Лазерные системы дистанционного зондирования

Глава 6. ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ [c.232]

Лазерные системы дистанционного зондирования [c.233]

Рис. 10.10. Спектры флюоресценции морской воды и четырех различных типов нефти, разлитых на морской поверхности. Получены во время натурных испытаний в Кембридже (шт. Массачусетс) экспериментального образца самолетной лазерной системы дистанционного зондирования нефтяных разливов Центра транспортных систем [213].

Оба указанных механизма потерь могут изменить предсказываемый уравнением (7.64) закон уменьшения от расстояния (1// 2) падающей на фотодетектор рассеянной мощности лазерного излучения. Это имеет большое значение в том случае, когда лидарные измерения должны обеспечиваться в большом интервале расстояний. Например, лазерный датчик дистанционного зондирования, который предназначен для работы на расстоянии от 100 м до 10 км, должен иметь динамический диапазон 10 . Хотя для обеспечения таких динамических диапазонов существуют электронные методы (см. разд. 6.2), ясно, что сжатие сигнала, обусловленное конструкцией оптической приемной системы, имеет свои преимущества. [c.305]

В последнее десятилетие широкое распространение получили лазерные системы контроля состояния окружающей среды. Традиционный арсенал методов лазерного зондирования базируется главным образом на процессах линейного взаимодействия излучения с газовой и аэрозольной компонентами атмосферы [27, 28, 33, 38, 39]. Вместе с тем существует целый ряд чрезвычайно интересных задач, решение которых линейными методами зондирования неэффективно как из-за возникающих технических трудностей ввиду малых сечений взаимодействий, так и из-за принципиальных физических ограничений, когда указанные эффекты не содержат информации об искомых параметрах среды. К такого ряда задачам относятся, например, дистанционный элементный анализ конденсированного вещества аэрозолей и подстилающей поверхности, определение содержания инертных газов, обнаружение сверхнизких концентраций газовых примесей и паров веществ с коэффициентами селективного поглощения <10" см и ряд других задач, связанных, в частности, с диагностикой индустриальных загрязнений, а также оконтуриванием месторождений полезных ископаемых по их газовым проявлениям. [c.188]

Монография является очередным томом в серии книг, посвященных современным проблемам оптики атмосферы. Основное внимание уделяется теории обратных задач светорассеяния аэрозольной и молекулярной компонентами и ее применению в оптических методах дистанционного зондирования атмосферы. Актуальность монографии обусловливается необходимостью разработки теории оптического зондирования атмосферы, ее систематизированного изложения в рамках единого методологического подхода, созданием вычислительных методов и программных комплексов обработки оптических данных по светорассеянию. В частности, для того чтобы в полной мере реализовать информационные возможности оптических систем лазерного зондирования рассеивающей компоненты, необходима прежде всего теория обратных задач светорассеяния аэрозольными системами. Развитие оптических средств исследования атмосферы из космоса требует разработки теории касательного зондирования, учитывающей влияние на перенос излучения подстилающей поберхности и эффектов многократного рассеяния. И наконец, осознание того важного обстоятельства, что только комплекс оптических средств при синхронном зондировании в состоянии обеспечить получение адекватной информации о состоянии атмосферы, требует разработки теории оптического мониторинга как единой совокупности взаимосвязанных обратных оптических задач. Результаты исследований, полученные авторами в перечисленных выше направлениях, составляют основу настоящей монографии. Частично эти результаты излагались ранее в монографиях авторов [17, 33, 36] и ряде других работ. [c.5]

При лазерном дистанционном зондировании атмосферы реализуемые плотности мощности зондирующих импульсов обычно много меньше пороговых значений, поскольку лазерные пучки, направляемые по трассе зондирования в атмосферу, как правило, предварительно расширяют в коллиматорах для получения узкой диаграммы направленности, необходимой, во-первых, для более высокой избирательности исследуемых атмосферных объемов на конце трассы зондирования и, во-вторых для снижения фоновых засветок в приемной оптической системе, поле зрения которой выбирается в соответствии с расходимостью лазерного пучка. Одновременно с традиционными схемами лазерного зондирования за последнее десятилетие успешно развиваются методы, в которых используются нелинейные эффекты, существенно расширяющие возможности лазерного зондирования различных параметров атмосферы, включая загрязняющие ее компоненты. [c.33]

Лазер является одним из наиболее универсальных инструментов. Лазеры позволяют расширить возможность компьютеров и систем связи, заменить электронику оптоэлектроникой с их помощью выполняют тонкие микрохирургические операции на клетке лазеры находят применение и в военной области. Поэтому не вызывает удивления та важная роль, которую играют эти приборы в дистанционном зондировании. Специфические свойства лазеров делают их идеальным инструментом исследования в данной области. Действительно, способность лазеров эффективно проводить анализ удаленных объектов открывает новые горизонты в области дистанционного зондирования. В настоящее время уже продемонстрированы чрезвычайно широкие возможности применения данных приборов. Например, наземная лазерная система оказалась способной зарегистрировать атомы натрия на высоте 90 км на фоне других составляющих более высокой концентрации. Еще более примечательным явилось то, что эта система позволила эффективно сосчитать эти атомы, когда их концентрация не превышала 10 см . [c.7]

Жесткость ограничений, налагаемых на любую систему лазерного дистанционного зондирования нормами техники безопасности, в большой степени зависит от режима работы системы. Для систем, которые работают ночью и имеют лазерные пучки, ориентированные в небо, существуют значительно менее строгие ограничения на параметры по сравнению с бортовыми [c.229]

На длинах волн короче 300 нм также имеется широкий набор переходов в различных веществах, однако отсутствие удобных перестраиваемых лазеров в этом диапазоне длин волн ограничивает область их использования в приложениях дистанционного зондирования. Лазерное излучение с непрерывной перестройкой вплоть до 230 нм (табл. 5.4) может создаваться за счет удвоения частоты излучения лазеров на красителях, однако такие системы являются достаточно сложными и имеют весьма ограниченную выходную энергию. [c.254]

Существуют четыре предельных случая, которые встречаются в больщинстве ситуаций, имеющих место при лазерном дистанционном зондировании. Рассмотрим три предельных случая, в которых предполагается, что система обладает такой спектральной полосой пропускания, что вкладом рассеянного лазерного излучения в фоновый шум можно пренебречь, т. е. е (Я) 5 Еь (Я). Правомерно также предположить, что прак- [c.261]

Монография состоит из четырех разделов. Это прежде всего теория обратных задач светорассеяния полидисперсными системами частиц, теория многочастотного лазерного зондирования как основного оптического метода дистанционного оперативного [c.5]

Очередной крупный шаг в развитии лазерных систем дистанционного зондирования был сделан после осознания того факта, что использование коротковолновых лазеров может расширить область их приложений за счет возможности использования индуцированной лазерным излучением флюоресценции и привести к разработке новых систем дистанционного зондирования эти системы впоследствии получили название лазерных флюорометров . Определенный интерес, в частности, представляла флюоресценция, индуцированная в тонких нефтяных пленках, — на основе ее использования разрабатывались новые устройства, способные регистрировать и классифицировать нефтяные загрязнения. Проведенные полетные испытания этих устройств показали, что наряду с вышеупомянутыми функциями они могут обеспечить измерение толщины нефтяных пленок в диапазоне 1—10 мкм. [c.19]

Выше указывалось, что телескопы, используемые в оптических приемных системах лазерных приборов дистанционного зондирования, всегда имеют какое-либо затеняюшее тело, а многие снабжены также ограничивающими апертурами, меньшими,, чем объектив или зеркало телескопа. [c.300]

Последний член выражения в знаменателе представляет собой сумму темнового тока и щумового тока Джонсона. У больщинства лазерных приборов дистанционного зондирования детектор имеет некоторое внутреннее усиление и, следовательно, членом выражения, определяемым щумом Джонсона, можно пренебречь. Как указано в гл. 6, существуют три предельных случая для отнощения сигнал/щум на выходе приемной оптической системы лидара, при которых длина волны отраженного от мищени сигнала значительно смещена относительно длины волны лазерного излучения, для того чтобы обеспечить достаточное спектральное разделение с лазерным излучением, рассеянным в обратном направлении (см. табл. 8.1 >). [c.323]

Хотя эти лазеры могут возбуждаться электронными пучками, в существующих системах, представляющих интерес для лазерного дистанционного зондирования, используются быстрые поперечные электрические разряды. При большом давлении в активной среде образуются трехатомные компоненты, такие, как КггР, что и хорошо, и плохо. Плохо потому, что происходи- [c.213]

Ограничения общего порядка, которые встречаются во всех действующих системах лазерного дистанционного зондирования, связаны с обеспечением безопасности работы. Очевидно, в большей степени это относится к бортовым системам, лазерные пучки которых ориентированы вниз, чем к системам с пучками, направленными вверх, однако независимо от используемой системы существуют довольно жесткие ограничения на энергию или пиковую мощность излучения в зондирующих лазерных пучках. Национальный институт стандартов США (ANSI) опубликовал рекомендации [169] относительно предельно допустимых экспозиций (ПДЭ) для различных участков спектра. Однако правомерность рекомендаций оспаривается авторами работы [170] и публикации Laser Fo us (1976). [c.229]

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 [204—206]. Возможность лазерных исследований замутненности воды естественным образом проявилась в последующей серии экспериментов [207]. [c.238]

В определенных случаях, в частности при использовании методов лазерного зондирования, основанных на флюоресценции или комбинационном рассеянии, обратно рассеянное лазерное излучение может ограничивать чувствительность лидарной системы двояким образом. Если спектральная фильтрация недостаточна, то часть отраженного лазерного излучения совпадает с полезным сигналом. Кроме того, если имеются недостатки в конструкции лидара, то при работе с коротковолновым лазерным излучением возможна ситуация, когда рассеянное на небольшом расстоянии от лидара излучение будет индуцировать флюоресценцию в некоторых деталях приемной оптической системы (например, объективе) или приводить к насыщению фотодетектора. Этого можно избежать путем установки узкополосного фильтра, не пропускающего лазерное излучение, перец всеми незащищенными деталями лидарной системы. Лидары с биаксиальной конфигурацией в значительно меньшей степени подвержены последнему недостатку. Тем не менее очевидно, что это явление необходимо учитывать при конструировании лазерной аппаратуры для дистанционного зондирования. [c.320]

Рис. 10.12. Схема самолетного лазерного флюорометра Канадского центра дистанционного зондирования. (Не изображены системы питания лазера, подачи азота, вакуумной откачки, а также устройство обработки данных, включающее дисплей и другие периферийные устройства.)

Лазерный флюорометр Мк П1 Канадского центра дистанционного зондирования является типичным гидрографическим лидаром, устанавливаемым на борту летательных аппаратов. Интересующий объект зондируется с помощью надежного лазера на азоте, работающего на длине волны 337 нм. Одновременно 16-канальная фотоприемная система (рис. 10.12) регистрирует обратную флюоресценцию в диапазоне 380—700 нм. Основные технические характеристики этой системы даны в табл. 10.1. Первый канал расположен так, чтобы центр приходящегося на него спектрального участка совпадал с линией [c.487]

Среди широкого спектра нелинейных оптических явлений наибольший интерес в приложении к проблеме зондирования вызвал низкопороговый лазерный пробой на твердых включениях дисперсной среды. Указанный эффект является технически реализуемым в реальной атмосфере на расстояниях в сотни метров от излучателей, в качестве которых могут применяться импульсные лазеры, например, на СО2, HF, DF, стекле с неодимом и эксиме-рах, снабженные системой фокусировки пучка. Дистанционный лазерный пробой сопровождается генерацией оптических спектров испускания, электрического и магнитного импульсов, а также широкополосного акустического излучения. Это может служить физической основой бесконтактных методов определения атомного состава и ряда метеорологических параметров пограничного слоя атмосферы по схеме источник — приемник, т. е. без решения математической обратной задачи. [c.194]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...