5. 1. 2. Лидарные методы.

Лидары (от анг. Light Detection and Ranging) – лазерные системы дистанционного зондирования . Принципиальная схема типичного лидара представлена на рис. 5. 1.

Риc . 5. 1. - Принципиальная схема лидара:

1 - лазер; 2 - блок контроля выходного излучения; 3 - передающая оптическая система; 4 - приемная оптическая система; 5 - спектроанализатор; 6 - приемник излучения; 7 - усилительно-преобразующий электрический тракт; 8 - процессор; 9 - выходное устройство.

Излучение лазера 1 формируется передающей оптической системой, которая коллимирует выходной пучок, минимизируя его расходимость. В состав передающей оптической системы 3 могут входить оптические фильтры, отсекающие побочное излучение, которое может возникать в некоторых типах лазеров. Часть лазерного излучения отводится полупрозрачным зеркалом на блок 2 контроля выходного излучения, связанного с усилительно – преобразующим электрическим трактом и процессором. Блок контроля выходного излучения задает начало отсчета времени и используется для калибровки интенсивности импульса, необходимой для проведения количественной интерпретации данных.

Отраженное от объекта исследования излучение собирается приемной оптической системой 4 и поступает в спектроанализатор 5, предназначенный для выделения рабочего спектрального диапазона, в котором производятся измерения. Одновременно спектроанализатор подавляет фоновое излучение (помехи): осуществляет спектральную фильтрацию сигнала. Сигнал с выхода приемника излучения 6 усиливается, фильтруется и обрабатывается в цифровой или аналоговой форме.

Лидарные методы измерений массовой концентрации аэрозоля.

Дистанционное определение массовой концентрации аэрозоля основано на использовании явлений рассеяния лазерного излучения.

Аэрозольные лидары – лидары, в которых принимаемый сигнал обусловлен в основном рассеянием лазерного излучения на атмосферных аэрозолях. Функциональная схема аэрозольного лидара показана на рис. 5. 2.

Рисунок 5.3. - Функциональная схема лидара:

1 - лазерный передатчик; 2 - передающая антенна (оптический коллиматор); 3 - детектор зондирующего излучения- 4- светоделительное устройство; 5- приемный объектив; 6 - пространственный фильтр (диаграмма); 7- поляризационный фильтр; 8 - спектральный фильтр; 9 - фотодетектор; 10 - усилитель; 11 - регистратор электрического сигнала; 12 – компьютер.

Лазерный передатчик 1 генерирует короткий оптический импульс длительностью 5 – 15 нс (в зависимости от типа используемого лазера) через передающую антенну 2.. Часть лазерного излучения отводится на детектор 3 и используется для измерения энергии зондирующего импульса и синхронизации работы других устройств лидара. Часть потока излучения, рассеянного из изучаемого объема среды, с помощью светоделительного устройства 4 поступает на приемную антенну 5. При этом для повышения отношения сигнал/шум, особенно при работе в дневное время, в приемной системе устанавливается пространственный фильтр 6 (например, диафрагма), который уменьшает поле зрения, приближая его к расходимости лазерного передатчика. При решении задач по определению структуры аэрозоля и его фазового состава используется дополнительная информация о состоянии поляризации рассеянного излучения. Для этой цели в приемной системе предусматривается поляризационный фильтр 7. Спектральный фильтр 8, устанавливаемый перед фотодетектором 9 , выделяет диапазон спектра, в котором регистрируется рассеянное излучение, и служит для повышения отношения сигнал/шум. В качестве детекторов оптического излучения используются высокочувствительные фотоэлектронные умножители либо лавинные фотодиоды. Продетектированный электрический сигнал при необходимости усиливается в широкополосном электронном усилителе 10, а затем оцифровывается в аналого – цифровом преобразователе 11 (АЦП). Информация с АЦП и с детектора зондирующего излучения поступает в компьютер 12, где по заданным алгоритмам определяется искомые атмосферные параметры, в частности профили массовой концентрации аэрозолей.

Одна из последних модификаций такого лидара ЛОЗА имеет управляемый от компьютера электромеханический привод, обеспечивающий установку заданного направления зондирования.

К достоинствам лидарных методов следует отнести: дистанционность, оперативность, высокое пространственное и временное разрешение при достаточно высокой чувствительности, возможность создания карт аэрозольных полей в радиусе нескольких километров от лидара.

Лидарные методы измерения фазового состава аэрозоля.

Наибольшее распространение в исследовательской практике получили одно – двухчастотные поляризационные лидары, отличающиеся относительной простотой. Поляризационные лидары в отличие от аэрозольных лидаров позволяют выделить в принимаемом потоке излучения компоненты с различными состояниями поляризации, что дает дополнительную информацию о свойствах рассеивающей среды.

Определение высотных профилей температуры атмосферы.

В практике лидарных измерений важнейшего метеорологического параметра атмосферы – температуры по вертикальным профилям используются три основных известных метода:

молекулярного (или рэлеевского) рассеяния;

спонтанного комбинационного (рамановского) рассеяния;

резонансного (дифференциального) поглощения.

Разработан метеорологический лидар МЕЛ – 01, предназначенный для дистанционного зондирования практически всех основных метеопараметров атмосферы, включая профили температуры с использованием метода дифференциального поглощения.

Определение скорости ветра лидарными методами.

Лазерное зондирование скорости ветра использует перемещение увлекаемых им естественных рассеивателей оптической энергии (аэрозолей, молекул и т. д.). В настоящее время параллельно развиваются два метода лазерного зондирования скорости ветра – доплеровский и корреляционный.