.

Источник крупных частиц — подстилающая поверхность. Оптические свойства аэрозоля зависят от содержания этой фракции в меньшей степени.

Зависимость результатов измерений от количества фракций и микрооптических свойств частиц негативно сказывается на достоверности этих результатов.

Отмеченные обстоятельства не позволяют эффективно обработать имеющиеся и получаемые экспериментальные данные.

Остаются существенные трудности в решении проблемы интерпретации лидарной информации (на достоверности результатов интерпретации данных негативно сказываются особенности обратной задачи, решаемой в процессе интерпретации: ее неопределенность и некорректность). Целесообразна разработка методов обработки сигналов лидарного зондирования, сочетающих достоинства традиционного и нетрадиционного подходов, учитывающего особенности атмосферного аэрозоля. Актуален анализ накопленного экспериментального материала /54—58/ на основе этих методов, необходима разработка методов обработки слабых сигналов лидарного зондирования на основе строгого решения лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки в качестве неизвестного параметра.

Цель работы — повышение достоверности результатов интерпретации лидарной информации на основе применения усовершенствованных алгоритмов обработки экспериментальных результатов (включая интегральные).

Алгоритмы базируются на строгом решении обратной задачи, апостериорной оценке возможности введения дополнительных данных, реалистическом описании физических свойств аэрозольных частиц. Исследование направлено на разработку метода лидарного зондирования неоднородной атмосферы, не требующего привлечения непроверяемой априорной информации и процедуры непосредственного дифференцирования сигналов обратного рассеяния, метода лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, зондирования, выполняемого на значительных расстояниях от лидара. В отличие от традиционного подхода рассматривается статистическое интегральное решение обратной задачи многолучевого лидарного зондирования среды. Решение предназначено для практики лидарного определения метеорологической дальности видимости (в первую очередь, наклонной) и атмосферных загрязнений.

Основные задачи исследования, которые решаются для достижения цели и решение которых составляет содержание работы:

- анализируются особенности методов, применяемых для определения параметров атмосферного аэрозоля, оцениваются систематические погрешности, существенно влияющие на результаты решения обратной задачи, и разрабатываются схемы обработки сигналов лидарного зондирования атмосферы и алгоритмы, учитывающие особенности измерительной аппаратуры и условия зондирования; оценивается точность методов, предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы; оцениваются возможности методов, предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного определения ВДВ; осуществляется моделирование эхо сигнала, принимаемого лидаром, решение прямой и обратной задачи с введением возмущения в сигнал обратного рассеяния при вычислении коэффициента ослабления с учетом экспериментальных данных; осуществляется моделирование процесса рассеяния электромагнитных волн облучаемыми структурами, необходимое для уточнения микрооптических характеристик аэрозоля, с учетом экспериментальных данных; анализируется наблюдательный материал, собранный в процессе выполнения экспериментов /55, 58/, позволяющий учесть при исследовании и разработке схем обработки эхо сигналов особенности аппаратуры и условия зондирования атмосферы; выполняется сравнительный анализ данных лидарных, трансмиссометрических и других измерений, выполненных в Ленинградской области и в разнообразных других условиях (в крупном промышленном центре, пустынной, горной зонах) в целях расширения области применимости разрабатываемых схем.

Методы исследования базируются на строгом решении лидарного уравнения. Используются методы численного анализа, компьютерное моделирование с применением данных натурных экспериментов, статистический анализ.

Научная новизна работы. В работе систематизируются и обобщаются итоги исследований точностных характеристик методов лидарного зондирования атмосферы, включая интерпретацию данных натурных экспериментов (Комплексного ленинградского эксперимента — КЛЭ, Советско—американского эксперимента АВТОЭКС и др.), авиалидарного зондирования, моделирование слабого эхо сигнала, принимаемого лидаром, решение прямой и обратной задачи с введением возмущения в сигнал обратного рассеяния. К основным научным результатам работы, относятся: найдено новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций — коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния, выполнен анализ погрешностей определения искомых характеристик для симметричных схем обработки данных (для двух равных шагов дифференцирования) и несимметричных схем (для двух разных шагов дифференцирования). На основе анализа показано, что погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы; установлена специфика применения дифференциальных и интегральных методов в практике лидарного зондирования; построены новые интегральные решения лидарного уравнения, на которых базируется метод измерения прозрачности атмосферы и НДВ; на основе найденных решений лидарного уравнения на уровне изобретений разработаны методы многопозиционного лидарного зондирования; показано, что повышенная точность методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующихся на строгом решении лидарного уравнения, обусловлена определенностью их области применимости; установлено, что для адекватного описания характеристик неоднородной атмосферы необходимо сочетание строгого и интегрального решений лидарного уравнения и учет возможности существенных вариаций связей между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния; показано, что повышение достоверности результатов интерпретации данных лидарного зондирования нетрадиционными методами достигается посредством привлечения апостериорной информации.

Основные положения, выносимые на защиту: новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций — коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния, симметричные и несимметричные схемы реализации найденного решения, отличающиеся случайной погрешностью коэффициента ослабления и фоновой засветки, основы метода лидарного зондирования, осуществляемого в неоднородной атмосфере вдоль трасс, пересекающихся в точках, принадлежащих исследуемому объему; интегральные решения лидарного уравнения, исключающие процедуру дифференцирования на участках неоднородной среды и предназначенные для обработки сигналов многопозиционного лидарного зондирования атмосферы; схемы лидарного зондирования атмосферы с апостериорно проверяемой эффективностью, предназначенные для достижения приемлемых погрешностей интерпретации данных эксперимента.

Обоснованность результатов обусловлена аргументированностью исходных положений исследований, выполненных с применением современного математического аппарата, и логической последовательностью рассуждений.

Практическая значимость работы определяется, в соответствии с поставленной целью, повышением достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы. Полученные результаты использованы в учебном процессе в РГГМУ, для интерпретации данных натурных экспериментов и могут быть использованы для целей совершенствования лазерных технических средств, предназначенных для определения дальности видимости на аэродромах, для наземного и авиалидарного мониторинга загрязнения атмосферы.

Личный вклад автора

Все основные результаты получены автором лично. Автор выполнил анализ современного состояния проблемы. Нашел новые дифференциальные и интегральные решения лидарного уравнения. Разработал эффективные схемы реализации найденного решения. Применил полученные результаты для интерпретации данных натурных экспериментов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на ряде научных конференций: конференции-выставке "Экология и современные технологии" (Санкт-Петербург, 1995),

Четвертой международной школе—семинаре—выставке "Лазеры и современное приборостроение" (Санкт-Петербург, 1995), семинаре Российского аэрозольного общества (Санкт-Петербург, 1997),

Международном конгрессе РАЯТЕС 98 (Нюрнберг, 1998), семинаре "Аналитическое приборостроение для энергетики и точного машиностроения" (Сосновый Бор, Ленинградская область, 2001),

III, IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 2001, 2003), научно-технической конференции, посвященной 75—летию Архангельского ГТУ (2004), международной школе — конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда», РГГМУ, 2005, итоговой сессии Ученого совета РГГМУ (2006, 2008). Публикации. Основные результаты, обобщенные и систематизированные в работе, отражены в 33 научных трудах и изобретениях:

1. Егорова И.А. Способ оптического определения концентрации газовых компонентов атмосферы. A.c. № 1781656 // Бюл. изобр. — 1992. - № 46;

2. Егорова И.А. Способ определения концентраций газовых компонентов атмосферы. A.c. № 1822946 // Бюл. изобр. — 1993. — № 23;

3. Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения концентрации газовых компонентов слоя атмосферы. Патент РФ № 2017139 // Бюл. изобр. - 1994. - № 14;

6. Егоров А.Д., Потапова И.А., Щукин Г.Г. Методы лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Оптический журнал. — 2001. - том 68. - №11; Егорова И.А. - Потапова И.А. с 1998 г.

7. Егоров А.Д., Потапова И.А. Ржонсницкая Ю.Б. Обращение лидарных сигналов малой мощности / Оптический журнал. — 2007. - том 74. - №10;

8. Yegorov A.D., Potapova I.A., Rzhonsnitskaya Yu.B. Atmospheric aerosols measurements and reliability problem/ International Journal of Remote Sensing, 2008; том 29, 2449 - 2468;

10. Егоров А. Д., Потапова И.А. Лидарные исследования прозрачности атмосферы //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2004, вып.5 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 553), с. 131 - 142;

13. Егоров А.Д., Егорова И.А. Вопросы повышения эффективности интерпретации лидарной информации // В кн "Альтернативные направления интерпретации лидарной информации". — СПб — 1993;

14. Егоров А.Д., Егорова И.А. Альтернативные схемы обработки сигналов обратного рассеяния. СПб. — 1994;

15. Егорова И.А. Лидарное зондирование загрязняющего атмосферу аэрозоля // В кн.: IV Школа-семинар—выставка "Лазеры и современное приборостроение" (Тезисы докладов.). СПб — 1996;

16. Yegorov A.D., Yegorova I.A. Comparative analysis of multipositional remote sensing techniques // Image processing, and synthetic Aperture Radar for Remote sensing, proc. of SPIE. —1997. — v.3217;

18. Потапова И. А. Лазерное многолучевое определение метеорологической дальности видимости в неоднородной атмосфере // В кн.: Труды конференции молодых ученых национальных гидромедслужб стран СНГ (Тезисы докладов.). Москва - 1999;

20. Егоров А.Д., Потапова И.А., Синькевич А.А. Интерпретация данных самолётного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Межвузовский сборник научных трудов "Методы и устройства передачи и обработки информации", Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 2001, с. 63 — 70;

21. Потапова И.А. Восстановление аэрозольных характеристик по данным лидарного зондирования неоднородной атмосферы // Автореферат канд. дисс., СПб — 2001;

22. Потапова И.А. Измерение аэрозольных характеристик лидарными системами / Тезисы Международного симпозиума стран СНГ МСАР—2002, СПб, 2002;

23. Потапова И. А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования (на англ. яз.: Lidar data processing technique for aerosol sounding) // В кн.: Труды III Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб — 2003;

24. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Обращение лидарных сигналов малой мощности/ Тезисы IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". — Санкт-Петербург, 2003;

25. Потапова И. А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Сборник научных трудов «Наука - северному региону», вып. LX, Изд. АГТУ, 2004;

27. Yegorov A.D., Yegorova I.A. Error analysis of weak lidar signals inverting. 31 International Symposium on Remote Sensing of Environment, St.Petersburg, Russia, 2005, http://www.isprs.org/publications/related/ISRSE/html/papers/ 810.pdf;

29. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б. Особенности лидарного зондирования атмосферного аэрозоля/ Сборник трудов международной школы — конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда», РГГМУ, 2005, с.24 - 25;

30. Егоров А.Д., Потапова И.А. Ржонсницкая Ю.Б. Обращение слабых сигналов и достоверность результатов лидарных измерений /Тезисы Международного симпозиума МСАР-2006, СПб, 2006;

31. Егоров А.Д., Потапова И.А. Ржонсницкая Ю.Б. Обращение слабых сигналов и достоверность результатов лидарных измерений /Тезисы XIII Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2006;

32. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б.

Особенности лидарного зондирования атмосферного аэрозоля /Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета РГГМУ, СПб, 2006, с.37 - 38;

33. Потапова И. А. Оценка инструментальных погрешностей лидарных измерений атмосферных характеристик/ Ученые записки РГГМУ, в печати.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы — 203 наименования, списка обозначений и сокращений. В ней содержится 290 страниц текста, 19 таблиц, 45 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Метеорология, климатология, агрометеорология", Потапова, Ирина Александровна

Выводы

Анализ результатов исследований, выполненных в разделе, показал, что небольшие систематические погрешности существенно влияют на результаты решения обратной задачи. Погрешность определения коэффициента ослабления многократно превышает погрешность определения фоновой засветки. Случайные погрешности определения искомых характеристик в значительной степени зависят от алгоритмов, используемых для обработки измеряемых сигналов. Приемлемые алгоритмы для анализа лидарных данных базируются на новом строгом решении лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки. Строгое решение было использовано для определения коэффициента ослабления атмосферы. Для разработки лидарных методов было выполнено обращение эхо-сигналов, принятых в процессе зондирования однородной атмосферы из одной точки пространства. С использованием данных эксперимента был выполнен анализ погрешностей определения искомых характеристик. Рассмотрены симметричные (два равных шага дифференцирования) и несимметричные схемы обработки данных (два разных шага дифференцирования). Случайная погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы. Относительная погрешность коэффициента ослабления, найденного по схеме с известной фоновой засветкой, в которой она предварительно определяется по данным эксперимента путем решения лидарного уравнения, близка к погрешности определения искомой величины по несимметричной схеме. Результаты анализа показали, что на основе нового строгого решения лидарного уравнения найдены эффективные алгоритмы обработки сигналов малой мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе развито направление интерпретации лидарной информации, основанное на строгом решении лидарного уравнения, содержащего фоновую засветку. Рассмотрены алгоритмы с предварительно определенной фоновой засветкой, включающие процедуру дифференцирования. Проанализированы дифференциальные и интегральные методы лидарного зондирования. Предложены решения лидарного уравнения с неизвестной фоновой засветкой. Усовершенствованы методы решения обратной задачи дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля, основанные на строгом решении лидарного уравнения и учитывающие, что алгоритм, включающий процедуру дифференцирования (дифференцирования со сглаживанием) отличается значительной случайной погрешностью. Установлена специфика применения дифференциальных и интегральных методов в практике лидарного зондирования. Точность методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующихся на строгом решении лидарного уравнения, обусловлена определенностью их области применимости. Должны выполняться критерии, основанные на этом решении. В частности, для однородной атмосферы различие производных сигналов, принятых с различных направлений не должно быть значимым. Для адекватного описания характеристик неоднородной атмосферы необходим учет возможности существенных вариаций связей между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния. Найдены новые решения лидарного уравнения, на основе которых на уровне изобретений разработаны методы многопозиционного лидарного зондирования. Предложены методики наземного и самолетного зондирования атмосферного аэрозоля, включающие интегрирование лидарных сигналов, принятых в направлениях, дополнительных к традиционным направлениям зондирования. В предложенных методиках обработки лидарных сигналов интегральные решения выступают в качестве соотношений, связывающих между собой определяемые коэффициенты ослабления и обратного рассеяния. В отличие от известных алгоритмов обработки сигналов многопозиционного лидарного зондирования, основанных на дифференциальных решениях, область применимости интегральных решений распространяется как на однородную, так и на неоднородную атмосферу. Выполнено исследование эффективности нетрадиционного подхода, включая численный анализ информативности разработанных методов, их чувствительности к ошибкам в исходных данных, моделирование случайных и систематических погрешностей определения искомых величин, проанализирована погрешность решения системы интегральных уравнений многопозиционного зондирования. В это решение введены параметры, которые выбираются из условия минимума погрешности определяемых величин. Для типичных атмосферных условий выполнено сравнение различных схем зондирования (треугольная схема, схема четырехпозиционного зондирования) и эффективности измерений в различных вершинах этих схем. Исследование выполнено как для типичных параметров атмосферы, так и для реалистических характеристик лидара.

Проанализирован наблюдательный материал, собранный в процессе выполнения натурных экспериментов с 1968 г. по 1991 г. Оценена случайная погрешность метода определения коэффициента ослабления для лидаров на основе рубинового лазера, применявшихся в экспериментах, данные которых анализировались в работе. Это позволило учесть особенности аппаратуры и условий зондирования атмосферы при исследовании и разработке схем обработки эхо сигналов. На основе интегрального решения лидарного уравнения была выполнена интерпретация данных многопозиционного лидарного зондирования атмосферы в окрестности пересечения двух автомагистралей (пр.Непокоренных и Пискаревского пр.), результатов измерений в экспериментах АВТОЭКС, КЛЭ, данных зондирования неоднородной атмосферы вблизи п.Сиверский (Ленинградская область).

Найденные результаты позволяют, в частности, повысить достоверность определения наклонной МДВ, что важно для обеспечения безопасности полетов воздушных судов. Анализ результатов исследований, выполненных в работе, показал, что небольшие систематические погрешности существенно влияют на результаты решения обратной задачи. Погрешность определения коэффициента ослабления многократно превышает погрешность определения фоновой засветки. Случайные погрешности определения искомых характеристик в значительной степени зависят от алгоритмов, используемых для обработки измеряемых сигналов. Приемлемые алгоритмы для анализа лидарных данных базируются на новом строгом решении лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки. Строгое решение было использовано для определения коэффициента ослабления атмосферы. Для разработки лидарных методов было выполнено обращение эхо сигналов, принятых в процессе зондирования однородной атмосферы из одной точки пространства. С использованием данных эксперимента был выполнен анализ погрешностей определения искомых характеристик. Рассмотрены симметричные (два равных шага дифференцирования) и несимметричные схемы обработки данных (два разных шага дифференцирования). Относительная погрешность коэффициента ослабления, найденного по схеме с известной фоновой засветкой, в которой она предварительно определяется по данным эксперимента путем решения лидарного уравнения, близка к погрешности определения искомой величины по несимметричной схеме. Результаты анализа показали, что на основе нового строгого решения лидарного уравнения найдены эффективные алгоритмы обработки сигналов малой мощности.

Выполненные исследования позволили сделать следующие основные выводы:

1.Найдено новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций - коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния. Предложены различные схемы реализации найденного решения, в том числе симметричные и несимметричные. Случайная погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы.

3. Найдены новые решения лидарного уравнения, включая решение системы интегральных уравнений многопозиционного зондирования. Система связывает неизвестные коэффициенты ослабления и обратного рассеяния атмосферы в точках замкнутых многоугольников, сформированных пересечением трасс зондирования. Предложенный подход позволяет находить функции, связывающие искомые оптические коэффициенты.

5. Анализ данных многопозиционного лидарного зондирования атмосферы в окрестности пересечения двух автомагистралей (пр.Непокоренных и Пискаревского пр.) и результатов зондирования в экспериментах АВТОЭКС, КЛЭ показал возможность приближенного решения обратной задачи в рассматриваемых условиях с введением линейной связи между оптическими коэффициентами.

6. Анализ данных лидарного зондирования вблизи п.Сиверского (Ленинградская область) выявил существование степенной связи между коэффициентами ослабления и обратного рассеяния. Оказалось, что степень варьирует в широких пределах (1-3). Это важно учитывать для достижения достоверности результатов лидарного определения искомых оптических параметров неоднородной атмосферы.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Потапова, Ирина Александровна, Санкт-Петербург

1. Зуев В.Е. Лазер-метеоролог // Л.: Гидрометеоиздат. -1974. - с.179.

2. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии // Л.: Гидрометеоиздат. 1973. - 343 с.

3. Захаров В.М., Костко O.K. Метеорологическая лазерная локация // Л.: Гидрометеоиздат. 1977. — с.222.

4. Хинкли Э.Д. Лазерный контроль атмосферы // М.: Мир. -1979. с.416.

5. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование // М.: Мир. 1987. - с.550.

6. Ковалев В.А. Видимость в атмосфере и ее определение // Л.: Гидрометеоиздат. 1988. - 215 с.

7. Самохвалов И.В. Уравнение лазерного зондирования неоднородной атмосферы с учетом двукратного рассеяния // Изв.АН СССР.ФАО, 1979 - т.15, - с.1271-1279.

8. Самохвалов И.В. Теория двухкратного рассеяния и её приложения к задачам лазерного зондирования аэрозоля // Дистанционные методы исследования атмосферы. Новосибирск: Наука. 1980. - с.90-134.

9. Jinhuan Q., Quenzel H., Wiegner M. Parameterized multiple• t hscatter lidar equation and its application // 15in ILRC ( Abstract, P.I. ). Tomsk. 1990. - pp.345-348.

10. Польский Ю.Е. Лидарные комплексы: современное состояние и перспективы // Оптика атмосферы. 1988. - т.1. - № 8. - с.3-12.

11. Waggoner А.P. Weiss R.E. Comparison of Fine Particle Mass Concentration and Light Scattering Extinction in Ambient Aerosol // Atmos. Enviroment. — 1980. — v.14. pp.623-626.

12. Collis R.T.H. and Russel P.B. Lidar Measurements of Particles and Gases by Elastic Backscattering and Differential Absorption, in Laser Monitoring of the Atmosphere // Berlin.: Sprinder-Verlag. 1976. - pp.71-151.

13. Malm W.C., Molenar J.V., Eldred R.A. and Sisler J.F. Examinig the relationship among atmospheric aerosols and light scattering and extinction in the Grand Canyon area // J. Geophys, Res. 1996. -v.101 -pp.19251-19265.

14. Charlson R.J. Atmospheric Visibility Related to Aerosol Mass Concentration: a Review // Environmental Science and Technology. -1969. v.3, No 10. - p.913-918.

15. Ensor D.S., Pilat M.J. The Relationship between the Visibility and Aerosol properties of Smoke-stack Plumes // J.Air Poll.Control Assoc. 1971. - v.21. - p.496-501.

16. Russell Р.В., Swissler T.J. and McCormick M.P. Methodology for error analysis and simulation of lidar aerosolmeasurements //Appl. Opt.- 1979. v.18. - pp.3783-3797.

17. Kohl R.H. "Discussion of interpretation problem encountered in single-wavelength lidar transmissometers" // J.Appl.Meteorol. -1978. v.17. - pp.1034-1038.

18. Barret E.W., Ben-Dov O. Application of the lidar to air pollution measurement // J.Appl.Meteor. 1967. - v.6. - No.3. -pp.500-509.

19. Kano J.M. On the determination of backscattered and extinction coefficient of the atmosphere by using a laser radar // Papers Meteorology and Geophysics 1968. - v.19. - No.l. - p.121-129.

20. Viezee W., Uthe E. and Collis R.T.H. Lidar observations of airfield approach conditions: an explanatory study // J.Appl.Meteor. -1969.-v.8- pp.274-283.

21. Frederick G., Fernald F.G. Benjamin M.H. and John A.R. Determination of Aerosol Height Distributions by Lidar // Appl. Meteor. 1972. - v.11,№5. - pp.482-489.

22. Захаров B.M., Портасов B.C., Жигулева И.С. Методические вопросы лазерной локации аэрозольной атмосферы // Радиофизические исследования атмосферы. JL: Гидрометеоиздат. -1977. с.61-62.

23. Brown, R.T.Jr., A new lidar for meteorological application // J.Applied Meteorology. 1973. - v.12. - p.698-708.

24. Бурд A.M., Вильнер В.Г., Майоров Э.П., Мотенко Б.М. Способ определения коэффициента рассеяния атмосферы Авт. свид. №553562 (СССР). // Бюлл. изобретений. 1977. - №13.

25. Балин Ю.С., Самохвалов И.В. Статистические характеристики вертикальной структуры обратного рассеяния в нижней тропосфере // Изв. АН.СССР. ФАО. 1983. - т. 19. - №9. -с.937-943.

26. Bissonnette L.R. Sensitivity analysis of lidar inversion algorithms //Appl. Opt. v.25. 1986. - pp.2122-2125.

27. Kaestner M. Lidar inversion with variable backscatter / extinction rations: comment // Appl. Opt. — 1986. v.25. — pp. 833835.

28. Balin Yu.S. Kavkyanov S.I., Krekov G.M. and Rasencov I.A. Noise -proof inversion of lidar equation // Opt. Lett. — 1987. — v. 12. — pp.13-15.

29. Jinhuan Q. Sensitivity of lidar equation solution to boundary values and determination of the values // Adv. Atmos. Sci. 1988.- v.5 - pp.229-241.

30. Balin Yu.S. Kavkyanov S.I., Rasencov I.A. Lidar Studies of Aerosol Fields over Industrial Areas // Proceedings of Fifteenth International Laser Radar Conference (part 2), Tomsk, USSR: Institute of Atmospheric Optics. 1990. - pp.92-94.

31. Carswell A.I. Lidar remote sensing of atmospheric aerosols // Proc. SPIE. -.1990. v.1312. - pp.206-220.

32. Guasta M.D., Balestri S., Castagnoli F. Stefanutti L. Barbaro A. Integration of backscattering-LIDAR and ground-basedmeteorological and pollution data in Florence (Italy) // SPIE. — 1997. v.3 104. - pp.73-75.

33. Devara P.C.S., Maheskumar R.S., Pandithurai G. and Dani K.K. Pre-sunrise and Post-sunrise Differences in Tropical Urban Aerosol Distributions as Observed with Lidar and Solar Radiometers // PARTEC. 1998. - pp.829-833.

34. Бурлов Г.М. Способ определения показателя обратного рассеяния атмосферы. A.c. №363061 (СССР) // Бюлл. Изобр., -1973. №3.

35. Балин Ю.С., Матвиенко Г.Г., Самохвалов И.В. Способ определения оптических характеристик атмосферы. Авт. свид. №538313 (СССР). // Бюлл. изобретений. 1976. - №45.

36. Сергеев Н.М., Кугейко М.М. Ашкинадзе Д.А. Двухлидарный метод определения оптических характеристик атмосферы // VI Всесоюзный симпозиум по лазерному иакустическому зондированию атмосферы. — Тезисы докладов. — Томск. ч.1. - 1980. - с.126-129.

37. Егоров А.Д. Зондирование атмосферы оптическими системами // Труды ГГО. 1982. - Вып.462. - с.68-70.

38. Кугейко М.М., Сергеев Н.М., Ашкинадзе Д. А. О возможностях измерения оптических характеристик рассеивающих сред с помощью подвижных лидаров // Изв. АН.СССР. ФАО. — 1982. т.18. - №12. - с.1296-1302.

39. Сергеев Н.М., Кугейко М.М. Ашкинадзе Д.А. Способ определения оптических характеристик рассеивающих сред. A.c. №966639 (СССР) // Бюлл .изобр., 1982. - №38.

40. Егоров А.Д., Степаненко В.Д. Особенности оптического зондирования атмосферного аэрозоля и облаков // Труды IX Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. — 1987. - с.324-326.

41. Веретенников В.В. Метод томографического зондирования в лидарных исследованиях атмосферы // Оптика атмосферы. — 1989. Т.2,№8. - с. 851-856.

42. Веретенников В.В. О решении уравнений лидарного томографического зондирования атмосферы // Оптика атмосферы. — 1991. Т.4,№6. - с. 638-644.

43. Веретенников В.В. К теории томографического зондирования атмосферы с использованием двух лидаров // Оптика атмосферы. 1991. - Т.4, №7. - с. 675-680.

44. Егоров А.Д. Альтернативные направления интерпретации лидарной информации // Спб. ГГО. - 1993. — с.81.

45. Егоров А.Д., Ковалев В.А., Степаненко В.Д., Щукин Г.Г. Лидарное зондирование аэрозоля и газовых компонентов атмосферы нетрадиционными методами // Труды XI симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск. -1993. - с.137-140.

46. Yegorov, A.D., Корр, I.Z. & Perelman, A.Y. Air aerosol pollution and lidar measurements // Proc. SPIE "Lidar and Atmospheric Sensing", 2505. 1995. - pp.38-43.

47. Yegorov A.D., Sinkevich A.A., Stepanenko V.D. Aerosol measurements by unconventional lidar techniques// Journal of Aerosol Science, 1996, v.27, Supplement 1, pp. S549-S550.

48. Yegorov A.D., Yegorova I.A. Comparative analysis of multipositional remote sensing techniques // Proc. of Image processing, signal processing, and syntheetic aperture radar for remote sensing, v.3217, 1997, pp. 398-403.

49. Willeke K., Whitby K.T. Atmospheric aerosols: size distribution interpretation // J.Air Poll.Control Assoc. 1975.- v.25, N 5.- p.529-534.

50. Егоров А.Д., Ионин В.А. Сравнительный анализ оптико-микроструктурных характеристик аэрозольных частиц // В кн.: XI Всесоюзное совещание по актинометрии (Тезисы докладов, ч.У). Таллин. 1980. - с.66-69.

51. Егоров А.Д., Степаненко В.Д. Некоторые особенности лидарного зондирования аэрозолей // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы. Т.III. М.: Гидрометеоиздат. - 1981. - с.42-48.

52. Егоров А.Д., Ионин В.А., Матросов С.Ю. Сравнительный анализ аэрозольной микроструктуры // В кн.: Комплексный советско-американский эксперимент по исследованию фонового аэрозоля. JL: Гидрометеоиздат. 1986. - с.50-53.

53. Yegorov A.D., Boitzov P.P., Stepanenko V.D. and Shumakov L.I. Lidar sensing of the lower atmospheric layer around a highway // Proceedings of the Soviet-American Simposium on mobile-source air pollution (AUTOEX,v.20). -1992.-pp.l02-124.

54. Klett J.D. Stable analytical inversion solution for processing lidar returns // Appl.Opt. 1981. - vol.20. - № 2. - pp.211220.

55. Ferguson J.A. and Stephens D.H. Algorithm for inverting lidar returns //Appl. Opt. 1983.- v.22. - pp.3673-3675.

56. Fernald F.G. Analysis of atmospheric lidar observations: some comments // Appl. Opt. v.23. — 1984. - pp.652-653.

57. Sasano Y. and Nakano H. Significance of the extinction / backscatter ratio and the boundary value term in the solution for the two-component lidar equation // Appl. Opt. 1984. - v.23. — pp.11-13.

58. Klett J.D. Lidar inversion with variable backscatter / extinction rations //Appl. Opt. 1986.- v.24. - pp.l638-1643.

59. Sasano Y. and Browell E.V. Light scattering characteristics of various aerosol types derived from multiple wavelength lidar observation //Appl. Opt.- 1989. v.28 -pp.16701679.

60. Pal A.G., Cunningham A.G. and Carswell A.I. Lidar studies of the tropospheric extinction coefficient // Proceedings of Fifteenth International Laser Radar Conference (part 1), Tomsk, USSR: Institute of Atmospheric Optics. 1990. - pp. 152-153.

61. Kovalev V.A. Lidar measurements of the vertical aerosol extinction profiles with range-dependent backscatter-to-extinction ratios //Appl. Opt.- 1993. v.32. - pp.6053-6056.

62. Самохвалов И.В., Насекин Г.С. Результаты оптико-локационных исследований атмосферных аэрозолей Кемеровского промышленного региона // В кн.: Труды XI симпозиума долазерному и акустическому зондированию атмосферы. — Томск. — 1993. с.27-29.

63. Kunz G.J. and Leeuw G. Inversion of lidar signals with the slope method //Appl. Opt. 1993.- v.32. - pp.3249-3256.

64. Kovalev V.A. and Moosmtiller H. Distortion of particulate extinction profiles measured with lidar in two-component atmosphere // Appl. Opt. 1994 - v.33. - № 27 - pp.6499-6507.

65. Kovalev V.A. Sensitivity of the lidar equation solution to errors in the aerosol backscatter-to-extinction ratio: influence of a monotonic change in the aerosol extinction coefficient // Appl. Opt. 1995. - v.34 - pp.3457-3462.

66. Stein K., Weiss-Wrana K., Kohne A. IR-imaging of a point target through inhomogeneous media along a slant path of 2.3 km // SPIE. - 1995. - v.2580. - pp.86-105.

67. Mtinkel C. Measuring slant visual range on airports using an eye-safe lidar // SPIE. 1997. - v.3104. - pp. 18-26.

68. Иванов А.П. Методы лазерного зондирования атмосферы // Квантовая электроника и лазерная спектроскопия. 1974. - № 12. - с.381-406.

69. Komarov V.S., Grishin A.I., Kreminskii A.V., Matvienko G.G., Popov Yu.B. Statistical analysis and prediction of the aerosolvertical stratification in the atmospheric boundary layer from th lidar sounding data // SPIE. 1998. - v.3583. - pp.214-218.

70. Rocadenbosch F. Comeron A. and Pineda D. Assessment of lidar inversion errors for homogeneous atmospheres // Appl. Opt. 1998.- v.37. — pp.2199-2206.

71. Rocadenbosch F., Soriano C., Comeron A., and Baldasano J.M. lidar inversion of atmospheric backscatter and extinction-to-backscatter ratios by use of a Kalman filter // Appl. Opt. 1999 — v.38. - № 15 - pp.3175-3189.

72. Самойлова С.В., Балин Ю.С., Ершов А.Д. Восстановление оптических характеристик аэрозольных полей по данным зондирования Raman лидаром // Тезисы III международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли".- Санкт-Петербург. 2001. - с.54-55.

73. Kasparian J., Rambaldi P., Frejafon E., Pantani M., Ya J., Vezin В., Ritter P., Viscadi P., Weidauer D. and Wolf J.P. Monitoring of urban aerosols using a combined lidar / SEM method // SPIE. 1997. - v.3104. - pp.278-284.

74. Yegorov A.D. Airborne lidar studies of air aerosol pollution // Proc.of the Second International Airborne Remote Sensing Conference. 1996. - v.l. - pp.377- 381.

75. Yegorov, A.D., Perelman, A.Y. & Kaziakhmedov, T.B. Estimate of Aerosol Microstructure Based on Integral Method of Multiposition Sounding of the Atmosphere // Optika Atmosfery i Okeana. 1997. - v.10. - pp.1164-1169.

76. Yegorov A.D., Sinkevich A.A., Stepanenko Y.D. Atmosphere aerosols monitoring by new lidar techniques // Nuremberg: PARTEC 98. 7th European Symposium Particle Characterization. 1998. -pp.799-802.

77. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., Zuev V.E. Remote determination of the atmospheric aerosol optical parameters with a Raman-lidar // 12th ILRC. Aix en Provence. — Franse. — Conf.Abstracts. - 1984. - pp.63-67.

78. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., Zuev V.E. Nadeev A.I., Shelevoy K.D. Combined Raman Lidar for Low Tropospheric Studies // 13th ILRC. Tronto. - Canada. - Conf.Abstracts. - 1986. -pp.189-191.

79. Ansmann A., Arshinov Y., Bobrovnikov S., Mattis I., Wandinger U. Double grating monochromator for a pure rotational Raman-lidar // SPIE. 1998. - v.3583. - pp.491-497.

80. Mattis I., Wandinger U., Mueller D., Ansmann A., Althausen D. Routine Dual-Wavelenght Raman Lidar Observations at Leipzig as Part of an Aerosol Lidar Network in Germany 19th ILRC // Annapolis MD. USA. - Conf.Abstracts. - 1998. - pp.29-32.

81. Ивлев JI.С. Моделирование оптических свойств атмосферных аэрозолей // Сборник трудов II международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". — Санкт-Петербург. 1999. - с. 103-110.

82. Ивлев JI.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем // Санкт-Петербург. — 2000г. — 259с.

83. Козлов B.C., Панченко М.В., Полькин В.В., Яушева Е.П. Сезонная и суточная изменчивость содержания аэрозоля и сажи в приземном слое // Тезисы международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". — Санкт-Петербург. — с.71-73.

84. Зуев В.Е., Ивлев Л.С., Кондратьев К.Я. Новые результаты исследования атмосферного аэрозоля // Изв. АН.СССР. ФАО. 1973.-т.9. - №4. - с.371-385.

85. Massoli P., Lazzaro М. Characterization of radially inhomogeneous spheres by light scattering metods // Niiremberg: PARTEC 98. 7th European Symposium Particle Characterization. -1998. pp.527-536.

86. Borovoi A., Grishin I., Dyomin V., Oppel U. Optical Measurements of a Nonsphericity Parameter for Large Particles //

87. Nürnberg: PARTEC 2001. International Congress for Particle Technology 2001. - 14/02 № 068 - pp. 1-6.

88. Фарафонов В.Г., Всемирнова Е.А. Численное моделирование оптических характеристик атмосферных аэрозолей с учетом несферичности // Тезисы III международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли".- Санкт-Петербург. — 2001. с.42-44.

89. Kerker М. The Scattering of light and other electromagnetic radiation // New York: Academic Press. 1969.

90. Bohren С.F., Huffman D.R. Absorption and scattering of light by small particles // N.Y.: Wiley. 1983. - p.530.

91. Шифрин К.С. Рассеяние света на двухслойных частицах // Изв. АН СССР, серия геофизическая. 1952. - №2. -с.15-28.

92. Резнова JI.B. Вычисление факторов эффективности для двухслойных частиц по теории Ми // Пыль в атмосфере и околоземном космическом пространстве // М.: "Наука". 1973. — с.186-192.

93. Пришивалко А.П., Астафьева Л.Г. Поглощение, рассеяние и ослабление света обводнёнными частицами атмосферного аэрозоля // Препринт ИФ АН БССР. — Минск. — 1975. с.45.

94. Перельман А .Я. Дифракция на сферически симметричных неоднородных структурах. // Оптика и спектроскопия.- 1995. т.78. - № 5. - с.822-831.

95. Кондратьев К.Я., Аднашкин В.Н., Балакирев В.В. и др. Глобальный аэрозольно-радиационный эксперимент 1977 // Труды ГГО. - 1980. - Вып.434. - с.15-28.

96. Егоров А.Д., Ионин В.А. Вопросы параметризации оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц // Труды ГГО. -1981. Вып.448. -с.70-75.

97. Иоффе М.М., Приходько М.Г. Справочник авиационного метеоролога // М.: Воениздат. 1977. — 304 с.

98. Худсон Д. Статистика для физиков // М.: Мир. 1970. -276 с.

99. Потапова И.А. Лазерное многолучевое определение метеорологической дальности видимости в неоднородной атмосфере // В кн.: Труды конференции молодых ученых национальных гидромедслужб стран СНГ (Тезисы докладов.). Москва 1999. - с.51-52.

100. Потапова И.А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования (на англ. яз.: Lidar data processing technique for aerosol sounding) // В кн.: Ill Международная конференция

101. Естественные и антропогенные аэрозоли. СПб 2001. — с.57-58 (на англ. яз. р.58-59).

102. Егоров А.Д., Потапова И.А., Щукин Г.Г. Методы лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Оптический журнал. 2001. - том 68. - №11. - с.10-14.

103. Бегалишвили Н.А., Пономарев Ю.Ф., Синькевич А.А., Степаненко В.Д. Самолет-лаборатория ЯК-40 // Метеорология и гидрология. 1993. - №4. - с.102-108.

104. Горышин В.И. Серийный образец автоматического фотометра для измерения и регистрации прозрачности атмосферы (РДВ) // Труды ГГО. 1968. - вып.213. - с.48-58.

105. Whitby К.T. The Physical Characteristics of Sulfur Aerosols // Atmos. Environ. — v.12. — 1978. — pp. 135-159.

106. Соколов B.C., Сергеев В.H. Фотоэлектрический счетчик аэрозольных частиц АЗ-5 // Электронная техника, сер. Электроника СВЧ. № 10. - 1970. - с.92-100.

107. Беляева С.П., Никифорова Н.К., Смирнов В.В., Щелчков Г.И. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей // М: Энергоиздат. — 1981. — с.232.

108. Акулынина Л.Г., Пинчук С.Д., Скрипкин A.M. Связь между весовой концентрацией частиц аэрозольной среды и ослаблением излучения // Труды ИЭМ. Вып.4(83). - 1978. - с.37-39.

109. Георгиевский Ю.С., Пирогов С.М., Чавро А.И., Шукуров А.Х. О связи между статистическими характеристиками спектра аэрозоля и коэффициента ослабления // Изв. АН СССР. ФАО. — Т. 14 №4. - 1978. - с.405-411.

110. Полевицкий К.К., Шадрина Е.Н., Аднашкин В.Н. Походный нефелометр для автоматической регистрации МДВ // Труды ГГО. Вып. 292. - 1977. - с.3-11.

111. Kondratyev K.Ya. Global ecological security and requirements of monitoring // Proceedings of Fifteenth International Laser Radar Conference (part 2), Tomsk, USSR: Institute of Atmospheric Optics. 1990. - p.76.

112. Егоров А.Д., Степаненко В.Д. Особенности лидарного определения коэффициента ослабления атмосферы // ГУ Всесоюзный симпозиум по по распространению лазерного излучения в атмосфере.— Тезисы докладов. — Томск. — 4.1. — 1977.- с.126-129.

113. Егоров А.Д., Степаненко В.Д. Некоторые аспекты определения оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц // У Всесоюзный симпозиум по по распространению лазерного излучения в атмосфере.— Тезисы докладов. — Томск. — 4.1. — 1979.- с.77-80.

114. Егоров А.Д., Ионин В.А.Сравнительный анализ оптико-микроструктурных характеристик аэрозольных частиц // XI Всес. совещ.по актинометрии.— Тезисы докладов. Таллин. — ч.5. — 1980. - с.66-69.

115. Егоров А.Д., Степаненко В.Д. Лидарные методы определения характеристик атмосферного аэрозоля // Труды Всесоюзного совещания по радиометеорологии.— Таллин. — 1982.- с.299-300.

116. Егоров А.Д., Меликов С.Г. Зондирование атмосферного аэрозоля оптическими локаторами и оптико-локационными системами // Деп. в ИЦ ВНИИГМИ- МЦД, 1985.

117. Егоров А.Д. Дистанционное зондирование атмосферы лидарами и лидарными системами // Труды ГГО. 1986. - Вып. 509.- с.68-70.

118. Егоров А.Д., Медиков С.Г., Емельянова В.Н. Лидарное зондирование атмосферной дымки // Труды ГГО. 1986. - Вып. 509.- с.112-114.

119. Егоров А. Д., Меликов С.Г. Некоторые результаты исследования аэрозоля аридного происхождения // 1У Всесоюзная конференция "Природные ресурсы пустынь и их освоение". .— Тезисы докладов. — Ашхабад. — 4.1. 1986. — с.18-20.

120. Егоров А.Д., Меликов С.Г. Некоторые результаты дистанционных измерений счетной концентрации аэрозоля атмосферы Ленинграда // Труды ГГО. 1987. - Вып. 507. - с. 126131.

121. Егоров А. Д., Меликов С.Г. Некоторые результаты дистанционных исследований атмосферного аэрозоля // IX Всесоюзный симпозиум по по распространению лазерного излучения в атмосфере.— Тезисы докладов. — Томск. — 4.1. — 1987.- с.319-323.

122. Yegorov A.D., Sinkevich A.A., Zhvalev V.F. The Experience of aircraft aerosol investigations in Aral sea region // Journal of Aerosol Science, 1994, v.25, Supplement 1.

123. Yegorov A.D., Sinkevich A.A., Stepanenko V.D. Lidar investigation of highway aerosol // Journal of Aerosol Science, 1995, v.26, Supplement 1.

124. Yegorov A.D., Obraztsov S.P., Yegorova I.A. Inuniform particle sizing by optical counter // PARTEC 98 7th European Symposium Particle Characterization, Nürnberg: Nürnberg Messe GmbH 1998. - pp.863-866.

125. Yegorov, A.D., Perelman, A.Y. Lidar studies of air aerosol pollution // Proc. of European Conference on Laser and Electro-Optics. Hamburg, 1996.

126. Yegorov, A.D., Kopp, I.Z. Air aerosol pollution data analysis and airborne lidar measurements// Proc. of the Second International Airborne Remote Sensing Conference. 1996. - v.3. -pp.377- 381.

127. Кугейко M.M., Оношко Д.М. К теории томографического зондиривания // Оптика атмосферы и океана. 1998.- Т11, №2. С.1-5.

128. Yegorov, A.D., Perelman, A.Y. Lidar monitoring of visibility in polluted air 11 Proc. of 11th world clean air and environment congress, v.2, 1998, 7B-2.

129. Yegorov, A.D., Perelman, A.Y., Kaziakhmedov, T.B. Urban and industrial aerosol data analysis and lidar measurements // Proc. SPIE, Lidar atmospheric monitoring, v.3104, 1997 pp. 234-238.

130. Yegorov, A.D., Kopp, I.Z. Multiposition lidar monitoring of inhomogeneous air aerosol pollution // Proc. of SPIE, Lidar atmospheric monitoring, v.3104, 1997, pp. 239-241.

131. Yegorov, A.D., Kopp, I.Z. International cooperation in lidar and other optical studies of atmospheric air aerosol pollution // Proc. of 11th world clean air and environment congress, v.5, 1998, 14A-5.

132. Yegorov A.D., Sinkevich A.A., Stepanenko V.D. Multipositional techniques for remote sensing of atmosphere // Proc. of SPIE, Image processing, signal processing, and syntheetic aperture radar for remote sensing, v.3217, 1997 pp. 422-426.

133. Егоров А.Д. Определение характеристик частиц оптическим счетчиком // 2-я междун. конф."Естественные и антропогенные аэрозоли". Сб.тезисов. С-Пб, 1999.

134. Егоров А. Д. Опыт определения характеристик атмосферного аэрозоля //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО). 2001. Вып.3(549). - с.119 - 121.

135. Щукин Г.Г., Егоров А.Д., Решетников А.И., Шварц Я.М., Шаламянский A.M. Методы и результаты исследования парниковых газов, озона, аэрозоля в атмосфере и УФ-радиации // III Межд.симп. «Контроль и реабилитация окружающей среды». Томск, 2002.

136. Егоров А. Д. Способ определения прозрачности атмосферы. Патент РФ N 2007700, Бюлл.изобрет. N 3, 1994.

137. Егоров А. Д. Способ дистанционного оптического зондирования рассеивающей среды. Авторское свидет-во N 1624380, Бюлл.изобрет., N 4, 1991.

138. Егоров А. Д., Егорова И.А. Способ определения концентрации газовых компонентов слоя атмосферы. Патент РФ № 2017139 // Бюл. изобр. 1994. - № 14.

139. Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения профиля коэффициента ослабления на заданном участке атмосферы. Патент РФ № 2018104 // Бюл. изобр. 1994. - № 15.

140. Егоров А.Д., Егорова И.А. Вопросы повышения эффективности интерпретации лидарной информации // В кн "Альтернативные направления интерпретации лидарной информации". СПб - 1993.

141. Ивлев JI.C., Попова С.И. Комплексный показатель преломления диспергированной фазы атмосферного аэрозоля. Изв АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1973, т.9, №3, с. 1034 -1043.

142. Егоров А.Д., Степаненко В.Д. Анализ погрешностей различных методов определения коэффициента ослабления атмосферы с помощью лидаров // Труды Всесоюзного симпозиума "Радиофизические исследования атмосферы" JL, Гидрометеоиздат, 1977.

143. Kondratyev K.Ya., Pokrovsky, О.М. and Varotsos, С.A. Atmospheric ozone trends and other factors of surface ultraviolet radiation variability Environmental Conservation, 22, 1995, 259-261.

144. Kondratyev K.Ya., Varotsos, C.A. Atmospheric greenhouse-effect in the context of global climate-change Nuovo Cimento della Societa Italiana di Fisica C-Geophysics and Space Physics, 18, 1995, 123-151.

145. Varotsos C., Ondov J. and Efstathiou M. Scaling properties of air pollution in Athens, Greece and Baltimore, Maryland Atmospheric Environment 39, 2005, 4041-4047.

146. Varotsos C.A., Ondov J.M., Cracknell A.P., Efstathiou M.N. and Assimakopoulos M.N. Long-range persistence in global Aerosol Index dynamics International Journal of Remote Sensing, 27, 2006, 3593-3603.

147. Егоров А.Д. Лидарное зондирование загрязняющего атмосферу аэрозоля //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО). 1997. Вып.1(546). - с.33 - 36.

148. Покровский О.М. Композиция наблюдений атмосферы и океана/ Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат. 2003. - 323 с.

149. Ивлев Л.С., Кондратьев К.Я. Атмосферный аэрозоль: свойства и воздействие на климат/ Тезисы IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". — Санкт-Петербург, 2003, с.11 15.

150. Исаков А.А., Горчаков Г.И. О вариациях массовой концентрации приземного субмикронного аэрозоля в условиях устойчивого летнего антициклона/ Тезисы IV Международнойконференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". — Санкт-Петербург, 2003, с.62 63.

151. Smoktii O.I.Husseinov Н.А Data information calibration and optimal planning of environment's remote sensing. 31 International Symposium on Remote Sensing of Environment, St. Petersburg, Russia, 2005.

152. Белан Б.Д., Симоненков Д.В. Локальные особенности в химическом составе атмосферного аэрозоля различных городов и территорий/ Тезисы IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". — Санкт-Петербург, 2003, с.70 71.

153. Дивинский JI. И., Чукин В.В. Определение вертикального профиля ветра методом радиопросвечивания атмосферы// Итоговая сессия Ученого совета 30-31 января 2002 г. Информационные материалы. СПб.: Изд. РГГМУ, 2002. - С. 24-25.

154. Кузнецов А. Д. Мониторинг климата на основе дистанционного зондирования окружающей среды/ Сборник трудовмеждународной школы — конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда», РГГМУ, 2005, с.24 25.

155. Егоров А.Д., Потапова И.А. Определение характеристик аэрозоля лидарными системами //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО),2002, вып.4(552), с.14 18.

156. Фарафонов В.Г., Ильин В.Б., Прокопьева М.С. Аналитическое усреднение оптических характеристик ансамблей несферических частиц/ Тезисы IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". — Санкт-Петербург,2003, с.68 69.

157. Егоров А.Д., Потапова И.А. Привалов Д.В. Обращение лидарных сигналов малой мощности/ Тезисы IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". — Санкт-Петербург, 2003, с.98 99.

158. Егоров А.Д., Потапова И.А. Лидарные исследования прозрачности атмосферы //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2004, вып.5(553), с. 131 142.

159. Егоров А.Д., Потапова И.А. Привалов Д.В. Методы лидарного определения параметров атмосферы/ Тезисы Международного симпозиума стран СНГ МСАР-2004, СПб, 2004.

160. Гальперин С.М., Зашакуев Т.М., Егоров А.Д., Морозов В.Н., Солдатов Ю.И., Щукин Г.Г. Многофункциональное использование лазеров в исследовании грозовых облаков // Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2005, вып.6(554), с. 3 42.

161. Егоров А. Д., Потапова И. А. Анализ погрешностей обращения лидарных сигналов малой мощности //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2005, вып.6(554), с. 62 66.

162. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б. Систематические и случайные погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности / Деп. в ИЦ ВНИИГМИ-МЦД, 2005.

163. Strawbridge К.В., Li S.M. Optical properties of aerosols obtained from airborne lidar and several in-situ instruments during RACE// Proc. of SPIE, Lidar atmospheric monitoring, v.3104, 1997, pp. 204-211.

164. Yegorov A.D., Potapova I.A. Error analysis of weak lidar signals inverting. 31 International Symposium on Remote Sensing of Environment, St. Petersburg, Russia, 2005,http://www.isprs.org/publications/related/ISRSE/html/papers/ 810.pdf.

165. Егоров А.Д., Потапова И.А. Привалов Д.В. Систематические погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2006, вып.7(555), с. 30 34.

166. Егоров А. Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Обращение слабых сигналов и достоверность результатов лидарных измерений /Тезисы Международного симпозиума МСАР-2006, СПб, 2006.

167. Егоров А. Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Обращение слабых сигналов и достоверность результатов лидарных измерений /Тезисы XIII Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2006.

168. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б. Особенности лидарного зондирования атмосферного аэрозоля /Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета РГГМУ, СПб, 2006, с.37 38.

169. Егоров А. Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Обращение лидарных сигналов малой мощности / Оптический журнал. 2007. - том 74. - №10, с.25 - 28.

170. Щукин Г.Г., Егоров А.Д., Караваев Д.М., Морозов В.Н. Лазерные и СВЧ методы исследования облаков // Оптика атмосферы и океана, т. 19, №9, 2006.

171. Yegorov A.D., Potapova I.A., Rzhonsnitskaya Yu.B. Atmospheric aerosols measurements and reliability problem/ International Journal of Remote Sensing, 2008, том 29, 2449 2468.

172. Егорова И.А. Лидарное зондирование загрязняющего атмосферу аэрозоля // В кн.: IV Школа-семинар-выставка "Лазеры и современное приборостроение" (Тезисы докладов.). СПб — 1996.

173. Егорова И. А. Способ оптического определения концентрации газовых компонентов атмосферы. A.c. № 1781656 // Бюл. изобр. 1992. - № 46.

174. Потапова И.А. Оценка инструментальных погрешностей лидарных измерений атмосферных характеристик/ Ученые записки РГГМУ, в печати.

175. Егорова И.А. Способ определения концентраций газовых компонентов атмосферы. A.c. № 1822946 //Бюл. изобр. 1993. - № 23.

176. Егоров А. Д., Егорова И.А. Способ определения коэффициента ослабления в центре участка неоднородной атмосферы. Патент РФ № 2041475 // Бюл. изобр. 1995. - № 22.

177. Егоров А.Д., Егорова И.А. Альтернативные схемы обработки сигналов обратного рассеяния. СПб.- 1994.

178. Потапова И.А. Восстановление аэрозольных характеристик по данным лидарного зондирования неоднородной атмосферы // Автореферат канд. дисс., СПб — 2001.

179. Потапова И.А. Метод интерпретации данных лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Сборник научных трудов «Наука северному региону», вып. LX, Изд. АГТУ, 2004.

Информация о работе

Потапова, Ирина Александровна
доктора физико-математических наук
Санкт-Петербург, 2008
ВАК 25.00.30

Диссертация

Восстановление характеристик атмосферы по данным лидарного зондирования - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы