Сравнительный анализ дальности зондирования ветрового корреляционного лидара в УФ, видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах Текст научной статьи по специальности «Физика»

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл № ФС77 - 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408

электронный научно-технический журнал

Сравнительный анализ дальности зондирования ветрового корреляционного лидара в УФ, видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах # 02, февраль 2014 DOI: 10.7463/0214.0696580

Иванов С. Е., Филимонов П. А., Белов М. Л., Городничев В. А., Михайловская М. Б.

УДК 551.501

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана i vano y sergey2@mail.ru. ekomoiiit@bmstu.ru

Введение

Для многих практических приложений наиболее перспективными дистанционными методами измерения скорости ветра являются лазерные (хотя возможности лазерных методов не перекрывают напрямую возможностей радиолокационных методов).

Величину скорости и направления ветра необходимо знать для прогноза погоды; охраны окружающей среды; при ликвидации последствий катастроф и чрезвычайных ситуаций (когда в атмосферу поступают вредные или ядовитые вещества); для обслуживания полетов летательных аппаратов; научных исследований и др. Причем для каждой задачи имеются свои специфические требования, что требует развития существующих лазерных методов измерения скорости и направления атмосферного ветра [1-6].

Дистанционные лазерные методы измерения скорости ветра разделяются на доплеровские и корреляционные. Более простыми (и, соответственно, требующими менее дорогую аппаратуру) являются корреляционные методы [1,2]. Хотя корреляционные методы обеспечивают меньшую дальность зондирования (по сравнению с доплеровскими), они являются наиболее подходящими для ряда практических приложений. Корреляционный лидар может измерять полный вектор скорости ветра и проводить измерения пространственного распределения скорости и направления ветра при сложном профиле скорости ветра, например, в условиях горного рельефа местности без пространственного сканирования [3].

На сегодняшний день практически все существующие ветровые корреляционные лидары работают в видимом диапазоне. Однако для задачи измерения ветра интерес представляют и другие диапазоны - ближний инфракрасный (ИК) диапазон и ультрафиолетовый (УФ) диапазон (с точки зрения безопасности для глаз и потенциальной возможности обеспечения больших дальностей зондирования из-за отсутствия или малости фонового излучения).

Данная статья посвящена сравнительному анализу дальности зондирования ветрового корреляционного лидара в УФ, видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах.

1. Постановка задачи

Дальность зондирования лидара можно оценить из условия равенства (для предельной дальности зондирования) мощности полезного лидарного сигнала (приходящего на приемник) и пороговой мощности приемника лидара.

Лазерные корреляционные методы основаны на регистрации мощности Р(2) лазерного сигнала обратно рассеянного аэрозольными частицами, всегда присутствующими в земной атмосфере.

Мощность Р(г) лазерного сигнала в прозрачной атмосфере определяется следующим выражением [1,2]

Р(2) = Р0К(Кгетигг2в(2)1п (2)ГУ (2)0(2)/82 2, (1)

где

Р0 - мощность излучения лазерного источника;

К{, Кг - коэффициенты пропускания оптических систем передающего и приемного каналов лидара;

с - скорость света;

ти - длительность импульса лазерного источника; гг - радиус приемного объектива;

ъ - расстояние от лидара до зондируемого объема атмосферы; (2) - индикатриса рассеяния атмосферы в направлении «назад»;

Т17 2 (г) = ехр

' г I ^

- |е( х )йх -1 к( х )йх V 0 0

- коэффициент пропускания атмосферы;

в(г) -объемный коэффициент аэрозольного рассеяния атмосферы; е (г) - показатель аэрозольного ослабления атмосферы;

к(г) - показатель поглощения атмосферными газами (озоном в УФ диапазоне); О(г) - геометрическая функция лидара.

Для моностатической биаксиальной схемы зондирования функция О(Ь) имеет вид

а 2 Ь 2

°(г) = ОТТехр{- ( 2 + 2\ 2 }; аг +а{ (аг +а{)I

Ь - расстояние между оптическими осями источника и приемника излучения (база); а г, а I - поле зрения приемной оптической системы и угол расходимости излучения источника.

Из формулы (1) видно, что анализ пространственных реализаций (зависимостей от 2) мощности Р(г) обратно рассеянного атмосферным аэрозолем лазерного сигнала позволяет определять характеристики пространственных флуктуаций поля объемного коэффициента аэрозольного рассеяния атмосферы в(г), а значит и измерять перемещение этого поля (т.е. проводить измерение параметров ветра).

Прием лазерного сигнала, обратно рассеянного средой, в общем случае производится на фоне шумов, которые ограничивают потенциальные возможности лидара.

Суммарная мощность шумов приемника лидара определяется собственными шумами регистрирующей аппаратуры и дробовым шумом. В качестве фотодетектора для корреляционных лидаров в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах обычно выбирается фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), т.к. он обладает большой чувствительностью и небольшими собственными шумами.

Пороговая мощность ФЭУ при наличии фонового излучения определяется формулой [7]

1

р =м[2е( I, + 1ь )(1 + В) А/ ]2

Р'йд =-~-, (2)

¿к

где

/и -отношение сигнал/шум; е=1.6-10'19 [А-с] - заряд электрона; (1+В)^2.5;

Л/ - эффективная полоса частот фотоприемного устройства; - спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ;

¡1 - темновой ток фотокатода, т. к. в паспорте ФЭУ приведены значения темнового анодного тока

-а , то значения рассчитываются по формуле = , где М- коэффициент усиления ФЭУ ;

М

-Ь - среднее значение тока, обусловленного солнечной засветкой.

Для приемника лидара с узким полем зрения и узкополосным спектральным фильтром выражение для -ь имеет вид [8,9]

-ь = КгЬь8г (паг )БкЛХ, (3)

где

Ь^ - спектральная яркость фонового излучения; 8Г - площадь приемного объектива;

2 ~ паг - телесный угол поля зрения приемной оптической системы;

ЛХ - полоса пропускания спектрального фильтра.

Коэффициент пропускания оптической системы приемного канала определяется выражением Кг = К0К/, где К0 - коэффициент пропускания оптической системы без

спектрального фильтра; К/■ - коэффициент пропускания спектрального фильтра.

Основным источником фонового излучения в УФ, видимой и ближней ИК областях спектра является солнечное излучение, рассеянное земной атмосферой. Расчет яркости солнечного излучения, рассеянного земной атмосферой, представляет собой сложную задачу [8,9].

При высокой прозрачности атмосферы ( т0 < 0,2 ) результаты, довольно близкие к реальным, могут быть получены в аналитическом виде для плоскопараллельной модели атмосферы в приближении однократного рассеяния. Выражение для яркости Ьь фонового излучения,

приходящего на приемник, зависит от геометрической схемы зондирования. В частном случае зондирования в горизонтальном направлении величина Lь равна [8]

cos А т —т т —т

Lb = 0,25Я Axf Y) Q {exp[—^ ] — exp[—]} , 4)

cos 0 — cos 0o cos 0 cos 0o

где

cos у = cos 0 cos 0o + sin 0 sin 0o со5(ф - );

X s - отношение показателя рассеяния аэрозольной земной атмосферы к показателю ослабления;

nSx - спектральная солнечная постоянная на длине волны X ( nSx равна спектральной освещенности площадки, перпендикулярной солнечному излучению, на верхней границе атмосферы);

т0, т - оптическая толща всей земной атмосферы и оптическая толща земной атмосферы между подстилающей поверхностью и приемником (в вертикальном направлении);

0, ф - зенитный угол и азимут направления наблюдения; 0o, ф0 = 0 - зенитный угол и азимут Солнца; Х(у) - индикатриса рассеяния атмосферы; Y - угол рассеяния.

Ниже проводится сравнительный анализ дальности зондирования ветрового корреляционного лидара, работающего на длинах волн 0,266 мкм и 0,355 мкм (УФ диапазон), 0,532 мкм (видимый диапазон) и 1,57 мкм (ближний ИК диапазон).

2. Математическое моделирование

В работе проводилась оценка дальности зондирования ветрового корреляционного лидара для следующих длин волн излучения лазерных источников:

- УФ диапазон: 0,266 мкм (четвертая гармоника лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом), 0,355 мкм (третья гармоника лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом);

- видимый диапазон: 0,532 мкм (вторая гармоника лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом);

- ближний ИК диапазон: 1,57 мкм (параметрический генератор света с накачкой от лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом).

Априорная неочевидность результатов сравнительного анализа дальности зондирования ветрового корреляционного лидара в УФ, видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах связана с тем, что параметры атмосферы (показатель аэрозольного ослабления, показатель поглощения озоном, оптическая толща земной атмосферы и другие), спектральная солнечная постоянная, а также характеристики лазеров и фотоэлектронных умножителей имеют существенную (и для разных параметров сильно различающуюся) зависимость от длины волны излучения.

Параметры источников и приемников излучения и оптические характеристики атмосферы, используемые в работе, приведены ниже в Таблицах 1-6.

Таблица 1

Характеристики лазеров для разных длин волн [10,11]

X, мкм 0,266 0,355 0,532 1,57

Энергия в импульсе, мДж 40 70 175 50

Длительность импульса, нс 5 - 7 5 - 7 5 - 7 2 - 10

Частота повторения, Гц 20 20 20 30

Таблица 2

Характеристики ФЭУ для разных длин волн [12]

X, мкм 0,266 0,355 0,532 1,57*

Спектральная чувствительность, мА/Вт 30 70 80 20

Темновой ток, А 0,8 10-15 10-16 4 10-15 4 10-14

Фоновый ток, А 0 5,5 10-11 2,2 10-10 3,4 10-11

* - охлаждаемый приемник

Таблица 3

Показатели аэрозольного ослабления атмосферы [8]

X, мкм 0,266 0,355 0,532 1,57

Показатель ослабления, м 1. 9,77 10-4 6,79 10-4 4,1 10-4 1,04 10-4

Таблица 4

Суммарный показатель ослабления из-за поглощения озоном и молекулярного рассеяния [13]

X, мкм 0,266 0,355 0,532 1,57

Суммарный показатель ослабления, м 1. 10 -3 0,2 10-3 1,39 10-5 1,7910 -7

Таблица 5

Оптическая толща земной атмосферы [8]

X, мкм 0,266 0,355 0,532 1,57

Оптическая толща, отн.ед. 8,385 0,9155 0,405 0,135

Таблица 6

Спектральная солнечная постоянная [8]

X, мкм 0,266 0,355 0,532 1,57

Спектральная солнечная постоянная, Вт/см 2 мкм 0,021 0,116 0,195 0,0234

Из Таблиц 1-6 хорошо видно сильная спектральная зависимость, приведенных в таблицах величин. Расчеты проводились для горизонтальной трассы зондирования при метеорологической

дальности видимости 10 км, безоблачной атмосфере и зенитном угле Солнца 450. Угол расходимости излучения лидара и поле зрения приемной оптической системы полагались равными, соответственно, 1 мрад и 2 мрад, а коэффициенты пропускания передающей и приемной оптических систем - 0,8 и 0,28. Диаметр приемного объектива и ширина спектрального фильтра считались равными 0,2 м и 1 нм, а отношение сигнал/шум - 30 (отношение сигнал/шум выбрано таким, чтобы регистрировать неоднородности поля объемного коэффициента аэрозольного рассеяния [1]).

При расчете по формуле (4) для УФ диапазона оптические толщи т0, т состоят из суммы аэрозольной и молекулярной компонент и оптической толщи поглощения атмосферного озона, а индикатриса %(у) рассеяния атмосферы состоят из взвешенной суммы аэрозольной и молекулярной составляющих [8,13].

На рисунках 1 - 4 приведены полученные по формулам (1) - (4) зависимости мощности Р(2) полезного сигнала и пороговой мощности Р^ от дальности зондирования г для лазерных

длин волн 0,266; 0,355; 0,532 и 1,57 мкм.

Рф, Вт

4 10

2 10

-9

о

1

1

\

р пор \

\ \

о

г, км

о

Я

Рис. 1 Зависимость мощности полезного сигнала и пороговой мощности от дальности зондирования для длины волны 0,266 мкм

Р(2), ВТ 8 10

4 10

0

\

\

I* \ пор \

\ \

г. км

0 1 2 3

Рис. 2 Зависимость мощности полезного сигнала и пороговой мощности от дальности зондирования для длины волны 0,355 мкм

8 10

РОО, Вт

7

4 10""

О

\

\

\

р пор \

...............Л.

г, км

О 1 2 3

Рис. 3 Зависимость мощности полезного сигнала и пороговой мощности от дальности зондирования для длины волны 0,532 мкм

Р(», Вт

8 10

/

4 10"

0

\

р \ пор х

0 1 2 3

г, км

Рис. 4 Зависимость мощности полезного сигнала и пороговой мощности от дальности зондирования для длины волны 1,57 мкм

Предельные дальности зондирования оценивались из условия равенства мощности Р(2) полезного сигнала и пороговой мощности приемника Р^ . Для длин волн 0,266; 0,355; 0,532 и 1,57 мкм предельные дальности зондирования приведены в Таблице 7.

Таблица 7

Предельные дальности зондирования

X, мкм 0,266 0,355 0,532 1,57

Предельная дальность зондирования, м 1660 1335 1955 1275

Из результатов, приведенных в таблице 7 видно, что для длин волн 0,266, 0,355 мкм (УФ диапазон), 0,532 мкм (видимый диапазон) и 1,57 мкм (ближний ИК диапазон) для горизонтальной трассы зондирования при выбранных значениях параметров (которые на сегодняшний день реально могут быть обеспечены) предельная дальность зондирования лежит в довольно узком диапазоне 1275 м - 1955 м.

Максимальная дальность зондирования соответствует видимому спектральному диапазону. При этом, как с увеличением длины волны излучения (переходе в ближний ИК диапазон), так и при уменьшении длины волны (переходе в УФ диапазон) дальность зондирования уменьшается. Это обусловлено влиянием следующих причин:

- при переходе в ближний ИК диапазон уменьшается показатель рассеяния атмосферы, причем этот эффект сглаживается одновременным уменьшением фонового излучения;

- при переходе в УФ диапазон увеличивается ослабление атмосферы (в основном из-за поглощения озоном), причем этот эффект сглаживается одновременным увеличением показателя аэрозольного рассеяния атмосферы и уменьшением фонового излучения.

Уменьшение дальности зондирования при переходе в ближний ИК или УФ диапазон не особенно велико и может быть скомпенсировано изменением параметров передающего или приемного каналов лидара.

Заключение

Для обеспечения максимальной дальности зондирования ветрового корреляционного лидара наиболее перспективным является видимый спектральный диапазон. При дополнительных требованиях к лидару, например, при требовании работы на безопасной для глаз длине волны излучения эффективная работа лидара может быть обеспечена в ультрафиолетовом (0,355 мкм) или ближнем инфракрасном (1,57 мкм) спектральных диапазонах при сравнительно небольшом уменьшении дальности зондирования.

Список литературы

1. Корреляционные методы лазерно-локационных измерений скорости ветра / Г.Г. Матвиенко, Г.О. Заде, Э.С. Фердинандов, И.Н. Колев, Р.П. Аврамова. Новосибирск: Наука, 1985. 223 с.

2. Применение корреляционных методов в атмосферной оптике / В.М. Орлов, Г.Г. Матвиенко, И.В. Самохвалов, Н.И. Юрга, М.Л. Белов, А.Ф. Овчаренко. Новосибирск: Наука, 1983. 160 с.

3. Козинцев В.И., Иванов С.Е., Белов М.Л., Городничев В.А. Корреляционный лазерный метод с адаптивным выбором измерительной базы для оперативного измерения скорости ветра // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, № 2. С. 165-170.

4. Смалихо И.Н., Банах В.А., Копп Ф., Вернер Х. Лидарные измерения среднего ветра // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15, № 8. С. 672-679.

5. Zhi-Shen Liu, Dong Wu, Jin-Tao Liu, Kai-Lin Zhang, Wei-Biao Chen, Xiao-Quan Song, Johnathan W. Hair, Chiao-Yao She. Low-altitude atmospheric wind measurement from the combined Mie and Rayleigh backscattering by Doppler lidar with an iodine filter // Applied Optics. 2002. Vol. 41, no. 33. P. 7079-7086.

6. Савин А.В., Коняев М.А. Доплеровские метеолидары для систем обеспечения вихревой безопасности полетов // Метеоспектр. 2008. № 1. С. 147-152.

7. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды / В.И. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов, В.А. Городничев, Б.В. Стрелков. 2-е изд., доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 528 с.

8. Основы импульсной лазерной локации / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.М. Орлов, В.А. Городничев, Б.В. Стрелков. 2-е изд., доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 572 с.

9. Сигналы и помехи в лазерной локации / В.М. Орлов, И.В. Самохвалов, Г.М. Креков, В.Л. Миронов, Ю.С. Балин, В.А. Банах, М.Л. Белов, Ю.Д. Копытин, В.П. Лукин. М.: Радио и связь,1985. 264 с.

10. Compact high energy, high frecuency pulsed Nd:YAG lasers. Режим доступа: http://www.litronlasers.com/pdf%20files/LitronNanoTRL 0105 2.pdf (дата обращения 20.12.2013).

11. DQ-1570-50/30 Nd:YAG laser datasheet. Режим доступа: http://www.oem-tech.by/pdf/dq-1570-ds-en.pdf (дата обращения 20.12.2013).

12. Hamamatsu: сайт. Режим доступа: http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ (дата обращения 20.12.2013).

13. Козинцев В.И., Белов М.Л., Городничев В.А., Стрелков Б.В. Расчет яркости фона и ослабления лазерного излучения в ультрафиолетовой области спектра. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 66 с.

SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAIJMAN MS TU

SCIENCE and EDUCATION

EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408

electronic scientific and technical journal

^mpa^t^e analysis of wind correlation lidar sounding range in UV, visible band and near IR bands # 02, February 2014 DOI: 10.7463/0214.0696580

S.E. Ivanov, P.A. Filimonov, M.L. Belov, V.A. Gorodnichev, M.B. Mikhailovskay

Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation

ivanov sergey 2 @maiLni ekomoiiit@bmstu.m

The paper presents a comparative analysis of the sounding range of wind correlation lidar in ultraviolet, visible, and near infrared spectral bands. It shows that a visible spectral band is the most advanced one to provide a maximum sounding range of wind correlation lidar in earth atmosphere. If there are specific requirements for wind correlation lidar, for example, a requirement is that a wind correlation lidar should operate at the eye-safe laser sounding wavelength then the efficient work of wind correlation lidar may be maintained in ultraviolet and near infrared spectral bands with the sounding range reduced a little bit.

Publications with keywords: parametric synthesis, optical system, double conjugation system Publications with words: parametric synthesis, optical system, double conjugation system

References

1. Matvienko G.G., Zade G. O., Ferdinandov E. S., et al. Korreliatsionnye metody lazerno-lokatsionnykh izmerenii skorosti vetra [Correlation methods of laser-radar measurements of wind speed]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1985. 223 p. (in Russian)

2. Orlov V.M., Matvienko G.G., Samokhvalov I.V., et al. Primenenie korreliatsionnykh metodov v atmosfernoi optike [Application of correlation methods in atmospheric optics]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1983. 160 p. (in Russian)

3. Kozintsev V.I., Ivanov S.E., Belov M.L., Gorodnichev V.A. [Laser correlation method with adaptive choice of measuring base for on-the-fly measurements of wind velocity]. Optika atmosfery i

okeana, 2012, vol. 25, no. 2, pp. 165-170. (English translation: Atmospheric and Oceanic Optics, 2012, vol. 25, iss. 4, pp. 263-268. DOI: 10.1134/S1024856012040070 )

4. Smalikho I.N., Banakh V.A., Kopp F., Verner Kh. [Laser remote sensing of the mean wind]. Optika atmosfery i okeana, 2002, vol. 15, no. 8, pp. 672-679. (English translation: Atmospheric and Oceanic Optics, 2002, vol. 15, iss. 8, pp. 607-614).

5. Zhi-Shen Liu, Dong Wu, Jin-Tao Liu, Kai-Lin Zhang, Wei-Biao Chen, Xiao-Quan Song, Johnathan W. Hair, Chiao-Yao She. Low-altitude atmospheric wind measurement from the combined Mie and Rayleigh backscattering by Doppler lidar with an iodine filter. Applied Optics, 2002, vol. 41, no. 33, pp. 7079-7086.

6. Savin A. V., Konyaev M.A. [Doppler meteo lidar for systems of ensuring vortex flight safety]. Meteospektr, 2008, no. 1, pp. 147-152. (in Russian)

7. 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)

8. Kozintsev V.I., Belov M.L., Orlov V.M., Gorodnichev V.A., Strelkov B.V. Osnovy impul'snoi lazernoi lokatsii [The basics of pulsed laser location]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2010. 572 p. (in Russian)

9. Orlov V.M., Samokhvalov I.V., Krekov G.M., Mironov V.L., Balin Yu.S., Banakh V.A., Belov M.L., Kopytin Yu.D., Lukin V.P. Signaly i pomekhi v lazernoy lokatsii [Signals and noise in laser ranging]. Moscow, Radio i svyaz Publ., 1985. 264 p. (in Russian)

10. Compact high energy, high frecuency pulsed Nd:YAG lasers. Available at: http://www.litronlasers.com/pdf%20files/LitronNanoTRL 0105 2.pdf , accessed 20.12.2013.

11. DQ-1570-50/30 Nd:YAG laser datasheet. Available at: http://www.oem-tech.by/pdf/dq-1570-ds-en.pdf , accessed 20.12.2013.

12. Hamamatsu: website. Available at: http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ , accessed 20.12.2013.

13. Kozintsev V.I., Belov M.L., Gorodnichev V.A., Strelkov B.V. Raschetyarkosti fona i oslableniya lazernogo izlucheniya v ul'trafioletovoy oblasti spectra [Calculation of background luminance and laser attenuation in ltraviolet region of spectrum]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2011. 66 p. (in Russian)