научная статья по теме LIDAR STATION MEASUREMENT COMPLEX FOR REMOTE SENSING OF ATMOSPHERIC PARAMETERS Энергетика

Текст научной статьи на тему «LIDAR STATION MEASUREMENT COMPLEX FOR REMOTE SENSING OF ATMOSPHERIC PARAMETERS»

УДК 528.8.044.6

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС "СИБИРСКАЯ ЛИДАРНАЯ СТАНЦИЯ" ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ1

В. Д. Бурлаков, С. И. Долгий, А. П. Макеев, Г. Г. Матвиенко, А. В. Невзоров, Я. В. Усольцев

Приводятся технические характеристики измерительного комплекса "Сибирская лидарная станция" Института оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (г. Томск). Рассматриваются возможности комплекса для дистанционных измерений различными методами лазерного зондирования радиационно-значимых параметров атмосферы: вертикального распределения оптических и микроструктурных характеристик стратосферного аэрозоля, концентрации тропосферно-стратосферного озона, температуры до мезосферных высот, влажности. Ключевые слова: лазерное зондирование, атмосфера, лидар.

ВВЕДЕНИЕ

Большие возможности применения методов лазерного зондирования для мониторинга широкого круга параметров атмосферы обусловлены тем, что при распространении в атмосфере электромагнитного излучения оптического диапазона наблюдаются различные физические процессы взаимодействия излучения с составляющими атмосферы [1]. Это молекулярное и аэрозольное рассеяние и поглощение, комбинационное и резонансное рассеяние, лазерноиндуцированная флуоресценция, эффект доплеровс-кого сдвига частоты рассеяния, температурные, поляризационные и другие эффекты. Лазерное зондирование основывается на принципе световой локации, который, по аналогии с радаром, называется ли-дар (аббревиатура английских слов Light Detection and Ranging). В настоящее время лидары стали эффективным и широкоприменяемым средством исследований атмосферы и оперативного контроля ее состояния. По данным международной координационной группы по лазерным исследованиям атмосферы (ICLAS) в мире насчитывается около 100 ли-дарных установок, исследования на которых осуществляются в режиме регулярных наблюдений или прове-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (госконтракты № № 02.740.11.0674, 14.740.11.0204 и 16.518.11.7067) и проекта Президиума СО РАН № 2.

дения целенаправленных измерительных кампаний [2].

Для изучения региональных и крупномасштабных пространственно-временных изменений полей атмосферных параметров в настоящее время в мире широко используются сети лидарных станций, на которых проводятся регулярные координированные измерения методами лазерного зондирования атмосферы. Наземные лидарные сети являются составной частью программы глобальных атмосферных наблюдений Всемирной метеорологической организации (WMO/GAW). На наиболее широкомасштабной сети обнаружения стратосферных изменений (N080) [3] с помощью лидаров осуществляются, в основном, измерения стратосферного озона, аэрозоля и температуры. Европейская аэрозольная лидарная сеть (ЕАЯЬШЕТ) [4] включает 22 лидарные станции для исследований процессов переноса аэрозольных загрязнений природного и антропогенного происхождения в основном в тропосфере над Европой. Процессы переноса аэрозоля в Азии, происхождение которого обусловлено пылью, изучаются лидарными станциями сети АБ-^ [5]. В конце 2004 г. на территории Евроазиатского континента была организована еще одна ли-дарная сеть — сеть стран СНГ [6], которая предназначена для изучения процессов переноса аэрозоля и озона. Сеть объединяет шесть лидарных станций России, Беларуси и Кыргызстана, в том

числе Сибирскую лидарную станцию (СЛС) Института оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН [7].

В статье рассматриваются технические характеристики измерительного комплекса СЛС и его возможности для зондирования параметров атмосферы. С 1995 г. СЛС входила в Перечень уникальных стендов и установок национальной значимости (рег. № 01-64). В 2010 г. СЛС включена в "Каталог уникальных стендов и установок (Организаций-исполнителей проектов Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы")".

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС "СИБИРСКАЯ ЛИДАРНАЯ СТАНЦИЯ"

Многоканальный стационарный лидарный комплекс Сибирской ли-дарной станции, функционирующий в Томске (56,5° с. ш.; 85,0° в. д.), разработан на основе лазерных источников различного типа, генерирующих в спектральном диапазоне 266...1064 нм, и приемных телескопов на основе зеркал диаметром 2,2; 0,5 и 0,3 м. Различные методы лазерного зондирования позволяют получать информацию о вертикальном распределении ряда основных радиационнозначимых параметров атмосферы: стратосферно-тропос-ферный озон и аэрозоль, температура, влажность.

В таблице приведены основные технические характеристики лазерных источников и приемных оптических элементов комплекса. Наиболее длительные ряды атмосферных наблюдений получены по измерениям характеристик стратосферного аэрозоля (с 1986 г.) и озона (с 1989 г.). Оптические характеристики стратосферного аэрозоля (СА) измеряются в высотном диапазоне 10...30 км на унифицированной для мировой сети лидарных станций длине волны 532 нм. Данные о микроструктурных параметрах СА, которые характеризуют спектр размеров аэрозольных частиц, определяются методом многочастотного зондирования на длинах волн 355; 532 и 683 нм (355 нм — третья гармоника К±УЛО-лазера, 683 нм — первая стоксовая компонента преобразования линии 532 нм в ячейке с водородом высокого давления на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР)).

Зондирование стратосферного озона методом дифференциального поглощения и рассеяния осуществляется на длинах волн 308/353 нм, 353 нм — первая стоксовая компонента ВКР преобразования излучения ХеС1 эксимерного лазера (308 нм) в водороде. Зондирование вертикального распределения концентрации озона в высотном диапазоне 5... 18 км осуществляется на длинах волн 299/341 нм, соответственно первая и вторая стоксовые компоненты ВКР преобразования четвертой гармоники К±УЛО-ла-зера (266 нм) в водороде. Вертикальное распределение температуры в высотном диапазоне 5...30 км опре-

деляется по сигналам комбинационного рассеяния (КР) от атмосферного азота на длине волны 607 нм. В высотном диапазоне 30... 7 5 км температура восстанавливается из лидарных сигналов молекулярного рассеяния на длине волны 532 нм. Кроме того, на СЛС реализовано: зондирование оптических и геометрических характеристик облачности на длинах волн 1064 нм в дневное и ночное время и на длине волны 511 нм (лазер на парах меди) в ночное время; зондирование влажности в тропосфере по сигналам комбинационного рассеивания от молекул водяного пара и азота на длинах волн 347 и 332 нм, соответственно при накачке лазерным импульсом на длине волны 308 нм.

АЭРОЗОЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Особенностью трехчастотной схемы зондирования характеристик СА является то, что длины волн 355; 532 и 683 нм реализуются в одном соосном пучке излучения с применением одного лазерного источника. Это значительно упрощает процесс настройки и работы трехчас-тотного лидара, что позволяет вести измерения в режиме регулярных наблюдений. Структурная схема разработанного лидара приведена на рис. 1. Базовым лазером системы является К±УЛО-лазер — модель LS-2132T-LBO минской фирмы "LOTIS TII", работающий на длинах волн 532 и 355 нм. Лазерное излучение на длинах волн 355 и 532 нм направляется в ВКР-ячейку. Ячейка изготовлена из трубы (нержавеющая сталь) с внутренним диаметром 3 см и длиной 1 м. Необходимая для

получения эффекта ВКР-преобра-зования плотность энергии накачки обеспечивается линзой, которая устанавливается перед ячейкой и фокусирует излучение накачки на ее центр. После ячейки конфокально устанавливается коллимирующая линза. Фокусные расстояния линз 80 см. Излучение на трех длинах волн, реализованное в одном пучке зондирования, направляется в атмосферу поворотным зеркалом. Зеркало установлено на автоматизированный юстировочный узел, разработанный на основе шаговых двигателей с управлением от компьютера. Оптические лидарные сигналы регистрируются приемным телескопом, который разработан по схеме Ньютона на основе зеркала диаметром 0,3 м.

К корпусу приемного телескопа пристыкована кювета спектральной селекции, выделяющая оптические сигналы на отдельных длинах волн зондирования. Для регистрации ли-дарных сигналов используются ФЭУ фирмы Нашаша1Би: Я7206-01 работающее на длинах волн 532 и 683 нм и Я7207-01 на длине волны 355 нм. Регистрация осуществляется в режиме счета импульсов фототока.

Из рис. 2 видно, что разработанная система позволяет регистрировать лидарные сигналы до высоты верхней границы стратосферного аэрозольного слоя, т. е. до ~ 30 км. Из данных одночастотного зондирования восстанавливаются оптические характеристики стратосферного аэрозольного слоя (САС) в определенном интервале высот Н: вертикальный профиль коэффициента обратного аэрозольного рассеяния

Технические характеристики лидарного комплекса

Параметры лидара Измеряемые характеристики

Аэрозоль Температура Озон

Длина волны зондирования, X нм Энергия импульса, мДж (соотв. X) Частота следования, Гц (соотв. X) Расходимость, мрад 511 1 2500 532 100 20 355 40 20 -0,1 Перед 683 60 20 атчик 1064 200 20 532 100 20 0,1 308/353 100/50 50...200 0,1...0,3 299/341 25/20 15 0,1...0,3

Метод зондирования Длина волны, нм Диаметр зеркала, м Фокусное расстояние, м Обр на 511 2,2 10 >атное аэрозо 532 0,3 1 упругое >лях и 355 0,3 1 Прие рассея моле^ 683 0,3 1 мник ние лах 1064 2,2 10 Молекулярное рассеяние 532 2,2 10 КР от N2 607 2,2; 0,3 10; 1 Дифферег поглощение 308/353 0,5 1,5 щиальное и рассеяние 299/341 0,5 1,5

20

Sensors & Systems • № 3.2012

БП

|ВБП

532 нм КСС

У-Д *fE7206-0T

683 нм

ЧТ>

ИФ

oR_

<ЕрЛ5

1ИФ

СпДх

Л3

спэт

Л4;

Ж

ВБП

ИФ

ПД

БП

355 нм

КТ>

Компьютер

•е

о

о

ПЗ

00,3 м

ПЗ

Л2 Н2 ЛТ 355, 532 нм

rO v

ФТ

о-

Блок включения ФЭУ и лазера

Рис. 1. Структурная схема трехволнового лидара для зондирования стратосферного аэрозоля:

Nd:YAG — твердотельный лазер; #2 — ячейка ВКР преобразования с водородом; ПЗ — автоматизированное поворотное зеркало; ПД — полевая диафрагма; КСС — кювета спектральной селекции с ФЭУ; Л — линзы; СпД — спектроделители; ИФ — интерференционные фильтры; У-Д — усилители-дискр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»