Восстановление коэффициента ослабления лазерного излучения в атмосфере по слабым сигналам обратного рассеяния

Привалов, Дмитрий Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Восстановление коэффициента ослабления лазерного излучения в атмосфере по слабым сигналам обратного рассеяния
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Восстановление коэффициента ослабления лазерного излучения в атмосфере по слабым сигналам обратного рассеяния"

Государственное учреждение «Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова»

На правах рукописи УДК 551.510.7

Привалов Дмитрий Владимирович

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ ПО СЛАБЫМ СИГНАЛАМ ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ

Специальность 25.00.29 Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Санкт - Петербург 2005

Диссертация выполнена в Государственном учреждении «Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова»

Научный руководитель:

доктор физико - математических наук

А.Д. Егоров

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

кандидат физико-математических наук, доцент

В.А.Ременсон

А.А.Синькевич

Ведущая организация:

Российский государственный гидрометеорологический университет

Защита состоится « 28» декабря 2005г. в Ц часов на заседании диссертационного совета Д 327.005.01 при Государственном учреждением «Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова» по адресу: 194021, г.Санкт-Петербург, ул.Карбышева, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного учреждения «Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова»

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор географических наук

А.В.Мещерская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время в нашей стране и за рубежом в практике определения концентраций загрязняющих веществ наряду с контактными методами используются методы дистанционного лазерного (лидарного) зондирования среды. Эти методы разрабатываются также для измерения метеорологической дальности видимости и других параметров. Применение лидарных методов для мониторинга состояния атмосферы целесообразно в связи с тем, что они обеспечивают дистанционность, высокое пространственное разрешение и оперативность выполнения измерений. Лидарная информация о природной среде особенно важна для решения проблемы экологического мониторинга, в том числе, при 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 комплексной научной проблемы, включающей 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.

случайной погрешностей измерений, включая погрешности из-за фоновой засветки, сдвига нуля эхо-сигнала, неточности его коррекции на геометрический фактор и т.д.

Работа посвящена решению проблемы интерпретации результатов зондирования атмосферы лидарными системами и направлена на совершенствование методов лидарных измерений параметров атмосферного воздуха. Рассматриваются вопросы достоверности, с которой оптические характеристики атмосферы определяются по результатам измерений сигналов обратного рассеяния малой мощности.

Решение проблемы совершенствования методов дистанционного зондирования атмосферы, в настоящее время, приобретает особую актуальность. Особая трудность, с которой сталкивается разработка методов лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, обусловлена математической некорректностью обратной задачи. Это негативно сказывается на достоверности определения искомых величин и существенно усложняет проблему. Таким образом, на современном этапе создания технологии дистанционного лазерного мониторинга атмосферы приоритетным является решение проблемы получения достоверной информации методами лидарного зондирования атмосферы.

особенностями приемопередающей схемы лазерных устройств; особенностями спектрального диапазона лазерного излучения; особенностями регистрирующей аппаратуры, в том числе, связанными с обеспечением требуемой ширины полосы пропускания; особенностями, связанными с чувствительностью приемной аппаратуры, длительностью и формой зондирующего импульса и др.

Решению проблемы лидарного зондирования атмосферы, учитывающему перечисленные и другие особенности, посвящены многочисленные статьи и монографии. 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 и других направлениях.

Имеются значимые достижения в области разработки методов интерпретации лидарной информации, в частности, по преодолению трудностей, с которыми сталкивается разработка методов лидарного зондирования атмосферы, обусловленных 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 том числе, вводятся предположения об оптической однородности среды вдоль трассы зондирования, о

зависимости между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния и др. Однако достоверность определения искомых параметров часто оказывается недостаточной при применении этого традиционного подхода к интерпретации лидарных данных (подхода, основанного на 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, базирующееся на традиционных допущениях о состоянии среды, вводимых для решения лидарного уравнения локации, и новое направление многопозиционного зондирования, включающее разработку методов, основанных на строгом решении обращаемого уравнения. Оно отличается геометрической схемой зондирования исследуемого объема атмосферы: не по одной, а по различным пересекающим его трассам. 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. В последнее время построены новые интегральные решения, на основе которых разработаны методы многопозиционного лидарного зондирования. Проанализирована эффективность этих методов. Показано, 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.

Вместе с тем, остаются существенные трудности в решении проблемы интерпретации лидарной информации, (на достоверности результатов интерпретации данных негативно сказываются особенности обратной задачи, решаемой в процессе интерпретации: ее некорректность, неопределенность фоновой засветки). Целесообразна разработка методов обработки слабых сигналов лидарного зондирования, на основе строгого решения лидарного уравнения, включающего фоновую засветку в качестве неизвестного параметра.

Цель работы - повышение достоверности результатов интерпретации лидарной информации на основе применения алгоритмов обработки экспериментальных результатов, базирующихся на строгом решении обратной задачи, Исследование направлено на разработку метода лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, зондирования, выполняемого на значительных расстояниях от лидара. Решение предназначено для практики лидарного определения атмосферных загрязнений.

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

• анализ особенностей методов, применяемых для определения параметров атмосферы, оценка систематических погрешности, существенно влияющих на результаты решения обратной задачи, и разработка схем обработки слабых сигналов лидарного зондирования атмосферы и алгоритмов, учитывающих особенности измерительной аппаратуры и условия зондирования;

• оценка эффективности методов лидарного зондирования атмосферы, предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы;

• 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;

• анализ случайных погрешностей определения коэффициента ослабления для симметричной и несимметричной схем обработки данных, оценка случайной погрешности определения фоновой засветки.

Научная новизна работы. К основным научным результатам работы, в которой систематизируются и обобщаются итоги исследований эффективности методов лидарного зондирования атмосферы, включая моделирование слабого эхо-сигнала, принимаемого лидаром, решение прямой и обратной задачи с введением возмущения в сигнал обратного рассеяния, относятся:

• найдено новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки;

• показано, что случайная погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы;

• показано, что случайная погрешность определения фоновой засветки для несимметричной схемы незначительно

меньше соответствующей величины для симметричной схемы Личный вклад автора.

Основные научные результаты диссертации получены автором лично и при его непосредственном участии. Автором лично проведен анализ погрешностей определения коэффициента ослабления, выполнена интерпретация результатов, вошедших в диссертационную работу, получены физические выводы и дано их обоснование.

Достоверность полученных результатов обеспечивается 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.

Практическая значимость работы определяется, в соответствии с поставленной целью, повышением достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы. Полученные результаты использованы 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.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 2003) и на международном симпозиуме стран СНГ "Атмосферная радиация" МСАР-2004. (Санкт-Петербург, 2004).

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы - 119 наименований, списка обозначений и сокращений. В ней содержится 126 страниц текста, включая 2 таблицы, 11 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, излагаются цель и задачи исследования и формулируются положения, выносимые на защиту.

В главе! на основании аналитического обзора существующих работ осуществляется постановка задачи восстановления аэрозольных характеристик по данным лидарного зондирования неоднородной атмосферы.

Интерпретация данных лидарного зондирования атмосферы основывается на обращении лидарного уравнения, записанного для коротких зондирующих импульсов и в приближении однократного рассеяния. Это уравнение связывает сигнал эластичного обратного рассеяния с оптическими характеристиками атмосферы следующим образом:

P(Ri, fj) = A (Ri) + AfP (гj) • Tfj ,

/ ^ С1)

TiJ=ex P - \<?{r)dr

I C.J

где

Т - коэффициент пропускания атмосферы,

Р- ■ - мощность сигнала обратного рассеяния, ' > J

г / - радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента,

Я; - радиус-вектор точки посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния, причем рассматривается как однопозиционное зондирование с фиксированным радиус-вектором Щ, так и многопозиционное зондирование (г - ой точке расположения приемопередатчика соответствует радиус-вектор Щ, г = 1,2,...,),

f = - Ил)"2 - геометрический фактор лидара, К - коэффициент заполнения, А - постоянная лидара, Р - коэффициент обратного рассеяния, ст - коэффициент ослабления,

г - текущий радиус-вектор точки прямой, проходящей через точки ¡, с. . - отрезок [ 11;, г^], по которому вычисляется интеграл в уравнении (1),

<1г - 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 объект.

Делается вывод о целесообразности разработки методов лидарного зондирования атмосферы, базирующихся на эффекте эластичного обратного рассеяния, и учитывающих эффект солнечного излучения, рассеянного атмосферой в направлении на приемное устройство лидара. Отмечается необходимость распространить строгое решение лидарного уравнения на случай, когда оно включает фоновую засветку.

В главе 2 разрабатываются методы интерпретации сигналов обратного рассеяния.

Для случая, когда величина фоновой засветки неизвестна, коэффициент ослабления, его производные и производные коэффициента обратного рассеяния определяются (вне ближней зоны лидара - при К= 1) на основании решения

системы уравнении:

{ Yv

(ln/?)/'+2

KR1 Jj

/=1,2.....8, (2)

где введены обозначения

Щ={ln/?)/-2

'l Л +сг

Л'

V"» /

л „ч' дыр ainр .

(ln/?b =——cos ccj+——sina,-, дх ду

'0a да .

a i =—cosa; +—sina,-, дх ду

г. л" a2lnp 2 52lnp . 2 o02lnP .

(InP)i =-COSЩ +-J- Sin dj +2 „ Sin CCi COS CCj,

дх2 ду2 ' Эхду

где Ot j - угол места.

При выполнении условия

(lnp/l 2(l + a.r,)+——

V J Г| [ 1 + СУ.Г;

(3)

(Pi - мощность эхо-сигнала, поступающего в приемное устройство от рассеивающего объема, находящегося на

расстоянии г; от лидара, С7*= const), она может быть записана следующим образом:

и, + и2 собо^ + и3 втс^ + и4 соз2а| + и5 Бт2а; + ^

+ + и^ сояо^+и8г) 5та; = О ,

где

и, = 4(ст-ст.)ст + -^-

аьр

дх

Э1пр| д21п р д 1п р | ду ) + дх2 ду2

и2 = 2-!(ст. -2ст)+ — I и3=2](а.-2ст)^ + 2 Г ' дх дх 1 ' ду ду

д 1пр до

и, =•

ч Зх ,

э 1пра21пр 521пр|

ау

дх2 ду2

аыр эыр а2ыр „/ ч аыр эыр

и<=——1-—1- + -——, и6=2(ст-0.), и7=——и8=——^

дх ду

дх ду дхду' 1 + 2СТ.Г:

' 0 + о.т,)г,

Решение системы (4), в которой х, у - координаты

зондируемого рассеивающего элемента, (X; - угол места, приводит к равенствам:

да _ дет _ Э1п Р _ Э1п Р _ д21п Р _ д21п р _ дг 1п р _

дх ду дх ду дх2 ду2 дхду ' ^

ст = ст. .

Таким образом, условие (3) можно рассматривать как уравнение, определяющее коэффициент ослабления однородной атмосферы. Найденный критерий однородности применим также для компьютерного тестирования лидарных систем.

С учетом найденного решения (3) для определения величины Р. можно получить выражение:

2 , Р: (6)

р. /}-Д

Таким образом, предложены решения лидарного уравнения с неизвестной фоновой засветкой.

В главе 3 исследуется эффективность методов

интерпретации слабых лидарных сигналов.

Для оценки влияния погрешности определения фоновой засветки на значение коэффициента ослабления однородной атмосферы вводится характеристика

5 1п<у _ Р* да 31пР* ~ а дР*

Р*

Эта величина пропорциональна параметру р =

АР

На рис.1 представлена относительная погрешность ^

<ПпР*

для Е = 0.5 км"2 как функция переменных Дг, г, ст, где Дг - шаг, для условий зондирования рис.1 (1 - г = 1,0 км, ст = 0,06 км"1; 2 -г = 1,0 км, а = 0,3 км"1; 3 - г = 2,0 км, с = 0,06 км'1).

Анализ представленных результатов показывает, что погрешность 51пст многократно превышает погрешность 81пР*-

Это делает необходимым, в общем случае, поиск строгого решения задачи, содержащего процедуры определения и исключения постоянной составляющей мощности, принимаемой лидаром.

61пст/51пР. 600 500 400 300 200 100 0

6 8 Дг

10 12

Рис.1. Зависимость величины относительной погрешности 51по/51пР. от Дг, г, а (а = 0,06 км"1)

1 - г = 1,0 км, а = 0,06 км'1;

2 - г = 1,0 км, а = 0,3 км"1;

3 - г = 2,0 км.

Величина погрешности определения фоновой засветки по формуле(б) не превышает 10% в рассматриваемых условиях.

Вместе с тем, величина погрешности коэффициента ослабления, найденного по формуле (3), оказывается значительно большей.

Случайная погрешность 8 коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных (два шага дифференцирования Дг - ближний к лидару шаг, ДЯ - дальний от лидара шаг) может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы. Для сравнения на рис.2,3

представлены результаты расчетов относительной погрешности ост для этих дв\х типов схем обработки. Расчеты выполнены для Е = 0.5 км"3, О = 0,003 км"1 для двух одинаковых шагов зондирования Дг (рис.2) и для шагов зондирования Дг = 1 км, ДЯ (рис.3). Здесь, как и выше, 1 - г = 1,0 км, с = 0,06 км"1; 2 - г = 1,0 км, а = 0,3 км'1; 3 - г = 2,0 км, с = 0,06 км"1.

5/ст

3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

< \ »-

"—♦—< 1—♦—<

1 1

3 4 ДГ

Рис.2. Зависимость величины относительной погрешности 5/<т от переменных Дг, г, ст для симметричной схемы обработки данных

1 - г = 1,0 км, а = 0,06 км'1;

2 - г = 1,0 км, о = 0,3 км"1;

3 - г = 2,0 км, а = 0,06 км'1

8/о

1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4

0,2 0

—\

N " 3 <—А—а '——< 1 А •—♦—1 [—-к.— <-♦ «—А

2 4 6 8 ДЯ

Рис.3. Зависимость величины относительной погрешности 5/ст от переменных Дг, Д11, г, ст для несимметричной схемы обработки данных (Е = 0.5 км"2)

1 - г = 1,0 км, 0 = 0,06 км"1;

2 - г = 1,0 км, а = 0,3 км'1;

3 - г = 2,0 км, а = 0,06 км"1

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы:

• показано, что 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.

• показано, что на основе нового строгого решения лидарного уравнения найдены эффективные алгоритмы обработки сигналов малой мощности;

• показано, что случайные погрешности определения искомых характеристик существенно зависят от алгоритмов, используемых для обработки измеряемых слабых сигналов.

Публикации

• Обращение лидарных сигналов малой мощности // Тезисы IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли", Санкт-Петербург, 2003 (совместно с А.Д. Егоровым, И.А. Потаповой);

• Методы лидарного определения параметров атмосферы // Тезисы международного симпозиума стран СНГ "Атмосферная радиация" МСАР-2004, Санкт-Петербург, 2004 (совместно с А.Д. Егоровым, И.А. Потаповой);

• Систематические погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности // Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2005, вып. 7(555) (совместно с А.Д. Егоровым, И.А. Потаповой).

• Погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности // Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2005, вып. 8(556) (совместно с А.Д. Егоровым, И.А. Потаповой).

Систематические и случайные погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности / Деп. в ИЦ ВНИИГМИ-МЦД, 2005 (совместно с А.Д. Егоровым, И.А. Потаповой, Ржонсницкой Ю.Б.).

РНБ Русский фонд

2007-4 10628

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Привалов, Дмитрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. Задача определения оптических параметров по данным лидарного зондирования атмосферы

1.1. Особенности методов лидарного зондирования атмосферы

1.2. Обратная задача интерпретации данных лидарного зондирования атмосферы

Выводы

2. Методы интерпретации слабых лидарных сигналов, включающих фоновую засветку

2.1. Традиционный подход к интерпретации лидарной информации

2.2. Строгое решение лидарного уравнения

2.3. Интегральное решение лидарного уравнения

2.4. Строгое решение лидарного уравнения с неизвестной фоновой засветкой

Выводы

3. Эффективность методов интерпретации лидарных сигналов

3.1. Анализ эффективности методов лидарного зондирования

3.2. Эффективность методов интерпретации слабых лидарных сигналов, включающих фоновую засветку

3.2.1. Интерпретация лидарных сигналов с известной фоновой засветкой

3.2.2. Интерпретация лидарных сигналов с неизвестной фоновой засветкой

3.2.3. Интерпретация лидарных сигналов, содержащих систематическую погрешность

Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Восстановление коэффициента ослабления лазерного излучения в атмосфере по слабым сигналам обратного рассеяния"

Вместе с тем, разработка метода лидарного зондирования атмосферы предполагает решение обширной комплексной научной проблемы, предусматривающее учет ряда особенностей приемопередающей аппаратуры 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.

Особенно сложной является обратная задача лазерного дистанционного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, зондирования, выполняемого на значительных расстояниях от лидара. Это связано с существенной ролью систематической и случайной погрешностей измерений, включая погрешности из-за фоновой засветки, сдвига нуля эхо-сигнала, неточности его коррекции на геометрический фактор и т.д.

Работа посвящена проблеме интерпретации результатов зондирования атмосферы лидарными системами и направлена на совершенствование методов лидарных измерений параметров атмосферного воздуха. Рассматривается проблема достоверности, с которой оптические характеристики атмосферы определяются по результатам измерений сигналов обратного рассеяния малой мощности.

Решение проблемы совершенствования методов дистанционного зондирования атмосферы, в настоящее время, приобретает особую актуальность. Особая трудность, с которой сталкивается разработка методов лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, обусловлена математической некорректностью обратной задачи. Это негативно сказывается на достоверности определения искомых величин и существенно усложняет 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 атмосферы приоритетным является решение проблемы получения количественной информации методами лидарного зондирования атмосферы.

Состояние вопроса. Лидарное зондирование рассеивающей среды относится к наиболее активно развиваемым направлениям физики атмосферы. Важные для решения проблемы результаты получены многими исследователями в нашей стране и за рубежом. В настоящее время имеются значительные успехи в решении обширной комплексной научной проблемы создания приемопередающей аппаратуры для определения концентраций аэрозоля и газовых компонентов, загрязняющих атмосферу. Удалось решить ряд вопросов, связанных с геометрическими особенностями приемопередающей схемы лазерных устройств; особенностями спектрального диапазона лазерного излучения; особенностями регистрирующей аппаратуры, в том числе, связанными с обеспечением требуемой ширины полосы пропускания; особенностями, связанными с чувствительностью приемной аппаратуры, длительностью и формой зондирующего импульса и др.

Решению проблемы лидарного зондирования атмосферы, учитывающему перечисленные и другие особенности, посвящены многочисленные статьи и монографии /1-6/. 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 и других направлениях /7-17/.

• 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 том числе, 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 часто оказывается недостаточной при применении этого традиционного подхода к интерпретации лидарных данных (подхода, основанного на решении неопределенной обратной задачи оптической локации). Это снижает точность определения искомых величин, а требование реалистичности предположений существенно усложняет проблему. Проблема, связанная с многопараметричностью 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, базирующееся на традиционных допущениях о состоянии среды, вводимых для решения неоднопараметрического лидарного уравнения локации /24-36/, и новое нетрадиционное направление многопозиционного зондирования, включающее разработку методов, основанных на строгом решении обращаемого уравнения /37-52/. Оно отличается геометрической схемой зондирования исследуемого объема атмосферы: не по одной, а по различным пересекающим его трассам. 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. В последнее время построены новые интегральные решения, на основе которых разработаны методы многопозиционного лидарного зондирования. Проанализирована эффективность этих методов. Показано, 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 /53/.

Вместе с тем, требуются дальнейшие усилия в области разработки методов интерпретации слабых сигналов обратного рассеяния. При обработке слабых сигналов на результаты решения обратной задачи существенно влияют систематическая и случайная погрешности определения фоновой засветки, погрешности из-за сдвига нуля эхо-сигнала, неточности его коррекции на геометрический фактор и т.д., что негативно сказывается на достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы.

Отмеченные обстоятельства не позволяют эффективно обработать имеющиеся и получаемые экспериментальные данные /54-81/. Остаются существенные трудности в решении проблемы интерпретации лидарной информации, (на достоверности результатов интерпретации данных негативно сказываются особенности обратной задачи, решаемой в процессе интерпретации: ее некорректность, неопределенность фоновой засветки). Целесообразна разработка методов обработки слабых сигналов лидарного зондирования, на основе строгого решения лидарного уравнения, включающего фоновую засветку в качестве неизвестного параметра.

Цель работы - повышение достоверности результатов

Ф интерпретации лидарной информации на основе применения алгоритмов обработки экспериментальных результатов, I базирующихся на строгом решении обратной задачи, Исследование направлено на разработку метода лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, зондирования, выполняемого на значительных расстояниях от лидара. Решение предназначено для практики лидарного определения атмосферных загрязнений.

• анализируются особенности методов, применяемых для определения параметров атмосферы, оцениваются систематические погрешности, существенно влияющие на результаты решения обратной задачи, и разрабатываются схемы обработки слабых сигналов лидарного зондирования атмосферы и алгоритмы, учитывающие особенности измерительной аппаратуры и условия зондирования; оценивается эффективность методов лидарного зондирования атмосферы, предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы; 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; учитывается наблюдательный материал позволяющий принять во внимание особенности аппаратуры и условий зондирования атмосферы при исследовании и разработке схем обработки лазерных сигналов; в целях расширения области применимости разрабатываемых схем анализируются случайные погрешности определения коэффициента ослабления для симметричной и несимметричной схем обработки данных, оценивается случайная погрешность определения фоновой засветки.

• показано, что случайные погрешности определения искомых характеристик существенно зависят от алгоритмов, используемых для обработки измеряемых слабых сигналов;

• на основе анализа погрешностей определения искомых характеристик, рассмотрения симметричных (два равных шага дифференцирования) и несимметричных схем обработки данных (два разных шага дифференцирования) показано, что случайная погрешность коэффициента ослабления для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симметричной схемы; показано, что 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; найдены интегральные решения лидарного уравнения, исключающие процедуру дифференцирования на участках неоднородной среды и предназначенные для обработки сигналов лидарного зондирования атмосферы с учетом известной фоновой засветки. 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 (два равных шага дифференцирования) и несимметричные схемы обработки лидарных данных (два разных шага дифференцирования) отличающиеся случайной погрешностью коэффициента ослабления и фоновой засветки; • дифференциальные схемы с известной фоновой засветкой, в которой она предварительно определяется по данным эксперимента путем решения лидарного уравнения, близкой к погрешности определения искомой величины по несимметричной схеме.

Достоверность полученных результатов обеспечивается 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.

Апробацияработы. Результаты исследований докладывались на IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 2003) и на международном симпозиуме стран СНГ "Атмосферная радиация" МСАР-2004. (Санкт-Петербург, 2004).

Публикации. Основные результаты, обобщенные и систематизированные в работе, отражены в научных трудах:

• Обращение лидарных сигналов малой мощности II Тезисы IV Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли", Санкт-Петербург, 2003;

• Методы лидарного определения параметров атмосферы // Тезисы международного симпозиума стран СНГ "Атмосферная радиация" МСАР-2004, Санкт-Петербург, 2004;

• Систематические погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности // Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2005, вып. 7(555).

• Погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности // Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), вып. 8(556).

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Привалов, Дмитрий Владимирович

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.

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). 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.

Таким образом, в результате выполненной работы можно сделать следующие основные выводы:

• 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, на основе анализа погрешностей определения искомых характеристик, рассмотрения симметричных (два равных шага дифференцирования) и несимметричных схем обработки данных (два разных шага дифференцирования) показано, что случайная погрешность определения фоновой засветки для несимметричной схемы незначительно меньше соответствующей величины для симметричной схемы; показано, что 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. показано, что на основе нового строгого решения лидарного уравнения найдены эффективные алгоритмы обработки сигналов малой мощности; показано, что случайные погрешности определения искомых характеристик существенно зависят от алгоритмов, используемых для обработки измеряемых слабых сигналов;

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Привалов, Дмитрий Владимирович, Санкт-Петербург

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

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

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

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

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

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

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 Н., Wiegner М. Parameterized multiple- scatter lidar equation and its application // 15th ILRC (Abstract, P.I. ). Tomsk. 1990,- pp.345-348.

10. Польский Ю.Е. Лидарные комплексы: современное состояние и перспективы II 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 II 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 II J.Air Poll.Control Assoc. 1971. - v.21. - p.496-501.

16. Брюханова В.В., Самохвалов И.В., Тихомиров А.А. Определение характеристик атмосферного аэрозоля с помощью лидара многократного рассеяния // Сборник докладов Всероссийской научной конференции1.l

17. Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами". Муром. -2001. - с.420-425.

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

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

20. 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.

21. 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.1. -p.121-129.

22. 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.

23. 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.

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

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

26. 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.

27. 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.

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

29. Kaestner M. Lidar inversion with variable backscatter / extinction rations: comment // Appl. Opt. 1986. - v.25. -pp.833-835.

30. 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.

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

32. Balin Yu.S. Kavkyanov S.I., Rasencov I.A. Lidar Studies of Aerosol Fields over Industrial Areas II 15 International Laser Radar Conference (P. II.), Tomsk, - 1990, - pp.92-94.

33. Belan B.D., Panchenko M.V., Protasov N.I., Terpugova S.A., and Tolmachev G.N. Vertical Structure of Optical and Microphysical Characteristics of Dust Aerosol // 15 International Laser Radar Conference (P. II.), Tomsk, - 1990, -pp.95-96.

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

35. Guasta M.D., Balestri S., Castagnoli F. Stefanutti L. Barbaro A. Integration of backscattering-LIDAR and ground-based meteorological and pollution data in Florence (Italy) // SPIE. 1997. - v.3104. - pp.73-75.

36. 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.

37. Бурлов Г.М. Способ определения показателя обратного рассеяния атмосферы. А.с. №363061 (СССР) // Бюлл. Изобр., 1973. - №3.

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

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

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

41. 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.

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

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

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

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

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

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

48. 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.

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

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

51. Егоров А.Д., Потапова И.А., Лидарные исследования прозрачности атмосферы // Труды НИЦ ДЗА (филиала ГГО). -2004. Вып.5 (553). - с.131-142.

52. Егоров А.Д., Ионин В.А. Сравнительный анализ оптико-микроструктурных характеристик аэрозольных частиц // В кн.: XI Всесоюзное совещание по актинометрии (Тезисы докладов, 4.V). Таллин. 1980. - с.66-69.

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

54. Егоров А.Д., Ионин В.А., Матросов С.Ю. Сравнительный анализ аэрозольной микроструктуры // В кн.:

55. Комплексный советско-американский эксперимент по исследованию фонового аэрозоля. П.: Гидрометеоиздат. 1986. - с.50-53.

56. 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.102-124.

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

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

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

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

61. Ивлев А.С. Моделирование оптических свойстватмосферных аэрозолей // Сборник трудов II международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли". -Санкт-Петербург. 1999. - с.103-110.

62. Ивлев J1.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем // Санкт-Петербург. 2000г. - 259с.

63. 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.

64. 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.

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

66. Borovoi A., Grishin I., Dyomin V., Oppel U. Optical Measurements of a Nonsphericity Parameter for Large Particles // NQrnberg: PARTEC 2001. International Congress for Particle Technology 2001. - 14/02 № 068 - pp. 1-6.

67. 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.

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

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

70. 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.

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

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

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

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

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

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

77. Klett J.D. Stable analytical inversion solution for processing lidar returns // Appl.Opt. 1981. - vol.20. - № 2. -pp.211-220.

78. Ferguson J.A. and Stephens D.H. Algorithm for inverting lidar returns //Appl. Opt. 1983.- v.22. - pp.36733675.

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

80. 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.

81. Klett J.D. Lidar inversion with variable backscatter / extinction rations //Appl. Opt. 1986.- v.24. - pp.1638-1643.

82. Sasano Y. and Browell E.V. Light scattering characteristics of various aerosol types derived from multiple wavelength lidar observation IIAppl. Opt.- 1989. v.28 -pp.1670-1679.

83. Pal A.G., Cunningham A.G. and Carswell A.I. Lidar studies of the tropospheric extinction coefficient II 15 International Laser Radar Conference (P. I.), Tomsk, - 1990, -pp.152-153.

84. 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.

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

86. Kunz G.J. and Leeuw G. Inversion of lidar signals with the slope method //Appl. Opt. 1993.- v.32. - pp.32493256.

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

88. 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.

89. 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.

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

91. Strawbridge K.B. Optical Properties of Aerosols Obtained from Airborne Lidar and Several In-Site Instruments During RACE // SPIE. 1997. - v.3104. - pp.204-211.

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

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

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

95. 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.

96. 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

97. Yegorov A.D. Airborne lidar studies of air aerosol pollution // Proc.of the Second International Airborne Remote Sensing Conference. 1996. - v.1. - pp.377- 381

98. 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.

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

100. Yegorov A.D., Shchukin G.G.Effectiveness of multiposition schemes of lidar sounding of atmosphere // Figth International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics,

101. Vladimir E.Zuev, Gennadii G.Matvienko, Editors, Proceedings of SPIE. 1998 - v.3583. - p.478-482.

102. 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.

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

104. Ansmann A., Riebesell M., Wandinger U., Weitkamp C., Michaelis W. Raman lidar measurement of atmospheric aerosol extinction profiles // 15 International Laser Radar Conference (P. I.), Tomsk, - 1990, - pp.177-179.

105. Ansmann A., Riebesell M., Wandinger U., Weitkamp C., Voss E., Lahmann and Michaelis W. Combined Raman Elastic-Backscatter Lidar for Vertical Profiling of Moisture, Aerosol Extinction, Backscatter, and Lidar Ratio //Appl. Phys. 1992.- v.54. pp.1-11.

106. 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.

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

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

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

110. Иоффе М.М., Приходько М.Г. Справочник авиационного метеоролога // М.: Воениздат. 1977. - 304 с.

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

112. Егоров А.Д., Потапова И.А. Анализ погрешностей обращения лидарных сигналов малой мощности //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2004, вып.6(554), с. 62 66.

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

Информация о работе

Привалов, Дмитрий Владимирович
кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург, 2005
ВАК 25.00.29

Диссертация

Восстановление коэффициента ослабления лазерного излучения в атмосфере по слабым сигналам обратного рассеяния - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы