izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-4-38-43izmertech-1594Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSСравнение методов определения концентраций частиц модельного рассеивающего слоя лидаром упругого рассеянияComparison of methods for determining concentrations of particles in a model scattering layer for an elastic scattering lidarАрумовГ. П.ArumovG. P.

Георгий Петрович Арумов

Москва

Georgy P. Arumov

Moscow

arumov@iki.rssi.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3171-3105БухаринА. В.BukharinA. V.

Алексей Владимирович Бухарин

Москва

Alexei V. Bukharin

Moscow

tumbul@iki.rssi.ruИнститут космических исследований Российской академии наукРоссияSpace Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202308052023043843Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1594

Рассмотрена актуальная задача расширения области применения лидаров упругого рассеяния для определения микроструктуры приземного слоя атмосферы, содержащего полидисперсные и несферические частицы различной природы. Предложено интерпретировать микроструктуру слоя атмосферы как эквивалентную рассеивающую среду, состоящую из монодисперсных частиц. Проведён сравнительный анализ двух методов определения концентраций частиц в рассеивающем приземном слое атмосферы по лидарным сигналам обратного рассеяния с одновременной регистрацией угловых характеристик ореола рассеяния зондирующего пучка и по результатам контактных измерений с применением нефелометра. В рамках модели эквивалентной среды рассмотрена микрофизическая интерпретация измеряемых лидаром коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции. Сравнены способы определения концентрации эквивалентных частиц модельной рассеивающей среды нефелометром по рассеянию на отдельных частицах в прямом и обратном направлениях. Концентрация эквивалентных частиц определена по результатам относительных измерений сигналов, образующихся при рассеянии светового излучения отдельными частицами, и показано, что она пропорциональна отношению квадрата ненормализованного момента первого порядка к ненормализованному моменту второго порядка. Отмечено, что найденные по обратному рассеянию ненормализованные моменты зависят от альбедо частицы, а найденные по прямому рассеянию – практически не зависят. Показано, что одновременные измерения сигналов, образованных рассеянием излучения отдельными частицами в прямом и обратном направлениях, позволяют определять необходимую для решения лидарного уравнения связь между коэффициентами обратного рассеяния и экстинкции, а затем использовать коэффициент обратного рассеяния для определения концентраций эквивалентных частиц. Результаты выполненного анализа позволяют однозначно сопоставить концентрацию эквивалентных частиц измеряемому сигналу обратного рассеяния. Полученные результаты можно применить при разработке дистанционных методов контроля аэрозольного загрязнения приземного слоя атмосферы.

The topical problem of expanding the scope of application of elastic scattering lidars for determining the microstructure of the atmospheric surface layer containing polydisperse and nonspherical particles of various nature is considered. It is proposed to interpret the microstructure of the atmospheric layer as an equivalent scattering medium consisting of monodisperse particles. A comparative analysis of two methods for determining particle concentrations in the scattering surface layer of the atmosphere from lidar backscattering signals with simultaneous registration of the angular characteristics of the scattering halo of the probing beam and from the results of contact measurements using a nephelometer is carried out. Within the framework of the equivalent medium model, the microphysical interpretation of the backscattering and extinction coeffi cients measured by the lidar is considered. Within the framework of the equivalent medium model, the microphysical interpretation of the backscattering and extinction coeffi cients measured by the lidar is considered. Methods for determining the concentration of equivalent particles of a model scattering medium with a nephelometer by means of scattering on individual particles in the forward and backward directions are compared. The concentration of equivalent particles is determined from the results of relative measurements of the signals generated by the scattering of light radiation by individual particles, and it is shown that it is proportional to the ratio of the square of the unnormalized fi rst-order moment to the unnormalized second-order moment. It is noted that the unnormalized moments found from backscattering depend on the albedo of the particle, and the unnormalized moments found from forward scattering practically do not depend. It is noted that simultaneous measurements of signals generated by forward and backward scattering of radiation by individual particles make it possible to determine the relationship between the backscattering and extinction coeffi cients necessary for solving the lidar equation, and then use the backscattering coeffi cient to determine the concentrations of equivalent particles. The results of the performed analysis allow an unambiguous comparison of the concentration of equivalent particles with the measured backscatter signal. The results obtained can be applied in the development of remote methods for monitoring aerosol pollution of the surface layer of the atmosphere.

коэффициент обратного рассеяниякоэффициент экстинкцииненормализованный моментполидисперсные частицынесферические частицыэквивалентное сечениелидаррассеивающая средаbackscattering coeffi cientextinction coeffi cientnon-normalized momentpolydisperse particlesnon-spherical particlesequivalent cross sectionlidarscattering mediumReferencesKulkarni P., Baron P. A., Willeke K. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. Third Edition, Wiley Inc., 2011, 883 p. https://doi.org/10.1002/9781118001684Kulkarni P., Baron P. A., Willeke K. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. Third Edition, Wiley Inc., 2011, 883 p. https://doi.org/10.1002/9781118001684Measures R. M. Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications. New York, Wiley, 1983, 912 p.Measures R. M. Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications. New York, Wiley, 1983, 912 p.Арумов Г. П., Бухарин А. В. Выбор оптимальных трасс для дистанционных измерений микроструктуры рассеивающего объекта // Измерительная техника. 2022. № 10. С. 31–36.Arumov G. P., Bukharin A. V. Izmeritel’naya tekhnika, 2022, no. 10, pp. 31–36 (In Russ.) https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-10-31-36Veselovskii I., Kolgotin A., Griaznov V., Muller D., Wandinger U., Whiteman D. N. Applied Optics, 2002, vol. 41, no. 18, pp. 3685–3699. https://doi.org/10.1364 /AO.41.003685Veselovskii I., Kolgotin A., Griaznov V., Muller D., Wandinger U., Whiteman D. N. Applied Optics, 2002, vol. 41, no. 18, pp. 3685–3699. https://doi.org/10.1364 /AO.41.003685Mishchenko M. I. Journal Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2009, vol. 110, no. 11, pp. 808–832. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2008.12.005Mishchenko M. I. Journal Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2009, vol. 110, no. 11, pp. 808–832. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2008.12.005Арумов Г. П., Бухарин А. В. Использование специальных экранов, моделирующих рассеянное в среде излучение, для измерения эквивалентного поперечного сечения частиц // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 3. С. 298–306.Arumov G. P., Buharin A. V. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2021, vol. 18, no. 3, pp. 298–306 (In Russ.) https://doi.org/10.21046/2070-7401-2021-18-3-298-306Арумов Г. П., Бухарин А . В., Макаров В. С. Трёхмерные отражающие объекты в задаче моделирования лидарного сигнала от рассеивающего слоя // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 4. С. 328–334.Arumov G. P., Bukharin A. V., Makarov V. S. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2022, vol. 19, no. 4, pp. 328–334 (In Russ.) https://doi.org/10.21046/2070-7401-2022-19-4-328-334Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 664 с.Bohren C. F., Huffman D. R. Absorption and scattering of light by small particles. New York, Wiley, 1983, 545 p.Veretennikov V. V., Kozlov V. S., Naats I. E., Fadeev V. Ya. Optics Letters, 1979, vol. 4, no. 12, pp. 411–413. https://doi.org/10.1364/OL.4.000411Veretennikov V. V., Kozlov V. S., Naats I. E., Fadeev V. Ya. Optics Letters, 1979, vol. 4, no. 12, pp. 411–413. https://doi.org/10.1364/OL.4.000411Glenn K. Y. Applied Optics, 2000, vol. 39, no. 30, pp. 5446– 5455. https://doi.org/10.1364/AO.39.005488Glenn K. Y. Applied Optics, 2000, vol. 39, no. 30, pp. 5446– 5455. https://doi.org/10.1364/AO.39.005488

The authors declare that there are no conflicts of interest present.