Экспериментальные исследования характеристик аэрозольных неоднородностей атмосферы в УФ спектральном диапазон Текст научной статьи по специальности «Физика»

Ссылка на статью:

// Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 02. С. 32-46.

Б01: 10.7463/п1о1*.0215.0782060

Представлена в редакцию: 19.02.2015 http://radiooptics.ru Исправлена: 10.03.2015

© МГТУ им. Н.Э. Баумана

УДК 551.501

Экспериментальные исследования характеристик аэрозольных неоднородностей атмосферы в УФ спектральном диапазон

Иванов С. Е.1, Федотов Ю. В.1, 'ЪеЬу^Ьт&Ш-ги

1 1 * Филимонов П. А. , Белов М. Л. ' ,

Городничев В. А.1

1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В статья описаны результаты разработки лазерного измерителя характеристик атмосферных аэрозольных неоднородностей, работающего в УФ спектральном диапазоне на безопасной для глаз длине волны излучения 0,355 мкм. Приведены характеристики блоков лазерного измерителя и описана структура его программного обеспечения. Представлены примеры типичного лазерного эхо-сигнала, обратно рассеянного атмосферой, и пространственно-временного распределения коэффициента вариации объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы. Результаты многодневных измерений показывают, что размер регистрируемых аэрозольных неоднородностей в среднем составляет величину ~ 5 м, а коэффициент вариации может достигать значений ~ 8 %.

Ключевые слова: лазер, атмосфера, характеристики аэрозольных неоднородностей, ультрафиолетовый спектральный диапазон

Введение

Разработка лазерных систем, предназначенных для работы в условиях земной атмосферы, требует наличия достоверной информации о состоянии атмосферы.

Аэрозольные лидары, предназначенные для оперативного мониторинга атмосферы, позволяют дистанционно определять характеристики атмосферного аэрозоля (см., например, [1-5]).

На сегодняшний день большинство аэрозольных лидаров работает в видимом спектральном диапазоне. Однако, для мониторинга состояния атмосферы с точки зрения безопасности для глаз интерес представляет и ультрафиолетовый (УФ) спектральный диапазон.

Радиооптика

Данная статья посвящена разработке лазерного дистанционного измерителя характеристик атмосферных аэрозольных неоднородностей атмосферы в УФ спектральном диапазоне.

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований характеристик аэрозольных неоднородностей атмосферы в УФ спектральном диапазоне для различных погодных условий и времени суток. По сравнению с существующими аналогичными разработками лазерный измеритель использует безопасную для глаз длину волны излучения 355 нм.

Результаты работы представляют практический интерес для мониторинга состояния атмосферы по результатам дистанционных измерений на безопасной для глаз длине волны излучения.

1. Макет лазерного измерителя, работающего на длине волны 355 нм

На рисунке 1 представлена структурная схема макета лазерного измерителя, работающего на длине волны 355 нм.

Оптические связи ->■ Электрические связи

Рисунок 1 - Структурная схема макета лазерного измерителя, работающего на длине волны 355 нм

В качестве источника излучения используется импульсный твердотельный Кё:УЛО лазер с полупроводниковой накачкой и модуляцией добротности ЕКБРЬЛКЬ204 с длительностью импульса 7 нс [6]. Для получения излучения на безопасной для глаз длине

волны использовался модуль генерации третьей гармоники, позволяющий получить излучение на длине волны 355 нм.

В качестве приемного объектива в лазерном измерителе использовался зеркальный объектив фирмы СОЛАР Лазерные Системы. Данный объектив реализован по схеме Кассегрена и имеет разъем для присоединения оптоволокна [7].

Излучатель лазера и приемный объектив расположены на моторизированной наклонно-поворотной платформе, позволяющей менять направление зондирования.

Излучение от приемного объектива транспортируется по оптическому волокну в оптический блок. Оптический блок служит для спектральной селекции полезного сигнала и преобразования оптического излучения в электрический сигнал.

Для выделения полезного сигнала использовался интерференционный фильтр SemrockLL01-355-25 [8]. Для обеспечения подавления фонового излучения в этих областях интерференционный фильтр SemrockLL01-355-25 дополнялся фильтром BPF 350\50 на основе цветного стекла УФС 6.

В качестве приемника излучения использовались ФЭУ Hamamatsu H10721-20 и Ha-mamatsu H7826-01 [9,10].

Для получения сигнала уровень, которого достаточен для работы АЦП, к выходу ФЭУ подключается усилитель широкополосный усилитель Hamamatsu C5594.

Для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму в макете лазерного измерителя использовались модули высокоскоростных АЦП - дигитайзеров [11-13].

Общее управление, тематическая обработка сигналов, отображение и сохранение результатов осуществляется на ПЭВМ работающей под управлением ОС Windows. Графический интерфейс пользователя также реализован в программном обеспечении, установленном на ПЭВМ.

Программное обеспечение макетов лазерного измерителя было разработано в среде графического программирования NI LabVIEW 2012 [14].

2. Измерения характеристик атмосферы на длине волны 355 нм

Схема проведения экспериментов приведена на рисунке 2.

Передающий канал лазерного измерителя посылает в атмосферу короткие лазерные импульсы. Приемный канал регистрирует обратно рассеянное атмосферой излучение.

Рисунок 2 - Схема проведения эксперимента на длине волны Х=355нм

В прозрачной атмосфере мощность P(t) обратно рассеянного атмосферой лидарного сигнала можно описать выражением:

?(г) = ^ • T(г) -Р(г),

Л(г) = ?0 • Kt • К • г •

8

V 8 у

а

2

р

2 2

Vар +аи у

ехр

2

0

ар2 +аи2 )• г2

VV у у

(1)

ct г

г = -, Т(г) = ехр( -2 |8(г')ёг'), = ?

2 0

2г

V с у

где Л(г) - аппаратная функция лидара;

Т(г) - коэффициент пропускания атмосферы на расстоянии г; Р(г) - объемный коэффициент обратного рассеяния; ?0 - пиковая мощность излучения в импульсе; е(г) - коэффициент объемного ослабления; г - расстояние до рассеивающего объема;

Кг - коэффициент пропускания оптического тракта приемного канала, К - коэффициент пропускания оптического тракта излучающего канала; с - скорость света;

гп - радиус входного зрачка приемного объектива; Ти - длительность лазерного импульса; а и - угол расходимости лазерного излучения; ар - угол поля зрения приемного канала;

^о - расстояние между оптическими осями приемного и передающего каналов.

На рисунке 3 приведен пример типичного лидарного сигнала в однородной (с постоянными оптическими характеристиками) атмосфере в соответствии с (1).

т

0,5 1

1:, мкс

Рисунок 3 - Типичный средний лидарный сигнала

Показатель ослабления атмосферы (средний по трассе или некоторой части трассы зондирования) можно определить из данных измерения лидарного сигнала методом логарифмической производной (см., например, [1]).

Неоднородности аэрозольной атмосферы проявляются в флуктуациях объемного коэффициент обратного рассеяния Р(г). Поэтому в объемном коэффициенте обратного

рассеяния Р(г) можно выделить постоянную Р и флуктуационную ~(г) составляющие:

Р(г) = Р(г) + ~(г), (2)

где Р - среднее по серии зондирующих импульсов значение объемного коэффициент обратного рассеяния;

Р(г) - пространственное распределение флуктуаций объемного коэффициента обратного рассеяния.

Флуктуации объемного коэффициент обратного рассеяния можно характеризовать такими статистическими параметрами, как:

- коэффициент вариации неоднородностей объемного коэффициента обратного

_ _ СКО

рассеяния Ю: Ю =- - отношение СКО объемного коэффициента обратного

среднее

рассеяния к среднему значению объемного коэффициента обратного рассеяния;

- средний размер неоднородностей объемного коэффициента обратного рассеяния Ь.

Коэффициент вариации неоднородностей объемного коэффициента обратного рассеяния Ю определяет контраст измеряемой величины Р(г) .

Средний размер неоднородностей объемного коэффициента обратного рассеяния Ь определятся по спаданию в е раз корреляционной функции К(р) реализации флуктуаций объемного коэффициента обратного рассеивания:

К( р = Ь) = 1 е

3. Экспериментальные измерения характеристик аэрозольных неоднородностей атмосферы на длине волны 355 нм

Экспериментальные измерения аэрозольных характеристик атмосферы на длине волны 355 нм проводились с помощью созданного макета. Измерения проводились в летне-осенний период 2014 г. в Дмитровском филиале МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Измерения проводились в разное время суток при различных метеоусловиях. В ходе экспериментальных измерений определялись характеристики неоднородностей аэрозольной атмосферы - размер аэрозольных неоднородностей и коэффициент вариации аэрозольных неоднородностей.

На рисунках 4 - 10 приведены наиболее характерные примеры пространственно-временных распределений коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей атмосферы. На рисунках по горизонтальной оси отложена дальность до лидара в метрах, а по вертикальной оси - время измерения в секундах. Данные распределения приводятся для дальностей, при которых принимаемый сигнал значительно превышает уровень шумов (отношение сигнал/шум больше 50). На рисунках результаты измерений сглажены для устранения влияния высокочастотных флуктуаций.

Контрастность измеренных пространственно-временных распределений коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей сильно зависит от оптического состояния атмосферы.

На рисунках 4,5 приведены наиболее контрастные пространственно-временных распределения коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей атмосферы, полученные при пасмурной погоде, влажности близкой к 100% и метеорологической дальности видимости (МДВ) около 5 км.

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Дальность, м

Рисунок 4 - Пространственно-временные распределения коэффициента вариации аэрозольных

неоднородностей. МДВ около 5 км.

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Дальность, м

Рисунок 5 - Пространственно-временные распределения коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей. МДВ около 5 км. Измерения проводились через 1 час после измерений для рисунка 4.

Измерения для рисунков 4 и 5, были разнесены по времени на 1 час. Для рисунков 4, 5 окно сглаживания по времени равнялось 0,6 с, а по дальности - 0,9 м.

Для рисунков 4, 5 среднее значение коэффициента вариации составило величину порядка 8,0 %, максимальное - порядка 30 %. Средний размер неоднородностей равнялся

8 м. При измерениях наблюдались также большие (размер больше 10 м) контрастные неоднородности, которые сохраняли свою форму на протяжении длительного времени.

На рисунках 6-8 приведены пространственно-временные распределения коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей МДВ более 10 км. Окно сглаживания по времени равнялось 0,6 с, а по дальности - 0,9 м.

Для рисунка 6 измерения проводились днем при облачной погоде. Для данных измерений среднее значение коэффициента вариации составило величину порядка 1,0 %, максимальное - 3 %. Средний размер неоднородностей равнялся 11 м.

24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 69

Дальность, м

Рисунок 6 - Пространственно-временные распределения коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей. МДВ более 10 км. Облачная погода, день.

На рисунках 7,8 приведены примеры пространственно-временных распределений коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей для измерений проведенных в пасмурную погоду в сумеречное время. Среднее значение коэффициента вариации составило величину порядка 0,5 %, максимальное - 3 %. Средний размер неоднородностей равнялся 5 м.

Сравнение рисунков 4,5 и рисунков 6-8 показывает, что контрастность пространственно-временных распределений коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей атмосферы сильно зависит от метеорологической дальности видимости и резко снижается при ее увеличении.

24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 69

Дальность, м

Рисунок 7 - Пространственно-временные распределения коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей. МДВ более 10 км. Пасмурная погод, сумеречное время.

24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 69

Дальность, м

Рисунок 8 - Пространственно-временные распределения коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей. МДВ более 10 км. Пасмурная погода, сумеречное время. Измерения проводились через 1

час после измерений для рисунка 7.

Другим фактором, оказывающим сильное влияние на контрастность измеренных пространственно-временных распределений коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей, является фоновое солнечное излучение (вызывающее дробовые шумы фотоэлектронного умножителя).

На рисунках 9,10 приведены примеры пространственно-временных распределений коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей для измерений проведенных в ясный солнечный безоблачный день. Окно сглаживания по времени равнялось 0,6 с, по дальности - 0,9 м.

Из рисунков хорошо видно, что пространственно-временные распределения коэффициента вариации потеряли свою информативность и носят явно шумовой характер (кроме области небольших расстояний от измерителя), сильно отличающийся от распределения коэффициента вариации, приведенных на рисунках 4-8.

Для рисунков 9 и 10 среднее значение коэффициент вариации сигнала для данных измерений составило величину порядка 1,2%.

Результаты многодневных измерений показывают, что размер регистрируемых аэрозольных неоднородностей в среднем составляет величину ~ 5 м, однако, одновременно регистрировались неоднородности и меньшего размера (1-2 м), и неоднородности большего размера (до 10 м). Средний коэффициент вариации аэрозольных неоднородностей мог достигать значений порядка 8%.

12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 45

Дальность, м

Рисунок 9 - Пространственно-временные распределения коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей при МДВ более 10 км. Солнечный безоблачный день.

Дальность, м

Рисунок 10 - Пространственно-временные распределения коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей при МДВ более 10 км. Солнечный безоблачный день. Измерения проводились через 1 час

после измерений для рисунка 9.

Выводы

Проведены экспериментальные измерения пространственно-временных распределений коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей атмосферы на длине волны 355 нм при разных состояниях атмосферы и в разное время суток. Показано, что контрастность пространственно-временных распределений коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей сильно зависит от метеорологической дальности видимости и резко снижается при ее увеличении. Другим фактором, сильно уменьшающим контрастность измеренных пространственно-временных распределений коэффициента вариации аэрозольных неоднородностей атмосферы, является фоновое солнечное излучение. Результаты измерений показывают, что размер регистрируемых аэрозольных неоднородностей в среднем составляет величину ~ 5 м, а средний коэффициент вариации может достигать значений ~ 8%.

Список литературы

1. Козинцев В.И., Орлов В.М., Белов М.Л., Городничев В.А., Стрелков Б.В. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 528 с.

2. Кобелев В.В. Лазерное зондирование атмосферы // Астрофизическая обсерватория БелГУ: сайт. Режим доступа: http://astro.bsu.edu.ru/lidar.htm (дата обращения 20.02.2015).

3. Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Невзоров А.В. Трехчастотный лидар для зондирования микроструктурных характеристик стратосферного аэрозоля // Приборы и техника эксперимента. 2010. № 6. С. 125-130.

4. Волков Н.Н.. Выбор параметров многоволнового аэрозольного лидара для дистанционного зондирования атмосферы. Отработка метода // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 1 (77). С. 7-9.

5. Лазерные лидарные комплексы // НПП «Адвент»: сайт компании. Режим доступа: http://www.adventspb.ru/science/6/ (дата обращения 20.02.2015).

6. NL200 series laser datasheet // EKSPLA: company website. Режим доступа: http://www.ekspla.com/wp-content/uploads/2011/05/nl200-series-nanosecond-q-switched-diode-pumped-laser.pdf (дата обращения 20.05.2015).

7. Аксессуары для сбора излучения и ввода в волокно // Солар ЛС: сайт компании. Режим доступа: http://solarlaser.com/ru/products/optsii-i-aksessuary/aksessuary-dlya-sbora-izlucheniya-i-vvoda-v-volokno/ (дата обращения 20.05.2015).

8. 355 nm MaxLine® laser clean-up filter // Semrock: company website. Режим доступа: http://www.semrock.com/FilterDetails.aspx?id=LL01-355-12.5 (дата обращения 20.05.2015).

9. Hamamatsu. Photosensor module H7826-01 // Hamamatsu: company website. Режим доступа: http://www.hamamatsu.com/jp/en/product/category/3100/3003/3044/H7826-01/index.html (дата обращения 20.05.2015).

10. Hamamatsu. Photosensor module H10720-20 // Hamamatsu: company website. Режим доступа: http://www.hamamatsu.com/jp/en/product/category/3100/3003/3044/H10720-20/index.html (дата обращения 20.05.2015).

11. 150 MHz, 200 MS/s, 12-Bit Digitizers - Data Sheet - National Instruments // National Instruments: сайт компании. Режим доступа: http://sine.ni.com/ds/app/doc/p/id/ds-242/lang/ru (дата обращения 20.05.2015).

12. 2 GS/s High-Speed Digitizers: Optimized for Automated Test - Data Sheet - National Instruments // National Instruments: сайт компании. Режим доступа:

http://sine.ni.com/ds/app/doc/p/id/ds-253/lang/ru#header0 (дата обращения 20.05.2015).

13. NI PXIe - 5162 - Data Sheet - National Instruments // National Instruments: сайт компании. Режим доступа: http://sine.ni.com/ds/app/doc/p/id/ds-480/lang/ru (дата обращения 20.05.2015).

14. LabVIEW System Design Software // National Instruments: сайт компании. Режим доступа: http://www.ni.com/labview/ (дата обращения 20.05.2015).

Radiooptics

Electronic journal of the Bauman MSTU

Radiooptics of the Bauman MSTU, 2015, no. 02, pp. 32-46.

DOI: 10.7463/rdopt.0215.0782060

Received: Revised:

19.02.2015 10.03.2015

http://radiooptics.ru

© Bauman Moscow State Technical Unversity

Laser Meter of Atmospheric Inhomogenuity Properties in UV Spectral Band

S.E. Ivanov1, Yu.V. Fedotov1, P.A. Filimonov1, M.L. Belov1*, V.A. Gorodnichev1

beloy@bm5tu-ru

bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: laser, atmosphere, aerosol inhomogenuity properties, ultraviolet spectral band

Today most aerosol lidars run in the visible spectral band. However, to monitor a condition of the atmosphere in terms of eyes safety the ultra-violet (UV) spectral band is of interest as well.

The article concerns a development of the remote laser meter to measure the aerosol inhomogenuity properties of the atmosphere in UV spectral band. The pilot study results of aerosol inhomogenuity properties of the atmosphere are given in UV spectral band for various weather conditions and time of a day. In comparison with the existing similar developments this laser meter uses the radiation wavelength of 355 nm, safe for eyes.

The paper presents a block diagram of the laser meter model working at the wavelength of 355 nm. A pulse solid-state semiconductor Nd:YAG laser is used as a source of radiation. Radiation at the wavelength of 355 nm, safe for eyes, was received using a module for generating the third harmonics.

Experimental measurements of aerosol properties of the atmosphere were taken in the summer-autumn period at different time of day and night under various meteorological conditions. Experimental measurements defined the aerosol inhomogenuity properties of the atmosphere, i.e. a size of aerosol inhomogenuity and a variation coefficient of aerosol inhomogenuity.

Results of measurements show that the contrast of existential distributions of a variation coefficient of the atmosphere aerosol inhomogenuity strongly depends on the meteorological visibility range and abruptly decreases with its increase.

Another factor having strong impact on the contrast of the measured existential distributions of a variation coefficient of aerosol inhomogenuity is the background sunlight (causing the shot noise of the photo-electronic multiplier).

Results of multi-day measurements show that the averages size of recorded aerosol inho-mogeneity is ~ 5 m, however, simultaneously were also recorded both the inheterogeneity of the smaller size (1-2 m), and the inheterogeneity of the bigger size (up to 10 m). The average value of a variation coefficient of aerosol inheterogeneity could reach 8%.

References

1. Kozintsev V.I., Orlov V.M., Belov M.L., Gorodnichev V.A., Strelkov B.V. Optiko-elektronnye sistemy ekologicheskogo monitoringa prirodnoi sredy [Optical-electronic systems of environmental monitoring of the natural environment]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2002. 528 p. (in Russian).

2. Kobelev V.V. Lazernoe zondirovanie atmosfery [Laser sensing of the atmosphere]. Astro-physical Observatory of Belgorod State University: website. Available at: http://astro.bsu.edu.ru/lidar.htm , accessed 20.02.2015. (in Russian).

3. Burlakov V.D., Dolgiy S.I., Nevzorov A.V. A three-frequency lidar for sensing microstructure characteristics of stratospheric aerosols. Pribory i tekhnika eksperimenta, 2010, no. 6, pp. 125-130. (English translation: Instruments and Experimental Techniques, 2010, vol. 53, no. 6, pp. 890-894. DOI: 10.1134/S0020441210060230 ).

4. Volkov N.N. Choise of multiwave aerosol lidar parameters for remote atmosphere sounding. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optiki = Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2012, no. 1 (77), pp. 7-9. (in Russian).

5. Lazernye lidarnye kompleksy [Laser lidar complexes]. Scientific Production Enterprise "ADVENT": company website. Available at: http://www.adventspb.ru/science/6/ , accessed 20.02.2015. (in Russian).

6. NL200 series laser datasheet. EKSPLA: company website. Available at: http://www.ekspla.com/wp-content/uploads/2011/05/nl200-series-nanosecond-q-switched-diode-pumped-laser.pdf , accessed 20.05.2015.

7. Aksessuary dlya sbora izlucheniya i vvoda v volokno [Accessories for light collecting and entering into the fiber]. Solar Laser Systems: company website. Available at: http://solarlaser.com/ru/products/optsii-i-aksessuary/aksessuary-dlya-sbora-izlucheniya-i-vvoda-v-volokno/ , accessed 20.05.2015. (in Russian).

8. 355 nm MaxLine® laser clean-up filter. Semrock: company website. Available at: http://www.semrock.com/FilterDetails.aspx?id=LL01-355-12.5 , accessed 20.05.2015.

9. Hamamatsu. Photosensor module H7826-01. Hamamatsu: company website. Available at: http://www.hamamatsu.com/jp/en/product/category/3100/3003/3044/H7826-01/index.html , accessed 20.05.2015.

10. Hamamatsu. Photosensor module H10720-20. Hamamatsu: company website. Available at: http://www.hamamatsu.com/jp/en/product/category/3100/3003/3044/H10720-20/index.html

, accessed 20.05.2015.

11. 150 MHz, 200 MS/s, 12-Bit Digitizers - Data Sheet - National Instruments. National Instruments: company website. Available at: http ://sine.ni. com/ds/app/doc/p/id/ds-242/lang/ru , accessed 20.05.2015).

12. 2 GS/s High-Speed Digitizers: Optimized for Automated Test - Data Sheet - National Instruments. National Instruments: company website. Available at:

http://sine.ni.com/ds/app/doc/p/id/ds-253/lang/ru#header0 , accessed 20.05.2015.

13. NI PXIe - 5162 - Data Sheet - National Instruments. National Instruments: company website. Available at: http://sine.ni.com/ds/app/doc/p/id/ds-480/lang/ru , accessed 20.05.2015.

14. LabVIEW System Design Software. National Instruments: company website. Available at: http://www.ni.com/labview/ , accessed 20.05.2015.