Диссертация (1090700), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, из которых 3 – статьи в журналах, рекомендованных ВАК, остальные –статьи в сборниках трудов научно-технических конференций.Внедрение результатов работы. На основе предложенных методов автором разработана программа обработки лидарных сигналов, которая используется в лидарных стационарных постах СП-1 и СП-2 автоматизированной системы дистанционного мониторинга для регистрации аварий и контроля выбросоввредных веществ в атмосферу «АСДМ-Лидар» (имеется акт о внедрении).Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе на кафедре телекоммуникационных систем Московского государственного университета информационных технологий, радиотехники и электроники (имеется акт овнедрении).Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения,пяти глав, заключения, двух приложений, списка источников информации,включающего 120 наименований; содержит 151 страницу текста, 53 рисункаи 4 таблицы.12ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ЛИДАРНОГОИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ В ЗОНАХ КС И ЧС1.1. Этапы развития и современное состояние исследования атмосферы спомощью лидаровИсследование атмосферы, основанное на упругом рассеянии электромагнитного излучения оптического диапазона, появилось в начале ХХ века.
В 1905году В.В. Кузнецов измерил в ночное время высоту облаков с помощью мощного прожектора. В ходе эксперимента была определена высота облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет. Однако интенсивное развитие системдистанционного изучения атмосферы с использованием электромагнитного иоптического излучения началось после изобретения лазера в 1960 г.К основным преимуществам лазера относятся высокая монохроматичность и когерентность получаемого излучения (что даёт возможность изучатьболее подробно тот атмосферный компонент, который рассеивает излучениелазера наиболее интенсивно) и возможность проводить дистанционные измерения (без размещения измерительного прибора на метеозондах, шар-пилотах,метеорологических или геофизических ракетах и т. д).
Именно дистанционность лазерных измерений, возможность определить выбранную характеристику воздушной среды на любом направлении лазерного луча и получить самыеразнообразные сведения о свойствах атмосферы на различных высотах стимулировали их интенсивное развитие. Первые опыты по лазерному зондированиюатмосферы были проведены в 1963 г. итальянским ученым Дж. Фиокко [36].В дальнейшем развитие исследований атмосферы с помощью лидаровбыло связано в основном с развитием импульсных лазеров. Развитие импульсных лазеров позволило генерировать очень короткие лазерные импульсы и проводить пространственно разрешенные измерения подобно радарам. В настоящее время развитие лазерной техники открывает новые перспективы для ли-13дарных систем за счет создания перестраиваемых лазеров и возможности генерации гармоник лазеров (вплоть до 4).
В последнее время существенно ускорилось развитие программных и аппаратных комплексов обработки лидарной информации, что открывает широкие перспективы для улучшения качества лидарных измерений.В настоящее время выделяется несколько наиболее существенных направлений в лидарном исследовании атмосферы, для каждого из которых характерны свои отдельные задачи. Эти направления таковы [34].Лидары и лидарные системы для изучения аэрозолей и газов в естественной атмосфере и измерения их концентрации в определенной точке Земли.
Задача атмосферного мониторинга с помощью лидаров является одной из ключевых в исследованиях физики атмосферы и прогнозировании развития климата.Среди лидаров, исследующих компоненты атмосферы, можно выделить лидарыдля исследования высотного профиля концентрации озона в верхних слоях атмосферы и лидары для исследования водяного пара. Такие лидары чаще всегобазируются на ИСЗ или Международной космической станции [119].
Наблюдения за основными газообразными компонентами атмосферы осуществляются врамках целого ряда международных программ, таких как «Глобальная системамониторинга окружающей среды» (ГСМОС), «Глобальная система контроля заозоновым слоем земли» (eurotrack), а также в рамках «Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния», подписанной в 1979 г. вЖеневе [70, 74].
Изучение атмосферного аэрозоля во многом сходно с исследованиями газообразных компонентов, различия проявляются в специфическихметодах обработки сигнала, рассеянного на аэрозоле, а также в методах формирования излучаемого импульса.Лидары для детектирования аэрозолей и газов антропогенного происхождения подразделяются на военные и специального назначения, а также лидары для задач локального и местного оперативного мониторинга кризисных ичрезвычайных ситуаций (КС и ЧС) [1, 6, 7, 13, 16, 21, 57, 104].
Основными задачами мониторинга КС и ЧС являются обнаружение источника загрязнения и14регистрация динамики распространения опасного загрязняющего компонентаот источника с привязкой к карте местности. Для решения этих задач перед лидарными системами мониторинга КС и ЧС ставится ряд требований, отсутствующих в лидарных системах изучения естественной атмосферы.
Эти требования включают в себя высокую скорость проведения измерения, высокую скорость обработки и передачи информации, высокое пространственное разрешение, а также дальность зондирования не менее 3 км. Примеры лидарных систем,разработанных в последнее десятилетие в России, Китае, Германии и ряде других стран представлены в [52, 57, 61, 105, 109].Метеорологические и доплеровские лидары, предназначенные для измерения скорости и направления ветра, температуры и распределения влажности.Данные лидары позволяют измерять скорость ветра до высоты 50 км в диапазоне значений 0,5-50 м/с с погрешностью порядка ± 0,2 м/с и температуры до высоты примерно 100 км [60, 82, 85].
Доплеровские лидары имеют в основномпрактическое значение и чаще всего применяются в аэропортах и аэродромах.Многие современные лидарные комплексы являются многофункциональными. В настоящее время лидары для определения параметров аэрозолей в атмосфере, лидары дифференциального поглощения (в англоязычной литературеDifferential Absorbtion Lidar – DIAL) для исследования газов, а также лидарымониторгинга КС и ЧС, измеряющие концентрацию и распределение загрязняющих веществ, разрабатываются в основном в Германии, Франции, США,Китае, России [19, 44, 55, 56, 94, 97, 107, 114].1.2.
Аэрозольные лидары для мониторинга воздушной среды в зонекризисных и чрезвычайных ситуаций, а также в экологическинеблагоприятных районахВ Германии среди прочих разработок можно выделить аэрозольный лидар, разработанный Мюнхенским университетом в рамках полевого эксперимента SAMUM (Saharan Mineral Dust Experiment) [89]. Целью эксперимента15было изучение свойств песчаной пыли в Сахаре, а также её влияния на климатрегиона и Земли в целом. Помимо Мюнхенского университета в экспериментеучаствовали университеты Майнца, Бремена, Лейпцигский институт тропосферных исследований им.
Лейбница. С помощью лидара, устанавливавшегосяна борту исследовательского самолёта Falcon 20 E, проводились измерения высотных профилей оптической толщины и коэффициента ослабления песчанойпыли. В основе лидара − лазер на алюмо-иттриевом гранате, легированный ионами ниодима (Nd:YAG). Накачка осуществляется с помощью диодов. В процессе измерений оптической толщины и коэффициента ослабления песчаныхобразований использовалось усреднение по 100 импульсам. При расчёте оптической толщины использовался метод, основанный на разделении спектра молекулярного и аэрозольного рассеяния с помощью оптического фильтра, построенного на поглощающей йодной ячейке.
Для расчёта коэффициента ослабления по рассчитанной оптической толщине использовался метод логарифмической производной [29]. При обработке применялся фильтр Савицкого-Голея1-го порядка. Результаты измерений, подробная конструкция системы и описание алгоритмов расчёта приведены в [89]. Величина максимального разбросакоэффициента ослабления песчаной пыли составляет 50%, оптической толщины – 20%.В Китае разработкой лидарных комплексов занимается Институт физикиатмосферы Китайской академии наук [120].
Для мониторинга аэрозольных загрязнений в Пекине был разработан лидар на основе Nd:YAG-лазера с длинойволны излучения 1064 нм. Лидар вычисляет вертикальный профиль коэффициента ослабления аэрозоля на дистанции 150 − 1200 м. Результаты измерений,приведенные в [120], позволяют судить о характере аэрозольного загрязнения вПекине в течение дня.
Измерения коэффициента ослабления аэрозоля показали,что в часы пик его величина достигает максимума в 0,0015 м-1. Максимальноезначение коэффициента ослабления аэрозоля наблюдалось на высотах порядка600 − 800 м. При этом погрешность измерений, исходя из анализа данных, приведённых в [120], составляет 40%.16Помимо одноволнового стационарного лидара китайским Институтомфизики атмосферы был разработан двухволновый мобильный лидарный комплекс (МЛК) для исследования облачного покрова и песчаных бурь в пригородах Пекина, а также для мониторинга аэрозольного загрязнения вдоль крупныхтрасс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
