1. Методы лазерного дистанционного зондирования.

В настоящее время методы лазерного зондирования основываются на таких процессах, как рэлеевское рассеяние, комбинационное рассеяние, рассеяние Ми, резонансное рассеяние, флюоресценция, поглощение, а также дифференциальное поглощение и рассеяние. Кратко рассмотрим эти процессы.

Рэлеевское рассеяние - лазерное излучение, упруго рассеянное атомами или молекулами, наблюдается на исходной частоте

Рассеяние Ми – лазерное излучение, упруго рассеянное малыми частицами (размер которых сравним с длиной волны излучения), наблюдается на исходной частоте.

Комбинационное рассеяние – лазерное излучение, рассеянное молекулами, наблюдается с некоторым частотным сдвигом, характеризующим данные молекулы (hν- hν^*= E)

Резонансное рассеяние – лазерное излучение на частоте определенного перехода в атоме рассеивается с большим сечением и наблюдается на исходной частоте

Флюоресценция – лазерное излучение на частоте определенного электронного перехода в атоме или молекуле претерпевает поглощение с последующим излучением на более низкой частоте; столкновительное тушение может уменьшить эффективное сечение этого процесса; в молекулах наблюдается широкополосное излучение

Поглощение – ослабление лазерного пучка наблюдается, если частота излучения попадает в полосу поглощения данной молекулы

Дифференциальное поглощение и рассеяние – дифференциальное ослабление двух лазерных пучков определяется по их сигналам обратного рассеяния; при этом частота излучения в одном из пучков настраивается близко к частоте данного молекулярного перехода, в то время как частота второго – несколько в стороне от частоты перехода

На рис. 1.3. приведены наблюдаемые диапазоны сечения рассеяния каждого из процессов.

Как можно видеть из рисунка, сечения рассеяния Ми могут быть на­столько большими, что даже незначительное количество рассеи­вающих частиц соответствующих размеров может дать сигнал рассеянного излучения, полностью перекрывающий сигналы, обусловленные рэлеевским или комбинационным рассеянием. Отсюда ясно, что с помощью лазера возможно зарегистрировать довольно малые концентрации (или изменения концентраций) частиц пыли или аэрозолей.

Хотя резонансное рассеяние, называемое иногда атомной или резонансной флюоресценцией, также имеет большое сечение, ту­шение при столкновениях с более распространенными составляющими атмосферы обычно приводит к тому, что сигнал оказывается слабым; вследствие этого наиболее эффективно метод может работать при исследовании малых составляющих верхней атмосферы. В случае молекулярной флюоресценции столкновительное тушение может также оказывать вредное дей­ствие, в частности тогда, когда имеются долгоживущие состоя­ния. Широкополосная природа молекулярной флюоресцен­ции является причиной низкого значения отношения сигнала к шуму; при этом основной вклад в шум дает фоновое излучение. С ростом продолжительности флюоресценции может падать пространственное разрешение.

К сожалению, из-за незна­чительной величины сечений комбинационного рассеяния чув­ствительность этого метода весьма ограниченна. Поэтому наибо­лее вероятным представляется применение комбинационного рассеяния для дистанционного контроля газодымовых шлейфов труб, концентрации составляющих в которых могут быть довольно высокими: 10—100 млн^-1 по сравнению со значениями 0,1—5 млн^-1, типичными для малых составляющих, рассеянных в атмосфере. Привлекательной особенностью комбинационного рассеяния является та легкость, с которой этот метод позволяет определить отношение концентрации любой составляющей к концентрации некоторой опорной компоненты (например, азота) по отноше­нию комбинационных сигналов при условии того, что отношение сечений известно.

Для того чтобы выделить вклад поглощения интересую­щей нас молекулы в ослабление лазерного пучка, обычно при­меняется метод так называемого дифференциального поглоще­ния. Данный метод предполагает использование двух частот: од­ной в центре линии из полосы поглощения интересующей нас молекулы, а другой — в крыле этой линии. За редким исклю­чением, большинство полос поглощения, представляющих инте­рес для дистанционного зондирования, лежит в ИК- области спектра и соответствует колебательно-вращательным переходам. К основ­ным недостаткам этого метода относятся низкое пространствен­ное разрешение и малая чувствительность ИК- детекторов.

Высокие чувствительность и пространственное разрешение могут быть достигнуты при сочетании дифференциального погло­щения с рассеянием (ДПР). Этот метод впервые был предло­жен для дистанционного определения содержания водяного пара в атмосфере. Он основан на сравнении обратно рассеян­ных лазерных сигналов: одного — на частоте линии поглощения (интересующей молекулы), а другого— в крыле линии. В этом случае пространственное разрешение и сильные сигналы на используемых частотах обусловливаются большим сечением рас­сеяния Ми, а отношение сигналов дает требуемую оценку диф­ференциального поглощения. Благодаря этому метод ДПР обла­дает наилучшей чувствительностью при зондировании опреде­ленных молекулярных составляющих с больших расстояний.

В последнее время широкое распространение получил лидар на дифференциальном поглощении, который используется для всех видов лазерной дистанционной техники, основанной на диффе­ренциальном поглощении.

В конце первого десятилетия развития работ по лазерному дистанционному зондированию определенное внимание было уделено разработке систем для зондирования поверхности Зем­ли с таких подвижных средств, как самолеты и вертолеты. Вна­чале эти лазерные системы использовались, в некоторой степени, подобно радарам; при этом основными типами взаимодействия излучения с поверхностью были рассеяние и отражение. Пер­выми вопросами, которым было уделено серьезное внимание, стали исследования поверхностных волн и батометрические из­мерения в прибрежных водах. Возможность лазер­ных исследований замутненности воды естественным образом проявилась в последующей серии экспериментов.

Важный шаг вперед был сделан после осознания того, что использование коротковолновых лазеров может расширить спектр приложений за счет возможности использования индуцирован­ной лазерным излучением флюоресценции. Это привело к раз­работке новой лазерной системы дистанционного зондирования, получившей название лазерного флюорометра. Подробные спектроскопические исследования как сырой нефти, так и ее продуктов показали, что бортовой лазерный флюорометр, обладающий высоким разрешением, спо­собен классифицировать нефтяные пятна с такой точностью, что его данные можно рассматривать как абсолютно достоверные.

Применение лазеров для зондирования окружающей среды является многосторонним: 1) лазеры используются для измерения концентраций основных и малых составляющих атмосферы и, следовательно, хорошо подходят для контроля загрязнение; 2) позволяют измерить термические, структурные и динамические характеристики как атмосферы, так и гидросферы; 3) дают возможность регистрировать пороговые концентрации определенных составляющих, что требуется в некоторых системах аварийного предупреждения о загрязнениях; 4) позволяют картографировать рассеивание сточных шлейфов и 5) делают возможным распознавание спектральных образов таких объектов зондирования, как нефтяные пятна.