Развитие спектроскопических методов лидарных измерений метеопараметров атмосферы и характеристик растительности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Харченко Ольга Викторовна

РАЗВИТИЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ И ХАРАКТЕРИСТИК РАСТИТЕЛЬНОСТИ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-2014

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Матвиенко Геннадий Григорьевич

Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск

Официальные оппоненты: Дмитриев Александр Капитонович

доктор физико-математических наук, профессор, декан физико-технического факультета,

Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Чайковский Анатолий Павлович

кандидат физико-математических наук,

заведующий лабораторией,

Институт физики HAH Беларуси, г. Минск

Ведущая организация: Институт автоматики и процессов управления

ДВО РАН, г. Владивосток

Защита состоится 26 декабря 2014 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 003.029.01 в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.

Автореферат разослан «_» ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Веретенников В.В.

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА I 2015 _

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Применение лазерных дистанционных (лидарных) спектроскопических методов зондиронания для решения актуальной проблемы контроля состояния окружающей среды дает ряд несомненных преимуществ в оперативном получении бесконтактным способом необходимых данных как для изучения газового состава и метеорологических параметров атмосферы, так и для исследования характеристик растительности.

Развитие лазерных дистанционных методов измерения профилей основных метеорологических элементов (температура, влажность, давление, скорость и направление ветра) без использования метеорологических шаров-зондов в настоящее время представляется актуальным и имеет практическую значимость. Лидарпое зондирование атмосферы предлагает несколько методов дистанционного зондирования профилей метеорологических параметров, в основс которых лежит взаимодействие лазерного излучения с атмосферой [1]. Причем из всех лидарных методов измерения профилей метеорологических параметров (таких как температура и влажность) можно выделить метод дифференциального поглощения (МДГ1), имеющий наибольшую чувствительность по сравнению с другими методами [1]. В метеорологических лидарах может быть реализован как двухчастотпый, так и трехчастотный МДП для зондирования метеопараметров.

Дистанционные методы исследования растительности припято разделять на пассивные и активные, в зависимости от использования при диагностике либо солнечного света, либо дополнител'ьных источников излучения. К преимуществам пассивных методов можно отнести сравнительную простоту аппаратурной реализации и невысокую стоимость, а также возможность проведения измерений с самолета или спутника. Однако подобные результаты, получаемые из спектрального анализа альбедо земной поверхности, могут быть использованы только для грубых оценок и. как правило, требуют калибровки на специально подобранных полигонах. Например, и случае мониторинга фитопланктона пассивные методы позволяют получить пространственное распределение хлорофилла, но не способны дать информацию об эффективности фотосинтеза и групповом составе фитопланктона [2]. Большей точностью обладает метод, основанный на измерении флуоресценции, возбуждаемой солнечным светом и регистрируемой на длинах волн фрауигоферо-вых линий в области 680 - 690 им. Однако техника, используемая для реализации этого метода, сложна из-за малой ширины линий (сотые доли нанометра) [3].

Активные лазерные методы, основанные на возбуждении и регистрации флуоресцентного отклика среды, лишены этих недостатков. К преимуществам методов относятся: оперативность получения информации, выполнение дистанционных бесконтактных (т.е. перазрушающих) измерений, а также возможность проведения мониторинга растительности на обширных территориях.

Создание мощных лазеров, работающих в ближнем ультрафиолетовом и видимом диапазонах, позволило распространить метод флуоресцентного анализа па область дистанционного зондирования 14]. Для исследования растений используют как спектральную зависимость индуцированной лазером флуоресценции (ИЛФ), так и временную, т.е. проводят исследование кинетики затухания флуоресцентного отклика.

В настоящее премя создаются глобальная информационная система мировых лесных ресурсов и межнациональная сеть стандартизированных банков и методов идентификации данных дистанционного зондирования лесов [5]. В ряде стран ведется сбор флуоресцентных спектров различных пород и разрабатываются алгоритмы их интерпретации. Лидариые измерения флуоресценции древесных растений в естественных условиях выполнялись авторами [6]. В условиях Сибири подобные исследования до сих пор не проводились.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является исследование возможностей повышения эффективности лидарпых измерений профилей метеорологических параметров атмосферы и характеристик растительности с использованием спектроскопических методов в различных схемах зондирования, диапазонах спектра, атмосферных и экологических ситуациях на основе численных методов моделирования и экспериментальных исследований.

В соответствии с этим ставились следующие задачи:

1. Разработать методику планирования и проведения лидарных измерений вертикальных профилей температуры и влажности методом дифференциального поглощения в нижней тропосфере;

2. На основе разработанной методики осуществить выбор длин волн, информативных для проведения лидарных измерений профилей температуры и влажности и видимой и ближней ИК-областях спектра;

3. На основе результатов численного моделирования оценить точностные характеристики восстановления высотных профилей влажности и температуры атмосферы по данным лидарного зондирования п ближней и средней ИК-области спектра;

4. Исследовать возможности применения метода ИЛФ для проведения видовой идентификации типичных представителей древесной растительности Западной Сибири (березы, осины, сосны и кедра) в естественных условиях их произрастания;

5. Провести исследование влияния неблагоприятных факторов внешней среды на флуоресцентные характеристики древесных растений;

6. Оценить возможности применения метода ИЛФ для бесконтактного определения концентрации флуоресцирующих пигментов в хвое и листьях древесных растений, а именно: для определения содержания хлорофилла.

Защищаемые положения

1. Разработанная методика обеспечивает оптимальное (с оценкой диапазона высот и погрешностей восстановлспия) планирование проведения лидарных измерений вертикальных профилей основных метеорологических параметров атмосферы при использовании метода дифференциального поглощения для разных источников излучения в видимой, ближней и средней ИК-областях спектра.

2. Проведенное численное моделирование показало, что лидар на основе обер-топного СО-лазера с пиковой мощностью 20 кВт при диаметре приемной оптики 0,3 м обеспечивает измерения вертикальных профилей влажности атмосферы с ошибками менее 10% и пространственным разрешением 0,5 км в диапазоне высот 0-5 км летом и 0-3 км зимой. Показано, что случайные ошибки восстановления температуры составляют менее 1 К в диапазоне высот 0-2,5 км летом и 0-2 км зимой.

3. Установлены количественные соотношения между индуцированной лазером красной флуоресценцией наносекундного диапазона и содержанием хлорофилла в хвое и листьях наиболее распространенных древесных растений Западной Сибири (березы, осины, кедра), полученные на основе серии комплексных измерений, проведенных двумя независимыми методами - флуоресцентным и спектрофо-тометрическим.

Достоверность научных результатов

Достоверность результатов и выводов подтверждается:

- корректным учетом возможных методических и экспериментальных ошибок;

- использованием в качестве приемников оптических сертифицированных датчиков, а в качестве компонент регистрирующего оборудования - метрологически поверенных приборов;

- статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и соответствием результатам других исследователей;

-совпадением результатов, полученных в настоящей работе, с результатами других работ для частных случаев совпадения условий экспериментов;

- применением в расчетах оптико-метеорологических моделей атмосферы, обоснованных и подтвержденных экспериментальными исследованиями в реальной атмосфере;

-согласием результатов численного моделирования с экспериментальными данными и результатами соответствующих теоретических исследований других авторов.

Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые разработана методика планирования и проведения лидарных измерений профилей температуры и влажности методом дифференциального поглощения;

-впервые на основе анализа погрешностей восстановления профилей температуры и влажности, обусловленных как систематическими ошибками лидарного метода дифференциального поглощения, так и случайными ошибками при регистрации лидарных сигналов, проведена оценка точностных характеристик лидара, функционирующего в безопасной для глаз области спектра;

-предложено и обосновано применение для лидарных измерений метеорологических параметров атмосферы линий излучения обертонного СО-лазера;

- впервые показано: флуоресцентные характеристики древесных растений имеют видовую зависимость в течение всего вегетационного периода, что позволяет проводить качественный анализ растительности методом индуцированной лазером флуоресценции;

-впервые установлены количественные соотношения между интенсивностью ИЛФ и содержанием хлорофилла в хвое и листьях типичных представителей древесной растительности Западной Сибири - березы, осины и кедра.

Научная и практическая значимость

Приведенные в диссертации результаты позволяют повысить информативность лазерного зондирования атмосферы и дают основания для поиска оптималь-

ных условий лидарных измерений профилей влажности и температуры в реальной атмосфере. Они могут быть использованы для анализа потенциальных возможностей при проектировании новых лидарных систем дифференциального поглощения.

Полученные в диссертационной работе результаты использованы в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН при создании метеорологического лида-ра «МЕЛ-01», хоздоговорных работ и применяются при разработке новых типов лидарных систем на базе стационарных крупногабаритных телескопов.

Материалы, представленные в диссертации, использовались при выполнении государственных контрактов и соглашений в рамках ФЦП №02.518.11.7088; 02.518.11.7153; 16.518.11.7067; 14.518.11.7063; 02.740.11.0674; 14.740.11.0204; 11.519.11.6033; 11.519.11.5009; 14.604.21.0100; 8325. Работа поддерживалась грантом Президента РФ по поддержке ведущих научных школ НШ-4714.2014.5, фантами РФФИ № 99-04-49085, 07-05-00765, 08-05-00558, 09-05-08282, 09-05-99035-р-офи, i 0-05-08149, 11-05-08107, 13-05-98074-р_сибирь_а, грантом Российского научного фонда № 14-27-00022 «Лазерное зондирование аэрозольного, газового, метеорологического состава атмосферы от приземного слоя до мезосферы (методы, аппаратура, исследования)».

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на XI Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск 1993); па I-XX межреспубликанских и международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1994, 1995, 1997, 1998, 1999, 2000, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2009, 2011, Иркутск, 2001, 2012, Красноярск, 2008, Барнаул, 2013, Новосибирск, 2014), VII, IX Russian-Chines Symposium on Laser Physics and Laser Technologies (Tomsk, 2004, 2006), 17'h, I8'h, 19th International symposium "Ecology&safely" (Bulgaria, 2008, 2009, 2010), XIX и XXV International Laser Radar Conference (USA, 1998 и Russia, 2010), Международной конференции Enviromis (Томск, 2000, 2002, 2004), 17Ul Internationa] conference on Advanced Laser Technologies (Antalya, 2009), Международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2008, 2010, 2011), Международной конференции «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (Томск, 2009), на XIV-XX Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011,2012, 2013).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 125 наименований. Общий объем диссертации составляет 117 страниц, включая 40 рисунков и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность решаемой задачи и состояние проблемы на настоящий момент времени, определены цели диссертационной работы, приведены защищаемые положения, представлена структура диссертации.

В первой главе дано краткое описание используемых для лидарпого зондирования методов и спектроскопических эффектов взаимодействия, приведены физические основы и математический формализм метода дифференциального поглощения и метода индуцированной лазером флуоресценции. Показаны основные

б

области применения спектроскопических методов лидарного зондирования параметров молекулярной атмосферы и растительности.

Во второй главе приведено описание разработанной методики планирования и проведения лидарных измерений по восстановлению вертикальных профилей температуры и влажности методом дифференциального поглощения в нижней тропосфере. Методика создана на основе критериев отбора линий поглощения, проведения численного моделирования лидарного зондирования с использованием предложенных линий и расчета ошибок восстановления профилей. Методику можно разделить на три составляющие - поисковую (светлый блок), расчетную (серые блоки), а также блок обработки лидарных сигналов. Входными данными являются исследуемый метеорологический параметр (температура, влажность или давление), пространственное разрешение лидарных измерений, тип трассы зондирования (горизонтальная, вертикальная или наклонная), ширина линии лазерного излучения и другие параметры при необходимости решения конкретной задачи. Общая схема методики приведена на рис. 1.

Поиск длин волн лазерного излучения метеорологического лидара по критериям:

I. Оптимальная энергия нижнего уровня состояния поглощающего перехода 2. Отсутствие мешающего поглощения 3. Наличие пригодного для зондирования окна прозрачности

ж я вг I и '

Моделирование лидарного зондирования профилей влажности и температуры

Расчет коэффициентов поглощения и спектров пропускания атмосферы

Лидарные сигналы

Расчет случайных ошибок восстановления профилей метеопараметров

Расчет систематических ошибок восстановления профилей метеопараметров

Требования к параметрам метеорологического лидара

Алгоритмы восстановления

профилей метеопараметров

^ Профили влажности

,| »температуры р$ атмосферы

Рис. I. Схема методики планирования и проведения лидарных измерений

Методика была применена для поиска информативных длин волн зондирования метсопараметров атмосферы в видимой, ближней и средней ИК-областях спектра. Рассматривались возможности использования в качестве источников лазерного излучения в метеолидаре лазера на сапфире с титаном (диапазоны генерации в области 0,72; 0,76 и 0,94 мкм), обертонного СО-лазера с генерацией в области спектра 2,5^1,2 мкм и стронциевого лазера (область генерации 1-6 мкм).

Длина волны излучения лазерного передатчика лидара на основе лазера на сапфире с титаном перекрывается с известными полосами поглощения водяного пара 0,72 и 0,94 мкм и кислорода 0,76 мкм. Был проведен выбор линий поглощения водяного пара и кислорода, пригодных для лидарных измерений профилей влажности и температуры в нижней тропосфере.

Оптимальными для измерения профилей влажности в нижней тропосфере являются линии поглощения водяного пара с энергиями нижнего состояния Е" ~ 200225 см"' и интенсивностями 0,1-0,7 см/г в зависимости от разных климатических зон. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяет линия Н20 с X = 940,008 нм. При измерении температуры по двухчастотной методике требуется достаточно сильная линия поглощения кислорода с высоким значением энергии нижнего состояния. Этим требованиям соответствуют линия 02 с X = 768,380 нм (Е" = 1085 см-1) или линия 02 с >.=768,276 нм (£" = 1083 см"1). Пары линий Н20 с X, = 725,795 нм и Х2 = 725,738 нм (£" = 95 см"1 и £" = 610 см"1 соответственно) или X, = 940,008 и Х2 = 940,262 нм (£" = 142 см"1 и Е" = 553 см"1) подходят для реализации трехчас-тотной методики, так как в этом случае требуются пары линий поглощения с наибольшей разницей значений энергий нижнего состояния.

Таким образом, с помощью разработанной методики определены длины волн, информативные для лидарных измерений метеорологических параметров атмосферы в диапазоне генерации лазера на сапфире с титаном (видимая и ближняя ИК-области спектра). Выбранные длины волн были использованы при проектировании метеолидара МЕЛ-01.

Результаты выбора линий поглощения водяного пара, пригодных для лидарных измерений профилей влажности и температуры в нижней тропосфере с использованием линий излучения обертонного СО-лазера, приведены в табл. 1, где указаны параметры линий поглощения и способы организации линий излучения рассматриваемого источника.

Таблица 1

Спектральные параметры линий поглощении водяного пара и способ организации линии излучения обертонного СО-лазера для измерения профилей метеорологических параметров атмосферы

№ Упогл, см"1 (вакуум) Унш, СМ ' (вакуум) Лазерная линия Ду, см"1 5„. см/молек. У, см 1 Е", см"1

1 3017,1053 3017,1651 Р( 5) 0,060 2,01 бе"" 0,080 2392,59

2 3013,9152 3013,8905 т 0,024 \,077с~2А 0,097 210,80

3 3006.9748 3006,9104 т 0,064 2,731е"25 0,093 1813,79

4 - 2999,7824 />(10) - - - -

Спектры поглощения атмосферы в области выбранных длин волн зондирования в диапазоне генерации обертонного СО-лазера представлены на рис. 2. Из табл. 1 и рис. 2 видно, что выбранные линии поглощения водяного пара с хорошей точностью (Ду<0,1 см"1) совпадают с дискретными линиями генерации лазера на окиси углерода.

Коэффициент поглощения, см 1

Волновое число, см '

Рис. 2. Спектры поглощения атмосферы в области выбранных длин волн зондирования в диапазоне генерации обертонного СО-лазера

Для лидарных измерений профилей влажности может быть использована линия Р{6) с энергией нижнего состояния £" = 210 см ', которая позволяет минимизировать влияние вариаций температуры на ошибки расчета коэффициента поглощения. В качестве референтной частоты может быть использована линия излучения обертонного СО-лазера Р(Ю).

Для реализации трехчастотной методики измерения профилей температуры перспективным является использование пар линий поглощения Р(5) и Р(6) или Р(6) и Р(8) с большой разностью энергий нижнего состояния Д£".

Разработанная методика также была использована для исследования возможностей применения лазера на парах Sr в качестве источника излучения в лидаре, работающем по МДП. Анализ результатов поиска информативных длин волн зондирования показал, что часть линий излучения стронциевого лазера весьма сложно использовать при трассовом газоанализе атмосферы из-за сильного мешающего поглощения излучения водяным паром. Но наряду с линиями, которые полностью поглощаются на трассе длиной I км, в спектре Sr-лазера имеются линии, которые попадают в «микроокна» прозрачности атмосферы и могут быть использованы при дистанционном зондировании по МДП. Определены длины волн, информативные для лидарных измерений влажности атмосферы.

Таким образом, в результате поиска с помощью разработанной методики определены информативные длины волн для лидарных измерений метеорологических параметров атмосферы в диапазоне генерации лазера на сапфире с титаном (видимая и ближняя ИК-области спектра), обертонного СО-лазера и стронциевого лазера (средняя ИК-область спектра).

Приведено описание созданного метеорологического лидара МЕЛ-01, предназначенного для дистанционного измерения практически всех основных метеопараметров атмосферы, а именно: температуры, влажности, скорости и направления ветра. Приведены алгоритм расчетов этих атмосферных характеристик и результаты измерений.

В третьей главе представлены результаты численного моделирования и оценены потенциальные возможности лидарных измерений метсопараметров атмосферы по методу дифференциального поглощения.

9

Проведено численное моделирование зондирования атмосферы с помощью лидара МЕЛ-01. Для оценки возможностей лидара рассчитаны случайные ошибки восстановления профилей температуры и влажности с использованием предложенных длин волн зондирования. Расчеты проводились для условий ночной атмосферы и чистого неба. Пространственное разрешение бралось равным 200 м, время измерения - 5 мин. Профили коэффициентов поглощения рассчитывались для фойг-товского контура с учетом поглощения крыльями соседних линий для трех атмосферных моделей: тропики, лето средних широт и зима арктических широт.. Результаты расчетов представлены в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Ошибки восстановления температуры 5(7), К

\= 0,72 мкм_X = 0,76 мкм_X - 0,94 мкм

h, км Тропики Лето ср. широт Зима аркт. широт Тропики Лето ср. широт Зима аркт. широт Тропики Лето ср. широт Зима аркт. широт

0,2 0,05 0,06 0,55 0,13 0,11 0,09 0,11 0,07 0,17

0,4 0,12 0,15 1,05 0,13 0,11 0,09 0,74 0,32 0,34

0,6 0,23 0,27 1,66 0,20 0,17 0,15 4,23 1,29 0,55

0,8 0,42 0,45 2,36 0,28 0,24 0,20 9,98 4,61 1,09

1,0 0,68 0,71 3,10 0,40 0,33 0,30 > 10 > 10 1,46

1,2 1,02 1,09 3,97 0,55 0,45 0,42 -"- -"- 1,89

Таблица 3

Ошибки восстановления влажиости, %

X = 725,79 нм X = 727,93 мкм X = 940,26 мкм

h, км Тропики Лето ср. широт Зима аркт. широт Тропики Лето ср. широт Зима аркт. широт Тропики Лето ср. широт Зима аркт. широт

0,2 0,19 0,25 2,06 0,15 0,15 0,80 0,26 0,20 0,94

0,4 0,49 0,57 4,00 0,59 0,46 1,59 1,29 0,77 1,93

0,6 0,97 1,09 6,31 1,83 1,22 2,54 5,13 2,38 3,07

0,8 1,77 1,88 8,99 5,10 2,86 3,69 17,90 6,50 4,46

1,2 3,00 3,03 11,85 12,73 6,09 4,97 55,11 15,85 5,98

1,4 4,65 4,50 15,24 28,46 11,77 6,51 > 100 34,73 7,91

1,6 6,97 6,48 18,96 60,91 21,74 8,34 -"- 72,24 10,15

1.8 10,34 9,25 23,40 > 100 39,12 10,56 > 100 12,95

Численное моделирование лидарных измерений профилей температуры по МДП на выбранных длинах волн выявило преимущество использования двухчас-тотпой методики в области спектра 0,76 мкм, где случайные ошибки практически не выходят за пределы 0,5 К для всех климатических зон. В летних условиях средних широт и в тропиках трехчастотный метод с использованием линий поглощения из полосы 0,72 мкм конкурентоспособен с двухчастотным методом зондирования раздельно температуры и влажности. В условиях арктических широт трехчастотный метод реализуется только при использовании полосы поглощения 0,94 мкм.

При измерении профилей водяного пара достоверность метода максимальна н зимнее время при использовании полосы поглощения 0,94 мкм, а в условиях тро-

пиков и лета средних широт при использовании полосы 0,72 мкм (ошибки восстановления влажности не превышают 10% до высот 2 км).

Таким образом, разработанная методика планирования и проведения лидар-ных измерений успешно применена при проектировании и создании метеолидара, работающего в ближней ИК-области спектра.

Проанализированы возможности определения высотных профилей метеорологических параметров атмосферы с помощью лидарной системы дифференциального поглощения, функционирующей в безопасной для глаз области спектра 2 мкм. Результаты этого поиска приведены в таблице 4.

Таблица 4

Спектральные параметры лииий поглощения водяного пара |7)

№ X, мкм | So, см/г 1 То, см"1 | В', см"1

1 2,0939 0,144 0,092 79,496

2 2,0926 0,023 0,088 542,906

3 2,0900 0,060 0,091 142,278

4 2,0886 0,023 0,042 1446,129

Наиболее перспективным является использование пары линий поглощения 1 и 2 в качестве основных при измерении температуры, несмотря на небольшое значение разности энергий нижнего состояния поглощающих переходов £" = 463 см". Зондирование с помощью линий с большей разностью энергий нижнего состояния оказывается малоэффективным из-за слабого коэффициента поглощения на переходах с высокими значениями £", что приводит к резкому снижению чувствительности лидарных измерений (пара линий 3 и 4).

Для оценки точностных характеристик лидара рассматривались погрешности восстановления профилей температуры и влажности, обусловленные как систематическими ошибками лидарного метода дифференциального поглощения, так и случайными ошибками при регистрации лидарных сигналов.

Было проанализировано влияние ширины линии лазерного излучения на значение коэффициента поглощения, используемого для восстановления профилей температуры в безопасной для глаз области спектра 2 мкм.

Расчеты систематических ошибок определения профилей температуры по МДП были проведены для высот до 3 км и трех значений ширины линии лазерного излучения Дус = 0,01; 0,03 и 0,05 см"1. Абсолютная ошибка восстановления профилей температуры, полученных при различных Ave, приведена в табл. 5.

Таблица 5

Абсолютная ошибка восстановлении профилей температуры, полученных при различных значениях ширины линии лазерного излучения Ау,

Н, км Дус = 0,01 см"1 | ДУС = 0,03 см"1 I Дус = 0,05 см"1

0 0,025 0,225 0,601

0,5 0,027 0,244 0,649

1,0 0,030 0,263 0,697

1,5 0,032 0,283 0,745

2,0 0,034 0,302 0,793

2,5 0,037 0,321 0.841

3,0 0,039 0,340 0,891

Из представленных в таблице результатов видно, что ошибка находится в пределах 0,04; 0,34 и 0,89 К при Дус = 0,01; 0,03 и 0,05 см-1 соответственно, т.е. не выходит за пределы 1 К при Дус < 0,05 см"1 в приземном слое атмосферы (диапазон высот 0-3 км).

Результаты расчетов случайных ошибок восстановления профилей влажности приведены на рис. 3 для атмосферных моделей лета (а) и зимы (б) средних широт. Видно, что для летней модели ошибки практически не выходят за пределы 1% для всего диапазона высот 0-3 км, а для зимней - до высоты 1,5 км.

Я, км

Рис. 3. Случайные ошибки восстановления профилей влажности //, км

3 -

о .

_I _I __I -1-

260 270 280 290 Г, К

Рис. 4. Модельный (сплошные линии) и восстановленный (линии с точками) профили температуры для зимы (о) и лета (б) средних широт

На рис. 4 приведены модельный и восстановленный профили температуры для зимы (а) и лета (б) средних широт. Проведенное численное моделирование, как следует из рисунка, показало, что вертикальные профили температуры можно восстанавливать с ошибками менее 1 К до высоты 2 км. В зимнее время подобная точность реализуется на меньших высотах.

Таким образом, результаты численного моделирования определения высотных профилей метеорологических параметров атмосферы с помощью лидарной системы дифференциального поглощения, функционирующей в безопасной для глаз области спектра 2 мкм, показали, что ошибки восстановления профилей температуры и влажности имеют приемлемые значения во всем диапазоне высот 0-2 км.

Проведена оценка возможностей лидарных измерений профилей влажности атмосферы с помощью 8г-лазера. Установлено, что сильные линии поглощения водяного пара с центрами 2,69 и 2,92 мкм перспективны для измерения концентраций влажности на атмосферных трассах различной протяженности. Их использование дает возможность определять фоновые концентрации водяного пара на трассах длиной до 100 м. Применение линии излучения стронциевого лазера с центром 3,011 мкм возможно на трассах длиной до 3 км. Проведены тестовые эксперименты по измерению влажности с помощью созданного лидара в натурных атмосферных условиях.

Приведены результаты численного моделирования лидарных измерений метеорологических параметров атмосферы с помощью обертонного СО-лазера (бралась пиковая мощность лазера, равная 20 кВт).

Расчеты проводились для условий ночной атмосферы и чистого неба при пространственном разрешении 500 м. Диаметр приемной оптики при расчетах составлял 0,3 м, эквивалентная мощность шума фотоприемника ЫЕР = 10~9. Профили коэффициентов поглощения рассчитывались для фойгтовского контура с учетом поглощения крыльями соседних линий для атмосферных моделей лето зима средних широт. Коэффициенты молекулярного и аэрозольного рассеяния и аэрозольного поглощения взяты из модели [8].

На рис. 5 и 6 представлены рассчитанные для вертикальных трасс для летней и зимней атмосферной модели, соответственно, пространственно- и спектралыю-разрешенные лидарные эхосигналы в области выбранных длин волн зондирования.

Рис. 5. Пространственно и спектрально разрешенные лидарные эхосигналы в области выбранных длин волн зондирования для летней модели

Из рис. 5 и 6 видно, что во всем рассматриваемом диапазоне высот 0-6 км уровень лидарных эхосигнапов для всех исследуемых газов превышает уровень эквивалентной мощности шума фотоприемника ЫЕР = 10"9 Вт.

13

»90 2М5 3000 3009 ЗОЮ 3015 3020 3025

V, см '

Рис. 6. Пространственно и спектрально разрешенные лидарные эхосигнапы в области выбранных длин волн зондирования для зимней модели

Результаты расчетов случайных ошибок восстановления профилей влажности и температуры приведены на рис. 7.

Др/р, % ДГ, К

а б

Рис. 7. Случайные ошибки восстановления профилей влажности (а) и температуры (б)

Проведенное численное моделирование показало, что лидар на основе обер-тонного СО-лазера с пиковой мощностью 20 ■ 103 Вт обеспечивает дистанционное зондирование вертикальных профилей влажности атмосферы с пространственным разрешением 0,5 км при диаметре приемной оптики 0,3 м и эквивалентной мощности шума фотоприемника ЫЕР = 10"9 Вт в диапазоне высот 0-5 км летом и 0-3 км зимой. Случайные ошибки восстановления температуры составляют менее 1 К в диапазоне высот 0-2,5 км летом и 0-2 км зимой.

В четвертой главе приведены результаты измерений индуцированной Ыс1:УАО-лазером флуоресценции древесных растений Западной Сибири, выполненных в естественных условиях их произрастания. Представлена структурная схема лидара, созданного в Институте оптики атмосферы в 1996 г., описана методика лидарных измерений. Основные параметры лидара представлены в табл. 7.

Представлены результаты изучения зависимости лидарных эхосигналов от мощности лазерного излучения. Установлено, что увеличение интенсивности излучения лазера вызывает насыщение флуоресценции, что иллюстрируется рис. 8. По-

казано, что применение импульсного (длительностью 10—15 не) зондирующего излучения интенсивностью 1-3 кВт/см1 обеспечивает анализ так называемой быстрой флуоресценции наносекундного диапазона и одновременно дает возможность не выходить за рамки линейного взаимодействия оптического излучения с растительными структурами. Полученная зависимость является методической основой ли-дарных измерений флуоресценции растений.

Мощность лидариого сигнала, Вт

■ /

10

0 2 4 6 К Интенсивность лазерного излучения, кВт/см'1

Рис. 8. Зависимость лидариого эхосигнала от интенсивности излучения лазера

Таблица 7

Характеристики флуоресцентного лидара

Энергия импульсов лазера, мДж 10-20

Длительность импульсов излучения, не 10-15

Расходимость пучка излучения, мрад 6

Диаметр приемных телескопов, см 15

Угол поля визирования, мрад 9

Полуширина полосы пропускания фильтра в области 685 нм, нм 50

Разрядность АЦП, бит 8

Частота дискретизации, МГц 20

Для расширения возможностей лидара была проведена его модернизация, позволившая получать более полные спектры флуоресценции хлорофилла, - регистрировать сигналы ИЛФ не только в области 685 нм, но и в районе второго максимума - 740 нм. На рис. 9 приведена функциональная схема модифицированного лидара с использованием трех длин волн зондирования.

Результаты годичного цикла измерений интенсивности флуоресценции показаны на рис. 10. Измерения проводились с периодичностью 2 раза в неделю в вечернее и ночное время. Установлено: флуоресцентные характеристики растений имеют видовую зависимость в течение всего вегетационного периода, что позволяет использовать сигналы флуоресценции для видовой идентификации растений.

Проведена серия экспериментов по изучению процессов увядания хвои и листьев древесных растений в связи с неблагоприятными факторами внешней среды. Для минимизации ошибок, обусловленных неоднородностью распределения флуоресцирующих пигментов по кроне, в эксперименте использовались ветки из сред-

15

ней части кроны, срезаемые с одних и тех же предварительно отобранных деревьев. Объекты исследования: осина, береза, сосна и кедр.

Временной ход флуоресцентных характеристик для кедра, сосны, березы и осины представлен на рис. 11. Нулевая отметка соответствует началу измерений. Вертикальные линии показывают моменты замены образцов.

Блок питания лазера

Система синхронизации

532 нм Л ЛазеР I

г-н-п

Приемный

телескоп

Дифракционная

решетка

Объектив

685 нм

ФЭУ 1

740 нм 532 нм

ФЭУ 2

фэуз!

Рис. 9. Функциональная схема флуоресцентного лидара для исследования растений с использованием трех длин волн зондирования

Флуоресценция, отн. ед.

-Сосна

----Осина

— • - Береза

! i

J !

с, 1

I \! :

: V ':

д i

У

V •

60

50

40

30

20

10

111 IV V VI Vil VIII IX X Дата Рис. 10. Сезонные вариации флуоресценции древесных растений

Из рис. 11 видно, что временной ход интенсивности флуоресценции подвержен циклическим изменениям, период которых совпадает с интервалами времени между сменой исследуемых образцов. Установлено, что еще до появления призна-

16

ков увядания (на начальной стадии стрессового воздействия) флуоресценция хлорофилла возрастает. Дальнейшее воздействие приводит к уменьшению уровня флуоресценции и сопровождается появлением визуальных признаков деградации растения. Таким образом, установлено, что флуоресцентный сигнал может использоваться для ранней диагностики стрессовых состояний растений.

Флуоресценция, отн. ед. Флуоресценция, отн. ед.

Рис. 11. Временной ход интенсивности флуоресценции на длинах волн 685 (а) и 740 (б) нм

На основе анализа спектрофотометрических данных и лидарных измерений впервые установлены количественные соотношения между интенсивностью ИЛФ наносекундного диапазона и концентрацией хлорофилла в хвое и листьях древесных растений Западной Сибири. По этим данным проведена калибровка лидара, позволяющая по отношению сигналов ИЛФ осуществлять непосредственное измерение содержания хлорофилла в древесных растениях на базе данного локатора. Установленные количественные соотношения представлены на рис. 12.

Р1/Р2

п, мг/г

Рис. 12. Взаимосвязь лидарных измерений флуоресценции с содержанием хлорофилла Таким образом, проведенные натурные эксперименты свидетельствуют о возможности использования лидарных сигналов флуоресценции на длинах волн 685 и 740 нм в качестве индикатора неразрушагащей оценки продуктивности расти-

17

тельности, определяемой по концентрации хлорофилла, и имеют перспективы применения для дистанционного мониторинга древесных растений.

В заключении сформулированы основные результаты работы и показан личный вклад автора.

Основные результаты диссертационной работы

1. Разработана методика планирования и проведения лидарных измерений по восстановлению вертикальных профилей температуры и влажности методом дифференциального поглощения.

2. Проанализированы возможности определения высотных профилей метеорологических параметров атмосферы с помощью лидарной системы дифференциального поглощения, функционирующей в безопасной для глаз области спектра.

3. Исследованы возможности применения многоволнового Sr-лазера для лидарных измерений метеорологических параметров атмосферы.

4. Предложено и обосновано применение для лидарных измерений метеорологических параметров атмосферы линий излучения обертонного СО-лазера.

5. Установлено: флуоресцентные характеристики древесных растений имеют видовую зависимость в течение всего вегетационного периода, что позволяет проводить качественный анализ растительности методом ИЛФ.

6. Показано: при воздействии неблагоприятных факторов внешней среды флуоресценция хлорофилла резко возрастает, что позволяет использовать сигналы ИЛФ для ранней диагностики стрессовых состояний. Длительное воздействие стрессовых факторов приводит к уменьшению сигналов флуоресценции и полной деградации растения.

7. Впервые установлены количественные соотношения между интенсивностью ИЛФ и содержанием хлорофилла в хвое и листьях типичных представителей древесной растительности Западной Сибири: березы, осины и кедра.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в монографии в соавторстве и 23 рецензируемых статьях из списка ВАК (в том числе одна статья без соавторов). Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Личный вклад. Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены при непосредственном участии соискателя. Участие научного руководителя Матвиенко Г.Г. заключалось в методической постановке темы исследований, в проведении экспериментов и обсуждении результатов. Разработка методики проводилась соискателем. Поиск длин волн, пригодных для зондирования, численное моделирование лидарного зондирования проводилось соискателем совместно с O.A. Романовским. Флуоресцентный лидар разработан Г.Г. Матвиенко и А.И. Гришиным при участии соискателя. Вклад автора диссертации заключается в непосредственном участии в планировании и проведении экспериментальных исследований флуоресцентных характеристик растительности. Обработка результатов лидарных измерений проводилась соискателем.

Слисок цитируемой литературы

1. Межерис P.M. Лазерное зондирование атмосферы. М.: Мир, 1987. 550 с.

2. Фадеев В.В., Бунин Д.К., Венедиктов П. С. II Квант, электрон. 1996. Т. 23. С. 963-973.

3. McFarlane J.C., Watson R.D., Theisen A.F. et al. Plant stress detection by remote measurement of fluorescence //Appl. Opt. 1980. V. 19, N 19. P. 3287-3290.

4. Measures R.M., Houston W.R., Bristow M. Development and field tests of a laser fluorosensor for environmental monitoring II Can. Aeron. Space J. 1973. V. 19. P. 501-506.

5. International Guidelines for Forest Monitoring // IUFRO Word Series. 1994. V. 5. P. 1-102.

6. Moya I., Goulas Y., Morales F. Remote sensing of time-resolved chlorophyll fluorescence and back-scattering of laser extinction by vegetation // EARSeL (European Association of Remote Sensing Laboratories) Adv. Remote Sens. 1995. V. 3. P. 188-197.

7. RothmanLS., Gordon I.E., Barbe A. et. al. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2009. V. 110. N9. P. 533-572.

8. Креков Г.М., Рахимов Р.Ф. Оптико-локационная модель континентального аэрозоля. Новосибирск: Наука, 1982. 199 с.

Основные публикации по теме диссертации

1. Гришин А.И., Матвиенко Г.Г., Харченко О.В., ЯрчукТ.А. О возможности одновременного измерения профилей основных метеоэлементов // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 11-12. С. 1572-1576.

2. Матвиенко Г. Г.. Харченко О.В., ЯрчукТ.А. Выбор длины волны излучения ли-дарных систем, функционирующих в безопасной для глаз области спектра // Оптика атмосф. и океана. 1995. Т. 8, № 10. С. 1542-1544.

3. Гришин А.И., Матвиенко Г.Г., Харченко О.В., Тимофеев В.А. Исследование флуоресценции растений при возбуждении излучением второй гармоники YAG:Nd-fla3epa // Оптика атмосф. и океана. 1997. Т. 10, № 7. С. 806-812.

4. Гришин А.И., Матвиенко Г.Г., Харченко О.В., Тимофеев В.А., Климкин В.М., Соковиков В.Г., Астафурова Т.А., Зотикова А.П. Дистанционная оценка состояния фотосинтетического аппарата в растениях методом индуцированной лазером флуоресценции // Оптика атмосф. и океана. 1999. Т. 12, № 4. С. 334-337.

5. Воробьева Н.А.. Гришин А.И., Зотикова А.П., Матвиенко Г.Г., Романовский О.А.. Харченко О.В. Применение эффекта лазерно-индуцированной флуоресценции для дистанционного исследования фотосинтетического аппарата растений // Оптика атмосф. и океана. 2000. Т. 13, № 5. С. 539-542.

6. Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Харченко О.В. Моделирование лидарного зондирования метсопараметров атмосферы в области спектра 2 мкм // Ж. прикл. спектроскопии. 2000. Т. 67, № 6. С. 692-695.

7. Астафурова Т.А., Гришин А.И., Зотикова А.П., Климкин В.М., Матвиенко Г.Г., Харченко О.В., Романовский О.А., Соковиков В.Г., Тимофеев В.А. Дистанционное исследование фотосинтетического аппарата растений методом индуцированной лазером флуоресценции // Физиология растений. 2001. Т. 48, №4. С. 600-606.

8. Гришин А.И.. Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В. Лидарные методы измерения метеорологических величин и их апаратурная реализация II Метеорология

и гидрология. 2001. № 4. С. 87-96.

9. Андреев Ю.М., Гейко П.П., Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В. Генераторы комбинационных частот эрбиевых и С02-лазеров в задачах лидар-ного зондирования метеопараметров атмосферы // Прикладная физика. 2003. №4. С. 99-104.

10.,Matvienko G.G., GríshinA.I., Kharchenko O.V., Romanovslii O.A. Application of laser induced fluorescence for remote sensing of vegetation II Opt. Eng. 2006. V. 46, N5. Art. No 056201. P. 82-87.

11.Агеев Б.Г., Дьякова Е.Ю., Кабанов A.M., Капилевич JI.B., Кистенев Ю.В., Никифорова О.Ю., Пономарев Ю.Н., Романовский O.A., Харченко О.В. Приложения лазеров

в биологии и медицине // Уч. пособие (УМО). Томск: Изд-во ТПУ, 2006. 152 с.

12.Ионин A.A., Климачев Ю.М.. Козлов А.Ю.. Котков A.A., Романовский O.A., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Харченко О.В., Шелестович A.B., Яковлев C.B. Широкодиапазонный СО-лазер в задачах лазерного зондирования малых газовых составляющих атмосферы // Из. вузов. Физ. 2008. № 11. С. 85-92.

\3.VasilJeva А.У., Polunin Yu.P., Romanovskii O.A., Soldatov A.N., Kharchenko O.V., Yudin N.A. The Possibilities of a Strontium Vapor Laser Using for Laser Using for Laser Sensing of Minor Gaseous Components of the Atmosphere // Opt. Memory and Neural Networks (Inform. Opt.). 2009. V. 19, N 2. P. 142-149.

\А.Яковлев C.B., Романовский O.A., Харченко О.В. Применение обертонного СО-лазера для газоанализа атмосферы // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2010. № 1. С. 15-18.

15.БочковскийД.А., Васильева A.B., Матвиенко Г.Г., Полунин 10.П., Романовский O.A.. Солдатов А.Н., Харченко О.В., Юдин H.A., Яковлев C.B. Применимость лазера на парах стронция для решения задач лазерного зондирования газового состава атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, №7. С. 295-301.

16 .БочковскийД.А., Васильева A.B., Долгий С.И., Матвиенко Г. Г., Полунин Ю. П., Романовский O.A., Солдатов А.Н., Харченко О.В., Юдин H.A., Яковлев C.B. Многоволновой лазер на самоограииченных переходах стронция в задачах дистанционного газоанализа атмосферы // Изв. вузов. Физ. 2012. № 4. С. 95-102.

17.БочковскийД.А., Васильева A.B., Долгий С.И., Матвиенко Г.Г., Полунин Ю.П., Романовский O.A., Солдатов A.H., Харченко О.В., Юдин H.A.. Яковлев C.B. Возможности применения многоволнового стронциевого лазера для дистанционного газоанализа атмосферы // Прикл. физика. 2012. № 4. С. 100-106.

18.Романовский O.A., Харченко О.В., Яковлев C.B. Методические аспекты лидар-ного зондирования малых газовых составляющих атмосферы по методу дифференциального поглощения // Ж. прикл. спектроскопии. 2012. Т. 79, № 5. С. 799-805.

19.Ионин A.A., Климачев Ю.М., Козлов А.10., Котков A.A., Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В., Яковлев C.B. Возможности применения обертонного СО-лазера для дистанционного газоанализа атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 8. С. 702-707.

20.Харченко O.B. Методика планирования и проведения лидарных измерений профилей метеорологических параметров атмосферы II Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 6. С. 523-528.

21 .Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Макеев А.П., Матвиенко Г.Г., Невзоров A.B., Сол-датов А.Н., Романовский O.A., Харченко О.В., Яковлев C.B. Лидарные технологии дистанционного зондирования параметров атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 10. С. 829-837.

И.БочковскийД.А., Романовский O.A., Харченко О.В., Яковлев C.B. Лидарное зондирование малых газовых составляющих атмосферы методом дифференциального поглощения: Результаты моделирования и экспериментов // Изв. Том. Политехи. ун-та. 2014. Т. 325, № 2. С. 127-136.

23. Bochkovskii D.A., Matvienko G.G., Romanovskii O.A., Kharchenko O.V., YakovlevS.V. Laser Remote Measurements of Atmospheric Gas Components by DIAL: Modeling and Experiments // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2014. V. 23, N 3. P. 156-163.

24.Романовский O.A., Харченко O.B., Яковлев C.B. Применение многоволновых ИК-лазеров для лидарных и трассовых измерений метеорологических параметров атмосферы // Изв. вузов. Физ. 2014. Т. 57, № 10. С. 65-72.

25.Бочковский Д.А., Романовский O.A., Харченко О.В., Яковлев C.B. Программный комплекс для численного моделирования лидарного зондирования газовых примесей атмосферы методом дифференциального поглощения: Свидетельство Роспатента о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2014615340 от 26.05.14.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 64.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН. 634055, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1. Тел. 49-10-93.

15-195

20

434244

2014342447