книги из ГПНТБ / Зуев, В. Е. Лазер-метеоролог

различную зависимость от длины волны излучения (пер­ вый обратно пропорционален четвертой, а второй— при­ мерно первой степени длины волны), можно найти такие длины волн лазерного излучения, при которых можно пре­ небречь одним видом рассеяния по сравнению с другим.

Анализ показывает, что необходимым требованием могут удовлетворить следующие лазеры: генератор на флюорите с диспрозием (длина волны излучения Х = = 2,36 мкм); генераторы на второй гармонике рубино­ вого лазера (7,=0,3472 мкм); на третьей и четвертой гармониках лазера на стекле или иттрий-алюминиевом гранате (А=0,3533 мкм или А=0,2650 мкм) и газовый лазер на молекулярном азоте (А,=0,3371 мкм). Приве­ дем данные о коэффициентах аэрозольного и молеку­ лярного рассеяния для первой из этих длин волн. Для примера возьмем приземный слой атмосферы, замутнен­ ной частицами с наиболее вероятными значениями па­ раметров микроструктуры при видимости 10 км. В этом случае коэффициенты аэрозольного и молекулярного рассеяния соответственно равны 7 • 10-2 и 6 • 10—5 км-1 (см. табл. 2 и 6), т. е. различаются примерно в 1000 раз. Далее весь слой атмосферы ослабляет излучение с дли­ ной волны 2,36 мкм за счет молекулярного рассеяния всего примерно на 0,03%' (см. табл. 3). Такое ослабле­ ние невозможно зарегистрировать лучшими современ­ ными приборами при измерениях в реальной атмосфере. Приведенные цифры показывают, что при зондировании атмосферы лазером на флюорите с диспрозием мы с большой точностью можем пренебречь вкладом в эхосигнал, обусловленным молекулярным рассеянием. Прак­ тически мы будем измерять чистые аэрозольные эхосигналы. Величина этих сигналов должна быть пример­ но того же порядка, что и при зондировании лазером на рубине, хотя коэффициент аэрозольного рассеяния для длины волны 2,36 мкм в несколько раз меньше, чем для излучения генератора на рубине. Это объясняется тем, что для длины волны 2,36 мкм коэффициент асим­ метрии индикатрисы рассеяния меньше и объемный ко­ эффициент обратного рассеяния оказывается соответ­ ственно больше.

Коэффициент молекулярного рассеяния для длины волны 0,3371 мкм в 27 раз больше, чем для лазера на ру­ бине, в то время как соответствующая разница в коэф-

90

фнциентах аэрозольного рассеяния примерно равна двум. Таким образом, зондируя атмосферу генератором на молекулярном азоте, мы получаем эхо-снгналы, глав­ ным образом обусловленные молекулярным рассеянием, тем более что уменьшение длины волны более чем в 2 раза приводит к соответствующему уменьшению вкла­ да в эхо-сигнал, обусловленного аэрозольным рассеянием за счет увеличения вытянутости индикатрисы рассеяния по направлению вперед (ем. выше). Аналогичная кар­ тина должна наблюдаться для лазера на второй гармо­ нике рубинового генератора, на третьей и тем более на четвертой гармониках лазеров на стекле или иттрийалюминиевом гранате.

Перейдем далее к параметрам рассматриваемых ла­ зеров. В генераторе на флюорите с диспрозием, лучший образец которого создан в лаборатории академика А. М. Прохорова [35] в настоящее время уже получены исклю­ чительно интересные, с точки зрения зондирования ат­ мосферы, параметры, а именно: мощность в импульсе порядка 1 МВт, длительность импульса 40 нс, повторяе­ мость порядка 1000 имп/с. Газовый лазер на молекуляр­ ном азоте (зарубежный коммерческий вариант) пока имеет значительно более скромные параметры: мощность в импульсе 100 кВт, длительность импульса 10 нс и пов­ торяемость 100 имп/с, однако в настоящее время ведется интенсивная работа, направленная на увеличение мощ­ ности этого генератора. Генераторы на второй гармонике рубинового лазера и на третьей и четвертой гармониках лазеров на стекле и иттрий-алюминиевом гранате могут иметь мощность в импульсе, отличающуюся от ее зна­ чения у основного излучения в несколько раз.

Одновременное использование рассмотренных выше длин волн лазерного излучения должно не только обес­ печить разделение регистрируемого эхо-сигнала лазер­ ного импульса на компоненты, но и позволить осущест­ вить решение задачи определения концентрации и спектра размеров частиц атмосферных аэрозолей. Соот­ ветствующие математические алгоритмы однозначного решения этой задачи в последнее время успешно разра­ батываются рядом групп, в том числе в Институте оп­ тики атмосферы СО АН СССР [36].

Измерение наклонной и горизонтальной прозрачности атмосферы с помощью лазеров. Как уже отмечалось при

91

интерпретации уравнения лазерной локации, входящая в это уравнение величина прозрачности атмосферы мо­ жет быть определена та результатов посылки лазерных импульсов под различными углами к горизонту. Отме­ тим, что определение прозрачности атмосферы важно' само по себе. Поэтому разработка любого нового метода: количественной оценки прозрачности атмосферы, осо­ бенно когда речь идет о наклонной прозрачности и про­ зрачности на различных высотах в горизонтальном на­ правлении, представляет большой практический интерес.

К настоящему времени предложен ряд методов изме­

из них, которые основаны на измерении эхо-сигналов обратного рассеяния на частицах аэрозолей и молеку­ лах. Один из первых методов был предложен Кано [37]. Его сущность заключается в следующем.

В случае если оптические свойства атмосферы из­ меняются только в вертикальном направлении, при ла­ зерном зондировании атмосферы под различными уг­ лами к горизонту оказывается возможным определить профиль объемного коэффициента рассеяния. В самом деле, если атмосфера однородна в горизонтальных пло­ скостях, тогда уравнение лазерной локации, записанное для двух любых углов зондирования, будет отличаться только членом, описывающим прозрачность атмосферы.

01 и 02.

Поскольку при зондировании одним импульсом мы получаем непрерывную кривую эхо-сигнала в каждом из зондируемых направлений, постольку, пользуясь приве­ денной формулой, мы можем найти коэффициенты а(Х) для любой высоты и тем самым решить вопрос о проз­ рачности атмосферы для излучения с данной длиной волны как по наклонным, так и по горизонтальным на­ правлениям.

92

Второй метод измерения прозрачности атмосферы с помощью лидара предложен Фернальдом [38]. Ом осно­ ван на предположении, согласно которому спектр раз­ меров частиц не изменяется по ходу луча, концентрация же частиц может принимать любые значения. При ука­ занном предположении из уравнения лазерной локации получается выражение для аэрозольной составляющей прозрачности слоя атмосферы между лидаром и зонди­ руемым объемом, в которое входит отношение объемного коэффициента обратного рассеяния к объемному коэф­ фициенту рассеяния. Для указанного отношения полу­ чено трансцендентное управление, которое решается чис­ ленным способом, если входящая в него величина проз­ рачности всей толщи атмосферы определена из других измерений, например с помощью стандартных радиомет­ рических методов.

Наиболее простой метод измерения прозрачности ат­ мосферы с помощью лидаров основан на предположении о постоянстве отношения объемного коэффициента обрат­ ного аэрозольного рассеяния к объемному коэффициен­ ту рассеяния. Проведенные в ряде групп измерения этого отношения обнаружили хорошую корреляционную связь между указанными коэффициентами. Тем не менее полу­ ченных данных совершенно недостаточно, чтобы можно было ответить на вопросы, где и с какой точно­ стью можно считать выполненным указанное предполо­ жение и каким следует брать значение отношений коэф­ фициентов, чтобы из измеренного профиля объемного ко­ эффициента обратного рассеяния определить профиль объемного коэффициента рассеяния и, следовательно, прозрачность атмосферы между любыми двумя точками.

Кроме рассмотренных выше .методов, разрабатыва­ ется ряд других. В одном из них предполагается исполь­ зовать для измерения прозрачности атмосферы дефор­ мацию импульса (эта идея будет более подробно рас­ смотрена в следующей главе); в другом методе зондиро­ вание атмосферы предлагается проводить непрерывным модулированным излучением лазера; в основе третьего лежит идея измерения импульсов лазерного излучения, прошедших путь от источника излучения к отражателю с известными свойствами и обратно.

Мы не считаем целесообразным более подробно ос­ танавливаться ни на одном из указанных выше методов,

93

поскольку к настоящему времени еще не накоплен до­ статочный материал, из анализа которого можно было бы сделать определенное заключение о преимуществах или недостатках какого-либо из них. Тем более что, повидимому, наиболее перспективный метод определения прозрачности атмосферы с помощью лазеров связан с использованием явления комбинационного рассеяния света. Сущность этого метода заключается в следующем. Пр;и посылке в атмосферу лазерного импульса опреде­ ленной частоты излучения мы получаем, как это уже го­ ворилось, эхо-сигнал с той же частотой за счет моле­ кулярного и аэрозольного рассеяния и, кроме того, на несколько порядков более слабый сигнал, обусловленный явлением комбинационного рассеяния.

Сечения комбинационного рассеяния для таких га­ зов, как азот ;и кислород, хорошо известны, поэтому для любого направления зондирования для конкретного от­ калиброванного лидара заранее можно определить ве­ личины эхо-сигналов, вызванных только комбинацион­ ным рассеянием на молекулах N2 или Ог. Такие эхосигналы соответствуют условиям чистой незамутненной атмосферы.

Сравнивая величины эхо-сигналов, полученных при измерениях в реальных условиях, с их значениями для незамутненной атмосферы и учитывая, что этот азот и кислород перемешаны, без большого труда можно по­ лучить данные о прозрачности атмосферы для длин волн излучения, соответствующих комбинационным частотам азота и кислорода. Если для зондирования использо­ вать различные длины волн лазерных импульсов, то с помощью описанного метода можно получить данные о спектральной прозрачности атмосферы, поскольку лидар регистрирует или сумму, или разность зондирую­ щей и комбинационной частот.

Попутно заметим, что одновременные измерения эхо-' сигналов на основной и комбинационной частотах обес­ печивают решение такой важной задачи лазерного зон­ дирования атмосферы, как задача разделения эхо-сиг­ нала на составляющие, обусловленные аэрозольным и молекулярным рассеянием.

К недостаткам этого метода следует отнести его не очень высокую чувствительность, связанную с малыми значениями сечения комбинационного рассеяния, его

94

бесспорное преимущество — абсолютный характер. Бо­ лее подробно вопрос об использовании явления комбина­ ционного рассеяния света для зондирования различных атмосферных параметров будет рассмотрен ниже.

ЛАЗЕРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ОБЛАКОВ И ТУМАНОВ

Лазерное зондирование облаков и туманов, по-види­ мому, быстрее будет внедрено в практику, чем зондиро­ вание других параметров атмосферы. Это прежде всего связано с тем, что отраженные от облаков и туманов эхо-сигналы имеют большие значения. Следовательно, можно получать данные об облаках и туманах с по­ мощью лидеров с относительно скромными параметрами. Кроме того, частицы капельножидких облаков и тума­ нов имеют сферическую форму, показатель преломления которых известен. Таким образом, из четырех микроструктурных параметров два известны заранее, что су­ щественно облегчает решение соответствующей обрат­ ной задачи, поскольку неизвестными остаются только спектр размеров и концентрация частиц.

Перечислим задачи, которые решаются или вполне могут решаться при лазерном зондировании облаков уже в настоящее время: 1) высокоточное измерение нижней границы облаков и исследования ее простран­

серебристые облака) или средней и большой плотности, но малой вертикальной протяженности (порядка не­ скольких сотен метров); 3) определение высоты облака сквозь выпадающие из него осадки; 4) измерение высо­ ты вершим удаленных облаков; 5) измерение нижней границы и вертикальной протяженности облаков верх­ него яруса через разрывы в облаках нижнего или сред­ него ярусов; 6) качественное исследование динамики зарождения и развития облака; 7) качественные иссле­ дования пространственной структуры облаков и ее из­ менчивости; 8) определение объемных коэффициентов рассеяния и водности нижней части мощных облаков п во всей толще облаков малой плотности.

Исследования протяженности и динамики. Наиболее интересные результаты непосредственного использова-

95

пня лазеров для зондирования облаков (рис. 35) полу­ чены группой Коллпеа [39] п в Центральной аэрологиче­ ской обсерватории [40, 41].

На рис. 35 в нижней части показан профиль мест­

Рис. 35. Вертикальным разрез облачных слоев ма­ лой плотности (Cs), полученный при лазерном зондировании группой Коллпеа.

углами в вертикальной плоскости, совпадающей с на­ правлением ветра, находился на высоте 1370 м над ур. м. При посылке одного импульса излучения было получено 2, 4 или 6 точек, определяющих нижнюю и верхнюю границы одного, двух или трех слоев облака. Максимальная протяженность просвеченного одним ла­

96

imi'o зондирования Для определения крупномасштаб­ ных волн в атмосфере по форме облачных слоев, про­ тяженность которых полностью регистрируется с по­ мощью лидара. На рис. 35 хорошо прослеживается волнообразное строение исследуемых облачных слоев и динамика их изменения со временем. Результаты, ана­ логичные представленным на этом рисунке, были по­ лучены также для не очень плотных слоев Ас на высо­ тах 3—4 км.

Основные параметры лпдаров, которые (использова­ лись группой Коллиса для зондирования вертикальной и горизонтальной протяженности облачных слоев малой

Как видим, лидар с относительно скромными пара­ метрами позволяет детально исследовать пространст-

вепно-времениую структуру облаков малой плотности. Та­ кой же вывод был сделан из результатов зондирования туманов, проведенных автором с сотрудниками при ис­ пользовании лидара с еще более скромными парамет­ рами, чем приведенные в табл. 7.

Группой проф. Е. Г. Швидковского из Центральной аэрологической обсерватории проведены серии зондиро­ вания облаков различных типов с помощью лидара на основе рубинового лазера мощностью и длительностью импульса излучения 2 МВт и 30 нс соответственно, ча­ стотой повторения 6 имп/мин, углом расходимости излу­ чения 20'. Приемная система лидара имела диаметр 10 см и угол поля зрения около 50'. Полоса пропускания использовавшегося интерференционного фильтра была равна 17 А. Лидар был откалиброван и мог измерять эхо-сигналы в ваттах.

Предполагая, что спектр размеров частиц зондируе­ мых облаков известен (в качестве функции распределе­ ния частиц по размерам взято гамма-распределенне с наиболее вероятными значениями параметра полушири­ ны \1 — 2 и наивероятнейшего радиуса г = 5 мкм) и что в эхо-сигнал вносят вклад только однократно рас­ сеянные облаком фотоны, авторы получили зависимости объемных коэффициентов рассеяния от высоты в облаке. Зондирования проведены для кучевых и слоисто-кучевых облаков.

В пределах сделанных предположений из результа­ тов зондирования нетрудно было определить профиль водности и концентрацию частиц облаков.

Следует отметить, что полученные на основе указан­ ных предположений данные о профилях объемных ко­ эффициентов рассеяния, водности и концентрации частиц не могут претендовать на достаточно точное количест­ венное описание реальной картины явления. Их основ­ ная ценность состоит в показе факта возможности зон­ дирования параметров облаков с помощью лидара с весьма скромными параметрами.

Исследования объемных коэффициентов рассеяния. Одной из важнейших оптических характеристик обла­ ков и туманов является объемный коэффициент рассея­ ния. Определить его при лазерном зондировании обла­

98

2) по деформации импульса излучения при отражении от облачных 'Слоев, 3) по деполяризации излучения, рас­ сеянного под различными углами, 4) по измеренной ин­ дикатрисе рассеяния.

О б ъ е м н ы й к о э ф ф и ц и е н т о б р а т н о г о р а с- с е я ния . Как уже неоднократно подчеркивалось, ин­ формацию об объемном коэффициенте рассеяния из ре­ зультатов измерений отраженных облаками и туманами эхо-сигналов лазерных импульсов можно получить толь­ ко в том случае, когда мы знаем отношение объемного коэффициента обратного рассеяния к объемному коэф­ фициенту рассеяния. Это отношение однозначно опреде­ ляется индикатрисой рассеяния, которая в свою очередь однозначно определяется спектром размеров частиц.

Совершенно ясно, что если учесть все возможные спектры размеров частиц облаков и туманов, то получим значительное многообразие индикатрис рассеяния и со­ ответствующие ему диапазоны изменения отношения объемных коэффициентов обратного рассеяния к объем­ ным коэффициентам рассеяния. Если же ограничиться только наиболее вероятными значениями параметров микроструктуры облаков и туманов различных типов, тогда диапазон изменения отношения указанных коэф­ фициентов существенно сужается. Проведенные автором с сотрудниками [42] расчеты, а также расчеты других исследователей показывают, что отношения объемных коэффициентов обратного рассеяния к объемным коэф­ фициентам рассеяния различных типов облаков и ту­ манов с наиболее вероятными параметрами микрострук­ туры варьируют в небольших пределах. Для иллюстра­ ции сказанного в табл. 8 приведены данные соответству­ ющих расчетов, выполненных Кэриером и др. [43] в 1967 г.

Как видно из табл. 8, отношения объемных коэффи­ циентов обратного рассеяния к объемным коэффициен­ там рассеяния для всех рассмотренных типов облаков отличаются друг от друга не более чем на 30%. Если же отбросить данные по St I, тогда различие не выйдет за пределы 10—15%. Если в дальнейшем подтвердятся эти цифры, то из отраженного эхо-сигнала можно будет получать данные об объемном коэффициенте рассеяния.

Следует подчеркнуть, что при реальном эксперимен­ те по лазерному зондированию облаков и туманов в