Введение к работе
Актуальность темы
Методы лидарного зондирования атмосферы интенсивно разрабатываются в нашей стране и за рубежом для определения пространственного распределения атмосферного аэрозоля, газовых компонентов атмосферы. В большой степени это вызвано необходимостью мониторинга загрязнения воздушного бассейна.
В настоящее время в практике определения концентрации аэрозоля, загрязняющего атмосферу, используются, в основном, контактные методы измерений. Применение оптических методов позволяет автоматизировать процесс измерений. Недостаток применяемых методов состоит в том, что они не дают возможности непосредственного определения характеристик загрязнения атмосферы и позволяют определять лишь локальные значения характеристик загрязнения атмосферы. Такие приборы, как оптические счетчики частиц и фильтровые аспирационные устройства, позволяют измерять параметры лишь аэрозоля в непосредственной близости от них. Это делает трудно разрешимой задачу оперативного определения пространственного
распределения загрязняющих компонентов.
Применение лидарных методов может обеспечить оперативность выполнения измерений, их дистанционность и высокое пространственное разрешение. Лидарная информация о природной среде важна для решения проблемы экологического мониторинга, особенно, при возникновении чрезвычайных ситуаций, когда объекты мониторинга недоступны и выполнение мониторинга методами контактных измерений, использующимися в оперативной практике, невозможно.
Разработка метода лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, однако, предполагает решение обширной научной проблемы, предусматривающее учет ряда особенностей приемопередающей аппаратуры, включая конечную длительность зондирующих импульсов, особенностей распространения излучения в рассеивающей среде, а также решение проблемы интерпретации лидарной информации. Современное развитие лидарной техники требует интенсифицировать решение методических задач оптических измерений. В результате решения этих задач появляется возможность скорректировать направления развития лидарной техники и ускорить процесс ее внедрения в оперативную практику.
Следует особо отметить сложность задачи лидарного зондирования слабо рассеивающей среды, зондирования атмосферного аэрозоля, выполняемого на значительных расстояниях от приемопередатчика. Это обусловлено возрастающим в такой ситуации значением случайной и систематической погрешности измерений, в том числе, погрешности из - за неточного знания фоновой засветки, сдвига нуля сигнала обратного рассеяния и наличии систематических ошибок в величине этого сигнала.
В работе рассматривается проблема интерпретации результатов спектрометрических измерений атмосферного аэрозоля, результатов зондирования атмосферы лидарными
системами. Она направлена на совершенствование методов лидарных измерений параметров атмосферного аэрозоля. Анализируются вопросы достоверности, с которой оптические характеристики атмосферного аэрозоля определяются по результатам измерений сигналов обратного рассеяния малой мощности, по результатам зондирования атмосферы импульсами конечной длительности. Анализируются также результаты измерений аэрозольных спектров оптическими счетчиками частиц.
Разработка методов аэрозольной спектрометрии, методов лидарного зондирования атмосферы в настоящее время приобретает особую актуальность. Известные трудности разработки методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля обусловлены неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе обработки данных измерений и математической некорректностью обратной задачи, особенно, в условиях зондирования слабо рассеивающей атмосферы. Кроме того, следует отметить сложность параметризации оптико-микроструктурных свойств аэрозольных частиц.
Отмеченные особенности негативно сказываются на точности определения параметров аэрозольных частиц и существенно усложняют проблему, в результате, получаемая лидарная информация позволяет лишь качественно характеризовать атмосферный аэрозоль.
Следовательно, на современном этапе создания оптических технологий мониторинга аэрозоля, технологии дистанционного лазерного мониторинга аэрозоля приоритетным является решение проблемы получения достоверной количественной информации методами аэрозольной спектрометрии, методами лидарного зондирования атмосферного аэрозоля.
Важные для решения проблемы мониторинга атмосферного аэрозоля результаты получены многими исследователями. Можно отметить результаты исследований выполненных под руководством В.Е.Зуева, К.Я.Кондратьева, результаты исследований В.М.Захарова, О.К.Костко, В.Д. Степаненко, К.Т.Уитби, Р.Чарлсона и др. специалистов. Существенный вклад в решение задачи моделирования рассеяния излучения атмосферным
аэрозолем внесли работы ряда авторов, начиная с работ К.С.Шифрина, М.Керкера вплоть до работ А.А.Кохановского.
Рассмотренные особенности лидарного зондирования атмосферы усложняют проблему интерпретации данных оптических измерений аэрозольных характеристик. Неучтенные особенности ослабления и рассеяния излучения в атмосфере, ее пространственно - временная неоднородность существенно искажают результаты измерений, обесценивают базирующиеся на них выводы модельных исследований. Ведется работа по минимизации влияния искажающих факторов на результаты оптических измерений с целью повышения их точности. Для определения оптической толщины, показателя преломления, химического состава, формы частиц, их распределения по размерам предлагается одновременное спектральное определение характеристик света, рассеянного под разными углами. Отмечается, что показатель преломления лучше восстанавливается по спектральным измерениям вектора-параметра Стокса. Спектральные измерения света, рассеянного под одним углам, дают положительные результаты, но осредненные п о большому временному интервалу.
Недостаток модельных исследований, на которых базируются измерения с помощью MODIS, AERONET, состоит в том, что они не дают возможности учесть всю совокупность особенностей определения аэрозольных характеристик. Результаты исследования точностных характеристик оптических методов спектрометрии атмосферного аэрозоля показывают, например, существенную зависимость этих характеристик от структуры аэрозольных частиц. Отмеченный факт, найденный теоретическим путем, согласуется с данными натурных измерений характеристик атмосферного аэрозоля. Тем не менее, его следует рассматривать в качестве одной из возможных гипотез. Необходимы дальнейшие исследования для ответа на возникающие в этой связи вопросы. Необходимо исследование алгоритмов для моделирования оптических характеристик атмосферного аэрозоля и моделирование характеристик направленного рассеяния и ослабления излучения неоднородной частицей. Должно быть выполнено дополнительное сравнение результатов моделирования рассеяния и ослабления излучения неоднородной частицей с результатами измерений с целью установления адекватности модели в плане ее дальнейшего использования.
Отмеченные факты не позволяют эффективно обработать экспериментальные данные. На достоверности результатов интерпретации данных негативно сказываются особенности решаемой обратной задачи: ее неопределенность и некорректность. Актуальна разработка методов интерпретации слабых сигналов обратного рассеяния на основе строгого решения лидарного
уравнения, включающего мощность фоновой засветки в качестве неизвестного параметра, а также учитывающего конечную длительность зондирующего импульса. В процессе интерпретации информации необходим учет экспериментального материала.
Цель работы
Повышение достоверности лидарной информации на основе применения алгоритмов обработки экспериментальных результатов, базирующихся на многопозиционном решении обратной задачи, апостериорной оценке возможности введения дополнительных данных, учете особенностей измерительной аппаратуры и условий зондирования.
Исследование направлено на разработку метода лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, зондирования, выполняемого на значительных расстояниях от лидара, зондирования атмосферы при ее больших оптических толщинах, зондирования импульсами конечной длительности, на повышение достоверности результатов интерпретации спектрометрической информации об атмосферном аэрозоле на основе применения алгоритмов обработки экспериментальных результатов, базирующихся на теории рассеяния света.
Основные задачи исследования
Задачи, которые решаются для достижения цели и решение которых составляет содержание работы:
рассматриваются особенности методов определения оптических параметров атмосферы, оцениваются систематические погрешности, существенно влияющие на результаты решения задачи восстановления оптических параметров по сигналам направленного рассеяния, и разрабатываются алгоритмы обработки слабых сигналов обратного рассеяния, учитывающие особенности измерительной аппаратуры и условия зондирования;
осуществляется моделирование слабых сигналов обратного рассеяния, решение прямой и обратной задачи с введением возмущения в сигналы при вычислении коэффициента ослабления с учетом экспериментальных данных;
оценивается эффективность методов лидарного зондирования атмосферы, предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного зондирования рассеивающей среды,
осуществляется моделирование сигнала направленного рассеяния с учетом экспериментальных данных;
анализируются особенности спектрометрических измерений, оценивается эффективность методов оптической спектрометрии атмосферного аэрозоля, предназначенных для повышения достоверности результатов измерений.
Методы исследования
Базируются на решении лидарного уравнения, на решении уравнений Максвелла с учетом данных натурных экспериментов. Используются методы численного анализа, компьютерное моделирование, статистический анализ.
Научная новизна работы
К основным научным результатам работы, в которой систематизируются и обобщаются итоги исследований методов оптической спектрометрии атмосферного аэрозоля и лидарного зондирования атмосферы, включая интерпретацию данных натурных экспериментов; моделирование слабого эхо - сигнала, принимаемого лидаром; решение прямой и обратной задачи с введением возмущения в сигнал обратного рассеяния, относятся:
найдены новые схемы реализации многопозиционного решения лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций - коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния,
разработаны основы новых интегральных методов многопозиционного лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы и зондирования атмосферы импульсами конечной длительности,
в результате анализа погрешностей определения искомых характеристик, выполненного с привлечением натурных данных для новых схем обработки, включая несимметричные схемы, показано, что погрешность коэффициента ослабления может быть существенно снижена за счет выбора схемы,
найдено, что направленное рассеяние излучения частицей с приведенным размером, значительно превышающим единицу, может существенно зависеть от структуры частицы,
установлено практическое отсутствие зависимости от структуры частицы направленного рассеяния излучения частицей с приведенным размером порядка единицы,
найденными результатами, описывающими зависимость от структуры частицы направленного рассеяния излучения частицей, удается описать имеющиеся экспериментальные данные;
установлено уменьшение зависимости от структуры частицы направленного рассеяния излучения частицей при уменьшении угла рассеяния.
Таким образом, совокупность сформулированных и обоснованных в диссертационной работе положений можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области лидарного многопозиционного зондирования слабо рассеивающего атмосферного аэрозоля.
Основные положения, выносимые на защиту:
разработанный на основе найденного решения лидарного уравнения новый интегральный метод многопозиционного лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы,
результаты анализа погрешностей определения искомых характеристик, выполненного с привлечением натурных данных лидарного зондирования, показывающие, что погрешность коэффициента ослабления может быть существенно снижена за счет выбора схемы обработки данных зондирования,
разработанные основы метода зондирования атмосферы импульсами конечной длительности,
найденная существенная зависимость направленного рассеяния излучения частицей с приведенным размером, значительно превышающим единицу, от структуры частицы,
установленное отсутствие зависимости от структуры частицы направленного рассеяния излучения частицей с приве денным размером порядка единицы.
Достоверность и обоснованность
Достоверность полученных результатов подтверждается тем, что они базируются на решении уравнений Максвелла и на решении лидарного уравнения, являющегося следствием фундаментального уравнения переноса радиации в дисперсных средах, а также сопоставимостью результатов теоретических исследований с данными эксперимента.
Научная и практическая значимость работы
Определяется, в соответствии с поставленной целью, повышением достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы, повышением достоверности результатов интерпретации оптической информации об атмосферном аэрозоле. Полученные результаты использованы в учебном процессе в РГГМУ и могут быть использованы для целей совершенствования оптических технических средств, в том числе, лазерных технических средств, предназначенных для оптического мониторинга загрязнения атмосферы.
Личный вклад автора
Все основные результаты получены автором лично. Автор выполнил анализ современного состояния проблемы. Нашел новые решения лидарного уравнения. Разработал эффективные схемы реализации найденного решения. Нашел новые результаты в области исследования рассеяния излучения частицей.
Апробация работы
Результаты исследований докладывались:
на Международной школе - конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Изменение климата и окружающая среда», РГГМУ, 2005,
на Международном симпозиуме стран СНГ МСАР «Атмосферная радиация», 2006,
на Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» МСАР, СПб - 2009,
на Международной конференции «25 International laser radar conference», СПб - 2010,
на Седьмой международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (Санкт - Петербург, 2010),
на итоговых сессиях ученого совета РГГМУ, 2006, 2009 - 2011.
Публикации
Основные результаты, обобщенные и систематизированные в работе, отражены в 25 научных трудах, в том числе, в 11 рецензируемых и рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы - 204 наименований, списка обозначений и сокращений. В ней содержится 284 страницы текста, 14 таблиц, 8 4 рисунка.
Похожие диссертации на Обращение слабых сигналов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля
