Атмосферный лидар - Atmospheric lidar

Атмосферный лидар - это класс инструментов, использующих лазерный свет для изучения свойств атмосферы от земли до верхних слоев атмосферы . Такие инструменты использовались, среди прочего, для изучения атмосферных газов, аэрозолей, облаков и температуры.

История

Основные концепции изучения атмосферы с помощью света были разработаны еще до Второй мировой войны . В 1930 году Э. Х. Синге предложил изучать плотность верхних слоев атмосферы с помощью прожектора . В последующие годы лучи прожекторов использовались для изучения высоты облаков с использованием как сканирующего, так и импульсного света. Также были предложены передовые методы изучения свойств облаков с использованием рассеянного света с разными длинами волн . В первых экспериментах в тропосфере наблюдались картины рассеяния света, несовместимые с чистой молекулярной атмосферой. Эта несовместимость объяснялась взвешенными частицами дымки. Подобные методы были также разработаны в СССР. Техника прожекторного луча продолжала совершенствоваться после окончания войны, с появлением более точных инструментов и новых параметров атмосферы, таких как температура. В то же время импульсный свет был использован для создания дальномера для измерения расстояния. объектов, но осталась только экспериментальная конструкция.

В 1960 году Т. Майман продемонстрировал первый функциональный лазер в исследовательских лабораториях Хьюза . Демонстрация стала поворотным моментом для разработки лидаров. Вскоре после этого инженеры Hughes Aircraft Company разработали лазерный дальномер, использующий свет рубинового лазера . Новое устройство, получившее название колидар (когерентное обнаружение света и определение дальности), получило широкую известность. В 1962 г. Л. Смуллин и Г. Фиокко использовали рубиновый лазер для обнаружения эхо-сигналов от Луны . Во время своих экспериментов они наблюдали свет, рассеянный в верхних слоях атмосферы, который они приписали частицам пыли. Вскоре несколько исследовательских групп сконструировали аналогичные устройства для наблюдения за атмосферой. К 1969 году «более 20 лазеров использовались метеорологами в Соединенных Штатах, по крайней мере, на полурегулярной основе» для различных приложений, включая измерения аэрозолей, наблюдения за перистыми перистыми облаками и серебристыми облаками , а также измерения видимости.

Дизайн

Упрощенное представление установки лидара показано на рисунке 1. Передающий блок состоит из лазерного источника, за которым следует серия зеркал, и расширителя луча, который направляет коллимированный световой луч вертикально вверх в открытую атмосферу. Часть прошедшего излучения рассеивается компонентами атмосферы (например, газами, молекулами, аэрозолями, облаками) назад к лидару, где оно улавливается телескопом . Обратно рассеянный свет направляется в оптический анализатор, где оптический сигнал сначала спектрально разделяется, усиливается и преобразуется в электрический сигнал. Наконец, сигнал оцифровывается и сохраняется в компьютерном блоке.

Приложения

Облака

Лидары доказали свою полезность для классификации типов облаков (например, кучевые и перистые). Границы облаков можно определить с помощью наземного лидара, работающего в видимом и / или ближнем инфракрасном диапазоне. Высоту нижней границы облаков можно определить по разнице во времени между коэффициентом пропускания лазерного импульса в небо и обнаружением обратно рассеянного света телескопом. Лазерный луч всегда ослабляется, когда он проходит сквозь облака. Однако при использовании мощного лазера (например, Nd: YAG-лазера с высокой энергией в импульсе) вершины облаков также могут быть извлечены. Еще один физический параметр, который можно получить, - это фаза облака. Используя линейно поляризованный лазерный луч, коэффициент линейной деполяризации частиц (δ) может быть определен как отношение измеренной интенсивности перпендикулярного обратного рассеяния к интенсивности параллельного обратного рассеяния относительно оси поляризации передатчика:

${\ displaystyle \ delta = {\ frac {I _ {\ perp}} {I _ {\ parallel}}}}}$

Когда этот параметр равен нулю (сигнал обратного рассеяния имеет линейную поляризацию), облако содержит жидкие сферические капли. Однако, когда облако содержит кристаллы льда, обратно рассеянный свет достигает приемного устройства с кросс-поляризованной составляющей, и δ имеет более высокое значение (0 <δ <1). Капли жидкости имеют тенденцию вести себя как симметричные рассеивающие элементы, а кристаллы льда - асимметричны.

Использование отношения поляризации обычно включает неявное предположение, что частицы в объеме ориентированы случайным образом. Поляризационные свойства ориентированных частиц не могут быть должным образом представлены коэффициентом деполяризации. Кристаллы льда, как известно, ориентируются горизонтально, когда они достаточно большие, чтобы силы сопротивления преодолевали хаотические эффекты броуновского движения. Дождь также обычно ориентирован, где силы сопротивления сглаживают капли вдоль направления падения. В таких случаях измеренная степень деполяризации может зависеть от конкретного состояния поляризации, используемого лидарной системой. Некоторые системы поляризационного лидара могут измерять всю фазовую матрицу обратного рассеяния, тем самым избегая неоднозначности отношения деполяризации при наличии ориентированных частиц.

Частицы аэрозоля

Одна из самых больших неопределенностей в отношении изменения климата - важность прямых и косвенных воздействий аэрозолей. Неопределенности были подчеркнуты в 4-м оценочном докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК). Большое разнообразие оптических свойств аэрозолей, включая их источники и метеорологические процессы, которым они подвергаются, требует измерений с вертикальным разрешением, которые могут быть выполнены только с помощью обычных лидарных наблюдений. Сети аэрозольных лидаров, такие как Европейская лидарная сеть для исследований аэрозолей (EARLINET), были созданы для согласованного исследования свойств аэрозолей, а также явлений переноса и модификации в масштабах от регионального до континентального. По состоянию на 2015 год EARLINET состоит из 27 лидарных станций, на которых размещено более 44000 профилей. Лидары упругого обратного рассеяния (EBL) широко используются для исследования облаков и аэрозольных слоев с 1960-х годов. EBL детектируют полный обратно рассеянный сигнал (вклад частиц и молекул). Профили коэффициента экстинкции должны быть оценены с использованием молекулярного сигнала и предположения об условно «постоянном» (грубо говоря) отношении аэрозольного поглощения к обратному рассеянию, называемого лидарным отношением. Основное уравнение, известное как уравнение лидара, выглядит следующим образом:

${\ displaystyle P (r) = {\ frac {EL} {r ^ {2}}} O (r) \ left [\ beta _ {\ mathrm {aer}} (r) + \ beta _ {\ mathrm { mol}} (r) \ right] e ^ {- 2 \ int _ {0} ^ {r} \ alpha _ {\ mathrm {aer}} (s) + \ alpha _ {\ mathrm {mol}} (s ) \, ds},}$

( 1 )

где P (r) - мощность рассеянного назад излучения, принимаемого лидарным телескопом на расстоянии r , E - энергия передаваемого лазерного импульса, L - постоянная лидара, суммирующая его оптические характеристики и характеристики обнаружения, O (r) - функция перекрытия, и и - коэффициент аэрозольного / молекулярного обратного рассеяния и экстинкции соответственно. Молекулярное обратное рассеяние и поглощение могут быть получены из метеорологических данных, поэтому единственными неизвестными в уравнении лидара являются и . Однако лидарное соотношение как свойство интенсивного аэрозоля сильно зависит от размера, морфологии и химического состава частиц и сильно варьируется по высоте, что часто ставит под угрозу достоверность профиля исчезновения. Процесс расчета профилей обратного рассеяния и коэффициента экстинкции на основе отраженных сигналов EBL широко известен как метод Клетта и был первоначально формализован Хитшфельдом и Борданом в 1954 году. Вышеупомянутый недостаток в оценке профилей экстинкции преодолевается за счет рамановского (неупругого) лидара обратного рассеяния и высоких спектральных характеристик. лидар разрешения (HSRL). Рамановский лидар работает за счет дополнительного измерения неупругого обратного рассеяния молекулами азота и / или кислорода. HSRL использует подход обработки, но получает дополнительную меру молекулярного обратного рассеяния на переданной длине волны, блокируя спектрально узкие возвратные аэрозоли и проходя спектрально широкие молекулярные отражения. Эти методы обеспечивают прямой расчет коэффициента экстинкции, устраняя необходимость в предположении о лидарном соотношении, поскольку любые дополнительные термины (например, коэффициент молекулярного поглощения) обрабатываются метеорологическими (например, радиозондированием) и данными стандартной атмосферы. После некоторых математических манипуляций с уравнением лидара уравнение, связанное с поглощением, выглядит следующим образом: ${\ Displaystyle \ бета _ {\ mathrm {aer / mol}} (г)}$${\ Displaystyle \ альфа _ {\ mathrm {aer / mol}} (г)}$${\ Displaystyle \ бета _ {\ mathrm {aer / mol}} (г)}$${\ Displaystyle \ альфа _ {\ mathrm {aer / mol}} (г)}$

${\ displaystyle {\ alpha _ {\ mathrm {aer}}} (r, {\ lambda _ {inc}}) = {\ frac {{\ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} r} } \ left [\ ln {\ frac {N _ {\ mathrm {sca}}} {{r ^ {2}} P (r, {\ lambda _ {\ mathrm {sca}}})}} \ right] - {\ alpha _ {\ mathrm {mol}}} (r, {\ lambda _ {\ mathrm {inc}}}) - {\ alpha _ {\ mathrm {mol}}} (r, {\ lambda _ {\ mathrm {sca}})} {1 + {\ left ({\ frac {\ lambda _ {inc}} {\ lambda _ {\ mathrm {sca}}}} \ right)} ^ {\ mathrm {\ AA } (р)}}},}$

( 2 )

где нижние индексы «inc» и «sca» относятся к падающему лазерному свету и смещенному обратно рассеянному свету соответственно (в HSRL эти термины одинаковы, что еще больше упрощает уравнение, но различие необходимо в случае рамановского лидара), N - числовая плотность молекул азота / кислорода и - показатель Ангстрема . Недостатком этого метода является наличие производной в результирующей формуле коэффициента экстинкции ( 2 ), что приводит к потенциальной численной нестабильности, что создает активную область исследований. ${\ Displaystyle \ mathrm {\ AA}}$

Обращение микрофизических свойств аэрозоля.

Выявление микрофизических свойств частиц мотивировано необходимостью более глубокого понимания влияния аэрозолей на климат путем исследования их пространственной и временной изменчивости. Ключевым параметром является распределение количества частиц по размеру. К другим микрофизическим параметрам, связанным с характеристикой аэрозолей, относятся средний (эффективный) радиус, общий объем и концентрация на площади поверхности, комплексный показатель преломления и альбедо однократного рассеяния (климатическое воздействие). В то время как знание свойств аэрозоля (прямая задача) и прогнозирование лидарного сигнала представляет собой простое вычисление, обратный процесс математически некорректен (т. Е. Неуникальное и неполное пространство решений), демонстрируя сильную чувствительность к входным неопределенностям. Оптические параметры могут быть получены из измерений с использованием многоволновых систем лидара упругого комбинационного рассеяния света. Параметры используются в качестве входных данных для алгоритмов инверсии. Коэффициенты экстинкции ( ) и обратного рассеяния ( ), измеренные многоволновым ( ) лидаром, связаны с распределением чисел по размерам через интегральное уравнение Фредгольма первого рода: ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ lambda}$

${\ displaystyle {\ Gamma _ {\ alpha / \ beta}} (\ lambda) = \ int \ limits _ {r _ {\ min}} ^ {r _ {\ max}} {{K _ {\ alpha / \ beta} } (г, \ lambda; m) n (r) dr},}$

( 3 )

где r - радиус частицы, m - комплексный показатель преломления и? являются функциями ядра, которые суммируют размер, форму и состав частиц. Нелинейная зависимость от показателя преломления обычно решается путем принятия сетки жизнеспособных вариантов. Пространство решений построено и дополнительно ограничено физическими и / или математическими ограничениями, а также предварительно определены границы размера частиц . Модель Eq. В ( 1 ) также предполагается, что показатель преломления не зависит от длины волны. Длина волны ограничена несколькими дискретными значениями в зависимости от современной технологии и доступности лидарной системы. Минимальная настройка оптического данных состоит из 5 значений, где нм, . Уравнение Уравнение ( 1 ) необходимо дискретизировать, поскольку оно не может быть решено аналитически. Теория обратных некорректно поставленных задач демонстрирует, что потенциальные зашумленные компоненты в лидарных данных приведут к срыву решения независимо от величины уровня ошибки. Методы регуляризации используются для противодействия внутренней нестабильности инверсии. Цель этих методов - отфильтровать зашумленные компоненты решений, сохраняя при этом как можно больше содержимого решения. Идеальный компромисс между шумом и регулярностью выражается так называемыми правилами выбора параметров. Обычно используемые методы регуляризации - это усеченная декомпозиция по сингулярным значениям , регуляризация Тихонова в сочетании с принципом несоответствия, метод L-кривой или метод обобщенной перекрестной проверки в качестве правила выбора параметра. Хотя модель Eq. ( 1 ) предлагает разумное приближение для почти сферических частиц (например, аэрозолей сжигания биомассы), оно больше не обеспечивает жизнеспособное описание для несферического случая. Известно, что форма частиц оказывает существенное влияние на рассеяние в боковом и обратном направлении. Недавние исследования показывают, что приближение сфероидальных частиц может воспроизводить оптические данные намного точнее, чем сферы. ${\ Displaystyle \ влево [г _ {\ мин}, г _ {\ макс} \ вправо]}$${\ displaystyle \ lambda _ {i} = \ {355,532,1064 \}}$${\ Displaystyle я = \ {1,2,3 \}}$

Газы

Лидарные системы могут использоваться для измерения профилей концентрации атмосферных газов (например, водяного пара , озона ) и промышленных выбросов (например, SO ₂ , NO ₂ , HCl ). Такие измерения выполняются с использованием двух основных типов лидара; Рамановский лидар и лидары дифференциального поглощения (DIAL). В первом типе рамановский лидар обнаруживает рассеяние лазерного луча из-за рамановского рассеяния . Сдвиг частоты, вызванный таким рассеянием, уникален для каждой молекулы и действует как «сигнатура» для определения ее конкретного вклада. Второй тип, системы DIAL, излучают два луча с двумя разными частотами. Один луч настраивается точно на линию молекулярного поглощения, а другой луч настраивается на близкую длину волны без молекулярного поглощения. Изучая разницу в интенсивности рассеянного света на двух частотах, системы DIAL могут разделить вклад конкретной молекулы в атмосферу.

Температура

Лидарные системы могут измерять температуру атмосферы от земли до примерно 120 км с использованием различных методов, каждая из которых адаптирована для определенного диапазона высот. Современные лидарные системы могут сочетать несколько из этих методов в одной системе.

Измерение температуры в нижней части атмосферы обычно выполняется с учетом температурно-зависимых изменений молекулярных свойств рассеяния или поглощения. Вращательные рамановские системы могут использовать зависящий от температуры спектр рассеяния вращательной рамановской полосы лазерного света, рассеянного эталонными газами, такими как азот и кислород . Путем точного измерения только этого рассеянного света с рамановским смещением такие системы могут определять профиль температуры до 40 км в ночное время и до 12 км в дневное время, хотя диапазон является функцией времени измерения с более длительными интеграциями, необходимыми для больших высот. Вращающийся рамановский лидар был полезным методом активного удаленного профилирования температуры атмосферы, но для его реализации требовалась внешняя калибровка. Это не является неотъемлемой необходимостью, но не было большого успеха в разработке эффективных подходов для прямого измерения необходимых условий калибровки приемника, поэтому вместо этого эти члены обычно корректируются так, чтобы оценка рамановской температуры соответствовала дополнительным измерениям температуры (обычно радиозондам ).

Концепция использования лидара дифференциальной абсорбции (DIAL) для профилирования температуры в нижних слоях атмосферы (от поверхности до 6 км) была предложена на протяжении 1980-х годов. Методика предполагала зондирование линии поглощения кислорода, зависящей от температуры, вблизи 770 нм. Преимущество температурного профилирования DIAL заключается в том, что для него не требуется внешняя калибровка. Однако эффект уширения спектра за счет молекулярных рассеивателей сделал проблему измерения поглощения кислорода лидаром нерешаемой на несколько десятилетий. Только в 2019 году этот метод был успешно продемонстрирован с использованием универсальной архитектуры на основе диодного лазера, которая объединила DIAL для водяного пара, DIAL для кислорода и лидар с высоким спектральным разрешением (HSRL) в единую систему. HSRL непосредственно измеряет относительное соотношение молекулярного и аэрозольного рассеянного света, необходимого для корректировки спектроскопии поглощения кислорода, в то время как DIAL водяного пара обеспечивает корректировку плотности числа кислорода. Даже с дополнительными измерениями инверсия для получения температуры значительно сложнее, чем традиционные методы DIAL.

Лидары упругого обратного рассеяния используются для получения профилей температуры в верхних слоях атмосферы (от ~ 30 км до ~ 100 км). В отсутствие облаков или аэрозоля обратный лазерный свет с этих высот возникает только из-за молекулярного рассеяния. Полученный сигнал пропорционален числовой плотности молекул, которая, в свою очередь, связана с температурой согласно закону идеального газа. Температурные профили на больших высотах, до 120 км, могут быть получены путем измерения уширения спектров поглощения атомов металлов, таких как Na, Ca, K и Fe.

Ветер

Лидары способны восстанавливать полный вектор ветра на основе оптического эффекта Доплера . Так называемые доплеровские лидары могут улавливать движение молекул и частиц, обнаруживая сдвиг частоты обратно рассеянного света. В частности, если предположить, что излучающее излучение находится на частоте f ₀ = c / λ ₀ , где λ ₀ - длина волны лазерного луча, для движущейся цели (т. Е. Частицы или молекулы аэрозоля) с относительной линией движения При скорости визирования v отраженный свет, регистрируемый лидарным приемником, имеет частотный сдвиг, равный Δf = 2v / c. Скорость частицы определяется там, где положительная скорость луча зрения означает, что цель движется к лидару, что приводит к положительному сдвигу частоты. В литературе, касающейся применения лидаров, лучевая скорость всегда называется лучевой скоростью. Величину сдвига можно определить несколькими методами, основными из которых являются методы когерентного и прямого обнаружения.

Когда аэрозоли используются в качестве индикаторов, сила отраженного сигнала зависит от аэрозольной нагрузки в атмосфере, а это, как известно, зависит от географического положения, состояния атмосферы и синоптической ситуации. Рабочая длина волны может быть любой длиной волны, чувствительной к размерам лежащих в основе частиц. В общем, возврат аэрозоля улучшается при более низких длинах волн в УФ-диапазоне. Тем не менее, лидарный сигнал становится более чувствительным к молекулам воздуха в УФ-диапазоне, а ожидаемое соотношение обратного рассеяния аэрозоля к молекулам труднее удовлетворить. Доплеровские лидары обычно направлены в зенит и обеспечивают профили вертикального ветра с вертикальным разрешением. Применяются методы сканирования для определения горизонтальной составляющей ветра.

Несколько таких систем работают с нуля для приложений , связанных с аэропортами, например , ветряные фермы, изучение уровня Планетарные границы турбулентности и т.д. ADM-Aeolus спутниковой миссии Европейского космического агентства , будет первый ветер лидара работать из космоса .

JAXA и Mitsubishi Electric разрабатывают бортовой лидар SafeAvio, чтобы вдвое сократить количество аварий из -за турбулентности при ясном небе . Прототип 1,9 кВт, 148 кг (325 фунтов) имеет пространственное разрешение 300 м (980 футов) и дальность дистанционного зондирования 1–30 км (0,5–16 нм), уменьшенную до 9 км на высоте 40000 футов. • Он будет предупреждать экипажи о необходимости пристегнуть ремни безопасности перед разработкой автоматического управления положением, чтобы свести к минимуму тряску. Прототип прошел летные испытания в Boeing 777F EcoDemonstrator в марте 2018 года, цели и требования должны быть определены к марту 2019 года, а технико-экономическое обоснование должно быть завершено к марту 2020 года, прежде чем будет принято решение о разработке системы.

Металлические виды в атмосфере

Лидары используют резонансное рассеяние в верхних слоях атмосферы для обнаружения металлических атомов. В таких системах излучаемый лазерный свет должен быть точно настроен на резонансную частоту исследуемого вещества. Первыми такими измерениями было обнаружение атомных слоев металлического натрия (Na) в мезопаузе. Тот же метод теперь применяется для обнаружения металлического калия (K), лития (Li), кальция (Ca), иона кальция (ион Ca) и железа (Fe). Эти измерения предоставляют важную информацию в малоизученном регионе атмосферы и помогли расширить знания о концентрации, происхождении и сложной атмосферной динамике на этих высотах.

Применение лидаров к погоде и климату

Планетарный пограничный слой (PBL) является частью тропосферы , которая напрямую зависит от наличия земной поверхности, и реагирует на поверхность с воздействиями масштаба времени около часа или меньше. Процессы конвективного турбулентного перемешивания являются преобладающими в смешанном слое (МС) PBL и оказывают большое влияние на рост и перенос атмосферных загрязнителей. Метеорологические переменные (например, температура , влажность , ветер ) в PBL критически важны в качестве входных данных для надежного моделирования в моделях качества воздуха. Одним из ключевых параметров, определяющих вертикальную протяженность ML, является высота PBL.

С точки зрения наблюдений, высота PBL исторически измерялась с помощью радиозондов, но в последние годы стали использоваться инструменты дистанционного зондирования, такие как лидар. Поскольку хорошо известно, что высота PBL сильно меняется как во времени, так и в пространстве, порядка нескольких метров и нескольких минут, радиозондирование не является оптимальным выбором для наблюдений за высотой PBL. Концепция использования лидара для определения высоты PBL основана на предположении, что существует сильный градиент концентрации аэрозолей в ML по сравнению с свободной атмосферой. Преимущество использования инструментов дистанционного зондирования перед радиозондами для определения высоты PBL заключается в возможности почти непрерывного мониторинга по сравнению с типичными наблюдениями с помощью радиозондов два раза в день. Непрерывный мониторинг высоты PBL позволит лучше понять глубину конвективных турбулентных процессов в ML, которые являются основным источником загрязнителей воздуха.

Глубина PBL определяется как высота уровня инверсии, отделяющего свободную тропосферу (FT) от пограничного слоя. Обычно в верхней части PBL поток плавучести достигает минимума , и наблюдаются большие градиенты потенциальной температуры , водяного пара и аэрозолей . Определение точного положения глубины PBL важно для надежного представления параметров в метеорологических моделях и моделях качества воздуха, поскольку PBL является областью максимальной турбулентности. Хорошо известно, что в PBL преобладают процессы конвективного перемешивания, что в результате влияет на структуру и состав аэрозолей. Знание вертикальной протяженности конвективного перемешивания позволит более точно описать атмосферу в пограничном слое. В последние годы инструменты дистанционного зондирования, такие как лидар, использовались для определения и наблюдения за высотой PBL. Преимуществом использования лидара является его временное и вертикальное пространственное покрытие с высоким разрешением, которым можно управлять непрерывно и почти в автоматическом режиме. Таким образом, может быть записана мгновенная высота PBL, что позволяет проводить более глубокий анализ, такой как суточная эволюция и долгосрочные климатические исследования.

Несколько методов были применены для определения высоты PBL по лидарным наблюдениям. Это как объективные, так и субъективные методы. Объективные методы состоят из различных форм производных методов, методов вейвлет-анализа, метода дисперсии и метода подгонки идеального профиля. Методы визуального контроля редко используются как субъективный подход, но это не лучший подход.

Облакомеры - это наземные лидары, оптимизированные для измерения облачности на траектории сближения самолетов, их также можно использовать для исследований PBL.

Смотрите также

• Атмосферное зондирование

использованная литература

дальнейшее чтение

• Ковалев Владимир А .; Эйхингер, Уильям Э. (2004). Эластичный лидар: теория, практика, методы анализа . Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. DOI : 10.1002 / 0471643173 . ISBN 9780471643173.
• Меры, Раймонд М. (1984). Лазерное дистанционное зондирование: основы и приложения . Вайли.
• Вайткамп, Клаус (2005). Вайткамп, Клаус (ред.). Лидар: дистанционное оптическое зондирование атмосферы с разрешением по дальности . Серия Спрингера в оптических науках. 102 . Springer. DOI : 10.1007 / b106786 . ISBN 978-0-387-40075-4.