Методы обработки сигналов в лидарных системах при исследовании газодымовых выбросов в зонах кризисных и чрезвычайных ситуаций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат наук Лысов, Павел Игоревич

• Лысов, Павел Игоревич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Лысов, Павел Игоревич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ЛИДАРНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ В ЗОНАХ КС И ЧС

1.1. Этапы развития и современное состояние исследования атмосферы с помощью лидаров

1.2. Аэрозольные лидары для мониторинга воздушной среды в зоне кризисных и чрезвычайных ситуаций, а также в экологически неблагоприятных районах

1.3. Лидары дифференциального поглощения для мониторинга газовых составляющих атмосферы

1.4. Постановка задач, решаемых в работе

1.5. Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

2.1. Уравнение мощности принимаемого сигнала на входе фотоприёмного устройства лидарной системы

2.1.1. Описание параметров уравнения

2.1.2. Сравнительный анализ лидарного уравнения и уравнения радиолокации

2.2. Виды рассеяния электромагнитного излучения атмосферными частицами и молекулами газов, используемые в лидарных системах исследования атмосферы

2.3. Методы расчёта коэффициента ослабления атмосферного аэрозоля

2.3.1. Одноволновое зондирование аэрозолей

2.3.2. Двух- и многоволновое зондирование аэрозолей

2.4. Методы расчёта параметров компонентов атмосферы, применяемые

в диссертации

2.4.1. Модификация метода интегрального накопления для расчёта коэффициента ослабления аэрозоля

2.4.2. Расчёт относительной объёмной концентрации газов методом дифференциального поглощения-рассеяния

2.5. Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИДАРНОГО СИГНАЛА

3.1. Прохождение лидарного сигнала через приемный тракт лидарной системы

3.2. Разработка модели лидарного сигнала

3.3. Анализ свойств спектра лидарного сигнала с помощью разработанной модели

3.4. Моделирование зашумленного лидарного сигнала

3.5. Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЛИДАРНОГО СИГНАЛА

4.1. Общие положения

4.2. Повышение точности расчётов лидарных измерений с помощью методов ЦОС

4.3. Фильтрация лидарного сигнала с помощью методов ЦОС

4.3.1. Фильтрация лидарного сигнала при расчете профиля коэффициента ослабления аэрозоля

4.3.2. Фильтрация лидарного сигнала при расчете относительной объёмной концентрации АХОВ

4.4. Обработка лидарных сигналов с использованием цифровой фильтрации

4.5. Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

5.1. Сведения о системе «АСДМ-Лидар» и входящих в неё комплексах

5.2. Работа программы обработки лидарного сигнала

5.3. Сравнительная оценка погрешности восстановления для программы обработки лидарных сигналов с помощью моделирования

5.4. Анализ результатов обработки реальных лидарных сигналов

5.5. Сравнение результатов восстановления профилей параметров компонентов атмосферы с результатами, полученными в других работах

5.6. Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

109

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБРАБОТКИ ЛИДАРНЫХ СИГНАЛОВ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ПРОФИЛЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОСЛАБЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЯ И ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ОБЪЁМНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ИЗМЕРЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТУРНЫХ КОМПЛЕКСОВ, ВХОДЯЩИХ В СИСТЕМУ «АСДМ-ЛИДАР»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы обработки сигналов в лидарных системах при исследовании газодымовых выбросов в зонах кризисных и чрезвычайных ситуаций»

ВВЕДЕНИЕ

Проблема предупреждения и раннего обнаружения кризисных и чрезвычайных ситуаций (КС и ЧС) является одной из самых важных при обеспечении экологической безопасности. В настоящее время имеются тенденции объединения промышленных объектов в кластеры вблизи крупных городов. В случае возникновения аварий, КС и ЧС, в ходе которых происходят выбросы аэрозолей и аварийно-химически опасных веществ (АХОВ), увеличивается риск нанесения тяжёлого вреда здоровью большого количества людей. В связи с этим ужесточаются требования к системам контроля состояния атмосферного воздуха с целью профилактики КС и ЧС.

С начала 90-х гг. XX в. для регистрации и слежения за протеканием КС и ЧС стали интенсивно применяться дистанционные методы с использованием лазерных излучателей (лидарные методы). Лидаром (от англ. Light Detection And Ranging) называют устройство, излучающее в атмосферу импульс лазерного излучения и оценивающее её параметры с помощью обработки отклика на излучённый импульс.

Преимущества лидарных методов измерения параметров атмосферы в зонах КС и ЧС по сравнению с другими возможными методами (контактные датчики, дистанционные пассивные методы, радиозонды) таковы:

• дистанционность измерений позволяет обеспечить оперативный и независимый от администрации предприятий контроль источников выброса;

• возможность построения лидарных систем на мобильной платформе позволяет обнаруживать аварии в удалённых и труднодоступных местах (в трубопроводах, на транспортных магистралях и др.);

• возможность получения профилей измеряемых параметров атмосферы и её компонентов с пространственным разрешением, ограниченным в основном длительностью импульса лазера;

• построение лидарных систем со встроенными в них современными средствами связи и телекоммуникаций позволяет проводить контроль динамики развития ЧС в реальном времени;

Известны исследования по определению с помощью лидаров параметров атмосферного воздуха и газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС таких отечественных учёных, как М.Е. Берлянд [9], С.С. Хмелевцов [113], А.П. Чайковский [33, 59, 66, 77], Ю.С. Балин [6, 8, 66], A.C. Борейшо [10], Б.И. Васильев [1, 16, 17]. Из зарубежных учёных большой вклад в развитие таких исследований внесли работы Measures R.M. [101], Churnside J.H. [86], Böckmann С. [110], Ansmann А. [83, 116]. Современные лидарные системы могут измерять такие параметры, как ослабление и обратное рассеяние излучения аэрозольными частицами и газовыми молекулами, их концентрацию, оптическую толщину воздушных слоев. Из всех этих параметров наиболее значимыми для работы в зонах КС и ЧС являются содержание аэрозоля и АХОВ. Мерой содержания аэрозоля является коэффициент его ослабления. Для локализации очагов и наглядного представления о динамике развития ЧС необходимо давать не только интегральную оценку параметров, но и их распределение по расстоянию от ли-дарной системы. В физике атмосферы характеристику, описывающую зависимость того или иного измеряемого параметра от расстояния до лидарной системы принято называть профилем этого параметра вдоль линии наблюдения. В данной работе этот термин будет применяться в дальнейшем для краткости.

Точность определения концентрации АХОВ регламентируется стандартом [69] без указания типа измерительного устройства (дистанционное или контактное). Максимальная погрешность измерений, согласно [69], должна составлять 25%. Для измерения параметров аэрозоля существует стандарт [72], в свою очередь ссылающийся на другой стандарт [73]. В [73] дана лишь абсолютная величина погрешности без указания диапазона измерений. Существующие на сегодняшний день лидарные системы, измеряющие концентрацию АХОВ, в целом удовлетворяют стандарту. Для различных аэрозольных лидаров

погрешности измерения коэффициента ослабления аэрозоля в разных работах достигают 30 и даже более 50%.

Современные лидарные системы осуществляют обработку сигналов на выходе фотоприёмного устройства (ФП). Эти сигналы представляют собой напряжение, пропорциональное величине мощности оптического излучения на входе ФП. В дальнейшем такие сигналы, а также их дискретизированные по времени или оцифрованные копии будем для краткости называть лидарнылш сигналами. Для извлечения информации о профилях параметров компонентов атмосферы из лидарного сигнала необходимы специальные методы расчёта, содержащие в себе нелинейные преобразования. Шумы на выходе ФП, вызываемые нестабильностью характеристик аналогового тракта и самого ФП, флук-туациями характеристик атмосферы, плохими метеоусловиями и др., вносят значительный вклад в погрешность восстановления профилей при расчётах, вплоть до невозможности получения достоверных результатов. В большинстве лидарных систем уменьшение влияния шумов достигается с помощью усреднения по множеству импульсов лазера и применения специальных методов математической статистики (в частности, методов регуляризации) к результатам обработки. В данной работе предлагается разбиение обработки лидарных сигналов на несколько этапов. На первых этапах производятся необходимые преобразования для дальнейшего расчёта профилей параметров атмосферы по необходимым формулам, с фильтрацией как самих лидарных сигналов, так и результатов этих преобразований. Затем производится расчёт профилей искомых параметров. Применение фильтрации на разных стадиях обработки лидарных сигналов при восстановлении профилей параметров компонентов атмосферы позволяет уменьшить погрешность восстановления профилей по сравнению с методами, основанными на обработке лидарных сигналов без фильтрации на промежуточных стадиях.

Актуальность диссертационной работы определяется тем, что она направлена на решение научно-технической задачи по увеличению точности восстановления профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС за счёт приме-

нения радиотехнических методов обработки лидарных сигналов. Представленные в работе методы обработки позволяют разрабатывать новые высокоэффективные радиоэлектронные устройства для лидарных систем, выполняющих восстановление профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС.

Целью диссертационной работы является разработка методов обработки лидарных сигналов, позволяющих уменьшить погрешности восстановления профилей параметров атмосферы и газодымовых выбросов в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработка модели лидарного сигнала с учётом пространственных и оптических параметров газодымовых выбросов в зонах КС и ЧС и аппаратурных параметров лидарной системы, с целью анализа влияния методов обработки лидарных сигналов на погрешность восстановления профилей параметров атмосферы.

2. Исследование способов фильтрации лидарных сигналов для уменьшения погрешности восстановления профилей параметров атмосферы в зонах КС и ЧС.

3. Разработка метода обработки лидарных сигналов при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля на основе расчёта модифицированным методом интегрального накопления, с применением фильтрации на промежуточных стадиях.

4. Разработка метода обработки лидарных сигналов при восстановлении профиля относительной объемной концентрации АХОВ методом дифференциального поглощения-рассеяния, с применением фильтрации на промежуточных стадиях.

5. Разработка программно-математического обеспечения (ПМО), осуществляющего обработку лидарных сигналов, проведение экспериментальных исследований по восстановлению профилей параметров атмосферы и сравнение результатов этих исследований с результатами, полученными в других работах, с целью проверки достоверности результатов, полученных в диссертации.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Метод обработки лидарных сигналов, применяемый при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля в зонах КС и ЧС, основанный на расчёте модифицированным методом интегрального накопления позволяет уменьшить погрешность восстановления в 1,5 раза по сравнению с результатами, основанными на обработке лидарных сигналов без фильтрации на промежуточных стадиях.

2. Метод обработки лидарных сигналов, применяемый при восстановлении профиля относительной объёмной концентрации АХОВ в зонах КС и ЧС по методу дифференциального поглощения-рассеяния, позволяет уменьшить погрешность восстановления в 1,5-2 раза по сравнению с результатами, основанными на обработке лидарных сигналов без фильтрации на промежуточных стадиях.

3. Модель лидарного сигнала на выходе ФП, основанная на лидарном уравнении, позволяет оценивать погрешность восстановления профилей параметров аэрозоля и газов при применении различных методов обработки лидарных сигналов, а также свойства лидарных сигналов и их спектров, характерные для различных случаев газодымовых шлейфов, появляющихся при реальных авариях, КС и ЧС.

4. Применение методов обработки сигналов, предложенных в диссертации, в реальной лидарной системе позволило уменьшить погрешности восстановления профилей коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации АХОВ в 2 раза по сравнению с применением методов обработки без фильтрации на промежуточных стадиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена новая модификация метода интегрального накопления для расчёта профиля коэффициента ослабления аэрозоля, учитывающая особенности работы лидарных систем в зонах КС и ЧС и снижающая количество априорной информации, необходимой для расчёта.

2. Предложен новый метод обработки лидарного сигнала, применяемый при

восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию и выполняющий расчёт по модифицированному методу интегрального накопления, а также фильтрацию на промежуточных стадиях обработки.

3. Предложен новый метод обработки лидарного сигнала, применяемый при восстановлении профиля относительной объёмной концентрации АХОВ по расстоянию методом дифференциального поглощения-рассеяния и использующий фильтрацию на промежуточных стадиях обработки.

4. Предложена новая модель лидарного сигнала, позволяющая проводить исследования по применению различных способов фильтрации сигналов в лидар-ных системах, работающих в зонах КС и ЧС.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- применение методов цифровой фильтрации лидарных сигналов позволяет существенно улучшить характеристики лидарных систем, работающих в зонах КС и ЧС: повысить их чувствительность, точность, пространственное разрешение, а также уменьшить время измерения требуемых параметров;

- на основе предложенных методов разработаны алгоритмы подавления шумов в лидарных сигналах, снизившие погрешность восстановления профилей параметров воздуха в лидарных системах, работающих в зонах КС и ЧС;

- с помощью разработанной в диссертации программы обработки лидарных сигналов, применяемой в системе «АСДМ-Лидар», осуществляется контроль состояния воздушного пространства на предприятиях, объектах специального назначения, а также в местах повышенного риска возникновения ЧС (подтверждается актом о внедрении).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 10-й, 11-й и 15-й Международной выставки и конференции «Цифровая обработка сигналов и её применение» (Москва, 2008,2009,2013);

• 57-й, 60-й, 63-й и 64-й Научно-технических конференциях в МИРЭА (Москва, 2008,2011,2014,2015);

• 3-й, 4-й и 6-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2010,2011,2013);

• 1-й Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникацион-ных систем» (Москва, 2013);

• 11-й Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2014).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, из которых 3 - статьи в журналах, рекомендованных ВАК, остальные -статьи в сборниках трудов научно-технических конференций.

Внедрение результатов работы. На основе предложенных методов автором разработана программа обработки лидарных сигналов, которая используется в лидарных стационарных постах СП-1 и СП-2 автоматизированной системы дистанционного мониторинга для регистрации аварий и контроля выбросов вредных веществ в атмосферу «АСДМ-Лидар» (имеется акт о внедрении).

Ряд результатов диссертации используется в учебном процессе на кафедре телекоммуникационных систем Московского государственного университета информационных технологий, радиотехники и электроники (имеется акт о внедрении).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений, списка источников информации, включающего 120 наименований; содержит 151 страницу текста, 53 рисунка и 4 таблицы.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ЛИДАРНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ В ЗОНАХ КС И ЧС

1.1. Этапы развития и современное состояние исследования атмосферы с

помощью лидаров

Исследование атмосферы, основанное на упругом рассеянии электромагнитного излучения оптического диапазона, появилось в начале XX века. В 1905 году В.В. Кузнецов измерил в ночное время высоту облаков с помощью мощного прожектора. В ходе эксперимента была определена высота облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет. Однако интенсивное развитие систем дистанционного изучения атмосферы с использованием электромагнитного и оптического излучения началось после изобретения лазера в 1960 г.

К основным преимуществам лазера относятся высокая монохроматичность и когерентность получаемого излучения (что даёт возможность изучать более подробно тот атмосферный компонент, который рассеивает излучение лазера наиболее интенсивно) и возможность проводить дистанционные измерения (без размещения измерительного прибора на метеозондах, шар-пилотах, метеорологических или геофизических ракетах и т. д). Именно дистанцион-ность лазерных измерений, возможность определить выбранную характеристику воздушной среды на любом направлении лазерного луча и получить самые разнообразные сведения о свойствах атмосферы на различных высотах стимулировали их интенсивное развитие. Первые опыты по лазерному зондированию атмосферы были проведены в 1963 г. итальянским ученым Дж. Фиокко [36].

В дальнейшем развитие исследований атмосферы с помощью лидаров было связано в основном с развитием импульсных лазеров. Развитие импульсных лазеров позволило генерировать очень короткие лазерные импульсы и проводить пространственно разрешенные измерения подобно радарам. В настоящее время развитие лазерной техники открывает новые перспективы для ли-

дарных систем за счет создания перестраиваемых лазеров и возможности генерации гармоник лазеров (вплоть до 4). В последнее время существенно ускорилось развитие программных и аппаратных комплексов обработки лидарной информации, что открывает широкие перспективы для улучшения качества ли-дарных измерений.

В настоящее время выделяется несколько наиболее существенных направлений в лидарном исследовании атмосферы, для каждого из которых характерны свои отдельные задачи. Эти направления таковы [34].

Лидары и лидарные системы для изучения аэрозолей и газов в естественной апьмосфере и измерения их концентрации в определенной точке Земли. Задача атмосферного мониторинга с помощью лидаров является одной из ключевых в исследованиях физики атмосферы и прогнозировании развития климата. Среди лидаров, исследующих компоненты атмосферы, можно выделить лидары для исследования высотного профиля концентрации озона в верхних слоях атмосферы и лидары для исследования водяного пара. Такие лидары чаще всего базируются на ИСЗ или Международной космической станции [119]. Наблюдения за основными газообразными компонентами атмосферы осуществляются в рамках целого ряда международных программ, таких как «Глобальная система мониторинга окружающей среды» (ГСМОС), «Глобальная система контроля за озоновым слоем земли» (еиго^аск), а также в рамках «Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния», подписанной в 1979 г. в Женеве [70, 74]. Изучение атмосферного аэрозоля во многом сходно с исследованиями газообразных компонентов, различия проявляются в специфических методах обработки сигнала, рассеянного на аэрозоле, а также в методах формирования излучаемого импульса.

Лидары для детектирования аэрозолей и газов антропогенного происхождения подразделяются на военные и специального назначения, а также лидары для задач локального и местного оперативного мониторинга кризисных и чрезвычайных ситуаций (КС и ЧС) [1, 6, 7, 13, 16, 21, 57, 104]. Основными задачами мониторинга КС и ЧС являются обнаружение источника загрязнения и

регистрация динамики распространения опасного загрязняющего компонента от источника с привязкой к карте местности. Для решения этих задач перед ли-дарными системами мониторинга КС и ЧС ставится ряд требований, отсутствующих в лидарных системах изучения естественной атмосферы. Эти требования включают в себя высокую скорость проведения измерения, высокую скорость обработки и передачи информации, высокое пространственное разрешение, а также дальность зондирования не менее 3 км. Примеры лидарных систем, разработанных в последнее десятилетие в России, Китае, Германии и ряде других стран представлены в [52, 57, 61, 105, 109].

Метеорологические и доплеровские лидары, предназначенные для измерения скорости и направления ветра, температуры и распределения влажности. Данные лидары позволяют измерять скорость ветра до высоты 50 км в диапазоне значений 0,5-50 м/с с погрешностью порядка ± 0,2 м/с и температуры до высоты примерно 100 км [60, 82, 85]. Доплеровские лидары имеют в основном практическое значение и чаще всего применяются в аэропортах и аэродромах.

Многие современные лидарные комплексы являются многофункциональными. В настоящее время лидары для определения параметров аэрозолей в атмосфере, лидары дифференциального поглощения (в англоязычной литературе Differential Absorbtion Lidar - DIAL) для исследования газов, а также лидары мониторгинга КС и ЧС, измеряющие концентрацию и распределение загрязняющих веществ, разрабатываются в основном в Германии, Франции, США, Китае, России [19, 44, 55, 56, 94, 97, 107, 114].

1.2. Аэрозольные лидары для мониторинга воздушной среды в зоне кризисных и чрезвычайных ситуаций, а также в экологически

неблагоприятных районах

В Германии среди прочих разработок можно выделить аэрозольный ли-дар, разработанный Мюнхенским университетом в рамках полевого эксперимента SAMUM (Saharan Mineral Dust Experiment) [89]. Целью эксперимента

было изучение свойств песчаной пыли в Сахаре, а также её влияния на климат региона и Земли в целом. Помимо Мюнхенского университета в эксперименте участвовали университеты Майнца, Бремена, Лейпцигский институт тропосферных исследований им. Лейбница. С помощью лидара, устанавливавшегося на борту исследовательского самолёта Falcon 20 Е, проводились измерения высотных профилей оптической толщины и коэффициента ослабления песчаной пыли. В основе лидара - лазер на алюмо-иттриевом гранате, легированный ионами ниодима (Nd:YAG). Накачка осуществляется с помощью диодов. В процессе измерений оптической толщины и коэффициента ослабления песчаных образований использовалось усреднение по 100 импульсам. При расчёте оптической толщины использовался метод, основанный на разделении спектра молекулярного и аэрозольного рассеяния с помощью оптического фильтра, построенного на поглощающей йодной ячейке. Для расчёта коэффициента ослабления по рассчитанной оптической толщине использовался метод логарифмической производной [29]. При обработке применялся фильтр Савицкого-Голея 1-го порядка. Результаты измерений, подробная конструкция системы и описание алгоритмов расчёта приведены в [89]. Величина максимального разброса коэффициента ослабления песчаной пыли составляет 50%, оптической толщины - 20%.

В Китае разработкой лидарных комплексов занимается Институт физики атмосферы Китайской академии наук [120]. Для мониторинга аэрозольных загрязнений в Пекине был разработан лидар на основе Nd:YAG^a3epa с длиной волны излучения 1064 нм. Лидар вычисляет вертикальный профиль коэффициента ослабления аэрозоля на дистанции 150 - 1200 м. Результаты измерений, приведенные в [120], позволяют судить о характере аэрозольного загрязнения в Пекине в течение дня. Измерения коэффициента ослабления аэрозоля показали, что в часы пик его величина достигает максимума в 0,0015 м"1. Максимальное значение коэффициента ослабления аэрозоля наблюдалось на высотах порядка 600 — 800 м. При этом погрешность измерений, исходя из анализа данных, приведённых в [120], составляет 40%.

Помимо одноволнового стационарного лидара китайским Институтом физики атмосферы был разработан двухволновый мобильный лидарный комплекс (МЛК) для исследования облачного покрова и песчаных бурь в пригородах Пекина, а также для мониторинга аэрозольного загрязнения вдоль крупных трасс. В основе МЛК тот же лазер, что и в стационарном лидаре. Для генерации излучения на второй длине волны использовано удвоение частоты (генерация 2 гармоники). МЛК производил измерения как высотного профиля коэффициента ослабления аэрозоля, так и профиля на угловой трассе. Диапазон зондирования составил от 300 до 7500 м., погрешность измерений та же, что и у стационарного лидара.

В США в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment) в 1994 году была создана первая в мире лидарная установка для изучения Земли из космоса [119]. С помощью этой установки изучались структура облаков, находящиеся в атмосфере аэрозоли, в том числе антропогенного происхождения, определялась высота приземного слоя атмосферы, измерялось горизонтальное распределение температуры и плотности воздушных слоев на высотах от 25 до 40 км. Система имела традиционную конструкцию лидара прямого обнаружения: передающий лазерный блок, блок оптической юстировки и приемный блок. Передатчиком служил NdiYAG-лазер с накачкой лампой-вспышкой. Для резервирования в передающем блоке были установлены два идентичных квантовых генератора, из которых в рабочем состоянии находится только один. Основные вычислительные операции производил быстродействующий сигнальный процессор.

В Белоруссии в 1991 - 1995 г. было произведено комплексное экологическое обследование промышленного района с центром в г. Солигорск. В данном промышленном районе ведётся добыча калийных руд и производство калийных удобрений. Так как промышленные предприятия района производили большое количество выбросов в атмосферу, в исследованиях применялись лидарные станции. Алгоритм обработки данных был ориентрирован на определение массовой концентрации аэрозоля через измерение лидарными методами коэффи-

циента ослабления аэрозоля. При этом переход от ослабления аэрозоля к его массовой концентрации производился путём задания коэффициента перехода. Данный коэффициент находился путём калибровочных измерений, когда вблизи трассы измерений лидара ставился контактный датчик, измеряющий концентрацию аэрозоля. Полученные в ходе эксперимента значения концентрации аэрозоля для разных типов лазерных излучателей составили 0,68±0,62 мкг/м , 1,37 ± 0,5 мкг/м3 и 0,3 ± 0,2 мкг/м3, т. е. в отдельных случаях погрешность достигает 90% [33]. Другой опыт подобных измерений был реализован в Болгарии, измерялась массовая концентрация аэрозоля в Факелах от металлургического и целлюлозно-бумажного заводов. Расчётные значения составляют 0,378 ± 0,26 мкг/м3 [102].

Начиная с 2000 г. в Европе, Азии и в СНГ начинают развиваться региональные лидарные сети, объединяющие в себе лидарные станции нескольких стран [77].

В Европе в 2000 г. начала функционировать лидарная сеть EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network) [110]. На сегодняшний день EARLINET включает в себя 27 лидарных станций, расположенных в странах ЕС, одна из станций расположена в Белоруссии в г. Минске. Начиная с 2000 г. имеется большое множество публикаций результатов исследований по изучению атмосферы в Европе, полученных с помощью лидарных станций EARLINET [84, 100, 116]. В частности, в 2010 и 2011 г. были проведены измерения параметров вулканической пыли, образовавшейся при извержениях вулканов. Так, в период с 15 по 24 апреля 2010 г. проводились измерения параметров пылевых частиц, образовавшихся в результате извержения вулкана Эйяфь-ятльлайокудль в Исландии. В числе прочего измерялись коэффициенты ослабления и обратного рассеяния. Данные по этим измерениям приведены в [83, 118]. По этим данным погрешность измерения коэффициента ослабления составляет в среднем 30%. 23 - 28 мая 2011 г. производились исследования на предмет нахождения в воздухе вулканической пыли, образовавшейся в результате извержения другого исландского вулкана - Гримсвётн. Значительные слои

пыли и пепла были зафиксированы на высоте 2 - 3 км в Германии и в Голландии, менее значительное количество пыли - в Испании, Норвегии и Румынии.

Лидарная сеть стран СНГ - С18-Ы№1 начала формироваться в 2004 году. В настоящее время сеть включает в себя 7 станций, расположенных в России, Белоруссии и Кыргызстане [32]. Главную роль в становлении С18-1л№1 сыграли Институт физики НАН Беларуси и Институт оптики атмосферы СО РАН. В настоящее время имеется множество работ по результатам исследований атмосферы с помощью лидаров [61, 20, 66].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лысов, Павел Игоревич, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Двухчастотный лидар на основе аммиачного лазера. / В.Ю. Ананьев, Б.И. Васильев, А.Н. Лобанов и др. // Квантовая электроника. 2000. Т. 30. №6. С. 535539.

2. Андрущак Е.А., Грязных И.В., Шаргородский В.Д. и др Автоматизированная система дистанционного мониторинга «АСДМ Лидар» и опыт её применения для мониторинга кризисных ситуаций в Москве. / Е.А. Андрущак // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций и их источников. Научно-практическая конференция. 26-27 июня 2001 г. Доклады и выступления. / Центр «Антистихия». - М.: 2002.

3. Артемов В.М. Дистанционный мониторинг загрязнения атмосферы и выбросов на урбанизированных территориях. / В.М. Артемов, А.Н. Николаев, Ш.Д. Фридман // Оптика атмосферы и океана. 1993. Т. 6. №2. С. 130-143.

4. Дистанционное определение состава, скорости истечения и температуры выбросов из труб предприятий КР-лидарами. / Ю.Ф. Аршинов, С.М. Бобровни-ков, В.К. Шумский и др. // Оптика атмосферы и океана, 1992, Т. 5. №7. С. 726733.

5. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: учебник для вузов по специальности "Радиоэлектронные системы" направления "Радиотехника" / П.А. Бакулев. - 2-е изд., перераб. и доп . - М.: Радиотехника, 2007. - 376 с

6. Балин Ю.С. Оптическая диагностика атмосферы // Фотоника. 2009. №5. С. 30-33.

7. Аэрозольно-рамановский лидар "ЛОЗА-М2". / Ю.С. Балин, Г.С. Байрашин, Г.П. Коханенко и др. // Квантовая электроника. 2011. Т. 41. №10. С. 945-949.

8. Балин Ю.С. История создания и работы в составе орбитальной станции "Мир" первого российского космического лидара БАЛКАН. / Ю.С. Балин, A.A. Тихомиров // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24. №12. С. 1078-1087.

9. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. / М.Е. Берлянд-Л.: Гидрометеоиздат, 1985. -272 с.

10. Мобильные многоволновые лидарные комплексы. / A.C. Борейшо, М.А. Коняев, A.B. Морозов и др. // Квантовая электроника, 2005. Т. 35. №12. С. 11671178.

11. Лидарная система для зондирования стратосферного и тропосферного озона на основе эксимерных лазеров. / B.C. Букреев, С.К. Вартапетов, И.А. Ве-селовский и др. //Квантовая электроника. 1994. Т. 21. №6. С. 591-596.

12. Измерение концентрации озона в нижней тропосфере лидаром дифференциального поглощения. / B.C. Букреев, С.К. Вартапетов, И.А. Веселовский и др. // Квантовая электроника. 1996. Т. 23. №4. С. 363-367.

13. Лидарные технологии дистанционного зондирования параметров атмосферы. / В.Д. Бурлаков, С.И. Долгий, А.П. Макеев, и др. // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. №10. С. 829-837.

14. Вызова Н.Л. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. / Н.Л. Вызова, Е.К. Гаргер, В.Н. Иванов - Л.: Гид-рометеоиздат, 1991. -279 с.

15. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами : пер. с англ. / Г. Ван де Хюлст. - М.: Издательство иностранной литературы, 1961. - 536 с.

16. Васильев Б.И. ИК лидары дифференциального поглощения для экологического мониторинга окружающей среды. / Б.И. Васильев, У.М. Маннун // Квантовая электроника. 2006. Т. 36 №9 С. 801-821.

17. Васильев Б.И. О коэффициенте обратного аэрозольного рассеяния атмосферы в спектральном диапазоне 9-13.5 мкм. / Б.И. Васильев, У.М. Маннун // Квантовая электроника. 2007. Т. 37. №5. С. 500-502.

18. Веселовский И.А. Дистанционная лазерная диагностика аэрозольных и газовых составляющих атмосферы методами рамановского и упругого рассеяния : диссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук. / И.А. Веселовский ; Российская академия наук, Институт общей физики им. A.M. Прохорова. - Москва, 2005. - 384 с.

19. Двухволновый непрерывный автодинный С02-лидар. / В.Г. Гольдорт, Е.П. Гордов, В.Н. Ищенко и др. // Оптика атмосферы и океана, Т. 19, 2006, №4, С. 365-371.

20. Аэрозольные возмущения стратосферы после извержения вулкана Грим-свотн (Исландия, май 2011 г.) по данным наблюдений станций лидарной сети стран СНГ CIS-LiNet в Минске, Томске и Владивостоке. / С.И. Долгий, В.Д. Бурлаков, А.П. Макеев и др. // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 07. С. 547-552.

21. Лидарная система для зондирования аэрозоля в г. Сургуте в рамках проекта CIS-LiNet. / A.B. Ельников, В.Д. Бурлаков, С.И. Долгий, и др. // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19. №11. С. 982-985.

22. Радиоприемные устройства. / ред. А.П. Жуковского - М.: Советское радио, 1989.-344 с.

23. Зуев В. Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей. / В.Е. Зуев - М.: Советское радио, 1966. - 318 с.

24. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. -М.: Советское радио. - 1970. - 496 с.

25. Зуев В.Е. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех). / В.Е. Зуев, М.В. Кабанов. - М.: Советское радио, 1977. - 368с.

26. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. / В.Е. Зуев -М: «Радио и связь», 1981. - 288 с.

27. Зуев В.Е. Обратные задачи лазерного зондирования атмосферы. / В.Е. Зуев, И.Э. Наац - Новосибирск: Наука, 1982.

28. Сигналы и помехи в лазерной локации. / ред. В.Е. Зуева. - М: «Радио и связь», 1985. - 264 с.

29. Лазерное зондирование индустриального аэрозоля. / В.Е. Зуев, И.В. Самохвалов, Б.В. Кауль и др. - Новосибирск: Наука, 1986. - 186 с.

30. Зуев В.Е. Современные проблемы атмосферной оптики. В 8 т. Т.8. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. / В.Е. Зуев, В.В. Зуев - СПб.: Гидроме-теоиздат, 1992. - 232 с.

31. Лидар дифференциального поглощения для зондирования озона в верхней тропосфере - нижней стратосфере. / В.В. Зуев, В.Д. Бурлаков, С.И. Долгий и др. // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21. №10. С. 880-883.

32. Иванов А.П. Лидарная сеть стран СНГ. // Наука и инновации, 2009, №7.

33. Исследование аэрозольного загрязнения атмосферы в промышленном регионе с применением лидаров. / А.П. Иванов, А.П. Чайковский, Ф.П. Осипенко и др. // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. №4. С. 371-380.

34. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды: учебное Пособие для вузов / В.И. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов и др., ред. В.М. Рождествина. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 с.

35. Кондратьев К.Я. Аэрозольные модели атмосферы. / К.Я. Кондратьев, Д.В. Поздняков - М.: Наука, 1981. - 103 с.

36. Костко O.K. Лазер исследует атмосферу. Наука и жизнь. 2002. №12. С. 4754.

37. Коханенко Г.П. Флуоресцентно-аэрозольный лидар «ФАРАН-М1». / Г.П. Коханенко, М.М. Макогон. // Фотоника. 2010. № 4. С. 50-53.

38. Креков Г.М. Оптико-локационная модель континентального аэрозоля. / Г.М. Креков, Р.Ф. Рахимов - Новосибирск: Наука, 1982. - 198 с.

39. Креков Г.М. Оптические модели атмосферного аэрозоля. / Г.М. Креков, Р.Ф. Рахимов - Томск: Изд. ТНЦ СО АН СССР, 1986 - 294 с.

40. Креков Г.М., Суханов А .Я. Улучшенный генетический алгоритм многоволнового лидарного зондирования атмосферного аэрозоля. // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24. №9. С. 754-758.

41. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов: пер. с англ. / Р. Лайонс - 2-е издание. - М.: Бином, 2011. - 656 с.

42. Лёзин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем: учеб. пособие для вузов. / Ю.С. Лёзин - М.: Радио и связь, 1986. - 280 с.

43. Липкин И.А. Статистическая радиотехника. Теория информации и кодирования. / И.А. Липкин - М.: «Вузовская книга», 2002. - 216 с.

44. Макогон М.М. Результаты испытаний мобильного сканирующего флуоресцентно-аэрозольного лидара. // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24. №3. С. 232-235.

45. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование: пер. с англ. / Р. Ме-жерис - М.: Мир, 1987. - 550 с.

46. Радиолокационные методы исследования Земли. / ред. Ю.А. Мельника. -М.: Советское радио, 1980. - 264 с.

47. Мусьяков М.П. Проблемы ближней лазерной локации: учебное пособие для втузов. / М.П. Мусьяков, И.Д. Миценко, Г.Г. Ванеев. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. - 295 с.

48. Наац И.Э. Теория многочастотного лазерного зондирования атмосферы. / Н.Э. Наац. Новосибирск: Наука, 1980. 156 с.

49. Назаров И.М. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды. / И.М. Назаров, А.Н. Николаев, Ш.Д. Фридман. - Л.: Гидро-метеоиздат, 1983. - 280с.

50. Сигналы и помехи в лазерной локации. / В.М. Орлов, И.В. Самохвалов, Г.Г. Матвиенко и др. - М.: Радио и связь, 1985.

51. Орлов Д.А. Мобильный лидар на основе перестраиваемого титан-сапфирового лазера для дистанционного мониторинга загрязнений атмосферы в условиях чрезвычайных ситуаций : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Д.А. Орлов ; Московский государственный институт радиотехники электроники и автоматики (технический университет). -М., 2001. - 192 с.

52. Лазерное дистанционное обнаружение утечек природного газа из трубопроводов. / В.О. Петухов, В.А. Горобец, Ю.М. Андреев и др. // Квантовая электроника. 2010. Т. 40. №2. С. 173-177.

53. Привалов В. Лазерное зондирование молекул водорода в атмосфере / В.Е. Привалов, В.Г. Шеманин // Фотоника. 2010. № 1. С. 26-29.

54. Рабинер Л. Теория и применение цифровой обработки сигналов : пер. с англ. / Л. Рабинер, Б. Гоулд - М.: Мир, 1978. - 848 с.

55. Арктический лидар высокого спектрального разрешения. / И.А. Разенков, E.W. Eloranta, J.P. Hedrick и др. // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. №1. С. 94-102.

56. Разенков И.А. Аэрозольный лидар для непрерывных атмосферных наблюдений. /И.А. Разенков // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. №1. С. 52-63.

57. Твердотельные перестраиваемые лазеры уф-диапазона для лидарных систем. / В.В. Семашко, А.К. Наумов, В.Н. Ефимов и др. // Фотоника. 2012. № 3. С. 28-30.

58. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов./ А.Б. Сергиенко. - 3-е издание. - СПб.: БХВ-Петербург, 2011. - 768 с.

59. Фотоприемные модули для лидарных станций в сети CIS-LiNet. / A.C. Слесарь, А.П. Чайковский, А.П. Иванов, и др. // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 12. С. 1073-1081.

60. Смалихо И.Н. Лидарные исследования влияния ветра и атмосферной ту-булентности на вихревой след за самолётом / И.Н. Смалихо, Ш. Рам // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. №12. С. 1160-1169.

61. Мультимедийный лазерный излучатель на парах металлов для решения задач атмосферной оптики. / А.Н. Солдатов, A.B. Васильева, С.Ю. Мирза, и др. // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 10. С. 842-845.

62. Тимофеев Ю.М. Теоретические основы атмосферной оптики. / Ю.М. Тимофеев, A.B. Васильев. - СПб.: Наука, 2003. - 474 с.

63. Численные методы решения некорректных задач. / А.Н. Тихонов, A.B. Гончарский, В.В. Степанов, А.Г. Ягола. - М.: Наука, 1990.

64. Федоров С.Ю. Отношение сечений вращательного комбинационного рассеяния для кислорода и азота по измерениям в воздухе. / С.Ю. Федоров, Б.Ф. Бояршинов // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. №8. С. 665-667.

65. Лазерный контроль атмосферы : пер. с англ. / ред. Э.Д. Хинкли. - М.: Мир, 1979.-416 с.

66. Лидарная сеть CIS-LiNet для мониторинга аэрозоля и озона: методология и аппаратура / А.П. Чайковский, А.П. Иванов, Ю.С. Балин и др. // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18, № 12. С. 1066-1072.

67. Шаргородский В.Д. Разработка концепции государственной системы экологического мониторинга атмосферного воздуха г. Москвы. / В.Д. Шаргородский, Е.А. Андрущак, А.Н. Николаев. // Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной среды. Труды международной конференции. - М.: МГУЛ, 2001.

68. Яковлев A.A. Решение обратных задач методом ранжировки компонент при наличии априорной информации о положении и размерах области возможных решений. / A.A. Яковлев. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1976. Т. 12. №11. С. 1221-1224.

69. ГОСТ 13320-81. Газоанализаторы промышленные автоматические. Общие технические условия. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1989.

70. Глобальная служба атмосферы: перенос загрязнения и моделирование. -ВМО, Информация №7, ноябрь 1990 г.

71. ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. - М.: Минздрав России, 2003.

72. ГОСТ Р ИСО 10155-2006. Выбросы стационарных источников. Автоматический мониторинг массовой концентрации твёрдых частиц. Характеристики испытательных систем, методы испытаний и технические требования. - М.: Стандартинформ, 2006.

73. ГОСТ Р ИСО 9096-2006. Выбросы стационарных источников. Определение массовой концентрации твёрдых частиц ручным гравиметрическим методом. - М.: Стандартинформ, 2006.

74. Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния [Электронный ресурс] / Режим доступа:

http://www.un.org/ru/documents/decl conv/conventions/transboundary.shtml

75. Лидар ЛСА для контроля степени загрязнения природной среды. Краткое описание [Электронный ресурс] // ООО «Обнинская фотоника». - 2005. - Режим доступа: http://www.eridan.mega.ru/Documents/lsa2c descr ru.pdf

76. Многоволновой лидар для определения методом лазерного зондирования концентрации и размеров частиц, выбрасываемых цементными и металлургическими заводами и другими предприятиями [Электронный ресурс] // ООО «Обнинская фотоника». - 2007. - Режим доступа: http://www.eridan.mega.ru/Documents/mwl60 descr ru.pdf

77. Организовать наблюдения и провести оценку крупномасштабного и трансграничного переноса загрязнений в атмосфере с использованием систем дистанционного зондирования и данных глобальных и региональных измерительных сетей : отчёт о НИР / Чайковский А.П. - Минск : Институт физики НАН Беларуси, 2009. - 57 с.

78. The Hitran database. [Электронный ресурс] // Институт оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН. - Режим доступа: http://hitran.iao.ru

79. Dispersion and evolution of the Eyjafjallajokull ash plume over Europe: vertically resolved measurements with the European LIDAR network EARLINET. [Электронный ресурс] / Режим доступа: www.earlinet.org\index.php?id=235

80. Ackermann J. Two-wavelength lidar inversion algorithm for a two-component atmosphere. Applied Optics, 1997, Vol. 36, №21, pp. 5134-5143.

81. Ackermann J. Analytical solution of the two-frequency lidar inversion technique. - Applied Optics, 1999, Vol. 38, №36, pp. 7414-7418.

82. Ai X., Nock R., Rarity J.G., and Dahnoun N. High-resolution random-modulation cw lidar. Applied Optics, 2011, Vol. 50, №22, pp. 4478-4488.

83. Ansmann et al.: The 16 April 2010 major volcanic ash plume over central Europe: EARLINET lidar and AERONET photometer observations at Leipzig and Munich, Germany. Geophys. Res. Lett., 2010, Vol. 37, Issue 13, L. 13810.

84. Boeckmann C., Osterloh, L. Runge-Kutta type regularization method for inversion of spheroidal particle distribution from limited optical data. Inverse Problems in Science and Engineering. 2014,22, pp. 150-165.

85. Boreysho A., Malkov V., Savin A. Problems of COIL fluid dynamics. Proceedings of SPIE, GCL-HPL-2006, Gmunden, Sep. 2006.

86. Churnside J.H., Marchbanks R.D., Lee J.H., et al. Airborne lidar detection and characterization of internal waves in a shallow fjord. Journal of Applied Remote Sensing, 2012, Vol. 6, №1, pp 063611-063611-15.

87. Cox R.A. et. al. Long-range transport of photochemical ozone in north-western Europe. - Nature, 1975, Vol. 255, May 8, pp. 118-121.

88. Durieux E., Fiorani L. Measurement of the lidar signal fluctuation with a shot-per-shot instrument. Applied Optics, 1998, Vol. 37, №20, pp. 7128-7131.

89. Esselborn M. Lidar-Messung der Extinktion des atmosphärischen Aerosols am Beispiel der Feldstudie SAMUM-1. Dissertation an der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians Universität. München, 2008, 145 S.

90. Fernald F.G., Benjamin M.H., John A.R. Determination of Aerosol Height Distributions by Lidar. Journal of Applied Meteorologies, 1972, №11, pp. 482-489.

91. Fernald F.G. Analysis of atmospheric lidar observations: some comments. Applied Optics, 1984, Vol. 23, №5, pp. 652-653.

92. Fritzsche, K., Schubert, G.: Die Leipziger LIDAR-Station - Aufbau und Ergebnisse. Laser und Optoelektronik, 28(2)/1996 S. 65-73.

93. Fritzsche, K., Schubert, G.: Gleichzeitige Messung mehrerer Schadstoffe mit LIDAR in Leipzig. Laser und Optoelektronik, 29(5)/1997 S. 56-61.

94. Fu Z., Wang J., Song J.L., et al. Estimation of forest canopy leaf area index using MODIS, MISR, and LiDAR observations. Journal of Applied Remote Sensing, 2011, Vol. 5, №1, pp. 053530-053530-21.

95. Godin-Beekmann S., Song T., Heese B. Long-term DIAL monitoring of the stratospheric ozone vertical distribution. Proceedings of SPIE, 2003, Vol. 4893, pp 251-263.

96. Hinkley E.D. e.a. Long-path monitoring: advanced instrumentation with a tunable diode laser. Applied Optics, 1976, Vol. 15, №7, pp. 1653-1655.

97. Johnson W., Repasky K.S., and Carlsten J.L. Micropulse differential absorption lidar for identification of carbon sequestration site leakage. Applied Optics, 2013, Vol. 52, №13, pp. 2994-3003.

98. Klett J.D. Lidar inversion with variable backscatter/extinction ratios. Applied Optics, Vol. 24, № 11, 1985, pp 1638-1642.

99. Klett J.D. Extinction boundary value algorithm for lidar inversion. Applied Optics, Vol. 25, №15, 1986, pp 2462-2464.

100. Lange, D., Tiana-Alsina, J., Saeed, U. et. al. Atmospheric Boundary Layer Height Monitoring Using a Kalman Filter and Backscatter Lidar Returns. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., 2014, Vol. 52, №8, pp. 4717-4728.

101. Measures R.M. PROBE: a new technique for measuring the density profile of a specific constituent using counterpropagating laser pulses. Applied Optics, 1977, Vol. 16, №11, pp. 3016-3026.

102. Mitsev T., Grigorov I., Kolarov G. Investigation of transborder pollution by combining remote lidar sounding and stationary gas sampling. Proc. SPIE, 1995, Vol. 2506, pp. 310-318.

103. G. Mie, Beitrage zur Optik truber Meiden, Speziell kolloidaler Metallosungen. Ann. Physik 25, S. 377-445 (1908).

104. Proffitt M.H., Langford A.O. Ground-based differential absorption lidar system for day or night measurements of ozone throughout the free troposphere. Applied Optics, 1997, Vol. 36, №12, pp. 2568-2583.

105. Reichardt J., Wandinger U., Klein V., Mattis I., Hilber B., and Begbie R. RAMSES: German Meteorological Service autonomous Raman lidar for water vapor, temperature, aerosol, and cloud measurements. Applied Optics, 2012. Vol. 51, №34, pp. 8111-8131.

106. Rocadenbosch F., Comeron A. Error Analysis for the Lidar Backward Inversion Algorithm. Applied Optics, 1999, Vol. 38, №21, pp. 4461-4474.

107. Roy G., Cao X. and Bernier R. On linear and circular depolarization LIDAR signatures in remote sensing of bioaerosols: experimental validation of the Mueller

matrix for randomly oriented particles. Optical Engineering, 2011, Vol. 50, №12, pp. 126001-126001-10.

108. Sasano Y. Browell E. Light scattering characteristics of various aerosol types derived from multiple wavelength lidar observations. Applied Optics, 1989, Vol. 28, №9, pp. 1670-1679.

109. Savin A.V., Strakhov S.Y., Konyaev M.A., et. al. Lidar system for atmospheric turbulence measurement with Mersen telescope. Proceedings of SPIE, 2006, Vol. 6160.

110. Schneider J., Balis D., Böckmann C., et. al. A European Aerosol Research Lidar Network to Establish an Aerosol Climatology. J. Aerosol. Sei, 2000, Vol. 31, Suppl. l,pp. 592-593.

111. Schotland R.M. Errors in the lidar measurement if atmospheric gases by differential absorption. Journal of Applied Meteorologies, 1974, Vol. 13, №1, pp. 71772. Skolnik M.I. Radar Handbook, Third Edition. The McGraw-Hill Companies, 2008. - 1351 p.

113. Utkin A.B., Fernandes A., Simöes F., et. al. Feasibility of forest-fire smoke detection using lidar. International journal of wildland fire, 2003, Vol. 12, №2, pp. 159-166.

114. Vaughan J.M.; Steinvall K.O., Werner C.; Flamant P.H. Coherent laser radar in Europe. Proceedings of the IEEE, 1996, Vol.84, №2, pp. 205-226.

115. Vogelmann H. Entwicklung und Aufbau eines Hochleistungs-Wasserdampf-LIDAR-Systems auf der Zugspitze. Dissertation. Garmish-Partenkirchen, 2005.

116. Wagner, J., Ansmann, A., Wandinger, U., et. al. Evaluation of the Lidar/Radiometer Inversion Code (LIRIC) to determine microphysical properties of volcanic and desert dust. Atmos. Meas. Tech. 2013, Vol. 6, pp. 1707-1724.

117. Weidmann D., Reburn W.J., Smith K.M. Retrieval of atmospheric ozone profiles from an infrared quantum cascade laser heterodyne radiometer results and analysis. Applied Optics, 2007, Vol. 46, №29, pp. 7162-7171.

118. Wiegner, M., Gasteiger, J., Groß, S., et. al. Characterization of the Eyjaijallajö-kull ash-plume: Potential of lidar remote sensing, Physics and Chemistry of the Earth. 2012, Volume 45-46, Issue null, pp. 79-86.

119. Winker D.M., Couch R.H., McCormick M.P. An overview of LITE: NASA's Lidar In-space Technology Experiment. Proceedings of the IEEE, 1996, Vol.84, №2, pp. 164-179.

120. Yang L., Qiu J., Zheng S., et. al. Lidar Measurement of Aerosol, Ozone and Clouds in Beijing. Proceedings of SPIE, 2003, Vol. 4893, pp 45-52.

Приложение А. Результаты моделирования обработки лидарных сигналов при восстановлении профиля коэффициента ослабления аэрозоля и относительной объёмной концентрации газов

600 750

Расстояние, м

Рисунок А. 1. Исходный и восстановленные программой ASDM LIDAR DSP профили коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию при различных

значениях отношения сигнал/шум.

300

450

600 750

Расстояние, м

Исходный SNR = 15 dB SNR = 12,5 dB SNR = 10 dB

900

1050

Рисунок А.2. Исходный и восстановленные программой ЕСОРПК профили коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию при различных значениях

отношения сигнал/шум.

аПРОГР' 0//°

Рисунок А.З. Прогрессирующая составляющая ошибки восстановления профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию программой ASDM LIDAR DSP при различных значениях отношения сигнал/шум.

апР0ГР' ^

Рисунок А.4. Прогрессирующая составляющая ошибки восстановления профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию программой ЕСОРНК при различных значениях отношения сигнал/шум.

Рисунок А.5. Случайная составляющая ошибки восстановления профиля

коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию программой А80М_ЬГОАЯ_08Р при различных значениях отношения сигнал/шум.

Рисунок А.6. Случайная составляющая ошибки восстановления профиля коэффициента ослабления аэрозоля по расстоянию программой ЕСОРПК при различных значениях отношения сигнал/шум.

С (R ), млн

Исходный SNR = 20 dB SNR= 17,5 dB SNR = 15 dB

300

450

600

1050

1200 1350 ЗПДК

750 900 Расстояние, м

Рисунок А.7. Исходный и восстановленные программой ASDM LIDAR DSP профили относительной объёмной концентрации С12 по расстоянию при различных значениях отношения сигнал/шум.

РЗ

С (R ), млн

300

450

600

1050

1200 1350

750 900 Расстояние, м

Рисунок А.8. Исходный и восстановленные программой ЕСОРПК профили относительной объёмной концентрации С12 при различных значениях

отношения сигнал/шум.

стпрогр' ЗПДКрз К-—I—1—

45

с^зпд^

670 680 690 700 710 Расстояние, м

720 730 740 750

Рисунок А.9. Прогрессирующая составляющая ошибки восстановления

профиля относительной объёмной концентрации С12 по расстоянию программой АБОМ ЬЮАЯ Э8Р при различных значениях отношения

сигнал/шум.

°ПРОГР'%Сп,,= ЗПДК

рз

С =ЗПДК.

РЗ

45

30 ГОСТ

15 0

-15

ГОСТ

-30

-45

III 1 \\\ 1 /Н III

1 1 1 -

1 1 1

"""Г"" 1 1 ^ / / г 1 1 -

1 1 1 —; 1 1 1 -

1 1 1 1 т . —

БЫЯ = 20 с!В 17,5 сЮ 15 с1В

- ; 1 1 1 -

650 660 670 680

690 700 710 Расстояние,м

720 730 740 750

Рисунок АЛО. Прогрессирующая составляющая ошибки восстановления профиля относительной объёмной концентрации С12 по расстоянию программой ЕСОРПК при различных значениях отношения сигнал/шум.

Расстояние,м

Рисунок А. 11. Случайная составляющая ошибки восстановления профиля относительной объёмной концентрации С12 по расстоянию программой ЛБОМ ЬГОАЯ ВЗР при различных значениях отношения сигнал/шум.

Расстояние, м

Рисунок А. 12. Случайная составляющая ошибки восстановления профиля относительной объёмной концентрации С12 по расстоянию программой ECOPIIK при различных значениях отношения сигнал/шум.

Приложение Б. Результаты обработки сигналов, полученных при проведении измерений с помощью аппаратурных комплексов, входящих в систему «АСДМ-Лидар»

4000

3000

2000

1000

Код АЦП

с ______11 — — ON - OFF

1 ; 1 i lj

1 \ 1 ' j \л \\

- \\ \\\ i V \ч i -1 -1- л»--г" Ir...........* t 1 _

И \ , j 1 'i > .> /ifjjva i.' i

2

R, км 6)

Рис. Б.1. Лидарные сигналы (а), полученные в ходе сеанса измерений относительной объёмной концентрации NH3 методом ДПР, проведённого 3 мая 2001 г. на аппаратуре МЛК, и результаты их обработки (б).

4000

3000

2000

1000

----- А 1 + 1 1 , 1 -оы --ОРР

- 1 1

- 1 » \ \ \ \

1 ■ \\ А ; I чУ/ 1 \ ч чДч^чч р-—,— —,— —1— —1—

Рис. Б.2. Лидарные сигналы (а), полученные в ходе сеанса измерений относительной объёмной концентрации БСЬ методом ДПР, проведённого 4 мая 2001 г. на аппаратуре МЛК, и результаты их обработки (б).

7500

6000

4500

3000

1500

0,5

1,5 Я , км

С, млн"1

- (Ж

--С^Б

2,5

а)

Рис. Б.З. Лидарные сигналы (а), полученные в ходе сеанса измерений относительной объёмной концентрации С12 методом ДПР, проведённого 2 октября 2003 г. на аппаратуре МЛК, и результаты их обработки (б).

7500

6000

4500

3000

1500

Ж

1

п

а.

и и

и

М.

=1=

0,5

1,5 Я , км

С, млрд

-1

1,6

1,2 пдк

0,8

0,4

-оы

--(ОТ

2,5

0,5

1,5 2 2,5 Я , км

3,5

а)

- А80М_ЬГОАК_Б8Р -- ЕСОРПК \

- ;

;

■

1 л \\ Ли и . 1... 1н 1 р У 1

-I

б)

Рис. Б.4. Лидарные сигналы (а), полученные в ходе сеанса измерений относительной объёмной концентрации N02 методом ДПР, проведённого 8 октября 2003 г. на аппаратуре МЛК, и результаты их обработки (б).

Код АЦП

Рис. Б.5. Лидариые сигналы (а), полученные в ходе сеанса измерений коэффициента ослабления аэрозоля, проведённого 11 марта 2008 г. на аппаратуре СП-2, и результаты их обработки (б) для дальности 4,5 (б), 9 (в) и 13 км (г)

500

400

300

200

100

-

-

-

-

-

, N 1

0,5

1,5 Я, км

2,5

а)

а, км"

12

10

0

ЗОМЬГОАЯОЗР СОРИК

- А --Е

-

-

- !

- ........г 1 1 ........д.

-Г=-=1 1 т — -0-'

0,5

1,5 2

Я , км

2,5

3,5

б)

Рис. Б.6. Лидариые сигналы (а), полученные в ходе сеанса измерений коэффициента ослабления аэрозоля, проведённого 25 мая 2010 г. на аппаратуре СП-1, и результаты их обработки (б).

200

100

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Я , км а)

8

6

4

2

°0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Я , км б)

Рис. Б.7. Лидариые сигналы (а), полученные в ходе сеанса измерений коэффициента ослабления аэрозоля, проведённого 13 октября 2011 г. на аппаратуре МКДМ, и результаты их обработки (б).

- .......1

- 1.........

- 1

.. 1 1 /У J 1—'1 _•_ _._

0 0,5 а, км"1

300

200

100

-1

- и1

л

i

6 8 10 Я, км

12

а)

а, км

1

1,2 0,9 0,6

0,3

°0 2 4 6 8 10 12

Я , км

Рис. Б.8. Лидарные сигналы (а), полученные в ходе сеанса измерений коэффициента ослабления аэрозоля, проведённого 19 октября 2011 г. на аппаратуре СП-2, и результаты их обработки (б).

- АБОМ ЬШАК ОЗР -- ЕСОРНК

-

4 Ц II

У* к 1 1 1

1 1

"7........ ( -1 1 I , 1 : 1 | 1 1 1 1 1 ■

а, км"1

2 3

Я , км

Рис. Б.9. Лидариые сигналы (а), полученные в ходе сеанса измерений коэффициента ослабления аэрозоля, проведённого 14 февраля 2014 г. на аппаратуре СП-2, и результаты их обработки (б).

¡г-т

—г—

i \

~7~

—

.0:' 4 | > - /

» Сч .■* ~ ■ \ \

Стробы

К эамугн Высот« (м)

I-1-

Сеанс: ПАТА жата 01-12-2011

0:51: -1:30

К. злмутм Высота |м]

\ 1- 1-

Порог) 5 Ввод 1

К ммугм. Мам [85 Б

( I

279

ДашостьМ 10000

Нетто-

0 1С) " в

г^г 1 189 52

1 ч 2 | эй

3 ] <н*

1 ч 4 | (Н*

■ни 5 | 01*

1 1 во* м | 0 5*

Высветит 1 Отмена ^

О

о 0 15

фг о

о

о

<5-

I 4

о

о - ','" &

,фФ 9

.„"•¡с? <:ж '

лж Г

-

Ж ' 9

Рис. Б. 10. Результаты измерений профиля коэффициента ослабления аэрозоля, нанесённые на карту г. Москвы. Данные получены 1 декабря 2011 г. на лидаре СП-1. Обработка лидарных сигналов производилась с помощью программы А8ЭМ ЬШАК ОБР.