Методы лазерного дистанционного зондирования

Обзор методов лазерного дистанционного зондирования и значений соответствующих дифференциальных сечений будет дан в гл. 6. В табл. 3.6 приведены измеренные значения сечений и соответствующих коэффициентов поглощения некоторых газов. Отметим, что коэффициент поглощения в стандартных условиях, измеряемый в единицах (млн- -см)-, связан с сече- [c.134]

Среди всех известных методов мониторинга атмосферы, включая всевозможные методы прямых контактных измерений ее параметров, а также методы активного и пассивного дистанционного зондирования, несомненным преимуществом обладают методы активного дистанционного зондирования с использованием лазерных источников излучения. Методы лазерного зондирования, и только они, обеспечивают получение профилей или полей различных параметров атмосферы с исключительно высоким временным и пространственным разрешением, обладая при этом рекордными концентрационными чувствительностями. [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]

Выходное излучение ранних твердотельных лазеров обычно состояло из серий острых всплесков с продолжительностью серий во много микросекунд. Длительность каждого всплеска составляла 10 не, а их пиковая мощность редко превышала 10 кВт. Лазерное излучение в такой форме имело ограниченную ценность для лазерного дистанционного зондирования. Метод модуляции добротности позволяет сконцентрировать большую лазерную энергию в одном очень интенсивном импульсе с пиковой мощностью, которая может превышать 10 Вт, и длительностью 20 НС. [c.185]

Вероятно, самую важную роль твердотельные фотодетекторы будут играть в.распространении метода дифференциального поглощения на инфракрасную область спектра. Большие потенциальные возможности лазерного дистанционного зондирования, связанные с этим методом, обусловлены его способностью детектировать в инфракрасной области спектра самый широкий набор молекул различного типа. При использовании лидаров с дифференциальным поглощением в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне (ИК — ДПР) концентрацию исследуемых молекул определяют по разнице сигналов, полученных от двух, имеющих небольшое различие в длине волны лазерных импульсов, рассеянных в обратном направлении. Фактически дифференциальное уменьщение наблюдаемого сигнала в районе длины волны Яо связано с тем, что область зондирования имеет протяженность А оно возникает из-за ослабления сигнала от исследуемых молекул, по которым настроен лазер, и имеет вид [c.328]

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]

Одним из перспективных методов оперативного контроля пространственно-временной изменчивости оптического состояния атмосферы является лазерная импульсная локация. Исследование ее информационных возможностей при решении разнообразных прикладных задач и вопросы технической реализации соответствующих измерительных комплексов освещены в монографиях [6, 7,. 15, 21, 22]. Однако в полной мере возможности этого нового оптического метода могут быть реализованы только в случае одновременного зондирования атмосферы на нескольких длинах волн с использованием перестраиваемых по частоте лазеров. Это утверждение справедливо при решении таких задач, как дистанционное зондирование атмосферных аэрозолей в целях определения их микрофизических характеристик, при необходимости одновременного учета эффектов рассеяния и поглощения в интерпретации локационных сигналов и т. п. [c.87]

Ни о каком определении профиля р(г) по одному измерению не может быть и речи. Определение профиля концентрации поглощающей компоненты в этом методе может быть осуществлено лишь при наличии нескольких спектральных измерений. Подобное сопоставление еще раз подчеркивает достоинства метода лазерного зондирования как дистанционного метода локального исследования атмосферы на основе явления рассеяния. Кстати, рассеивающая компонента представлена профилем Р (г) и неявно входит в правую часть уравнения (4.53). [c.261]

Характерной особенностью ППС является исключительная изменчивость его состояния на всех высотах, обусловленная и горизонтальными перемещениями воздушных масс вдоль поверхности Земли, и соответствующими процессами в вертикальном направлении. Изучение этих процессов подвластно дистанционным методам и, прежде всего, методам лазерного зондирования аэрозолей в рутинном режиме. Однако этого пока [c.69]

Стремительные темпы индустриальной деятельности человека сопровождаются все возрастающим загрязнением окружающей среды. Самым распространенным загрязнителем в атмосфере несомненно является аэрозоль, основная масса которого выбрасывается из труб всевозможных промышленных объектов. При этом устранение этих вредных выбросов в атмосферу путем внедрения безотходных или даже малоотходных технологий в ближайшие годы весьма проблематично. Более того, в тех случаях, когда эти технологии и будут созданы, включая использование совершенных систем очистки от вредных выбросов, проблема соответствующего надежного контроля продолжает оставаться актуальной. Таким образом, методы мониторинга характеристик индустриальных аэрозолей имеют принципиальное значение. Не вызывает также сомнений, что первостепенную роль в этих методах должны занимать дистанционные и, прежде всего, методы лазерного зондирования. [c.83]

Наконец рассмотрим проблемы мезомасштабного и глобального экологического мониторинга, например такие, как трансграничные переносы загрязнений в атмосфере, изуче 1ие процессов деструкции озонного слоя атмосферы и им подобные. В решении этих проблем роль дистанционных методов зондирования атмосферных параметров, поверхностных слоев океанов, морей, озер и рек, а также земной поверхности трудно переоценить. И здесь по совокупности возможностей бесспорно вне конкуренции методы лазерного зондирования. [c.202]

Одним из наиболее многообещающих путей решения этой проблемы является создание новых методов и технических средств дистанционного зондирования Земли и ее атмосферы, среди которых важное место отводится использованию активных методов лазерного зондирования с борта самолета и космических аппаратов. [c.5]

Хотя чувствительность детекторов делает методы, основанные на флюоресценции и ДПР, более пригодными для зондирования молекул, имеющих полосы поглощения в видимой или ближней УФ-областях спектра, недавние усовершенствования ИК-детекторов в части повышения их чувствительности придают методу ДПР более универсальный характер [202, 203]. В последнее время широкое распространение получил лидар на дифференциальном поглощении, который используется для всех видов лазерной дистанционной техники, основанной на дифференциальном поглощении. [c.238]

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]

Развитие техники дистанционного лазерного зондирования существенно улучшит понимание человеком окружающей его среды. Хотя применение лазеров для изучения атмосферы находится на раннем этапе своего развития, но и сейчас ясно, что упомянутый метод дистанционного зондирования расширил сферу и количество проводимых атмосферных измерений, что в сущности отображает качественный скачок в наших знаниях [c.361]

Кислородно-азотный баланс атмосферы является одним из главных направлений измерений ввиду возможного сокращения источников свободного кислорода (уменьшения биологических ресурсов моря) и возрастания темпов потребления кислорода в связи с ростом населения и соответственно увеличившимся сжиганием ископаемого горючего. В работе [315] указано, что точное измерение баланса Ог — N2 в атмосфере было бы возможно с помощью лазерного метода дистанционного зондирования, основанного на комбинационном рассеянии излучения. Авторы отмечают, что применение этого метода могло бы улуч- [c.361]

Весьма перспективным для дистанционного зондирования является метод комбинационного рассеяния лазерного излуче- [c.454]

Монография Дистанционное оптическое зондирование атмосферы (том 8) посвящена бурно развивающейся проблеме, связанной с использованием оптических волн для целей зондирования атмосферы как активными, так и пассивными дистанционными методами. Особое внимание уделено анализу методов и технических средств лазерных атмосферных зондов и полученных с их помощью профилей и полей аэрозолей, облачности, ветра, температуры, давления, влажности и газовых компонентов атмосферы, характеристик атмосферной турбулентности. [c.8]

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]

Изложенные выше теория и численные методы интерпретации данных лазерного зондирования атмосферы касались, главным образом, видимого и ближнего ИК-Диапазонов. В задачах дистанционного микроструктурного анализа атмосферных дымок и контроля пространственно-временной изменчивости их оптических характеристик указанные диапазоны оптического зондирования обладают, по всей видимости, наибольшей информативностью. Вместе с тем оптическое зондирование в видимом диапазоне таких аэрозольных образований, как облака, плотные туманы (измороси и т. п.), становится малоэффективным. В частности, весьма затруднительно интерпретировать данные по светорассеянию в силу возрастающего вклада в локационные сигналы фона многократного рассеяния, о чем уже упоминалось в главе. Преодолеть указанную трудность можно, переходя к зондированию облаков лидарами ИК-Диапазона, которые технически в настоящее время реализуются главным образом на основе СОг-лазеров, [c.145]

Коэффициент спектрального блокирования можно также рассчитать, исходя из того, что обратно рассеянное лазерное излучение должно быть гораздо меньше поступающего одновременно с ним полезного сигнала. Тогда для метода дистанционного лазерного зондирования, основанного на комбинационном рассеянии, имеет место следующий критерий [c.321]

Как было показано выше, сушествует весьма ограниченное число методов, которые могли бы заменить лазерное зондирование, основанное на дифференциальном поглощении и рассеянии, когда дело касается дистанционного трехмерного картирования атмосферных образований в тропосфере. Однако его применение не ограничивается низкими слоями атмосферы. В работах [307—309] было отмечено, что этот метод можно использовать при измерениях в стратосфере. Таким образом, лазерное зондирование, основанное на дифференциальном поглощении и рассеянии, является важной методикой и необходимо тщательно рассмотреть факторы, определяющие ее точность и ограничивающие ее чувствительность. [c.344]

Эта глава не будет содержать анализа обширной литературы по изучению атмосферы с помощью лидаров. Сделать такой анализ было бы почти невозможно кроме того, рассматриваемая область исследований находится в постоянном развитии, и материал быстро устаревает. Поэтому основной задачей, поставленной при написании этой главы, является широкий обзор данной темы с указанием тех областей, где желательно применение дистанционного лазерного зондирования. Здесь нет анализа работ по исследованию атмосферы методами, основанными на доплеровском эффекте и использующими лазерную подсветку. Эти методы служат для измерения скорости воздушных потоков и их турбулизации, исследования вихрей, возбуждаемых летательными аппаратами, изучения ураганов, сильных бурь и создания глобальных моделей ветровой деятельности. По этой теме автор рекомендует читателям работу [313] и обзор [314]. [c.361]

В диапазоне 10- —10 М/дм Коэффициенты отражения выход ного зеркала и решетки так же изменялись от красителя к красителю, поэтому данные рис 5 35 можно использовать лишь как качественную информацию при выборе красителя. Как мы увидим ниже, в лазерном дистанционном зондировании часто оказывается желательным иметь возможность одновременно генерировать два независимо перестраиваемых лазерных импульса. В настояшее время для достижения этой цели предложено несколько методов [c.220]

Лазерный флюорометр первоначально предназначался для обнаружения нефтяных поверхностных загрязнений с борта летательных аппаратов. Однако авторы работы [219] указали, что с помощью нового метода активного дистанционного зондирования можно решать широкий класс задач некоторые из них ранее считались неразрешимыми. Рис. 10.7 дает представление о потенциальных возможностях применения лазерного флюорометра. На рис. 10.8, а изображен созданный авторами работы [154] опытный образец лазерного флюорометра, кото рый включал лазер на азоте, работающий на длине волны [c.482]

Лазерное зондирование атмосферы. Проблемы прогнозов погоды и охраны окружающей среды являются, несомненно, важнейшими проблемами века. В последнее время во многих индустриально развитых странах мира значительно расширились исследования по бесконтактным методам определения параметров атмосферы, обеспечивающим возможность получения необходимых данных с весьма высокой оперативностью и в значительных пространственных масштабах. Наряду с радиолокационным, теплйфизиче-ским и акустическим методами дистанционного зондирования различных параметров атмосферы большое внимание уделяется лазерному методу. [c.127]

Глава 6 посвящена прикладным вопросам использования нелинейных и когерентных оптических эффектов в качестве физической основы новых методов лазерного зондирования и повышения эффективности лазерно-навигационных систем. Приведены результаты исследований границ применимости уравнений локации, а также закономерностей нелинейных искажений эхо-сигналов в традиционных схемах зондирования с лазерными источниками повышенной MOuj,HO TH. Изложены результаты разработки нового типа лидаров для дистанционного экспресс-анализа атмосферы методами когерентной и нелинейной оптики. [c.6]

Известные методы лазерного зондирования на основе нелинейных и когерентных эффектов можно объединить в три группы [31]. К первой отнесем лидарные методы, использующие оптическое и радиоизлучения при дистанционном лазерном нагреве и ионизации аэрозольной атмосферы ко второй — методы детектирования сверхслабых спектральных искажений эхосигналов на основе нелинейного усиления влияния атмосферы, включенной в резонатор лазера к третьей — методы нелинейной и когерентной спектроскопии комбинационного рассеяния света на колебательновращательных переходах молекул газовой среды и резонансных колебаниях формы частиц аэрозолей, а также их ориентации полем. [c.189]

Напомним, что оператор Dia, который встречался неоднократно выше, является обратным к Gi. Анализ интегрального уравнения (4.66) и обсуждение методов его численного решения выходит за рамки настоящей работы. Можно лишь заметить, что это уравнение типично для обратных задач спектроскопии атмосферных газов, особенно когда для получения исходной оптической информации используется метод лазерного зондирования в их линиях поглощения. Будучи методом дистанционного оптического зонди- [c.269]

Трассовые методы лазерного газоанализа в ИК-диапазоне спектра постепенно исчезают. Им на смену приходят дистанционные методы зондирования, в том числе с использованием гетеродинных лазеров. Так как избирательность газоанализа и число активных в поглощении атмосферных газов в ИК-диапазоне спектра выше, чем в УФ, когерентные ИК МДП-лидары в будущем могут вытеснить УФ МДП-лидары. [c.198]

Сечение поглощения обычно значительно превышает как эффективное (с учетом тущения) сечение флюоресценции, так и сечение комбинационного рассеяния. Следовательно, на основе ослабления пучка лазерного излучения с соответствующим образом подобранной частотой можно создать чувствительный метод определения средней концентрации определенной компоненты. Для того чтобы выделить вклад поглощения интересующей нас молекулы в ослабление лазерного пучка, обычно применяется метод так называемого дифференциального поглощения, Данный метод предполагает использование двух частот одной в центре линии из полосы поглощения интересующей нас молекулы, а другой — в крыле этой линии. За редким исключением, большинство полос поглощения, представляющих интерес для дистанционного зондирования, лежит в ИК-области спектра и соответствует колебательно-вращательным переходам [124]. Хотя в принципе при таком подходе используется биста-тическая схема лидара остроумное использование отражателей или топографических рассеивателей позволяет работать с более удобным моностатическим лидаром [183—191] К основным недостаткам этого метода относятся низкое пространственное разрешение и малая чувствительность ИК-детекторов. [c.237]

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]

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]

Костин Б. С., Наац И. Э. Исследование атмосферных аэрозолей методом многочастотного лазерного зондирования. I. Теория метода и основы дистанционного микроструктурного анализа аэрозольных полидисперсных систем.—Деп. в ВИНИТИ, per. № 1566—84 от 13.02.84.—63 с. [c.276]

Излагаются фундаментальные основы проблемы дистанционного оптического зондирования атмосферы. Особое внимание уделено наиболее перспективным методам активного лазерного зондирования погодообразующих и загрязняющих атмосферу параметров наземными, самолетными и космическими лидарами. [c.4]

В реализации указанного подхода решающую роль призваны сыграть активные дистанционные методы оптического зондирования атмосферы с помощью лазеров, описанию и применению которых и посвящено основное содержание данной монографии. Авторы ставили перед собой задачу описания фундаментальных основ проблемы лазерного зондирования погодообразующих и загрязняющих атмосферу параметров наземными, самолетными и космическими средствами, а также имеющихся и ожидаемых результатов зондирования с анализом наиболее интересных данных, полученных в последние годы. [c.6]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...