Разработка и экспериментальная реализация методов измерения параметров упругого рассеяния атмосферы миниатюрными микроимпульсными лидарами

Бухарин, Алексей Владимирович

Разработка и экспериментальная реализация методов измерения параметров упругого рассеяния атмосферы миниатюрными микроимпульсными лидарами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Бухарин, Алексей Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

1999 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка и экспериментальная реализация методов измерения параметров упругого рассеяния атмосферы миниатюрными микроимпульсными лидарами»

Автореферат диссертации на тему "Разработка и экспериментальная реализация методов измерения параметров упругого рассеяния атмосферы миниатюрными микроимпульсными лидарами"

На правах рукописи

РГВ од

Бухарин Алексей Владимирович у ...

" 1 ^

Разработка и экспериментальная реализация методов измерения параметров упругого рассеяния атмосферы миниатюрными микроимпульсными лидарами

Специальность 01.04.01 - Техника физического эксперимента, Физика приборов, автоматизация физических исследований

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2С00

Работа выполнена в Институте космических исследований РАН. Научный руководитель: доктор физико-математических наук

С. М. Першин

Научный консультант: доктор физико-математических наук

О. Б. Бутусов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В. В. ©адеев

кандидат физико-математических наук

А. И. Холодных

Ведущая организация: Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромет.

Защита состоится "17"сЬевраля 2000 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета К 053.05.С21.

Физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, Физический факультет, корпус нелинейной оптики, конференц-зал КНО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета

МГУ.

г.

ВбЯ'Ч. О^ О 3

Ученый секретарь диссертационного совета К 053.05.021 Физического факультета МГУ,

кандидат физико-математических наук, доце

Актуальность темы

В настоящее время одним из наиболее известных способов дистанционного исследования свойств рассеивающих сред в оптическом диапазоне является метод лидарного зондирования. Принцип действия лидара основан на том, что излучение передатчика рассеивается на аэрозолях и детектируется приемным каналом. Интерпретация данных зондирования, как правило, требует определенных предположений относительно оптических свойств среды, задаваемых исследователем или известных априори. Такая необходимость обусловлена наличием в лидарном уравнении трассового профиля одновременно двух параметров: коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции, изначально не известных. Этот фактор не позволяет до сих пор использовать лидар как калиброванное инструментальное средство исследования рассеивающих свойств статистически неоднородных сред.

В этой связи представляет интерес разработка и реализация новых подходов одновременного определения коэффициентов обратного рассеяния и объемного ослабления, один из которых предложен и проанализирован в диссертации.

Известно [1], что коэффициент экстинкции можно измерять импульсным лидаром на трассах конечной длины по сигналу, рассеянному поверхностью тест-объекта. На открытых трассах коэффициент ослабления определяют по искажениям формы огибающей лидарного сигнала из атмосферы. Такие методы используются, как правило, для лидаров с большой, до нескольких джоулей, энергией в импульсе с последующей аппроксимацией затухания лидарного сигнала на основании сделанных предположений о структуре атмосферы. Однако известные нормы на уровень плотности энергии облучения при зондировании среды обитания, например, не более 0,5 мкДж/см2 в видимом диапазоне [2], ограничивают широкое применение мощных лидарных систем для постоянного мониторинга атмосферы.

Перспективными средствами для решения подобных задач в условиях среды обитания являются миниатюрные полупроводниковые лидары. Под миниатюрными здесь подразумеваются лидары, которые могут быть реализованы в переносном, портативном, варианте с массой порядка 1 кг и низковольтным питанием. Такие лидары, как показано в диссертации, несмотря на предельно малую энергию импульса (доли микроджоулей), обеспечивают измерения

флуктуации пропускания атмосферы, высоты облачности и др, детектирование шлейфов несанкционированных или аварийных выбросов токсических веществ в атмосферу.

Оперативное применение подобных миниатюрных лидаров в задачах экологического мониторинга и распространения шлейфов повышает точность прогноза положения их траектории в соответствии с модельными представлениями и позволяет предпринимать адекватные меры заранее или в реальном времени, что является весьма актуальным.

Основная цель работы

Основные цели работы:

теоретическая разработка нового подхода определения связи «экстинкция -обратное рассеяние» при зондировании рассеивающих сред одночастотными лидарами с одновременным приемом сигнала двумя каналами;

теоретический анализ и экспериментальное исследование особенностей формирования сигнала миниатюрных лидаров с безопасным для глаз уровнем излучения, работающих в сугубо статистическом режиме приема сигнала квантовым счетчиком;

применение этих лидаров для зондирования среды обитания, ¡исследования динамики распространения аэрозольных шлейфов и атмосферы Марса.

Научная новизна

1. Предложен и теоретически разработан новый подход к зондированию рассеивающих сред одночастотным лидаром с двумя приемными каналами, имеющими различную трассовую зависимость геометрического форм-фактора. В параксиальном приближении получены функциональные зависимости сигналов обратного рассеяния и их отношения от коэффициента экстинкции в однородной атмосфере.

2. Впервые показано, что при зондировании однородной атмосферы лидаром с двумя приемными каналами, когда фазовыми искажениями зондирующего пучка и многократным рассеянием можно пренебречь, отношение их сигналов может быть использовано для определения коэффициента экстинкции. Показано также, что такая схема позволяет измерять искажения геометрии зондирующего пучка при его распространении в рассеивающей среде.

3. Теоретически и экспериментально обосновано, что рассеивающие среды можно зондировать серией микроимпульсов с энергией в несколько десятков

наноджоулей с квантовым счетчиком в приемном канале, работающем в сугубо статистическом режиме. Получены основные соотношения для преобразования функции распределения фотоотсчетов к линеаризованному виду лидарного сигнала, отражающему физические параметры среды и позволяющему выделять сигнал в случаях, когда отношение сигнал/фон много меньше единицы.

4. Разработан и создан миниатюрный микроимпульсный лидар обратного рассеяния на основе счетчика фотонов и диодного лазера, работающего с большой (2,5 кГц) частотой повторения импульсов с безопасным для глаз (40 нДж/см2) уровнем излучения. Экспериментально показана способность обнаружения аэрозольных шлейфов лидаром с микроджоульными импульсами, измерения динамики высоты облачности до 1000 м и пропускания атмосферы на трассе длиной до 4000 м. Впервые такой лидар был применен в натурных экспериментах по измерению временной модуляции пропускания дымовых шлейфов с целью использования его для настройки траекторной модели, предсказывающей эволюцию шлейфов и карту загрязнения территории со сложным рельефом или городского ландшафта. Показано, что на основе этих данных может быть произведена оценка коэффициента турбулентной диффузии атмосферы.

Практическая значимость

1. Одновременное измерение лидаром с двумя приемными каналами флуктуации сигналов обратного рассеяния вдоль однородных трасс и отношения их интенсивностей позволяет повысить точность калибровочных коэффициентов между лидарным сигналом и параметрами аэрозоля.

2. Теоретически обоснована возможность использования непрерывного лазера в миниатюрном лидаре, имеющем два приемных канала с различными трассовыми зависимостями геометрических форм-факторов, как эталонной пидарной системы для калибровки импульсных лидаров обратного рассеяния на малых трассах зондирования. При этом абсолютное значение лидарных сигналов характеризует коэффициент обратного рассеяния, тогда как отношение их интенсивностей определяет степень однородности зондируемой трассы.

3. Разработан и изготовлен миниатюрный (с массой не более 1 кг) лидар на циодном баАэ лазере (длина волны 884 нм) с безопасным для глаз [международный стандарт - 1,2 мкДж/см2) импульсным излучением (длительность шпульса 100 не с энергией 400 нДж и плотностью 40 нДж/см2 на выходе из

лидара) с одним приемным каналом. Лидар работает в статистическом режиме счета фотонов. Получены аналитические соотношения, удобные в практическом применении.

4. Компактное исполнение лидара, малое энергопотребление (около 10 Вт) и возможность работы в автономном режиме измерений с переносным компьютером делает его весьма перспективным для мониторинга среды обитания без дополнительной, по сравнению с естественной освещенностью, лучевой нагрузки на исследуемый объект. Перечисленные выше параметры лидара позволили ему войти в состав научной аппаратуры посадочного модуля на поверхность Марса.

Защищаемые положения

На защиту выносятся следующие положения:

1. Предложенный и теоретически развитый в работе подход к зондированию рассеивающих сред одночастотным лидаром с двумя приемными каналами, имеющими различную трассовую зависимость геометрического форм-фактора, позволяет определить соотношение между коэффициентами обратного рассеяния и экстинкции в однородной атмосфере, необходимое для решения лидарнсго уравнения обратного рассеяния аналитическими методами.

2. В случаях, когда коэффициентом экстинкции можно пренебречь, величина отношения сигналов обратного рассеяния, измеряемых в двух приемных каналах с различными геометрическими форм-факторами, является индикатором продольной неоднородности среды вдоль трассы зондирования. Это отношение показывает направление градиента продольного изменения концентрации рассеивающих неоднородностей.

3. Предельная точность предложенного метода линеаризации лидарного сигнала детекторами, работающими в режиме счета фотонов с мертвым временем, превышающим длительность строба, определяется количеством сигнальных фотоотсчетов, внутренними источниками шума и нестационарностью регистрируемого излучения. Анализ их вклада может быть проведен на основе формулы Манделя и критерия проверки статистических гипотез.

4. Для определения коэффициента экстинкции лидаром с непрерывным лазером достаточно измерить трассовую зависимость лидарных сигналов от диффузно рассеивающей поверхности с произвольным коэффициентом отражения для каждого из двух приемных каналов лидара.

5. Экспериментально обосновано, что полупроводниковый миниатюрный лидар с безопасным для глаз уровнем излучения, сравнимым или меньшим уровня естественной освещенности, является перспективным инструментом мониторинга среды обитания без ее дополнительного возмущения; его экономичность, компактность и надежность открывают новые возможности таких лидаров в дальних космических экспедициях для исследования атмосферы других планет.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались и обсуждались в материалах международных конференций SPIE's -92, (Сан-Диего, США, 1992 г.), XIII IGARSS-93 (Токио, Япония, Август 1993 г.), Международный аэрозольный симпозиум, (Москва, Март 21-25, 1994 г), SPIE's Europto Symposium, (Мюнхен, Германия, 6-9 Июня 1995 г.), 18 ILRC, Berlin, 22-26 July 1996, Вторая всероссийская научная конференция "Физические проблемы экологии" (Москва, 18-21 апреля 1999 г.), а также на семинарах отдела 62 ИКИ РАН, Физического факультета МГУ и Академии химзащиты.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. В первой главе содержится обзор литературы по теме исследования и теоретический анализ работы миниатюрного безопасного для глаз полупроводникового лидара, а в главах со второй по четвертую излагаются экспериментальные результаты. Объем диссертации -170 страницы, включая 38 рисунков, оглавление и список литературы, состоящий из 124 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Во введении формулируются цели и задачи исследования, показана их актуальность. Отмечается научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы, формулируются выносимые на защиту положения.

касающиеся использования и развития одночастотного лидара для измерения параметров упругого рассеяния. Отмечается необходимость создания миниатюрных лидаров обратного рассеяния для исследования среды обитания с плотностью энергии излучения на объекте исследования, сравнимой с уровнем естественной освещенности.

Особенности миниатюрных лидаров обратного рассеяния с энергией импульса в доли микроджоуля обусловлены тем, что статистически значимый сигнал лидара локализован в ближней зоне зондирования (до сотен метров). Формирование такого лидарного сигнала в значительной степени зависит от протяженности этой зоны, формы импульса и его пространственного размера. Этот фактор не позволяет непосредственно измерять коэффициент экстинкции при зондировании однородных трасс только по спаду лидарного сигнала. Корректное решение этой задачи открывает новые возможности определения связи между коэффициентами обратного рассеяния и экстинкции, необходимой для решения лидарного уравнения.

Предложенный и развитый в работе подход основан на использовании лидара с двумя приемными каналами с различной трассовой зависимостью геометрического форм-фактора и одним приемным отверстием. Оптическая схема такого лидара представлена на рис 1.

Рис. 1. Оптическая схема лидара с двумя приемными каналами. Зондирование среды происходит пучком с угловым размером ср. Рассеянное излучение (см. темная область) проходит через отверстие в плоскости ю(г) и детектируется в расположенных на плоскости наблюдения со(И) точках О и +Я,. Центры рассеяния сосредоточены на расстоянии г от плоскости со(г), / -характерный размер

установки.

Введение второго канала регистрации дает дополнительное уравнение, связывающее параметры атмосферы с лидарным сигналом. Модель работы такого лидара рассмотрена в параксиальном приближении. Дополнительным измеряемым параметром, помимо сигнала обратного рассеяния, является отношение регистрируемых сигналов. Эти сигналы формируются трехмерным объемом зондируемой среды, образованным рассеянием лазерного пучка на микроскопических неоднородностях в ней.

Показано, что отношение сигналов зависит от продольного распределения концентрации рассеивающих центров. Эта зависимость дается интегральным уравнением Фредгольма первого рода. Фактически это уравнение описывает лидарный сигнал при заданной трассовой зависимости геометрического форм-фактора. Уравнение упрощается, когда поперечное распределение интенсивности зондирующего излучения в некотором сечении пучка совпадает с функи/ размытия точки плоскости наблюдения. При этом точечный источник излучена; совмещен с точкой 0 (см. рис. 1), в которой также измеряется интенсивность сигнала, а другой приемник находится в точке +Л.

Рассмотрено приближение, когда ослаблением в среде можно пренебречь, а геометрия зондирующего пучка при распространении его в рассеивающей среде не меняется. Показано, что в этом случае отношение регистрируемых сигналов из однородной атмосферы зависит только от геометрических форм-факторов каждого из приемных каналов лидара. При наличии в среде ослабления и рассеивающих неоднородностей вдоль трассы зондирования это отношение изменяется. Отсюда можно непосредственно получить коэффициент экстинкции при соответствующей калибровке лидарной системы.

Абсолютная калибровка такой системы для измерения коэффициента обратного рассеяния аналогична соответствующей калибровке импульсного лидара упругого рассеяния с использованием поверхностей с известными коэффициентами отражения. Заметим, что для измерения коэффициента экстинкции достаточно использовать любые диффузно-рассеивающие поверхности с произвольным коэффициентом отражения. В этом случае достаточно измерить трассовую зависимость обратных сигналов и их отношения от диффузно-рассеивающих поверхностей.

Отличительной особенностью предложенного способа является то, что при измерении коэффициента экстинкции не используется регрессионный анализ, характерный для метода однородных трасс. Реализация данного способа может привести к повышению точности определяемого коэффициента экстинкции на малых трассах по сравнению с лидаром с одним приемным каналом.

Показано, что для лидара с двумя приемными каналами и коаксиальной схемой зондирования зависимость отношения сигналов от коэффициента экстинкции имеет максимальные углы наклона в области а'<1е1, так как \dle/da\ максимально в этой области, здесь а - показатель ослабления, а 1е, характеризует размер ближней зоны лидара. При этом угловые параметры пучка на- выходе из канала передатчика должны совпадать с полем зрения приемного канала.

Отмечено, что рассматриваемая лидарная система с двумя приемными каналами может быть реализована как с импульсными, так и с непрерывными лазерами.

Во второй главе рассмотрен принцип работы миниатюрного полупроводникового лидара.

Макет лидара был разработан как основа лидара-альтиметра для исследования атмосферы Марса и рельефа его поверхности с дрейфующего баллона при подготовке проекта "Марс-92/94". Масса приемо-передающего блока не более 1 кг при размерах корпуса 230x150x75 мм. Энергопотребление прибора не превышает 5 Вт.

В передающем канале лидара используется GaAs полупроводниковый лазер ЛПИ-101 (длина волны 884 нм) с излучающей областью 1x1000 мкм, что создает несимметричную расходимость пучка ~фххфу=10"1х10 мрад на выходе из объектива с фокусным расстоянием 120 мм. Длительность импульса по уровню 0,1 составляет 120 не с энергией 0,4 мкДж в импульсе. Частота повторения импульсов - 2,5 кГц.

Для передающего канала с выходной апертурой 40 мм излучение является безопасным для глаз, так как плотность энергии в импульсе 40-10"9 Дж-см"2 много меньше 1,2-10"6 Дж см"2 общепринятого стандарта ANSI Z136.1 (American National Standard Institute).

В приемном канале лидара применяется кремниевый лавинный фотодиод SPAD (Single Photon Avalanche Diode) с чувствительной областью ~40 мкм,

работающий непосредственно в однофотонном режиме без ислользовния предусилителей [3]. Приемный канал имеет поле зрения ~фх=фу~1 мрад., фокусное расстояние у линзы в приемном объективе составляет 65 мм. В нашем случае поле зрения приемника охватывает около -0,1 части пучка, сформированного каналом передатчика, что приводит к низкому КПД лидара. При таком неоптамальном соотношении поля зрения и расходимости пучка учет аберрационных эффектов становится менее существенным, чем для большинства существующих лидарных систем.

Принцип действия лидара. Пусть приемник открывается синхронно с импульсом лазера в течение некоторого времени Т (строба) до момента срабатывания. Разделим строб Т на ячейки длительностью т=33 не, что соответствует пространственному разрешению 5 м вдоль трассы зондирования. Поскольку мертвое время детектора превышало 300 не, то был выбран режим работы, при котором в течение времени Т детектор может зарегистрировать только один сигнальный или шумовой фотоотсчет. Для получения статистически значимой физической информации в стробе необходимо делать большое число включений лазера. В результате таких измерений лидарный сигнал представляет собой в общем случае гистограмму сигнальных и шумовых фотоотсчетов. Такая гистограмма, по сути дела, является функцией распределения фотоотсчетов по интервалам (рис. 2,а).

Для обработки лидарного сигнала в работе был развит математический аппарат, позволяющий преобразовать гистограмму, полученную для реального счетчика, в гистограмму идеального счетчика с нулевым мертвым временем. Эта гистограмма адекватно отражает физические параметры исследуемой среды. Опуская промежуточные выкладки, приведем основные соотношения для перехода от функции распределения фотоотсчетов по интервалам к идеальным гистограммам. Соответствующие выражения для текущего значения фотоотсчетов в ячейке и их дисперсии приведены ниже:

( NN (О.*) ^ / ' ' {N-N¡(£12)) 7 2 ......к" (2)

Здесь Л^/Ц^/М - вероятность регистрации фотоотсчета в ¿-ой ячейке реальным счетчиком, Щ£2¿1 - число фотоотсчетов, зарегистрированное реальным счетчиком в 1-ом канале, N¡(£3/) - число фотоотсчетов, зарегистрированное идеальным счетчиком, а Л1- число стартовых импульсов лазера.

Первичная обработка измеряемых гистограмм, согласно приведенному выше алгоритму, реализована в лидаре программно. В дальнейшем анализ лидарного сигнала и фона производится только по линеаризованным гистограммам. Пример процедуры линеаризации (1)-(2) представлен на рис. 2,6.

номер ячейки

Рис 2,а. Характерный пример реальной гистограммы, полученной при детектировании лидарного сигнала счетчиком, мертвое время которого превышает

длительность строба.

АТО

Рис 2,6. Гистограмма, полученная после первичной обработки гистограммы (см. рис. 2,а) с использованием соотношений (1)-(2).

Проведен анализ оптимизации длительности строба для выбранного режима работы детектора по относительной погрешности фотоотсчетов, обусловленных собственными шумами и фотонами внешней засветки. Показано, что при заданной длительности строба минимальное значение относительной погрешности составляет 5—1,3-10~3 при 1 024 ООО стартовых импульсов лазера, что соответствует динамическому диапазону 5"'~800. При этом длительность строба следует выбирать так, чтобы среднее число срабатываний составляло Учитывая, что длительность строба в лидаре может меняться в пределах от 0,5 до 4 мкс, динамический диапазон при измерении только шумовых фотоотсчетов составляет 8''~2000. Отсюда следует, что лидар можно применять в качестве фотометра для измерения потока фотонов внешней засветки в пассивном режиме измерений, а также сигнальных фотоотсчетов при использовании непрерывных лазеров в двухканальной схеме зондирования.

При регистрации сигнальных фотоотсчетов в активном режиме зондирования минимальная относительная погрешность в определении площади под огибающей лидарного сигнала определяется числом накопленных фотоотсчетов (временем интегрирования) и достигается в том случае, когда лидарный сигнал сосредоточен в начале строба. Если сигнал находится в конце строба, то относительная погрешность сигнала увеличивается, так как количество сигнальных фотоотсчетов экспоненциально спадает. При этом показатель спада экспоненты линейно возрастает с увеличением частоты регистрации фотоотсчетов, обусловленных внешним фоном. Этот эффект вызван тем, что измеряемые гистограммы являются функциями распределения по иг; овалам для ячеек реальной гистограммы.

Исследование дополнительных источников шума детектора проводилось с использованием критерия согласия у?. При этом для их описания применялась формула Манделя. Было обнаружено, что вклад дополнительных источников шума при ~106 стартовых импульсов лазера не превышает 40% от значения дисперсии внутренних шумовых фотоотсчетов для нормального распределения.

Отдельно рассмотрен и проанализирован фактор влияния нестационарности фонового излучения за время одного измерения на форму восстановленных гистограмм. Показано, что если среднее значение интенсивности в течение измерения сугубо нестационарно и флуктуирует по гауссовскому закону со средним квадратичным отклонением порядка 20% от среднего значения, то максимальное искажение в каналах фоновой гистограммы не превышает 4%.

Для минимизации влияния дополнительных источников шума и нестационарное™ внешнего фона реализована схема регистрации фона поочередно с сигналом.

В третьей главе изложены результаты анализа способов калибровки аэрозольного лидара и данные экспериментальной реализации одного из них, наиболее применимого для калибровки миниатюрного лидара.

Отмечается, что наиболее известными способами калибровки лидаров являются определение соответствия между лидарным сигналом и коэффициентом обратного рассеяния от аэрозольных образований с известными параметрами упругого рассеяния, производимых специальными генераторами, или измерение

лидарного сигнала от мишеней с известными угловыми коэффициентами отражения.

Проведен анализ формирования лидарного сигнала на коротких дистанциях, когда длительность лидарного отклика из атмосферы сравнима с длительностью лазерного импульса. Отмечены некоторые особенности измерения калибровочных коэффициентов, связывающих лидарный сигнал с коэффициентом обратного рассеяния в этом случае. Поскольку для ближней зоны лидарный сигнал существенным образом зависит от эффективного диаметра приемной апертуры, форм-фактора, длительности и формы лазерного импульса, а для дальней зоны (где лидарный сигнал убывает по закону К2 ) число сигнальных фотоотсчетов в нашем случае на гистограмме не велико (даже при большом числе включений лазерного импульса) предложена модификация метода калибровки лидара. Этот метод, основанный на восстановлении формы лидарного сигнала в однородной атмосфере из трассовой зависимости площади лидарного сигнала от диффузно рассеивающей поверхности заключается в следующем:

— измеряется трассовая зависимость лидарного сигнала от диффузно рассеивающей поверхности с известным коэффициентом отражения;

— анализируется свертка трассовой зависимости лидарного сигнала с формой лазерного импульса.

В этом случае для всей трассы зондирования справедливо выражение для расчета коэффициентов калибровки К,:':

-т^КГ'р^Я,;/]), К'1 = ,

стР(0/,р;1)/ стР^пР'О/

где Р(0]-,р;1)/- свертка трассовой зависимости лидарного сигнала от диффузно рассеивающей поверхности, находящейся на расстоянии го, с коэффициентом отражения р; с - скорость света; т- длительность ячейки строба; К,:' -коэффициент калибровки; - среднее число зарегистрированных

сигнальных фотоотсчетов в /-ой ячейке гистограммы при зондировании однородной атмосферы с коэффициентом обратного рассеяния /?.

В эксперименте получены значения калибровочных коэффициентов на расстояниях от лидара 60 м. Минимальное значение калибровочный коэффициент достигает для слоев, находящихся на 15-20 м. Так, для слоя 15 м (5-я ячейка)

калибровочный коэффициент составляет 2,5-10"4 м"1 ср"1 (погрешность - 7,3%). На расстоянии 60 м значение калибровочного коэффициента увеличивается до 2,6-Ю"3 (8%) м"1 ср"1.

Известно, что наиболее подходящим местом для проверки калибровки по профилю коэффициента обратного рассеяния в однородной атмосфере является воздушная среда над большими аодными пространствами, крупными водохранилищами, заливами при некотором удалении от береговой линии. В литературе отмечается однородность рассеивающих свойств на таких трассах до 300 м.

При зондировании атмосферы с борта теплохода над Иваньковским водохранилищем на р. Волга получено значение коэффициента обратного рассеяния -7,8-10"7 м"1 ср"1 (11%), что приблизительно в 4 раза превышает сигнал на молекулах воздуха. Измерения лидарного сигнала с дистанции -60 м и более производятся с точностью не лучше 20% при ~106 импульсов включения лазера. При этом общее число сигнальных фотоотсчетов составило 19322(1%), а максимальное значение достигается в 5-ом канале (15 м) и составляет 3722(2%).

Таким образом, при 106 стартовых импульсов лазера такой лидар позволяет регистрировать сигнал на молекулах воздуха в ближней зоне до 40 м., начиная с 2-10"7 м"1 ср"1 с точностью 12%.

Как было указано выше, калибровка импульсного лидара сопряжена с определенными проблемами формирования сигнала в переходное; области. Поэтому в работе предложен и теоретически проанализирован новый подход калибровки импульсного лидара с помощью лидара с непрерывным диодным лазером, имеющим два приемных канала. Показано, что непрерывный лидар имеет больший динамический диапазон и упрощается проблема, связанная с формированием сигнала в ближней зоне.

Весьма важным фактором для учета погрешностей в измеряемом коэффициенте обратного рассеяния является то, что лидар с двумя приемными каналами позволяет измерять искажения геометрии зондирующего пучка при его распространении в рассеивающей среде.

В четвертой главе рассмотрены наиболее характерные и часто встречающиеся на практике примеры зондирования объектов лидаром обратного рассеяния.

Проведен анализ предельной дальности зондирования данным миниатюрным импульсным лидаром топографических объектов. Экспериментально зарегистрирован сигнал от топографического объекта, находящегося на расстоянии 3800 м, по критерию 5а.

Экспериментально показана возможность регистрации невидимой в ночных условиях нижней границы облачности на высоте 800 .м. При этом отношение сигнал/шум было равно 22, что позволяет оценить максимальную высоту обнаружения нижней границы облачности до ~3000 м по критерию За.

Одним из наиболее удачных примеров использования миниатюрных лидаров обратного рассеяния с безопасным для глаз уровнем излучения является его применение для мониторинга дымовых шлейфов, используемых как аэрозольные завесы.

Эксперимент проводился на специальном полигоне под Москвой с использованием дымовых шашек как источников аэрозоля. Лидарный сигнал состоял в основном из трех максимумов. Первый максимум был обусловлен рассеянием лазерных фотонов в атмосфере, непосредственно прилегающей к лидару, второй - рассеянием лазерных фотонов от шлейфа, третий - рассеянием лазерных фотонов поверхностью тест-объекта, расположенного за шлейфом. Все эти максимумы располагались на подложке от регистрации фотонов внешней засветки, площадь которой была пропорциональна яркости аэрозольной завесы. Получена временная зависимость этих сигналов. Показано, что порог прозрачности аэрозольной завесы можно задавать как по сигналу от дымовой завесы, так и по фону. Все эти параметры коррелируют между собой с коэффициентом корреляции, близким к единице.

В отличие от существующего метода измерения окон прозрачности с помощью фотометра лидарный метод позволяет детектировать окна прозрачности заметно ниже уровня визуальной видимости тест-объекта. При этом лидар дает информацию также о продольном распределении концентрации аэрозольных частиц вдоль линии наблюдения для дымовых завес.

Следует заметить, что данные временной динамики и пространственной модуляции плотности дымовой завесы вдоль линии зондирования необходимы для проверки и настройки траекторных моделей распространения аэрозолей над поверхностью со сложным рельефом или в условиях городского ландшафта. В

работе рассматривается вариант модели, разработанной Бутусовым О. Б. [4]. Была сделана оценка временного масштаба автокорреляции Лагранжа по данным лидарных измерений, который входит как настроечный параметр в траекторную модель. Временной масштаб автокорреляции Лагранжа, помноженный на средний квадрат скорости ветра, дает коэффициент турбулентной диффузии. Наилучшей аппроксимации модели соответствует значение временного масштаба автокорреляции Лагранжа - 11 с (15%), который позволяет проводить классификацию состояния атмосферы. Коэффициент турбулентной диффузии (в эксперименте 25 м2/с ) характеризует процесс разь.ггия и динамику аэрозольного "образования.

Отметим, что данная траекторная модель дает прогноз траектории шлейфа, а также динамически устойчивых мест накопления аэрозоля повышенной концентрации. В этом случае миниатюрный лидар может быть использован также для поиска и идентификации таких мест, что особенно важно для экологического мониторинга в условиях города.

Наиболее характерным примером измерения коэффициента пропускания атмосферы является эксперимент на трассе с топографическим отражателем на конце при сильно неустойчивых метеоусловиях. Оценка отношения максимальных значений коэффициентов обратного рассеяния и ослабления дала величину 0,02 ср"1. При этом значение коэффициента ослабления было найдено по флуктуациям сигнала, рассеянного поверхностью здания, и соответствовало а=1,2-Ю"3 м"1. Изменение коэффициента обратного рассеяния в диапазоне от 4,5-Ю"6 до 2,7-10"6 м"1 ср"1 было обусловлено модуляцией пропускания атмосферы в ходе суточного эксперимента.

Приведенные выше результаты исследования работы микроджоульного миниатюрного лидара были использованы при создании варианта прибора, установленного на борт посадочного модуля по проекту HACA Mars Polar Lander-99.

В заключении представлены основные выводы диссертационной работы.

1. Предложен и теоретически обоснован метод измерения коэффициента ослабления среды лидаром с двумя приемными каналами, имеющими различную

трассовую зависимость геометрического форм-фактора. Сформулированы критерии, определяющие оптимальные параметры такого лидара.

2. Впервые обоснован метод калибровки как импульсных, так и непрерывных миниатюрных лидаров обратного рассеяния с двумя приемными каналами с различной трассовой зависимостью геометрического форм-фактора. При этом сигналы характеризуют коэффициент обратного рассеяния, а отношение их интенсивностей - однородность среды вдоль зондируемой трассы.

3. Экспериментально реализован лидар на импульсном GaAs лазере (длина волны 884 нм) с безопасным для глаз уровнем излучения, в котором выходная плотность энергии в импульсе составляет 40 нДж/см2, при максимально допустимой 1,2 мкДж/см2. При числе лазерных импульсов до 10® такой лидар позволяет измерять сигнал по критерию За при отношении сигнал/фон существенно меньше единицы ( до 10"2) с расстояния до сотен метров. Экспериментально зарегистрирована нижняя граница облачности на высоте 800 м с отношением сигнал/шум, равным 22, а топографические объекты - на дальности 3,8 км с отношением сигнал/шум, равным 4.

4. Разработан метод калибровки миниатюрных лидаров и получен набор коэффициентов, связывающих лидарный сигнал с продольным профилем коэффициента обратного рассеяния в однородной атмосфере. В отсутствие фона лидар может регистрировать сигнал на уровне молекулярного рассеяния, начиная с 10"7 м"1 ср"1 с погрешностью 12% за 10s лазерных импульсов.

5. Экспериментально обоснован метод измерения динамики модуляции прозрачности аэрозольных шлейфов в турбулентной атмосфере миниатюрным лидаром с целью получения коэффициента автокорреляции Лагранжа в модели трансграничного переноса аэрозолей.

Компактное исполнение лидара, малое энергопотребление (около 10 Вт) и возможность работы в автономном режиме делают его весьма перспективным для мониторинга среды обитания без дополнительной, по сравнению с естественной освещенностью, лучевой нагрузки на исследуемый объект. Разработанный в ИКИ РАН на его основе бортовой лидар обратного рассеяния включен в международный проект Mars Polar Lander-99 исследования атмосферы Марса.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Pershin S., Linkin V., Bukharin A., Patsaev D„ Prochazka I., Hamal K. Portable nanoJoule backscatter lidar for invironmental sensing.// Proceeding International Conference of SPIE's. San Diego. 1992. V. 1752. P. 293.

2. Pershin S., Linkin V., Bukharin A.., Makarov V., Kouki Т., Prochazka I. Backscatter Lidar-ceilometer: instrument for atmospheric aerosol and cloud sounding.// Proceeding of XIII Internationa! Symposium IGARSS-93. Tokyo, Aug. 20. 1993. V. II. P. 462-464.

3. Pershin S., Linkin V., Bukharin A., Makarov V., Kouki Т., Prochazka I., Kuznetsov V. Compact eye-safe Lidar for environmental media monitoring.// SPIE's Special issue "Optical Monitoring of the Environment". 1993. V. 2107. P. 336-362.

4. А. В. Бухарин, С. M. Першин. Теоретическое рассмотрение лидара обратного рассеяния с безопасным для глаз уровнем излучения.// Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. №4. С. 521-537.

5. С. М. Першин, А. В. Бухарин, и др. Калибровка аэрозольного лидара с квантовым счетчиком и регистрация атмосферных неоднородностеР).// Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. №4. С. 538-547.

6. С. М. Першин, А. В. Бухарин и др. Пространственно-временной профиль аэрозольного загрязнения над Волгой.// Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. №4. С. 548-555.

7. О. Б. Бутусов, С. М. Першин, А. Б. Бухарин, А. А. Баранов. Оперативное прогнозирование распространения аэрозольных облаков при аварийных выбросах в условиях городской среды или сложного рельефа. Теория. Лидарный натурный эксперимент. Препринт ИКИ РАН. 1995. Пр-1911. 48 с.

8. Pershin S., Butusov О., Bukharin A. Computer and Lidar aided monitoring of industrial sources of aerosol-polluted zones in city. // Proceeding of SPIE's Europto Symposium. Munich. June 6-9.19S5. V. 2506.

9. Pershin S., Bukharin A., Gotlib V., Linkin V., Lipatov A. A compact 500g Lidar for the Mars Surveyor Lander-98. // Proceeding of the XX Europe Geophysical Society Symposium. EGS-96. Hague, May 1996. V.14. Part III. Planetary Science. P. 829.

10. Bucharin A., Ljash A., Nekhaenko V., Pershin S. Detecting nonstationary processes by aerosol lidar with quantum counter.// Proceedings International Aerosol Symposium. Moscow. 1994. March 21-25. P 124-127.

11. А. В. Бухарин, А. Н. Ляш, А. В. Белян, С. М. Лершин, Г. П. Арумов. О возможности определения коэффициента ослабления в рассеивающей среде по отношению интенсивностей в двух приемных каналах с перекрывающимися полями зрения в режиме активной подсветки. Препринт ИКИ РАН. 1999. Пр-2005. 25 с.

12. Bukharin A., Linkin V., Lipatov A., Lyash A., Makarov V., Pershin S., Tiurin A. Russian compact Lidar for NASA "Mars Surveyor Program 98"// Materials of 19m International Laser Radar Conference. Annapolis. Maryland. July- 1998. P. 241 - 244.

Цитируемая литература

1. Jorgensen H.E., Mikkerelsen Т., Streicher J., Herrmann H., Werner C., Lyck E. // Lidar calibration experiments. Appl. Phys. B64. 1997. V.64. P.355-361.

2. Sliney D. Laser safety concepts are changing.// Laser Focus World. May 1994, P. 185.

3. Pershin S., Linkin V., Makarov V., Prochaska I., Hamal K.. Spaceborne laser altimeter based on the single photon diode receiver and semiconductor laser transmitter.// Proc. of the CLEO' 91. Paper CFI 10. Advanced Program. P 120.

4. О. Б. Бутусов Упрощенная модель для описания распространения загрязнения в условиях сложного рельефа или городской застройки. // География и природные ресурсы. 1994. №4. С. 134-139.

РотапринтИКИ РАН 055(02)2 Москва, 117810, Профсоюзная 84/32.

Подписано к печати 8.09.99

Заказ Jë98 Формат 70x108/32 Тираж 100. 1 уч.-изд. л.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Бухарин, Алексей Владимирович

Введение.

Глава 1. Теоретический анализ зондирования рассеивающих сред узкими пучками света.

1.1 Лидарный метод исследования рассеивающих сред.

1.2 Постановка задачи для схемы зондирования с двумя приемными каналами.

1.3 Вывод основных соотношений в параксиальном приближении.

1.4 Случай непрерывной подсветки среды точечным источником.

1.5 Случай импульсной подсветки объема точечным источником.

1.6 Зависимость отношения интенсивностей сигналов от положения зондируемой поверхности.

1.7 Зависимость отношения интенсивностей сигналов от коэффициента экстинкции.

1.8 Отношение интенсивностей как индикатор однородности рассеивающей среды.

1.9 Влияние коэффициента экстинкции на суммарный лидарный сигнал из атмосферы для предложенной схемы зондирования.

1.10 Применимость предложенной схемы зондирования.

Выводы к 1-ой главе.

Глава 2. Особенности зондирования рассеивающих сред миниатюрным полупроводниковым лидаром.

2.1 Описание миниатюрного лидара.

2.2. Безопасный для глаз уровень излучения.

2.3 Особенности формирования сигнала на лидаре с квантовым счетчиком. Постановка задачи.

2.4 Вывод основных соотношений.

2.5 Зависимость относительной погрешности линеаризованных шумовых фотоотсчетов от длительности строба.

2.6 влияние степени нестационарности внешнего фонового излучения на форму восстановленных гистограмм.,.

2.7 Оценка вклада дополнительных источников шума в погрешность измерений сигнала.

2.8 Принцип действия полупроводникового лидара с квантовым счетчиком в приемном канале.

Выводы ко 2-ой главе

Глава 3. Калибровка миниатюрного лидара с квантовым счетчиком в приемном канале.

3.1 Теоретическое рассмотрение калибровки миниатюрного лидара.

3.2 О влиянии длительности лазерного импульса на форму лидарного сигнала из атмосферы.

3.3 Постановка эксперимента.

3.4 Эксперимент.

3.5 Обсуждение результатов калибровки.

3.6 Общая схема абсолютной калибровки лидара.

3.7 Калибровка миниатюрных лидарных систем с двумя приемными каналами.

Выводы кЗ-ей главе.

Глава 4. Использование лидара для зондирования аэрозольных образований.

4.1 Предельная дальность зондирования топографических объектов.

4.2. Лидарное зондирование в коридоре здания.

4.3 Использование лидара для оперативного прогнозирования динамики развития и распространения аэрозольных шлейфов.

4.4 Наблюдение крупномасштабных изменений параметров упругого рассеяния среды вдоль всей трассы зондирования.

4.5 Другие примеры использования лидара.

Выводы к 4-ой главе.

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка и экспериментальная реализация методов измерения параметров упругого рассеяния атмосферы миниатюрными микроимпульсными лидарами"

В настоящее время одним из наиболее известных способов дистанционного исследования свойств рассеивающих сред в оптическом диапазоне является метод лидарного зондирования. Принцип действия лидара основан на том, что излучение, сформированное каналом передатчика, рассеивается на статистических неоднородностях и детектируется приемным каналом. Интерпретация данных зондирования, как правило, требует определенных предположений относительно оптических свойств таких сред, задаваемых исследователем или известных априори [1]. Такая необходимость обусловлена наличием в лидарном уравнении трассового профиля одновременно двух параметров: коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции, изначально не известных. Этот фактор не позволяет до сих пор использовать лидар как калиброванное инструментальное средство исследования рассеивающих свойств статистически неоднородных сред.

Известно [2], что коэффициент экстинкции можно определять импульсным лидаром на трассах конечной длины по сигналу, рассеянному поверхностью объекта. При этом весьма актуальным является определение степени однородности трассы, так как сигнал обратного рассеяния из атмосферы сосредоточен на малых дистанциях от лидара, тогда как топографический объект должен находиться на значительном удалении от лидара. Связано это с необходимостью перекрытия динамических диапазонов измеряемых сигналов из атмосферы и топографической мишени. Для подобной схемы зондирования необходима дополнительная информация о физических свойствах зондируемой среды, например, о направлении ветровых потоков во время измерений. Наиболее известным из методов зондирования на трассах с фиксированной дальностью является метод наклонных трасс [1]. Для его применения требуется однородность трассы в различных направлениях в течение времени измерения.

Для открытых трасс коэффициент ослабления определяют только по искажениям формы огибающей лидарного сигнала из однородной атмосферы. В методе однородных трасс используется регрессионный анализ для получения коэффициента ослабления, что зачастую приводит к большим погрешностям результата. Поэтому метод однородных трасс применяется для грубой оценки коэффициента ослабления. Этот метод используется, как правило, для лидаров с большой, до нескольких джоулей, энергией в импульсе с последующей аппроксимацией затухания лидарного сигнала на основании сделанных предположений о структуре атмосферы. Однако, известные нормы на уровень плотности энергии облучения при зондировании среды обитания, например, не более 0.5 мкдж/см2 в видимом диапазоне [3], ограничивают широкое применение мощных лидарных систем для постоянного мониторинга рассеивающих сред. Остальные методы предполагают восстановление трассового профиля рассеивающих параметров среды вдоль трассы зондирования [1]. Для этого необходимо знать связь между коэффициентами обратного рассеяния и ослабления, которую характеризует лидарное отношение. Коэффициент обратного рассеяния позволяет определить аэрозольную составляющую в лидарном сигнале, а лидарное отношение дать информацию об индикатрисе рассеяния. В некоторых случаях коэффициент обратного рассеяния может быть использован как индикатор концентрации аэрозоля в атмосфере.

Дополнение лидаров вторым приемным каналом позволяет призводить поляризационные [4-5] и спектральные измерения [6-9] с последующим определением физических свойств аэрозольных частиц и содержания различных составляющих в атмосфере. Так, например, содержание газовых компонент можно определить по линиям поглощения [10]. В этом случае реализация лидарного зондирования в мобильном портативном варианте позволит качественно расширить диапазон применения лидарных средств для экологического мониторинга атмосферы земли. Весьма перспективным является использование таких лидаров для исследования атмосфер планет солнечной системы [11].

В условиях среды обитания для решения многих задач могут быть эффективно использованы миниатюрные полупроводниковые лидары с безопасным для глаз уровнем излучения. Под миниатюрными здесь подразумеваются лидары, соответствующие характерным требованиям на бортовые приборы, предназначенные для исследования планет, и которые могут быть реализованы в переносном, портативном, варианте с весом порядка 1 кг и низковольтным питанием. Такие лидары, как показано в диссертации, несмотря на предельно малую энергию импульса (доли микроджоулей), обеспечивают измерения флуктуаций пропускания атмосферы на ограниченных трассах длиной до нескольких километров.

Очевидно, что для таких лидаров сигнал сосредоточен на относительно малых трассах зондирования, на которых требования однородности могут выполняться гораздо чаще, чем для лидаров, дальность зондирования которых превышает несколько километров. Это приводит к трудностям в определении показателя ослабления на открытых трассах зондирования по спаду огибающей лидарного сигнала. Отсюда вытекает актуальность разработки других методов определения показателя ослабления, один из которых теоретически рассмотрен в диссертации.

Для практической реализации предложенного метода следует рассмотреть особенности формирования сигнала обратного рассеяния, а так же факторы, влияющие на точность и динамический диапазон измеряемых параметров для миниатюрных безопасных для глаз лидаров с одним приемным каналом.

Экспериментально реализованная на его основе схема лидарного мониторинга на трассах с фиксированной дальностью может применяться для исследования динамики пропускания аэрозольных шлейфов от локальных источников. Подобные измерения применимы для настройки параметров траекторных моделей трансграничного переноса аэрозоля. Эти модели предсказывают пространственное распределение загрязнений над территорией со сложным рельефом или в городе в случаях несанкционированных или аварийных выбросов токсических веществ в атмосферу. Оперативное применение подобных миниатюрных лидаров в задачах экологического мониторинга повышает точность прогноза траектории распространения шлейфа [12].

Основная цель работы

Основные цели работы: теоретическая разработка нового подхода определения связи «экстинкция - обратное рассеяние» при зондировании рассеивающих сред одночастотными лидарами с одновременным приемом сигнала двумя каналами; теоретический анализ и экспериментальное исследование особенностей формирования сигнала миниатюрных лидаров с безопасным для глаз уровнем излучения, работающих в сугубо статистическом режиме приема сигнала квантовым счетчиком; применение этих лидаров для зондирования среды обитания, исследования динамики распространения аэрозольных шлейфов и атмосферы Марса.

Научная новизна

3. Теоретически и экспериментально обосновано, что рассеивающие среды можно зондировать серией микроимпульсов с энергией в несколько десятков наноджоулей с квантовым счетчиком в приемном канале, работающем в сугубо статистическом режиме. Получены основные соотношения для преобразования функции распределения фотоотсчетов к линеаризованному виду лидарного сигнала, отражающему физические параметры среды и позволяющему выделять сигнал в случаях, когда отношение сигнал/фон много меньше единицы.

Практическая значимость

2. Теоретически обоснована возможность использования непрерывного лазера в миниатюрном лидаре, имеющем два приемных канала с различными трассовыми зависимостями геометрических форм-факторов, как эталонной лидарной системы для калибровки импульсных лидаров обратного рассеяния на малых трассах зондирования. При этом абсолютное значение лидарных сигналов характеризует коэффициент обратного рассеяния, тогда как отношение их интенсивностей определяет степень однородности зондируемой трассы.

3. Разработан и изготовлен миниатюрный (с массой не более 1 кг) лидар на диодном ОаАэ лазере (длина волны 884 нм) с безопасным для глаз (международный стандарт - 1,2 мкДж/см2) импульсным излучением (длительность импульса 100 не с энергией 400 нДж и плотностью 40 нДж/см2 на выходе из лидара) с одним приемным каналом. Лидар работает в статистическом режиме счета фотонов. Получены аналитические соотношения, удобные в практическом применении.

Защищаемые положения

На защиту выносятся следующие положения:

1. Предложенный и теоретически развитый в работе подход к зондированию рассеивающих сред одночастотным лидаром с двумя приемными каналами, имеющими различную трассовую зависимость геометрического форм-фактора, позволяет определить соотношение между коэффициентами обратного рассеяния и экстинкции в однородной атмосфере, необходимое для решения лидарного уравнения обратного рассеяния аналитическими методами.

3. Предельная точность предложенного метода линеаризации лидарного сигнала детекторами, работающими в режиме счета фотонов с мертвым временем, превышающим длительность строба, определяется количеством сигнальных фотоотсчетов, внутренними источниками шума и нестационарностью регистрируемого излучения. Анализ их вклада может быть проведен на основе формулы Манделя и критерия х2 проверки статистических гипотез.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе проведен обзор, в котором обосновывается актуальность использования малогабаритных безопасных для глаз лидарных систем с малым энергопотреблением. Рассмотрены основные оптические схемы и функциональные возможности существующих лидарных систем и проблемы, касающиеся использования и развития одночастотного лидара для измерения параметров упругого рассеяния. Отмечается необходимость создания миниатюрных лидаров обратного рассеяния для исследования среды обитания с плотностью энергии излучения на объекте исследования, сравнимой с уровнем естественной освещенности.

Во второй части первой главы предложен и развит подход, основанный на использовании лидара с двумя приемными каналами с различной трассовой зависимостью геометрического форм-фактора и одним приемным отверстием.

Показано, что отношение сигналов зависит от продольного распределения концентрации рассеивающих центров и коэффициента экстинкции. Эта зависимость дается интегральным уравнением Фредгольма первого рода. Уравнение упрощается, когда поперечное распределение интенсивности зондирующего излучения в некотором сечении пучка совпадает с функцией размытия точки плоскости наблюдения.

Во второй главе рассмотрен принцип работы миниатюрного полупроводникового лидара.

В первой части второй главы описан макет полупроводникового безопасного для глаз лидара, который был разработан как основа лидара-альтиметра для исследования атмосферы Марса и рельефа его поверхности с дрейфующего баллона при подготовке проекта "Марс-92/94". Приводятся основные технический характеристики такого лидара.

Приводится принцип действия такого лидара. Для обработки лидарного сигнала в работе был развит мaтeмafичecкий аппарат, позволяющий преобразовать гистограмму, полученную для реального счетчика, в гистограмму идеального счетчика с нулевым мертвым временем. Эта гистограмма адекватно отражает физические параметры исследуемой среды. Рассмотрено влияние дополнительных источников шума и нестационарности внешнего фона на точность линеаризации.

В третьей главе изложены результаты анализа калибровки аэрозольного лидара и данные экспериментальной реализации одного из них, наиболее применимого для калибровки миниатюрного лидара.

Предложена модификация метода калибровки лидара. Этот метод, основанный на восстановлении формы лидарного сигнала в однородной атмосфере из трассовой зависимости площади лидарного сигнала от диффузно рассеивающей поверхности. Полученные результаты использованы при зондировании однородной атмосферы.

В четвертой главе рассмотрены наиболее характерные и часто встречающиеся на практике примеры зондирования объектов лидаром обратного рассеяния. Проведен анализ предельной дальности зондирования данным миниатюрным импульсным лидаром топографических объектов.

Описан эксперимент на специальном полигоне под Москвой с использованием дымовых шашек как источников аэрозоля. Получена временная зависимость этих сигналов. Показано, что порог прозрачности аэрозольной завесы можно задавать как по сигналу от дымовой завесы, так и по фону.

Показано, что в отличие от существующего метода измерения окон прозрачности с помощью фотометра лидарный метод позволяет детектировать окна прозрачности заметно ниже уровня визуальной видимости тест-объекта.

Данные временной динамики и пространственной модуляции плотности дымовой завесы вдоль линии зондирования использованы для проверки и настройки траекторных моделей распространения аэрозолей над поверхностью со сложным рельефом или в условиях городского ландшафта. Сделана оценка временного масштаба автокорреляции Лагранжа по данным лидарных измерений, который входит как настроечный параметр в траекторную модель.

Данная траекторная модель дает прогноз траектории шлейфа, а также динамически устойчивых мест накопления аэрозоля повышенной концентрации.

Примером измерения коэффициента пропускания атмосферы является эксперимент на трассе с топографическим отражателем на конце при сильно неустойчивых метеоусловиях. Экспериментально получена оценка отношения максимальных значений коэффициентов обратного рассеяния и ослабления, которая дала величину 0,02 ср"1.

В заключении представлены основные выводы диссертационной работы.

Изложенные в диссертации результаты докладывались и обсуждались в материалах международных конференций

SPIE's -92, (Сан-Диего, США, 1992 г.), XIII IGARSS-93 (Токио, Япония, Август 1993 г.),

Международный аэрозольный симпозиум, (Москва, Март 21-25, 1994 г), SPIE's Europio Symposium, (Мюнхен, Германия, 6-9 Июня 1995 г.), 18 ILRC, Berlin, 22-26 July 1996,

Вторая всероссийская научная конференция "Физические проблемы экологии" (Москва, 18-21 апреля 1999 г.), а также на семинарах отдела 62 ИКИ РАН, Физического факультета МГУ и Академии химзащиты.

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

Выводы

1. Экспериментально зарегистрированы топографический объект по уровню 4о и нижняя граница облачности по уровню обнаружения 22а на расстояниях 3800 и 800 м соответственно.

2. Экспериментально обоснована применимость лидара для измерения окон прозрачности. Эти данные, использованные в траекторной модели распространения аэрозольных шлейфов, позволили оценить коэффициент автокорреляции Лагранжа который составил 11 (15%).

3. Экспериментально измерена модуляция пропускания столба атмосферы на трассе с фиксированной дальностью. Одновременно получены коэффициент обратного рассеяния и экстинкции для случаев минимального пропускания атмосферы, которые составили 2,7-10"5 м"1 ср"1 1,2-10"3 ср"1 соответственно. Отношение этих коэффициентов составило 0.02 ср"1. Это значение меньше соответствующего значения для молекулярной атмосферы ~6 раз.

4. Экспериментально обоснована применимость лидара для зондирования атмосферы в режиме суточного мониторинга. Полученные результаты, иллюстрирующие зависимость лидарного сигнала от фона, могут быть использованы для наблюдения аэрозольных образований на при зондировании атмосферы Марса.

Заключение

Перечислим основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Предложен и теоретически обоснован метод измерения коэффициента ослабления среды лидаром с двумя приемными каналами, имеющими различную трассовую зависимость геометрического форм-фактора. Сформулированы критерии, определяющие оптимальные параметры такого лидара. Поля зрения приемных каналов должны быть согласованы с расходимостью передающего канала, а для измерения коэффициента ослабления в однородной среде размер ближней зоны лидарной системы должен быть сопоставим с расстоянием определяемым обратным значением коэффициента экстинкции.

3. Экспериментально реализован лидар на импульсном ОаАэ лазере (длина волны 884 нм) с безопасным для глаз уровнем излучения. Выходная плотность энергии в импульсе такого лазера составляет 40 нанодж/см2, при максимально допустимой 1.2 мкдж/см2. При этом лидар позволяет одновременно измерять сигнал по критерию За при отношении сигнал/фон существенно меньше единицы

2 6 (4 10') при числе лазерных импульсов до 10 . Реализация фонового строба, вырабатываемого поочередно с основным, с последующим вычитанием позволяет минимизировать влияние на предложенный способ линеаризации источников шума и нестационарности внешнего фона. Экспериментально зарегистрирована нижняя граница облачности на высоте 800 м с отношением с/ш=22, а топографические объекты на дальности 3.8 км с отношением с/ш=4.

4. Получен набор калибровочных коэффициентов, связывающих лидарный сигнал с продольным профилем коэффициента обратного рассеяния в однородной атмосфере. Для слоя, находящегося на расстоянии до 60 м, погрешность лидарного сигнала, накопленного за 106 лазерных импульсов и

7 л л соответствующего коэффициенту обратного рассеяния 7.8 10' м стр ,

- 160определяется статистикой набранных фотоотсчетов и не превышает 16%, при этом точность калибровочных коэффициентов составляет 8%. В отсутствие фона лидар может регистрировать сигнал, на уровне молекулярного рассеяния начиная с 10'7 м"1 стр*1 с минимальной погрешностью 12%. Экспериментально обоснован метод измерения окон прозрачности в турбулентной атмосфере с использованием миниатюрного лидара с целью получения коэффициента автокорреляции Лагранжа в модели трансграничного переноса аэрозолей.

5. Компактное исполнение лидара, малое энергопотребление (около 10 Ватт) и возможность работы в автономном режиме измерений делает его перспективным для мониторинга среды обитания без дополнительной, по сравнению с естественной освещенностью, лучевой нагрузки на исследуемый объект. Разработанный в ИКИ РАН на его основе бортовой лидар обратного рассеяния включен в международный проект Mars Polar Lander-99 исследования атмосферы Марса.

В заключении автор выражает благодарность своему научному руководителю Першину С. М. за постоянное внимание и помощь в работе, О. Б. Бутусову за большую и постоянную помощь в работе, Г. П. Арумову за поддержку и полезные и обсуждения, своим коллегам по работе А. Н. Ляш, А. В. Тюрину за полезные обсуждения и дискуссии, А. С. Чиркину за дискуссии, результаты которых составили основу первой главы, а так же моим близким жене дочери и теще за постоянную поддержку в работе.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Бухарин, Алексей Владимирович, Москва

1. Дистанционное зондирование атмосферы.// под ред. В. Е. Зуева. 1979.

2. Изд. Наука. Сибирское отделение. 175 с.

3. Jorgensen Н.Е., Mikkerelsen Т., Streicher J., Herrmann H., Werner С., Lyck E. // Lidar calibration experiments. Appl. Phys. B64. 1997. V.64. P.355-361.

4. Sliney D. Laser safety concepts are changing.// Laser Focus World. May 1994, P. 185.

5. Freudenthaler, V., F. Homberg, and H. Jaeger, Optical parameters of contrails from lidar measurements: Linear depolarization.// Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23. P. 3715-3718,

6. Bruscaglioni, P., A. Ismaelli, G. Zaccanti, M. Gai, and M. Gurioli, Polarization of lidar returns from water clouds: Calculations and laboratory scaled measurements.// Opt. Rev. 1995. V. 2. P. 312-318.

7. Devara, P. C. S., R. E. Raj. and G. Pandithurai, Aerosol-profile measurements in the lower troposphere with four-wavelength bistatic argon-ion lidar.// Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 4416-4425.

8. Di Girolama, P., R. V. Gagliardi, G. Pappalardo, N. Spinelli, R. Velotta, and V. Berardi, Two wavelength lidar analysis of stratospheric aerosol size distribution.// J. Aerosol Sci. 1995. V. 26. P. 989-1001.

9. Carlisle, C., J. van der Laan, L. Carr, P. Adam, and J.-P. Chiaroni, C02 laser-based differential absorption lidar system for range-resolved and long- range detection of chemical vapor plumes.//Appl. Opt.1995. V. 34. P. 6187-6200.

10. Hahn, J. F., С. T. McElroy, E. W. Hare, W. Steinbrecht, and A. I. Carsweil, Intercomparison of Umkehr and differential absorption lidar stratospheric ozone measurements.//J. Geophys. Res. 1995. V. 100, P. 25,899-25,911.

11. Bukharin A., Linkin V., Lipatov A., Lyash A., Makarov V., Pershin S., Tiurin A. Russian compact Lidar for NASA "Mars Surveyor Program 98"// Materials of 19th International Laser Radar Conference. Annapolis. Maryland. July-1998. P. 241 -244.

12. О. Б. Бутусов Упрощенная модель для описания распространения загрязнения в условиях сложного рельефа или городской застройки. // География и природные ресурсы. 1994. №4. С. 134-139.

13. Schawlow A. L., Townes С. Н., Infrared and Optical Masers.// Phys. Rev. 1958.112.

14. Maiman Т. H., Stimulated Optical Radiation in Ruby.// Nature, 1960. 187. P. 493-494.

15. McClung F. J., Helwarth R. W., Giant Optical Pulsation from Ruby.// J. Appl. Phys. 1962.V. 33. P. 828-829.

16. Fiocco G., Smullin L. D., Detection of scattering Layers in the Upper Atmosphere (60-140 km.) by Optical Radar.// Nature 1963. V. 199. P. 1275-1276.

17. Ligda M. G. H.,//Proc Conf. Laser Tchnol. 1st, San Diego. 1963. Calif. P. 6372.

18. Poulthey S. K., Single Photon Detection and Timing: Experiments and Techniques.//Advances in Electronics and Electron Physics, 1972b. V. 31, P. 39-117.

19. M. P. Bristow, D. H. Bundy, and A. G. Wright.// Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 4437-4452

20. H. S. Lee, G. K. Schwemmer, C. L. Korb, M. Dombrowski, and C. Prasad.// Appl. Opt. 1990. V. 29. P. 3603-3612.

21. Poulthey S. K., Single Photon Detection and Timing: Experiments and Techniques.//Advancas in Electronics and Electron Physics. V. 12. P. 403-421 (1972a).

22. Uthe E. E., Allen R. J., A digital Real-Time Lidar Data Recording Processing and Display System.// Optical and Quantum Electronics. 1975. V. 8. P. 121-129.

23. Frush C. L., A New Lidar Signal Processing and Display System.// Optical and Quantum Electronics. 1975. V. 7. P. 179-185.

24. Hirschfeld Т., Range Independence of Signal in Variable Fokus Remote Raman Spectrometry.//Appl. Optics. 1974. V. 13. P. 1435-1437.

25. Зуев В. E., Зуев В. В., Современные проблемы атмосферной оптики. Т. 8. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. П.: Гидрометеоиздат, 1991.232 с.

26. Hall F. F., et. al. Laser Systems for Monitoring of the Environment, Vol. II, Academic Press. 1974.

27. Collis R. Т., Uthe E. E., Mie Scattering Techniques foe Air Pollution Measurement with Lasers.// Opto-Electronics. 1972. V. 4. P. 87-99.

28. Spinhirne J. D., Eye-Safe Lidar Provides Full-Time Atmospheric Monitoring. //Photonics Spectra. March 1996. P. 98-99.

29. American National Standard for Safe Use of Lasers, Ansi Z136.1-1993.

30. Wolbarsht M. L., Sliney D. H., Laser applications in Medicine and Biology. Vol. 2, M. L. Wolbarsht, Ed., Plenum Press, New York, 1974.

31. Vassiliadis A., Laser Applications in medicine and Biology. Vol. 2, M. L. Wolbarsht. Ed, Plenum Press, New York, 1974.

32. J. D. Spinhirne, Micro Pulse Lidar. //lEEETrans. Geosc. Rem. Sens. V. 31 1993. P. 48-54.

33. Heaps, W.S., J. Burris, and J.A. French, Lidar technique for remote measurement of temperature by use vibrational rotational Raman spectroscopy.// Appl. Opt. 1997. V. 36. P. 9402-9405.

34. Goldsmith ,J.E.M., F.H. Blair, and S. E. Bisson, Turn-key Raman lidar for profiling atmospheric water vapor, clouds and aerosols at the US southern Great Plains Climate Study Site.// Conference report, Sandia National Labs., Albuquerque, NM.

35. Scotland R.M., Some Observation of the Vertical Profile of Water Vapour by a Laser Optical Radar.// Proc. 4th Symposium on Remote Sensing of the Environment 1212 April. 1966. Univ. Of Michigan, Ann Arbor. 1966. P. 273-283.

36. J. F. Hahn, A. Sheppard and R.M. Hoff, A. E. S. Dial System of Monitoring Tropospheric Ozone.// Optical Remote Sensing of the Atmosphere. 1993. Technical Digest Series. Volume 5. March 8-12. 1993. Salt Lake City. Utah.

37. Frehlich R., Effects of wind turbulence on coherent doppler lidarperformance.//J. Atmos. Ocean. Technol. 1997. V. 14. P. 54-75.

38. Gordienko V. M., Kormakov A. A., Kosovsky L. A., Kurochkin N. N. Pogosov G. A., Priezzhev A. V., Putivskii Y. Y. Coherent C02 lidars for measuring wind velocity and atmospheric turbulence. //Opt. Eng. 1994. V. 33. 3206-3213.

39. Mishenko, M.I., and K. Sassen, Depolarization of lidar returns by small ice crystals: an application to contrails.// Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. P. 309-312.

40. Cacciani, M., G. Fiocco, P. Colagrande, P. Di Girolamo, A.Di Sarra, and D. Fua, Lidar observations of polar stratospheric clouds at the South Pole 1. Stratospheric unperturbed conditions.//J. Geophys. Res. 1990. V. 102. N 12. P. 937-943.

41. Cacciani, M., P. Colagrande, A.Di Sarra, D. Fua, P. Di Girolamo, and G. Fiocco, P. Lidar observations of polar stratospheric clouds at the South Pole 2. Stratospheric perturbed conditions.//1992 J. Geophys. Res. V. 102. V. 12. P. 945.

42. В. У. Хаттатов, A. E. Тяботов, А. А. Постнов. Результаты лидарных исследований аэрозоля с борта самолета в тропосфере Северного полушария. // Оптика атмосферы и океана. 1997. Том 10. №12. Стр. 1433.

43. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л. Гидрометеоиздат, 1975. 446с.

44. Захаров В.М., Костко ОК., Портасов B.C., Двухчастотное дазерное зондирования тропосферы и стратосферы.// -Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1974. Т. 10. № 10. С. 1101 -1104.

45. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей. Под ред. М. В. Кабанова. Новосибирск: Наука. 1986. 186 с.

46. Ю. С. Балин, И. А. Разенков, Лазерный контроль аэрозольных загрязнений воздушного бассейна индустриальных центров.// Оптика атмосферы и океана. Том 6. №2. 1993. С. 169-188.

47. S. P. Palm, D. Hagan, G. Schwemmer, and S. H. Melfy, Inference of marine atmospheric boundary layer moisture and temperature structure using airborne lidar and infrared radiometer data.//J. Appl. Meteorol. 1998. V. 37. P. 308-324.

48. Han Y, E. R. Westwater, and R. A. Ferrare, Applications of Kalman Filtering to derive water vapor from Raman lidar and microwave radiometers.// J. Atmos. Oceanic

49. Technol. 1997. V. 14. P. 480-487.

50. Т. Hayasaka, Y. Meguro, Y. Sasano, and T. Takamura, Stratification and size distribution of aerosols retrieved from simultaneous measurements with lidar, a sunphotometer, and an auroceolometer.//Appl. Opt. 1998. V. 37 P. 961-970.

51. Э. Дж. Мак-Картни. "Оптика атмосферы: Рассеяние света молекуламии частицами". Мир. 1979. 421 с.

52. Сигналы и помехи в лазерной локации. Под ред. В. Е. Зуева. М.: Радио и связь. 1985. 264 с.56. £8@J

53. J. D. Klett. Stable analytical inversion solution for processing lidar returns.// Appl. Opt. 1981. V. 20. №2 P. 211.

54. Jager Horst, Hofman David J., Midlatitude Variations of stratospheric particle extinction mass and area derived from lidar backscatter measurements. // 1980. V. 87lbid -p. 100-103.

55. Пришивалко А. П., Науменко E.K., Показатели обратного рассеяния и ослабления света водным аэрозолем. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1973. Т. 9. №6. С. 660-663.

56. Уваров Д. Б., Жуков Г. П.// Тр. Института экспериментальной метеорологии. 1976. Вып. 15 (60). С. 100-117.

57. N. Takeuchi, N. Sugimoto, Н. Baba, and К. Sakurai, Random modulation cw lidar.// Appl. Opt. 1983. V. 22. P. 1382-1386.

58. N. Takeuchi et al.„ Diode-laser random-modulation cw lidar.// Appl. Opt., Jan. 1986. Vol. 25, No. 1. P. 63-67.

59. J. D. Spinhirne, J. A. Rail, and V. S. Scott, Rev. Laser Eng. (Special Issue on Laser Radar) 1995. V. 23. P. 118-122.

60. S. Pershin, A Bukharin, V. Makarov, and O. Butusov, «Computer and Lidar-Aided Monitoring of (ndastriai Aerosol Sources in Polluted Zones in a City», in Air and Pollution Monitoring. June 20-23.1995. Munich. Germany. P. 189-200.

61. H. Sang Lee, I. H. Hwang, James. D. Spinhirne, V. Stanley Scott, " Micro

62. Pulse Lidar for Aerosol and Cloud Measurement'.// Selected Papers of thee 18th International Laser Radar Conference (ILRC). Berlin. 22-26 July 1996., P. 7-10.

63. Browell E. W. Et al. Ultraviolet DIAL measurements of Оз profiles in region ofspatially inhomogeneous aerosols. // Appl. Optics. 1985. V.24. №17. P. 2827-2836.

64. Huges H. G. Et al. Sensitivity of a lidar inversion algorithm to parameters relating atmospheric backscatter and extinction. // Appl. Optics. 1985. V.24. №11. P. 1609-1613.

65. Bissonnette L. R. Sensitivity analysis of a lidar inversion algorithms. // Appl. Optics. 1984. V.25. №13. P. 2122-2125.

66. Klett J. D. Lidar inversion with variable backscatter/extinction ratios. // Appl. Optics. 1985. V.24. №11. P. 1638-1643.

67. В. А. Ковалев «Функциональные зависимости между полным и обратным рассеянием для восстановления профиля показателя ослабления атмосферы по данным лидарного зондирования» //Оптика атмосферы и океана. Т. 5. №5. 1992 С. 524-538.

68. Ахманов С. А., Дьяков Ю. Е., Чиркин А. С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука. 1981.640 с.

69. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1973. 720 с.74.0' Нейл. Введение в статистическую оптику. М.: Мир. 1966.254 с.

70. Лебедева В. В. Техника оптической спектроскопии. М.: МГУ. 1986. 352 с.

71. А. Исимару. «Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах». Мир. 1981. Том 2. Стр. 52-53.

72. М. А. Воронцов, В. И. Шмальгаузен. " Принципы адаптивной оптики". Наука. 1985.335 с.

73. L. R. Bissonnette, "Imaging Trouth fog and rain,"// Optical Engeniring. 1992. V. 31. P. 1045-1052.

74. Инженерная модель атмосферы Марса для проекта «Марс -96 (МА-90)», В. И. Мороз, В. В. Кержанович, А. В. Краснопольский.// Космические исследования. Том 29. Вып. 1. 1991. С. 3-84.

75. S. Pershin, V. Linkin, V. Makarov, I. Prochazka, К. Hamal "Spaceborne laser altimeter based on the single photon diode receiver and semiconductor laser transmitter ".// Proc. of the CLEO' 91. Paper CFl 10.

76. H. Dautet, P. Deschamps, B. Dion, A. D. McGregor, D. McSween, R. J. Mclnture, P. Trottier and P. Webb, "Photon counting techniques with silicon avalanche diodes".//Appl. Optics. 1993. V 32. P. 3894.

77. Гулаков И.P., Холбдырев С.В., Метод счета фотонов в оптико-физических измерениях. Минск: Университетское, 1989. 256с.

78. Bucharin А. V., Ljash A. N., Nekhaenko V. A., Pershin S. М. "Detecting nonstationary processes by aerosol Lidar with quantum counter." //International Aerosol Simposium. Technologies. Mach 21-25.1994. Moscow. P. Tech 124-127.

79. Ширяев A.H. Вероятность. M.: Наука. 1980 г.

80. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. М.: Мир. 1984 г. Т. 2. 751 с.

81. Чистяков В.П. Курс теории вероятностей. М.: Наука. 1987 г. 240с.

82. Королюк B.C., Портенко Н.И., Скороход А.В., Турбин А.Ф. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М.: Наука. 1985 г. 640 с.

83. Belenkii М. S., "Effect of residual turbulent scintillation and remote sensing technique for simultaneous determination of turbulence and scattering parameters of the atmosphere".// J. Opt. Soc. Am. A. V 11. 1994. P. 1150-1555.

84. E. P. Милютин, Ю. И. Яременко. Статистические характеристики интенсивности рассеянного солнечного излучения в атмосфере.// Оптика атмосферы и океана. 1992. 5, Т.5. №1. С. 15-18.

85. Rosen J., Kjome Т., "Backscatter sonde: a new instrument for atmospheric aerosol research".//Appl. Opt. 1991. v.30. P. 1552-1561.

86. Kavaya M., Menzies R., "Lidar aerosol backscatter measurements: systematic, modelling, and calibration error considerations".//Appl. Opt. 1985. V.24 P. 3444 3453.

87. M. J. Kavaya, R. T. Menzies, D. A. Hanner, U.P. Oppenheim, and P. H.

88. Flamant, " Target Reflectance Measurement for Calebration of Lidar Atmospheric Backscatter Data ".// Appl. Opt. 1983. 22. P. 2619.

89. M. J. Kavaya, R. T. Menzies. " Aerosol Backscatter Lidar Calibration and Data Interpretation".// Publication 84-6, Jet Propulsion Laboratory. California Institute of technology. Pasadena. 1984. Calif.

90. P. Межерис. Лазерное дистанционное зондирование. Москва. 1987. Мир.550 с.

91. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Машиностроение. 1980. 742 с.

92. Ивлев Оптические свойства атмосферных аэрозолей Ивлев Л.С., Андреев С.Д., Л. Изд-во Ленингр. Ун-та. 1986. 360 с.

93. С. М. Першин, А. В. Бухарин и др. Пространственно-временной профиль аэрозольного загрязнения над Волгой.// Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. №4. С. 548-555.

94. А. В. Бухарин, С. М. Першин. Теоретическое рассмотрение лидара обратного рассеяния с безопасным для глаз уровнем излучения.// Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. №4. С. 521-537.

95. С. М. Першин, А. В. Бухарин, и др. Калибровка аэрозольного лидара с квантовым счетчиком и регистрация атмосферных неоднородностей.// Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. №4. С. 538-547.

96. О. Б. Бутусов. Математическое моделирование процессов переноса всистеме автоматизированного контроля за состоянием природной среды. // Автоматическое моделирование и управление. М.: ВЗМИ. 1985. С40-43.

97. Бутусов О. Б. Упрощенная модель для описания распространения загрязнения в условиях сложного рельефа или городской застройки. // География и природные ресурсы. 1994. № 4. С. 134-139.

98. Puttock J. С., Hunt J. С. R. Turbulent diffusion from sources near obstacles with separated wakes. //Atmospheric environment/1979. V. 13. № 1. P 1-14.

99. Ван Кампен Г. Стохастические процессы в физике и в химии. М.: Высшая школа. 1990. 376 с.

100. С. М. Першин, А. В. Бухарин, В. С. Макаров, В. И. Кузнецов, И. Прохазка, Пространственно-временной профиль аэрозольного загрязнения атмосферы над Волгой.// Оптика атмосферы и океана. Том 7. № 4. С. 548-555.

101. Pershin S., Linkin V., Bukharin A., Makarov V., Kouki Т., Prochazka I., Kuznetsov V. Compact eye-safe Lidar for environmental media monitoring.// SPIE's Special issue "Optical Monitoring of the Environment". 1993. V. 2107. P. 336-362.

102. Pershin S., Linkin V., Bukharin A., Patsaev D., Prochazka I., Hamal K. Portable nanoJoule backscatter lidar for invironmental sensing.// Proceeding International Conference of SPIE's. San Diego. 1992. V. 1752. P. 293.

103. Takeuchi N., Okumura H., Sugita Т., et al. P-SOLARIS a portable solid state lidar system. // Proc. of CLEO. 1993. CMC1. P.12-13.

104. Pershin S., Trouble-free compact lidar for in/outdoor atmosphere monitoring.// Proc. of SPIE's Europto Symposium. Munich. 1995. V. 2506. P 43. 1.3

105. Георгиевский Ю. С., Розенберг Г. В., Влажность как фактор изменчивости аэрозоля. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1973. Т. 9.-1702. С. 126-137.

106. Розенберг Г. В., Атмосферный аэрозоль и оптика рассеивающих сред. В кн.: Некоторые проблемы современной физики атмосферы. М. 1981. С. 134-157.

107. В. Г. Цверава. "Зависимость между нижней границей облаков и дальностью видимости". // Метеорология и гидрология. 1974. №5. С. 34.

108. X. Sun, F. М. Davidson. " Photon counting with silicon avalanche diodes"// Journ. Of Lightwave Techn. 1992. V. 10. P. 1023.

109. Pollack James В., Colburn David S., Michael Flasar F., Kahn Ralf, Carlson С. E., And Pidek D., Properties and Effects of Dust Particles Suspended In the Martian Atmosphere.// Journal of Geophysical Research. I979. V. 4. P. 2929-2945.

110. Pollack J. B. Properties of dust in the Martian atmosphere and its effect on temperature structure.//Adv. Space Res. 1982. V. 2. P. 45-56.

111. Korablev O., Krasnopolsky V., Rodin A., Chassenfiere E., " Vertical Structure of Martian Dust Measured by Solar Infrared Occultation from the Fobos Spacecraft".//ICARUS, 1993. V. 102. P. 76-87.

112. Pershin S., Bukharin A., Gotlib V., Linkin V., Lipatov A. A compact 500 g Lidar for the Mars Surveyor Lander -98.11 Proc. of the XX Europe Geophysical Sosiety Symposium. EGS-96. Hague. 1996. V. 14. Part III. Planetary Science. P. 829.