ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ и ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА Р. Р. АГИШЕВ РШ5 ЛИДАРНЫЙ МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРЫ МОСКВА ^ ФИЗМАТЛИТ 2009 УДК 551.508.856: 551.501.816: 621.383 ББК 22.34+26.23+ 32.85 А 24 Издание осуществлено при поддержке ’И Российского фонда фундаментальных исследований проекту 5-08-07008 А г и ш е в Р .Р . Л и д ар н ы й м о ни то р и н г а тм о с ф е р ы . — М .: ФИ ЗМ А ТЛИ Т, 2009. - 316 с. - I5ВN 978-5-9221-1028-0. В монографии рассмотрены современные методы и средства ла­ зерного дистанционного зондирования атмосферы. Изложены тради­ ционные принципы построения систем лидарного мониторинга, рас­ смотрены источники помех и особенности обработки эхосигналов. Рас­ крыты особенности разработанной автором обобщенной безразмерно­ параметрической методологии оценки эффективности и потенциальных возможностей всех классов атмосферных лидарных систем. Показаны особенности применения разработанной методологии для широкого круга приложений лазерного дистанционного зондирования. Развиты методы повышения эффективности атмосферных лидаров в сложной помеховой обстановке на основе улучшения пространственной избира­ тельности и повышения фоновой устойчивости. Представлена теория непрерывных частотно-модулированных лидарных систем лазерной) зондирования атмосферы с пространственным разрешением. На основе методологии безразмерной параметризации осуществлен комплексный сопоставительный анализ потенциальных возможностей двух основных классов лидаров: импульсных и непрерывных частотно-модулирован­ ных. Проведены комплексное сравнение важнейших разновидностей лидарных приемников на ФЭУ и ЛФД и прогнозирование их поведения в присутствии фоновых помех, характерных для атмосферных лидаров. Для научных работников и инженеров, специализирующихся в об­ ласти разработки и использования систем дистанционного зондирова­ ния и оптической локации, исследования природных ресурсов, охра­ ны окружающей среды и предотвращения чрезвычайных ситуаций, а также аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей. Табл. 9. Ил. 127. Библиогр.99 назв. А © ФИЗМАТЛИТ, 2009 15ВЫ 978-5-9221-1028-0 © Р. Р. Агишев. 2009 О ГЛ А ВЛ ЕН И Е П редисловие........................................................................................... Список обозначений............................................................................. Введение. О собенности и достоинства лидарных методов дистанционного зондирования..................................................... Г л а в а 1. О сн овн ы е п р и н ц и п ы л и дар н о го м о ни то р и н га а тм о с ф е р ы ...................................................................................... 9 14 18 21 1.1. Атмосфера как исследуемая среда......................................... 1.1.1. Основные эффекты взаимодействия оптическо­ го излучения с атмосферой (21). 1.1.2. Особенно­ сти распространения оптического излучения в атмосфе­ ре (24). 1.2. Укрупненная модель лидара. Лидарное уравнение.......... 21 1.3. О птические схемы лидаров и их п одси стем ...................... 1.3.1. Оптическая схема лидара (37). 1.3.2. Оптиче­ ские схемы зондирования рассеивающей среды (38). 1.3.3. Структурные схемы передатчиков. Передающая оптика (39). 1.3.4. Разновидности приемных оптиче­ ских систем (42). 37 Г л а в а 2. Ф он овы е помехи п р и л и д а р н ы х и зм ер ен и ях 30 47 2.1. Источники фоновых помех при лазерном зондировании атм осферы ...................................................................................... 2.2. Изменчивость яркости н еб а ..................................................... 2.2.1. Безоблачное небо (49). 2 .2.2. Облачное небо (50). 2.3. Модели ф она................................................................................. 52 2.4. М ощ ность фоновой помехи на входе фотодетектора . . . 57 47 48 Г л а в а 3. О б р аб отк а сигн ал о в в прием ном т р а к т е л и ­ д ар н ы х с и с т ем ............................................................................... 60 3.1. М одель лидарного приемника как обобщенного фильтра 60 3.2. Эффективность фильтрации сигналов и помех в лидарном п ри ем н ик е............................................................................ 63 3.3. Особенности пространственной фильтрации в лидарах 65 3.4. Особенности борьбы с помехами в электронном тракте 68 3.5. Методы приема оптических с игн ал о в................................. 3.5.1. Прямое фотодетектирование и способы регистра­ ции фотоэлектронов (73). 3.5.2. Принципы построе­ ния гетеродинных приемников (78). 3.5.3. Требования к согласованию полей принимаемого сигнала и сигнала гетеродина (80). 72 3.6. Методы расш ирения диапазона измерительного преоб­ разования лидарных фотоприемников................................. 82 Г л а в а 4. П рост р а н ств ен н ая и зб и р ате л ьн о с ть м оностати ч е ск и х л и д а р о в ........................................................................ 86 4.1. Критерий эффективности пространственной ф иль­ трации ............................................................................................. 87 4.2. Мгновенное угловое поле для принимаемого сигнала . . 4.3. Эффективность пространственной фильтрации типич­ ных лидарных систем ................................................................ 4 .3.1. Круглая диафрагма (90). 4.3.2. Клиновидная диафрагма (93). 4.3.3. Компенсирующая диафраг­ ма (94). 88 90 4.4. Оптимальное поле зрение биаксиального л и дара............ 96 4.5. Практическое использование клиновидной диафрагмы 98 Г л а в а 5. Т очн остн ы е х ар ак т ер и с т и к и л и д а р н ы х с и ­ с тем и и н т ер п р ета ц и я э х о - с и г н а л о в ................................. 102 5.1. Решение лидарного уравнения.М етоды восстановления оптических параметров атм осф еры ...................................... 102 5.2. Точностные характеристики методов восстановления . . 106 5.2.1. Метод логарифмической производной (106). 5.2.2. М етод последовательных слоев (107). 5.2.3. М е­ тод интегрального накопления (109). ______________________ Оглавление__________________________ 5 5.3. А нализ требований к лидарной системе при интенсив­ ном ф о н е ........................................................................................ 110 5.4. Влияние пространственной избирательности на точ­ ностные х а р ак тер и с ти к и ......................................................... 114 5.5. Влияние фоновой помехи на точность восстановления оптических профилей.................................................................116 Г л а в а 6. П рогнози рован и е поведения лида р н ы х ф о то ­ п рием ников в п ри сутстви и ф он овы х п о м е х ................... 121 6.1. Традиционный п о д х о д .............................................................. 121 6.2. Ухудшение отношения сигнал/шум и чувствительности в присутствии ф о н а ................................................................... 124 6.3. Ц -параметр л и да р а ..................................................................... 128 6.4. Обобщенные спектральные модели лидарных фотоде­ текторов при интенсивном ф о н е ........................................... 130 6.4.1. Определение обобщенных моделей ФЭУ и Л Ф Д (130). 6.4.2. Анализ отношения сиг­ нал/ш ум (132). 6.5. Сопоставительный анализ характеристик Ф ЭУ и Л Ф Д в присутствии ф о н а ................................................................... 134 6.5.1. Общие соображения (134). 6.5.2. Влияние оста­ точного фона и вклад «шумящих» Л Ф Д (137). 6.6. Сопоставление ФЭУ и Л Ф Д на длинах волн УАС -Ш л а з е р а ............................................................................................. 139 Г л а в а 7. М етодология б ез разм ерн о-парам етри ческого м одели рован ия лида р н ы х с ис тем .........................................143 7.1. Традиционный анализ лидарной систем ы .......................... 143 7.2. М олекулярная атмосфера как опорная с р е д а ................... 145 7.3. Д екомпозиция лидарного отношения с и гн ал -ш у м ..........148 7.4. Безразмерно-параметрическая модель лидарной систем ы ...........................................................................................152 7.5. Сокращение дальности действия лидара в присутствии фона н е б а ...................................................................................... 158 7.6. Эквивалентный У -парам етр.....................................................160 Оглавление Г л а в а 8. П ри л о ж ен и е м етодологии б езр азм ер н о й п а ­ ра м е тр и за ц и и д л я оц ен к и п о тен ц и ал ь н ы х в озм ож н осте й л и д а р о в .......................... 162 8.1. Лидар обратного рассеяния 162 8.1.1. Д альность действия при горизонтальном зонди­ ровании молекулярной атмосферы (162). 8.1.2. Д ал ь­ ность действия практически реализуемого горизонталь­ ного лидара (164). 8.1.3. Вертикальное зондирова­ ние (168). 8.2. О ценка минимально обнаружимой концентрации газа для рамановского л и д а р а ..........................................................171 8.3. О ценка диапазона детектируемых концентраций газа для топографического л и д а р а ................................................ 174 8.3.1. Оценка максимально обнаружимой концентра­ ции (175). 8.3.2. Оценка минимально обнаружимой концентрации (178). 8.4. Обоснование необходимого потенциала лидарного де­ тектора газов с помощью т - У - й диаграм м ......................180 8.4.1. М етод т-У-диаграмм (181). 8.4.2. Метод т-Кдиаграмм (183). Г л а в а 9. Зо н д ир о ва н ие а тм о с ф е р ы частотно-модулир ован н ы м и н еп реры вн ы м и л и д е р а м и ............................... 187 9.1. А льтернативный подход к построению л и д а р о в.............. 187 9.1.1. Частотные дальномеры (189). 9.1.2. Лазерные измерители радиальной скорости. М етоды измерения и особенности построения (190). 9.2. Архитектура и функционирование частотно-модулированных л и д а р о в .......................................................................... 193 9.2.1. Принцип действия ЧМ Н -лидара (194). 9.2.2. Выделение спектра дальномерных частот. Разно­ видности гетеродинирования в Ч М Н -лидарах (195). 9.3. Тактические параметры ЧМ Н-лидаров. Требуемая по­ лоса пропускания л и дара..........................................................198 9.4. Уравнение Ч М Н -лидара............................................................ 201 9.5. Требования к системе модуляции и зл у ч ен и я ................... 204 Оглавление Г л а в а 10. С оп остав и тел ь н ы й а н а л и з и м п ульсн ы х и Ч М Н -л и д ар о в н а основе б езр азм ер н о й п ар а м е т р и за ­ ц и и .................................................................................................... 206 10.1 ■В ведение........................................................................................ 206 10.2. Классификация разновидностей импульсных и ЧМ Н л и д а р о в .......................................................................... 209 10.2.1. Качественные показатели импульсных и ЧМ Н -лидаров (209). 10.2.2. Классификация лидаров на основе специфики методов приема и первичной обработки сигналов (210). 10.3. Приложение методологии безразмерной параметриза­ ции лидаров к сопоставлению импульсных и ЧМ Н с и с т ем ............................................................................................. 211 10.4. Дальность действия обобщенных Ч М Н и И Н лидаров 216 10.4.1. Д альность действия широкополосных лида­ ров (217). 10.4.2. Д альность действия узкополосных лидаров (218). 10.4.3. Характерные особенности узкополосных лидаров (220). 10.5. Выигрыш в полосе пропускания УП лидаров по сравне­ нию с Ш П л и д а р а м и ....................................................... 10.6. Выигрыш в дальности действия УП лидаров по сравне­ нию с Ш П л и д а р а м и ..................................................... 10.7. Чувствительность Ш П и УП л и даров...................... 10.7.1. Пороговая чувствительность разных типов лидаров (227). 10.7.2. Радиочастотное гетеродинирование (228). 10.7.3. Оптическое гетеродинирование (228). 10.7.4. О пто-электронное гетеродинирование (230). 10.8. Влияние шумов и атмосферного ослабления на 1 рыш в дальности действия и чувствительности. . 10.9. Комплексное сопоставление частотно-модулированных непрерывных и импульсных л и д а р о в ........................ “ Г л а в а 11. Л и д ар н ы е ф о то п р и е м н и к и н а Ф Э У при ин тен си вн ой ф он ово й п о м е х е ......................................... 11-1. Особенности применения и критерии выбора тип; топриемника при интенсивном ф о н е .......................... Оглавление 11.2. Фоновые характеристики фотоприемников на ФЭУ в паспортном реж и м е................................................................. 240 11.2.1. И зменения крутизны световой характеристи­ ки (240). 11.2.2. Сужение диапазона измерительного преобразования (247). 11.3. Фоновые характеристики стробируемых фотопри­ емников........................................................................................... 253 11.3.1. Управление по модулирующему электро­ д у (254). 11.3.2. Временные соотношения при резких изменениях уровня фона (258). 11.3.3. Динодное управление чувствительностью Ф ЭУ (260). 11.4. Фоновые характеристики фотоприемников со ступенча­ то-линейной световой характеристикой............................... 262 11.4.1. Расширение диапазона допустимых фоновых воздействий (263). 11.4.2. Фоновые изменения коэф­ фициента расширения Д И П (267). Г л а в а 12. С оврем ен ны е м етоды и ср ед ст в а повы ш ен и я п ом ехоустой чи вости л и д а р н ы х с и с т е м ............................. 271 12.1. О птико-электронная обработка лидарных эхо-сигналов, совмещенная с противофоновой.............................................. 271 12.2. П ространственно-временная селекция лидарных эхосигналов ......................................................................................... 276 12.3. Амплитудно-временная адаптация лидарной системы к фоновой пом ехе........................................................................ 280 12.4. А даптация оптических параметров бистатических ли ­ дарных систем к фоновой помехе ......................................... 283 12.4.1. Оценка точности измерений (284). 12.4.2. К о ­ тировочные и вибрационные характеристики (286). 12.4.3. Фоновые характеристики (287). 12.4.4. Оп­ тимизация углового поля приемной системы (289). 12.4.5. П рактическая реализация адаптации (290). 12.5. Предотвращение потерь информации при переключени­ ях поддиапазонов лидарного приемника............................. 294 12.6. Световая характеристика фоноустойчивого приемника 298 Заклю чение.............................................................................................. 302 Список литературы. . . . Предметный указатель. 303 311 АГИ Ш ЕВ Р а ви ль Р уст ем ович Л И Д А Р Н Ы Й М О Н И Т О Р И Н Г А Т М О С Ф Е РЫ О ригинал-макет: Е В . Чернина О формление переплета: Н.В. Гриш ина Книга выходит в авторской редакции Подписано в печать 14.01.09. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уел. печ. л. 19,75. Уч.-изд. л. 19,75. Тираж 400 экз. Заказ №5204. Издательская фирма «Физико-математическая литература* МАЙК «Наука/Интерпериодика» 117997, Москва, ул. Профсоюзная, 90 Е-шаП: Пгта1@та1к.ги, (т1за1е@та1к.ги; Ь И р ^чд тМ .ги Отпечатано с готовых диапозитивов в ПФ «Полиграфист» 160001, г. Вологда, ул. Челюскинцев, 3 Тел.: (8172) 72-55-31, 72-61-75, факс: (8172) 72-60-72