Миниатюризация лидаров упругого рассеяния: определение микроструктуры приземного слоя атмосферы

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.

1. Measures R. M. Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications, Wiley, New York (1983).

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. Tatsuo Shiina. LED mini lidar for atmospheric application. Japan Sensors, 19, 569 (2019). https://doi.org/10.3390/s19030569

8. 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

9. 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

10. 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

11. Разенков И. А., Ростов А. П., Автоматические нефелометры открытого типа для научных и атмосферных исследований. Оптика атмосферы и океана, 10(8), 941–945 (1997).

12. Ахманов С. А., Дьяков Ю. Е., Чиркин А. С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. Наука, Москва (1981).

13. 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

14. 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