izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-11-38-43izmertech-1665Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSИзмерение концентрации молекул водорода в атмосфере: компьютерное моделирование лидарного уравнения для дифференциального поглощения и рассеянияThe concentration measurement of hydrogen molecules in the atmosphere: lidar equation computer simulation for the differential absorption and scatteringПриваловВ. Е.PrivalovV. E.

Вадим Евгеньевич Привалов

Санкт-Петербург

Vadim E. Privalov

St. Petersburg

vaevpriv@yandex.ruШеманинВ. Г.ShemaninV. G.

Валерий Геннадьевич Шеманин

Новороссийск

Valery G. Shemanin

Novorossiysk

vshemanin@mail.ruСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian FederationБелгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова (филиал в г. Новороссийске); Новороссийский политехнический институт (филиал) Кубанского государственного технологического университетаРоссияV. G. Shukhov Belgorod State Technological University, Novorossiysk Branch; Novorossiysk Polytechnic Institute of Kuban State Technological UniversityRussian Federation2022290520230113843Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1665

Рассмотрены вопросы повышения точности лидарных измерений концентрации молекул водорода в атмосфере. Выполнено компьютерное моделирование лидарного уравнения для дифференциального поглощения и рассеяния молекулами водорода при вертикальном зондировании атмосферы на высоту не более 1500 м, при моделировании учтены соотношения полуширин линий генерации лазеров и аппаратной функции лидара. Приведена оптическая схема лидара дифференциального поглощения и рассеяния с двух волновым лазерным излучателем, одна длина волны излучения которого совпадает с максимумом полосы поглощения исследуемой молекулы, а другая находится вне этой полосы. С применением компьютерного моделирования показано, что относительная погрешность измерения лидарного сигнала дифференциального поглощения и рассеяния при зондировании молекул водорода в атмосфере резко уменьшается на расстоянии зондирования менее 50 м. На расстоянии зондирования более 800 м относительная погрешность остаётся практически неизменной и не превышает 0,02. Полученные результаты можно использовать для разработки лидаров дифференциального поглощения и рассеяния для зондирования молекул водорода в атмосфере.

The issues of improving the accuracy of lidar measurements of the concentration of hydrogen molecules in the atmosphere are considered. A computer simulation of the lidar equation was carried out for differential absorption and scattering by hydrogen molecules during vertical remote sensing of the atmosphere to a height of up to 1500 m taking into account the ratio of the halfwidths of the lasing lines and the lidar apparatus function. It is shown by the computer simulation results that the relative error value sharply falls in the ranging distance up to 50 m. The relative error values remain almost unchanged and not exceeds 0.02 at the distance after 800 m. These results will be applied to develop new differential absorption and scattering lidars for the remote sensing of the hydrogen molecules in the atmosphere.

лидар дифференциального поглощения и рассеяниялидарное уравнениемолекулы водородаатмосфераотносительная погрешностьdifferential absorption and scattering lidarequationhydrogen moleculesatmosphererelative errorработа выполнена при поддержке РФФИ (гранты №№ 19-42-230004, 19-45-230009).the work was supported by the RFBR grants no. 19-42-230004 and no. 19-45-230009.ReferencesПривалов В. Е., Шеманин В. Г. Лидарная система комбинационного рассеяния света для зондирования молекул водорода в атмосфере // Оптика и спектроскопия. 2022. Т. 130. Вып. 3. С. 395–399. https://doi.org/10.21883/OS.2022.03.52168.2707-21Privalov V. E., Shemanin V. G., Raman lidar system for the hydrogen molecules remote sensing in atmosphere, Optics and spectroscopy, 2022, vol. 130, no. 3, рр. 395–399. (In Russ.) https:/doi.org/10.21883/OS.2022.03.52168.2707-21Коллис Р. Т. Х., Хинкли Э. Д., Инаба Х. и др. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э. Д. Хинкли; Пер. с англ. Ю. Ф. Аршинова, под ред. В. Е. Зуева. М.: Мир, 1979. 416 с.Hinkley E. D. (ed.), Laser monitoring of atmosphere (TAP, vol. 14), Springer, Berlin, Heidelberg, 1976. https://doi.org/10.1007/3-540-07743-XПривалов В. Е., Шеманин В. Г. Оптимизация лидара дифференциального поглощения и рассеяния для зондирования молекулярного водорода в атмосфере // Журнал технической физики. 1999. Т. 69. Вып. 8. С. 65–68.Privalov V. E., Shemanin V. G., Technical Physics, 1999, vol. 44, no. 8, рр. 928–931. https://doi.org/10.1134/1.1259407Nevzorov A. A., Romanovskii O. A., Sadovnikov S. A., Yakovlev S. V., Kharchenko O. V., Kravtsova N. S., Geints I. Yu., Romanovskii Ya. O., Optical Memory and Neural Networks, 2021, vol. 30, no. 2, рр. 97–104. https://doi.org/10.3103/S1060992X21020041Nevzorov A. A., Romanovskii O. A., Sadovnikov S. A., Yakovlev S. V., Kharchenko O. V., Kravtsova N. S., Geints I. Yu., Romanovskii Ya. O., Optical Memory and Neural Networks, 2021, vol. 30, no. 2, рр. 97–104. https://doi.org/10.3103/S1060992X21020041Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование: Пер. с англ. И. Г. Городецкого, В. В. Филюшкина, под ред. А. Б. Карасева. М. Мир. 1987. 550 с.Measures Raymond M., Laser remote sensing: fundamentals and applications, New York, Wiley, 1984.Weitkamp C. (ed.), Lidar: range-resolved optical remote sensing of the atmosphere (SSOS, vol. 102), New-York, Springer Science, Business Media Inc, 2005, 455 p. https://doi.org/10.1007/b106786Lidar: range-resolved optical remote sensing of the atmosphere, Ed. C. Weitkamp, SSOS, vol. 102, New-York, Springer Science, Business Media Inc, 2005, 455 p. https://doi.org/10.1007/b106786Креков Г. М., Крекова М. М., Суханов А. Я., Лисенко А. А. Лидарное уравнение для широкополосного оптического излучения // Письма в Журнал технической физики. 2009. Т. 35. Вып. 15. С. 8–15.Krekov G. M., Krekova M. M., Sukhanov A. Ya., Lisenko A. A., Technical Physics Letters, 2009, vol. 35, no. 8, рр. 687–690. https://doi.org/10.1134/S1063785009080021Привалов В. Е., Шеманин В. Г. Измерение мощности упругого рассеянии атмосферного аэрозоля реальным лидаром // Измерительная техника. 2014. № 4. C. 19–21.Privalov V. E., Shemanin V. G., Measurement Techniques, 2014, vol. 57, no. 4, рр. 396–400. https://doi.org/10.1007/s11018-014-0467-3Привалов В. Е., Шеманин В. Г. Лидарное уравнение с учетом конечной ширины линии генерации лазера // Известия РАН. Серия Физическая. 2015. Т. 79. № 2. С. 170–180.Privalov V. E., Shemanin V. G., Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2015, vol. 79, no. 2, рр. 149–159. https://doi.org/10.3103/S1062873815020203Зуев В. В., Катаев М. Ю., Макогон М. М., Мицель А. А. Лидарный метод дифференциального поглощения. Cовременное состояние исследований // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. № 8. С. 1136–1164.Zuev V. V., Kataev M. Yu., Makogon M. M., Mitzel A. A., Lidar method of differential absorption. Modern status of studies, Atmospheric and ocean optics, 1995, vol. 8, no. 8, рр. 1136–1164.Справочник по лазерам / Под ред. А. М. Прохорова. В 2-х томах. Т. 1. М.: Советское радио, 1978. 504 c.Laser Handbook, ed. A. M. Prokhorov, in 2 volumes, vol. 1, Moscow, Sov. Radio Publ., 1978, 504 p. (In Russ.)Sigimoto N., Sims N., Chan K., Killinger D. K., Optics Lett., 1990, vol. 15, no. 8, рр. 302–304. https://doi.org/10.1364/OL.15.000302Sigimoto N., Sims N., Chan K., Killinger D. K., Optics Lett., 1990, vol. 15, no. 8, рр. 302–304. https://doi.org/10.1364/OL.15.000302Привалов В. Е., Шеманин В. Г. Параметры лидаров для дистанционного зондирования газовых молекул и аэрозоля в атмосфере. СПб.: Балтийское ГТУ «ВОЕНМЕХ», 2001. 56 c.Privalov V. E., Shemanin V. G., Parametry lidarov dlya distantzionnogo zondirovaniya gasovykh molekul i aerozolya v atmosphere [Lidar parameters for the remote sensing of the gaseous molecules and aerosol in atmosphere], St. Petersburg, Balt. STU “Voenmekh” Publ., 2001, 56 p. (In Russ.)Глазов Г. Н. Статистические вопросы лидарного зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука, 1987. 308 с.Glazov G. N., Statisticheskiye voprosy lidarnogo zondirovaniya atmosfery [Statistical aspects of the lidar remote sensing of atmosphere], Novosibirsk, Nauka Publ., 1987, 308 p. (In Russ.)Донченко В. А., Кабанов М. В., Кауль Б. В., Самохвалов И. В. Атмосферная электрооптика. Томск: Изд-во НТЛ, 2010. С. 178–181.Donchenko V. A., Kabanov M. V., Kaul B. V., Samokhvalov I. V., Atmosfernaya elektrooptica [Atmospheric electrooptics], Tomsk, NTL Publ., 2010, 220 p. (In Russ.)Борейшо А. С., Евдокимов И. М., Ивакин С. В. Лазеры. Применения и приложения / Под ред. А. С. Борейшо. СПб.: Лань, 2016. 520 c.Boreyisho A. S., Evdokimov I. M., Ivakin S. V., Lasery. Primeneniya i prilozheniya [Lasers. Applications], ed. A. S. Boreisho, St. Petersburg, Lan’ Publ., 2016, 520 p. (In Russ.)Справочник по лазерам / Под ред. А. М. Прохорова. В 2-х томах. Т. 2. М.: Советское радио, 1978. 512 с.Laser Handbook, ed. A. M. Prokhorov, in 2 volumes, vol. 2, Moscow, Sov. Radio Publ., 1978, 512 p. (In Russ.)Аксененко М. Д., Бараночников М. Л. Приёмники оптического излучения. М.: Радио и связь, 1987. 296 c.Aksenenko M. D., Baranochnikov M. L., Priemniki opticheskogo izlucheniya [Detectors of the optical radiation], Moscow, Radio i svyaz’ Publ., 1987, 296 p. (In Russ.)Привалов В. Е., Шеманин В. Г. Точность лидарных измерений концентрации молекул гидрофторида в атмосферном пограничном слое // Измерительная техника. 2020. № 7. С. 29–33. https:/doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-7-29-33Privalov V. E., Shemanin V. G., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, no. 7, рр. 543–548. 10.1007/s11018-020-01821-0

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