izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-10-31-36izmertech-1654Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSВыбор оптимальных трасс для дистанционных измерений микроструктуры рассеивающего объектаSelection of the optimal traces for remote measurements of the microstructure of a scattering object produced from particle imagesАрумовГ. 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 РАНРоссияSpace Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2022250520230103136Copyright © Арумов Г.П., Бухарин А.В., 20232023Арумов Г.П., Бухарин А.В.Arumov G.P., Bukharin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/1654

Актуальной задачей дистанционного мониторинга рассеивающих частиц в нижнем слое атмосферы является разработка методов получения информации о микроструктуре рассеивающего слоя по измеряемому сигналу обратного рассеяния. Рассмотрены основные параметры микроструктуры приземного слоя атмосферы (концентрация и площадь поперечных сечений частиц) и основные измеряемые величины при лидарном зондировании (коэффициент обратного рассеяния и коэффициент экстинкции). При одночастотном лидарном зондировании рассматриваемым коэффициентам можно сопоставить микроструктуру эквивалентной рассеивающей среды, состоящей из монодисперсных частиц. Это позволяет интерпретировать коэффициенты обратного рассеяния и экстинкции через микроструктуру эквивалентной среды. Величиной, непосредственно связанной с поперечным размером частиц, служит угловой размер ореола вокруг пучка, распространяющегося в рассеивающей среде. На примере двухпозиционной схемы зондирования рассмотрены способы измерения углового размера ореола вокруг пучка, прошедшего через рассеивающий экран. Рассеивающий экран представляет собой непрозрачную плоскость с отверстиями, проекциями которых являются изображения частиц. Показано, что если угловой размер прошедшего через экран пучка увеличивается в два раза, то схема измерения углового размера ореола будет оптимальной. Это можно достичь либо выбором линейного увеличения, по которому созданы изображения частиц на экране, либо перемещением экрана вдоль линии зондирования. Реализация указанных способов позволяет описать содержащиеся в приземном слое атмосферы полидисперсные и несферические частицы через сечение эквивалентных частиц. Появляется возможность применения дистанционных методов в задаче мониторинга приземного слоя атмосферы.

An urgent problem of remote monitoring of scattering particles in the lower atmosphere is the development of methods for obtaining information about the microstructure of the scattering layer from the measured backscatter signal. The main parameters of the microstructure of the surface layer of the atmosphere include the concentration and cross-sectional of particles. In lidar sensing, the main measured quantities are the backscatter coefficient and the extinction coefficient. For single-frequency lidar sounding, these coefficients can be associated with an equivalent scattering medium consisting of monodisperse particles. This makes it possible to interpret the backscatter coefficient and extinction through the microstructure of an equivalent medium. In lidar sounding, the quantity directly related to the transverse particle size is the angular size of the halo around the beam propagating in the scattering medium. On the example of a two-position probing scheme, methods for measuring the angular size of the halo around a beam that has passed through a scattering screen are considered. The diffusing screen is an opaque plane with holes whose projections are the images of particles. It is shown that if the angular size of the beam passing through the screen is doubled, then the measurement scheme will be optimal. This can be achieved either by choosing a linear magnification, according to which the images of particles on the screen are created, or by moving the screen along the probing line. The implementation of these methods makes it possible to describe the polydisperse and non-spherical particles contained in the surface layer of the atmosphere through the cross section of equivalent particles. It becomes possible to use remote methods in the problem of monitoring the surface layer of the atmosphere.

зондированиеприземный слойрассеяниеореолнесферические частицылидарsoundingsurface layerscatteringhalonon-spherical particleslidarработа выполнена в рамках программы Российской академии наук и Министерства науки и высшего образования по теме «Мониторинг» (госрегистрация № 122042500031-8).The work was carried out within the framework of the program of the Russian Academy of Sciences and the Ministry of Science and Higher Education, subject “Monitoring”, state registration no. 122042500031-8.ReferencesParamesvaran K., Rose K. O., Krishna Murthy B. V., Applied Optics, 1991, vol. 30, no. 21, pp. 3059–3071. https://doi.org/10.1364/AO.30.003059Paramesvaran K., Rose K. O., Krishna Murthy B. V., Applied Optics, 1991, vol. 30, no. 21, pp. 3059–3071. https://doi.org/10.1364/AO.30.003059Veretennikov 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.4.000411Chemyakin E., Burton S., Kolgotin A., Müller D., Hostetler C., and Ferrare R., Applied Optics, 2016, vol. 55, no. 9, pp. 2188–2202. https://doi.org/10.1364/AO.55.002188Chemyakin E., Burton S., Kolgotin A., Müller D., Hostetler C., and Ferrare R., Applied Optics, 2016, vol. 55, no. 9, pp. 2188–2202. https://doi.org/10.1364/AO.55.002188Veselovskii 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.41.003685Hoffnagle J. A., Jefferson C. M., Applied Optics, 2000, vol. 39, no. 30, pp. 5488–5499. https://doi.org/10.1364/AO.39.005488Hoffnagle J. A., Jefferson C. M., Applied Optics, 2000, vol. 39, no. 30, pp. 5488–5499. https://doi.org/10.1364/AO.39.005488Mishchenko 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., Current Problems in Remote Sensing of the Earth from Space, 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. 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., Current Problems in Remote Sensing of the Earth from Space, 2021, vol. 18, no. 3, pp. 298–306. (In Russ.)]. https://doi.org/10.21046/2070-7401-2021-18-3-298-306Born M., Wolf E., Principles of Optics, 4th ed., Oxford and New York, Pergamon Press, 1970, 854 p.Born M., Wolf E., Principles of Optics, 4th ed., Oxford and New York, Pergamon Press, 1970, 854 p.Арумов Г. П., Бухарин А. В., Тюрин А. В. // Международная конференция МСС-14: Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность, 24–27 ноября 2014 г. Сборник трудов. М.: ЛЕНАНД, 2014. С. 18–23 [Arumov G. P., Buharin A. V., Tjurin A. V., Proc. International Conference MSS-14 “Mode Conversion, Coherent Structures And Turbulence”, Moscow, 24– 27 November 2014, LENAND Publ., 2014, pp. 18–23. (In Russ.)].Арумов Г. П., Бухарин А. В., Тюрин А. В. // Международная конференция МСС-14: Трансформация волн, когерентные структуры и турбулентность, 24–27 ноября 2014 г. Сборник трудов. М.: ЛЕНАНД, 2014. С. 18–23 [Arumov G. P., Buharin A. V., Tjurin A. V., Proc. International Conference MSS-14 “Mode Conversion, Coherent Structures And Turbulence”, Moscow, 24– 27 November 2014, LENAND Publ., 2014, pp. 18–23. (In Russ.)].Арумов Г. П., Бухарин А. В. Выбор конфигурации миниатюрного лидара для калибровки сигнала обратного рассеяния // Оптические методы исследования потоков: Труды XV Международной научно-технической конференции, 24–28 июня 2019. М.: Издательство «Перо», 2019. C. 23–31 [Arumov G. P., Buharin A. V., Proc. 15th International Scientifi c and Technical Conference “Opticheskie metody issledovanija potokov”, 24–28 June, Moscow, Pero Publ., 2019, pp. 23–31. (In Russ.)].Арумов Г. П., Бухарин А. В. Выбор конфигурации миниатюрного лидара для калибровки сигнала обратного рассеяния // Оптические методы исследования потоков: Труды XV Международной научно-технической конференции, 24–28 июня 2019. М.: Издательство «Перо», 2019. C. 23–31 [Arumov G. P., Buharin A. V., Proc. 15th International Scientifi c and Technical Conference “Opticheskie metody issledovanija potokov”, 24–28 June, Moscow, Pero Publ., 2019, pp. 23–31. (In Russ.)].Kavaya M. J., Menzies R. T., Applied Optics, 1985, vol. 24, no. 21, pp. 3444–3453. https://doi.org/10.1364/AO.24.003444Kavaya M. J., Menzies R. T., Applied Optics, 1985, vol. 24, no. 21, pp. 3444–3453. https://doi.org/10.1364/AO.24.003444

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