Агишев Равиль Рустемович. Лидарный мониторинг атмосферы

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ и ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА
Р. Р. АГИШЕВ
РШ5
ЛИДАРНЫЙ
МОНИТОРИНГ
АТМОСФЕРЫ
МОСКВА ^
ФИЗМАТЛИТ
2009
УДК 551.508.856:
551.501.816:
621.383
ББК 22.34+26.23+
32.85
А 24
Издание осуществлено при поддержке
’И Российского фонда фундаментальных
исследований
проекту 5-08-07008
А г и ш е в Р .Р . Л и д ар н ы й м о ни то р и н г а тм о с ф е р ы . —
М .: ФИ ЗМ А ТЛИ Т, 2009. - 316 с. - I5ВN 978-5-9221-1028-0.
В монографии рассмотрены современные методы и средства ла­
зерного дистанционного зондирования атмосферы. Изложены тради­
ционные принципы построения систем лидарного мониторинга, рас­
смотрены источники помех и особенности обработки эхосигналов. Рас­
крыты особенности разработанной автором обобщенной безразмерно­
параметрической методологии оценки эффективности и потенциальных
возможностей всех классов атмосферных лидарных систем. Показаны
особенности применения разработанной методологии для широкого
круга приложений лазерного дистанционного зондирования. Развиты
методы повышения эффективности атмосферных лидаров в сложной
помеховой обстановке на основе улучшения пространственной избира­
тельности и повышения фоновой устойчивости. Представлена теория
непрерывных частотно-модулированных лидарных систем лазерной)
зондирования атмосферы с пространственным разрешением. На основе
методологии безразмерной параметризации осуществлен комплексный
сопоставительный анализ потенциальных возможностей двух основных
классов лидаров: импульсных и непрерывных частотно-модулирован­
ных. Проведены комплексное сравнение важнейших разновидностей
лидарных приемников на ФЭУ и ЛФД и прогнозирование их поведения
в присутствии фоновых помех, характерных для атмосферных лидаров.
Для научных работников и инженеров, специализирующихся в об­
ласти разработки и использования систем дистанционного зондирова­
ния и оптической локации, исследования природных ресурсов, охра­
ны окружающей среды и предотвращения чрезвычайных ситуаций,
а также аспирантов и студентов старших курсов соответствующих
специальностей.
Табл. 9. Ил. 127. Библиогр.99 назв.
А
© ФИЗМАТЛИТ, 2009
15ВЫ 978-5-9221-1028-0
© Р. Р. Агишев. 2009
О ГЛ А ВЛ ЕН И Е
П редисловие...........................................................................................
Список обозначений.............................................................................
Введение. О собенности и достоинства лидарных методов
дистанционного зондирования.....................................................
Г л а в а 1. О сн овн ы е п р и н ц и п ы л и дар н о го м о ни то р и н га
а тм о с ф е р ы ......................................................................................
9
14
18
21
1.1. Атмосфера как исследуемая среда.........................................
1.1.1. Основные эффекты взаимодействия оптическо­
го излучения с атмосферой (21).
1.1.2. Особенно­
сти распространения оптического излучения в атмосфе­
ре (24).
1.2. Укрупненная модель лидара. Лидарное уравнение..........
21
1.3. О птические схемы лидаров и их п одси стем ......................
1.3.1. Оптическая схема лидара (37). 1.3.2. Оптиче­
ские схемы зондирования рассеивающей среды (38).
1.3.3. Структурные схемы передатчиков. Передающая
оптика (39). 1.3.4. Разновидности приемных оптиче­
ских систем (42).
37
Г л а в а 2. Ф он овы е помехи п р и л и д а р н ы х и зм ер ен и ях
30
47
2.1. Источники фоновых помех при лазерном зондировании
атм осферы ......................................................................................
2.2. Изменчивость яркости н еб а .....................................................
2.2.1. Безоблачное небо (49).
2 .2.2. Облачное
небо (50).
2.3. Модели ф она.................................................................................
52
2.4. М ощ ность фоновой помехи на входе фотодетектора . . .
57
47
48
Г л а в а 3. О б р аб отк а сигн ал о в в прием ном т р а к т е л и ­
д ар н ы х с и с т ем ...............................................................................
60
3.1. М одель лидарного приемника как обобщенного фильтра
60
3.2. Эффективность фильтрации сигналов и помех в лидарном п ри ем н ик е............................................................................
63
3.3. Особенности пространственной фильтрации в лидарах
65
3.4. Особенности борьбы с помехами в электронном тракте
68
3.5. Методы приема оптических с игн ал о в.................................
3.5.1. Прямое фотодетектирование и способы регистра­
ции фотоэлектронов (73). 3.5.2. Принципы построе­
ния гетеродинных приемников (78). 3.5.3. Требования
к согласованию полей принимаемого сигнала и сигнала
гетеродина (80).
72
3.6. Методы расш ирения диапазона измерительного преоб­
разования лидарных фотоприемников.................................
82
Г л а в а 4. П рост р а н ств ен н ая и зб и р ате л ьн о с ть м оностати ч е ск и х л и д а р о в ........................................................................
86
4.1. Критерий эффективности пространственной ф иль­
трации .............................................................................................
87
4.2. Мгновенное угловое поле для принимаемого сигнала . .
4.3. Эффективность пространственной фильтрации типич­
ных лидарных систем ................................................................
4 .3.1. Круглая диафрагма (90).
4.3.2. Клиновидная
диафрагма (93).
4.3.3. Компенсирующая диафраг­
ма (94).
88
90
4.4. Оптимальное поле зрение биаксиального л и дара............
96
4.5. Практическое использование клиновидной диафрагмы
98
Г л а в а 5. Т очн остн ы е х ар ак т ер и с т и к и л и д а р н ы х с и ­
с тем и и н т ер п р ета ц и я э х о - с и г н а л о в ................................. 102
5.1. Решение лидарного уравнения.М етоды восстановления
оптических параметров атм осф еры ...................................... 102
5.2. Точностные характеристики методов восстановления . . 106
5.2.1. Метод логарифмической производной (106).
5.2.2. М етод последовательных слоев (107). 5.2.3. М е­
тод интегрального накопления (109).
______________________ Оглавление__________________________ 5
5.3. А нализ требований к лидарной системе при интенсив­
ном ф о н е ........................................................................................ 110
5.4. Влияние пространственной избирательности на точ­
ностные х а р ак тер и с ти к и ......................................................... 114
5.5. Влияние фоновой помехи на точность восстановления
оптических профилей.................................................................116
Г л а в а 6. П рогнози рован и е поведения лида р н ы х ф о то ­
п рием ников в п ри сутстви и ф он овы х п о м е х ................... 121
6.1. Традиционный п о д х о д .............................................................. 121
6.2. Ухудшение отношения сигнал/шум и чувствительности
в присутствии ф о н а ................................................................... 124
6.3. Ц -параметр л и да р а ..................................................................... 128
6.4. Обобщенные спектральные модели лидарных фотоде­
текторов при интенсивном ф о н е ........................................... 130
6.4.1. Определение
обобщенных
моделей
ФЭУ
и Л Ф Д (130).
6.4.2. Анализ отношения сиг­
нал/ш ум (132).
6.5. Сопоставительный анализ характеристик Ф ЭУ и Л Ф Д
в присутствии ф о н а ................................................................... 134
6.5.1. Общие соображения (134). 6.5.2. Влияние оста­
точного фона и вклад «шумящих» Л Ф Д (137).
6.6. Сопоставление ФЭУ и Л Ф Д на длинах волн УАС -Ш л а з е р а ............................................................................................. 139
Г л а в а 7. М етодология б ез разм ерн о-парам етри ческого
м одели рован ия лида р н ы х с ис тем .........................................143
7.1. Традиционный анализ лидарной систем ы .......................... 143
7.2. М олекулярная атмосфера как опорная с р е д а ................... 145
7.3. Д екомпозиция лидарного отношения с и гн ал -ш у м ..........148
7.4. Безразмерно-параметрическая
модель
лидарной
систем ы ...........................................................................................152
7.5. Сокращение дальности действия лидара в присутствии
фона н е б а ...................................................................................... 158
7.6. Эквивалентный У -парам етр.....................................................160
Оглавление
Г л а в а 8. П ри л о ж ен и е м етодологии б езр азм ер н о й п а ­
ра м е тр и за ц и и д л я оц ен к и п о тен ц и ал ь н ы х в озм ож н осте й л и д а р о в ..........................
162
8.1. Лидар обратного рассеяния
162
8.1.1. Д альность действия при горизонтальном зонди­
ровании молекулярной атмосферы (162). 8.1.2. Д ал ь­
ность действия практически реализуемого горизонталь­
ного лидара (164).
8.1.3. Вертикальное зондирова­
ние (168).
8.2. О ценка минимально обнаружимой концентрации газа
для рамановского л и д а р а ..........................................................171
8.3. О ценка диапазона детектируемых концентраций газа
для топографического л и д а р а ................................................ 174
8.3.1. Оценка максимально обнаружимой концентра­
ции (175). 8.3.2. Оценка минимально обнаружимой
концентрации (178).
8.4. Обоснование необходимого потенциала лидарного де­
тектора газов с помощью т - У - й диаграм м ......................180
8.4.1. М етод т-У-диаграмм (181). 8.4.2. Метод т-Кдиаграмм (183).
Г л а в а 9. Зо н д ир о ва н ие а тм о с ф е р ы частотно-модулир ован н ы м и н еп реры вн ы м и л и д е р а м и ............................... 187
9.1. А льтернативный подход к построению л и д а р о в.............. 187
9.1.1. Частотные дальномеры (189). 9.1.2. Лазерные
измерители радиальной скорости. М етоды измерения
и особенности построения (190).
9.2. Архитектура и функционирование частотно-модулированных л и д а р о в .......................................................................... 193
9.2.1. Принцип
действия
ЧМ Н -лидара (194).
9.2.2. Выделение спектра дальномерных частот. Разно­
видности гетеродинирования в Ч М Н -лидарах (195).
9.3. Тактические параметры ЧМ Н-лидаров. Требуемая по­
лоса пропускания л и дара..........................................................198
9.4. Уравнение Ч М Н -лидара............................................................ 201
9.5. Требования к системе модуляции и зл у ч ен и я ................... 204
Оглавление
Г л а в а 10. С оп остав и тел ь н ы й а н а л и з и м п ульсн ы х и
Ч М Н -л и д ар о в н а основе б езр азм ер н о й п ар а м е т р и за ­
ц и и .................................................................................................... 206
10.1 ■В ведение........................................................................................ 206
10.2. Классификация
разновидностей
импульсных
и ЧМ Н л и д а р о в .......................................................................... 209
10.2.1. Качественные
показатели
импульсных
и ЧМ Н -лидаров (209). 10.2.2. Классификация лидаров
на основе специфики методов приема и первичной
обработки сигналов (210).
10.3. Приложение методологии безразмерной параметриза­
ции лидаров к сопоставлению импульсных и ЧМ Н с и с т ем ............................................................................................. 211
10.4. Дальность действия обобщенных Ч М Н и И Н лидаров 216
10.4.1. Д альность действия широкополосных лида­
ров (217). 10.4.2. Д альность действия узкополосных
лидаров (218).
10.4.3. Характерные особенности
узкополосных лидаров (220).
10.5. Выигрыш в полосе пропускания УП лидаров по сравне­
нию с Ш П л и д а р а м и .......................................................
10.6. Выигрыш в дальности действия УП лидаров по сравне­
нию с Ш П л и д а р а м и .....................................................
10.7. Чувствительность Ш П и УП л и даров......................
10.7.1. Пороговая чувствительность разных типов
лидаров (227).
10.7.2. Радиочастотное гетеродинирование (228).
10.7.3. Оптическое гетеродинирование (228). 10.7.4. О пто-электронное гетеродинирование (230).
10.8. Влияние шумов и атмосферного ослабления на 1
рыш в дальности действия и чувствительности. .
10.9. Комплексное сопоставление частотно-модулированных
непрерывных и импульсных л и д а р о в ........................
“
Г л а в а 11. Л и д ар н ы е ф о то п р и е м н и к и н а Ф Э У при ин
тен си вн ой ф он ово й п о м е х е .........................................
11-1. Особенности применения и критерии выбора тип;
топриемника при интенсивном ф о н е ..........................
Оглавление
11.2. Фоновые характеристики фотоприемников на ФЭУ
в паспортном реж и м е................................................................. 240
11.2.1. И зменения крутизны световой характеристи­
ки (240). 11.2.2. Сужение диапазона измерительного
преобразования (247).
11.3. Фоновые характеристики стробируемых фотопри­
емников........................................................................................... 253
11.3.1. Управление по модулирующему электро­
д у (254). 11.3.2. Временные соотношения при резких
изменениях уровня фона (258).
11.3.3. Динодное
управление чувствительностью Ф ЭУ (260).
11.4. Фоновые характеристики фотоприемников со ступенча­
то-линейной световой характеристикой............................... 262
11.4.1. Расширение диапазона допустимых фоновых
воздействий (263). 11.4.2. Фоновые изменения коэф­
фициента расширения Д И П (267).
Г л а в а 12. С оврем ен ны е м етоды и ср ед ст в а повы ш ен и я
п ом ехоустой чи вости л и д а р н ы х с и с т е м ............................. 271
12.1. О птико-электронная обработка лидарных эхо-сигналов,
совмещенная с противофоновой.............................................. 271
12.2. П ространственно-временная селекция лидарных эхосигналов ......................................................................................... 276
12.3. Амплитудно-временная адаптация лидарной системы
к фоновой пом ехе........................................................................ 280
12.4. А даптация оптических параметров бистатических ли ­
дарных систем к фоновой помехе ......................................... 283
12.4.1. Оценка точности измерений (284). 12.4.2. К о ­
тировочные и вибрационные характеристики (286).
12.4.3. Фоновые характеристики (287).
12.4.4. Оп­
тимизация углового поля приемной системы (289).
12.4.5. П рактическая реализация адаптации (290).
12.5. Предотвращение потерь информации при переключени­
ях поддиапазонов лидарного приемника............................. 294
12.6. Световая характеристика фоноустойчивого приемника 298
Заклю чение.............................................................................................. 302
Список литературы. . . .
Предметный указатель.
303
311
АГИ Ш ЕВ Р а ви ль Р уст ем ович
Л И Д А Р Н Ы Й М О Н И Т О Р И Н Г А Т М О С Ф Е РЫ
О ригинал-макет: Е В . Чернина
О формление переплета: Н.В. Гриш ина
Книга выходит в авторской редакции
Подписано в печать 14.01.09. Формат 60x90/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Уел. печ. л. 19,75.
Уч.-изд. л. 19,75. Тираж 400 экз. Заказ №5204.
Издательская фирма «Физико-математическая литература*
МАЙК «Наука/Интерпериодика»
117997, Москва, ул. Профсоюзная, 90
Е-шаП: Пгта1@та1к.ги, (т1за1е@та1к.ги;
Ь И р ^чд тМ .ги
Отпечатано с готовых диапозитивов в ПФ «Полиграфист»
160001, г. Вологда, ул. Челюскинцев, 3
Тел.: (8172) 72-55-31, 72-61-75, факс: (8172) 72-60-72