CC BY
28
Наука й Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
1ЭЗМ
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 02. С. 70-86.
Б01: 10.7463/0217.0000927
Представлена в редакцию: 17.01.2017 Исправлена: 31.01.2017
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 551.501
Экспериментальные исследования статистических характеристик лазерных сигналов, регистрируемых аэрозольным лидаром на безопасной для глаз длине волны 0,355 мкм
Филимонов А.П.1'*, Иванов С.Е.1, УиШоЭ^уапакцц
Федотов Ю.В.1, Белов М.Л.1, Городничев В.А.1, Кувшинов А.В.1
:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Данная статья посвящена экспериментальному исследованию характеристик лидарных сигналов в безопасном для зрения ультрафиолетовом спектральном диапазоне. В статье приводятся результаты анализа статистических характеристик лазерных сигналов и аэрозольных неоднородностей атмосферы, регистрируемых аэрозольным лидаром на длине волны 0,355 мкм. Показано, что среднеквадратическое отклонение случайных вариаций лазерного сигнала обратного рассеяния, вызванных наличием аэрозольных неоднородностей на трассе зондирования, существенно больше, чем среднеквадратическое отклонение случайных вариаций сигнала, вызванных фоновой засветкой и шумами электронного тракта приемника лидара. Анализ одномерных зависимостей среднего значения и среднеквадратического отклонения коэффициента вариации объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы позволяет судить о присутствии или отсутствии атмосферных неоднородностей за некоторый период наблюдения.
Ключевые слова: лидар, безопасные для зрения лазерные длины волн, ультрафиолет, атмосфера, лазерное дистанционное зондирование
Введение
Импульсные лазерные локаторы (лидары), предназначенные для дистанционного зондирования атмосферы, позволяют осуществлять оперативный контроль характеристик аэрозоля и облачных образований в земной атмосфере [1-5].
В настоящее время большинство аэрозольных лидаров работают в видимом диапазоне и измеряют средние характеристики аэрозольной атмосферы. Однако, для практических приложений представляют интерес не только средние, но и статистические характеристики аэрозольных неоднородностей. При этом, наиболее перспективными спектраль-
ными диапазонами для лидаров являются спектральные диапазоны безопасные для зрения - ультрафиолетовый диапазон с длинами волн менее 0,38 мкм и ближний инфракрасный диапазон с длинами волн более 1,4 мкм [6,7].
На сегодняшний день публикаций о статистических характеристиках аэрозольных неоднородностей атмосферы в ультрафиолетовом спектральном диапазоне очень мало [8].
В статье приводятся новые результаты экспериментальных исследований статистических характеристик лазерных сигналов и аэрозольных неоднородностей атмосферы, регистрируемых аэрозольным лидаром на безопасной для глаз длине волны 0,355 мкм (для УФ диапазона наилучшим вариантом источника лазерного излучения является третья гармоника лазера на иттрий-алюминиевом гранате, активированном ионами неодима (ИАГ:Шлазера),
с длиной волны 0,355 мкм).
1. Макет лазерного измерителя характеристик аэрозольных неоднородностей атмосферы на длине волны 0,355 мкм
На рисунке 1 представлена структурная схема макета лазерного измерителя аэрозольных неоднородностей атмосферы на длине волны 0,355 мкм.
Источником излучения в макете служит импульсный твердотельный ИАГ:Кё лазер КЬ204 фирмы БКБРЬЛ [9]. Лазер выполнен в виде блока питания, включающего лазер накачки, и излучателя, состоящего из лазерной головки с длиной волны генерации 1,064 мкм, и модуля третьей гармоники 0,355 мкм.
Рис. 1 Структурная схема макета лазерного измерителя
Основные характеристики лазерного измерителя приведены в таблице 1 [9,10]. Таблица 1 - Основные характеристики макета лазерного измерителя
Характеристика Значение
Длина волны излучения, мкм 0,355
Мощность импульса лазера, мДж 1,3
Длительность лазерного импульса, нс 7
Полная расходимость лазерного пучка, мрад <3
Частота повторения импульсов, Гц 10-500
Фокусное расстояние объектива, мм 350
Относительное отверстие 1:2,6
Поле зрения приемной системы, мрад 4,3
Усилитель Hamamatsu 01194
Приемник излучения Hamamatsu Ш826-013
Приемный объектив лазерного измерителя расположен на юстировочной платформе, позволяющей изменять поворот и наклон оптической оси приемной оптической системы по отношению к оптической оси лазерного излучателя.
В качестве фотодетектора в макете использовался фотоэлектронный умножитель Hamamatsu Ш826-013 [10], а для преобразования регистрируемых сигналов в цифровой вид - высокоскоростных АЦП - дигитайзер (высокоскоростной АЦП) № PXI-5124.
Программное обеспечение для лазерного измерителя было разработано с использованием программы № LabVIEW [11,12].
При обработке данных измерений каждая реализация мощности Р^(г), принятого лазерного сигнала обратного рассеяния (рассеянного аэрозольной атмосферой) центрируется и нормируется на величину сглаженного среднего значения реализации сигнала. Это позволяет выделить из зарегистрированного обратно рассеянного (в сторону приемника лазерного измерителя) атмосферой сигнала относительные случайные вариации объемного коэффициента обратного рассеяния [13,14]:
Р (г)_- Р (г)_ Д (г) Р(г) ~ Д(г) ,
где г - текущее (для каждой реализации сигнала) расстояние от лидара до рассеивающего объема атмосферы; - пространственное распределение случайных вариаций объ-
емного коэффициента обратного рассеяния для ього зондирующего лазерного импульса лидара; Р(г^ - пространственное распределение среднего значения объемного коэффициента обратного рассеяния аэрозольной атмосферы; р(г) - реализация лазерного сиг-
нала обратного рассеяния от аэрозольной атмосферы для ього зондирующего лазерного
импульса лидара; Р(г) - среднее по серии зондирующих лазерных импульсов лидара
значение лазерного сигнала обратного рассеяния от аэрозольной атмосферы.
Среднеквадратическое значение величины относительных флуктуаций объемного
коэффициента обратного рассеяния _ ^ ^ называют коэффициентом вариации 8. Вели-
$(г)
чина 8 является характеристикой аэрозольных неоднородностей атмосферы.
2. Результаты обработки экспериментальных данных и их анализ
При исследовании статистических характеристик лазерных сигналов, регистрируемых аэрозольным лидаром, эксперименты проводились для трех режимов работы лидара (это позволило получить данные о влиянии шумов электронного тракта и дробового шума фоновой засветки на результаты измерений):
1) Объектив закрыт, лазер не работает - режим для учета влияния шумов электронного тракта;
2) Объектив открыт, лазер не работает - режим для учета влияния дробового шума фоновой засветки;
3) Объектив открыт, лазер работает - режим, в котором регистрируется лазерный сигнал обратного рассеяния от атмосферы. При этом для рассматриваемой задачи возможны два случая: когда аэрозольные неоднородности наблюдаются и когда они не наблюдаются.
Пример реализаций сигнала, регистрируемых приемником лидара в режимах 1) и 2) показан на рисунке 2. Здесь представлены вариации Р^(т) — Р(г) регистрируемых лазерных сигналов. На рисунке отчетливо видно, что когда объектив открыт дробовой шум, вызванный фоновой засветкой (из-за солнечного излучения, рассеянного атмосферным аэрозолем) существенно больше шумов электронного тракта приемника лидара.
ДЁПЬПОСГЬ,
Рис. 2. Реализации лидарных сигналов в режимах 1) и 2)
На макете лазерного измерителя проводилась регистрация неоднородностей аэрозольной атмосферы в виде двумерного поля в координатах "дальность - время", где время - соответствует времени измерения (наблюдения), а дальность - дальности от лидара до рассеивающего объема атмосферы (она измерялась по задержке приходящего на приемник лазерного импульса).
На рисунке 3 приведена зависимость среднеквадратичного отклонения случайных вариаций сигнала в зависимости от дальности за период измерения 40 с. На данном графике приведено СКО (среднеквадратическое отклонение) случайных вариаций сигнала в зависимости от дальности при закрытом и открытом объективе, а также СКО случайных вариаций сигнала обратного рассеяния.
Рис. 3 СКО случайных вариаций сигнала в зависимости от дальности до лидара. Синяя линия - СКО шума электронного тракта; красная - СКО дробового шума, вызванного фоновой засветкой; желтая - СКО
принимаемого сигнала обратного рассеяния.
Рисунок 3 показывает, что СКО случайных вариаций сигнала обратного рассеяния существенно больше (по крайней мере, для приведенных на рисунке дальностях), чем СКО случайных вариаций сигнала для дробового шума, вызванного фоновой засветкой, и СКО случайных вариаций сигнала для шума электронного тракта приемника лидара. Уменьшение СКО случайных вариаций сигнала обратного рассеяния на расстояниях более 100 м вызвано уменьшением принимаемого сигнала - сигнал обратного рассеяния в прозрачной атмосфере уменьшается с увеличением расстояния от лидара по квадратичному закону (скорректированному множителем Бугера в сторону большего уменьшения).
Анализ изменения СКО случайных вариаций сигнала позволяет судить о наличии аэрозольных неоднородностей в атмосфере. На рисунке 3 аэрозольные неоднородности практически не заметны, а на приведенных ниже рисунках 4 и 5 ярко выражены.
На рисунке 4 и 5 показаны примеры (по два на каждом из рисунков 4 и 5) зависимостей от дальности зондирования СКО случайных вариаций сигнала за 25 с наблюдения. Начальный криволинейный участок этих кривых соответствует границе перехода геометрического фактора лидара к уровню равному единице [8,14]. На этих рисунках можно увидеть, что неоднородности могут обладать различным контрастом и, как следствие, по-разному оказывать влияние на СКО случайных вариаций сигнала.
Рис. 4 Примеры зависимости СКО случайных вариаций сигнала от дальности зондирования.
Синяя кривая - №1, красная - №2
Рис. 5 Примеры зависимости СКО случайных вариаций сигнала от дальности зондирования.
Синяя кривая - №3, красная - №4
Регистрация реализаций лазерного сигнала обратного рассеяния позволяет выделить из зарегистрированного обратно рассеянного атмосферным аэрозолем сигнала относи-
Й (г)
тельные флуктуации объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы ■=-.
Двухмерное (время - дальность до рассеивающего объема атмосферы) поле принятого сигнала в процессе обработки обрезается по дальности, при этом отсекаются начальный участок (из-за сложного характера сигнала для используемой биаксиальной схемы зондирования) и конечный участок (на котором отношение сигнал/шум недостаточно для измерений с допустимой погрешностью). Полученное двумерное поле используется для оценки статистических характеристик относительных флуктуаций объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы (коэффициента вариации объемного коэффициента
~ (Г )
обратного рассеяния атмосферы) _ .
На рисунках 6 - 9 показан пример двумерного поля коэффициента вариации объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы и результаты его обработки. Рисунок 6 - исходное (без фильтрации) двумерное поле коэффициента вариации. Рисунки 7а и 7б -двумерные поля коэффициента вариации после операции фильтрации (рисунок 7а -функция фильтрации wden пакета МайаЬ с использованием вейвлета 'ёЬ8', рисунок 7б -фильтр скользящего среднего с окном усреднения 4,2 м по дальности и 0,14 с по времени).
15» гаи МО 1Ш 15(1 «и паи ис оио
Дальность, м
Рис.6. Исходное (без фильтрации) двумерное поле коэффициента вариации
Рис.7. Двумерное поле коэффициента вариации после операции фильтрации
Рисунок 8 - одномерная реализация (для некоторого момента зондирования) исходного (без фильтрации) двумерного поля коэффициента вариации, а рисунки 9а и 9б -одномерные реализации (для того же самого момента зондирования) двумерных полей коэффициента вариации после операции фильтрации.
а
б
!й№ Лии лзи зм 44а та 55п ис-
П:пьнпсп,. м
Рис.8. Одномерная реализация исходного двумерного поля коэффициента вариации
Из рисунков 6 - 9 хорошо видно, что использование исходных данных (без фильтрации) не позволяет с уверенностью сделать заключение о присутствии или отсутствии аэрозольных атмосферных неоднородностях на зарегистрированном двумерном поле (или на одномерной реализации). Фильтрация двумерного поля во многом снимает эту проблему - на двумерном поле после фильтрации (или на одномерной реализации) аэрозольные атмосферные неоднородности отчетливо обнаруживаются (в виде высококонтрастных не-однородностей на двумерном поле или отчетливых выбросов на одномерной реализации ). Однако, для надежного решения задачи о присутствии или отсутствии атмосферных неод-нородностей за некоторый период наблюдения необходимо использовать довольно громоздкие алгоритмы обработки двумерных полей.
Более простым решением является анализ одномерных зависимостей статистических характеристик объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы.
На рисунках 10 -12 показаны зависимости среднего значения и СКО коэффициента вариации объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы (усреднение проводилось по времени наблюдения 5 с по двумерным полям) от дальности до лидара. Рисунок 10 соответствует исходному полю без фильтрации (рисунок 6), рисунки 11 и 12 - соответствуют исходным полям после фильтрации (рисунки 7а и 7б, соответственно).
Ü
1M SM Sic 340 ISO 4M 4-SÜ 50ft bSÜ ÜÜU
Для ьыость м
б
Рис.9. Одномерная реализация двумерного поля коэффициента вариации после фильтрации
0.1М
на 200 3 Мб 350 ПОП 4Я1 500 5И ПОИ
Д.чщ.нот, ы
б
Рис.10. Зависимость характеристик коэффициента вариации от дальности для исходного поля
Рис.11. Зависимость характеристик коэффициента вариации от дальности для поля 7а
а
б
afli
1U ÜüD IM 30D 3£f> iLlil Aiiti HC SH ЬОС
Дальность, м
а
e|-1-1-1-1-1-1-1-1-1
150 IM ISO Mi 350 4W ¿50 MO SSO «DO
.Дальность, м
б
Рис.12. Зависимость характеристик коэффициента вариации от дальности для поля 7б
Рисунки 10 - 12 показывают, что анализ одномерных зависимостей среднего значения и СКО коэффициента вариации объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы позволяет уверенно судить (выделяю большие протяженные выбросы в этих зависимо-
стях) о присутствии или отсутствии атмосферных неоднородностей за некоторый период наблюдения.
Заключение
Статья посвящена экспериментальному исследованию характеристик лидарных сигналов в безопасном для зрения ультрафиолетовом спектральном диапазоне. Приводятся результаты анализа статистических характеристик лазерных сигналов и аэрозольных неоднородностей атмосферы, регистрируемых аэрозольным лидаром на безопасной для глаз длине волны 0,355 мкм. Показано, что среднеквадратическое отклонение случайных вариаций лазерного сигнала обратного рассеяния, вызванных наличием аэрозольных неоднородностей на трассе зондирования, существенно больше, чем среднеквадратическое отклонение случайных вариаций сигнала, вызванных фоновой засветкой или шумами электронного тракта приемника лидара. Анализ одномерных зависимостей среднего значения и среднеквадратического отклонения коэффициента вариации объемного коэффициента обратного рассеяния атмосферы позволяет принимать решение о наличии атмосферных не-однородностей за некоторый период наблюдения.
Список литературы
1. 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.
2. Лазерные лидарные комплексы. Режим доступа: http://www.adventspb.ru/science/6/ (дата обращения 20.10.2016).
3. Лазерное зондирование атмосферы. Режим доступа: http://archive.li/UZIM (дата обращения 20.10.2016).
4. Волков Н.Н. Выбор параметров многоволнового аэрозольного лидара для дистанционного зондирования атмосферы // Науч.-техн. вестник Санкт-Петербургского гос. унта информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 1 (77). С. 7-9.
5. Аэрозольный лидар CATS. Режим доступа: http://www.laserportal.ru/content 956 (дата обращения 20.10.2016).
6. ГОСТ 31581-2012. Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий. Введ. 2015-01-01. М.: Стандартинформ, 2013. 19 с.
7. Белов М.Л., Городничев В.А., Кравцов Д.А., Черпакова А.А. Выбор безопасных для зрения длин волн излучения в УФ и ближнем ИК спектральных диапазонах для задач дистанционного зондирования // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 2. С. 105-122. DOI: 10.7463/0216.0832497
8. Корреляционные методы лазерно-локационных измерений скорости ветра / Г.Г. Матвиенко, Г.О. Задде, Э.С. Фердинандов, Колев И.Н., Аврамова Р.П. Новосиб.: Наука, 1985. 223 с.
9. NL200 Series: Compact Q-switched DPSS Laser. Режим доступа: http://www.ekspla.com/wp-content/uploads/2011/05/nl200-series-nanosecond-q-switched-diode-pumped-laser.pdf (дата обращения 20.10.2016).
10. Photosensor module H7826-01. Режим доступа: http://www.hamamatsu.com/eu/en/product/category/3100/3003/3044/H7826-01/index.html (дата обращения 20.10.2016).
11. LabVIEW System Design Software. Режим доступа: http://www.ni.com/labview/ (дата обращения 20.06.2015).
12. Тревис Дж. LabVIEW для всех: пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2004. 537 с. [Travis J. LabVIEW for everyone. 2nd ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2002. 589 p.].
13. Белов М.Л., Иванов С.Е., Городничев В.А., Стрелков Б.В. Лазерный дистанционный метод измерения порывов атмосферного ветра // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 2014. № 2. С. 40-52.
14. Основы импульсной лазерной локации / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов, Городничев В.А., Стрелков Б.В. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ, 2010. 573 с.
Science ¿Education
of the Bauman MSTU
El
tft
tronic journa
iSSH 1994-0408
/
Science and Education of the Bauman MSTU, 2017, no. 02, pp. 70-86.
DOI: 10.7463/0217.0000927
Received: 17.01.2017
Revised: 31.01.2017
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Experimentally Researched Statistical Characteristics of Aerosol Lidar-Recorded Laser Signal at the Eye-Safe Wavelength of 0.355 ^m
P.A. Filimonov1'*, S.E. Ivanov1, Y.V. Fedotov1, ''pauiiniogigiyandexju
M.L. Belov1, V.A. Gorodnichev1, A.V. Kuvshinov1
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: lidar, eye-safe laser wavelengths, ultraviolet, atmosphere, laser remote sensing
To date the developed and newly created laser systems (radar, range finding, altimetry, etc.) use (to ensure eye safety) the infrared (> 1.4 |J.m) range. At the same time, an ultraviolet range is of interest too. The most promising here is a wavelength of 0.355 |J.m (third harmonic of a YAG laser: Nd +3), since the atmospheric ozone absorption is still low (in the spectral range of 0.25 - 0.38 |J.m ozone absorption is increased with decreasing wavelength).
The paper presents an experimental study of the statistical characteristics of lidar signals at the eye-safe wavelength of 0.355 p.m. As the statistical characteristics, were used a mean value and a standard deviation of lidar signal.
Aerosol inhomogeneity available in the atmosphere has impact on the statistical characteristics of the received signal. Thus, the analysis of these characteristics allows us to view that in the atmosphere there is aerosol inhomogeneity. The article shows that the standard deviation of the signal caused by inhomogeneity is much higher than the standard deviation caused by the shot noise of signal and background as well as by the noise of electronic circuit.
The article gives examples of the field of a coefficient of variations. After filtration the field also permits viewing the available atmospheric inhomogeneity of the backscattered signal.
References
1. Burlakov V.D., Dolgij S.I., Nevzorov A.V. A three-frequency lidar for sensing microstructure characteristics of stratospheric aerosols. Instruments and Experimental Techniques, 2010, vol. 53, no. 6, pp. 890-894. DOI: 10.1134/S0020441210060230
2. Lazernye lidarnye kompleksy [Laser lidar complexes]. Available at: http://www.adventspb.ru/science/6/, accessed 20.10.2016 (in Russian).
3. Lazernoe zondirovanie atmosfery [Laser sensing of the atmosphere]. Available at: http://archive.li/UZIM. accessed 20.10.2016 (in Russian).
4. Volkov N.N. Choice of multiwave aerosol lidar parameters for remote atmospheric sounding. Nauchno-tekhnicheskij Vestnik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta informatsionnykh tekhnologij, mekhaniki i optiki [Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics], 2012, vol. 12, no.1, pp. 6-9 (in Russian).
5. Aerosol'nyj lidar CATS [Aerosol lidar CATS]. Available at: http://www.laserportal.ru/content 956, accessed 20.10.2016 (in Russian).
6. GOST 31581-2012. Lazernaia bezopasnost'. Obschie trebovaniia bezopasnosti pri razrabotke i ekspluatatsii lazernykh izdelij [Laser safety. General safety requirements for development and operation of laser products]. Moscow: Standartinform Publ., 2013. 19 p. (in Russian).
7. Belov M.L., Gorodnichev V.A., Kravtsov D.A., Cherpakova A.A. Choice of eye-safe radiation wavelength in UV and near IK spectral bands for remote sensing. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2016, no. 2, pp. 105-122. DOI: 10.7463/0216.0832497
8. Korreliatsionnye metody lazerno-lokatsionnykh izmerenij skorosti vetra [Correlation methods of laser radar measurements of wind velocity] / G.G. Matvienko, G.O. Zadde, E.S. Ferdinandov, I.N. Kolev, R.P. Avramova. Novosibirsk: Nauka Publ., 1985. 223 p. (in Russian).
9. NL200 Series: Compact Q-switched DPSS Laser. Available at: http://www.ekspla.com/wp-content/uploads/2011/05/nl200-series-nanosecond-q-switched-diode-pumped-laser.pdf, accessed 20.10.2016.
10. Photosensor module H7826-01. Available at: http://www.hamamatsu.com/eu/en/product/category/3100/3003/3044/H7826-01/index.html, accessed 20.10.2016.
11. LabVIEW System Design Software. Available at: http://www.ni.com/labview/, accessed 20.06.2015.
12. Travis J. LabVIEW for everyone. 2nd ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2002. (Russ. ed.: Travis J. LabVIEWdlia vsekh. Moscow: DMK Press, 2004. 537 p.).
13. Belov M.L., Ivanov S.E., Gorodnichev V.A., Strelkov B.V. Laser remote method for measuring gusts of atmospheric wind. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser.: Priborostroenie [Herald of the Bauman MSTU. Instrument Engineering], 2014, no. 2, pp. 40-52 (in Russian).
14. Osnovy impul'snoj lazernoj lokatsii [The basics of pulsed laser location] / V.I. Kozintsev, ML. Belov, V.M. Orlov, V.A. Gorodnichev, B.V. Strelkov. 2nd ed. Moscow: MGTU Publ., 2010. 573 p. (in Russian).
