Дистанционное измерение экологически значимых характеристик прибрежных вод с помощью авиационных лидарных систем Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЗНАЧИМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБРЕЖНЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ АВИАЦИОННЫХ ЛИДАРНЫХ СИСТЕМ Ю.И. Копилевич, А.Г. Сурков, В.И. Фейгельс

Известно, что формы лидарного сигнала обратного рассеяния от столба морской воды недостаточно для определения основных физических характеристик воды, таких как показатели ослабления, рассеяния и поглощения. Предложен новый подход к решению этой задачи, состоящий в компенсации дефицита информации регистрируемого лидарной системой дистанционного зондирования сигнала за счет использования приемной системы с переменным углом зрения. Одновременно или последовательно регистрируются сигналы, полученные при нескольких различных углах зрения приемной системы. Предлагаемый метод требует использования как минимум трех углов зрения - узкого (приблизительно равного углу расходимости лазерного пучка), широкого (с плоским углом поля зрения 50-70 мрад) и среднего (с углом порядка 15-20 мрад). В основе метода лежит то обстоятельство, что форма сигнала, т.е. изменение сигнала обратного рассеяния с глубиной, описывается функцией оптических характеристик среды, причём для узкого, широкого и среднего углов зрения указанные зависимости оказываются различными. Создана теоретическая модель для сигнала обратного рассеяния лидара, позволяющая на основе полученных форм лидарных откликов при различных углах зрения определять важные физические и экологически значимые параметры морской воды.

Предложенный подход явился основой для разработки в 2003- 2004 годах в НАСА (США) океанологического лидара, который в настоящее время проходит испытания в оптическом бассейне.

Введение

Развитие лидарной техники в последние десятилетия привело к появлению ряда серийно выпускаемых авиационных и корабельных систем дистанционного лазерного зондирования океана [1]. В сферу возможных применений подобных приборов в оптической океанографии, наряду с традиционной батиметрией прибрежных акваторий, входит дистанционное определение оптических параметров морской воды, обнаружение отдельных слоев рассеяния в воде и следов загрязнения, измерение распределения хлорофилла в прибрежных водах.

Одна из наиболее сложных проблем в этой области - практическая реализация лидарного метода как инструмента для оценки оптических свойств морской воды. Проблема очень существенна для современной океанологии и экологии, которые требуют надежных способов для измерения пространственных распределений и временных изменений оптических свойств морской воды. Особого внимания требует задача применения дистанционного лидарного зондирования для оценки биофизических характеристик морской воды, важнейшая из которых - содержание в воде частиц органического углерода.

Типичный океанографический лидар, авиационный или корабельный, использует импульсный (обычно сине-зеленый) лазер и приемник для регистрации зависящего от времени отклика, вызванного взаимодействием зондирующего светового импульса с толщей воды. Форма лидарного отклика от столба морской воды зависит, очевидно, от полного набора характеристик поглощения и рассеяния света, а также от формы индикатрисы рассеяния воды.

В настоящей работе предлагается лазерная система дистанционного зондирования приповерхностного слоя морской воды и метод для оценки in-situ значения показателя рассеяния в этом слое. Лидарная система, показанная на рис. 1, имеет приемник с переменным углом зрения, который регистрирует параллельно (или последовательно) сигналы обратного рассеяния от водной среды при как минимум трех различных углах зрения - узком (примерно равным расходимости лазерного луча), широком (плоский угол зрения 50-70 мрад), и среднем (угол порядка 15-25 мрад). Идея метода запатентована [2], но никогда не была реализована на практике в России или за рубежом.

Рис.1. Принцип работы лидара с изменяемым углом зрения приемника

В случае, когда рассматриваемая система установливается на авианосителе (высоты полета 100-500 м), появляется возможность измерять вместе с показателем рассеяния воды еще и параметр, который характеризует форму малоугловой (до 45°) части индикатрисы рассеяния. Применение такой авиационной сканирующей системы в комбинации с поступательным движением носителя будет обеспечивать трехмерное распределение измеряемых параметров, тогда как повторяемые съемки позволят регистрировать временные вариации распределений (четырехмерный мониторинг).

Теоретическая модель лидарного отклика

Мощность сигнала обратного рассеяния среды на входе приемной оптической системы лидара Sj(t), г = 1, 2, 3, полученного при /-ом угле зрения приёмной системы ¥ОУг, определяется лидарным уравнением [3]. В простейшем случае зондирования «в надир» для однородной водной толщи это уравнение имеет вид

-2г

уТ

X. (Л = Р0 — 2--

Л> 2п (Нп + к)2

(1 - р)2 рпе~2{а+Ъь)к ^(к,¥ОУ,), / = 1, 2, 3. ,

(1)

где t - время, отсчитываемое от момента испускания зондирующего импульса; Ро и Т -мощность и длительность зондирующего лазерного импульса, соответственно; у - скорость света в вакууме; п - показатель преломления морской воды; 2 - площадь зрачка приёмного телескопа; Н - высота лидарной платформы над уровнем моря; г - оптическая толщина слоя атмосферного воздуха между поверхностью воды и лидарной платформой; к - глубина, связанная с временем регистрации t соотношением

пк = У - Н, 2

t >

2Н

р - коэффициент отражения поверхности воды, рп - объёмный показатель обратного рассеяния морской воды, а и Ъь - показатели поглощения и рассеяния назад, соответственно. Функция ¥(к,¥ОУ) в (1) определяется выражением ([1]; см. также [4])

1 2 -

¥ (к, ¥ОУ) = - ^2 е

■2Ъ-тк 2

3 т

I X + л/Т

+ X

2Ъук

ехр

2™ 2 Л, 2

х т

г2 + ^0 к2

+ 0 2 +¥2

хдх, (2)

где

у

4

0 0 Ш Н + 1 (3)

0 = в-г; Ш = ——г; у = -+- , (3)

2 И п

0о и г0 - половинный угол расходимости и радиус исходного лазерного пучка; Я0 - радиус зрачка приёмника; bf - показатель рассеяния вперёд; m - параметр модели Л.С. Долина [5] для малоугловой части индикатрисы рассеяния морской воды в(В):

Р(0) - т/0 ехр(- тв) . (4)

Измерение показателя рассеяния воды с помощью лидара

Применяя одно из трех лидарных уравнений (1) (например, уравнение для 1 = 3) как нормировочный фактор для двух остальных, получаем:

5 (ПК/ 5 (П)3 = F (И, (И, = А1. (5)

5(иу5(П)3 = F(И,¥0У2)!F(И,F0Уз) = А2. И

Равенства (5) можно рассматривать как систему двух уравнений с двумя неизвестными, т и Ьь. Важно отметить, что ввиду высокой анизотропии индикатрисы рассеяния морской воды (асимметрия индикатрисы рассеяния а = bf/ Ьь обычно находится между 30 и 40 [6]), показатель рассеяния вперед мало отличается от показателя рассеяния Ь = bf + Ьь.; следовательно, bf « Ь. Проблема оценки двух неизвестных параметров может быть сформулирована как вариационная задача. Один из возможных путей её решения - применение метода наименьших квадратов, когда для определения значений т и Ь в (5) минимизируется функция:

2

2

0(т,Ь) = £{[(И,F0Уl)/F(И,F0Уз)]exp - [,F0Уl)/F(h,F0Уъ)]moA йИ, (6)

1=1

где [[(И,F0Уi)/F(И,F0У3)]exp- измеренная экспериментально функция коэффициентов т и Ь, а [[ (И, F0V1)/ F (И, F0У3 )] - модельная функция коэффициентов т и Ь , причем интегрирование производится по всему интервалу заданных глубин.

Анализ данных авиационного лидара

Авиационная лидарная система обычно применятся при высоте полёта носителя 100-500 метров над уровнем моря, что в несколько раз превышает максимальную измеряемую глубину. Это обстоятельство существенно отражается на поведении функции F(И, F0У) из (2), приведенной на рис. 2.

Очевидно, что функция довольно чувствительна к форме индикатрисы рассеяния, характеризуемой модельным параметром т из (4), причём вариации F(И, F0У) при изменении т наиболее заметны при широком угле поля зрения приемника.

Соотношение между двумя функциями, относящимися к различным углам зрения (широкому и узкому), также заметно зависит от т (см. рис. 3). Таким образом, форма индиктрисы рассеяния (значение параметра т), наряду со значением показателя рассеяния Ь, может быть оценена из измерений с помощью авиационной лидарной системы с переменным углом поля зрения (рис. 2, 3).

Достаточно очевидно, что авиационный лидар с приемником с переменным углом зрения может служить эффективным инструментом для одновременной оценки показателя рассеяния воды (Ь) и модельного параметра индикатрисы рассеяния (т) с использованием алгоритма, рассмотренного выше. Трёх измерений, произведенных для широкого, среднего и узкого углов зрения (например, 40 мрад, 15 мрад и 5 мрад), достаточно для получения реальной оценки этих двух параметров.

Рис 2. Функция F(h, FOV) для случая авиационного лидара при трёх различных РОУ (5 мрад, 15 мрад и 80 мрад) и трёх значениях модельного параметра индикатрисы рассеяния (т = 6; 7; 8)

И, т

Рис 3. Отношение функций F(h, 40 мрад) и F(h, 5 мрад) для т = 6; 7, и 8.

Связь рассеяния с объемной концентрацией больших частиц в воде

В настоящем разделе рассматривается возможность применения значений показателя рассеяния, полученных из данных лидарных измерений, для оценки концентрации больших частиц в морской воде, т.е. гидрозольных частиц с характерными размерами от нескольких единиц до десятков микрометров [7]. Напомним, что концентрация крупной биологической взвеси напрямую связана с содержанием частиц органического углерода, которое существенно определяет процессы обмена между океаническим и атмосферным фондами углерода [8, 9].

Предлагаемый метод оценки концентрации больших частиц основан на высокой степени корреляции (коэффициент корреляции г2 = 0.93) между объёмной концентрацией крупных частиц VI и показателем рассеяния воды Ь на длине волны 532 нм, обнаруженной в [10] (см рис. 4):

VI = 1.44- 10 -2 + 1.68 Ь , (7)

где V/. измеряется в см3/м3, Ь - в м-1.

Корреляционная формула (7) получена на основе данных 66 измерений, проведенных в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах [10].

Vhcm3/ m3

в. в а.6

0.4

в.г в

0 0.1 в.г 0.3 0.4 0.5

Scattering coefficient, m-1

Рис. 4. Регрессия между концентрацией больших частиц, V, и коэффициентом

рассеяния, b.

Используя формулу (7), по значению показателя рассеяния b, полученному из измерений с помощью лидара с изменяемым углом зрения, может быть получена концентрация больших частиц Vl.

Заключение

Подходы, развитые в настоящей работе, основаны на применении лидара с изменяющимся углом зрения приемника, т.е. лидара, который регистрирует, одновременно или последовательно, сигналы обратного рассеяния при различных углах поля зрения приемника. Предложенный метод делает возможным измерение показателя рассеяния воды.

При зондировании с использованием авиационного лидара метод обеспечивает, наряду с оценкой показателя рассеяния, еще и нахождение параметра m , введенного Л.С. Долиным для модельного описания индикатрисы рассеяния в области малых углов (примерно до 45°). Для реализации метода требуется использовать, как минимум, три различных угла зрения приемника.

Достоверная корреляция между показателем рассеяния и объемной концентрацией больших гидрозольных частиц (коэффициент корреляции 0.93) дает возможность производить достаточно точные оценки концентрации больших частиц в воде; это позволяет предложить использование описанного метода для фундаментальных исследований, связанных с изучением глобального цикла углерода.

Литература

1. Laser Remote Sensing of Natural Waters: from Theory to Practice. Ed.: Feygels V.I. and Kopilevich Y.I. // Proc. SPIE. 1996. V.2964.

2. Красовский Р.Р., Фейгельс В.И., Шифрин К.С., Левин И.М. и др. Способ измерения показателя рассеяния. А/С СССР №1453266, 1989.

3. Kopilevich Y.I., Feygels V.I., and Surkov A.G., Mathematical modeling of input signais for oceanographic lidar systems. // Proc. SPIE. Vol. 5155. Р. 30-39.

у s У ■

о S S 0 s

Во в в By* ■ ^

D Л С ?r *v „Л'Гв'*........

4. Долин Л.С., Левин И.М. Теория подводного видения (справочник). Гидрометеоиз-дат, Ленинград, 1991.

5. Долин Л.С., Савельев В.А.., Определение параметров рассеянного назад сигнала импульсного излучения в мутной среде с узким направленным лазерным лучом. // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7. №.5. С. 505-510.

6. Оптика океана, Т. 1:.Физическая оптика океана / Под ред.: Монина А.С. М.: Наука, 1983.

7. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1983

8. Boss E S ; Behrenfeld M J ; Siegel D., The Phytoplankton Chlorophyll to Carbon Ratio and Prospects of its Retrieval from In-Situ Optical Measurements and Remote Sensing. // Report at ASLO/TOS 2004 Ocean Research Conference, February 15-20, 2004, Honolulu, Hawaii, USA.

9. Behrenfeld M.J. and Boss E., The beam attenuation to chlorophyll ratio: an optical index of phytoplankton physiology in the surface ocean?. // Deep-Sea Research I 50. 2003. Рр. 1537-1549

10. Фейгельс В.И. Оптимизация лидарных параметров для дистанционного зондирования океана и континентального шельфа. / Дис. к.т.н. СПб: СПб ИТМО, 991.