Диссертация (1090700), страница 7
Текст из файла (страница 7)
д.). Расчет проводится с помощью теории рассеяния Ми.Сравнивая (2.17) и (2.20), приходим к выводу, что они имеют как некоторые сходства, так и весьма заметные отличия. Сходство между (2.17) и (2.20)заключается в том, что множитель β(R) в (2.17) может рассматриваться как эквивалент ηц в (2.20) на расстоянии R.
В радиолокации ЭПР цели определяетсякак отношение плотностей потока мощности отраженного и падающего излучения [5, 112]. В литературе по взаимодействию компонентов атмосферы с лазерным излучением [7, 15] β(R) также определяется как отношение плотностейпотоков мощностей отраженной и падающей волны. Оба этих определенияопираются на фундаментальную теорию рассеяния Ми, которая описывает рассеяние электромагнитного излучения на элементарных частицах и рассмотренную выше для β(R).Основное отличие в этих уравнениях состоит в присутствии в (2.17) множителя T(R). Этот множитель отражает затухание, вносимое компонентами атмосферы, которые являются непрозрачными для лазерного излучения. Зависимость этого затухания от расстояния в целом подчиняется закону Бугера. Длярадиоволн атмосферные аэрозоли и газовые компоненты не вносят заметногозатухания, поэтому на приемной стороне принятый сигнал имеется лишь от того участка пространства, где расположена цель.
Атмосферные аэрозольные частицы и молекулы атмосферных газов “размазывают” излучаемый лазерный импульс по времени и вместо импульса на выходе фотоприемника имеется убывающий сигнал, на котором видны выбросы от плотных образований и замут-33нений. По характеру принимаемого сигнала можно определить необходимыйпараметр того или иного компонента атмосферы.Из сказанного выше следует различие задач, решаемых лидарными системами, измеряющими интегральное значение параметров воздуха или их профиль на трассе зондирования, и задач, характерных для систем радио- или лазерной локации. В большинстве случаев в радиолокации длина волны выбирается так, чтобы выполнялось условие a >> λ. При этом размеры частиц и молекул газов настолько малы, что она считается прозрачной, и радиоволны проходят её «насквозь».
В существующих классах радиолокационных систем зондирования плотных атмосферных образований (например, зондирование облаковс помощью метеорадаров) удельная ЭПР ηц этих образований рассчитываетсяпо формуле (2.21), а σчi – по формуле (2.13) [46]. К основным недостаткам радиолокационных средств наблюдения и изучения атмосферы следует отнестивозможность получения только интегральных оценок измеряемых параметров ивозможность наблюдения только крупных образований повышенной плотности(в основном, грозовых облаков). Для систем лазерной локации, лазерных дальномеров или для межспутниковой связи с использованием лазеров в верхнихслоях атмосферы сигнал, рассеянный от атмосферы, считается помехой естественного происхождения [47]. Для лидарных систем изучения атмосферы, в томчисле в системах по определению параметров газодымовых выбросов в зонахКС и ЧС, справедливо обратное: при попадании импульса в сосредоточенныйобъект (стена здания, столб, бытовая антенна и т.
д.) возникает мощная импульсная помеха, мешающая расчёту требуемых параметров.Таким образом, для задач, решаемых лидарными системами исследованияатмосферы, в том числе газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС, необходимыспециальные методы расчёта параметров. По этой причине, а также из-за присутствия шумов в лидарных сигналах, требуются специальные методы обработки. Перед тем, как выбрать методы расчёта параметров атмосферного воздуха, рассмотрим виды рассеяния электромагнитного излучения компонентамиатмосферы.342.2. Виды рассеяния электромагнитного излучения атмосфернымичастицами и молекулами газов, используемые в лидарных системахисследования атмосферыИмпульс лазерного излучения испытывает в пределах своего распространения упругое рассеяние на молекулах атмосферных газов или на аэрозольныхчастицах.
На молекулах газов импульс лазера может также испытывать неупругое рассеяние или вызывать флуоресценцию молекул.Упругое рассеяние Ми используют в большинстве лидарных комплексовдля исследования свойств естественного (водяной пар, пески в пустыне, вулканическая пыль) и антропогенного аэрозоля, в частности при мониторинге загрязнений окружающей среды. Широкое применение процессов упругого рассеяния обусловлено в первую очередь величиной его сечения, которое в тропосфере превосходит сечения всех других процессов рассеяния. В верхних слояхатмосферы используют упругое молекулярное рассеяние в приближении Релея,в том числе и при исследовании свойств газовых компонентов.Комбинационное рассеяние (КР).
Спектральный анализ лазерного излучения, рассеянного молекулами газов, обнаруживает существование серии боковых частот, сдвинутых в обе стороны от частоты падающего излучения f0 на величину, равную величине частоты колебательно-вращательных переходов исследуемых молекул fК [30, 62]. Частоты в спектре рассеянного излучения будутопределяться соотношениемf КР = f 0 ± f К .(2.22)Боковые частоты, меньшие f0, называют стоксовыми линиями, а большие f0 −антистоксовыми. Мощность частотных составляющих комбинационного рассеяния пропорциональна числу молекул в начальных состояниях, переходы скоторых порождают данные составляющие.
Выделяют также процесс резонансного КР, когда частота падающего излучения близка к истинной резонансной частоте молекул исследуемого газа. Выражения для дифференциальногосечения КР описываются согласно теории поляризуемости Плачека, их можно35найти например, в [65]. Там же приведены численные значения сечений длямолекул N2, O2, CO2, CH4.Метод КР не получил широкого распространения, несмотря на то, что он обладает рядом неоспоримых достоинств:– для одновременного возбуждения спектров КР молекул различных газовиспользуется один источник излучения с фиксированной частотой излучения;– интенсивность сигнала КР пропорциональна количеству молекул детектируемого газа в зондируемом объеме;– абсолютная калибровка осуществляется по отношениям сигналов КР отдетектируемого газа и азота, кислорода или углекислого газа, содержание которых в атмосфере достаточно стабильно;– процесс КР практически мгновенный (его длительность 10-14-10-12с).Практически единственным и решающим недостатком метода КР является малое значение сечения процесса.
Мощность излучения при КР обычно на несколько порядков меньше мощности при упругом рассеянии, а при резонансном КР − на 1-2 порядка. Вследствие этого КР используется при зондированиимощных газовых шлейфов в тропосфере при близких расстояниях к исследуемому шлейфу [4, 8], что не всегда возможно сделать если исследуемый газ является опасным загрязнителем. Следует также отметить, что при использованиипроцесса комбинационного рассеяния может появиться весьма сильный побочный сигнал от упругого рассеяния на аэрозольных частицах, зачастую перекрывающий полезный.Флуоресценция представляет собой двухступенчатое фотонное взаимодействие, заключающееся в испускании фотона атомом или молекулой послеперехода их в возбужденное состояние за счёт поглощения фотона падающегоизлучения с частотой, лежащей в пределах одной линии поглощения [62].
Различают резонансную и широкополосную флуоресценции. Резонансной флуоресценцией называют процесс испускания фотонов при переходе из возбужденного уровня в невозбужденные. Резонансная флуоресценция дает дискретный спектр, похожий на спектр комбинационного рассеяния.
Однако в боль-36шинстве случаев возбужденные атомы и молекулы испытывают соударения,приводящие к их безизлучательным переходам на другие возбужденные уровни. Флуоресценция, при которой наблюдаются как безизлучательные переходы,так и переходы под действием падающего излучения, называется широкополосной и дает почти непрерывный спектр с довольно широкой полосой. Процессы флуоресценции обладают большим сечением по сравнению с комбинационным рассеянием, но при этом они имеют конечное время затухания и протекания процесса, тогда как комбинационное рассеяние протекает практическимгновенно. Время жизни возбужденных состояний атомов и молекул в УФ ивидимом диапазонах составляет примерно 10−5 − 10−7 с, а время соударения между ними на уровне моря примерно 10−10 с [49], что может привести к снятиювозбужденного состояния при столкновении возбужденных и невозбужденныхмолекул в воздухе − «тушение» флуоресценции.
Тушение особенно значительно в нижних слоях тропосферы в ИК-диапазоне при высоком давлении, можетприводить к ослаблению мощности принимаемого сигнала на несколько порядков. За счет тушения, а также из-за широкополосности принимаемого сигнала,при использовании флуоресценции происходит снижение отношения сигналшум.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
