Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

3.Зарегистрированный лазерныйсигналискажаетсяприёмной аппаратурой.

Для преодоления этих трудностей приходится пользоваться очень сложной (и очень дорогой!) аппаратурой. Тем не менее, лазерное зондирование атмосферы имеет следующие несомненные преимущества.

1.Дистанционностьзондирования.Возможнополучениеинформации

ослоях атмосферы на удалении несколько десятков и даже сотен километров.

2.Протяженность зондируемого участка может, как уже было сказано, достигать 1м именее. Такимобразом,зондированиеможнопроводить с очень высокой разрешающей способностью.

3.Время получения обратного сигнала измеряется миллисекундами или менее. Следовательно, лазерноезондированиеявляетсябезинерционным методом измерения.

4.Возможен глобальный мониторинг атмосферы спомощьюлазерного зондирования с искусственных спутников. Это может сильно снизить информационную значимость метеорологической наземной сети.

Лазерныеустановкидляметеорологическогозондированияполучили название лидаров. Лидар включает в себя лазер, оптические элементы для направления лазерного излучения, вогнутое зеркало для приёма отражённогосигнала, фотоприёмник (он обычнопомещаетсяв фокусевогнутогозеркала)и аппаратурудляанализаотраженногосигнала,например, спектрофотометр. Крометого,лидарсодержитэлектронныеблоки определениявремени (сточностью до долей наносекунды) и формирования выходных сигналов, например, приведениекцифровомувиду.

Теперь рассмотрим основные физические принципы зондирования атмосферных параметров.

1.Лазерное зондирование аэрозолей. Эта задача технически наибо-

леепростая,таккакотраженный аэрозолями сигналдостаточносильный. Отраженный сигналзависит от размеров аэрозолей, иххимических свойств и концентрации (количества частиц в единицеобъёма). Всеэти параметры могут быть определены путём решения обратной задачи. Проблема состоит в правильном выборе длины волны лазерного излучения – излучение должно хорошо отражаться аэрозолями и плохо поглощаться атмосферными газами.

2.Зондирование атмосферных газов. Эта задача технически нам-

ного труднее, так как сигнал, отраженный молекулами газов, примерно в тысячуразслабеесигнала,отраженногоаэрозолями. Выделениеполезно-

281

го сигнала на фоне помех создает дополнительные трудности. Тем не менее, высокая энергиялазерногоизлучениядаёт возможность получить сигнал, достаточнохорошорегистрируемый чувствительными светоприёмниками. Длязондированияатмосферных газов можновоспользоваться методом комбинационного рассеяния света (КРС). Сущность его сос-

тоит в том, что световое излучение, рассеянное молекулами, не является монохромным. Помимо основной частоты рассеянное излучение содержит двеспутниковыечастоты:n1 иn2. Таким образом, спектр рассеянного излучения имеет вид, изображенный на рис. 10.2.

ν0

ν1 ν2

νν

Рис. 10.2. Спектр рассеянногоизлучения

Разность частот = 2 - 0 зависит от химической природы молекулы газа. Таким образом, определив величину , можно определить, какой газсодержитсяв зондируемомобъеме. Яркость спутниковых линий несет информацию о количестве рассеивающего газа.

Реализация метода КРС для метеорологического зондирования сопряжена с большими трудностями. Если яркость основной линии мала, то яркость спутниковых линий ещёгораздо меньше. Кроме того, атмосфера представляет собой смесь различных газов, спектры которых накладываются друг на друга. Обязательным требованием является прозрачность нижележащих слоеватмосферы какдляосновной, таки дляспутниковых линий. Соблюдениеэтоготребованияочень затрудняет выбор длины волны зондирующего сигнала. К счастью, в настоящее время существуют лазеры с перестраиваемой длиной волны. Это даёт возможность вести зондированиеразличных газов на различных частотах.

282

3.Лазерное зондирование скорости ветра и турбулентности.

Для решения этой задачи применяются методы, использующие эффект Допплера при отражении лазерноголучааэрозолями. Однуизсхем лазерного допплеровского измерителя скорости (ЛДИС) мы рассматривали в главе 3, раздел 3.5.

4.Лазерное зондирование влажности. Для этой задачи также при-

меняется метод КРС, причём определяется количество водяного пара.

5.Лазерное зондирование атмосферного давления. Определение давления сводится к определению содержания какого-либо широко распространенногов атмосферегаза, например, азотаили кислорода. Эта задача может быть решена методом КРС при зондировании одного из этих газов.

6.Лазерное зондирование температуры. Измерение температуры

спомощьюлазера являетсяодной из самыхсложныхзадачи требуеточень чувствительной аппаратуры. При этом применяется всё тот же метод КРС, причем зондирование опять-таки ведется для известных газов – азота или кислорода.При повышениитемпературыгаза скоростьмолекул возрастает. Следовательно, возникает расширение спектральной линии отраженногосигнала засветявленияДоплера.Такимобразом,ширинаспектральной линии может служить мерой температуры газа.

Если яркость спутниковых линий J1 и J2 не зависит от температуры, тоотношениеяркостейJ1/J2 зависитоттемпературы.Этазависимостьочень слабая, по-этому измерение J1 и J2 должно проводиться с очень высокой точностью очень чувствительной аппаратурой. Тем не менее, в настоящее время созданы опытные установки, позволяющие измерять температуру воздуха с точностью до 10 - 1,50 на расстоянии до 1,5 км.

283

ЛИТЕРАТУРА

1.Качурин Л.Г. Методы метеорологических измерений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 456 с.

2.Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. - Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 392 с.

3.Приборы и установки для метеорологических измерений на аэродромах. Под ред. Афиногенова Л.П. и Романова Е.В. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 295 с.

4.Матвеев Л.Т. Курсобщей метеорологии. Физика атмосферы. Л.:Гидрометеоиздат, 1984. - 751 с.

5.Коровин В.П., Тимец В.М. Методы и средства гидрометеорологических измерений. Океанографические работы. – СПб.: Гидрометеоиздат, 2010.

6.Городецкий О.А., Гуральник И.И., Ларин В.В. Метеорология, методы и техническиесредства наблюдений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 327с.

7.Евтихеев Н.Н., Купершмидт А.Я., Папуловский В.Ф., Скугоров В.Н. Измерениеэлектрических и неэлектрических величин. -М.: Энергоатом-

издат, 1990. - 350с.

8.Восканян К.Л., Саенко А.Г. Актинометрические наблюдения. Пособие для учебной практики. СПб: 2010. - 54с.

9.Васильев В.И., ГусевЮ.М., Миронов В.Н. идр. Электронныепромышленные устройства. – М.: Высшая школа, 1988. – 303 с.

10.Ямпольский В.С.Основы автоматики и электронно-вычислительной техники. – М.: Просвещение, 1991. – 223 с.

11.Карасев И.Ф., Васильев А.В., Субботина Е.С. Гидрометрия. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

12.Григоров Н.О., Симакина Т.Е. Задачник по дисциплине «Методы и средства гидрометеорологических измерений». СПб:РГГМУ, 2006. – 41с.

13.ЗахаровВ.М.,КосткоО.К.,БиричЛ.Н.,КрученицкийГ.М.,ПортасовВ.С.. Лазерноезондированиеатмосферы изкосмоса. Л.:Гидрометеиздат, 1988. - 214 с.

14.Ковалев В.А. Видимость в атмосфере и её определение. Л.: Гидро-

метеиздат, 1988. - 216 с.

15.Рацимор М.Я. Наклонная видмость. Методическое пособие для специалистов ГАМЦ, АМЦ и АМСГ. – Л.: Гидрометеиздат, 1987. - 136 с.

16.Бочарников Н.В., Никишев П.Я., Солонин А.С. Дальность видимости на взлётно-посадочной полосеи еёопределение. С-Пб: Гидрометеоиздат, 1999. - 70 с.

284

17.Капустин А.В., СторожукН.Л. Техническиесредства гидрометеорологической службы. СПб: 2005. - 283 с.

18.Руководство к лабораторным работам по экспериментальной физике атмосферы. Под ред. Качурина Л.Г. – Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 510 с.

19.Мержеевский А.И., Фокин А.А. Электроника и автоматика в гидрометеорологии. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 383 с.

20.Орнатский П.П. Автоматические измерения и приборы. – Киев: Высшая школа, 1980. - 144 с.

21.Захаров В.М., Костко А.К. Метеорологическая лазерная локация. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 317 с.

22.Базлова Т. А., Бочарников Н. В., Брылёв Г. Б. и др. Радиолокационные метеорологическиенаблюдения. Том 1. // Подобщей ред. А. С. Солонина.

СПб.: Наука, 2010. – 312 с.

23.Базлова Т. А., Бочарников Н. В., Брылёв Г. Б. и др. Радиолокационные метеорологическиенаблюдения. Том 2. // Подобщей ред. А. С. Солонина.

СПб.: Наука, 2010. – 518 с.

24.ДивинскийЛ.И. ,КузнецовА.Д.,СолонинА.С. Комплекснаярадиотехническая аэродромная метеорологическая станция – КРАМС-4. Учебное пособие. СПБ.: РГГМУ, 2010. – 80 с.

25.Баранов А.М.,Солонин С.В. Авиационнаяметеорология.Изд.второе, перераб. и доп. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. – 383 с.

26.Кузнецов А.Д., Лясковский А.В., Поздняков Д.В., Сероухова О.С. Практикумподистанционномузондированию.СПб:РГГМУ,2004. -130с.

27.Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Метеорологическоезондирование атмосферы из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 280 с.

28.Киселёв В.Н., Кузнецов А.Д. Методы зондирования окружающей среды (атмосферы). СПб.; РГГМУ, 2004. – 428 с.

29.Автоматизированныеметеорологическиерадиолокационныекомплексы «Метеоячейка». – СПб.: Гидрометеоиздат, 2007. – 236 с.

30.Симакина Т.Е. Получениеи обработка спутниковых снимков. Учебное пособие. СПб, РГГМУ, 2010. - 127 с.

31.Цифровое преобразованиеизображений. Учебное пособие для вузов. Под ред. Р.Е. Быкова. М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 228 с.

32.Качурин Л. Г. Физические основы воздействий на атмосферные процессы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. – 463 с.

33.Чукин В. В. Физические свойства атмосферы. – СПб.: «Система», 2005. – 112 с.

34.Бройдо А.Г. Руководство к учебной практике по метеорологии. Л.:

285

ЛГМИ, 1971. - 154 с.

35.Виртуальная лаборатория. Гидрометеорологические приборы и оборудование. 2012. http://tech.meteorf.ru/.

35.Метеорологические наблюдения: распределенные в пространстве и во времени. Владимир Александрович Гордин «Квант» №3, №4, 2010, http://elementy.ru/lib/431200

36.Ian Strangeways. Measuring the Natural Environment. – Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2000. – 365 p.

37.Grigorov N.O. Hydrometeorological measurements. Конспект лекций на английском языке. Изд. РРМУ, 2001. - 157 с.

286

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Таблица значений удельного сопротивления металлов

287

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Таблица значений температурного коэффициента

сопротивления ( ) для различных металлов и сплавов

288

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Значения термоЭДС для различных металлов

в паре с платиной (е)

289

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Таблица значений температурного коэффициента

расширения некоторых металлов и сплавов ( )

290