Документ 2101989

УДК 551.501
ДАЛЬНОСТЬ ЗОНДИРОВАНИЯ ВЕТРОВОГО ЛИДАРА В БЛИЖНЕЙ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ
СПЕКТРА
С.Е. Иванов, П.А. Филимонов, М.Л. Белов, В.А. Городничев
НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники Московского государственного технического университета им.
Н.Э. Баумана
E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected].
Статья посвящена оценке дальности зондирования ветрового лидара в ближнем инфракрасном
спектральном диапазоне. Показано, что при переходе в ближний ИК диапазон дальность зондирования
заметно уменьшается, что обусловлено уменьшением показателя рассеяния атмосферы и различием
характеристик лазерных источников и приемников в видимом и ближний ИК диапазонах.
Ключевые слова: скорость ветра, лидарный метод, видимый диапазон, ближний инфракрасный
диапазон; wind speed, lidar method, ultraviolet band, near infrared band.
WIND LIDAR SOUNDING RANGE IN NEAR INFRARED SPECTRAL BAND
S.E. Ivanov, P.A. Filimonov, M.L. Belov, V.A. Gorodnichev
Radioelectronics and Laser Technology of Moscow State Technical University n.a. Bauman, (2-th Baumanskaya st. 5,
Moscow,)
E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected].
In this paper analysis of wind lidar sounding range in near infrared spectral band is considered. It is
shown that in near infrared spectral band sounding range decreases because of reduction atmosphere scattering
coefficient and difference of lasers and receivers parameters in visible and near infrared spectral bands.
Kay words: wind speed, lidar method, ultraviolet band, near infrared band.
Введение
Среди
преимуществом
использованием
всех
известных
обладают
лазерных
методов
методы
источников
мониторинга
активного
излучения.
атмосферы
дистанционного
Методы
несомненным
зондирования
лазерного
с
зондирования
обеспечивают получение профилей или полей параметров атмосферы с исключительно
высоким временным и пространственным разрешением (см., например, [1-7]). Причем, в
оптическом диапазоне из-за малости длин волн отражателями лазерного сигнала являются
все молекулярные и аэрозольные составляющие атмосферы, т.е. сама атмосфера формирует
лидарный эхо-сигнал со всей трассы зондирования.
Ветровые лидары предназначены для оперативного дистанционного анализа
перемещений атмосферного аэрозоля, облачных образований и измерения скорости
атмосферного ветра на основе результатов этого анализа.
Ветровые лидары разделяются на доплеровские и корреляционные. Более простыми
(и, соответственно, требующими менее дорогую аппаратуру) являются корреляционные
методы [1,2]. Корреляционный лидар может измерять полный вектор скорости ветра и
проводить измерения пространственного распределения скорости и направления ветра при
сложном профиле скорости ветра без пространственного сканирования (см., например, [8,9]).
На сегодняшний день практически все существующие ветровые корреляционные
лидары работают в видимом диапазоне. Однако для задачи измерения атмосферного ветра в
безопасной для глаз спектральной области интерес представляет ближний инфракрасный
(ИК) диапазон.
Данная статья посвящена оценке дальности зондирования ветрового лидара в
ближней инфракрасной области спектра.
Оценка дальности зондирования ветрового лидара
Дальность зондирования лидара можно оценить из условия равенства (для предельной
дальности зондирования) мощности полезного лидарного сигнала (приходящего на
приемник) и пороговой мощности приемника лидара.
Лидарные методы основаны на регистрации мощности P(z) лазерного сигнала обратно
рассеянного аэрозольными частицами, всегда присутствующими в земной атмосфере.
Мощность P(z) лазерного сигнала в прозрачной атмосфере определяется следующим
выражением [1,2]:
P( z ) = Po K t K r cτ u rr2β( z )χ π ( z )Tν ( z )G( z ) / 8z 2 ,
(1)
где
Po – мощность излучения лазерного источника;
K t , K r – коэффициенты пропускания оптических систем передающего и приемного
каналов лидара;
с - скорость света;
τи – длительность импульса лазерного источника;
rr – радиус приемного объектива;
z – расстояние от лидара до зондируемого объема атмосферы;
χ π (z) – индикатриса рассеяния атмосферы в направлении «назад»;
⎛
⎞
⎟ - коэффициент пропускания атмосферы;
ε
−
(
x
)
dx
k
(
x
)
dx
∫
∫
⎟
0
⎝ 0
⎠
Tν1 / 2 ( z ) = exp⎜ −
⎜
z
z
β(z) –объемный коэффициент аэрозольного рассеяния атмосферы;
ε (z) – показатель аэрозольного ослабления атмосферы;
k(z) – показатель поглощения атмосферными газами (озоном в УФ диапазоне);
G(z) – геометрическая функция лидара.
Для моностатической биаксиальной схемы зондирования функция G(L) имеет вид:
G( z ) =
α r2
α r2 + α t2
exp{−
b2
(α r2 + α t2 ) z 2
};
b - расстояние между оптическими осями источника и приемника излучения (база);
α r ,α t - поле зрения приемной оптической системы и угол расходимости излучения
источника.
Из формулы (1) видно, что анализ пространственных реализаций (зависимостей от z)
мощности P(z) обратно рассеянного атмосферным аэрозолем лазерного сигнала позволяет
определять характеристики пространственных флуктуаций поля объемного коэффициента
аэрозольного рассеяния атмосферы β(z), а значит и измерять перемещение этого поля (т.е.
проводить измерение параметров ветра).
Прием лазерного сигнала, обратно рассеянного средой, в общем случае производится
на фоне шумов, которые ограничивают потенциальные возможности лидара.
Суммарная мощность шумов приемника лидара определяется собственными шумами
регистрирующей аппаратуры и дробовым шумом.
Если фотодетектором является фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), то наиболее
общая формула для минимально обнаруживаемой энергии импульса-сигнала E S min ( λ ) за
время детектирования τ d имеет вид [10]:
E T ( λ ) id + i j 1 / 2
1
4
E S min ( λ ) = µ 2min E( λ )[ 1 + { 1 + 2 [ b
]}
],
+
2
2eB *
µ min E( λ )
(2)
где
E( λ ) =
B=
BFG
hcFG
λ η( λ L )
; EbT ( λ ) = EbN ( λ ) + ν η EbL ( λ L ) ; B* =
; νη = L
;
ξe
λη( λ )ξ e
λη( λ )
1
2kT
; ij =
;
2τ d
eG 2 ξ e Req FG
EbN ( λ ) - импульс энергии естественного фона, пришедший на фотокатод за время
детектирования τ d ;
EbL ( λ L ) - импульс энергии рассеянного лазерного излучения, пришедший на фотокатод за
время детектирования τ d ;
η( λ ) - квантовый выход фотокатода на длине волны λ ;
λ L - длины волны лазерного источника;
id - средний темновой ток фотокатода;
i j - эффективный ток Джонсона;
G - усиление динодной цепи;
ξ e - собирательная способность электростатической фокусировки ( ξ e <1);
FG = δ 2 ; δ - учитывает флуктуации эмиссии вторичных электронов на динодах и может
рассматриваться как параметр усиления шума ( δ ≈ 1);
Req , T - эквивалентное сопротивление нагрузки выходной цепи и его абсолютная
температура;
k постоянная Больцмана;
При доминирующем (при зондировании в дневное время) значении шума фона
( EbT ( λ ) >>
id + i j
1
E( λ ) ; { EbT ( λ )E( λ )}1 / 2 >> µ min E( λ ) ) формула (2) упрощается [10]:
2
2eB *
E S min ( λ ) = µ min { EbT ( λ )E( λ )}1 / 2
(3)
Формулу (3) с учетом соотношений
E( λ ) =
hcFG
, EbT ( λ ) ≅ EbN ( λ ) = S b ( λ )K o ( λ )Ω o Ao τ d
λη( λ )ξ e
можно преобразовать к следующему виду [10]:
E S min ( λ ) = µ min {
FG hcK o ( λ )Ω o Ao τ d S b ( λ ) 1 / 2
}
],
λη( λ )ξ e
(4)
где
S b ( λ ) - фоновая спектральная яркость неба;
K o ( λ ) - спектральная функция пропускания приемной системы, которую интерпретируют
как эффективную спектральную ширину полосы пропускания;
Ω o - телесный угол поля зрения приемника;
Ao - эффективная апертура приемника.
В русскоязычной научно-технической литературе обычно вместо минимально
обнаруживаемой энергии E S min ( λ ) используется пороговая мощность ФЭУ Pпор (см.,
например, [7, 11]).
Пороговая мощность ФЭУ Pпор при наличии фонового излучения определяется
формулой [7]:
Pпор =
µ[2e( I t + I b )(1 + B )∆f
Sk
1
]2
,
(5)
где
µ -отношение сигнал/шум;
е=1.6⋅10-19 [А⋅с] – заряд электрона;
(1+В)≅2.5;
∆f – эффективная полоса частот фотоприемного устройства;
S k – спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ;
I t – темновой ток фотокатода, т. к. в паспорте ФЭУ приведены значения темнового
I
анодного тока I ta , то значения I t рассчитываются по формуле I t = ta , где М –
M
коэффициент усиления ФЭУ ;
I b - среднее значение тока, обусловленного солнечной засветкой.
Более общая (чем (5)) формула (учитывающая тепловые шумы нагрузочного
сопротивления ФЭУ) для Pпор при регистрации переменного сигнала на уровне постоянной
фоновой засветки приведена в [11] (для отношения сигнал/шум равного 1):
1
4kT∆f 2
µ[2eM ( I t + I b )(1 + B ) ∆f +
]
Rн
=
,
Sa
2
Pпор
(6)
где:
M - коэффициент усиления ФЭУ;
S a = анодная чувствительность ФЭУ;
Rн - нагрузочное сопротивление ФЭУ;
Видно, что если пренебречь тепловыми шумами нагрузочного сопротивления ФЭУ (и
S
учесть, что для формулы (6) сигнал/шум равно 1 и M = a ), то формулы (5) и
Sk
(6)
полностью совпадают.
Сравнение формул для минимально обнаруживаемой энергии E S min ( λ ) и пороговая
мощность ФЭУ Pпор показывает, что формула (4) для E S min ( λ ) совпадает с формулой для
Pпор τ d , где пороговая мощность ФЭУ Pпор при условии I t << I b и пренебрежения
тепловыми шумами нагрузочного сопротивления ФЭУ (учитываем также, что S k =
Ω o = πα 2r ; S b ( λ ) ≡ Lb ; K o ( λ ) = ∆λ и полагаем [10]
eλη( λ )
,
hc
FG
≈ 1).
ξe
Далее в статье для расчета пороговой мощности ФЭУ Pпор будем использовать
формулу (5).
В формуле (5) для приемника лидара с узким полем зрения и узкополосным
спектральным фильтром выражение для I b имеет вид [7,12,13]
I b = K r Lb S r (πα r2 ) S k ∆λ ,
(7)
где
Lb - спектральная яркость фонового излучения;
S r - площадь приемного объектива;
πα 2r - телесный угол поля зрения приемной оптической системы;
∆λ - полоса пропускания спектрального фильтра.
Коэффициент пропускания оптической системы приемного канала определяется
выражением K r = K o K f , где K o – коэффициент пропускания оптической системы без
спектрального фильтра; K f – коэффициент пропускания спектрального фильтра.
Основным источником фонового излучения в ближней ИК областях спектра является
солнечное излучение, рассеянное земной атмосферой. При высокой прозрачности атмосферы
( τo ≤ 0,2 ) результаты, близкие к реальным, могут быть получены в аналитическом виде для
плоскопараллельной модели атмосферы в приближении однократного рассеяния. Выражение
для яркости Lb фонового излучения, приходящего на приемник, зависит от геометрической
схемы зондирования. В частном случае зондирования в горизонтальном направлении
величина Lb равна [12]:
Lb = 0 ,25λ s S λ χ( γ )
τ −τ
τ −τ
cos θ o
{exp[− o
] − exp[− o
]} ,
cos θ − cos θ o
cos θ
cos θ o
(8)
где
cos γ = cos θ cos θ o + sin θ sin θ o cos(ϕ − ϕ o ) ;
λS
- отношение показателя рассеяния аэрозольной земной атмосферы к показателю
ослабления;
πS λ - спектральная солнечная постоянная на длине волны λ ( πS λ равна спектральной
освещенности площадки, перпендикулярной солнечному излучению, на верхней границе
атмосферы);
τo , τ - оптическая толща всей земной атмосферы и оптическая толща земной атмосферы
между подстилающей поверхностью и приемником (в вертикальном направлении);
θ, ϕ - зенитный угол и азимут направления наблюдения;
θo , ϕo = 0 - зенитный угол и азимут Солнца;
χ( γ ) - индикатриса рассеяния атмосферы;
γ - угол рассеяния.
Результаты расчетов дальности зондирования
В работе проводилась оценка дальности зондирования лидара для длин волн
зондирования 0,532 мкм (вторая гармоника лазера на иттрий-алюминиевом гранате с
неодимом) и 1,57 мкм (например, параметрический генератор света с накачкой от лазера на
иттрий-алюминиевом гранате с неодимом). При этом, при выборе лазерных источников и
приемников учитывалось, что длительность импульсов ветровых лидаров должна быть не
более 4-5 нс, а постоянная времени ФЭУ должна позволять принимать эти импульсы без
искажения.
Используемые в работе параметры лазерных источников, приемников излучения,
оптические характеристики атмосферы (для приземной трассы) и фонового солнечного
излучения приведены в табл. 1 [12,14,15].
Таблица 1
Характеристики лазеров, ФЭУ, атмосферы и фонового излучения
Длина волны, мкм
0,532
1,57
Энергия в импульсе, мДж
175
50
Длительность импульса, нс
5-7
2 - 10
Спектральная чувствительность, мА/Вт
80
20
охлаждаемый
приемник
Темновой ток, А
4 10 −15
4 10 −14
Фоновый ток, А
2,2 10 −10
3,4 10 −11
Показатель аэрозольного рассеяния, м −1 .
4,1 10 −4
0,8 10 −5
Оптическая толща земной атмосферы,
0,405
0,135
отн.ед.
Спектральная солнечная постоянная,
0,195
0,0234
Вт/см 2 мкм
Расчеты
проводились
для
горизонтальной
трассы
зондирования
при
метеорологической дальности видимости 10 км, безоблачной атмосфере и зенитном угле
Солнца 45 o . Угол расходимости излучения лидара и поле зрения приемной оптической
системы полагались равными, соответственно, 1 мрад и 2 мрад, а коэффициенты
пропускания передающей и приемной оптических систем – 0,8 и 0,28. Диаметр приемного
объектива и ширина спектрального фильтра считались равными 0,2 м и 1 нм, а отношение
сигнал/шум – 30.
На рис. 1, 2 приведены полученные зависимости мощности P( z ) полезного сигнала
и пороговой мощности Pпор от дальности зондирования z для лазерных длин волн 0,532 и
1,57 мкм, соответственно.
Рисунок 1. Зависимость мощности полезного сигнала и пороговой мощности от
дальности зондирования для длины волны 0,53 мкм.
Рисунок 2. Зависимость мощности полезного сигнала и пороговой мощности от
дальности зондирования для длины волны 1,57 мкм.
Предельные дальности зондирования, которые оценивались из условия равенства
мощности P( z ) полезного сигнала и пороговой мощности приемника Pпор , для длин волн
0,532 и 1,57 мкм соответственно равны 1955 и 1275 м.
Таким образом, при переходе в ближний ИК диапазон дальность зондирования
заметно уменьшается (при выбранных для расчета параметров – в полтора раза). Это
обусловлено тем, что при переходе в ближний ИК диапазон уменьшается показатель
рассеяния аэрозольной атмосферы (причем этот эффект частично компенсируется
одновременным уменьшением в ближнем ИК диапазоне фонового солнечного излучения), а
также различием характеристик лазерных источников и приемников в видимом и ближний
ИК диапазонах.
Заключение
Результаты расчетов показывают, что при переходе в ближний ИК диапазон
дальность зондирования ветрового лидара заметно уменьшается (при выбранных для расчета
параметров – в полтора раза). Это обусловлено тем, что при переходе в ближний ИК
диапазон уменьшается показатель рассеяния аэрозольной атмосферы (причем этот эффект
частично компенсируется одновременным уменьшением в ближнем ИК диапазоне фонового
солнечного излучения), а также различием характеристик лазерных источников и
приемников в видимом и ближний ИК диапазонах.
Список литературы:
1. Корреляционные методы лазерно-локационных измерений скорости ветра / Г.Г.
Матвиенко, Г.О. Заде, Э.С. Фердинандов, И.Н. Колев, Р.П. Аврамова. Новосибирск: Наука,
1985. 223 с.
2. Применение корреляционных методов в атмосферной оптике/ В.М. Орлов, Г.Г.
Матвиенко, И.В. Самохвалов, Н.И. Юрга, М.Л. Белов, А.Ф. Овчаренко. Новосибирск: Наука,
1983. 160 с.
3. Иванов В.И., Малевич И.А., Чайковский А.П. Многофункциональные лидарные
системы. Мн.: Университетское, 1986. 286 с.
4. Зуев В.Е., Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Лазерное зондирование индустриальных
аэрозолей. Новосибирск: Наука, 1986. 186 с.
5. Zhi-Shen Liu, Dong Wu, Jin-Tao Liu, Kai-Lin Zhang, Wei-Biao Chen, Xiao-Quan Song,
Johnathan W. Hair, Chiao-Yao She. Low-altitude atmospheric wind measurement from the
combined Mie and Rayleigh backscattering by Doppler lidar with an iodine filter // Applied Optics.
2002. Vol. 41. N 33. P. 7079-7086.
6. Савин А.В., Коняев М.А. Доплеровские метеолидары для систем обеспечения
вихревой безопасности полетов // Метеоспектр. 2008. № 1. С. 147-152.
7. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды / В.И.
Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов, В.А. Городничев, Б.В.Стрелков. М.: Изд-во МГТУ, 2002.
8. Козинцев В. И., Иванов С. Е., Белов М. Л., Городничев В. А. Корреляционный
лазерный метод с адаптивным выбором измерительной базы для оперативного измерения
скорости ветра // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т.25. №2. С. 165-170.
9. Козинцев В. И., Иванов С. Е., Белов М. Л., Городничев В. А. Лазерный метод
приближенного измерения мгновенной скорости и направления ветра // Оптика атмосферы и
океана. 2013. Т.26. №5. С. 381-384.
10. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987. 550с.
11. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л. Источники и приемники излучения. Спб:
Политехника, 1991. 240с.
12. Основы импульсной лазерной локации / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов,
В.А. Городничев, Б.В.Стрелков. М.: Изд-во МГТУ, 2010. Издание 2-е дополненное. 572 с.
13. Сигналы и помехи в лазерной локации / В.М.Орлов, И.В.Самохвалов, Г.М.Креков,
В.Л. Миронов, Ю.С. Балин, В.А. Банах, М.Л. Белов, Ю.Д. Копытин, В.П. Лукин. М.: Радио и
связь,1985. 264 с.
14. Compact high energy, high frecuency pulsed Nd:YAG lasers. Режим доступа:
http://www.litronlasers.com/pdf%20files/LitronNanoTRL_0105_2.pdf
(дата
обращения
20.12.2013)
15. DQ-1570-50/30 Nd:YAG laser datasheet. Режим доступа: http://www.oemtech.by/pdf/dq-1570-ds-en.pdf (дата обращения 20.12.2013).
Краткие сведения об авторах:
Сергей Евгеньевич Иванов родился в 1982 г., окончил в 2007 г. МГТУ им. Н.Э.
Баумана. Науч. сотрудник НИИ радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н. Э.
Баумана. Имеет 3 научные работы в области атмосферной оптики.
[email protected], 8 916 2916974.
S.E.Ivanov (b.1982), graduated from graduated from Moscow Higher Technical University
n.a. Bauman in 2007. Researcher of "Radioelectronics and Laser Technology" Research Institute of
Moscow State Technical University n.a. Bauman. Author 3 publications in the field of optic of
atmosphere.
Филимонов Павел Анатольевия родился в 1989 г. Студент 6-го курса кафедры
«Лазерные и оптико-электронные системы» МГТУ им. Н. Э. Баумана. Имеет 2 научные
работы в области лазерной техники.
P.A. Filimonov (b.1989). 6th academic year student of «Laser and Optic and Electronic
Systems» department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of 2 publications
in the field of laser technology.
Михаил Леонидович
Белов родился в 1950 г., окончил в 1973 г. Московский
Энергетический Институт. Д-р.техн.наук, вед. науч. сотрудник НИИ радиоэлектроники и
лазерной техники МГТУ им. Н. Э. Баумана. Имеет более 200 научных работ в области
лазерной локации и атмосферной оптики.
[email protected], 8 903 2647059.
M.L.Belov (b.1950), graduated from Moscow Energy Institute in 1973. D.Sc.(Eng), head
researcher of "Radioelectronics and Laser Technology" Research Institute of Moscow State
Technical University n.a. Bauman. Author of more than 200 publications in the field of laser
location and optic of atmosphere.
Виктор Александрович Городничев родился в 1952 г., окончил в 1976 г. МГУ им.
М.В.Ломоносова. Д-р.техн.наук, начальник отдела НИИ радиоэлектроники и лазерной
техники МГТУ им. Н. Э. Баумана. Имеет более 200 научных работ в области лазерной
техники.
[email protected].
V.A.Gorodnichev (b.1952), graduated from Moscow State University n.a. Lomonosov in
1976. D.Sc.(Eng), head of department of "Radioelectronics and Laser Technology" Research
Institute of Moscow State Technical University n.a. Bauman. Author of more than 200 publications
in the field of laser technology.