Обращение слабых сигналов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, доктор физико-математических наук Ржонсницкая, Юлия Борисовна

• Ржонсницкая, Юлия Борисовна
• доктор физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Ржонсницкая, Юлия Борисовна

Введение

1 Задача интерпретации данных оптических измерений характеристик атмосферного аэрозоля

1.1 Задача определения оптических параметров атмосферы по слабым сигналам обратного рассеяния.

1.2 Задача интерпретации данных спектрометрии атмосферного аэрозоля.

Выводы.

2 Методы интерпретации сигналов обратного рассеяния

2.1 Альтернативные методы интерпретации лидарной информации

2.2 Решение лидарного уравнения с учетом фоновой засветки

2.3 Интегральное решение лидарного уравнения с учетом фоновой засветки.

2.4 Интегральное решение лидарного уравнения с учетом конечной длительности зондирующего импульса.

Выводы.

Моделирование характеристик атмосферного аэрозоля

3.1 Рассеяние и ослабление излучения неоднородной частицей

3.2 Особенности расчетных алгоритмов.

Выводы.

Эффективность методов интерпретации слабых лидар-ных сигналов

4.1 Обращение лидарных сигналов с известной фоновой засветкой

4.2 Обращение лидарных сигналов с неизвестной фоновой засветкой

4.3 Обращение лидарных сигналов, содержащих систематическую погрешность.

4.4 Обращение сигналов двухпозиционной лидарной системы . 148 Выводы.

Результаты определения характеристик микроструктуры атмосферного аэрозоля

5.1 Результаты анализа данных оптических измерений характеристик атмосферного аэрозоля.

5.2 Результаты моделирования направленного рассеяния

5.3 Результаты моделирования рассеяния и ослабления . 229 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обращение слабых сигналов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля»

Методы лидарного зондирования атмосферы интенсивно разрабатываются в нашей стране и за рубежом для определения пространственного распределения атмосферного аэрозоля, газовых компонентов атмосферы. В большой степени это вызвано необходимостью мониторинга загрязнения воздушного бассейна.

В настоящее время в практике определения концентрации аэрозоля, загрязняющего атмосферу, используются, в основном, контактные методы измерений. Применение оптических методов позволяет автоматизировать процесс измерений. Недостаток применяемых методов состоит в том, что они не дают возможности непосредственного определения характеристик загрязнения атмосферы и позволяют определять лишь локальные значения характеристик загрязнения атмосферы. Такие приборы, как оптические счетчики частиц и фильтровые аспирационные устройства, позволяют измерять параметры лишь аэрозоля в непосредственной близости от них. Это делает трудно разрешимой задачу оперативного определения пространственного распределения загрязняющих компонентов.

Применение лидарных методов может обеспечить оперативность выполнения измерений, их дистанционность и высокое пространственное разрешение, лидарная информация о природной среде важна для решения проблемы экологического мониторинга, особенно, при возникновении чрезвычайных ситуаций, когда объекты мониторинга недоступны и выполнение мониторинга методами контактных измерений, использующимися в оперативной практике, невозможно.

Разработка метода лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, однако, предполагает решение обширной научной проблемы, предусматривающее учет ряда особенностей приемопередающей аппаратуры, включая конечную длительность зондирующих импульсов, особенностей распространения излучения в рассеивающей среде, а также решение проблемы интерпретации лидарной информации. Современное развитие ли-дарной техники требует интенсифицировать решение методических задач оптических измерений. В результате решения этих задач появляется возможность скорректировать направления развития лидарной техники и ускорить процесс ее внедрения в оперативную практику.

Следует особо отметить сложность задачи лидарного зондирования слабо рассеивающей среды, зондирования атмосферного аэрозоля, выполняемого на значительных расстояниях от приемопередатчика. Это обусловлено возрастающим в такой ситуации значением случайной и систематической погрешности измерений, в том числе, погрешности из-за неточного знания фоновой засветки, сдвига нуля сигнала обратного рассеяния и наличии систематических ошибок в величине этого сигнала.

В работе рассматривается проблема интерпретации результатов спектрометрических измерений атмосферного аэрозоля, результатов зондирования атмосферы лидарными системами. Она направлена на совершенствование методов лидарных измерений параметров атмосферного аэрозоля. Анализируются вопросы достоверности, с которой оптические характеристики атмосферного аэрозоля определяются по результатам измерений сигналов обратного рассеяния малой мощности, по результатам зондирования атмосферы импульсами конечной длительности. Анализируются также результаты измерений аэрозольных спектров оптическими счетчиками частиц.

Разработка методов аэрозольной спектрометрии, методов лидар-ного зондирования атмосферы в настоящее время приобретает особую актуальность. Известные трудности разработки методов лидарного зондирования атмосферного аэрозоля обусловлены неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе обработки данных измерений и математической некорректностью обратной задачи, особенно, в условиях зондирования слабо рассеивающей атмосферы. кроме того, следует отметить сложность параметризации оптикомикроструктурных свойств аэрозольных частиц.

Отмеченные особенности негативно сказываются на точности определения параметров аэрозольных частиц и существенно усложняют проблему, в результате, получаемая лидарная информация позволяет лишь качественно характеризовать атмосферный аэрозоль.

Следовательно, на современном этапе создания оптических технологий мониторинга аэрозоля, технологии дистанционного лазерного мониторинга аэрозоля приоритетным является решение проблемы получения достоверной количественной информации методами аэрозольной спектрометрии, методами лидарного зондирования атмосферного аэрозоля.

Состояние вопроса. Мониторинг атмосферного аэрозоля оптическими методами относится к наиболее активно развиваемым направлениям геофизики. Важные для решения проблемы мониторинга атмосферного аэрозоля результаты получены многими исследователями. В разработку методов и средств лидарного зондирования атмосферы большой вклад внесли многие специалисты и научные коллективы в нашей стране и за рубежом. Можно отметить результаты исследований выполненных под руководством В.Е.Зуева, работы коллектива ЦАО, Степаненко В.Д, и др. специалистов. Существенный вклад в решение задачи моделирования рассеяния излучения атмосферным аэрозолем внесли работы ряда авторов, среди которых целесообразно отметить работы К.С.Шифрина и А.Я.Перельмана. значительные успехи достигнуты в решении проблемы создания оптической аппаратуры для мониторинга атмосферного аэрозоля.

Решению проблемы мониторинга атмосферного аэрозоля оптическими методами, посвящены монографии [1]-[5] и многочисленные статьи. В процессе развития оптических методов мониторинга атмосферного аэрозоля, методов лидарного зондирования атмосферы необходим учет достижений в области исследования распространения лазерного излучения в среде и в области создания оптической аппаратуры [6]-[52].

Дальнейшие усилия требуются, однако, в области совершенствования методов интерпретации данных измерений оптических приборов, в том числе, методов интерпретации сигналов обратного рассеяния. Сложность проблемы разработки методов лидарного зондирования аэрозоля атмосферы /18/ связана с неопределенностью лидарного уравнения, обращение которого лежит в основе интерпретации результатов зондирования. Обращаемое уравнение содержит фоновую засветку и более чем одну величину, неизвестную во многих точках трассы зондирования: коэффициент ослабления и коэффициент обратного рассеяния. При однопоч зиционном зондировании оно не может быть решено относительно неизвестных величин без введения дополнительных априорных предположений. К ним относятся предположения об оптической однородности среды вдоль трассы зондирования, о горизонтальной однородности среды, о степенной зависимости между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния [19]-[23]. Это препятствует внедрению результатов разработки лидарной техники в практику, т.к. достоверность определения параметров атмосферного аэрозоля оказывается недостаточной при применении подхода однопозиционного лидарного зондирования, базирующегося па решении неопределенной обратной задачи. Кроме того, требование реалистичности предположений значительно усложняет методы. Проблема неполноты информации решается посредством привлечения априорных данных о состоянии атмосферы, которые невозможно проверить в рамках однопозиционных методов. Это негативно сказывается на достоверности определения прозрачности атмосферы, концентрации аэрозольных частиц и является существенным недостатком однопозиционного подхода. Эффективность лидарных измерений оказывается особенно низкой при зондировании аэрозоля неоднородной атмосферы.

В соответствии с изложенным разработку методов и средств одно-позиционного зондирования [19]-[36] целесообразно дополнить развитием альтернативного направления решения данной проблемы: направления многопозиционного зондирования. Последнее включает разработку методов, основанных на строгом решении обращаемого уравнения [37]-[52]. В рамках этого направления зондирование исследуемого объема атмосферы осуществляется не по одной, а по различным пересекающим его трассам, многопозиционные лидарные методы не предполагают введения априорных допущений, что способствует повышению достоверности результатов измерений. Но при зондировании неоднородной атмосферы она недостаточно высока, т.к. строгое решение является дифференциальным.

При интерпретации слабых сигналов обратного рассеяния на результаты решения обратной задачи особенно существенно влияют случайные погрешности измерений, систематические погрешности сигнала, в том числе, погрешности из-за неточного знания фоновой засветки.

Рассмотренные особенности лидарного зондирования атмосферы усложняют проблему интерпретации данных оптических измерений аэрозольных характеристик, Кроме того, имеет место сложная проблема параметризации оптико-микроструктурных свойств аэрозольных частиц [53]. неучтенные особенности ослабления и рассеяния излучения в атмосфере, ее пространственно-временная неоднородность существенно искажают результаты измерений, обесценивают базирующиеся на них выводы модельных исследований. Ведется работа по минимизации влияния искажающих факторов на результаты оптических измерений с целью повышения их точности. Для определения оптической толщины, показателя преломления, химического состава, формы частиц, их распределения по размерам предлагается одновременное спектральное определение характеристик света, рассеянного под разными углами [54]-[57]. Отмечается [55], что показатель преломления лучше восстанавливается по спектральным измерениям вектора-параметра Стокса. Спектральные измерения света, рассеянного под одним углам, дают положительные результаты, но осреднеиные по большому временному интервалу /58/.

Недостаток модельных исследований, на которых базируются измерения с помощью МОБК, АЕШЖЕТ, состоит в том, что они не дают возможности учесть всю совокупность особенностей определения аэрозольных характеристик, результаты исследования точностных характеристик оптических методов спектрометрии атмосферного аэрозоля показывают, например, существенную зависимость этих характеристик от структуры аэрозольных частиц [59]. Отмеченный факт, найденный теоретическим путем, согласуется с данными натурных измерений характеристик атмосферного аэрозоля. Тем не менее, его следует рассматривать в качестве одной из возможных гипотез. Необходимы дальнейшие исследования для ответа на возникающие в этой связи вопросы. Необходимо исследование алгоритмов для моделирования оптических характеристик атмосферного аэрозоля и моделирование характеристик направленного рассеяния и ослабления излучения неоднородной частицей. Должно быть выполнено дополнительное сравнение результатов моделирования рассеяния и ослабления излучения неоднородной частицей с результатами измерений с целью установления адекватности модели в плане ее дальнейшего использования.

Отмеченные факты не позволяют эффективно обработать экспериментальные данные. На достоверности результатов интерпретации данных негативно сказываются особенности решаемой обратной задачи: ее неопределенность и некорректность. Актуальна разработка методов интерпретации слабых сигналов обратного рассеяния на основе строгого решения лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки в качестве неизвестного параметра, а также учитывающего конечную длительность зондирующего импульса, в процессе интерпретации информации необходим учет экспериментального материала, в том числе [60]-[64].

Цель работы - повышение достоверности лидарной информации на основе применения алгоритмов обработки экспериментальных результатов, базирующихся на многопозиционпом решении обратной задачи, апостериорной оценке возможности введения дополнительных данных, учете особенностей измерительной аппаратуры и условий зондирования.

Исследование направлено на разработку метода лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы, зондирования, выполняемого на значительных расстояниях от лидара, зондирования атмосферы при ее больших оптических толщинах, зондирования импульсами конечной длительности, на повышение достоверности результатов интерпретации спектрометрической информации об атмосферном аэрозоле на основе применения алгоритмов обработки экспериментальных результатов, базирующихся на теории рассеяния света.

Основные задачи исследования, которые решаются для достижения цели и решение которых составляет содержание работы:

- рассматриваются особенности методов определения оптических параметров атмосферы, оцениваются систематические погрешности, существенно влияющие на результаты решения задачи восстановления оптических параметров по сигналам направленного рассеяния, и разрабатываются алгоритмы обработки слабых сигналов обратного рассеяния, учитывающие особенности измерительной аппаратуры и условия зондирования;

- осуществляется моделирование слабых сигналов обратного рассеяния, решение прямой и обратной задачи с введением возмущения в сигналы при вычислении коэффициента ослабления с учетом экспериментальных данных;

- оценивается эффективность методов лидарного зондирования атмосферы, предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного зондирования рассеивающей среды,

- осуществляется моделирование сигнала направленного рассеяния с учетом экспериментальных данных;

- анализируются особенности спектрометрических измерений, оценивается эффективность методов оптической спектрометрии атмосферного аэрозоля, предназначенных для повышения достоверности результатов измерений.

Методы исследования базируются на решении лидарного уравнения, на решении уравнений Максвелла с учетом данных натурных экспериментов. Используются методы численного анализа, компьютерное моделирование, статистический анализ.

Научная новизна работы. К основным научным результатам работы, в которой систематизируются и обобщаются итоги исследований методов оптической спектрометрии атмосферного аэрозоля и лидарного зондирования атмосферы, включая интерпретацию данных натурных экспериментов; моделирование слабого эхо-сигнала, принимаемого ли-даром; решение прямой и обратной задачи с введением возмущения в сигнал обратного рассеяния, относятся:

- найдены новые схемы реализации многопозиционного решения лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором в качестве независимых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого объема и которое решается относительно мощности фоновой засветки и двух неизвестных функций - коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния,

- разработаны основы новых интегральных методов многопозици-ониого лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы и зондирования атмосферы импульсами конечной длительности,

- в результате анализа погрешностей определения искомых характеристик, выполненного с привлечением натурных данных для новых схем обработки, включая несимметричные схемы, показано, что погрешность коэффициента ослабления может быть существенно снижена за счет выбора схемы,

- найдено, что направленное рассеяние излучения частицей с приведенным размером, значительно превышающим единицу, может существенно зависеть от структуры частицы,

- установлено практическое отсутствие зависимости от структуры частицы направленного рассеяния излучения частицей с приведенным размером порядка единицы,

- найденными результатами, описывающими зависимость от структуры частицы направленного рассеяния излучения частицей, удается описать имеющиеся экспериментальные данные;

- установлено уменьшение зависимости от структуры частицы направленного рассеяния излучения частицей при уменьшении угла рассеяния.

Таким образом, совокупность сформулированных и обоснованных в диссертационной работе положений можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в области лидарного многопозиционного зондирования слабо рассеивающего атмосферного аэрозоля.

Основные положения, выносимые на защиту:

- на основе найденного решения лидарного уравнения разработан новый интегральный метод многопозиционного лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы,

- результаты анализа погрешностей определения искомых характеристик, выполненного с привлечением натурных данных лидарного зондирования, показывают, что погрешность коэффициента ослабления может быть существенно снижена за счет выбора схемы обработки данных зондирования,

- разработаны основы метода зондирования атмосферы импульсами конечной длительности,

- найдена существенная зависимость направленного рассеяния излучения частицей с приведенным размером, значительно превышающим единицу, от структуры частицы,

- установлено отсутствие зависимости от структуры частицы направленного рассеяния излучения частицей с приведенным размером порядка единицы.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается тем, что они базируются на решении уравнений Максвелла и на решении лидарного уравнения, являющегося следствием фундаментального уравнения переноса радиации в дисперсных средах, а также сопоставимостью результатов теоретических исследований с данными эксперимента.

Научная и практическая значимость работы определяется, в соответствии с поставленной целью, повышением достоверности результатов лидарного зондирования атмосферы, повышением достоверности результатов интерпретации оптической информации об атмосферном аэрозоле. Полученные результаты использованы в учебном процессе в РГГМУ и могут быть использованы для целей совершенствования оптических технических средств, в том числе, лазерных технических средств, предназначенных для оптического мониторинга загрязнения атмосферы.

Личный вклад автора

Все основные результаты получены автором лично. Автор выполнил анализ современного состояния проблемы. Нашел новые решения лидарного уравнения. Разработал эффективные схемы реализации найденного решения. Нашел новые результаты в области исследования рассеяния излучения частицей.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались: на международной школе - конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Изменение климата и окружающая среда РГГМУ, 2005, на Международном симпозиуме стран СНГ МСАР "Атмосферная радиация 2006, на Международном симпозиуме стран СНГ "Атмосферная радиация и динамика"МСАР, СПб - 2009, на международной конференции "25 International laser radar conference СПб - 2010, на Седьмой международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 2010), на итоговых сессиях ученого совета РГГМУ, 2006, 2009 - 2011. Публикации. Основные результаты, обобщенные и систематизированные в работе, отражены в 25 научных трудах:

1 Ржонсницкая Ю.Б. моделирование рассеяния излучения неоднородной аэрозольной частицей. Труды ГГО, 2011, вып.563.

2 Ржонсницкая Ю.Б. Погрешность определения фоновой засветки методом двухпозиционного лидарного зондирования атмосферы. Труды ГГО, 2010, выи.562.

3 Yegorov A.D., Potapova I.A., Rzhonsnitskaya Yu.B. Atmospheric aerosols measurements and reliability problem/ International Journal of Remote Sensing / Int. J. of Remote Sensing. - 2008. - v 29. - №9, 2449-2468.

4 Egorov A.D., Potapova I.A., Rzhonsnitskaya Yu.B. The treatment of low-power lidar signals, J. Opt. Technol., 2007, 665-668

5 Егоров А.Д., Ржонсницкая Ю.Б., Потапова И.А., Саноцкая Н.А. Определение характеристик атмосферного аэрозоля по данным оптических измерений // Естественные и технические науки,2010, №1.

6 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Оценка случайных погрешностей лидарных измерений атмосферных характеристик // Ученые записки РГГМУ, № 17, 2011.

7 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Методы многопозиционного лидарного зондирования атмосферы // Ученые записки РГГМУ, № 16, 2010.

8 Егоров А.Д., Ржонсницкая Ю.Б., Потапова И.А.,Обращение лидарных сигналов малой мощности / Оптический журнал. - 2007. - том 74. - №10, 25 - 28.

9. Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Патент РФ № 2395106 "Способ определения прозрачности атмосферы"Бюлл. изобрет. №20, 2010, НПО "Поиск"Роспатента, Москва.

10 Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Ржонсницкая Ю.Б. Погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности / Ученые записки РГГМУ, №10, 2009.

11 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б., Саноцкая H.A. Определение оптических и микроструктурных характеристик атмосферного аэрозоля / Ученые записки РГГМУ, №11, 2009.

12 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Обращение слабых сигналов и достоверность результатов лидарных измерений /Тезисы Международного симпозиума МСАР-2006, СПб, 2006.

13 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Особенности лидарного зондирования атмосферного аэрозоля /Тезисы докладов итоговой сессии ученого совета РГГМУ, СПб, 2006.

14 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Обращение слабых сигналов и достоверность результатов лидарных измерений /Тезисы XIII Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы Томск, 2006.

15 Ржонсницкая Ю.Б. Обращение измеренных и модельных лидарных сигналов. Кандидатская диссертация, 2007г.

16 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б., Саноцкая H.A. Методы лидарного определения характеристик атмосферного аэрозоля, Сборник тезисов МСАРД, 2009.

17 Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Ржонсницкая Ю.Б. Систематические и случайные погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности / Деп. в ИЦ ВНИИГМИ-МЦД, 2005.

18 Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Ржонсницкая Ю.Б. Особенности лидарного зондирования атмосферного аэрозоля/ Сборник трудов международной школы - конференции молодых ученых, аспирантов и студентов "Изменение климата и окружающая среда РГГМУ, 2005.

19 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Заявка на изобретение 2008108058/28 "Способ определения прозрачности атмосферы "Бюлл. изобрет. №25, 2009, НПО "Поиск"Роспатента, Москва.

20 Yegorov A.D., Ignatenko V.M., Potapova I.A., Rzhonsnitskaya Yu.B. new integral inversion techniques of multiposition lidar probing / Proc. of 25th ILRC, St.Petersburg, 2010, p.52-58

21 Yegorov A.D., Potapova I.A., Rzhonsnitskaya Yu.B. Sanotskaya N.A. lidar measurements of atmospheric aerosols / Proc. of 25th ILRC, St.Petersburg, 2010, p.572-575

22 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б., Суворов А.П. Методы многопозиционного определения коэффициента ослабления атмосферы / Седьмая международная конференция "Естественные и антропогенные аэрозоли", Тезисы докладов Санкт-Петербург, 2010

23 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б., Суворов А.П. Методы многопозиционного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля / Седьмая международная конференция "Естественные и антропогенные аэрозоли", Тезисы докладов Санкт-Петербург, 2010

24 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б., Суворов А.П. Определение размеров аэрозольных частиц по данным оптических измерений / Седьмая международная конференция "Естественные и антропогенные аэрозоли", Тезисы докладов, Санкт-Петербург, 2010

25 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б., Суворов А.П. зондирование атмосферы импульсами конечной длительности / Седьмая международная конференция "Естественные и антропогенные аэрозоли", Тезисы докладов, Санкт-Петербург, 2010

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы - 204 наименований, списка обозначений и сокращений. В ней содержится 276 страницы текста, 14 таблиц, 84 рисунка.