2.Протяженность зондируемого участка может, как уже было сказано, достигать 1 м. и менее. Таким образом, зондирование можно проводить с очень высокой разрешающей способностью.
3.Время получения обратного сигнала измеряется миллисекундами или менее. Следовательно, лазерное зондирование является безинерционным методом измерения.
4.Возможен глобальный мониторинг атмосферы с помощью лазерного зондирования с искусственных спутников. Это может сильно снизить информационную значимость метеорологической наземной сети.
Лазерные установки для метеорологического зондирования получили название лидаров. Лидар включает в себя лазер, оптические элементы для направления лазерного излучения, вогнутое зеркало для приема отраженного сигнала, фотоприемник (он обычно помещается в фокусе вогнутого зеркала) и аппаратуру для анализа отраженного сигнала - например, спектрофотометр. Кроме того, лидар содержит электронные блоки определения времени (с точностью до долей наносекунды) и формирования выходных сигналов - например, приведение к цифровому виду.
Теперь рассмотрим основные физические принципы зондирования атмосферных параметров.
1. Лазерное зондирование аэрозолей. Эта задача технически наиболее простая, так как отраженный аэрозолями сигнал достаточно сильный. Отраженный сигнал зависит от размеров аэрозолей, их химических свойств, концентрации (количества частиц в единице объема). Все эти параметры могут быть определены путем решения обратной задачи. Проблема состоит в правильном выборе длины волны лазерного излучения – излучение должно хорошо отражаться аэрозолями и плохо поглощаться атмосферными газами.
2. Зондирование атмосферных газов. Эта задача технически намного труднее, так как сигнал, отраженный молекулами газов, примерно в тысячу раз слабее сигнала, отраженного аэрозолями. Выделение полезного сигнала на фоне помех создает дополнительные трудности. Тем не менее высокая энергия лазерного излучения дает возможность получить сигнал, достаточно хорошо регистрируемый чувствительными светоприемниками. Для зондирования атмосферных газов можно воспользоваться методом комбинационного рассеяния света (КРС). Сущность его состоит в том, что световое излучение, рассеянное молекулами, не является монохромным. Помимо основной частоты рассеянное излучение содержит две спутниковые частоты - ν1 и ν2. Таким образом, спектр рассеянного излучения имеет вид, изображенный на рис.30.2.
 |
Разность частот Δν = ν2 - ν0 зависит от химической природы молекулы газа. Таким образом, определив величину Δν, можно определить, какой газ содержится в зондируемом объеме. Яркость спутниковых линий несет информацию о количестве рассеивающего газа.
Реализация метода КРС для метеорологического зондирования сопряжена с большими трудностями. Если яркость основной линии мала, то яркость спутниковых линий еще гораздо меньше. Кроме того, атмосфера представляет собой смесь различных газов, спектры которых накладываются друг на друга. Обязательным требованием является прозрачность нижележащих слоев атмосферы как для основной, так и для спутниковых линий. Соблюдение этого требования очень затрудняет выбор длины волны зондирующего сигнала. К счастью, в настоящее время существуют лазеры с перестраиваемой длиной волны. Это дает возможность вести зондирование различных газов на различных частотах.
3.Лазерное зондирование скорости ветра и турбулентности. Для решения этой задачи применяются методы, использующие эффект Допплера при отражении лазерного луча аэрозолями. Одну из схем лазерного допплеровского измерителя скорости (ЛДИС) мы рассматривали в нашем курсе.
4.Лазерное зондирование влажности. Для этой задачи также применяется метод КРС, причем определяется количество водяного пара.
5.Лазерное зондирование атмосферного давления. Определение давления сводится к определению содержания какого-либо широко распространенного в атмосфере газа - например, азота или кислорода. Эта задача может быть решена методом КРС при зондировании одного из этих
газов.
6.Лазерное зондирование температуры. Измерение температуры с помощью лазера является одной из самых сложных задач и требует очень чувствительной аппаратуры. При этом применяется все тот же метод КРС, причем зондирование опять-таки ведется для известных газов – азота или кислорода. Если яркость спутниковых линий J1 и J2 не зависит от температуры, то отношение яркостей J1/J2 зависит от температуры. Эта зависимость очень слабая, поэтому измерение J1 и J2 должно проводиться с очень высокой точностью. Тем не менее, в настоящее время созданы опытные установки, позволяющие измерять температуру воздух с точностью до 10 - 1,50 на расстоянии до 1,5 Км.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.