Институт

Службы

Направления

Архив




Инфоресурсы

Проведение лидарных измерений с помощью комплекса Мобильного Лидара Высотного Зондирования (МЛВЗ) созданного в ФГБУ "ИПГ"

Лида́р (транслитерация LIDAR англ. Light Identification, Detection and Ranging) — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.

Лидар как прибор представляет собой, как минимум, активный дальномер оптического диапазона. Сканирующие лидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары, определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.

В Федеральном государственном бюджетном учреждении «Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова» (ФГБУ «ИПГ») разработана концепция подсистемы мониторинга и прогноза состояния верхней атмосферы (ВА), основная задача которой - непрерывный контроль состояния ВА и разработка методов прогноза ее изменений.

Концепция контроля состояния ВА базируется на комплексном использовании результатов наблюдений, выполняемых на космических аппаратах в совокупности с наземными, в частности, лидарными измерениями, с проведением оперативных расчетов параметров ВА с помощью разработанной в институте базовой модели, представляющей собой комплексную атмосферно-ионосферную модель плазменных параметров окружающего космического пространства (ОКП), в которой управляющей программой объединены известные эмпирические модели верхней атмосферы и ионосферы, модели ветра, электрического, геомагнитного и гравитационного полей Земли, дополненных блоком расчета возмущений. Комплексная программа позволяет при одном прогоне провести расчеты параметров ОКП по произвольной заданной пространственной и временной сетке.

Прогноз состояния ВА может быть осуществлен с помощью этой же модели, адаптированной к реальным условиям на основе данных мониторинга и при введении в нее прогностических величин солнечной и геомагнитной активности, оперативно получаемых Гелиогеофизической службой ФГБУ «ИПГ».

Основными измеряемыми и прогнозируемыми параметрами ВА являются плотность, состав и температура нейтральной атмосферы. Эти параметры на высотах 100-500 км определялись контактными методами с помощью масс-спектрометрических и манометрических приборов, устанавливаемых на космических аппаратах (КА) и геофизических ракетах.

ФГБУ «ИПГ» имеет большой опыт работ в указанной области, им разрабатывались методы и аппаратурные средства для спутниковых и ракетных измерений состава, температуры и плотности атмосферы на высотах выше 100 км, регулярно проводились эксперименты. В результате этих работ было показано, что основным элементом наблюдательной сети ВА должен быть орбитальный космический аппарат с научной аппаратурой для мониторинга структурных параметров ВА в режиме получения ежесуточных данных с возможностью повышения частоты наблюдений в требуемые периоды. Одновременно с мониторингом состояния ВА такой же комплекс бортовой научной аппаратуры может быть использован для изучения и контроля пространственно-временной изменчивости свойств околообъектовой среды космического аппарата. Знание среды необходимо для решения широкого круга технологических задач, связанных с эффективностью работы солнечных батарей, оптической аппаратуры, оптимизации размещения и режима работы физических приборов и элементов связи.

В рамках предлагаемого проекта установлен радиочастотный масс-спектрометр для регистрации ионного состава на ИСЗ «Метеор-3М». Для этой цели в ФГБУ "ИПГ" на основе имеющихся анализаторов ИВА-1(индикатор верхней атмосферы) изготавливаются на новой элементной базе масс-спектрометры РИМС-М, которые обеспечивают измерения ионного состава с борта КА «Метеор–М» №1 и «Метеор–М» №2 на высотах 810 - 830 км.

Базовая модель так же требует коррекции на нижних высотных уровнях, в диапазоне 80-120 км. Это чрезвычайно важная и сложная область атмосферы, в которой через динамические и турбулентные процессы оказывается влияние на нижнюю термосферу. Проблема усугубляется тем, что не существует приемлемых методов измерения параметров атмосферы на заданных высотах, поэтому эта область практически не исследована и её роль в процессах термодинамического переноса и трансформации энергии ещё предстоит установить. Из современных измерительных средств наиболее близко по высотному диапазону наблюдений примыкает к рассматриваемой области атмосферы (80-120 км) рэлеевский лидар, обеспечивающий измерение профилей температуры и плотности на высотах 30-70 км.

В настоящее время в мире имеется порядка 5-7 научных коллективов, имеющих релеевские лидары с максимальной высотой зондирования до 60-70 км. Наибольших успехов на этом поприще добилась группа г-жи Шанэн М.Л. из Службы аэрономии Франции, которая впервые создала релеевский лидар и впервые реализовала лидарный мониторинг атмосферы, получив важные геофизические результаты. В институте на протяжении нескольких десятков лет велось тесное сотрудничество с этим известным коллективом.

Благодаря этому сотрудничеству ИПГ проводил на о.Хейса (Земля Франца-Иосифа) лидарный мониторинг мезосферного натрия, создал релеевский лидар для научно-исследовательскогго судна (НИС) «Профессор Зубов» и в период 1985-1992гг. проводил лидарные измерения температуры и плотности на высотах 30-60 км в акваториях Северной и Южной Атлантики. В 1990 г. ИПГ создал резонансный лидар для локации мезосферного натрия и установил его на борт НИС «Профессор Визе». Судно в период 1991-1992 гг. успело сделать 2 рейса в Южную Атлантику, где удалось получить уникальные результаты. Успешно проведен совместный российско-французский космический эксперимент "Алиса".

В рамках этого проекта был совместно разработан и изготовлен космический лидар для орбитальной космической станции "МИР" (приёмный телескоп такого лидара используется на лидарной станции в Звенигороде на базе ИФА РАН, арендуемой ФГБУ "ИПГ").

Эксперимент по лидарному зондированию системы "Земля-атмосфера" из космоса проводился в период 1996-1999 гг. и прошел успешно, в результате был получен большой объем важной научной и технологической информации. Для решения прикладных задач в ФГБУ "ИПГ" создан рэлеевский лидар с высотой зондирования 70 км и был установлен на полигоне Капустин Яр.

Таким образом, в ИПГ в период 1978-1992г.г. была создана экспериментальная сеть релеевских лидаров с пунктами о.Хейса, Капустин Яр, НИС «Профессор Зубов» и «Профессор Визе».

В результате сокращения НИР период с 1992 г. и соответственно лидарной сети, используемая аппаратура морально и физически устарела. От этой сети в ФГБУ "ИПГ" осталось лишь самое ценное оборудование: 4 ситаловых зеркала от приемных телескопов диаметром 1,1 м каждое и фокусным расстоянием 3 м.

Попытки поднять высоту зондирования лидара предпринимались различными коллективами, однако с увеличением высоты резко возрастают технические трудности и финансовые затраты. Особенно это относится к размерам и степени совершенствования зеркал приемных телескопов.

Наилучших результатов добилась французская группа г-жи Шанэн, которая в 90-х годах создала релеевский лидар с высотой зондирования порядка 90 км.

Известно, что в настоящее время специалисты Службы аэрономии Франции работают над созданием релеевского лидара, высота зондирования которого оценивается в 120 км.

Увеличение потенциала лидара достигается за счет значительного увеличения эффективной апертуры приемного зеркала до 1,46 м, что обеспечивается построением мозаичной системы из 8 зеркал диаметром 53 см каждое и совмещением в единую систему синхронно работающих 6 лазеров мощностью до 25 Вт каждый.

Для сравнения предполагаемой нашей разработки с указанным французским образцом удобно ввести коэффициент эффективности:

К=Р×S, где Р - суммарная мощность лазерного излучения;

S - суммарная площадь поверхности приемных зеркал

Для лидара Службы аэрономии Франции имеем:

Р = 25×6=150 Вт

S = 1,7 кв.м

Таким образом К = 255 вт.кв.м

Из 4-х имеющихся в институте зеркал диаметром 1,1 м каждое можно составить совмещённый блок приемных телескопов (БПТ) с эффективным диаметром 2,2 м или площадью поверхности S = 3,8 кв.м.

Очевидно, что для получения К = 255 Вт.кв.м нам необходимо иметь Р = 70 Вт., что обеспечивается совместным использованием 3-х лазеров с энергией излучения 0,8 дж каждый при частоте зондирования 30 гц. Или соответственно 6 лазеров с энергией излучения 0,4 дж каждый при частоте зондирования 30 гц.

Таким образом, за счет имеющихся в ФГБУ "ИПГ" зеркал (эффективной поверхностью 3,8 кв.м) с использованием соответствующих лазеров можно надеется на увеличение высоты зондирования лидара до 120 км.

ФГБУ "ИПГ" располагает большим опытом инструментальных наблюдений параметров атмосферы с использованием спутниковых и наземных методов, а также теоретических модельных разработок, имеет реальные возможности в перспективе создать инструментально-модельную систему мониторинга и прогноза состояния верхней атмосферы.

В настоящее время существуют целые сети лидарных установок по всему миру: всемирная сеть обнаружения стратосферных изменений (NDSC), европейская сеть EARLINET, обеспечивающая координирование работы 22 лидарных станций с целью мониторинга крупномасштабного переноса аэрозоля в регионы Европы и исследования влияния аэрозольного фактора на климат и экологические условия, азиатская сеть AD-Net, проводящая исследования выноса пыли из пустыни Гоби в регионы Тихого океана, а также «CISLiNet» («Лидарная сеть стран СНГ»), которая позволяет связать европейскую и азиатскую сети в единое целое.

Целями настоящей работы является разработка и создание инструментальных основ и совершенствование базовой комплексной атмосферно-ионосферной модели (КАИМ) как основы системы мониторинга верхних слоёв атмосферы для диагностики текущего состояния и прогноза изменчивости этого состояния под воздействием природных и антропогенных факторов.

Для обеспечения мониторинга верхних слоёв атмосферы техническими средствами проведена разработка и изготовление технологического образца прибора РИМС-Атмосфера, лётные образцы которого использованы на низкоорбитальном космическом аппарате (КА). Для работы этого прибора на борту КА, передачи информации по телеметрии, её приёме и использовании в качестве входных данных в базовой модели разработано программное обеспечение (ПО).

Для прогностических целей и учёта воздействия антропогенных факторов на верхнюю атмосферу будет разработана имитационная версия базовой модели КАИМ. Будут проведены модельные исследования и оценки условий самовосстановления среды для различных масштабов воздействий на среду и получен соответствующий банк данных различных сценариев воздействия на атмосферу антропогенных факторов.

Разработан и создан многоцелевой лидар высотного зондирования МЛВЗ для получения атмосферных параметров в качестве нижних граничных условий базовой модели КАИМ. Для долгосрочных прогнозов необходим учёт в комплексной модели ОКП многолетних рядов экспериментальных данных. Предварительная работа по учёту долговременных изменений (трендов) основных атмосферных параметров на высотах выше 100 км (абсолютных концентраций атомарного кислорода, высоты турбопаузы и температуры нейтральной компоненты на экваториальных, средних и авроральных широтах) проделана в ФГБУ «ИПГ».

С 1958 до 1992 года измерение структурных параметров верхней атмосферы на высотах 100-230 км в ИПГ проводилось эпизодически при запусках метеорологических ракет МР-12 и МР-20 в различных районах от экватора до авроральных широт. Были получены довольно длинные ряды измерений. Кроме того, в этот же период были получены данные на высотах 230- 400 км с помощью ИСЗ Космос-196 и Космос-272.

Полученные результаты уточнили строение и изменчивость верхних слоёв атмосферы и ионосферы. В частности, позволили выявить долговременные тренды основных структурных параметров как следствие неконтролируемого антропогенного воздействия на хрупкую среду ОКП.

Таким образом, следующим этапом доработки объединённой модели КАИМ как прогностической модели для долгосрочных прогнозов является анализ этих трендов и отработка методов включения результатов этого анализа в объединённую модель.

Важнейшей особенностью инструментального контактного мониторинга с использованием орбитальных аппаратов является его глобальный характер в сочетании с высоким и заранее заданным пространственным разрешением, что позволит корректировать модельные значения измеряемых параметров и, соответственно, уточнять диагноз и прогноз возможных изменений. В этом плане эта система мониторинга не имеет альтернативы, а в сочетании с лидарными наземными средствами позволит более адекватно отражать состояние и изменчивость ОКП под воздействием естественных и антропогенных факторов.

Для воссоздания имеющихся в ФГБУ «ИПГ» заделов в части создания и использования лидарных систем, а также отслеживания мирового уровня развития лидарной техники в институте создан многоцелевой лидарный комплекс МЛВЗ. Его главной задачей является увеличение высоты зондирования атмосферы до 100 –120 км.

Структура и состав атмосферы

Атмосфера Земли в основном состоит из азота и кислорода. Эти молекулы составляют 99% общего содержания молекул сухого воздуха. Заметную часть остатка (около 1%) составляют молекулы аргона. Кроме всего этого, в атмосфере в малых количествах присутствуют углекислый газ, озон, метан, закись азота, водород, гелий, неон, криптон и ксенон. Многие другие газы попадают в атмосферу как загрязнение воздуха в промышленных районах. Они присутствуют в едва заметных концентрациях и их содержание подвержено сильным временным и пространственным вариациям.

Обычно атмосферу Земли делят на некоторые слои, каждый из которых характеризуется своим видом температурного профиля (рисунок 1).


Рис. 1. Температурный профиль атмосферы:
1 – тропосфера, 2 – стратосфера, 3 – мезосфера, 4 термосфера

Для лидарного зондирования необходимо рассматривать первые два нижних слоя атмосферы: тропосферу и стратосферу.

Обычный состав тропосферы выглядит следующим образом: азот и кислород составляют 99% газового состава, далее аргон (порядка 1%), углекислый газ (0,03%). Содержание водяного пара в тропосфере сильно изменчиво и варьируется от 1% до 3%. Также в этом слое содержатся множество малых составляющих, таких как, аэрозоли и частицы, окислы углерода, соединения серы, углеводороды, озон.

Из этого списка целесообразно уделить внимание аэрозолям и частицам. Аэрозоль – твердые или жидкие мельчайшие частицы веществ, взвешенные в воздухе. Наиболее заметным эффектом, который они оказывают на тропосферу, является их вклад в снижение видимости. Кроме того, они являются центрами прохождения химических реакций для загрязняющих газов, изменяют осадки, выступая в роли ядер конденсации, а также способствуют попаданию загрязнений в легкие, глаза и другие чувствительные органы человека.

Естественные источники аэрозолей и частиц включают вулканическую, минеральную пыль, частицы дыма лесных и торфяных пожаров, капли облаков и туманов. Человек также вносит немалый вклад в концентрацию этих частиц: частиц сажи, пепла, цемента, других отходов производства, частицы ядохимикатов, используемых в сельском хозяйстве и другие – их концентрации напрямую зависят от деятельности человека. Размер аэрозолей в тропосфере разнообразен, но в условиях устойчивого состояния, их радиус обычно лежит обычно в пределах 0,01– 20 мкм. Их концентрация быстро убывает в приземистом слое толщиной в 1 км, выше этого слоя она сильно колеблется.

В стратосфере аэрозоли и частицы распределены по всему объему. Максимумы концентраций расположены в области высот 20 км, и называются 20-километровым аэрозольным слоем или слоем Юнге. Главное значение содержания аэрозолей в стратосфере заключается в их возможном влиянии на перенос излучения в атмосфере с последующим влиянием на общий радиационный баланс Земли.

Типы систем дистанционного лазерного зондирования атмосферы

В зависимости от источника излучения методы дистанционного зондирования атмосферы можно разделить на две обширные категории: активные и пассивные. Пассивные методы используют естественно встречающееся в атмосфере излучение (например, солнечное и отраженное или испускаемое землей излучение). По наблюдениям взаимодействия этого излучения с исследуемыми компонентами (поглощения и рассеяния) извлекают информацию о концентрациях. Активные методы, наоборот, характеризуются введением в атмосферу определенного излучения, но обычно в качестве источников такого излучения используются лазеры. Информация о концентрации исследуемых компонентов извлекается из наблюдений таких видов взаимодействия излучения с атмосферой, как рассеяние, поглощение и флуоресценция.

Рассмотрим лидарные системы, работающие на активных методах, принципиальное деление их на типы можно посмотреть на рисунке 2.

Рис. 2. Схематическое деление активных методов дистанционного зондирования атмосферы

Рассмотрим системы лидарного зондирования атмосферы.

1) Аэрозольный лидар

Эта схема лидара получила наибольшее распространение из моностатических систем. Она заключается в совмещении источника и приемника излучения, то есть, приемник и источник излучения устанавливают в одном месте, например на поворотном устройстве, что позволяет изменять зенитный угол и азимут зондирования. Для зондирования используют несколько вариантов систем: одноволновые, многоволновые и поляризационные. Многообразие таких систем связано с важностью получения информации о физических параметрах атмосферного аэрозоля, которые зачастую определяют тип загрязнения. В то же время получение такой информации является технически сложной задачей в связи с многообразием типов аэрозолей.

2) Лидар на комбинационном рассеянии (лидар на КР)

Лидар на КР используется для измерений ряда молекул атмосферы, включая H2O, SO2 и CO2. Его использование требует мощных лазеров, больших телескопов, длительных времен накопления и обычно ограничено измерениями высоких концентраций молекул.

3) Лидар на резонансных эффектах

Лидар на резонансных эффектах характеризуется тщательным подбором как длины волны излучения лазера, так и длины волны излучения, регистрируемого приемником, для того чтобы они совпадали с длиной волны линии поглощения исследуемого компонента атмосферы. Возбуждение молекулы на частоте поглощения приводит к резонансному рассеянию, которое может быть значительно более интенсивным, чем нерезонансное рассеяние. Этот метод успешно применяется для измерения концентраций атомарных натрия и калия на больших высотах.

4) Лидар на дифференциальном поглощении рассеянного излучения

Его работа зависит от рассеяния на аэрозолях атмосферы, но измерения выбранного вида молекул осуществляются по их поглощению. В основу ее работы заложено использование по крайней мере двух лазерных пучков с различными длинами волн, которые последовательно или одновременно посылаются вдоль одного и того же направления в атмосферу. Первый лазерный пучок поглощается исследуемыми молекулами, в то время как второй пучок с близкой длиной волны поглощается не очень сильно. Так как пучки отличаются небольшим промежутком длин волн, то сечения аэрозольного рассеяния можно считать практически одинаковыми для обоих случаев. Различие в интенсивности рассеяния лучей в атмосфере можно считать обусловленным разницей в их поглощении исследуемыми молекулами. Анализ зарегистрированных сигналов от обоих лучей как функция времени позволяет осуществлять пространственно-разрешенные измерения концентрации поглощающих молекул.

Разнесенные системы характеризуются тем, что лазерный передатчик и приемный телескоп, либо расположены на определенном расстоянии, либо в одном месте, но имеют на некотором расстоянии отражатель. Существуют два основных вида разнесенных систем:

- бистатические системы;

- трассовые методы.

Бистатические системы в общем случае тоже можно назвать лидарными, однако, в бистатическом лидаре лазерный пучок источника входит в поле зрения приемника только на некотором расстоянии, которое определяется заранее (рисунок 3), поэтому измерения проводятся только в ограниченной области пространства.


Рис. 3. Бистатическая схема зондирования

Характерной особенностью этой схемы является большая база между источником и приемником. Оптические оси приемника и источника в такой схеме пересекаются на определенном расстоянии. Если зафиксировать высоту пересечения, то соответственно можно будет получать информацию от одного и того же участка атмосферы.

Трассовые методы - методы получения значения концентрации молекул использует в качестве измеряемого параметра поглощение лазерного луча при его распространении в атмосфере. Лазерный источник и приемный телескоп могут быть разнесены и направлены навстречу друг другу, но для облегчения работы лазер и телескоп размещают в одном месте, их оптические оси совмещают и направляют, на, например, топографическую мишень. Два лазерных луча настраиваются по длинам волн так, чтобы излучение одного совпадало с линией поглощения исследуемой молекулы, а другого было вне этой линии. Сравнение двух сигналов после регистрации собранного телескопом излучения дает меру интегральной (вдоль пути прохождения лазерного луча) концентрации молекул данного вида и не дает информации о распределении загрязнения вдоль трассы зондирования.

Принцип действия аэрозольного лидара.

Основной локационный принцип дистанционного зондирования с помощью лазеров называется лидар — сокращение из начальных букв английских слов Light Detection and Ranging. В простейшем случае лазер в лидаре используется просто как источник пригодных по величине импульсов энергии с достаточно короткой длительностью. Чаще всего используют твердотельные лазеры, работающие на длинах волн 532 нм и 1064 нм, генерирующие импульсы с пиковой мощностью, измеряемой десятками мегаватт, при длительности 10 – 20 нс. Импульсы с такой энергией формируются в пучки подходящими оптическими системами, пример которых схематически изображен на рисунке 4.


Рис. 4. Схематическое изображение основной конструкции лидара с коаксиальной геометрией приемо-передатчика

Лазерное излучение монохроматично и в высокой степени когерентно, имеет малую расходимость. Молекулы газов, частицы и капли, с которыми сталкивается лазерное излучение при распространении и атмосфере, вызывают рассеяние. Небольшая часть этого излучения рассеивается назад в направлении лидарной системы и может быть обнаружена. В лидаре рассеянное назад излучение собирается в соответствующем приемнике с помощью отражающей или преломляющей оптики и направляется на фотодетектор (обычно фотоумножитель), который преобразует его в электрический сигнал; интенсивность этого сигнала в любой момент времени пропорциональна принимаемому оптическому потоку. Поскольку свет распространяется с известной скоростью, расстояние до рассеивающего объема, из которого принят сигнал, в любой момент времени может быть определено по величине времени с момента запуска импульса. Величина принятого сигнала определяется способностью атмосферы рассеивать излучение в направлении назад на последовательных участках трассы, а также атмосферным ослаблением на двойном пути. Рассеяние назад в атмосфере зависит в свою очередь от используемой длины волны лазерного излучения, числа, размера, формы и преломляющих свойств частиц, капель (или молекул), находящихся на пути падающего излучения.

Взаимодействие излучения с атмосферой. Лидарное уравнение

Основные принципы лазерного зондирования могут быть выражены следующим лидарным уравнением:

Pr(R) = P0 (cτ/2)β(R)ArR-exp(-2∫α(r)dr), (1)

где Pr(R) – мгновенное значение принимаемой мощности в момент времени t
P0 – посылаемая мощность в момент времени t0
c – скорость света
τ – длительность импульса
β – объемный коэффициент рассеяния
R – расстояние до объекта
Ar – эффективная площадь приемника
α – объемный коэффициент ослабления.

Объемный коэффициент рассеяния назад β определяется как доля падающей энергии, рассеянная в единичном телесном угле (стерадиан) в направлении назад участком атмосферы единичной длины (он имеет размерность м-1 ср-1).

Эффективная площадь приемника Ar входит в лидарное уравнение из-за того, что она определяет телесный угол Ar/R2, под которым приемник виден с расстояния R (при условии, что угол расходимости посылаемого пучка не превышает угол приема и вся испущенная энергия вносит вклад в рассеяние назад с расстояния R).

Выражение exp(-2∫α(r)dr) представляет частичное пропускание излучения на двойном пути между лидаром и расстоянием R. Оно зависит от α – объемного коэффициента ослабления атмосферы, который показывает, во сколько раз уменьшается поток излучения на единичном пути в направлении распространения (имеет размерность м-1).

Рассеяние, поглощение и ослабление в атмосфере.

Под коэффициентом рассеяния, поглощения и ослабления единицы объема, находящихся в воздухе частиц понимают величины, определяемые соответственно следующими формулами:

αp.s(λ) = Np∫αp.s(λ,a)f(a)dα (2)
αp.a(λ) = Np∫αp.a(λ,a)f(a)dα (3)
αp(λ) = Np∫αp(λ,a)f(a)dα, (4)

где Np – число рассеивающих частиц в единице объема,
αp.s(λ,a), αp.a(λ,a), αp(λ,a) — соответственно коэффициенты рассеяния, поглощения и ослабления частицами радиусом a,
f(a) – функция распределения частиц по размерам, удовлетворяющая условию,

Np‘(a)da = Npf(a)da, (5)

где Np‘(a)da — число частиц в единице объема, имеющих радиусы от a до (a+da),
Np – общее число частиц в единице объема.

Рассеяние и ослабление на молекулах газа

Объемный коэффициент рассеяния назад определяется суммой вкладов от газовой фазы атмосферы и от содержащихся в ней частиц, т. е.

β = βg + βp, (6)

где индексом g обозначен коэффициент рассеяния на газах, а индексом р — на частицах.

Поскольку размеры газовых молекул очень малы по сравнению с длинами волн лазерного излучения, упругое рассеяние в направлении назад на молекулах атмосферных газов описывается приближением релеевского рассеяния

βg = βR = NgR(π)/dΩ, (7)

где Ng – число молекул газа в единице объема
R(π)/dΩ — дифференциальное сечение релеевского рассеяния под углом θ = π в расчете на 1 «среднюю» молекулу газа.

Для смеси атмосферных газов, имеющихся на высотах до 100 км,

R(π)/dΩ = 5.45 (λ(мкм)/0.55)-4⋅10-28см2/ср (8)

Это уравнение показывает характерную зависимость от длины волны интенсивности релеевского рассеяния, пропорциональной λ-4.

Коэффициент релеевского рассеяния назад есть простое кратное коэффициенту ослабления за счет релеевского рассеяния:

βR = 1.5/4 αR = 0.119 αR (9)

Так что, измерив либо βR, либо αR, можно тут же найти значение другой величины. Более того из выражения (7) видно, что измерения βR могут быть использованы для нахождения плотности атмосферы Ng. В тропосфере, где рассеяние назад на частицах часто превосходит рассеяние на газах или сравнимо с ним по интенсивности, сделать такое заключение невозможно, но для верхней атмосферы его справедливость доказана.

Коэффициент ослабления на молекулах газа может быть выражен формулой

αg = αg.s + αg.a (10)

Коэффициент ослабления αg.s за счет рассеяния на молекулах газа содержит компоненты упругого и неупругого рассеяния, однако компонент упругого рассеяния всегда доминирует (на несколько порядков величины для большинства длин волн), поэтому другим компонентом обычно пренебрегают. Поскольку размер молекул мал по сравнению с длинами волн лазерного излучения, то упругое рассеяние газами описывается сечением релеевского рассеяния σR, т. е.

αR = σRNg, (11)

где Ng — концентрация молекул газов в исследуемом объеме атмосферы. Для света с длиной волны λ сечение релеевского рассеяния в атмосфере на высотах до 100 км дается выражением

σR = 4.55(λ(мкм)/0.55)-4 10-27см2 (12)

Коэффициент поглощения для газов αg,a очень сильно зависит от длины волны, становясь доминирующим компонентом коэффициента ослабления α в окрестностях линий и полос поглощения различных атмосферных газов. Наиболее часто, эти черты сильного поглощения проявляются в ультрафиолетовой (λ < 300 нм) и инфракрасной (λ > 900 нм) областях спектра, где они могут жестко ограничить эффективную дальность дистанционных лазерных измерений. С другой стороны, эти спектральные особенности могут быть использованы в методах дифференциального поглощения для осуществления дистанционных измерений отдельных газовых составляющих.

Рассеяние и ослабление обратного сигнала на частицах.

Типичные концентрации взвешенных в воздухе частиц на высотах до нескольких километров приводят к таким значениям коэффициента рассеяния назад для частиц βp, которые часто превышают величину для газового компонента βp. Линейные размеры атмосферных частиц колеблются в пределах от 0,001 мм и до 10 мм и более. Свойства рассеяния света на крупных частицах трудно, если вообще возможно, описать точно из-за сильной естественной изменчивости формы частиц, их химического состава и распределения по размерам.

Для частиц произвольных размера и формы, а также неоднородного химического состава не существует аналитического решения задачи рассеяния электромагнитных волн. Тем не менее, многие атмосферные частицы (например, капли тумана и облаков) являются практически однородными сферами. Кроме того, полезная информация о рассеивающих свойствах других частиц может быть получена, если при рассмотрении их заменить эквивалентными однородными сферами.

Объемный коэффициент рассеяния назад взвеси, состоящей из однородных сфер различного размера, при освещении светом с длиной волны λ дается выражением

βp(λ) = ∫σB(a,λ,m)N’p(a)da, (13)

где σB(a,λ,m) — сечение рассеяния назад частицы радиусом а и комплексным коэффициентом преломления m, N’p(a) — число частиц радиусом между a и a+da в единице объема.

Распределение частиц по размерам N’p(a)da связано с полным числом частиц Np выражением

Np = ∫N’p(a)da (14)

Зависимость σB от a,λ,m была найдена в 1908 году ученым Ми

σB(a,λ,m) = πa2QB(x,m), (15)

где QB(x,m) — фактор эффективности рассеяния в направлении назад, или отношение сечения рассеяния назад к геометрическому сечению частицы πa2.

Зависимость фактора эффективности рассеяния назад от радиуса частицы a и длины волны λ выражается только через их отношение или, более общепринято, через «параметр размера» х, определяемый как

x = 2πa/λ (16)

Отношения рассеяния назад и ослабления для теории Ми, для типичных распределений аэрозоля, лежат в пределах:

0.01 ср-1 ≤ βpp ≤ 0.10 ср-1 (17)

Влияние формы частиц на величину объемного коэффициента ослабления αp не так велико, как в случае коэффициента рассеяния назад βР. Следовательно, по своим свойствам ослаблять излучение, атмосферные частицы очень часто и с хорошей надежностью могут быть описаны как эквивалентные сферы. В такой формулировке объемный коэффициент ослабления для света с длиной волны λ запишется как

αp(λ) = ∫σE(a,λ,m)N’p(a)da, (18)

где σE(a,λ,m) — сечение ослабления для частицы с радиусом а и коэффициентом преломления m
N’p(a)da — число частиц радиусом между a и a+da в единице объема.

Метод многоволнового зондирования

Зондирование на одной длине волны, предоставляет информацию о прозрачности атмосферы. Для получения большей информации об объекте, необходимо использовать многоволновое или поляризационное зондирование. На рисунке 5 показаны экспериментальная зависимость коэффициента ослабления водяных облаков и туманов от длины волны в области 0,5 -25 мкм. Из графика видно, что характер зависимости меняется при изменении размера частиц, поэтому, произведя измерение на нескольких длинах волн, можно получить информацию о распределении частиц по размерам внутри аэрозольного образования.


Рис. 5. Поведение коэффициента ослабления водяных облаков и туманов в области 0,5 – 25 мкм при наиболее вероятном размере частиц a1 = 2, a2 = 4, a3 = 6, a4 = 10 мкм

Принцип данного метода заключается в следующем:

  • на исследуемый объем атмосферы посылается излучение на нескольких длинах волн одновременно и регистрируется рассеянный назад сигнал;
  • с помощью методов логарифмической производной или же методов интегрального накопления определяется коэффициент ослабления для каждой длины волны. При этом можно получить значения коэффициентов ослабления вдоль всей трассы зондирования;
  • используя полученные значения коэффициентов ослабления на разных длинах волн, по уже известным экспериментальным зависимостям α(λ) для разных радиусов частиц, идентифицируют тип аэрозольного загрязнения. Точность данного метода будет возрастать при увеличении числа длин волн зондирования.

Многоцелевой лидар высотного зондирования (МЛВЗ).

Зондирования атмосферы проводятся при безоблачной погоде и в сумеречное время суток при заходе Солнца за горизонт не менее 3ᵒ. Проводятся зондирования атмосферы также и в дневное время. С помощью многоцелевого лидара высотного зондирования возможно провести квазипараллельные измерения параметров атмосферы. За сеанс измерений можно получить профиль температуры в диапазоне от 1 до 90 км, профиль озона в стратосфере, а также измерить аномальное увеличение концентрации аэрозоля в стратосфере.

Рис. 1. Структура МЛВЗ

Рис.2. Программа дистанционного управления настройкой световодов

Работу лидара легче осуществлять с помощью дистанционной программы подстройки световодов (Рис.2), которая позволяет с помощью встроенных электронно-механических контроллеров точно настраивать фокус приёмной системы в центр торца приёмного световода.

Рис.3. Схема расположения телескопов и вывода лазерного излучения

Наблюдения параметров средней и верхней атмосферы с помощью мощного лидара.

Лидарные наблюдения высотных профилей температуры средней и верхней атмосферы и спорадических аэрозолей проводятся при одновременной работе лазеров на длинах волн 532 нм с включением в передающую систему управляющего инжекционного узкополосного лазера (SEED). Использование методики узкополосной настройки приёмной аппаратуры на основе интерферометра Фабри-Перро позволяет проводить зондирование атмосферы в дневное время суток. Все результаты сохраняются в базе данных рабочего компьютера.

Мониторинг средней атмосферы с помощью многоцелевого лидара высотного зондирования атмосферы (МЛВЗ)

Используются методы лидарного зондирования атмосферы получения высотных профилей температуры в высотном интервале 10-30 км (Рамановское рассеяние), 30-100 км (Рэлеевское рассеяние); высотные профили аэрозоля (10-30 км), тропосферного и стратосферного озона; мезосферного натрия.

Результаты лидарного мониторинга обеспечивают комплексную атмосферно-ионосферную модель (КАИМ) совместно с имитационными моделями исходными данными для модельного мониторинга средней и верхней атмосферы.

В режиме текущего мониторинга получаем лидарные данные в виде высотных профилей следующих атмосферных параметров и компонент:

  • температура и плотность в высотном интервале 10-100 км;
  • высотный профиль концентрации озона (10-50 км);
  • высотный профиль концентрации мезосферного натрия (80-105 км).

Получаемые данные анализируются совместно с данными солнечной и геомагнитной активности, а также служат для выявления интенсивности динамических процессов (параметры внутренних гравитационных волн) влияющих на нижние термосферные слои.

Данные используются для валидации модели КАИМ, т.е. к её адаптации к реальному состоянию средней атмосферы в целях диагностики её состояния и прогноза различной изменчивости.

Информация по лидарной установке

Возможность получения сразу нескольких важнейших параметров атмосферы, а также большая (до 100 км) высота зондирования делают этот прибор практически уникальным.

Общий способ лидарного зондирования атмосферы аналогичен способу радиолокации с той лишь разницей, что вместо радиоволн используется электромагнитное излучение, генерируемое лазером в видимом диапазоне.

Излучение частично поглощается и рассеивается атмосферными компонентами. Часть обратно рассеянного излучения попадает на приёмную систему, обеспечивающую повысотную регистрацию сигнала.

Вид определяемого параметра атмосферы определяется механизмом рассеяния лазерного излучения атмосферными компонентами.


Рисунок 4. Два лазера Nd-YAG PRO-290 в комплекте с инжекционным лазером (в середине)


Рисунок 5. Инжекционный лазер


Эксимерный лазер CL7050 на XeCl.: 308 нм, 20 нс, 250 мДж, 25 кВ, 50 Гц, 0,5 мрад, 220 В / 50 Гц, 10 А, не более 1800 ВА.

Эффект молекулярного или рэлеевского рассеяния лежит в основе работы рэлеевского лидара, обеспечивающего получение вертикального профиля температуры атмосферы на высотах 30-100 км.


Рисунок 6. Блок регистрации рэлеевского рассеяния

Аэрозольное или Ми-рассеяние используется для регистрации профиля атмосферного аэрозоля на высотах 10-30 км.

Эффекты дифференциального поглощения позволяют определить высотный профиль озона в интервале 10-50 км.

Рамановское рассеяние лежит в основе получения профиля температуры на высотах 10-30 км.


Рисунок 7. Блок регистрации озона


Рисунок 8. Рамановский блок приёмной системы.


Рисунок 9. Блок приёмной аппаратуры.

Метод резонансного рассеяния нашел широкое применение для регистрации высотных профилей щелочных металлов (Na,Li,K), находящихся в естественном состоянии на высотах 80-100 км.

Многоцелевой лидар состоит из следующих основных блоков:

- генератор оптических сигналов (лазер, БП лазера, оптика и элементы подготовки пучков, контрольная аппаратура)


Рис. 10. Приемный телескоп с зеркалом 420 мм


Рисунок 11. Общий вид телескопа 1100 мм, а (на рисунке 12 его зеркало)


Рисунок 12. Вид телескопа 1100 мм внутри: видно само зеркало с центральным отверстие 100 мм

Автоматическая обработка, вычислительные ресурсы.

От лидарной станции принимаются ряды данных, в виде числа фотонов, как функции времени. Эти данные архивируются на рабочем диске или без предварительного накопления сигнала. Производится автоматическая обработка сигнала, результаты которой выводятся на экран и позволяют оператору оценить качество получаемой информации и правильность функционирования станции в целом.

В дальнейшем проводится обработка полученной информации, результатом чего становятся высотные профили ряда геофизических параметров, их временные и пространственные изменения.

Сбор данных по лидарному зондированию атмосферы до 100 км осуществляется в режиме реального времени на частотах 266 нм (180 mJ, длина импульса – 3-4 нс < 1064 нс), 355 нм (600 mJ, длина импульса – 2-3 нс < 1064 нс), 532 нм (1000 mJ, длина импульса – 1-2 нс < 1064 нс), 1064 нм (2000 mJ, длина импульса – 8-12 нс), причем зондирование может проводиться как на одной частоте, так и одновременно на нескольких частотах. Многочастотное зондирование даёт возможность повысить информативность принимаемой информации и является необходимым условием для её последующей программной обработки.

В соответствии с выбранными частотами по зондированию атмосферы используются разные программные модули обработки полученных первичных данных.

Так для получения профиля высотного распределения температуры используется Температурный Модуль программной обработки сигнала, для получения высотного распределния концентрации стратосферного и тропосферного озона используется Озоновый Модуль программной обработки, для получения высотного распределения аэрозоля используется Аэрозольный Модуль.

Программно-математический комплекс обработки данных

Комплекс состоит из программ начальной обработки данных и программ, рассчитывающих параметры атмосферы, такие как: высотное распределение температуры, концентрации озона, коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля.

Комплекс программ начальной обработки данных

Первичная обработка данных лидарного зондирования состоит из трёх процедур: коррекция эффекта мёртвого времени, вычитание фонового шума, коррекция нелинейного насыщения ФЭУ.

Работая в режиме счёта фотонов, приёмная аппаратура сравнивает каждый отдельный фотонный импульс с пороговым значением. Сигналы, превосходящие это значение, регистрируются как отсчеты. Однако в связи со статической природой импульсов они могут располагаться так близко друг к другу, что становятся неразличимы на уровне порогового значения и будут засчитаны как один (см. Рис.13).


Рис.13

Этот эффект называется мёртвым временем, возникающим в результате наложения импульсов. В результате зарегистрированное количество импульсов меньше, чем число попавших на фотокатод фотонов.

Существуют два сценария воздействия эффекта мёртвого времени:

1 – Парализуемая система.

В парализуемой системе единичный фотон запускает отсчет мёртвого времени, которое будет продлено, если второй фотон попадёт на фотокатод до того, как пройдёт мёртвое время, вызванное регистрацией первого. Например, если мёртвое время одного импульса 4 нс и фотоны приходят с интервалом 2 нс и 5 нс, будет зарегистрирован только один отсчет, так как мертвое время запускается снова с приходом второго фотона. Такая система может быть описана формулой:

Рm = ),

где: Рm – зарегистрированное число фотонов в микросекунду;

Рr – реальное число фотонов, попадающих в приёмную систему в микросекунду;

 – мёртвое время системы.

2 – Непарализуемая система.

В такой системе единичный фотон запускает отсчёт мертвого времени, которое не будет продлено фотоном, пришедшим в течение мертвого времени после первого. То есть, если мертвое время одного фотона 4 нс и два других приходят с интервалами 2 и 5 не после первого, количество отсчётов будет равно двум. Непарализуемая система описывается формулой:

Рm = (2.1)

где: Рm – зарегистрированное число фотонов в микросекунду;

Рr – реальное число фотонов попадающих в приёмную систему в микросекунду,

 – мертвое время системы.

Так как оба эти случая являются только теоретической моделью, они справедливы для небольших скоростей счета, и становятся несправедливы, если Рг∙, > 1.

Коррекция эффекта мертвого времени.

В нашем случае, счётчик фотонов Liсеl лучше всего описывается как не парализуемая система. Для коррекции мертвого времени используется два канала данных, интенсивность регистрируемого излучения в одном из которых специально уменьшена (см. рисунок 14).


Рис. 14. Зависимость сильного канала от слабого - красная линия, аппроксимация – белая.

Тогда для каждого из каналов, можно записать.

(2.2), (2.3)

где: ,  – измеренные скорости счета фотонов в высоком и низком каналах соответственно;

и  – реальные скорости счета фотонов;

 – мертвое время системы.

Введя соотношение между каналами:

= С∙, (2.4)

можно получить зависимость скорости счета фотонов в одном канале относительно другого:

= (2.5)

Первый способ определения неизвестных параметров заключается в аппроксимации известной зависимости формулой (2.5).

Фоновый шум определяется как среднее значение сигнала на интервале высот 80-120 км. Эта величина вычитается из всего сигнала. Далее ищется экспоненциальная функция насыщения ФЭУ. Для этого сигнал в интервале высот 80-120 км аппроксимируется функцией:

f(х) = + , (2.6)

найденная зависимость вычитается из всего сигнала.

3. Программа восстановления температурных профилей атмосферы

Относительную плотность слоя атмосферы на высоте можно представить как:

где N – число электронов, принятых с высоты  – оптическая толщина атмосферы в интервале высот  – нижняя точка расчета температуры.

Оптическую толщину можно представить в виде суммы:

τ(λ) = (λ) + + (λ),

где (λ) – оптическая толщина Рэлея, (λ) – оптическая толщина аэрозоля, (λ) – оптическая толщина, связанная с поглощением излучения газами, такими как или  – Рэлеевская оптическая толщина рассчитывалась по данным модели СIRА:

(λ,z) = , (3.2)

где Р(z) и Т(z) давление и температура, взятые из модели, λ – в нанометрах.

Величина (λ) рассчитывалась с учетом одного лишь озона, вклад остальных газов для данных высот и длины волны несущественен.

(λ,z) = (z)∆z (3.3)

- сечение поглощение озона на длине волны лидара (532нм), (z) – концентрация озона, ∆z – ширина высотного интервала.

Оптическая толщина аэрозоля рассчитывалась аналогичным образом.

При отсутствии аэрозоля относительная плотность прямо пропорциональна молекулярной плотности воздуха:

ρ() = K( (3.4)

где К – лидарная константа, учитывающая флуктуации энергии лазерного импульса, эффективность приёмника и экстинкцию на высотах (О, ). Нормирование плотности на высоте 36 км с атмосферной моделью (CIRA86) даёт возможность вычислить лидарную константу.

Озоновый блок в составе многоцелевого лидара высотного зондирования (МЛВЗ)

Включение озонового блока в состав МЛВЗ существенно расширяет возможности лидара при проведении исследований в стратомезосфере.

Особой ценностью этих исследований является возможность получения лидаром высотных профилей концентрации стратосферного озона с большим пространственным разрешением (~ 150-300 м.) в совокупности с измерениями высотных профилей концентрации стратосферного аэрозоля и температуры на высотах 5-80 км делает этот комплекс измерений практически уникальным.

В настоящее время наземные сетевые наблюдения озона проводятся с помощью спектрофотометров Добсона, при этом измеряется лишь общее содержание озона (ОСО).

Для этой цели регистрируется интенсивность солнечного УФ на длинах волн в областях сильного и слабого поглощения солнечного УФ озоном. Затем ОСО определяется из сравнения этих интенсивностей.

При лидарном зондировании вместо солнечного УФ используются лучи лазера с излучением на длинах волн, соответствующих областям сильного и слабого поглощения озона.

Для зондирования атмосферы в окнах поглощения и прозрачности необходимо использовать соответствующие лазеры. Такими лазерами являются:

  • эксимерный лазер (XeCl) c излучением на длине волны 308 нм, попадающий в область сильного поглощения озоном;
  • твердотельный лазер NdYag с излучением на 3-ей гармонике - 355 нм, попадающий в область слабого поглощения озоном.

Измерение высотного профиля озона с помощью лидарного зондирования стратосферы на 2-х частотах называется методом дифференциального поглощения (МДП).

Программно-математический комплекс обработки данных

Рисунок 15. Программа управления Licel.

Комплекс состоит из программ начальной обработки данных и программ, рассчитывающих параметры атмосферы, такие как: высотное распределение температуры, концентрации озона, коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля.

Рисунок 16. Сильный и слабый каналы, удален шум, несмотря на визуально чистое небо, на высоте 10,5-13 км виден мощный поглощающий слой

Рисунок 17. Профиль температуры (белый), модель (голубой). Наблюдается заметное потепление на высотах 24-28 км.

Звенигородская станция лидарного зондирования.

Установка смонтирована на территории Звенигородской научной станции ИФА им. Обухова А. М. РАН под Звенигородом (Одинцовский район, МО, 55,70СШ 36,76ВД) в специально построенном здании, арендуемым ИПГ и предназначена для дистанционного измерения температурного профиля атмосферы на высотах от 10 до 60 км.

Полевая база вертикального лидарного зондирования атмосферы в районе Звенигорода создана для проведения работ в условиях отсутствия загрязнений приземного слоя атмосферы, свойственного большим городам.

Цель развертывания полевой базы – проведение синхронных измерений с лидарами в Москве (ФГБУ "ИПГ"), и в Обнинске (НПО «Тайфун»), а также с привлечением других сопутствующих измерений (ЦАО, ИОФАН), в результате которых можно будет получать не только вертикальные профили температуры, но и рассчитывать пространственное распределение температуры в зоне измерений. Также появится возможность регистрации волновых процессов в стратосфере.

Размещение излучателя и приёмного телескопа и лидарной станции в Звенигороде.

Рис. 18. Настройку лазера проводит сотрудник ФГБУ "ИПГ" Саморуков В. В.

Рис. 19. Излучатель и приёмный телескоп (один из вариантов).

Рис. 20. Размещение оборудования лидарной станции.

Состав установки

Лидар включает в себя три основных блока:

  • импульсный лазер на АИГ:Nd ЛТИ-34М и зеркало, передающее излучение вертикально вверх в атмосферу;
  • приемное устройство из системы зеркал, световода и фотодетектора;
  • комплекс приборов для регистрации лидарных сигналов.

Общая схема лидара представлена на рис. 1.

1.3 Устройство лидара.

Главный элемент установки – лазер ЛТИ-34М представляет собой систему лазер-усилитель, работающую в импульсно-периодическом режиме с модуляцией добротности резонатора с генерацией моноимпульсов излучения на длине волны λ1=1064,1 нм с последующим преобразованием частоты излучения во вторую гармонику λ2=532,05 нм.

Модуляция добротности резонатора осуществляется электрооптическим затвором (ЭОЗ) из кристалла DKDP (KD2PO4)

Преобразование частоты осуществляется нелинейным элементом из кристалла КТР (KTiOPO4) и двулучепреломляющей пластинки λ/4 из кристаллического кварца.

Излучение второй гармоники с длиной волны λ2=532,05 нм, используемое для зондирования, перед выходом из лазера проходит через двухлинзовый телескоп Галилея, что позволяет уменьшить расходимость пучка до ~ 1 мрд.

Рис. 21. Блок – схема

Вместе с лазером в блок, передающий излучение в атмосферу, входит поворотное зеркало с отражающим покрытием из алюминия, снабженное механизмом юстировки.

Приемный блок включает в себя плоское зеркало размером 300х400 мм с отражающим покрытием из алюминия, установленное на стойке вместе с передающим зеркалом.

Далее, излучение, рассеянное назад атмосферой попадает в приемный телескоп, являющийся частью оптической системы спектроскопа «Алиса». Телескоп изготовлен по схеме Кассергена и состоит двух зеркал - главного параболического и второго плоского.

Излучение, сфокусированное телескопом на диафрагму, попадает на торец световода из оптоволоконного кабеля диаметром 1мм и передается по нему на фотоэлектронный умножитель ФЭУ.

Для регистрации лидарных сигналов используется комплекс приборов, состоящий из блока обработки сигнала, осциллографа и компьютера с прилагаемым к нему программным обеспечением.

Запуск аппаратуры для фиксации принимаемых импульсов излучения производится с помощью блока контроля лазерного излучения, на вход которого подается часть генерируемого света по оптоволоконному световоду.

Технические характеристики лидара.

Общие характеристики:

  • метод измерения – обратное комбинационное рассеяние;
  • диапазон измерений – 10-60 км;
  • разрешение по вертикали – 15 метров.

Излучатель:

  • лазер – ЛТИ-34М на основе излучателя ИЗ-34;
  • длины волн – 1064,1, 532,05 нм;
  • энергия импульса – 100 мДж. (λ1=1064,1 нм); 250 мДж (λ2=532,05 нм);
  • частота повторения импульсов – 30 Гц;
  • длительность импульса лазерного излучения по уровню 0,5 – 10 нс;
  • угловая расходимость излучения по уровню 0,9 энергии – 1 мрд;
  • диаметр сечения излучения по уровню 0,9 энергии – 50 мм
  • электропитание лазера – от 3-х фазной сети 220/380 В, 10 А, 50 Гц;
  • потребляемая электрическая мощность – не более 3 кВт;

Приемный блок:

  • размер поворотного зеркала – 300х400 мм;

  • диаметр главного зеркала телескопа – 500 мм;

  • фотоприемник – ФЭУ.

Один из примеров полученных температурных данных представлен в совместной работе с ИФА РАН:

Сравнение температуры в верхней мезосфере по измерениям лидара МЛВЗ, спутниковых и модельных данных и по наземным измерениям гидроксильной эмиссии

М.С.Иванов1, И.И.Мохов2, А.И.Семенов2, В.В.Саморуков1

1 Институт Федорова Прикладной Геофизики, Roshydromet
2Институт Обухова Атмосферной Физики RAS

Проведено сравнение температур атмосферы на уровне мезопаузы. Работы на научной станции «Звенигород» Института атмосферной физики им. Обухова RAS (ZSS IAP RAS) проводятся с конца 1950-ых (Шефов и др., 2006). Стабильно измеряется температура спектрографом дифракции гидроксильных спектров эмиссии с максимальной эмиссией на высоте приблизительно 87 км (Семенов и др., 2002; Шефов и др., 2006). С 2011. В Институте прикладной геофизики имени академика Е.К.Фёдорова проводились измерения вертикального распределения температуры и содержания озона в атмосфере с помощью высотного лидаром МЛВЗ. В марте 2015 была проведена серия синхронных измерений лидара МЛВЗ (Москва, 56°N, 37°E) и спектрофотометрические измерения (ZSS IAP RAS, 56°N, 37°E) на уровне мезопаузы. Во время лидарного зондирования были достигнуты высоты приблизительно 100 км. Температурные профили измерений оптического лидара сравнивались с данными температур спутников (AURA, TIMED/SABER) и моделью (CIRA).

a)

b)

c)

Рис. 25. Температурные профили для Московской области от измерений лидара МЛВЗ(1), со спутниковыми данными (2) и модель CIRA(3) и также с температурой в mesopause от наземных измерений гидроксильной эмиссии (4-черные круги): a) 16.03.2015, b) 17.03.2015, c) 19.03.2015.

Рисунок 25 - представляет высотные профили температуры – данные лидара МЛВЗ и сравнивались со спутниковыми измерениями и данными модели CIRA и с температурными данными спектральных измерений гидроксильной эмиссии.

Результаты сравнения показывают довольно хорошее согласование для лидарной температуры с данными гидроксильных измерений эмиссии.

References

Khomich V.Yu., Semenov A.I., and N.N. Shefov (2008) Airglow as an Indicator of Upper Atmospheric Structure and Dynamics. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. 739 p.

Semenov A.I. and N.N. Shefov (1999) Empirical model of hydroxyl emission variations. Intern. J. Geomagnetism and Aeronomy, 1(3), 229-242.

Semenov A.I., V.V. Bakanas, V.I. Perminov, Yu.A. Zheleznov and Yu.V. Khomich (2002) The near infrared spectrum of the emission of the nighttime upper atmosphere of the Earth. Geomagnetism and Aeronomy, 42(3), 390-397.