Техническая модернизация каналов лазерного зондирования сибирской лидарной станции

Невзоров, Алексей Викторович

Техническая модернизация каналов лазерного зондирования сибирской лидарной станции тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Невзоров, Алексей Викторович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Техническая модернизация каналов лазерного зондирования сибирской лидарной станции»

Автореферат диссертации на тему "Техническая модернизация каналов лазерного зондирования сибирской лидарной станции"

На правах рукописи

НЕВЗОРОВ АЛЕКСЕИ ВИКТОРОВИЧ

ТЕХНИЧЕСКАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ КАНАЛОВ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ СИБИРСКОЙ ЛИДАРНОЙ СТАНЦИИ

01.04.05-оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2005

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы Сибирского Отделения Российской Академии Наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, Зуев Владимир Владимирович

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, Тихомиров Александр Алексеевич

- кандидат технических наук, Бутько Виктор Алексеевич

Ведущая организация

1 омский политехнический университет

Защита состоится «29» апреля 2005 г в 16°° на заседании диссертационного совета Д 003 029 01 в Инстигуте оптики атмосферы СО РАН по адресу 634 055, г Томск, пр Академический, 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы СО РАН

Автореферат разослан 2005 г

Ученый секретарь

диссертационного совета д ф -м н

Веретенников В В

Актуальность проблемы. Для обнаружения климатоэкологических атмосферных изменений и оценки степени влияния природных и антропогенных факторов на эти изменения требуются регулярные длительные измерения определяющих эти явления параметров атмосферы Одной из наиболее острых проблем является обнаруженное уменьшение содержания стратосферного озона в умеренных и особенно полярных широтах. Стратосферный озоновый слой, как известно, является единственным природным фильтром, который оберегает биосферу от губительной коротковолновой части ультрафиолетовой солнечной радиации Поэтому исследование физико-химических механизмов, определяющих изменения озонового слоя, является одной из наиболее актуальных задач физики атмосферы.

Значительное влияние на радиационно-термический режим атмосферы и Земной поверхности оказывает стратосферный аэрозольный слой (САС), особенно после мощных взрывных вулканических извержений. В периоды максимального наполнения стратосферы вулканогенным аэрозолем прямыми измерениями регистрируются значительные радиационно-температурные эффекты - уменьшение приземной температуры на несколько десятых град\са вследствие рассеяния вулканогенным аэрозолем коротковолновой солнечной радиации и повышение температуры на несколько градусов на высотах локализации слоя вследствие поглощения ИК восходящей радиации Земли. Возникающие при этом температурные контрасты приводят к значительным возмущениям атмосферной циркуляции и увеличению планетарной волновой активности, способствующих усилению деструкции стратосферного озона. Медленные температурные изменения могут быть обусловлены и фоновым аэрозолем при накоплении его содержания в стратосфере, например, в результате роста промышленного производства Существует мнение, что при ежегодном увеличении антропогенного потока карбонилсульфида (основного источника стратосферного аэрозоля (СА)) в стратосферу на 4.5% к 2050 г. оптическая толща СА может увеличиться более чем на порядок В связи с проблемой возможных климатических последствий антропогенного увеличения мощности САС исследованиям в этой области уделяется большое внимание.

Не менее актуальной является проблема уменьшения температуры верхней стратосферы и мезосферы в течение последних 20 лет. Эту тенденцию рассматривают с позиции влияния антропогенного фактора, в частности за счет увеличения содержания «парниковых» газов, участвующих в радиационном выхолаживании средней атмосферы.

Исследованию этих проблем посвящены современные международные программы и проекты, например MAP (программа «Средняя атмосфера»); SPARC (проект «Стратосферные процессы и их роль в климате»); NDSC (проект «Сеть обнаружения стратосферных изменений»), Европейская сеть аэрозольных исследований EARLINET Во всех этих проектах и программах определенное место занимают методы лазерного дистанционного

зондирования, которые обладают большим пространственным и временным разрешением, а также рекордными концентрационными чувствительности ми Всего по данным Интернет сайта ICLAS (международная координационная гр\ппа по лазерном) исследованию атмосферы) на сегодняшний день зарегистрировано 85 лидарных групп, среди которых представлена и Сибирская лидарная станция (СЛС) Института оптики атмосферы Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН) Большинство лидарных обсерваторий работают в режиме регулярных измерений, так как такой режим необходим для обнаружения как эпизодических, кратковременных гак и долговременных атмосферных изменений, постепенно накапливающихся под действием природных и антропогенных факторов, а так же сезонных, и других циклических изменений

На большой территории России в режиме регулярных лидарных дистанционных наблюдений озона. аэрозоля и температуры в стратосфере работает лишь одна Сибирская лидарная станция в г Томске, которая начала свою работу с конца 80-х годов Многочастотная, многоканальная Сибирская лидарная станция имеет в своем составе главный приемный телескоп на основе зеркала диаметром 2.2 м. а также телескопы меньшего диаметра 0,5 и 0,3 м. окруженные лазерными передатчиками различных типов В 19% году СЛС была включена в число уникальных экспериментальных установок России (рег.№ 01-64).

[ребование регулярности наблюдений параметров атмосферы ставит задачи обеспечения оперативности и надежной работы лидарной техники, ,чля чего необходимо проведение комплексной автоматизации управления работой приемопередающих блоков лидаров Существует также проблема обеспечения линейного режима работы систем фотоэлектронной регистрации лидарных сигналов в большом динамическом диапазоне их изменений Для этого необходимо применять меры расширения диапазона линейной работы фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). так как динамический диапазон лидарных сигналов может достигать 10-12 порядков, в то время как диапазон линейности современных счетных ФЭУ не может превышать 5 порядков Учитывая все вышесказанное можно сформ)лировагь цель и основные задачи исследования диссертационной работы

Цель работы: модернизация каналов лазерного зондирования характеристик атмосферы на Сибирской лидарной станции для расширения числа измеряемых параметров и комплексной автоматизации управления фотоэлектронными и оптико-механическими системами лидарных приемопередатчиков В нашем случае под каналом лазерного зондирования мы подразумеваем лидарную систем). обеспечивающую измерение определенного параметра атмосферы озона, аэрозоля, температуры. облачности или влажности на конкретных длинах волн

В ходе работы выполнялись следующие задачи:

• Исследование и отбор счетных фотоприемников, работающих в ультрафиолетовом, видимом и ИК - диапазонах спектра, для решения задач зондирования озонового и аэрозольного стратосферных слоев, температуры и влажности

• Разработка и изготовление устройств расширения диапазона линейной работы ФЭУ, работающих в режиме счета одноэлектронных импульсов

• Оптимизация работы канала зондирования стратосферного озона на основе програмнных и аппаратных способов повышения точности измерений лидарных сигналов

• Разработка канала по зондированию профилей влажности в тропосфере, получаемых на основе сигналов обратного комбинационного рассеяния.

• Разработка канала зондирования характеристик облачности в дневное и ночное время.

• Разработка систем фотоэлектронной регистрации лидарных сигналов и автоматизация управления работой аэрозольно-температурного комплекса на базе приемных телескопов диаметром 0.3 и 2 2 м, позволяющего одновременно получать профили оптических характеристик стратосферного аэрозоля в диапазоне 10-30 км по обратным сигналам упругого рассеяния и профили температуры в диапазоне 10-75 км по сигналам комбинационною и упругого молекулярного рассеяния

• Разработка перевозимого варианта стратосферного аэрозольного лидара на базе приемного телескопа диаметром 0 3м и твердотельного Nd YAG-лазера для проведения экспедиционных измерений от средних до субполярны\ широт регионов Сибири с целью климатологических исследований фонового состояния страгосферного аэрозольного слоя

На защиту выносятся:

1 Способ электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ, работающего в режиме счета фотонов, путем подачи управляющих импульсов на фогокатод или первые диноды в зависимости от его констр) ктивных особенностей и устройства его реализующие, которые позволяют на практике расширить диапазон линейности ФЭУ до пяти порядков.

2 Лидар для юндирования перистой облачности, работающий в режиме счета одноэлектронных импульсов в ближнем ИК диапазоне спектра, обеспечивающий оперативное получение лидарных сигналов с временным разрешением до 3-х секунд в дневное и ночное время даже при наличии нижележащих облаков с оптической толщей не более 0 3

3 Программные и аппаратные способы повышения точности измерений лидарных сигналов за счет корректного определения фона и обеспечения линейной работы ФЭУ. а также коррекции сигналов на просчеты фотоприемников, позволяющие расширить высотный диапазон

получения физически достоверной информации о стратосферном озоне с 15-35 км до 10-45 км.

4 Компактный перевозимый макет аэрозольного лидара и полученные с его помощью результаты экспедиционных измерений характеристик стратосферного аэрозольного слоя в разных регионах Сибири от средних до субполярных широт

Научная новизна работы

• Получен многолетний ряд данных наблюдений за динамикой вертикального распределения озона, аэрозоля и температуры в условиях возмущения стратосферы мощным вулканическим извержением и в фоновых условиях длительного вулканически спокойного периода

• Разработанная оптико-электронная система одновременной регистрации дидарных сигналов обратного упругого молекулярного рассеяния на длине волны 532 нм в высотном диапазоне 30-75 км и обратного комбинационного рассеяния от молекулярного азота на длине волны 607 нм в высотном диапазоне 10-30 км позволяет одновременно получать из данных лазерного зондирования непрерывный профиль температуры в высотном диапазоне 10-75 км.

• Впервые проведены лидарные климатологические исследования стратосферного аэрозольного слоя от средних до субполярных широт региона Сибири, в условиях длительного вулканически спокойною периода

Использование результатов работы.

Представленные в работе исследования выполнялись в рамках ряда международных, государственных и региональных программ, среди которых можно отметить- ГНТП России «Глобальные изменения природной среды и климата«: Российско-китайский проект «Лазерные технологии в климатоэкологическом мониторинге»; программу института оптики атмосферы СО РАН SATOR (Stratospheric and Tropospheric Ozone Research). программу Национального американского космического агентства (NASA) LITE (Lidar In-Space Technology Experiment): контракт 352654-A-QI с Тихоокеанской Северо-Западной лабораторией Депаргамента энергетики США по программе атмосферных радиационных измерений (ARM), проект «Оптические комплексные исследования физических механизмов стратосферных изменений» (№ госрегистрации 01 20.04 06059) программы СО РАН 12 3 «Физика атмосферы и окружающей среды»; Международный проект МН ГЦ (№ В-1063) «Мониторинг атмосферного аэрозоля и озона в регионах СНГ посредством сети лидарных станций» (CIS-Li Net).

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• В результате работы проведено исследование электронных методов расширения диапазона линейной работы фотоприемников, работающих в

режиме счета одноэлектронных импульсов Разработаны и изготовлены устройства расширения диапазона линейной работы фотоприемников в которых управление фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) осуществляется по фотокатоду или по динодам, в зависимости от конструктивных особенностей разных типов ФЭУ

• Комплексная автоматизация управления работой систем фотоэлектронной регистрации и процессом юстировки лидарных приемопередатчиков обеспечивает оперативный, не требующий длительных юстировок, режим измерений на СЛС

• Разработанные устройства электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ и автоматизации управления используются в измерительных комплексах Сибирской лидарной станции, которая работает в режиме регулярных измерений в составе сети лидарных станций СНГ (CIS-LiNet)

• Разработан лидар по зондированию параметров облачности, который позволяет регистрировать лидарные сигналы в режиме счета одно электронных импульсов в дневное и ночное время с большим временным (до 3 сек) и пространственным разрешением

Доетоверность результатов работы обеспечивается проработкой методических вопросов получения и регистрации лидарных сигналов, использованием апробированных, развиваемых в ИОА СО РАН методик обработки лидарных сигналов, статистической обеспеченностью экспериментальных данных Полученные результаты согласуются с результатами измерений лидарной станции Института физики НАН Беларуси г Минск и других среднеширотных станций северного полушария

Апробация работы Основные результаты по теме диссертации, полученные автором опубликованы в 17 статьях в российских научных рецензируемых журиалах, сборниках SPIE, ILRC и ARM, докладывались на I, II, III, IV, V,

VI VII Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000 гг), III Сибирском совещании по климатоэкологическому мониторингу (Томск 1999 г), VIII, IX и XI Международных симпозиумах по оптике атмосферы и океана и атмосферной физике (Иркутск 2001 г, Томск2002 г и Томск2004 г), I и III между народной школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 1999 и 2002 г), 9 Рабочем совещании по атмосферным радиационным измерениям (Туксон, Аризона, США 1998 г)\

VII VIII , IX и XI Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (Томск 2000, 2001, 2002 и 2004 г г), I и И Международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск, 2001 и 2003г), VII Российско-китайском симпозиуме по лазерной физике и лазерным технологиям (Томск 2004 г), 22 Международной конференции по лазерному эондированию (Матера, Италия 2004 г), Международной конференции по

оптическим технологиям для исследований атмосферы, океана и окружающей среды (Пекин. Китай 2004 г.).

Личный вклад Представленные в данной работе результаты исследований были получены при непосредственном участии автора в осуществлении регулярных лидарных наблюдений озона, аэрозоля и температуры. Автором осуществлена разработка и запуск устройств расширения диапазона линейной работы ФЭУ, проведена комплексная автоматизация приемопередающего факта азрозольно-гемпературного комплекса СЛС, которая представляет собой разработку устройств управления работой фотоэлектронной регистрации и процессом юстировки лидарных приемопередатчиков. написание программ. управляющих работой приемопередающего тракта лидара. Автор активно принимал участие в экспедиционных измерениях, проводимых в регионах Сибири (Омск, Сургут. Норильск. Байкал). Работа не могла быть выполнена без помоши коллектива сотрудников лаборатории. Постановка задач и конкретизация направлений исследований осуществлялась чл-кор. РАН В.В.Зуевым Неоценимая помощь в проведении натурных исследований и обсуждении результатов была оказана автору л ф -м.н. А В Ельниковым, к.ф.-м.н. В.Д. Бурлаковым и к ф.-м.н. СИ. Долгим

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем диссертации 128 страниц, она содержит 5! рисунок и 6 таблиц Список цитируемой литературы содержит 93 наименования.

Во введении обосновывается актуальность темы. формулируются цели и задачи исследования, подчеркнуты научная новизна и практическая значимость, приводятся основные положения, выносимые на защит).

В первой главе рассматриваются и анализируются проблемы регистрации лидарных эхо сигналов большого динамического диапазона, рассмотрены различные способы расширения диапазона линейной работы ФЭУ. В первом параграфе рассматривается уравнение лазерного зондирования для случаев упругого и комбинационною рассеяния анализируются ошибки

измерений, которые для нашего случая в интервале высот 10-30 км находятся в пределах 3-7 %.

Во втором параграфе рассматривается геометрия лидарного приемопередатчика. Приводятся расчетные кривые нижней и верхней границ переходных зон лидаров для их различной геометрии построения. В третьем параграфе обосновывается необходимость отбора фотоэлектронных умножителей перед установкой их на лидар на специальном автоматизированном стенде, который имитирует лидарный сигнал с помощью светодиода. Разработанный стенд позволяет проводить отбор фотоприемников различных типов (ФЭУ 79, ФЭУ-104, ФЭУ-106. ФЭУ-

130) по шумовым характеристикам и спектральной чувствительности, снимать счетные характеристики и амплитудные распределения

В четвертом параграфе приводится обзор способов расширения диапазона линейности работы ФЭУ Разработанные устройства электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ при управлении по фотокатоду или динодам, в зависимости от конструктивных особенностей фотоприемников, были установлены на лидары Сибирской лидарной станции Эффективность работы устройства при управлении по фотокатоду для ФЭУ-106 представлена на рис 1

Рис I Лидарные эхосигяалы на длине волны 532 нм (время накопления 30мин)

Сигнал 1 получен без применения каких-либо мер ограничения светового и фотоэлектронного потоков. Сигнал 2 получен с отсечкой ближней зоны с помощью блока электронного управления Кус ФЭУ, а 3 - с помощью механического обтюратора Видно, что сигнал 1 имеет выраженные искажения- во-первых, в виде насыщения фогоприемника, приводящего к потере информации до высоты 20 км; во-вторых, в виде дополнительных импульсов последействия в конце трассы зондирования в 5-6 раз превышающих фон неба и Внутренние шумы фотоприемника Из сравнения сигналов 2 и 3 видно, что применение механического обтюратора из-за ограниченности скорости вращения вала двигателя приводит к более протяжённой переходной зоне до высот 35-38 км, в то время как зона включения электронного управления фотоприемника составляет несколько километров.

Во второй главе рассматриваются результаты разработки каналов УФ лазерного зондирования стратосферного озона и влажности на Сибирской лидарной станции.

На рис 2 приведена общая схема сложившегося к настоящему времени лидарного измерительного комплекса СЛС, который включает две независимых лидарных системы система для измерений характеристик САС и температуры средней атмосферы - схема на рис 2,а; и лидар для зондирования вертикального распределения концентрации озона в стратосфере (при замене приемной спектральной оптики этот лидар позволяет также измерять влажность в тропосфере) схема на рис 2,6 В таблице приведены основные технические характеристики лазерных источников и приемных оптических элементов комплекса.

I'm. 2 Схема шмершельною коми ieKtd t нГжрскоГипшрной ciaHunti 1 но ¡евые 1иафр<ичы 2 мовегм спектральном сетскини с Ф )V 1 фоком 4 свеювод Ч - механическим ибшраюр М \ \0 - тверттельнын i<uep \еС I жсичерныи н«р С и - лазер на парах чеди II ячейка НкР преоГфаювания с во юроюч К ко i шмяюр VI м-нчитечи-чискричинатори ВЫ! високошпьтныс блоки питания ПВФ - олок вкпючения фотоприсчника Н1Д - шаговые пикете >ш

leiiiiiUi'tKiie характеристики тоариого компккси Таотца.

Параметры nunpi Измеряемые характеристики

О И) ТЬ Тсмпсраг* |> а Оюн HlJAIIOCIL

Передатчик

1.11111«! ttO 1Mb» }ОН_трОВЯН11Я i нм )мер| 1ш IIVfll> IKCJ, м (ж (соотв >) S32 ise 683 60 1064 2S0 42 ISO ЗОЯ 34 100 so ЗОН ISO

Частит а с 1е.и>нан1Ш, 1 и (соото /) 2410 2« 20 20 20 S0-200 100

Расходимость мрад 01 01 0.1 0.3 0,1 0,3

Приемник

Mci од SOH МЦЮНЛННМ Обратное мфмое р«цгсянпе hp и 1 V I Диф hoi лощение и рассеяние KPoi 11,0 н N.

Длина оо ты, нм <41 .32 6S1 1064 I 42 ! бО^ | 308 34 34*7 332

Диами р »еркала, м Фоклскос расаоянне, м 2 2 К) 0,3 1 0 3 2,2 1 10 I 2,2 | 2,2 10 0S 1 S 0 5 1 5

Нитерферешшонныс фюнтры

Максимальное протекание 1 % Ширим«) протекания но уронню (1.5!, нм 6* 62 63 60 62 ^ 70 S6 60 54 44

1.8 2 _ 2 14 1 2 18 1 1 45 6 1,7 3

В первом параграфе представлены основы методики восстановления вертикальных профилей концентрации озона методом дифференциального поглощения и рассеяния, а также общее выражение для- дисперсии определения концентрации озона.

Во втором параграфе показана обновленная аппаратурная реализация лидара по зондированию стратосферного озона и влажности в тропосфере (рис. 2.6). Лидар укомплектован эксимерншмг XeCI лазерным передатчиком фирмы Lambda Physik, модель LPX 120i энергия излучения которого в 4 раза выше, чем для лазера ранее установленного на лидаре. Лазерный передатчик снабжен ВКР ячейкой на водороде дающей на выходе кроме основной частоты излучения (^„„=308 нм).. комбинационный сдвиг(^о^ =353 нм) - 1-я стоксовая компонента ВКР-преобразования. Излучение лазера направляется в атмосферу посредством автоматизированного юстировочного узла, который, как и сам лазерный передатчик, располагается на первом этаже здания, в то время как приемный телескоп и регистрирующий тракт находятся на четвертом этаже Приемный телескоп диаметром 0,5 м собран по схеме Ньютона Обратнорассеянный сигнал с приемного зеркала проходит через полевую диафрагму (I) и поступает в кювету спектральной селекции (2), где происходит выделение пары длин волн (308, 353 нм) и их фокусировка на фотокатод ФЭУ. Прием лиларных сигналов осуществляется на ФЭУ R7207-01 фирмы HAMAMATSU. Усилительный тракт оборудован усилителями дискриминаторами С3866 фирмы HAMAMATSU.

Регистрация одноэлектронных импульсов производится двухканальным счетчиком фотонов, выполненным в стандарте IBM PC. Для устранения насыщения фотоприемников сигналами ближней зоны зондирования или облаков лидар оборудован автоматизированным механическим обтюратором (5). Энергетический потенциал лидара позволяет восстанавливать профили концентрации озона в высотном диапазоне 10-45 км.

Параметры лидара по зондированию стратосферного озона и влажности в тропосфере приведены в таблице.

В третьем параграфе рассматривается влияние аппаратных искажений лидарных сигналов на точность восстановления профилей концентрации стратосферного озона. На ближнем участке трассы зондирования, откуда приходит наиболее мощный сигнал обратного рассеяния, происходит «слипание» одноэлектронных импульсов, приводящее к занижению реально приходящего эхо-сигнала, а на дальнем участке трассы зондирования, где интенсивность сигнала обратного рассеяния мала, проявляются индуцируемые мощным сигналом от ближнего участка импульсы последействия, приводящие к завышению реально приходящего эхо-сигнала. В четвертом параграфе представлены результаты разработки программных и аппаратных способов улучшения точности измерений и корректной регистрации лидарны\ сигналов, применяемые на лидаре по зондированию стратосферного озона.

При высокой интенсивности приходящих световых потоков

увеличивается частота поступления одноэлектронных импульсов и вероятность их просчетов за счет «слипания». В результате предварительной обработки лидарных сигналов осуществляется коррекция на просчеты и искажения, возникающие в регистрирующем тракте лидара.

Существовавшая ранее методика определения величины фонового сигнала между сериями измерений имеет некоторые недостатки - это изменение атмосферных ситуаций за время накопления сигналов и увеличение времени зондирования. Определение фона на конце трассы зондирования (45-51.2 км) приводит к неоднозначности, так как есть вероятность присутствия сигнальных импульсов и импульсов последействия. Поэтому нами была предложена и реализована программно-аппаратная методика определения фона между импульсами зондирования. Аппаратно подается дополнительный имп>льс зап\ска. который запускает счетчик фотонов между лазерными импульсами. Программно определяется поступление и регистрация сигнальных и фоновых импульсов. Для этого при поступлении импульса запуска на счетчик фотонов определяется принадлежность его к сигнальным или фоновым данным, после чего в программно организованные два массива производится их накопление. Тем самым, не изменяя времени зондирования, мы определяем статистически обеспеченный фон по трассе 1024 строба (длина строба 100 метров).

Для расширения диапазона линейной работы фотоприемников, работающих в режиме счета фотонов, на лидаре по зондированию стратосферного озона был установлен механический обтюратор на основе двигателя ДПР-72-Н2-03 со сравнительно малой стандартной частотой вращения 6000 об/мин. Был отобран двигатель с максимальной частотой вращения около 9000 об/мин, что позволило сократить время полного открытия пятна изображения оптического лидарного сигнала и, соответственно, уменьшить переходную зону вхождения сигнала с 8 до 5 км Существенным недостатком механического обтюратора является нестабильность скорости вращения двигателя, что приводит к разбросу времени открытия светового пятна сигнала и. соответственно, нестабильности высотного интервала отсечки сигнала ближней зоны и искажению сигнала. В связи с этим была проведена автоматизация работы обтюратора с целью достижения стабильности высотного интервала отсечки сигнала ближней зоны зондирования Программа анализирует высотный интервал отсечки сигнала и в зависимости от сложившихся условий изменяет время отсечки Шаг изменения времени открытия пятна изображения составляет -1 мсек. Эффективность работы автоматизированного механического обтюратора при накопления лидарных сигналов представлено на рис. 3. Видно, что лидарные сигналы представленные на рис. З.б испытывают существенные нелинейные искажения в диапазоне 5-10 км в течение акта накопления, в то время как сигналы на рис 3 а. полученные с применением автоматизированного механического обтюратора, не имеют искажений в начале трассы зондирования Искажение сигналов

фотоприемников проявляется также на конце трассы зондирования в виде дополнительных импульсов последействия, приводящее к увеличению фонового сигнала по каналу 308 нм (см рис 3 б) на порядок по сравнению с рис 3 а Все это говорит об эффективности использования автоматического управления механическим обтюратором на лидаре по зондированию стратосферного озона

Число фотонов Число фотонов

Рис 3 Лидарные сигналы а) - с применением автоматического управления временем открытия

пятна изображения б) без применения автоматического управления механическим

обтюратором

В УФ каналах Сибирской лидарной станции используется эксимерный ХеС1 лазер с длиной волны излучения 308 нм В спектре сигналов обратного рассеяния возбуждаемых лазерным импульсом на этой длине волны, всегда присутствуют сигналы комбинационного рассеяния водяного пара (347 нм) и азота (331 нм) Существенным фактором при организации каналов зондирования водяного пара являются искажения слабых ^ сигналов крылом линии обратного рэлеевского рассеяния возбуждающего излучения на 308 нм Для подавления этой линии используется раствор ацетона, который одновременно с эффективным пропусканием ^ сигналов поглощает излучение на длине волны 308 нм и был выбран в результате исследований органических растворителей, таких как ацетон, амиловый спирт, этилацетат и н-бутил Таким образом, применение интерференционных фильтров и дополнительного фильтра на основе поглощающей кюветы с ацетоном, позволяет решить проблему подавления крыла линии обратного рэлеевского рассеяния

В третьей главе дается описание канала зондирования облачности для исследования перистых облаков Актуальность исследований перистых облаков определяется их влиянием на радиационный режим атмосферы Перистые облака, или облака верхнего яруса, располагаясь на высотах 6-11 км, вызывают парниковый эффект нагревания атмосферы за счет поглощения выходящей ИК радиации Земли и эффект похолодания (альбедо эффект), рассеивая нисходящую коротковолновую солнечную радиацию При этом модельные расчеты показывают, что альбедо эффект более чувствителен на поверхности Земли, а тепличный эффект, по крайней мере в тропиках, более проявляется в атмосфере Расчеты радиационных эффектов перистых

облаков, тестирование модельных радиационных характеристик облачности, использ\емых в моделях общей цируляции атмосферы и климата треб\ют знаний о повторяемости наблюдений перистых облаков в конкретном регионе, об их геометрических, микрофизических и оптических характеристиках Подобные знания необходимы также для таких прикладных задач, как аэрокосмическая съемка передача изображений и др

Лидарные исследования характеристик перистых облаков на Сибирской лидарной станции в Томске были начаты в 1997 году и включали также изучение характеристик двухслойной полупрозрачной облачности С помощью разработанной лидарной системы можно выполнять как ночные, так и дневные измерения с высоким временным разрешением и качественно оценивать состояние неба в зените в периоды измерений с помощью совмещенной видеокамеры

Лидарным передатчиком является Nd-YAG лазep. работающий на длине волны 1064 нм, энергия в импульсе составляет 150 мДж частота повторения импульсов 10 Гц Выбор длины волны 1064 нм определяется низким значением фонового изл>чения дневного неба в ближнем ИК-диапазоне, что является особенно важным при проведении лидарных наблюдений облаков в дневное время В лидарной системе используется коаксиальная схема построения приемопередатчика Обратнорассеянное лазерное излучение принимается зеркалом диаметром 2,2 м с фокусным расстоянием 10 м В фокальной плоскости приемного зеркала установлена полевая диафрагма, далее - колпимирующая линза, пленочный поляроид, узкопопосный интерференционный фильтр и фокусирующая линза перед ФЭУ

Возможность изменять диаметр полевой диафрагмы и площадь приемного зеркала позволяет подобрать оптимальное отношение сигнал-фон в дневных и ночных измерениях В ночных измерениях используется вся площадь зеркала, в дневных она сокращается до значения, эквивалентною площади зеркала диаметром 0 3м Угол поля зрения приемной системы немногим больше угла расходимости передатчика и составляет около 0,3 мрад как для дневных, так и для ночных измерений Малый угол поля зрения снижает фоновую засветку и влияние эффекта многократного рассеяния в облаке на лидарный сигнал В качестве приемника излучения на длине волны 1064 нм используется ФЭУ-83 который для уменьшения собственных шумов охлаждается элементами Пельтье до температуры около -30 °С Регистрация сигналов ведется в режиме счета фотонов

В диапазоне высот от 0 до 12,8 км с минимальным пространственным разрешением 100 м лидарный сигнал копится по 20-30 лазерным импульсам Время накопления лидарных сигналов, необходимое для получения одного статистически значимого профиля, составляет 3 с В лидарную систему входит также видеокамера Она укреплена параллельно оптической оси, вблизи фокуса приемного телескопа лидара. и предназначена для контроля облачного покрытия неба во время

зондирования В поле зрения видеокамеры на известной высоте установлен реперный объект определенных размеров, с помощью которого по видеозаписи возможно определять методом масштабирования горизонтальные размеры облаков, при известном из лидарных данных зондирования расстоянии до облака Таким же образом из видеозаписи, при известном расстоянии до облака и времени перемещения края облачности определяется скорость и направление их перемещения В четвертой главе рассматривается аэрозольно-температурный комплекс разработанный для исследования характеристик стратосферного аэрозоля и вертикального распределения температуры в диапазоне высот 10-75 км В первом параграфе приводятся основы методики восстановления оптических характеристик стратосферного аэрозольного слоя и температуры сречней атмосферы из данных лазерного зондирования Представлены алгоритмы расчета профилей отношения рассеяния и температуры, а также величины случайной ошибки при восстановлении профилей температуры Анализ точностных характеристик восстановления профилей температуры из реальных лидарных сигналов показал возможность восстановления температуры в диапазоне 30-60 км с изменением ошибки от 2 до 10K лидаром на длине волны зондирования 532 нм

Во втором параграфе показана общая схема автоматизированного аэрозольно-температурного комплекса и его технические параметры (см рис 2а и таблицу) В данной работе рассматривается модернизированный аэрозольно-температурный лидарный комплекс, коюрый сформировался па СЛС к настояшему времени и предназначен в основном, для стратосферных измерений Комплекс дополнен каналом регистрации сигналов обратного комбинационного рассеяния (KP) от 1-го колебательно-вращательного перехода молекул азота (длина волны 607 нм) при их возбуждении излучением 2-й гармоники Nd YAG лазера на длине волны 532 нм Регистрация KP сигналов от азота позволяет восстанавливать профили температуры в высотном интервале ~(10-30) км и осуществлять калибровку лидарных сигналов аэрозольного и молекулярного рассеяния Подобный метод калибровки особенно необходим при отсутствии в настоящее время данных аэрологического зондирования вертикальных профилей температуры в стратосфере В модернизированной чидарной системе осуществлена комплексная автоматизация выбора и установки рабочих параметров блоков фотоэлектронной регистрации лидарных сигналов с управлением от компьютера Па основе шаговых двигателей разработан автоматизированный оптико-механический юстировочный узел для вывода лазерного излучения в атмосфер) и его юстировки относительно оптической оси приемного зеркала Для расширения географии измерений нами был разработан мобильный вариант аэрозольного стратосферного лидара на базе телескопа диаметром 0 3 метра л Nd YAG лазера, работающего на длине волны 532 нм Он имеет компактную блочную конструкцию и может доставляться любым видом транспорта к месту измерений

В третьем параграфе работы представлено сравнение лидара на основе Nd:YAG лазера с аэрозольным каналом зондирования на основе лазера на парах меди. После настройки и запуска стратосферного аэрозольного лидара на основе NdYAG лазера с диаметром приемного телескопа 0.3 м, были проведены сравнительные измерения по кодированию характеристик стратосферного аэрозольного слоя лидарами на основе Nd:YAG лазера и на парах меди. Одновременное зондирование происходило в одном временном интервале в течение ночи. Так как энергия импульса лазера на парах меди составляет 1 мДж на длине волны излучения 511 нм, фото приемник этого лидара работает в более «мягком» режиме, по сравнению с лидаром на основе NdiYAG-лазера у которого энергетика в импульсе составляет 150 мДж на X = 532 нм. Длины волн излучения лазеров находятся близко друг от друга, что позволяет сравнивать аэрозольные профили отношения рассеяния. Результат сравнения восстановленных профилей отношения рассеяния показал, что они лежат в коридоре ошибок измерения. Т о разработанная система регистрации лидарных сигналов с применением электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ для отсечки интенсивного сигнала от ближней зоны зондирования при использовании NdYAG лазера позволяет получать корректные лидарные сигналы для восстановления оптических характеристик стратосферного аэрозоля.

В четвертом параграфе представлены разработанные элементы автоматизации управления работой системы фотоэлектронной регистрации и оптико-механических узлов лидара На лидаре по зондированию стратосферного а)розоля с диаметром приемного телескопа 0,3 м была проведена комплексная автоматизация управлением работой основных блоков регистрации лидарных сигналов и юстировочного оптико-механического узла, служащего для передачи лазерного излучения в атмосферу.

Напряжение питания ФЭУ. уровни порогов дискриминации, высота включения ФЭУ в рабочий режим регистрации устанавливаются с клавиатуры компьютера оператора. Устройство установки и регулировки значений перечисленных параметров связаны с компьютером посредством трехканального выходного аналогового порта выполненного в виде отдельной платы в стандарте IBM PC.

Процесс юстировки оптических осей лидарного приемо-передатчика на параллельность, т.е. обеспечение регистрации лидарных сигналов с максимальной высоты зондирования, осуществляется с помощью автоматизированного оптико-механического юстировочного узла (см на рис. 2 а), который выполнен на основе шаговых двигателей ДШИ 200-1 Структурная схема автоматизированного юстировочного узла представлена на рисунке 4.

Управление работой шаговых двигателей осуществляется блоком управления, выполненным в виде отдельной платы в стандарте IBM PC. Блок управления формирует тактовые импульсы и уровни напряжения, определяющие направление вращения валов двигателей. После этого они передаются по кабелю на блок усилителей мощности. Чтобы устранить слияние наводок на работу двигателей, выходной каскад блока управления собран на микросхемах серии 1554, которые позволяют работать на нагрузку 50 Ом. Блок усилителей мощности шаговых двигателей осуществляет формирование и усиление управляющих импульсов, которые поступают на обмотки шаговых двшателей. Валы шаговых двигателей соединены с юстировочными винтами узла посредством зубчатых колес. Работа блока управления осуществляется программным модулем, который встроен в пакет программ по накоплению и предварительной обработке лидарных сигналов. таким образом, в режиме реального времени можно наблюдать лидарный сигнал на экране компьютера и производить юстировку лазерного излучения с клавиатуры.

Для обличения настройки лидара разработан программный модуль для автоматической юстировки направленности лазерного излучения на максимальную высот) зондирования Работа программы осуществляется следующим образом При запуске программы осуществляется инициализация счетчика шагов двигателя, которые хранятся в памяти компьютера. После этого относительно исходного положения происходит отсчет на 50 шагов по первой координате и сканирование на 100 шагов с дискретом 5 вперед. При заданных параметрах приемного телескопа полное прохождение изображения обратнорассеянного лазерного излучения в фокальной плоскости осуществляется за 44 шага Тем самым имеется запас вероятности, что мы получим при сканировании максимальную дальность обратнорассеянного сигнала. При этом производится анализ текущей высоты зондирования для соответствующего положения шагового двигателя Достигаемая в конкретном цикле настройки высота зондирования определяется по минимальному значению скорректированного по дальности лидарного сигнала, т.е в точке перегиба, определяющей максимальную дальность, с которой еще регистрируется лидарный сигнал, а после чего происходит рост домноженных на квадрат высоты значений фона Анализ минимальных значений скорректированного по дальности лидарного сигнала, проводится с

высоты 5 км до конца трассы зондирования, чтобы исключить ложное определение максимальной высоты зондирования После завершения сканирования по первой координате происходят установка двигателя по счетчику шагов на величину соответствующую максимально определенной высоте зондирования Затем происходит таким же образом сканирование с разрешением 5 по второй координате длительностью 100 шагов и установка луча по счетчику шагов на максимально определенную высоту зондирования По завершению первого цикла настройки лазерного излучения, программа осуществляет более тонкую юстировку лидара с дискретом в 2 шага В процессе автоматической юстировки приемо-передающего тракта лидара на экране компьютера отображается логарифм лидарного сигнала скорректированного по высоте, а также его максимальная высота. По окончанию процесса настройки программный модуль выходит в главное меню программы, после чего можно осуществлять накопление лидарных сигналов.

В пятом параграфе приводится описание канала измерения профилей температуры в диапазоне высот 10-75 км (см рис 2 а) Приемный телескоп на основе главного зеркала диаметром 2.2 м позволяет регистрировать сигналы обратного упруюго молекулярного рассеяния на длине волны 532 нм то высот более 70 км (рис 5.6) Выше 30 км, где аэрозоль практически отсутствует (по крайней мере, в фоновых условиях длительного отсутствия мощных вулканических извержений), интенсивность лидарного сигнала определяется чисто молекулярным рассеянием. что позволяет восстанавливать из этих сигналов молекулярную плотность и температуру средней атмосферы, поскольку плотность линейно зависит от температуры

(температуры) позволяет исследовать волновые процессы, так называемые внутренние гравитационные волны Регистрация слабых ^ сигналов от азота на длине волны 607 нм также одновременно осуществляется приемным зеркалом диаметром 2 2м Сигнал регистрируется до высот ~ 30 км (рис 5 а) Главное достоинство ^ лидара в том, что сигнал в этом случае не имеет прямого вклада от аэрозольного рассеяния, то есть, число peгистрируемых рассеянных фотонов прямо пропорционально молекулярной плотности атмосферы, что позволяет восстанавливать профиль вертикального распределения температуры Таким образом одновременное определение гемпературы по одновременно получаемым сигналам молекулярного упругого рассеяния (532 нм) и ^ сигналам (607 нм) дает возможность измерять непрерывный профиль температуры во всей стратосфере и до мезосферных высот

В шестом параграфе коротко анализируется временной ряд интегрального коэффициента обратного аэрозольного рассеяния который дает при

лидарных измерениях наиболее полно общую картину временной динамики аэрозольного наполнения стратосферы В данной работе рассматриваются в основном результаты 4 х летнего цикла стационарных и экспедиционных измерений 2000-2003 г г в фоновых условиях длительного отсутствия

взрывных вулканических извержений В эти годы величина В1 в летне-осенний период понижалась до минимальных значений 5 ] 0 5ср 1 против средних значений (1,5-2) Ю^ср1 в 1989-90 годов Данный факт не подтверждает гипотезу о ежегодном антропогенном росте фонового СА, что наблюдается и на других лидарных станциях в том числе в индустриально развитых районах

В седьмом параграфе показана география экспедиционных измерений с помощью разработанного нами малогабаритного перевозимого варианта стратосферного аэрозольного лидара, в период 2001-2003гг Первые экспедиционные измерения были проведены в июле-августе 2001 г с борта теплохода на р Иртыш в районе города Омска (55° с ш, 73° в д) В октябре этого же года измерения проводились в г Сургуте (61° сш, 74° вд) В августе 2002 г измерения проводились в г Норильске (69° с ш, 89° в д) на территории Комплексной магнитно ионосферной станции ИСЗФ СО РАН В июне 2003 г совместно с сотрудниками Отдела физических проблем при президиуме БНЦ СО РАН осуществлены первые измерения в Восточной Сибири на юго-восточном побережье оз Байкал, пос Истомино (52° с ш, 106% д)

По результатам экспедиционных измерений можно сказать об установившемся фоновом состоянии стратосферного аэрозольного слоя (С АС), который характеризуется одинаковым распределением фонового стратосферного аэрозоля не только во времени, но и на значительном пространстве Анализ летних профилей Я(Щ по [ученных не только в Томске но и в экспедиционных измерениях в Омске и Норильске на больших

расстояниях, около 800 км на запал и 1400 км на север от Томска показывает, что они попадают в интервал летних СКО для Томска, и в значительной степени повторяют друг друга Это говорит о высокой однородности пространственного распределения фонового САС в больших масштабах В заключении сформулированы выводы и результаты диссертационной работы в целом.

В приложении представлен акт об использовании стратосферного аэрозольного лидара в Отделе физических проб 1ем БНЦ СО РАН. а также приведена программа автоматической юстировки направленности лазерного излучения на максимальную высоту зондирования, написанная на языке программирования Turbo Pascal 7

Основные результаты диссертационной работы

• Разработан стенд по отбору различных типов счетных ФЭУ, позволяющий проводить исследования фотоприемников по спектральной чувствительности и шумовым характеристикам, снимать счетные характеристики и амплитудные распределения проводить отбор лучших образцов ФЭУ для установки их на лидар.

• Проведены исследования электронных методов расширения диапазона линейной работы для фотоприемников, работающих в режиме счета одноэлектронных импульсов Разработаны и изготовлены устройства расширения диапазона линейной работы ФЭУ в которых управление фотоэлектронными умножителями осуществляется по фотокатоду паи по динодам в зависимости от конструктивных особенностей разных типов ФЭУ

• Разработанный лидар на базе экспимерною ХеС1 лазера и приемного телескопа диаметром 0.5 м позволяет восстанавливать профили стратосферного озона в диапазоне 10-45 км

• Применение коррекции лидарных сигналов на просчеты ФЭУ, рабо[ающих в режиме счета фотонов, обуслов пенные приемом сигналов большой интенсивности, особенно в нижней части трассы зондирования, позволяет исключить занижение лидарных сигналов, которые при восстановлении профилей стратосферного озона дают отклонения до 30%

• Автоматизация управления работой механического обтюратора стратосферного лидара дала возможность устранить искажения сигналами большой интенсивности, которые возникают из-за нестабильности открытия пятна изображения оптического пидарного сигнала

• Применение ацетонового фильтра на лидаре по зондированию влажности в тропосфере обеспечивает полное подавление крыла рэлеевской линии возбуждающего излучения на глине волны 308 нм при сохранении эффективного пропускания КР сигналов на длинах волн 331 и 437 нм

• Разработана техника и методика лидарных измерений которая позволяет в дневное время исследовать пространственно-временную динамику геометрических характеристик полупрозрачной облачности, в том числе

облаков верхнего яруса сквозь нижележащую облачность, с временным разрешением до 3 секунд.

• По результатам наблюдений 1997-98 гг. максимальная повторяемость облаков верхнего яруса (Ci+Ci+Cs) наблюдается летом 60%, минимальная зимой - 39%. весной 47% и осенью 43% Высоты нижней границы перистых облаков заключены преимущественно в интервале 7-10 км.

• Модернизация Сибирской лидарной станции позволила измерять вертикальные профили температуры в высотном интервале -(10-75) км по одновременно регистрируемым сигналам обратного упругого молекулярного рассеяния и сигналам комбинационного рассеяния с использованием одного лазерного источника и общего приемного зеркала.

• Осуществлена комплексная автоматизация управления работой системы фото)лектронной регистрации и процессом юстировки лидарного приемопередатчика.

• Мноюлетнее регулярное лазерное зондирование стратосферы над Томском, проводимое на Сибирской лидарной станции за период более 15 лет, позволяет вывести исследования стратосферного аэрозоля на климатологический уровень. Полученные в одной точке длительные ряды наблюдений отражают не только региональные особенности, но и процессы планетарного масштаба. Аэрозоль в нижней стратосфере средних широт выступает как трассер циркуляционных стратосферных процессов В его поведении четко проявляется сезонная и квазидвухлетняя цикличность, связанная с изменениями общей циркуляции стратосферы. «Новое» фоновое состояние стратосферы, наблюдаемое в последние годы при длительном отсутствии вулканических возмущений стратосферы характеризуется высокой однородностью в просфанственно-временных распределениях стратосферного аэрозоля для всею региона Сибири

• Разработанный перевозимый вариант аэрозольного лидара позволил провести исследования характеристик стратосферного аэрозольного слоя от средних до субполярных широт региона Сибири. Результаты измерений показывают однообразный характер установившегося фонового состояния слоя с минимальным аэрозольным наполнением в летне-осенний период, которое характеризуется значениями отношения рассеяния 1,05-1,1 на длине волны кодирования 532 им.

Список основных печатных работ по теме диссертации:

Общий список публикаций по теме диссертации составляет 56 наименований. Основные результаты по теме диссертации, полученные автором, опубликованы в 17 статьях:

1. Правдин В.Л. Зуев В.В.. Невзоров A.B. Электронное управление

коэффициентом усиления ФЭУ при регистрации лидарных сигналов с большим динамическим диапазоном в режиме счета фотонов Оптика атмосферы и океана, 1996 Г 9 № 12 С 1612 1614

2 Маричев В H Зуев В В Хряпов П А Долгий С И Невзоров A.B. Лидарные наблюдения вертикального распределения стратосферного озона над Томском летом 1998 г Оптика атмосферы и океана 1999 Т 12 № 5, с 428-433

3 3\ев В В Андреев M И Бурлаков В Д Ельников А В Невзоров А В., Смирнов С В Лидарная система для исследования облачности в дневное и ночное время Оптика атмосферы и океана 1998 Т II № 5 с 477-479

4 3\ев В В Невзоров A.B.. Хряпов П А Сравнение различных типов фотоэпектронных регистраторов лидарных сигналов при зондировании атмосферного озона // Оптика атмосферы и океана 2000 Т 13 № 11с 1030-1033

5 3\ев В В 3\ев BF Ь\рлаков ВД Дочгий СИ Ельников AB Невзоров А.В, Правдин В Л Лидарные исследования характеристик фонового стратосферного аэрозоля над регионами Сибири ' Оптика атмосферы и океана 2003 Т 16 N> 2 с 126-130

6 3\ев В В Бурлаков ВД Долгий СИ Невзоров AB., Орлова НЕ Первые результаты лазерного контрочя водяного пара в тропосфере на Сибирской чидарной станции / Оптика атмосферы и океана 2003 Т 16 №4 с 374-476

7 В В 3уев BE Зуев ВД Бурлаков СИ Долгий AB Ельников AB Невзоров Климатология стратосферного аэроюля и озона по данным многолетних набчкнений на Сибирской лидарной станции Оптика атмосферы и океана 2003 т 16 №8 с 719-724

8 Бурлаков ВД Долгий СИ Невзоров А.В Модернизация измерительного комплекса Сибирской личарной станции озона Оптика атмосферы и океана 2004 1 17 № 10 с 857-864

9 Zue\ V V Andreev M I Burlakov V D El'mkov A V and Ne\zorov A V Results of Lidar Studies of the Structure and D\namics of Cirrus Clouds Above Western Siberia Proc Of the Fight Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Science Team Meeting March 23-27 1998 Tucson December 1998 P 871-874

10 Ne\zorov A. V., Marichev VN Khryapov PA Programming and instrumental methods for increasing accuracy ot recemng. and recording of lidar returns ' Proc Of SP1E the VI Symposium of Atmosphenc and Ocean Optics Tomsk 23-26 June 1999 p 417-421

11 7uev VV Burlakov VD Dolgn SI, Elnikov AV Khryapov PA Nevzorov A V, Smirnov S V Stratospheric aerosol la\er according to laser sensing data obtained at Siberian Lidar Station Proc Of SPIF the VI Symposium of Atmosphenc and Ocean Optics Tomsk 19 22 July 2000 p 4л2-479

12 Nevzorov A.V., Marichev VN Khryapov PA Results of comparison ot

different photodetector and amplifier-discriminator types used in ozone sensing lidar // Proc Of SPIE the VII Symposium of Atmospheric and Ocean Optics, Tomsk, 19-22 July 2000, p 466-471

13 Nevzorov AV, Zuev VV, Burlakov VD, Elnikov AV Climatology of background stratospheric aerosol over Siberian regions according to lidar measurement data // Reviewed and Revised Papers Presented at the "22nd International Laser Radar Conference (ILRC 2004)", Matera, Italy, 12-16 July ,2004 V2 P 601-604

14 Nevzorov A V , Dolgn S I, Zuev V V Climatology and trend of stratospheric ozone over Tomsk for period 1996-2003 Reviewed and Revised Papers Presented at the "22nd International Laser Radar Conference (ILRC 2004)", Matera, Italy, 12-16 July ,2004 V 2 P 585-587

15 7uev VV Burlakov VD Dolgii SI, Elnikov AV, Nevzorov A.V. Combined Raman elastic-backscatter hdar for vertical profiling of stratospheric aerosol and climatology of background stratospheric aerosol over Siberia // Proceedings of SPIE the XI Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics Atmospheric Physics" Tomsk, 2004 V 5743 P 485-491

16 Zuev VV, Burlakov VD, Dolgn SI, Elnikov AV, Nevzorov AV Combined Raman elastic-backscatter hdar for vertical profiling of stratospheric aerosol and temperature in the middle atmosphere climatology of background stratospheric aerosol over Siberia // International Conference on Optical Technologies for Atmospheric, Ocean and Environmental Studies (ICOT 2004) Information and Abstracts, Beijing, China 18-22 October 2004 P 27

17 Зуев В В , Бурлаков В Д, Долгий С И , Ельников А В , Невзоров А.В Источники и климатология фонового стратосферною аэрозоля Сибири // Современные достижения в исследованиях окружающей среды и экологии Сборник научных статей посвященный памяти академика В Е Зуева Томск STT, 2004 С 32-39

Лицензия ПД № 12 0128 от 27 07 01 г Подписано к печати 24 03 05г Форма! 60x84ViS Бумага офсетная Х»1 Ризография

Уел л л - 1,3 Уч изд л - 1 2 Заказ 101 Тираж90 Отпечатано в типографии «Star» г Томск пр Ленина, 2а

т 41-67 69 Д1Д1Г 41-85-70

сот 59-15-32

£85

tt-'. * ч

2 2 ДПР 2005

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Невзоров, Алексей Викторович

Введение.

Глава 1. Способы регистрации лидарных сигналов большого динамического диапазона.

1.1. Уравнение лазерной локации.

1.2. Геометрический фактор лидара.

1.3. Отбор фотоэлектронных умножителей, работающих в режиме счета о дноэлектр онных импульсов.

1.4. Способы расширения диапазона линейной работы фотоэлектронных умножителей при регистрации лидарных сигналов.

1.4.1. Оптико-механические методы расширения диапазона линейной работы фотоприемников.

1.4.2. Электронные методы расширения диапазона линейной работы фотоприемников.

1.5. Математические методы устранения искажений лидарных сигналов .39 Выводы.

Глава 2. Оптимизация работы каналов УФ лазерного зондирования на. Сибирской лидарной станции.

2.1. Основы восстановления профилей озона методом дифференциального поглощения.

2.2. Аппаратурная реализация лидара по зондированию стратосферного озона.

2.3. Влияние аппаратурных искажений лидарных сигналов на погрешность восстановления профилей концентрации стратосферного озона.

2.4. Программные и аппаратные способы улучшения точности регистрации лидарных сигналов.

2.4.1. Коррекция лидарных сигналов на просчеты, обусловленные «слипанием» импульсов фотоприемников.

2.4.2. Корректное определение фонового сигнала на конце трассы зондирования и между зондирующими импульсами.

2.4.3. Модернизация приемо усилительного тракта озонового лидара СЛС.

2.4.4. Автоматизация управления работой механического обтюратора.60 2.5. Модернизация УФ лидара для зондирования влажности в тропосфере

Выводы.

Глава 3. Разработка канала зондирования облачности в дневное и ночное время на Сибирской лидарной станции.

3.1. Схемное построение лидара для зондирования характеристик облачности.

3.2. Регистрация сигналов от облаков в дневное и ночное время в видимом и ИЗС - диапазоне спектра.

3.3. Некоторые результаты измерений характеристик облачности.

Выводы.

Глава 4. Разработка автоматизированного аэрозольно-температурного комплекса Сибирской лидарной станции.

4.1. Основы метода восстановления стратосферного аэрозольного слоя и. температуры средней атмосферы из данных лазерного зондирования.

4.2. Общая схема автоматизированного аэрозольно-температурного комплекса и его технические параметры.

4.3. Сравнение компактного лидара на основе Nd:YAG лазера с ■ аэрозольным каналом СЛС на основе лазера на парах меди.

4.4. Автоматизация управления работой системы фотоэлектронной регистрации и оптико-механических узлов компактного лидара на основе Ж: YAG лазера.

4.4.1. Применение электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ для расширения диапазона линейной работы фотоприемников.

4.4.2. Разработка автоматизированного юстировочного узла выходного зеркала для передачи лазерного излучения в атмосферу.

4.5. Измерение вертикальных профилей температуры в диапазоне 10-75 км с помощью основного телескопа CJIC.

4.6. Сравнение результатов лидарных наблюдений интегральных характеристик аэрозольного слоя стратосферы в Томске и Минске.

4.7. Вертикальная структура стратосферного аэрозольного слоя по данным стационарных и экспедиционных измерений.

Выводы.

Введение диссертация по физике, на тему "Техническая модернизация каналов лазерного зондирования сибирской лидарной станции"

Актуальность проблемы. Для обнаружения климатоэкологических атмосферных изменений, для оценки степени влияния природных и антропогенных факторов на подобные изменения требуются регулярные длительные измерения параметров атмосферы. Одной из наиболее острых проблем является обнаруженное уменьшение содержания стратосферного озона в умеренных и особенно полярных широтах. Стратосферный озоновый слой, как известно, является единственным природным фильтром, который оберегает биосферу от губительной коротковолновой части ультрафиолетовой солнечной радиации. Поэтому исследование физико-химических механизмов, определяющих изменения озонового слоя, является одной из наиболее актуальных задач физики атмосферы.

Значительное влияние на радиационный режим атмосферы оказывает стратосферный аэрозольный слой (САС). Массовое содержание фонового стратосферного аэрозоля (СА) в десятки раз меньше, чем масса аэрозоля в периоды вулканического возмущения стратосферы. Так, после мощнейшего в XX в. извержения вулкана Пинатубо (июнь 1991 г.) глобальная масса НгЗОд-Н2О стратосферного аэрозоля оценивалась величинами от 21 до 40 Мт, в то время как для фоновых периодов оценки составляют от 0,6 до 1,2 Мт [1]. При этом стратосферная аэрозольная оптическая толща, которая рассматривается в качестве главного параметра, определяющего воздействие стратосферного аэрозольного слоя на радиационный режим атмосферы и климатические эффекты [2], оценивается на длине волны 0,55 мкм для северного полушария фоновых периодов значениями 0,004-0,007, а после извержения вулкана Пинатубо достигала значений 0,2 [1, 3]. В периоды максимального аэрозольного наполнения стратосферы прямыми измерениями регистрируются значительные радиационно-температурные эффекты — уменьшение приземной температуры на несколько десятых градуса вследствие рассеяния вулканогенным аэрозолем коротковолновой солнечной радиации и повышение температуры на несколько градусов на высотах локализации слоя вследствие поглощения РЖ восходящей радиации Земли [4, 5].

Медленные температурные изменения могут быть обусловлены и фоновым аэрозолем при накоплении его содержания в стратосфере в результате роста промышленного производства. Гипотеза об антропогенном увеличении массы фонового СА до 5% в год была высказана на основе сравнения аэрозольного содержания в фоновые периоды 1979 и 1989-90 гг. [6]. По модельным расчетам при ежегодном увеличении антропогенного потока карбонилсульфида в стратосферу на 4,5% к 2050 г. оптическая толща СА увеличится более чем на порядок, и средняя приземная температура уменьшится на 1,5° [7]. В связи с проблемой возможных климатических последствий антропогенного увеличения мощности САС исследованиям в этой области уделяется большое внимание.

Необходимы знания о природе, источниках, характеристиках и динамике фонового СА. Кроме того, фоновый СА необходимо учитывать при модельном анализе баланса малых газовых составляющих атмосферы. С-учетом того, что характеристики САС имеют географические особенности, сезонные и другие циклы изменчивости, необходимы долговременные, в больших пространственных масштабах климатологические исследования САС. При этом, используя СА как трассер динамических процессов в нижней стратосфере, возможно исследовать по широтному градиенту его распределения процессы меридиональных переносов.

Исследованию этих проблем посвящены современные международные программы и проекты, например MAP (программа «Средняя атмосфера»);

SPARC (проект «Стратосферные процессы и их роль в климате»); NDSC (проект «Сеть обнаружения стратосферных изменений»), Европейская сеть аэрозольных исследований EARLINET. Во всех этих проектах и программах определенное место занимают методы лазерного дистанционного зондирования, которые обладают большим пространственным и временным разрешением, а также рекордными концентрационными чувствительностями. Всего по данным Интернет сайта ICLAS [8] (Международная координационная группа по лазерному исследованию атмосферы) на сегодняшний день зарегистрировано 85 лидарных групп, среди которых представлена и Сибирская лидарная станция (CJIC) Института оптики атмосферы Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН). Большинство лидарных обсерваторий работают в режиме регулярных измерений, так как такой режим необходим для обнаружения эпизодических, кратковременных и долговременных атмосферных изменений, постепенно накапливающихся под действием природных и антропогенных факторов, а так же сезонных, квазидвухлетних и других циклических изменений.

На большой территория России в режиме регулярных измерений стратосферного озона, аэрозоля и температуры работает лишь Сибирская лидарная станция в г. Томске, которая начала свою работу с конца 80-х годов. Многочастотная, многоканальная Сибирская лидарная станция имеет в своем составе главный телескоп диаметром 2,2 м, который осуществляет прием сигналов из стратосферы и мезосферы, а также телескопы меньшего диаметра 0,5 и 0,3 м. Первые профили стратосферного аэрозоля были получены в 1986 году [12], в 1988 году был организован канал зондирования стратосферного озона, а в 1995 году на базе главного приемного телескопа диаметром 2,2 м был разработан канал зондирования профилей температуры в диапазоне 30-70 км. В 1996 году CJIC была включена в число уникальных экспериментальных установок России (per. № 01-64).

Требование регулярности наблюдений параметров атмосферы ставит задачи обеспечения оперативности и надежной работы лидарной техники, для чего необходимо проведение комплексной автоматизации управления работой приемопередающих блоков лидаров. Существует также проблема обеспечения линейного режима работы систем фотоэлектронной регистрации лидарных сигналов в большом динамическом диапазоне. Для этого необходимо применять меры сокращения динамического диапазона лидарных сигналов, так как он может достигать 10-12 порядков, в то время как диапазон линейности современных счетных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) не может превышать 5 порядков.

Учитывая все вышесказанное можно сформулировать цель и основные задачи исследования диссертационной работы.

В нашем случае под каналом лазерного зондирования мы подразумеваем лидарную систему, обеспечивающую измерение ■ определенного параметра атмосферы: озона, аэрозоля, температуры, облачности или влажности на конкретных длинах волн.

В ходе работы выполнялись следующие задачи: Исследование и отбор счетных фотоприемников, работающих в ультрафиолетовом, видимом и ИК - диапазонах спектра, для установки их на лидары СЛС. ® Разработка и изготовление устройств сокращения большого динамического диапазона лидарных сигналов. ® Оптимизация работы канала зондирования стратосферного озона на основе программных и аппаратных способов повышения точности измерений лидарных сигналов.

• Разработка канала зондирования характеристик облачности в дневное и ночное время. Разработка систем фотоэлектронной регистрации лидарных сигналов и автоматизация управления работой аэрозольно-температурного комплекса на базе приемных телескопов диаметром 0.3 и 2.2 м, позволяющего одновременно получать профили' оптических характеристик стратосферного аэрозоля в диапазоне 10-30 км по обратным сигналам упругого рассеяния и профили температуры в диапазоне 10-75 км по сигналам комбинационного и упругого рассеяния.

• Разработка перевозимого варианта стратосферного аэрозольного лидара на базе приемного телескопа диаметром 0.3 м. для проведения экспедиционных измерений от средних до субполярных широт регионов Сибири с целью климатологических исследований фонового состояния стратосферного аэрозольного слоя.

На защиту выносятся:

1. Способ электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ, работающего в режиме счета фотонов, путем подачи управляющих импульсов на фотокатод или первые диноды в зависимости от его конструктивных особенностей и устройства его реализующие, которые позволяют на практике расширить диапазон линейности ФЭУ до пяти порядков.

2. Лидар для зондирования перистой облачности, работающий в режиме счета одноэлектронных импульсов в ближнем ИК диапазоне спектра, обеспечивающий оперативное получение лидарных сигналов с временным разрешением (до 3-х секунд) в дневное и ночное время даже при наличии нижележащих облаков с оптической толщей не более 0.3.

3. Программные и аппаратные способы повышения точности измерений лидарных сигналов за счет корректного определения фона и обеспечения линейной работы ФЭУ. а также коррекции сигналов на просчеты фотоприемников, позволяющие расширить высотный диапазон получения физически достоверной информации о стратосферном озоне с 15-35 км до 10-45 км.

4. Компактный перевозимый макет аэрозольного лидара и полученные с его помощью результаты экспедиционных измерений характеристик стратосферного аэрозольного слоя в разных регионах Сибири от средних до субполярных широт.

Научная новизна работы

• Разработанная оптико-электронная система одновременной регистрации лидарных сигналов обратного упругого молекулярного рассеяния на длине волны 532 нм в высотном диапазоне 30-75 км и обратного комбинационного рассеяния от молекулярного азота на длине волны 607 нм в высотном диапазоне 10-30 км позволяет одновременно получать из данных лазерного зондирования непрерывный профиль температуры в высотном диапазоне 10-75 км.

Использование результатов работы.

Представленные в работе исследования выполнялись в рамках ряда международных, государственных и региональных программ, среди которых можно отметить: ГНТП России «Глобальные изменения природной среды и климата»; Российско-китайский проект «Лазерные технологии в климатоэкологическом мониторинге»; программу института оптики атмосферы СО РАН SATOR (Stratospheric and Tropospheric Ozone Research); программу Национального американского космического агентства (NASA) LITE (Lidar In-Space Technology Experiment); контракт 352654-A-Q1 с Тихоокеанской Северо-Западной лабораторией Департамента энергетики США по программе атмосферных радиационных измерений (ARM); проект «Оптические комплексные исследования физических механизмов стратосферных изменений» (№ госрегистрации 01.20.04 06059) программы СО РАН 12.3 «Физика атмосферы и окружающей среды»; Международный проект МНТЦ (№ В-1063) «Мониторинг атмосферного аэрозоля и озона в регионах СНГ посредством сети лидарных станций» (CIS-Li Net).

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• В результате работы проведено исследование электронных методов расширения диапазона линейной работы фотоприемников, работающих в режиме счета одноэлектронных импульсов. Разработаны и изготовлены устройства расширения диапазона линейной работы фотоприемников в. которых управление фотоэлектронными умножителями осуществляется по фотокатоду или по динодам, в зависимости от конструктивных особенностей разных типов ФЭУ.

• Разработан лидар по зондированию параметров облачности, который позволяет регистрировать лидарные сигналы в режиме счета одноэлектронных импульсов в дневное и ночное время с большим временным (до 3 сек.) и пространственным разрешением.

Достоверность результатов работы обеспечивается проработкой методических вопросов получения и регистрации лидарных сигналов; использованием апробированных, развиваемых в ИОА СО РАН методик обработки лидарных сигналов; статистической обеспеченностью экспериментальных данных. Полученные результаты согласуются с результатами измерений лидарной станции Института физики HAH Беларуси г. Минск, и других ср.еднеширотных станций.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации, полученные автором, опубликованы в 17 статьях в российских научных рецензируемых журналах, сборниках SPIE, ILRC и ARM, докладывались на: I, II, III, IV, V,

VI, VII Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1995, 1996, 1997, 1998, 1999,2000 гг.); III Сибирском совещании по климатоэкологическому мониторингу (Томск, 1999 г); VIII, IX и XI Международных симпозиумах по оптике атмосферы и океана и атмосферной физике (Иркутск 2001 г., Томск 2002 г. и Томск 2004 г.); I и III международной школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 1999 и 2002 г.); 9 Рабочем совещании по атмосферным радиационным измерениям (Туксон, Аризона, США 1998 г.);

VII, VIII , IX и XI Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (Томск 2000, 2001,

2002 и 2004 г.г.); I и II Международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск, 2001 и 2003г.); VII Российско-китайском симпозиуме по лазерной физике и лазерным технологиям (Томск, 2004 г.); 22 Международной конференции по лазерному зондированию (ILRC) в Матера, (Италия 2004 г.); Международной конференции по оптическим технологиям для исследований атмосферы, океана й окружающей среды (Пекин, Китай 2004 г.).

Личный вклад Представленные в данной работе результаты исследований были получены при непосредственном участии автора в осуществлении регулярных лидарных наблюдений озона, аэрозоля и температуры. Автором осуществлена разработка и запуск устройств сокращения большого динамического диапазона, проведена комплексная автоматизация приемопередающего тракта аэрозольно-температурного комплекса CJIC, которая представляет собой разработку устройств управления работой фотоэлектронной регистрации и процессом юстировки лидарных приемопередатчиков, написание программ, управляющих • работой приемопередающего тракта лидара. Автор активно принимал участие в экспедиционных измерениях, проводимых в регионах Сибири (Омск, Сургут, Норильск, Байкал). Работа не могла быть выполнена без помощи коллектива сотрудников лаборатории. Постановка задач и конкретизация направлений исследований осуществлялась чл.-кор. РАН В.В. Зуевым. Неоценимая помощь в проведении натурных исследований и обсуждении результатов была оказана автору д.ф.-м.н. A.B. Ельниковым, к.ф.-м.н. В.Д. Бурлаковым, и к.ф.-м.н. С.И. Долгим.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем диссертации 128 страниц, она содержит 51 рисунок и 6 таблиц. Список используемой литературы содержит 93 наименования.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Выводы

• Модернизация Сибирской лидарной станции позволила измерять вертикальные профили температуры в высотном интервале ~(10-75) км по одновременно регистрируемым сигналам обратного упругого молекулярного рассеяния и сигналам комбинационного рассеяния с использованием одного лазерного источника и общего приемного зеркала. в Осуществлена комплексная автоматизация управления работой системы фотоэлектронной регистрации и процессом юстировки лидарного приемо-передатчика.

• Разработанный лидарный комплекс позволяет осуществлять постоянный контроль за кратковременными и долговременными изменениями характеристик стратосферного аэрозольного слоя и температуры средней атмосферы. в Многолетнее регулярное лазерное зондирование стратосферы над Томском, проводимое на Сибирской лидарной - станции за период более 15 лет, позволяет вывести исследования стратосферного аэрозоля на климатологический уровень. Полученные в одной точке длительные ряды наблюдений отражают не только региональные особенности, но и процессы планетарного масштаба. Аэрозоль в нижней стратосфере средних широт выступает как трассер циркуляционных стратосферных процессов. В его поведении четко проявляется сезонная и квазидвухлетняя цикличность, связанная с изменениями общей циркуляции стратосферы. «Новое» фоновое состояние стратосферы, наблюдаемое в последние годы при длительном отсутствии вулканических возмущений стратосферы характеризуется высокой однородностью в пространственно-временных распределениях стратосферного аэрозоля для всего региона Сибири. Разработанный перевозимый вариант аэрозольного лидара позволил провести исследования характеристик стратосферного аэрозольного слоя от средних до субполярных широт региона Сибири. Результаты измерений показывают однообразный характер установившегося фонового состояния слоя с минимальным аэрозольным наполнением в летне-осенний период, которое характеризуется значениями отношения рассеяния 1,05-1,1 на длине волны зондирования 532 нм.

Заключение

В заключении сформулируем основные результаты работы.

• Разработан стенд по отбору различных типов счетных ФЭУ, позволяющий проводить исследования фотоприемников по спектральной чувствительности и шумовым характеристикам, снимать счетные характеристики и амплитудные распределения, проводить отбор лучших образцов ФЭУ для установки их на лидар.

• Проведены исследования электронных методов расширения диапазона линейной работы для фотоприемников, работающих в режиме счета одноэлектронных импульсов. Разработаны и изготовлены устройства расширения диапазона линейной работы ФЭУ в которых управление фотоэлектронными умножителями осуществляется по фотокатоду или по динодам, в зависимости от конструктивных особенностей разных типов ФЭУ.

• Разработанный лидар на базе эксимерного ХеС1 лазера и приемного телескопа диаметром 0,5 м позволяет восстанавливать профили стратосферного озона в расширенном диапазоне 10-45 км.

• Применение коррекции лидарных сигналов на просчеты ФЭУ, работающих в режиме счета фотонов, обусловленные приемом сигналов большой интенсивности, особенно в нижней части трассы зондирования, позволяет исключить занижение лидарных сигналов, которые при восстановлении профилей стратосферного озона дают отклонения до 30%.

• Применение ацетонового фильтра на лидаре по зондированию влажности в тропосфере обеспечивает полное подавление крыла рэлеевской линии возбуждающего излучения на длине волны 308 нм при сохранении эффективного пропускания КР сигналов на длинах волн 331 и 437 нм.

• Разработана техника и методика лидарных измерений, которая позволяет в дневное время исследовать пространственно-временную динамику геометрических характеристик полупрозрачной облачности, в том числе облаков верхнего яруса сквозь нижележащую облачность, с оптической толщиной не более 0,3 и временным разрешением до 3 секунд.

• По результатам наблюдений 1997-98 г.г. максимальная повторяемость облаков верхнего яруса (Сл+Сл+Сз) наблюдается летом 60%, минимальная зимой - 39%, весной - 47% и осенью 43%. Высоты нижней границы перистых облаков заключены преимущественно в интервале 7-10 км.

• Модернизация Сибирской лидарной станции позволила измерять вертикальные профили температуры в высотном интервале —(10-75) км по одновременно регистрируемым сигналам обратного упругого молекулярного рассеяния и сигналам комбинационного рассеяния с использованием одного лазерного источника и общего приемного зеркала.

• Осуществлена комплексная автоматизация управления работой системы фотоэлектронной регистрации и процессом юстировки лидарного приемо-передатчика.

• Многолетнее регулярное лазерное зондирование стратосферы над Томском, проводимое на Сибирской лидарной станции за период более 15 лет, позволяет вывести исследования стратосферного аэрозоля на климатологический уровень. Полученные в одной точке длительные ряды наблюдений отражают не только региональные особенности, но и процессы планетарного масштаба. Аэрозоль в нижней стратосфере средних широт выступает как трассер циркуляционных стратосферных процессов. В его поведении четко проявляется сезонная и квазидвухлетняя цикличность, связанная с изменениями общей циркуляции стратосферы. «Новое» фоновое состояние стратосферы, наблюдаемое в последние годы при длительном отсутствии вулканических возмущений стратосферы характеризуется высокой однородностью в пространственно-временных распределениях стратосферного аэрозоля для всего региона Сибири.

Благодарности.

Автор выражает благодарность В.Л. Правдину за эффективное сотрудничество в проведении исследовательских работ по электронному управлению коэффициентом усиления счетных фотоприемников.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Невзоров, Алексей Викторович, Томск

1. Lacis A., Hansen J., and Sato M. Climate forcing by stratospheric aerosols // Geophys. Res. Lett. 1992. V. 19. № 15. P. 1607-1610.

2. SatoM., Hansen J.E., McCormick M.P., and Pollack J.B. Stratospheric aerosol optical depths, 1850-1990//J. Geophys. Res. 1993. V. 98. N2 D12. P. 22.987-22.994.

3. McCormick M.P., Thomason L.W., Trepte C.R. Atmospheric effects of the Mt Pinatubo eruption//Nature. 1995. V.373. P.399-404.

4. Labitzke K. and McCormick M.P. Stratospheric temperature increases due to Pinatubo aerosols // Geophys. Res. Lett. 1992. V. 19. №2. P. 207-210.

5. Hofmann D J. Increase in the stratospheric background sulfuric acid aerosol mass in the past "10 years // Science. 1990. V. 248. P. 996-1000.

6. Асатуров M.JI. Влияние стратосферного аэрозоля на климат// Метеорология и гидрология. 1998. 3. С. 5-12.8. http://iclas.hamptonu.edu/Pages/directcn.html

7. Зуев В.Е. Кауль Б.В., Самохвалов И.В., Кирков К.И., Цанев В.И. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей. Новосибирск: «Наука», 1986. 188 с.

8. Инаба X. Обнаружение атомов и молекул посредством комбинационного рассеяния резонансной флуоресценции / Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Д. Хинкли. М.: «Мир», 1979. С. 181279.

9. Ипполитов И.И., Комаров B.C., Мицель А. А. Оптико-метеорологическая модель атмосферы для моделирования лидарныхизмерений и расчета распространения радиации // Спектроскопические методы зондирования атмосферы Новосибирск: Наука, 1985. С.4-43.

10. Ельников А.В., Маричев В.Н., Шелевой К.Д., Шелефонтюк Д.И. Лазерный локатор для исследования вертикальной стратификацииаэрозоля.//Оптика атмосферы. 1988. т.1. №4. с. 117-123.

11. Артемьев В.В. Фотоэлектрические счетчики фотонов. Обзор. Оптико-механическая промышленность., 1974. № 1. с. 62-68.

12. Ветохин С.С., Гулаков И.Р., Перцев А.И. Одноэлектронные фотоприемники. М.: Энергоатомиздат, 1996.

13. Зуев В.Е., Зуев В.В. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. Санкт-Петербург.: Гидрометеоиздат. 1992. 232 с.

14. Абрамочкин А.И., Тихомиров А.А. Оптимизация приемной системы лидара. 2. Пространственные фильтры. Оптика атмосферы и океана . 1999. т. 12. ЛМ. с. 345-356.

15. McDermid I.S., Walsh T.D., Apostolos Deslis, and Mary L. White Opticalsystems design for a stratospheric lidar system. Appl. Opt. 1995. V.34. №. 27. p. 6201-6210.

16. Богомолов Г.И, Дубровский Ю.В., Летунов А.А. Импульсное управление усилением фотоэлектронного умножителя. ПТЭ. № 6. 1975' г. с. 187-188.

17. Michael P. Bristow, Donald Н. Bundy, and Anthony G. Wright Signal linearity, gain stability, and gating in photomultipliers: application to differential absorption lidars. Appl. Opt. 1995 V. 34, № 21, p. 4437 4452.

18. Cynthia К. Williamson and Russell J. DeYoung Reduction of PMT signali Viinduced noise in lidar receivers. Proc. of 19 International Laser Radar Conference. July 1998., Annapolis, MD, USA, p.751-754.

19. Правдин B.JI., Зуев B.B., Невзоров A.B. Электронное управление коэффициентом усиления ФЭУ при регистрации лидарных сигналов с большим динамическим диапазоном в режиме счёта фотонов // Оптика атмосферы и океана, 1996. Т. 9. № 12. С. 1612-1614.

20. Likura Y, Sugimoto N., Sasano Y, and Shimzu H. Improvement on lidar data processing for stratospheric aerosol measurements. Appl. Opt. 1987. V.26.№ 24. p. 5299-5306.

21. David B. Harper, Russell J. DeYoung Signal-induced noise effects in a photon counting system for stratospheric ozone measurement. Proc. of 19th International Laser Radar Conference. July 1998, Annapolis, MD, USA, p. 846-852.

22. Yanzeng Zhao Signal-induced fluorescence in photomultipliers in differential absoiption lidar systems . Appl. Opt. 1999, V. 38. № 21. p. 4639 -4648.

23. Nevzorov A.V., Marichev V.N., Khryapov P.A. Programming and instrumental methods for increasing accuracy of receiving and recording of lidar returns Proc. Of SPIE VI Symposium of Atmospheric and Ocean Optics , 23-26 june 1999, p.417-421

24. Гольданский В.И., Куценко A.B., Подгорецкий М.И. Статистика отсчётов при регистрации ядерных частиц. М., Физматгиз, 1959. 411с.

25. Астафуров В.Г., Мицель А.А. Особенности обработки лидарных сигналов при измерении газовых примесей атмосферы // Автометрия. 1984. №1.С.92-97.

26. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М. Мир, 1979, 416 с.

27. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Л;: Гидрометеоиздат, 1969, 648 С.

28. Megie G. et al Nature, 1977, N. 270, P. 329.

29. Uchino О., Maeda M., Hirono M. JEEE J. Qucnt Electr., 1979, V. QE -15, N 10, P. 10 S 4-1100.

30. Third International Lidar Researchers Directory Compiled by M.P. McCormick. NASA, Hampton, Virginia 23681 0001, 1993.

31. Schotland R.M. The detection of the vertical profile of atmospheric gases by means of a ground-based optical radar // Proc. Third Symposium on Remote Sensing of the Environment. Michigan: Ann Arbor. USA. P.P. 215-224. 1964.

32. Зуев В.В., Ельников А.В., Бурлаков В.Д. Лазерное зондирование средней атмосферы / Под общ. ред. В.В. Зуева. Томск: РАСКО, 2002. 352 с.

33. Schotland R.M. Errors in Lidar Measurements of Atmospheric Gases by Differential Absorption//J. Appl. Meteorology. V. 13. P.P. 71-77. 1974.

34. Zuev V.E., Zuev V.V., Makushkin Yu.S., Marichev V.N., Mitsel A.A. Lidar Differential Absorption and Scatterting Technique: Theory // Appl. Opt. V. 22. No 23. P.P. 3733-3741. 1983,a.

35. МежерисР. Лазерное дистанционное зондирование. М.: «Мир», 1987.—550 с. '

36. Глазов Г.Н. Статистические вопросы лидарного зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1987. 312с.

37. Коллис Р.Т.Х., Рассел П.Б. Лидарные измерения аэрозольных частиц и газов посредством упругого рассеяния в направлении назад и дифференциального поглощения //Лазерный контроль атмосферы /Под ред. Э.Д. Хинкли. М.; Мир, 1979. С. 91-180. ,

38. Зуев В.В., ЗуевВ.Е. Лазерный экологический мониторинг.- М., ВИНИТИ,1992. 214 с. '

39. АршиновМ.Ю., БеланБ.Д., Давыдов Д.К., Ковалевский В.К., Плотников А.П., Покровский Е.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н. Автоматический пост для мониторинга малых газовых составляющих атмосферного воздуха // Метеорол. и гидрол. 1999. № 3. С. 110-118.

40. Operational manual "How To Use Photon Counting Unit C3866", HAMAMATSU

41. Маричев B.H., Зуев B.B., Хряпов П.А., Долгий С.И., Невзоров A.B. Лидарные наблюдения вертикального распределения стратосферного озона над Томском летом 1998 г // Оптика атмосферы и океана, 1999, Т.12., Л'о 5, с. 428-433.

42. Зуев В.В., Катаев М.Ю., Маричев В.Н. Методика восстановления профилей озона из данных УФ-лидара: коррекция на аэрозольную и температурную стратификацию // Оптика атмосферы и океана, 1997, Т.10.,№ 9, с. 1103-1111.

43. Slingo A., Slingo J.M. // Q.J.R. Meteorol.Soc. 1988. V.114.P.1027-1062.

44. Harshvardhan, Randall D.A., Corsetti T.G. et al. // J. Atmos. Sei. 1989. V.46. P.1922-1942.

45. Platt C.M., Young C.A., Carswell A. et al. // Bull. Amer. Meteorol. Society. 1994. V.75. №. P. 1635-1654.

46. Пеннер И.Э., Коханенко Г.П., Шаманаев B.C.// Оптика атмосферы и океана. 2000. Т:13. №4. С. 379-385.

47. Platt С.М., Scott J.C., Düley A.C. // J. Atmos. Sei. 1987. V. 44. №4. P. 729747.

48. Кравец JI.B., Маринушкин В.H., Смирнов Н.Д. // Радиационные свойства перистых облаков. М.: Наука, 1989. С. 87-99.

49. Кравец Л.В. // Изв. РАН. Сер. ФАО. 1994. Т.30. №2. С.219-222.

50. Зуев В.В., Андреев М.И., Бурлаков В.Д. и др. // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т.П. №5. С.477-479

51. Nikolas F., Bissonnette L.R., Flamant P.H. // Appl. Optics. 1997. V. 36. N15. P. 3458-3468.

52. Ельников A.B., Зуев B.B., Маричев В.Н. // Оптика атмосферы. 1991. Т.4. ЛЬ2. С. 201-209.

53. Зуев В.В., Кавкянов С.И., Креков Г.М. // Изв. АН СССР. ФАО. 1983. Т. 19. ХоЗ. С. 255-266

54. Брансье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. JI.: Гидрометеоиздат, 1987. 414 с.

55. Hahii С. J., Warren S. G., London J. et al. Atlas of simultaneous occurrence of different cloud types over land. Boulder. NCAR Techn., Note TN241-STR, 1982. 21p.+188 maps.

56. Справочник по климату СССР. Вып. 20. Часть V. Облачность и атмосферные явления. Л.: Гидрометеоиздат. 1970, 323 с.

57. В.В. Зуев, В.Е. Зуев, В.Д. Бурлаков, С.И. Долгий, А.В. Ельников, А.В. Невзоров Климатология стратосферного аэрозоля и озона по данным многолетних наблюдений на Сибирской лидарной станции //Оптика атмосферы и океана. 2003. т.16. №8. с.719-724.

58. Ю-Чжен Лю. Г. Гибсон Микропроцессоры семейства 8086/8088 // Москва. Радио и связь. 1987. с. 343-348.

59. Новаченко И.В., Телец В.А. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры Москва. Радио и связь. 1992. с. 40-49.

60. Петровский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев B.C. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. В двух частях. ТОО «БИНОМ», 1993. 496 с.

61. Hitchman М.Н., McKay М., Trepte C.R. A climatology of stratospheric aerosol // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. № D 10. P. 20689-20700.

62. ZuevV.V., Burlakov V.D., El'nikov A.V., IvanovA.P., Chaikovskii A.P., Shcherbakov Y.N. Processes of long-term relaxation of SAL in Northern Hemisphere midlatitudes after a powerful volcanic eruption // Atmos. Environmental, 2001. V. 35. P. 5059-5066.

63. Зуев В. В., Ельников А. В., Бурлаков В. Д. Стратосферный аэрозольный слой над г. Томском (56,5° с.ш., 85,0° в.д.) по результатам наблюдений на Сибирской лидарной станции в 1986-1997 гг. // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 3. с. 268-274.

64. JagerH. and HomburgF. A new aerosol background level in the stratosphere? Lidar observations of the period 1976 to 1997//19 ILRC Abstracts of Papers. Langley Research Center. Hampton, Virginia. 1998. P. 335-338.

65. Kent G.S. and Hansen G.M. Multiwavelength lidar observations of the decay phase of the stratospheric aerosol layer produced by the eruption of Mount Pinatubo in June 1991 //Applied Optics. 1998. V. 37. № 18. P. 38613872.

66. Andrews D.G., Holton J.R. Leovy C.R. Middle atmosphere dynamics. Academic Press, San Diego, Calif. 1987.

67. Trepte C.R., ThomasonL.W. and Kent G.S. Banded structure in stratospheric aerosol distributions // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21.№ 22. P.P. 2397-2400."

68. Kent G.S., Trepte C.R., Lacker P.L. Long-term Stratospheric Aerosol and Gas Experiment I and II measurements of upper tropospheric aerosol extinction//J. Geophys. Res. 1998. V.103. №D22. P.28863-28874.

69. Philbrick C.R., Schmidlin F.E., Grossmann K.U., Lange G., Offermann D., Baker K.D., Krakowsky D., von Zang U. Density and temperature structure over Northern Europe // J. Atmosph. And Terrest. Physics. 1985. V. 47. No.1-3. pp. 159-172.

70. Зуев B.B., Маричев B.H., Бондаренко С.Л. Исследование точностных характеристик восстановления профилей температуры по лидарным сигналам молекулярного рассеяния // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т.9. №12. СС.1615-1619.

71. Hauchecorne A., Maillard A. A 2-D dynamical model of mesospheric temperature inversions in winter . // Geophys. Res. Lett., 1990: Vol. 17,: pp.2197-2200.

72. Standford M.C. Laser scatter measurements in the mesosphere and above. -j. Atmosph. Terr. Phys. V.29, p. 1657-1662, 1967.

73. Hauchecorne A., Chanin M.L. Density and temperature profiles obtained by lidar between 35 and 70 km. Geophys. Res. Lett., v.8, p. 565-568, 1980.

74. Third international lidar researchers directory. Compiled by M.P. McCormick/- Hampton, NASA, 1993, 181 p.

75. Зуев В.В., Бурлаков В.Д., Бондаренко С.Я. и др. Лазерное зондирование температуры средней атмосферы по молекулярном}^ рассеянию света. -тезисы докл. III Межреспубл. Симпозиума «Оптика атмосферы и океана» Томск, 1996, с 140.

76. Зуев В.В., Андреев М.И., Бурлаков В.Д., Ельников А.В., Невзоров . А.В., Смирнов С.В. Лидарная система для исследования облачности вдневное и ночное время // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т.П. № 5 с. 477-479.

77. Зуев В.В., Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Невзоров А.В., Орлова Н.Е. Первые результаты лазерного контроля водяного пара в тропосфере на Сибирской лидарной станции // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т.16. №>4с. 374-476.

78. Зуев В.В., Невзоров А.В., Хряпов П.А. Сравнение различных типов фотоэлектронных регистраторов лидарных сигналов при зондировании атмосферного озона // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т.13. № 11с. 1030-1033.

79. Бурлаков В. Д., Долгий С.И., Невзоров А.В. Модернизация измерительного комплекса Сибирской лидарной станции озона // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т.17. № 10 с. 857-864.

80. Зуев В.В., Зуев В.Е., Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Ельников А.В., Невзоров А.В., Правдин B.JI. Лидарные исследования характеристик фонового стратосферного аэрозоля над регионами Сибири // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т.16. № 2 с. 126-130.

81. Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics" Tomsk, 2004. V.5743. P.485-491.

82. Костко O.K., Портасов B.C., Хаттанов В.У., Чаянова Э.А. Применение лазеров для определения состава атмосферы. Под ред. Захарова В.М. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1983 г. 216с.

83. Балин Ю.С., Ершов А.Д., Коняев П.А., Ломакин Д.С. Контроль скорости перемещения атмосферных аэрозольных образований с использованием видео- и лидарной информации //Оптика атмосферы и океана. 2004. Т.17. № 12 с. 996-1002.