Диссертация (Методы обработки сигналов в лидарных системах при исследовании газодымовых выбросов в зонах кризисных и чрезвычайных ситуаций), страница 8

Поэтому флуоресценция используется при детектировании атмосферныхкомпонентов и измерении их параметров в верхних слоях атмосферы высотойболее 80 км [37, 44]. Выражения для сечения флуоресценции в расчете на однумолекулу и для интегрального сечения по всей полосе частот приведены в [26].При измерении или количественной оценке параметров атмосферного аэрозоля естественного или антропогенного происхождения используется упругое рассеяние. Главным достоинством упругого рассеяния остается высокая величина мощности принимаемого сигнала.

Флуоресценция обычно используетсядля исследования состава верхних слоев атмосферы и свойств её компонентов.При этом используются лидары самолетного и космического базирования. Придиагностике атмосферного воздуха в зонах КС и ЧС в приземном слое применение свойств КР и флуоресценции весьма затруднительно.37Наиболее распространённым методом измерения и количественной оценки параметров газовых компонентов в тропосфере с использованием наземныхмобильных и стационарных лидаров является метод дифференциального поглощения-рассеяния (ДПР).

В данном методе используется излучение двух импульсов на разных длинах волн. При этом одна из длин волн выбирается максимально близкой к линии резонансного молекулярного поглощения исследуемого компонента, а другая − в крыле этой линии. Впервые метод ДПР реализован Счетландом для измерения водных паров в атмосфере [111].

Метод ДПРиспользует сочетание упругого рассеяния и дифференциального поглощения.При этом достаточная мощность принимаемого оптического излучения с различных расстояний от лидара и высокое пространственное разрешение обеспечиваются упругим рассеянием от аэрозольных частиц, а требуемая оценка концентрации может быть получена с помощью разницы поглощения излучаемогоимпульса молекулами детектируемого газа на двух длинах волн.

Метод ДПРобладает наилучшей чувствительностью при зондировании газодымовых шлейфов в тропосфере с больших расстояний и поэтому является более предпочтительным по сравнению с методами, основанными на комбинационном и релеевском рассеянии. Метод ДПР является предпочтительным для следующихприменений:– обнаружение и измерение концентраций загрязняющих компонентов в газодымовых шлейфах и выбросах в условиях КС и ЧС;– измерение локальных распределений газовых компонентов в атмосфере, вт. ч. в городском воздухе;– измерение высотных профилей газовых компонентов (прежде всего озонаO3) в стратосфере.2.3.

Методы расчёта коэффициента ослабления атмосферного аэрозоля2.3.1. Одноволновое зондирование аэрозолейПри исследовании атмосферных аэрозольных частиц в месте ЧС обычностремятся получить информацию о распределении коэффициента ослабления38α(R), так как для большинства видов работ при ликвидации ЧС эта информацияявляется вполне достаточной [38, 49].При зондировании атмосферного аэрозоля излучением с одной фиксированной длиной волны излучения ее подбирают в спектральном интервале спренебрежимо малым поглощением излучения атмосферными газами. Для расчёта коэффициента ослабления аэрозоля при этом предложено большое числометодов. Наиболее часто употребляются:- метод логарифмической производной;- методы квадратурного (или интегрального) накопления;- метод Клетта;- метод Фернальда.Метод логарифмической производной [29] чаще всего используют призондировании квазиоднородной среды, для которой лидарное отношение можно считать постоянным, а поглощением излучения пренебрегают.

Если принятьобозначениеS ( R) = P( R) R 2 ,(2.23)где S(R) также называют S-функцией лидарного сигнала, то из уравнения (2.17),пренебрегая влиянием газов в T(R), получимRS ( R ) = C0β ( R ) T 2 ( R ) = C0β ( R ) e∫−2 α ( r ) dr0.(2.24)Тогда решение лидарного уравнения относительно α(R) выглядит следующимобразомα( R) =1 dS ( R ) 1 d=ln S ( R).2 S ( R ) dR2 dR(2.25)Методы интегрального накопления [29] позволяют восстанавливать профиль коэффициента ослабления аэрозоля при наличии существенных неоднородностей (дымовых факелов) на трассе зондирующего излучения. Достаточным является предположение о постоянстве лидарного отношения по трассезондирования.

Эти методы основаны на вычислении интеграла от S-функции нанекотором участке R1, R2. Проведём интегрирование (2.24) в пределах R1, R2,39учитывая, что α(R) = τ΄(R) и β(R) = g(R)α(R). Тогда получимR2R2∫ S ( r ) dr = C ∫ g (r )τ′(r )e−2 τ ( r )0R1dr ,(2.26)R1откуда интегрированием по частям получаем выражениеR2СC22∫R S ( r ) dr = 20  g ( R1)T ( R1 ) − g ( R2 )T ( R2 ) + 201R2∫ g′(r )T2(r )dr .(2.27)R1Это наиболее общее выражение методов интегрального накопления, из которого после введения начальных условий и априорных предположений получаютсяконечные формулы для расчёта коэффициента ослабления.Введём предположение о постоянстве лидарного отношения на всем участке атмосферы, из которого принимается сигнал.

Это предположение являетсясправедливым для лидарных систем, работающих в зонах КС и ЧС, так как ониработают в пределах определенного однородного атмосферного слоя (приземного) высотой примерно 750 м [4, 23]. В этом случае второе слагаемое в правойчасти (2.27) равно нулю. Предполагая также, что на исследуемом участке отсутствуют мощные газодымовые выбросы с повышенной плотностью аэрозоля(участок «чистой» атмосферы), обозначим α(R) = const. Тогда для выражения(2.26), принимая пределы интегрирования равными R и ∞, получим следующее:∞∞∫ S (r )dr = C ∫ g αe−2 αR0RRC0 ge −2 αR 1 S ( R )dr ==,22 α( R)(2.28)откуда получаем общую формулу для расчёта α(R)α( R) =S ( R)∞.(2.29)2 ∫ S (r )drR∞Величину ∫ S ( R)dr называют асимптотическим функционалом.

В случае налиRчия на исследуемом участке атмосферы газодымовых выбросов с резко меняющимся коэффициентом ослабления аэрозоля асимптотический функционалразбивают на два участка: участок, содержащий выброс, и оставшийся участок«чистой» атмосферы. Рассмотрим подробнее методы расчёта, получающиеся40при разных разбиениях асимптотического функционала.Метод асимптотического сигнала [106], в котором разбиение происходит на некоторой точке R0, находящейся сразу за выбросом. Тогда∞∞R0∞R∫ S (r )dr = ∫ S (r )dr + ∫ S (r )dr = ∫ S (r )dr − ∫ S (r )dr.RRR0R0(2.30)R0Соответственно выражение (2.29) для α(R) будет выглядеть такα( R) =S ( R)R∞2  ∫ S (r )dr − ∫ S (r )dr RR0 0.(2.31)∞В (2.31) величина∫ S ( R)drрассчитывается приближённо.

Это можно сделатьR0Rmaxдвумя способами: либо рассчитать величину∫S (r ) dr , где Rmax – дальностьR0действия лидарной системы, либо произвести численный расчёт на бесконечном расстоянии. Во втором случае используют экстраполяцию полученныхзначений S-функции численными методами [30].В собственно методе интегрального накопления [49], разработанном несколько ранее метода асимптотического сигнала, также используется выражение (2.27) и допущение о постоянстве лидарного отношения. Отличие заключается в том, что точка R0 берётся до исследуемого газодымового выброса. Тогда∞R∞∫ S (r )dr = ∫ S (r )dr + ∫ S (r )dr.RR0(2.32)RЕсли подставить (2.32) в (2.29) и производить расчёт до достаточно большихзначений R (на практике расчёт выполняют до нескольких десятков километров), то влияние второго слагаемого в правой части (2.32) становится пренебрежимо малым.

При этомRRR0R0−2 τ ( r )∫ S (r )dr = C0 g ∫ τ′(r )e dr =S ( R0 )S ( R)−.2α( R0 ) 2α( R)(2.33)Отсюда получаем следующее выражение для коэффициента ослабления α(R)41α( R) =S ( R0 )S ( R)Rα ( R0 ).(2.34)− 2 ∫ S ( r )drR0В данном выражении величина α(R0) является априорной величиной, котораяможет определяться с помощью независимых измерений или исходя из модельных расчётов коэффициента ослабления для «чистой» атмосферы.В методах Клетта и Фернальда [90, 91, 98, 99, 106] также используетсядифференцирование логарифма лидарного сигнала. Вводится функция, аналогичная S-функцииX ( R) = P( R) R 2 / C0 .(2.35)Для этой функции имеет место следующее соотношениеd ln X ( R ) dR=1 dβ ( R )− 2α ( R ) .β ( R ) dR(2.36)При получении решения по методу Клетта предполагается [98, 99]β ( R ) = k1α ( R ) 2 .k(2.37)а при решении по методу Фернальда [90, 91]β( R) =α1 ( R ) α 2 ( R ) 1+= α ( R ) + ( Rs − 1) α 2 ( R )  ,s1s2s1(2.38)где k1, k2, s1, s2, Rs=s1/s2 – известные константы, а α2(R) также предполагаетсяизвестным.

Условия (2.37) и (2.38) могут быть выражены объединенной формулой [106]β( R ) = a  α ( R ) с + bα 2 ( R )  ,(2.39)где a = k1, b = 0, c = k2 для решения Клетта и a = 1/s1, b = (Rs – 1), c = 1 для решения Фернальда. Представим коэффициент ослабления в модифицированномвидеα∗ ( R) = 1 [ α( R) + bα 2 ( R)]c(2.40)и введем функцию X*(R), являющуюся решением дифференциального уравнения42d ln X ∗ ( R ) =dR1 d ln X ( R ) b− 2 α2 ( R ) ,cdRc(2.41)Тогда получим решение для α*(R) в видеα ( R) =∗X ∗ ( R)X ( Rmax )+2α∗ ( Rmax ),Rmax∫X∗(2.42)( r ) drRгде α*(Rmax) – значение модифицированного коэффициента ослабления на границе области зондирования Rmax.2.3.2. Двух- и многоволновое зондирование аэрозолейДвухволновое зондирование аэрозоля позволяет вместе с определениемкоэффициента ослабления проводить при некоторых допущениях идентификацию типа аэрозоля. При этом обычно приходится использовать такие длиныволн зондирующего излучения, на которых поглощением атмосферными газами пренебречь нельзя.