<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">izmertech</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Измерительная техника</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Izmeritel`naya Tekhnika</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">0368-1025</issn><issn pub-type="epub">2949-5237</issn><publisher><publisher-name>ФГУП "ВНИИФТРИ"</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.32446/0368-1025it.2024-4-32-38</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">izmertech-2192</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>OPTICOPHYSICAL MEASUREMENTS</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Миниатюризация лидаров упругого рассеяния: определение микроструктуры приземного слоя атмосферы</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Miniaturization of elastic scattering lidars: determination of the microstructure of the surface layer of the atmosphere</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Арумов</surname><given-names>Г. П.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Arumov</surname><given-names>G. P.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>Арумов Георгий Петрович.</p><p>Москва</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Georgy P. Arumov.</p><p>Moscow</p></bio><email xlink:type="simple">arumov@iki.rssi.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-3171-3105</contrib-id><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Бухарин</surname><given-names>А. В.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Bukharin</surname><given-names>A. V.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>Бухарин Алексей Владимирович.</p><p>Москва</p></bio><bio xml:lang="en"><p>Alexei V. Bukharin.</p><p>Moscow</p></bio><email xlink:type="simple">tumbul@iki.rssi.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Институт космических исследований РАН</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2024</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>26</day><month>06</month><year>2024</year></pub-date><volume>0</volume><issue>4</issue><fpage>32</fpage><lpage>38</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; ФГУП "ВНИИФТРИ", 2024</copyright-statement><copyright-year>2024</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">ФГУП "ВНИИФТРИ"</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">ФГУП "ВНИИФТРИ"</copyright-holder><license xlink:href="https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice" xlink:type="simple"><license-p>https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://www.izmt.ru/jour/article/view/2192">https://www.izmt.ru/jour/article/view/2192</self-uri><abstract><p>Рассмотрены модели миниатюрных лидаров упругого рассеяния с подобными оптическими схемами и проанализирована возможность их применения для определения микроструктуры приземного слоя атмосферы. Предложена модель микролидара, основной особенностью которого является малый зондируемый объём атмосферы. Предположено, что на коротких трассах зондирования в предельном случае в малом зондируемом объёме могут отсутствовать частицы. В таком случае минимальному сигналу обратного рассеяния соответствует молекулярное рассеяние, а превышение сигналом данного минимума связано с присутствием частицы. Молекулярная составляющая сигнала обратного рассеяния постоянна и сопоставима с табличным значением коэффициента обратного рассеяния в оптической модели атмосферы. Это позволяет поставить в соответствие среднему значению суммарного (от молекул и частиц) сигнала обратного рассеяния общий коэффициент обратного рассеяния. Рассмотрена модель минилидара, оптическая схема которого подобна схеме микролидара, но в увеличенном масштабе. С помощью минилидара можно определять микроструктуру приземного слоя атмосферы на более длинных трассах, чем при использовании микролидаров. Для обеих подобных схем средние значения сигналов обратного рассеяния атмосферы одинаковы. При использовании минилидара сигнал обратного рассеяния формируется слоем размером от нескольких метров до нескольких десятков метров. При этом зондируемый объём можно определить с помощью перфорированных экранов и отражающих сфер. Показано, что отношение зондируемых объёмов минилидара и микролидара равно коэффициенту подобия в четвёртой степени, что позволяет сопоставлять данные, измеренные указанными лидарами. Эти дополняющие друг друга результаты измерений позволяют ставить в соответствие исследуемой атмосфере модель эквивалентной атмосферы, содержащий монодисперсный аэрозоль. Полученные результаты дают возможность разработать детальную методику определения концентрации эквивалентных частиц в приземном слое атмосферного аэрозоля с помощью микро- и минилидаров.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>Miniature elastic scattering lidars with similar schemes for determining the microstructure of the surface layer of the atmosphere are considered. In the considered microlidar model, it is assumed that in the limiting case there may be no particles in a small probed volume. In this case, the minimum value of the return signal corresponds to molecular scattering. The excess of the signal above this level is associated with the presence of a particle. The molecular component of the backscatter signal is constant and can be compared to a tabulated value of the backscatter coefficient using an optical atmospheric model. This makes it possible to compare the average value of the total backscattering signal from molecules and particles with the overall backscattering coefficient. A scheme similar to a microlidar, but on an enlarged scale – a minilidar – is considered. For both such schemes, the average values of atmospheric backscatter signals are the same. For a minilidar, the return signal is formed by scattering from a layer ranging in size from several meters to several tens of meters. In this case, the probed volume can be determined using perforated screens and reflective spheres. It is shown that the ratio of the probed volumes for the minilidar and microlidar is equal to the similarity coefficient to the fourth power. The considered lidars can be used to determine the concentration of equivalent particles.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>микролидар</kwd><kwd>минилидар</kwd><kwd>калибровка</kwd><kwd>эквивалентная среда</kwd><kwd>аэрозоль</kwd><kwd>молекулы</kwd><kwd>рассеяние</kwd><kwd>коэффициент обратного рассеяния</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>microlidar</kwd><kwd>calibration</kwd><kwd>minilidar</kwd><kwd>equivalent medium</kwd><kwd>aerosol</kwd><kwd>molecules</kwd><kwd>scattering</kwd><kwd>backscattering coefficient</kwd><kwd>geometric form factor</kwd><kwd>coaxial circuit</kwd><kwd>bistatic circuit</kwd></kwd-group><funding-group><funding-statement xml:lang="ru">Работа выполнена в рамках программы «Мониторинг» (госрегистрация № 122042500031-8).</funding-statement><funding-statement xml:lang="en">The work was carried out within the framework of the “Monitoring” program, state registration no. 122042500031-8.</funding-statement></funding-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Measures R. M. Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications, Wiley, New York (1983).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Measures R. M. Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications, Wiley, New York (1983).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Klett J. D. Stable analytical inversion solution for processing lidar returns. Applied Optics, 20(2), 211–220 (1981). https://doi.org/10.1364/AO.20.000211</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Klett J. D. Stable analytical inversion solution for processing lidar returns. Applied Optics, 20(2), 211–220 (1981). https://doi.org/10.1364/AO.20.000211</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Veselovskii I., Kolgotin A., Griaznov V., Muller D., Wandinger U., Whiteman D. N. Inversion with regularization for the retrieval of tropospheric aerosol parameters from multiwavelength lidar sounding. Applied Optics, 41(18), 3685–3699 (2002). https://doi.org/10.1364/AO.41003685</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Veselovskii I., Kolgotin A., Griaznov V., Muller D., Wandinger U., Whiteman D. N. Inversion with regularization for the retrieval of tropospheric aerosol parameters from multiwavelength lidar sounding. Applied Optics, 41(18), 3685–3699 (2002). https://doi.org/10.1364/AO.41003685</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Ижовкина Н. И., Артеха С. Н., Ерохин Н. С., Михайловская Л. А. Аэрозоль, плазменные вихри и атмосферные процессы. Геофизические процессы и биосфера, 17(4), 5–25 (2018). https://doi.org/10.21455/GPB2018.4-1</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Izhovkina N. I., Artekha S. N., Erokhin N. S., Mikhailovskaya L. A. Aerosol, plasma vortices and atmospheric processes. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 54(11), 1513–1524 (2018). https://doi.org/10.1134/S0001433818110038</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Kavaya M. J., Menzies R. T. Lidar aerosol backscatter measurements: systematic, modeling, and calibration error considerations. Applied Optics, 24(21), 3444–3453 (1985). https://doi.org/10.1364/AO.24.003444</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Kavaya M. J., Menzies R. T. Lidar aerosol backscatter measurements: systematic, modeling, and calibration error considerations. Applied Optics, 24(21), 3444–3453 (1985). https://doi.org/10.1364/AO.24.003444</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Bohu Liu, Chengtian Song, Yabo Duan. The characteristics simulation of FMCW laser backscattering signals, Optical Review, 25, 197–204 (2018). https://doi.org/10.1007/s10043-018-0406-7</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Bohu Liu, Chengtian Song, Yabo Duan. The characteristics simulation of FMCW laser backscattering signals, Optical Review, 25, 197–204 (2018). https://doi.org/10.1007/s10043-018-0406-7</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Tatsuo Shiina. LED mini lidar for atmospheric application. Japan Sensors, 19, 569 (2019). https://doi.org/10.3390/s19030569</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Tatsuo Shiina. LED mini lidar for atmospheric application. Japan Sensors, 19, 569 (2019). https://doi.org/10.3390/s19030569</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Арумов 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, 19(4), 328–334 (2022). https://doi.org/10.21046/2070-7401-2022-19-4-328-334</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Arumov G. P., Bukharin A. V., Makarov V. S. Three-dimensional reflecting objects in the problem of modeling a lidar signal from a scattering layer. Current Problems in Remote Sensing of the Earthfrom Space, 19(4), 328–334 (2022) (In Russ.). https://doi.org/10.21046/2070-7401-2022-19-4-328-334</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Арумов Г. П., Бухарин А. В., Тюрин А. В. Использование статистически неоднородных экранов в задаче калибровки лидара по параметрам изображений частиц для приземного слоя атмосферы. Измерительная техника, (3), 36–40. (2014). https://elibrary.ru/saehnr</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Arumov G. P., Bukharin A. V., Tyurin A. V. Use of statistically inhomogeneous screens in calibration of lidar from the parameters of images of particles for the bottom layer of the atmosphere. Measurement Techniques, 57(3), 287–293 (2014). https://doi.org/10.1007/s11018-014-0447-7</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Komarizadehasl S., Mobaraki B., Ma H., Lozano-Galant J.-A., Turmo J. Low-cost sensors accuracy study and enhancement strategy. Applied Sciences, (12), 3186 (2022). https://doi.org/10.3390/app12063186</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Komarizadehasl S., Mobaraki B., Ma H., Lozano-Galant J.-A., Turmo J. Low-cost sensors accuracy study and enhancement strategy. Applied Sciences, (12), 3186 (2022). https://doi.org/10.3390/app12063186</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Разенков И. А., Ростов А. П., Автоматические нефелометры открытого типа для научных и атмосферных исследований. Оптика атмосферы и океана, 10(8), 941–945 (1997).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Razenkov I. A., Rostov A. P. Automatic nephelometer of open type for atmospheric investigations. Atmospheric and Oceanic Optics, 10(8), 941–945 (1997). (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Ахманов С. А., Дьяков Ю. Е., Чиркин А. С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. Наука, Москва (1981).</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Akhmanov S. A., Dyakov Yu. E., Chirkin A. S. Introduction to statistical radiophysics and optics, Nauka Publ., Moscow (1981). (In Russ.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Арумов Г. П., Бухарин А. В. Проблема неопределённостей при экспериментальном определении угловой геометрии ореола от плоской волны в рассеивающей среде. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 5(1), 19–25 (2007). https://elibrary.ru/ndpugh</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Arumov G. P., Buharin A. V., The problem of uncertainties in the experimental determination of the angular geometry of the halo from a plane wave in a scattering medium. Current Problems in Remote Sensing of the Earth from Space, 5(1), 19–25 (2007). (In Russ)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Арумов 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, 18(3), 298–306 (2021). https://doi.org/10.21046/2070-7401-2021-18-3-298-306</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Arumov G. P., Buharin A. V., Use of special screens simulating scattered radiation by a medium to measure the equivalent cross-section of particles. Current Problems in Remote Sensing of the Earth from Space, 18(3), 298–306 (2021) (In Russ.). https://doi.org/10.21046/2070-7401-2021-18-3-298-306</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
