Лидарный сигнал в приближении двукратного рассеяния от удаленных аэрозольных образований

Брюханова, Валентина Владимировна

Лидарный сигнал в приближении двукратного рассеяния от удаленных аэрозольных образований тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Брюханова, Валентина Владимировна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Лидарный сигнал в приближении двукратного рассеяния от удаленных аэрозольных образований»

Автореферат диссертации на тему "Лидарный сигнал в приближении двукратного рассеяния от удаленных аэрозольных образований"

На правах рукописи

Брюханова Валентина Владимировна

ЛИДАРНЫЙ СИГНАЛ В ПРИБЛИЖЕНИИ ДВУКРАТНОГО РАССЕЯНИЯ ОТ УДАЛЕННЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск 2013

5 ДЕК 2013

005542182

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», на кафедре оптико-электронных систем и дистанционного зондирования

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Самохвалов Игнатий Викторович

Официальные оппоненты: Черемисин Александр Алексеевич,

доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», научно-исследовательская часть, главный научный сотрудник

Шаманаев Виталий Сергеевич, кандидат физико-математических наук, с.н.с, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, г. Томск, Центр дистанционного зондирования атмосферы, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образо-

вательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 003.055.01 при Институте физике им. Л.В. Киренского СО РАН по адресу: 660036, г.Красноярск 36, Академгородок, 50/38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.055.01, доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Глобальные природно-климатические изменения в последние годы достигли масштабов, угрожающих развитию цивилизации. Актуальность этой проблемы обсуждалась, в частности, на Всемирной конференции по изменению климата (Москва, 2003), в решении которой подчёркнута необходимость развития систематического междисциплинарного инструментального мониторинга климатических и экосистсмных изменений. В интересах оперативного контроля состояния окружающей среды развиваются новые дистанционные технологии, основанные на методах лазерного зондирования. Суть этих методов заключается в посылке лазерного излучения, регистрации приемной системой провзаимодействовавшего со средой излучения и последующем анализе, основанном на сравнении характеристик посылаемого и принимаемого излучения. Прибор, реализующий эту идею, назван лидаром.

Несмотря на полувековую историю использования лидаров для диагностики атмосферного аэрозоля, включая частицы облаков и осадков, до сих пор не решены многие технические и методические вопросы лазерного зондирования. К числу направлений, все еще нуждающихся в существенной проработке, относится и лазерное зондирование оптически плотных аэрозольных образований (облака, туманы и т.п.) Это объясняется тем, что лидарный сигнал от таких образований обусловлен не только однократным, но и многократным рассеянием, которое существенно влияет как на величину интенсивности, так и на состояние поляризации принимаемого излучения.

Методология лазерного зондирования оптически плотных рассеивающих сред (естественных облаков) с учетом поляризации и многократного рассеяния развивается в ведущих научных центрах США, Канады, Японии, Италии, Германии, России, Республики Беларусь. Деятельность ряда групп, работающих в этой области, координируется Международной рабочей группой MUSCLE (Multiple Scattering in Lidar Experiments).

Все это подчёркивает актуальность темы диссертационной работы, т.к. она направлена на повышение информативности лидарных систем, разрабатываемых для контроля состояния атмосферного воздуха, исследования микрофизических

свойств облаков, туманов и гидрозоля в приповерхностном слое воды в морях и океанах.

Исследование закономерностей формирования лидарного сигнала путем численного решения УПИ методом Монте-Карло [1] показывает, что во многих практически важных случаях лидарный сигнал с достаточной точностью можно описать в приближении двукратного рассеяния. Основы теории двукратного рассеяния для описания лидарного сигнала разработаны Б.В. Каулем и И.В. Самохваловым достаточно давно [2—4]. Однако, до сих пор имеется много вопросов, связанных с практическим приложением теории для решения задач оперативного контроля состояния атмосферы.

Цели диссертационной работы заключаются в разработке и исследовании модели лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от удаленных оптически плотных аэрозольных образований и оценке ее применимости для интерпретации данных лазерного зондирования естественных облаков и туманов, а также аэрозолей антропогенного происхождения.

Реализация этих целей включала в себя решение следующих задач:

1. получение и исследование аналитического выражения лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от удаленных облачных образований различной стратификации;

2. программная реализация расчета мощности лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от капельных облаков;

3. программная реализация расчета степени поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от капельных облаков и кристаллических облаков;

4. исследование влияния оптических и микрофизических характеристик облачной среды и параметров лидара на величину уровня двукратного рассеяния в лидарном сигнале, на параметры распределения интенсивности в плоскости регистрации лидарного сигнала и на состояние поляризации лидарного сигнала двукратного рассеяния.

Для решения поставленных задач использовались основные положения теории Ми и оптики дисперсных сред, вектор-параметрический формализм Стокса, методы

математического моделирования. В качестве метода исследования были выбраны численное моделирование и натурный эксперимент.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Полуширина распределения нормированной на максимальное значение интенсивности двукратного рассеяния в плоскости регистрации лидарного сигнала определяется микроструктурой облака и для моделей облаков С1, С2, СЗ (по Дейрменджану) варьирует в пределах 4% при изменении глубины проникновения зондирующего импульса в облако, если оптическая толща не превышает 3.

2. Уровень двукратного рассеяния в лидарном сигнале с глубин зондирования, меньших радиуса поперечного сечения диаграммы направленности приёмной системы лидара на входе в облако, не зависит от угла поля зрения приемной системы лидара и определяется только глубиной зондирования облака и его микроструктурой. При значениях глубины зондирования, больших радиуса поперечного сечения диаграммы направленности приёмной системы лидара на входе в однородное удаленное облако, уровень двукратного рассеяния в лидарном сигнале определяется еще и углом поля зрения приемной системы лидара и расстоянием от лидара до облака.

3. Степень поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от тропосферных облаков, состоящих из монодисперсных хаотически ориентированных гексагональных столбиков и пластинок, не меняется при варьировании глубины зондирования, дальности облака и угла поля зрения приемной системы лидара; в то время как от капельных полидисперсных облаков она убывает с глубиной зондирования.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается их непротиворечивостью с фундаментальными положениями теории рассеяния света дисперсными средами, физической обоснованностью используемых моделей и строгостью математических методов, согласованностью с результатами других авторов, а также качественным согласием с данными натурных экспериментов.

Научная новизна результатов работы. Установлено, что вклад траекторий «вперед-назад» и «назад-назад» в лидарный сигнал двукратного рассеяния

одинаков. Это позволило получить аналитические выражения для описания лидарного сигнала двукратного рассеяния от удаленного аэрозольного образования в более простом виде.

Предложена трехпараметрическая модель индикатрисы рассеяния, которая может быть использована для оценки размеров частиц капельных облаков из экспериментальных данных, полученных лидаром многократного рассеяния.

Впервые получено аналитическое выражение для описания временной задержки лидарного сигнала от облачного слоя вследствие многократного рассеяния. Показано, что величина лидарного сигнала двукратного рассеяния от облачного слоя определяется нижней границей, мощностью и микроструктурой облачного слоя и углом поля зрения приемной системы лидара.

Получено выражение, связывающее степень поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния с углом поля зрения приемной системы лидара, дальностью, глубиной зондирования и элементами матрицы рассеяния света зондируемого облака. Анализ зависимости степени поляризации лидарного сигнала двукратного рассеяния от глубины проникновения импульса в облако на основе полученного выражения при варьировании угла поля зрения приемной системы лидара позволяет определить фазовый состав зондируемой среды.

Научная ценность. Проведенные исследования позволяют выявить особенности формирования лидарного сигнала двукратного рассеяния от удаленных плотных аэрозольных образований, а также оценить влияние геометрической схемы эксперимента, параметров лидара и оптических характеристик среды на мощность, состояние поляризации и распределение интенсивности лидарного сигнала в плоскости регистрации.

Приближение двукратного рассеяния позволяет оценить временное запаздывание лидарного отклика от облачного слоя малой толщины в зависимости от дальности и микроструктуры облака и определить фазовый состав облака по характеру изменения степени поляризации.

Практическая значимость работы. Использование полученных выражений позволяет повысить точность оценок характеристик помехи обратного рассеяния для оптических локационных систем, работающих в плотных рассеивающих средах,

а также оценить предельную пропускную способность канала связи в оптическом диапазоне, использующего в качестве ретранслятора естественное или искусственно созданное облако. Совокупность результатов работы составляет методическую основу разработки лидаров многократного рассеяния.

Использование результатов работы и их внедрение. Результаты работы были использованы при выполнении:

- грантов РФФИ №01-05-65209, 02-05-06343 (MAC), 04-05-64495, 08-05-90006-Бел_а, 08-05-13544-офи_ц, №11-05-01200а;

- программы Министерства промышленности, науки и технологий «Содержание уникальных стендов и установок России» (проект «Высотный поляризационный лидар для зондирования атмосферы», per. № 06-21);

- 'Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по

приоритетным направлениям развития научно—технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме «Проведение исследований в области рационального природопользования с использованием уникальных установок» (мероприятие 1.8 Программы) - госконтракты: № 02.518.11.7075 от 11 апреля 2007 г.; № 02.518.11.7156 от 08 июня 2009 г.; № 16.518.11.7048 от 12 мая 2011 г.; №14.518.11.7053 от 20 июля 2012 г.;

- аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», проекты №2.1.1/6939 и 2.1.1/13333;

- Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашение № 14.В37.21.0612 от 16.08.2012 г.

Методика численного расчета энергетических и поляризационных характеристик лидарного сигнала двукратного рассеяния от облаков используется в учебном процессе на радиофизическом факультете.

Апробация результатов. Результаты исследований по теме диссертации докладывались на Байкальской школе по фундаментальной физике "Взаимодействие излучений и полей с веществом" (Иркутск, 1999); Международной научно-

практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 2000); International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory "MMET-2000" (Kharkov, Ukraine, 2000); the 5-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technology (Tomsk, 2000); Международной конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Новосибирск, 2000); Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001); Всероссийской научной конференции "Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами" (Муром, 2001); рабочих группах "Аэрозоли Сибири" (Томск, 2000-2006, 2008); Международных школах молодых ученых и специалистов "Физика окружающей среды" (Томск, 2000-2004); Международных симпозиумах "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Томск, 2000-2006, 2009, 2011); конференции "Оптика и образование" (Санкт-Петербург, 2004); Международных симпозиумах "Контроль и реабилитация окружающей среды" (Томск, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010); Международная научно-техническая конференция «Поляризационная оптика» (Москва, 2008); Всероссийской научной конференция "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред" (Муром, 2009, 2012); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2008, 2010, 2012, 2013).

Публикации. Содержание диссертации отражено в 71 работе, включая 19 статей в отечественных и зарубежных изданиях, из которых 14 в рецензируемых журналах из перечня ВАК. Получено 2 патента РФ на полезную модель.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 233 наименований, 2 приложений. Общий объём работы - 157 страниц, в том числе, 44 рисунка, 4 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; сформулированы цель и основные задачи исследования; приведены защищаемые положения, новизна полученных результатов, практическая значимость и сведения об апробации работы; представлен краткий обзор структуры диссертации.

В первой главе диссертации рассматриваются методы описания лидарного сигнала от аэрозольных образований и модели оптических характеристик аэрозольных сред. Приведен обзор методов описания лидарного сигнала с учетом многократного рассеяния: метод статистических описаний (метод Монте-Карло), метод малоуглового приближения, приближение двукратного рассеяния.

Во второй главе исследуется общее выражение для мощности лидарного сигнала двукратного рассеяния, полученного Каулем Б.В. и Самохваловым И.В. [4]. Анализ его показывает невозможность численного определения подынтегрального выражения при значении угла рассеяния у=п. Поэтому для численного интегрирования был выбран метод Гаусса, позволяющий минимизировать ошибку вычисления путем специального выбора узлов интегрирования, несовпадающих с сеткой интегрирования. Верификация предложенного способа расчета мощности лидарного сигнала двукратного рассеяния Р{2'(г), приходящего с расстояния г, и степени поляризации лидарного сигнала р(г-Н) от облака с нижней границей Н осуществлялась: 1) численной проверкой выполнения условия нормировки облачных индикатрис рассеяния [5]; 2) сравнением результатов расчета &=Р 2'/Рп' -отношения мощностей лидарного сигнала двукратного Р|2)(г) и однократного рассеяния Рп'(г) (для различных значений длины волны X. угла поля зрения приёмной системы 6и, коэффициента рассеяния облака а,,) с данными работ [6, 7] (рисунки 1а и 16, соответственно).

-, о е=2 мраа —, й 9=4 мрад

5 (г-Н)

Рисунок 1 - Относительный уровень двукратного рассеяния в лидарном сигнале от облака С1: а) Х=700 нм, «т0=1б.7 км"1, е0=О.ОО2. 0.004, 0.010; б)Я=1064 нм, Оо=17.25 км*1, 80=О.ОО1.

Для исследования влияния угла поля зрения приемной системы лидара 80, модального радиуса гтоЛ и полуширины распределения капельного облака на уровень 8(г-Н) использовались статистически обоснованные модели облаков [8]. Расчет индикатрис рассеяния осуществлялся с помощью программы Ро1уМю [9]. Результаты расчета Ь(г-Н) не противоречат выводам работы [1] и показывают, что уровень 5(г-Н) при заданной длине волны зондирующего излучения определяется параметрами микроструктуры, дальностью до облака Я и величиной 0О.

Полученные результаты создают методическую основу выделения сигнала двукратного рассеяния из отражённого облаком излучения. Лидарный сигнал однократного рассеяния формируется в узком объеме рассеивающей среды, ограниченном диаграммой направленности передатчика, а сигнал двукратного рассеяния формируется в объеме, поперечное сечение которого определяется диаграммой направленности приёмной системы 6П, поэтому вклад двукратного рассеяния можно определить, зная зависимость мощности лидарного сигнала от угла 6П. Выбор конкретных значений 8П, эффективных для выделения сигнала многократного рассеяния из лидарного сигнала, должен осуществляться, исходя из дальности облака и глубины зондирования. При малых значениях 60 на больших глубинах зондирования величина Ь(г-Н) от среднекапельного облака (гтос1=6 мкм) меняется с увеличением Н почти линейно (рисунок 2).

6(г-Н)

100-=

.............................

• Н= 500 м -о- Н= 1000 м

• Н=1500м о-Н=2000м ю -» — Н=2500 м

о Н=3000 м -А—- Н=5000 ь,

Н=250 ш 1

А АА А А АА *

А А А А А А-А-А А А А

8<Г-Н)

оо-ооооооооо

.-аййш

5 ОО О О ОО О------""" " "

»»■!"" ; о о'о о оо о оо о о оо о о о о оо оо о

..................

100

150

а) б)

Рисунок 2 - Зависимость 8(г-Н) от дальности облака Н при двух значениях угла поля зрения

приемной системы лидара: а) 6о=0.1 мрад. б) 6о=0.5 мрад.

При больших 0О с увеличением дальности облака б растет несколько медленнее: при увеличении 90 в 5 раз (с 0.1 мрад до 0.5 мрад) б растет в 2.7-4.5 раза на значимых глубинах зондирования (т.е. с 50 м) для облаков нижнего яруса ив 1.13.8 раза для облаков среднего яруса (чем больше Н, тем меньше отношение 5(0.5)/б(0.1)).

Использование в качестве фотоприемного устройства ССБ-камеры позволяет зарегистрировать в любой момент времени не только мощность сигнала обратного рассеяния, но и распределение интенсивности в плоскости регистрации. В диссертации численно исследовано распределение интенсивности двукратного рассеяния в плоскости регистрации при различных дальностях облака. На рисунке 3 приведено распределение интенсивности нормированной на максимальное её значение для каждой глубины проникновения зондирующего импульса в облако. Буквой г обозначен порядковый номер элементарной кольцевой зоны, в которой регистрируется интенсивность двукратного рассеяния.

і і

а) б)

Рисунок 3 - Зависимость нормированной на максимальное значение интенсивности двукратного

рассеяния от глубины проникновения зондирующего импульса в облако С1, удаленного от лидара

на: а) 500 м; б) 1000 м

С изменением дальности вид распределения не меняется; меняется абсолютное значение интенсивности, а, следовательно, и мощность РіУі(г). В плоскости регистрации интенсивность двукратного рассеяния от облаков, содержащих крупные частицы, по мере удаления от центра регистрирующей системы уменьшается быстрее по сравнению с облаками, содержащими более мелкие капли (рисунок 4). Данное утверждение согласуется с результатами расчетов [10].

Рисунок 4 - Распределение нормированной интенсивности двукратного рассеяния в плоскости регистрации для моделей облаков С1, С2, СЗ при длине волны: а) 450 нм; б) 700 нм

В третьей главе показано, что траектории фотонов претерпевших две кратности рассеяния типа "вперед-назад", "назад-назад" дают одинаковый вклад в интенсивность сигнала обратного рассеяния. Это позволяет существенно упростить общее выражение для лидарного сигнала.

Совместим передатчик коаксиального лидара с началом отсчета (точка О). Одновременно с фотонами, претерпевшими однократное рассеяние в объёме, находящемся на расстоянии г от лидара (точка К), в приемную систему лидара (в момент времени (гг=2г/с) попадут фотоны, претерпевшие двукратное рассеяние: первый акт рассеяния происходит на оси зондирующего пучка в любой точке Ог отрезка 0\К\ второй акт рассеяния происходит в рассеивающем объёме, лежащем на сегменте эллипсоида вращения с фокусами в точках О и О, и вершиной в точке /?, ограниченном нижней границей облака (на рисунке 5 он показан синим цветом).

2 -

■- Г

Рисунок 5 - Схема формирования потока двукратно рассеянного назад излучения от облака, когда глубина зондирования не превышает радиуса поперечного сечения диаграммы направленности приёмной системы лидара на входе в облако

В формировании лидарного сигнала двукратного рассеяния в этот же момент времени 1Г примут участие фотоны с центрами первичного рассеяния в точках 0„ лежащих на оптической оси передающей системы на расстояниях Н<г<г, и центрами вторичного рассеяния, лежащими на поверхностях сегментов эллипсоидов вращения с фокусами в точках ОиОги вершиной в точке Я, вложенных во внешний (красный) эллипсоид с фокусами в точках О и 0\. Т.е. на малых глубинах зондирования {г-Н<Н\%$оІ2) облака величина

о 2

(1)

определяется глубиной проникновения импульса в облако г-Н и не зависит от 0().

При наземном зондировании капельных облаков, как правило, и

поперечное сечение рассеивающего объема ограничивается углом поля зрения приемной системы лидара (рисунок 6. желтая область).

Рисунок 6 - Схема формирования потока двукратного рассеяния при г-Н>Н^ф(\12) В этом случае

^ ( \ /1+/2

(2)

где

ж/2

и у,

( г е0

Для оценки границ применимости (1)-(2) были выполнены расчёты 53і(/) на основе полученных упрощенных выражений (1)-(2) (рисунок 7, черные закрашенные символы) и на основе общего выражения [1] (рисунок 7, черные

незакрашенные символы). Синими символами на рисунке 7 показано различие рассчитанных величин в процентах (правая шкала).

8 (г-Н) —л— 8(г-Н)общее —•— 5(г-#)прибд —•-¿5 да.%

• «г

50 г-Н, м 100 а) 150

&{г-Н) —А— 6{/*-//) Общее —•— ¿Цг-Я) прнбл —До АО,"о

•

0 50 г-н, м 100 150

В)

Ыг-Н) —л— б(г-//)обшее А6,%

• 6(г-//)прибл

• \

у •¿¡яг

50 г-н. м 100

б)

Цг-Н) —Ь— 6(г-//)обшее

—•— о(г-Я)пр»ол А

-•—АО

•

• >

Г)

Рисунок 7 - Уровень двукратного рассеяния в лидарном сигнале от однородного облака нижнего яруса (ц=2, гта1=6 мкм) нижнего яруса: а) Я= 1 км, 6о=3 мрад; б) Н= 1 км, 60=5 мрад; в) Я=2 км, 60=3 мрад; г) Н= 2 км, 80=5 мрад.

Из сравнения кривых на рисунке следует, что с увеличением глубины зондирования величина А5 убывает, т.е. точность оценки лидарного сигнала двукратного рассеяния на основе общего выражения [1] и приближённого (1)-(2) становятся сравнимыми. Аналогичный характер зависимостей получен для облаков среднего и верхнего яруса. При зондировании облаков верхнего яруса, чтобы остаться в рамках приближения двукратного рассеяния, угол поля зрения приемной системы лидара необходимо уменьшить до 1.5 мрад.

Различие значений относительного вклада двукратного рассеяния в лидарный сигнал на значимых глубинах зондирования (не менее 50 м в силу неоднородности нижней границы облака), полученных на основе общего выражения и на основе выражения для удаленного облака, во многих случаях не превышает ошибку оценки

лидарного сигнала (<10%). Это позволяет сделать заключение о возможности использования выражения (2) на практике.

При зондировании слоистых облаков, лазерное излучение сильно ослабляется и, как правило, не достигает верхней границы облака Я2. Однако, если оптическая толща слоя невелика, зондирующий импульс проходит слой, выходит за пределы облака (рисунок 8), а в приемную систему лидара ещё будут поступать фотоны, претерпевшие многократное рассеяние в облаке, т.е. будет происходить временная задержка лидарного сигнала. Рассмотрим это явление на примере зондирования резко выраженного слоя, когда коэффициент рассеяния слоя много больше, чем на трассе до облака и после него. В этом случае можно считать, что ст(/,)=0 при 0<г<Я| и г>Я2; а(г)=а0тЮ при Я,<г<Я2 (рисунок 8); Р("(г>Я2)=0.

Рисунок 8 - Схема формирования потока двукратного рассеяния облачным слоем Из приведённой схемы видно, что лидарный сигнал на приёмнике

формируется фотонами, претерпевшими первичное рассеяние на участке трассы Я,Я2 в точках с координатами 2Г и вторичное рассеяние на частицах среды, расположенных на поверхности эллипсоидов вращения с фокусами в точках О и 2Г с общей вершиной в точке К. Его мощность определяется выражением

Л ТГъ-^ О

Ф{о

4ят 2

п її

где

Для однородного слоя справедливо выражение

431?-" V.

Таким образом, временная задержка лидарного сигнала определяется второй кратностью рассеяния, а её протяженность и мощность лидарного сигнала двукратного рассеяния определяется микроструктурой, и высотами нижней и верхней границ облачного слоя Н\ и Н2.

Предложена трехпараметрическая модель индикатрисы рассеяния, позволяющая получить относительно простое выражение, связывающее мощность регистрируемого сигнала с характеристиками среды.

Коэффициенты аппроксимации могут быть определены из граничных условий и

трехпараметрической модели, отличаются от результатов расчета с использованием табличной индикатрисы рассеяния не более чем на 10%.

В четвертой главе приведен обзор литературы по микроструктуре кристаллических облаков и моделям матрицы рассеяния света (MPC) облаков; получены выражения для вектора-параметра Стокса и степени поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния для линейно и циркулярно поляризованного зондирующего излучения.

Результаты расчета степени деполяризации лидарного сигнала от капельного облака Cl на основе полученного выражения хорошо согласуются для угла поля зрения 0.5 мрад с результатами расчета минской лидарной группы на основе полуаналитической модели [12] (рисунок 9, символы). С увеличением угла поля зрения приемной системы растет вклад рассеяния более высоких кратностей, о чем свидетельствуют результаты расчета для 0О=5 мрад.

условия нормировки. Результаты расчёта Р>2>(г), полученные с использованием

0.4-

А (Г-Н)

- - -0.*0.5 мрад - 1 =5 0 мрад

0.2-

0.0

50 г-Н,ЮС

150

Рисунок 9 - Степень деполяризации лидарного сигнала от облака Cl, Н=\ км

1,0 „ =

г-Н, м

р(г-Н) 1,0-

а)

—0—й—0—6—0—6—-—О—0—О

г-н,и

ц=2

0100124

— ц=10 ■о— 0200142

1*г-Н)

1,0

т. . . ■

г-Н, м

р(г-Н) 1.0,

б)

г-Н, м

Р(Г-Н)

г-Н, м

гт=10 мкм -с— 1_100а20

-11=2 1.200а40

----ц=10

о (.ЗООабО

Рисунок 10 - Зависимость степени поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от глубины зондирования 17

Степень поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от облака, состоящего из монодисперсных хаотически ориентированных гексагональных кристаллов, практически не меняется с глубиной зондирования и с изменением дальности облака (рисунок 10). При использовании циркулярно поляризованного излучения степень поляризации уменьшается с увеличением высоты кристаллических столбиков и с увеличением ширины кристаллических пластинок.

При изменении зондирующего излучения с линейно на циркулярно поляризованное степень поляризации от облаков, состоящих из пластинок, меняется в 2-3 раза и составляет в первом случае 61-63% и 23-31% во втором; а при зондировании гексагональных столбиков - 34-40% и 20-32%, соответственно; чем больше горизонтальное сечение кристаллов, тем сильнее выражено это различие.

Степень поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от капельных облаков при зондировании циркулярно поляризованным излучением изменяется с глубиной зондирования значительнее, чем при зондировании линейно поляризованным излучением.

Отмеченные особенности позволяют сделать вывод о возможности определения фазового состава облака (капли или кристаллы) и ориентации кристаллических частиц (столбики или пластинки) по характеру изменении степени поляризации лидарного сигнала, обусловленного одно- и двукратным рассеянием, при изменении состояния поляризации лазерного излучения и глубины проникновения зондирующего импульса в облако.

В заключении перечислены наиболее важные результаты, полученные в диссертационной работе.

1 В плоскости регистрации лидарного сигнала интенсивность поступающего в приемную систему лидара излучения распределена неравномерно: на оптической оси приёмного объектива она принимает максимальное значение, убывая по мере удаления от нее. Скорость этого убывания определяется микроструктурой облака: чем больше полуширина и мода распределения частиц по размерам, тем быстрее уменьшается интенсивность. С увеличением глубины зондирования облака вид распределения нормированной

интенсивности двукратного рассеяния в плоскости регистрации лидарного сигнала практически не меняется; меняется лишь абсолютное значение интенсивности и мощность лидарного сигнала двукратного рассеяния.

2 На примере однородных среднекапельных облаков нижнего яруса показано, что на вклад двукратного рассеяния в лидарный сигнал в большей степени влияет индикатриса рассеяния, нежели коэффициент ослабления аэрозольного образования.

3 Получены аналитические выражения для описания мощности лидарного сигнала двукратного рассеяния от удаленных аэрозольных образований в общем виде, а также с учетом стратификации среды (однородная полубесконечная среда, однородное облако, однородный и неоднородный облачный слой).

4 В приближении двукратного рассеяния получено аналитическое выражение, описывающее форму импульса отражённого оптически прозрачным облачным слоем, которое объясняет механизм временной задержки заднего фронта импульса и показывающего, что величина этой задержки определяется формой индикатрисы рассеяния и оптической толщиной слоя.

5 Увеличение угла поля зрения приемной системы лидара приводит к увеличению вклада двукратного рассеяния в лидарный сигнал 5(г-Н) от облака, что подтверждается экспериментом. Для малых углов (60<0.3 мрад) зависимость от угла поля зрения носит почти линейный характер, при дальнейшем увеличении 0О величина 5(г-Н) меняется нелинейно, стремясь к насыщению. Величина угла 0Ога, при котором достигается насыщение, зависит от дальности облака Я: чем больше Я, тем меньше 00„,. Диапазон значений углов поля зрения, эффективных для выделения сигнала многократного рассеяния из суммарного лидарного сигнала, зависит от дальности облака и глубины зондирования.

6 Сделаны оценки углов поля зрения лидаров различного базирования, которые позволяют либо минимизировать вклад многократного рассеяния в лидарный сигнал от облаков, либо существенно увеличить его для последующей декомпозиции в приближении двукратного рассеяния.

7 Получены выражения для степени поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от капельных и кристаллических облаков при различных состояниях поляризации зондирующего импульса. Показано, что степень поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния чувствительна к микроструктуре аэрозольного образования и состоянию поляризации зондирующего излучения. С глубиной проникновения импульса в облако и увеличением поперечного размера облака степень поляризации лидарного сигнала от капельного облака уменьшается, в то время как от кристаллических облаков она остается неизменной.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пат. 100636. Российская Федерация, МПК G01S17/88. Устройство регистрации лидарного сигнала / Брюханова В.В., Самохвалов И.В., Симонова Г.В.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО Томский государственный университет и Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН. № 2010123565/28; заявл. 09.06.10; опубл. 20.12.10, Бюл. № 35.

2. Пат. 106759. Российская Федерация, МПК G01S17/00. Устройство подавления помехи обратного рассеяния в ближней зоне поляризационного лидара / Самохвалов И.В., Кириллов Н.С., Брюханова В.В., Стыкон А.П.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО Томский государственный университет. № 2011105505/28; заявл. 14.02.2011; опубл. 20.07.2011, Бюл. № 35.

3. Samokhvalov I.V., Bryukhanova V.V., Doroshkevich A.A., Kaul B.V., Zege E.P., Chaikovskaya L.I., Malinka A.V. Correction for distortions in lidar measurements of cloud backscattering phase matrices caused by multiple scattering. // Russian Physics Journal - 2008 - T. 51 - № 9 - P. 958-964.

4. Bryukhanova V.V. Distribution of the doubly scattered lidar signal intensity in the registration plane // Russian Physics Journal - 2011 - T. 53 - № 9 - P. 920-926.

5. Брюханова B.B., Самохвалов И.В. Использование степени поляризации лидарного сигнала двукратного рассеяния для определения параметров облаков верхнего яруса / Методы и устройства передачи и обработки информации. -СПб.: Гидрометеоиздат, 2002, с. 4-14.

6. Брюханова В.В., Самохвалов И.В., Абрамочкин С.А., Абрамочкин А.И., Тихомиров А.А. Лидарный сигнал многократного рассеяния от капельных облаков // Оптика атмосферы и океана - 2003 - Т. 16 - № 9 - С. 773-782.

7. Брюханова В.В., Эрдыниева Э.Ж. Лидарный сигнал двукратного рассеяния с использованием аналитической модели индикатрисы рассеяния // Изв. вузов. Физика - 2012 - Т. 55 - № 9-2 - С. 145-147.

8. Брюханова В.В., Дорошкевич А.А., Банзарон С.Б. Влияние микроструктуры облака на величину лидарного сигнала двукратного рассеяния // Изв. вузов. Физика - 2012 - Т. 55 - № 9-2 - С. 120-121.

9. Брюханова В.В. Модель лидарного сигнала двукратного рассеяния от однородного удаленного облака: оценка границ применимости II Изв. вузов. Физика - 2013 - Т. 56 - № 8/3 - С. 257-259.

10. Брюханова В.В., Самохвалов И.В., Ни Е.В. Влияние угла поля зрения приемной системы лидара на величину сигнала двукратного рассеяния от капельных облаков // Изв. вузов. Физика - 2013 - Т. 56 - №8/3 - С. 260-262.

11. Bryukhanova V.V., Samokhvalov I.V. Lidar signal model from remote aerosol formations in double scattering approach // VIH-th International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory - Kharkov - 2000 - V. 1 - P. 253255.

12. Bryukhanova V.V., Samokhvalov I.V. Lidar signal structure from remote aerosol formation considering double scattering // Proceedings of SPIE - 2001 - V. 4341 -P. 358-361.

13. Брюханова B.B. Определение фазового состава облаков по состоянию поляризации лидарного сигнала двукратного рассеяния // Материалы IV международного симпозиума «Контроль и реабилитация окружающей среды», Томск-2004.-С. 8-10.

14. Bryukhanova V.V., Doroshkevich А.А., Pirogov N.S. The lidar signal of double scattering from the removed droplet and crystalline clouds // Proceeding of SPIE -V. 6160 - Part 2 - 2006 - p. 61602A1-61602A9.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Креков Г.М., Наац И.Э., Самохвалов И.В. и др. Дистанционные методы исследования атмосферы. - Новосибирск: Наука, 1976. - 160 с.

2. Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Уравнение лазерной локации атмосферы с учетом двукратного рассеяния. // Изв. вузов, Физика — 1975 - № 8 — С. 109113.

3. Самохвалов И.В. Влияние двукратного рассеяния на поляризационные характеристики эхо-сигналов при лазерном зондировании облаков // Изв. АН СССР, ФАО - 1980 - Т. 16 - № 6 - С. 591-600.

4. Зуев В.Е., Кауль Б.В., Самохвалов И.В. и др. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей. - Н.: Наука, 1986. - 188 с.

5. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами - М.: Мир, 1971. - 165 с.

6. Eloranta E.W. Practical model for the calculation of multiply scattered lidar returns // Applied Optics - 1998 - V. 37 - No 12 - P. 2464-2472.

7. Bissonnette L.R., Bruscaglioni P., Ismaelli A., Zaccanti G., Cohen A., Benayahu Y., Kleiman M., Egert S„ Flesia C., Schwendimann P., Starkov A.V., Noormohammadian M., Oppel U.G., Winker D.M., Zege E.P., Katsev I.L., Polonsky I.N. LIDAR multiple scattering from clouds // Applied Physics В -1995 -V. 60-P. 355-362.

8. Зуев B.E. Распространение лазерного излучения в атмосфере. - М.: Радио и связь, 1981.-288 с.

9. Program PolyMie to calculate optical properties of water droplet clouds // INTAS project 01-0239. [Web-сайт]. URL: http://osmf.sscc.ru/--smp/INTAS 01-0239/main.html. (дата обращения 17.05.2011)

10. Chaikovskaya L.I., Zege E.P., Katsev I.L. et al. Lidar return from multiply scattering media in multiple-field-of-view and CCD lidars with polarization devices: comparison of semi-analytical solution and Monte-Carlo data // Applied Optics - 2009 - V. 48 - P. 623-632.

11. Ivanov A.P. Polarization of light and its use in various problems on optics of scattering media // Optics and spectroscopy - 2009 - V. 107 - No. 2 - P. 171-183.

Подписано в печать 22.11.2013 г. Формат А4/2. Ризография . л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 25/11-13 Отпечатано в ООО «Позитив-НБ» 634050 г. Томск, пр. Ленина 34а

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Брюханова, Валентина Владимировна, Томск

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЛИДАРНЫЙ СИГНАЛ В ПРИБЛИЖЕНИИ ДВУКРАТНОГО РАССЕЯНИЯ ОТ УДАЛЕННЫХ АЭРОЗОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

Специальность 01.04.05 - Оптика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук, профессор Самохвалов И.В.

Томск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1 МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ЛИДАРНОГО СИГНАЛА 18

1.1 Уравнение лазерного зондирования 20

1.2 Характеристики рассеивающей среды 22

1.2.1 Коэффициент рассеяния аэрозольных образований 23

1.2.2 Высотная зависимость коэффициента рассеяния 27 атмосферы

1.2.3 Модели индикатрисы рассеяния 29

1.2.3.1 Модели индикатрисы рассеяния капельных 33 облаков

1.2.3.2 Аналитические модели индикатрисы рассеяния 35

1.3 Учет многократного рассеяния в лидарном сигнале на 40 основе уравнения переноса излучения

1.3.1 Метод статистических испытаний 45

1.3.2 Решение уравнения переноса в малоугловом 48 приближении

1.4 Приближение двукратного рассеяния 51 1.4.1 Общая характеристика уравнения лазерного 53

зондирования с учетом двукратного рассеяния

Основные выводы по главе 1 57

Глава 2 ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ 59 ЛИДАРНОГО СИГНАЛА В ПРИБЛИЖЕНИИ ДВУКРАТНОГО РАССЕЯНИЯ

2.1 Анализ методов численного моделирования 59

2.1.1 Исследование особенностей уравнения для мощности 60 лидарного сигнала двукратного рассеяния

2.1.2 Методы численного интегрирования 61

2.1.3 Численная интерполяция табличных данных 65

2.2 Программная реализация вычисления лидарного сигнала 70

двукратного рассеяния

2.3 Влияние микроструктуры аэрозольной среды и длины 73 волны зондирующего излучения на величину лидарного

сигнала двукратного рассеяния

2.4 Зависимость мощности лидарного сигнала двукратного 81 рассеяния от угла поля зрения приемной системы лидара и дальности облака

2.5 Распределение интенсивности двукратного рассеяния в 85 плоскости регистрации лидарного сигнала

Основные выводы по главе 2 89

Глава 3 ЛИДАРНЫЙ СИГНАЛ ДВУКРАТНОГО РАССЕЯНИЯ 91

ОТ УДАЛЕННОГО АЭРОЗОЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

3.1 Мощность лидарного сигнала двукратного рассеяния от 91 удаленного образования произвольной стратификации

3.1.1 Однородное полубесконечное облако 97

3.1.2 Оценка границ применимости полученных 99 выражений

3.1.3 Облачный слой 103

3.2 Оценка лидарного сигнала двукратного рассеяния с 105 использованием аналитической модели индикатрисы

рассеяния

3.3 Декомпозиция мощности лидарного сигнала в 108 приближении двукратного рассеяния

Основные выводы по главе 3 110

Глава 4 ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИДАРНОГО 112 СИГНАЛА В ПРИБЛИЖЕНИИ ДВУКРАТНОГО РАССЕЯНИЯ

4.1 Вектор-параметр Стокса лидарного сигнала 115

4.2 Модели матрицы рассеяния света капельных и 116 кристаллических облаков

4.3 Вектор-параметр Стокса лидарного сигнала двукратного 120 рассеяния

4.4 Степень поляризации лидарного сигнала двукратного 123 рассеяния

4.4.1 Программная реализация вычисления степени 127 поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния

4.4.2 Влияние микроструктуры облачной среды на степень 128 поляризации лидарного сигнала двукратного

рассеяния

Основные выводы по главе 4 131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132

Список использованных источников и литературы 135

Приложение 1. Акт об использовании результатов работы в учебном 156

процессе

Приложение 2. Акт об использовании результатов работы при 157

выполнении НИР

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

При разработке средств контроля за климатическими и экологическими изменениями состояния окружающей среды особое внимание уделяется бесконтактным методам определения параметров среды, обеспечивающим возможность получения необходимых данных с высокой оперативностью и в значительных пространственных масштабах. Указанным требованиям лучше всего отвечают методы дистанционного зондирования атмосферы.

Высокая чувствительность лидаров при обнаружении аэрозолей в атмосфере, хорошее пространственное разрешение и большая оперативность получения данных делают реальной перспективу их использования для исследования динамики развития и распространения облачных образований и трансформации микрофизических характеристик аэрозоля во времени.

Несмотря на почти полувековую историю лидаров, до сих пор не решены многие технические и методические вопросы лазерного зондирования. К числу направлений, все еще нуждающихся в существенной проработке, относится и лазерное зондирование оптически плотных аэрозольных образований, таких как облака, туманы, плотные дымки и т.п. Это объясняется тем, что лидарный сигнал от таких образований обусловлен не только однократным, но и многократным рассеянием (МР), т.е. фотоны, прежде чем попасть в приемную систему лидара испытывают не один акт рассеяния (как в слабых дымках или тонких облаках), а несколько (рисунок 1).

1-ый порядок

От передатчика

К приёмнику

Рисунок 1 - К объяснению многократного рассеяния

Поэтому при зондировании облаков, туманов, плотных дымок мощность лазерного излучения р(г), приходящего из глубины исследуемой среды с расстояния г, складывается из потоков Р(1)(г) энергии всех кратностей рассеяния, поступающих на вход приемной системы лидара

р(г) = р{1)(г) + рт(г)+...+ р{п(г) ,

где г - соответствующая кратность рассеяния.

Для интерпретации данных лидарных экспериментов, как правило, используется уравнение лазерного зондирования (УЛЗ), учитывающее однократное рассеяние. При этом вклад многократного рассеяния рассматривается как помеха, искажающая результаты зондирования.

Явление МР в аэрозольных средах в полной мере описывается уравнением переноса излучения (УПИ), которое до сих пор в общем виде не решено. Наиболее распространены приближенные методы решения УПИ -метод Монте-Карло и метод малоуглового приближения. Эти методы дают достаточно хорошие результаты при решении прямой задачи, т.е. при расчете сигналов обратного рассеяния. В то же время интерпретация данных лазерного зондирования аэрозолей затруднена, т.к. анализ влияния параметров лидара и оптических характеристик среды на пространственную структуру сигнала обратного рассеяния и на интенсивности отдельных кратностей - очень непростая задача.

Исследование закономерностей формирования лидарного сигнала путем численного решения УПИ методом Монте-Карло показывает, что преобладающий вклад в отраженный сигнал при лазерной локации плотных аэрозольных образований с т<3 вносит одно- и двукратное рассеяние [1]. Технические возможности относительно простых современных лидаров таковы, что позволяют принимать сигнал при оптической толще т<4. Таким образом, во многих практически важных случаях лидарный сигнал с достаточной точностью можно описать в приближении двукратного рассеяния и на этой основе решать задачу определения микроструктуры аэрозоля.

Основы теории двукратного рассеяния для описания лидарного сигнала изложены Б.В. Каулем и И.В. Самохваловым в работах [1-3]. Однако, до сих пор имеется много вопросов, связанных с практическим приложением теории к решению задач оперативного контроля состояния атмосферы.

Данная работа посвящена исследованию энергетических и поляризационных характеристик лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния для различных условий постановки и реализации физического эксперимента.

Целью данной работы являются разработка и исследование модели лидарного сигнала двукратного рассеяния от удаленных оптически плотных аэрозольных образований и оценка ее применимости для интерпретации данных лазерного зондирования плотных аэрозольных образований.

Реализация этой цели включала в себя решение следующих задач:

- получение и исследование аналитического выражения лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от удаленных облачных образований различной стратификации;

- программная реализация расчета мощности лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от капельных облаков;

- программная реализация расчета степени поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от капельных облаков и кристаллических облаков;

- исследование влияния оптических и микрофизических характеристик облачной среды и параметров лидара на величину уровня двукратного рассеяния в лидарном сигнале, на параметры распределения интенсивности в плоскости регистрации лидарного сигнала и на состояние поляризации лидарного сигнала двукратного рассеяния.

Для решения поставленных задач использовались основные положения теории Ми и оптики дисперсных сред, вектор-параметрический формализм Стокса, методы математического моделирования. В качестве метода

исследования были выбраны численное моделирование и натурный эксперимент.

Научные положения, выносимые на защиту

3. Степень поляризации лидарного сигнала в приближении двукратного рассеяния от тропосферных облаков, состоящих из монодисперсных хаотически ориентированных гексагональных столбиков и пластинок, не меняется при варьировании глубины зондирования, дальности облака и угла поля зрения приемной системы лидара; от капельных полидисперсных облаков она убывает с глубиной зондирования.

результатами других авторов, а также качественным согласием с данными натурных экспериментов.

Научная новизна результатов работы

Установлено, что вклад траекторий «вперед-назад» и «назад-назад» в лидарный сигнал двукратного рассеяния одинаков. Это позволило получить аналитические выражения для описания лидарного сигнала двукратного рассеяния от удаленного аэрозольного образования в более простом виде.

Впервые получено аналитическое выражение для описания временного запаздывания лидарного сигнала от облачного слоя вследствие многократного рассеяния. Показано, что мощность лидарного сигнала двукратного рассеяния от облачного слоя и величина задержки и определяется нижней границей, мощностью и микроструктурой облачного слоя и углом поля зрения приемной системы лидара.

Научная ценность

Проведенные исследования позволяют выявить особенности формирования лидарного сигнала двукратного рассеяния от удаленных плотных аэрозольных образований, а также оценить влияние геометрической схемы эксперимента, параметров лидара и оптических характеристик среды на

мощность, состояние поляризации и распределение интенсивности лидарного сигнала в плоскости регистрации.

Практическая значимость работы

Использование полученных выражений позволяет повысить точность оценок характеристик помехи обратного рассеяния для оптических локационных систем, работающих в плотных рассеивающих средах, а также оценить предельную пропускную способность канала связи в оптическом диапазоне, использующего в качестве ретранслятора естественное или искусственно созданное облако. Совокупность результатов работы составляет методическую основу разработки лидаров многократного рассеяния.

Использование результатов работы и их внедрение

Результаты работы были использованы при выполнении:

- грантов РФФИ №01-05-65209, 02-05-06343 (MAC), 04-05-64495 (2001-2006г.г.), 08-05-90006-Бел_а (2008-2009), 08-05-13544-офи_ц (2008-2009), №11-05-01200а (2011-2013);

- программы Министерства промышленности, науки и технологий "Содержание уникальных стендов и установок России" (проект "Высотный поляризационный лидар для зондирования атмосферы", per. № 06-21);

- Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме «Проведение исследований в области рационального природопользования с использованием уникальных установок (мероприятие 1.8 Программы) - госконтракты: №02.518.11.7075 от 11 апреля 2007 г.; №02.518.11.7156 от «08» июня

2009г.; №16.518.11.7048 от 12 мая 2011г.; №14.518.11.7053 от 20 июля 2012 г.;

- аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)", проекты №2.1.1/6939 и 2.1.1/13333 «Лазерный мониторинг несферических микрочастиц в тропосфере и нижней стратосфере и исследование механизмов ориентации кристаллов в перистых облаках»;

- Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы «Комплексные исследования климатообразующих факторов и процессов в нейтральной атмосфере и ионосфере оптическими и радиофизическими методами», соглашение №14.В37.21.0612 от 16.08.2012 г.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации докладывались на Байкальской школе по фундаментальной физике "Взаимодействие излучений и полей с веществом" (Иркутск, 1999 г.); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" (Томск, 2000 г.); научной конференции "Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природно-территориальных комплексов западной Сибири" (Горно-Алтайск, 2000 г.); International Conference on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory "MMET-2000" (Kharkov, Ukraine, 2000); the 5-th Russian-Chinese Symposium on Laser Physics and Laser Technology (Tomsk, 2000); Международной конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Новосибирск, 2000 г.); Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2001 г.); Всероссийской научной конференции

"Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами" (Муром, 2001 г.); "Современные проблемы физики и высокие технологии" (Томск, 2003 г.); рабочих группах "Аэрозоли Сибири" (Томск, 2000-2006, 2008 г.г.); Международных школах молодых ученых и специалистов "Физика окружающей среды" (Томск, 2000-2004 г.г.); Международных симпозиумах "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Томск, 2000-2006, 2009, 2011 г.г.); конференции "Оптика и образование" (Санкт-Петербург, 2004 г.); Международных симпозиумах "Контроль и реабилитация окружающей среды" (Томск, 2000, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010 г.г.); Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (2008 г.); Международная научно-техническая конференция «Поляризационная оптика» (Москва, 2008 г.); Всероссийской научной конференция "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред" (Муром, 2009, 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2008, 2010, 2012, 2013 г.г.).

Публикации

Материалы диссертации и основные результаты работы опубликованы в 71 работе, включая 19 статей в отечеств