Перспективы развития метеорологической измерительной техники

Лекция 30

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

     В настоящее время развитие метеорологической измерительной техники идет по трем основным направлениям.

    1.Совершенствование существующих метеорологических датчиков. В рамках этого направления ведутся работы по созданию малоинерционных, более точных датчиков, расширение диапазона измерений и т.п.

    2.Совершенствование методов обработки сигнала - прежде всего, компьютерных методов. Если измерение ведется с погрешностью, то, как мы знаем, в ряде случаев можно исключить эту погрешность, рассчитав правильное значение на основе известных закономерностей. Так можно, например, рассчитать температуру воздуха по измеренным значениям, уменьшив инерционную погрешность. Можно задать программу встроенному калькулятору и получать значения измеряемой величины практически без погрешности.

    3.Разработка принципиально новых методов измерения метеовеличин. Это наиболее фундаментальное направление. В настоящее время ведутся исследования возможности проводить метеорологические измерения на основе лазерного зондирования атмосферы, акустического зондирования, зондирования электромагнитным сигналом в различных диапазонах длин волн. Разберем в качестве примера одно из наиболее перспективных и разработанных к настоящему времени направлений - лазерное зондирование атмосферы. Для этого рассмотрим особенности лазера, как источника света.

    Итак, излучение импульсного лазера обладает следующими особенностями.

    1. Монохроматичность. Длина волны лазерного излучения является  постоянной величиной для данного лазера с очень высокой степенью точности.

    2. Острая направленность. Лазерный световой поток характеризуется очень малым углом расхождения, благодаря чему его энергия достаточно велика даже на очень больших расстояниях.  Можно, например, проводить лазерное зондирование лунной поверхности, получая достаточно сильный для регистрации отраженный сигнал.

    3. Высокая энергия импульса - до 10 МВт.

    4. Малая длительность импульса – 10^-8  - 10^-9  с и менее.

    5. Частота следования импульсов может быть выбрана в пределах от 10 до 1000 Гц.

   Поскольку длительность импульсов (τ) столь мала, то протяженность участка, освещенного лазерным импульсом составляет С·τ ~ 1 м.(см. рис.30.1).

   Когда лазерное излучение распространяется в атмосфере, оно рассеивается молекулами атмосферных газов, аэрозолями, каплями и т.д. Часть рассеянного излучения возвращается обратно и может быть принять чувствительными фотоприемниками. Если известен состав атмосферы, количество аэрозолей, давление, температура и прочие параметры, то можно рассчитать параметры отраженного лазерного сигнала. Эта задача (достаточно сложная!) получила название прямой задачи. Однако, для измерения параметров атмосферы по отраженному лазерному сигналу нужно решать другую задачу - рассчитать параметры атмосферы, зная параметры отраженного сигнала. Эта задача называется обратной задачей. Обратная задача сводится к написанию системы уравнений, связывающих параметры отраженного сигнала с параметрами атмосферы и к решению такой системы. При этом количество уравнений может оказаться меньше количества неизвестных величин. Тогда говорят, что обратная задача некорректна. Методика решения некорректных обратных задач сводится к поиску дополнительных связей между параметрами и замыканию таким образом системы уравнений. Если же это невозможно, то приходится задавать отдельные параметры на основе статистики наблюдений, делать различные предположения и допущения.

   Таким образом, лазерное зондирование атмосферы предполагает решение, по крайней мере, двух задач - технической (т.е. создание установки для лазерного зондирования, приема и анализа отраженного сигнала) и математической (обратной задачи с учетом ее возможной некорректности). Решение этих задач сопряжено со значительными трудностями, основные из которых мы сейчас перечислим.

    1. Отраженный атмосферой сигнал очень слаб. Для его регистрации необходимо применять высокочувствительные фотоприемники.

    2. Лазерное излучение, отраженное интересующим наблюдателя участком атмосферы, трансформируется на обратном пути нижележащими слоями атмосферы.

    3. Зарегистрированный лазерный сигнал искажается приемной аппаратурой.

    Для преодоления этих трудностей приходится пользоваться очень сложной (и очень дорогой!) аппаратурой. Тем не менее, лазерное зондирование атмосферы имеет следующие несомненные преимущества.

    1.Дистанционность зондирования. Возможно получение информации о слоях атмосферы на удалении несколько десятков и даже сотен километров.