Оглавление
Введение..............................................................5
Глава 1. Способы регистрации лидарных сигналов большого динамического диапазона.............................................................14
1.1. Уравнение лазерной локации.....................................14
1.2. Геометрический фактор лидара...................................17
1.3. Отбор фотоэлектронных умножителей, работающих в режиме счета одноэлектронкых импульсов.........................................21
1.4. Способы расширения диапазона линейной работы фотоэлектронных умножителей при регистрации лидарных сигналов.....................25
1.4.1. Оптико-механические методы расширения диапазона линейной работы фотоприемников.........................................28
1.4.2. Электронные методы расширения диапазона линейной работы фотоприемников................................................33
1.5. Математические методы устранения искажений лидарных сигналов ..39 Выводы.......................................................... 43
Глава 2. Оптимизация работы каналов УФ лазерного зондирования на. Сибирской лидарной станции............................................44
2.1. Основы восстановления профилей озона методом дифференциального поглощения........................................................44
2.2. Аппаратурная реализация лидара по зондированию стратосферного озона.............................................................46
2.3. Влияние аппаратурных искажений лидарных сигналов на погрешность восстановления профилей концентрации стратосферного озона.........48
2.4. Программные и аппаратные способы улучшения точности регистрации лидарных сигналов.................................................50
2.4.1. Коррекция лидарных сигналов на просчеты, обусловленные «слипанием» импульсов фотоприемников..........................51
2.4.2. Корректное определение фонового сигнала на конце трассы зондирования и между зондирующими импульсами..................53
2.4.3. Модернизация приемо усилительного тракта озонового лидара СЛС 54
2.4.4. Автоматизация управления работой механического обтюратора...60
2.5. Модернизация УФ лидара для зондирования влажности в тропосфере
..................................................................... 64
Выводы................................................................67
Глава 3. Разработка канала зондирования облачности в дневное и ночное время на Сибирской лидарной станции.....................................69
3.1. Схемное построение лидара для зондирования характеристик облачности..........................................................70
3.2. Регистрация сигналов от облаков в дневное и ночное время в видимом и ИК - диапазоне спектра............................................74
3.3. Некоторые результаты измерений характеристик облачности..........76
Выводы................................................................80
Глава 4. Разработка автоматизированного аэрозольно-температурного комплекса Сибирской лидарной станции....................................82
4.1. Основы метода восстановления стратосферного аэрозольного слоя и. температуры средней атмосферы из данных лазерного зондирования 83
4.2. Общая схема автоматизированного аэрозольно-температурного комплекса и его технические параметры...............................87
4.3. Сравнение компактного лидара на основе Nd:YAG лазера с • аэрозольным каналом СЛС на основе лазера на парах меди................93
4.4. Автоматизация управления работой системы фотоэлектронной регистрации и оптико-механических узлов компактного лидара на основе Nd:YAG лазера.......................................................94
4.4.1. Применение электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ для расширения диапазона линейной работы фотоприемников 96
4.4.2. Разработка автоматизированного юстировочного узла выходного зеркала для передачи лазерного излучения в атмосферу............97
4.5. Измерение вертикальных профилей температуры в диапазоне 10-75 км с помощью основного телескопа СЛС.................................101
4.6. Сравнение результатов лидарных наблюдений интегральных характеристик аэрозольного слоя стратосферы в Томске и Минске 103
4.7. Вертикальная структура стратосферного аэрозольного слоя по данным
стационарных и экспедиционных измерений.............................105
Выводы...............................................................109
Заключение............................................................111
Литература............................................................114
Приложения............................................................124
Приложение 1 Акт об использовании стратосферного аэрозольного лидара
в Отделе физических проблем БНЦ СО РАН..............................124
Приложение 2 Программа автоматической юстировки направленности лазерного излучения на максимальную высоту зондирования...........125
5
Введение
Актуальность проблемы. Для обнаружения климатоэкологических атмосферных изменений, для оценки степени влияния природных и антропогенных факторов на подобные изменения требуются регулярные длительные измерения параметров атмосферы. Одной из наиболее острых проблем является обнаруженное уменьшение содержания стратосферного озона в умеренных и особенно полярных широтах. Стратосферный озоновый слой, как известно, является единственным природным фильтром, который оберегает биосферу от губительной коротковолновой части ультрафиолетовой солнечной радиации. Поэтому исследование физикохимических механизмов, определяющих изменения озонового слоя, является одной из наиболее актуальных задач физики атмосферы.
Значительное влияние на радиационный режим атмосферы оказывает стратосферный аэрозольный слой (САС). Массовое содержание фонового стратосферного аэрозоля (СА) в десятки раз меньше, чем масса аэрозоля в периоды вулканического возмущения стратосферы. Так, после мощнейшего в XX в. извержения вулкана Пинатубо (июнь 1991 г.) глобальная масса НгЗС^-Н20 стратосферного аэрозоля оценивалась величинами от 21 до 40 Мт, в то время как для фоновых периодов оценки составляют от 0,6 до 1,2 Мт [1]. При этом стратосферная аэрозольная оптическая толща, которая рассматривается в качестве главного параметра, определяющего воздействие стратосферного аэрозольного слоя на радиационный режим атмосферы и климатические эффекты [2], оценивается на длине волны 0,55 мкм для северного полушария фоновых периодов значениями 0,004-0,007, а после извержения вулкана Пинатубо достигала значений 0,2 [1, 3]. В периоды максимального аэрозольного наполнения стратосферы прямыми измерениями регистрируются значительные радиационно-температурные эффекты — уменьшение приземной температуры на несколько десятых градуса вследствие рассеяния вулканогенным аэрозолем коротковолновой солнечной
радиации и повышение температуры на несколько градусов на высотах локализации слоя вследствие поглощения ИК восходящей радиации Земли И, 5].
Медленные температурные изменения могут быть обусловлены и фоновым аэрозолем при накоплсшш его содержания в стратосфере в результате роста промышленного производства. Гипотеза об антропогенном увеличении массы фонового СА до 5% в год была высказана на основе сравнения аэрозольного содержания в фоновые периоды 1979 и 1989-90 гг. [6]. По модельным расчетам при ежегодном увеличении антропогенного потока карбонилсульфида в стратосферу на 4,5% к 2050 г. оптическая толща СА увеличится более чем на порядок, и средняя приземная температура уменьшится на 1,5° [7]. В связи с проблемой возможных климатических последствий антропогенного увеличения мощности САС исследованиям в этой области уделяется большое внимание.
Необходимы знания о природе, источниках, характеристиках и динамике фонового СА. Кроме того, фоновый СА необходимо учитывать при модельном анализе баланса малых газовых составляющих атмосферы. О учетом того, что характеристики САС имеют географические особенности, сезонные и другие циклы изменчивости, необходимы долговременные, в больших пространственных масштабах климатологические исследования САС. При этом, используя СА как трассер динамических процессов в нижней стратосфере, возможно исследовать по широтному градиенту его распределения процессы меридиональных переносов.
Не менее актуальной является проблема уменьшения температуры верхней стратосферы и мезосферы в течение последних 20 лет. Эту тенденцию рассматривают с позиции влияния антропогенного фактора, в частности за счет увеличения содержания «парниковых» газов, участвующих в радиационном выхолаживании средней атмосферы.
Исследованию этих проблем посвящены современные международные программы и проекты, например МАР (программа «Средняя атмосфера»);
SPARC (проект «Стратосферные процессы и их роль в климате»); NDSC (проект «Сеть обнаружения стратосферных изменений»), Европейская сеть аэрозольных исследований EARLINET. Во всех этих проектах и программах определенное место занимают методы лазерного дистанционного зондирования, которые обладают большим пространственным и временным разрешением, а также рекордными концентрационными чувствительностями. Всего по данным Интернет сайта ICLAS [8] (Международная координационная группа по лазерному исследованшо атмосферы) на сегодняшний день зарегистрировано 85 лидарньгх групп, среди которых представлена и Сибирская лидарная станция (CJ1C) Института оптики атмосферы Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН). Большинство лидарных обсерваторий работают в режиме регулярных измерений, так как такой режим необходим для обнаружения эпизодических, кратковременных и долговременных атмосферных изменений, постепенно накапливающихся под действием природных и антропогетшх факторов, а так же сезонных, квазидвухлетних и других циклических изменений.
На большой территория России в режиме регулярных измерений стратосферного озона, аэрозоля и температуры работает лишь Сибирская лидарная станция в г. Томске, которая начала свою работу с конца 80-х годов. Многочастотная, многоканальная Сибирская лидарная станция имеет в своем составе главный телескоп диаметром 2,2 м, который осуществляет прием сигналов из стратосферы и мезосферы, а также телескопы меньшего диаметра 0,5 и 0,3 м. Первые профили стратосферного аэрозоля были получены в 1986 году [12], в 1988 году был организован канал зондирования стратосферного озона, а в 1995 году на базе главного приемного телескопа диаметром 2,2 м был разработан канал зондирования профилей температуры в диапазоне 30-70 км. В 1996 году СЛС была включена в число уникальных экспериментальных установок России (per. № 01-64).
Требование регулярности наблюдений параметров атмосферы ставит задачи обеспечения оперативности и надежной работы лидарной техники,
для чего необходимо проведение комплексной автоматизации управления работой приемопередающих блоков лидаров. Существует также проблема обеспечения линейного режима работы систем фотоэлектронной регистрации лидарных сигналов в большом динамическом диапазоне. Для этого необходимо применять меры сокращения динамического диапазона лидарных сигналов, так как он может достигать 10-12 порядков, в то время как диапазон линейности современных счетных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) не может превышать 5 порядков.
Учргтывая все вышесказанное можно сформулировать цель и основные задачи исследования диссертационной работы.
Цель работы: модернизация каналов лазерного зондирования характеристик атмосферы на Сибирской лидарной станции для расширения числа измеряемых параметров и комплексной автоматизации управления фотоэлектронными и оптико-механическими системами лидарных приемопередатчиков.
В нашем случае под каналом лазерного зондирования мы подразумеваем лидарную систему, обеспечивающую измерение определенного параметра атмосферы: озона, аэрозоля, температуры, облачности или влажности на конкретных длинах волн.
В холе работы выполнялись следующие задачи:
• Исследование и отбор счетных фотоприемников, работающих в ультрафиолетовом, видимом и ИК - диапазонах спектра, для установки их на лидары СЛС.
« Разработка и изготовление устройств сокращения большого динамического диапазона лидарных сигналов.
• Оптимизация работы канала зондирования стратосферного озона на основе программных и аппаратных способов повышения точности измерений лидарных сигналов.
• Разработка канала по зондированию профилей влажности в тропосфере, получаемых на основе сигналов обратного комбинационного рассеяния.
• Разработка канала зондирования характеристик облачности в дневное и ночное время.
• Разработка систем фотоэлектронной регистрации лидарных сигналов и автоматизация управления работой аэрозольно-температурного комплекса на базе приемных телескопов диаметром 0.3 и 2.2 м, позволяющего одновременно получать профили' оптических характеристик стратосферного аэрозоля в диапазоне 10-30 км по обратным сигналам упругого рассеяния и профили температуры в диапазоне 10-75 км по сигналам комбинационного и упругого рассеяния.
• Разработка перевозимого варианта стратосферного аэрозольного лидара на базе приемного телескопа диаметром 0.3 м. для проведения экспедиционных измерений от средних до субполярных широт регионов Сибири с целью климатологических исследований фонового состояния стратосферного аэрозольного слоя.
На защиту выносятся:
1. Способ электронного управления коэффициентом усиления ФЭУ, работающего в режиме счета фотонов, путем подачи управляющих импульсов на фотокатод или первые диноды в зависимости от его конструктивных особенностей и устройства его реализующие, которые позволяют на практике расширить диапазон линейности ФЭУ до пяти порядков.
2. Лидар для зондирования перистой облачности, работающий в режиме счета одноэлектронных импульсов в ближнем ИК диапазоне спектра, обеспечивающий оперативное получение лидарных сигналов с временным
• 10
разрешением (до 3-х секунд) в дневное и ночное время даже при наличии нижележащих облаков с оптической толщей не более 0.3.
3. Программные и аппаратные способы повышения точности измерений лидарных сигналов за счет корректного определения фона и обеспечения линейкой работы ФЭУ, а также коррекции сигналов на просчеты фотоприемников, позволяющие расширить высотный диапазон получения физически достоверной информации о стратосферном озоне с 15-35 км до 10-45 км.
4. Компактный перевозимый макет аэрозольного лидара и полученные с его помощью результаты экспедиционных измерений характеристик стратосферного аэрозольного слоя в разных регионах Сибири от средних до субполярных широт.
Научная новизна работы
• Получен многолетний ряд данных наблюдений за динамикой вертикального распределения озона, аэрозоля и температуры в условиях возмущения стратосферы мощным вулканическим извержением и в фоновых условиях длительного вулканически спокойного периода.
• Разработанная оптико-электронная система одновременной регистрации лидарных сигналов обратного упругого молекулярного рассеяния на длине волны 532 нм в высотном диапазоне 30-75 км и обратного комбинационного рассеяния от молекулярного азота на длине волны 607 нм в высотном диапазоне 10-30 км позволяет одновременно получать из данных лазерного зондирования непрерывный профиль температуры в высотном диапазоне 10-75 км.
• Впервые проведены лидарные климатологические исследования стратосферного аэрозольного слоя от средних до субполярных широт региона Сибири, в условиях длительного вулканически спокойного периода.
- Киев+380960830922