Развитие спектроскопических методов лидарных измерений метеопараметров атмосферы и характеристик растительности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Харченко, Ольга Викторовна

• Харченко, Ольга Викторовна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Харченко, Ольга Викторовна

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ И ХАРАКТЕРИСТИК РАСТИТЕЛЬНОСТИ 17

1.1 Спектроскопические эффекты взаимодействия лазерного

излучения с атмосферой, применяемые в лидарном зондировании 18

1.2 Физические основы и математический формализм лидарного метода дифференциального поглощения 24

1.3 Физические основы лидарного зондирования температуры и

влажности атмосферы методом дифференциального поглощения 29

1.4 Физические основы метода индуцированной лазером флуоресценции 32

1.5 Краткие выводы по главе 1 38 ГЛАВА 2

МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ 40

2.1 Методика планирования и проведения лидарных измерений

' профилей температуры и влажности 40

2.2 Результаты поиска информативных длин волн для лидарных измерений метеопараметров атмосферы в области генерации

лазера на сапфире с титаном 44

2.3 Результаты поиска длин волн, информативных для

измерений метеопараметров атмосферы в области генерации СО-лазера 46

2.4 Метеорологический лидар МЕЛ-01 48

2.5 Применение лазера на парах стронция для решения задач лидарного зондирования метеопараметров атмосферы 55

2.6 Краткие выводы по главе 2 66 ГЛАВА 3

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ 67

3.1 Численное моделирование лидарных измерений профилей

температуры и влажности в ближней ИК-области спектра 67

3.2 Анализ возможностей лидарных измерений метеопараметров , атмосферы в безопасной для глаз области спектра 2 мкм 70

3.3 Результаты численного моделирования лидарных измерений

влажности атмосферы с помощью 8г-лазера 75

3.4 Результаты моделирования лидарных измерений

метеопараметров атмосферы с помощью обертонного СО-лазера 77

3.5 Краткие выводы по главе 3 81 ГЛАВА 4

ДИСТАНЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА РАСТЕНИЙ

МЕТОДОМ ИНДУЦИРОВАННОЙ ЛАЗЕРОМ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ 82

4.1 Флуоресцентный лидар для исследования древесной растительности 82

4.1.1 Выбор длины волны излучения лазера 82

4.1.2 Описание лидара 84

4.1.3 Модернизация лидара 86

4.2 Результаты экспериментов 88

4.2.1 Сезонные измерения флуоресцентных характеристик 88

4.2.2 Влияние фоновой освещённости 91

4.2.3 Изучение процессов увядания хвои и листьев древесных растений 92

4.2.4 Спектры повреждённых растений 94

4.2.5 Определение содержания хлорофилла. Калибровка лидара 97

4.2.6 Влияние общего содержания озона на флуоресценцию древесных растений 100

4.3, Краткие выводы по главе 4 103

Заключение 104

Литература 106

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Применение лазерных дистанционных (лидарных) спектроскопических методов зондирования для решения актуальной проблемы контроля состояния окружающей среды дает ряд несомненных преимуществ в оперативном получении бесконтактным способом необходимых данных как для изучения газового состава и метеорологических параметров атмосферы, так и для исследования характеристик растительности. Лидарные методы измерения метеорологических параметров атмосферы и характеристик растений находят всё более широкое применение. Лазерное зондирование предлагает ряд методов дистанционного определения метеорологических параметров [1], основанных на взаимодействии лазерного излучения с естественными атмосферными полями и подстилающей поверхностью.

Из всех лидарных методов измерения профилей температуры и влажности атмосферы наибольшую чувствительность имеет метод дифференциального поглощения (МДП), так как сечение резонансного поглощения значительно больше сечений комбинационного рассеяния и резонансной флуоресценции.

Суть метода дифференциального поглощения, предложенного Счетлэндом в 1964 г. [2], заключается в том, что информация о концентрациях исследуемого газа вдоль трассы зондирования извлекается из сравнения регистрируемых лазерных эхо-сигналов в узком участке спектра на двух длинах волн, одна из которых находится в линии (или полосе) поглощения исследуемой газовой компоненты, а вторая расположена в области либо слабого, либо полного отсутствия поглощения. При этом длины волн зондирования должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы спектральными вариациями рассеивающих свойств атмосферы можно было пренебречь. Первые измерения вертикальных профилей влажности по МДП были осуществлены Счетлэндом с использованием селективных линий поглощения водяного пара в области генерации рубинового лазера, при этом с помощью температурной перестройки длина волны рубинового лазера настраивалась на центр линии поглощения водяного пара 694.38 им [2]. В дальнейшем вертикальные профили влажности в работе [3] были измерены до высоты около 4 км. Совершенствование лидарных систем на основе рубинового лазера и применение

высокоэффективных алгоритмов обработки лидарных сигналов позволило поднять потолок зондирования профилей влажности до 17 км [4].

В инфракрасной (ИК) области спектра проводились измерения профилей водяного пара в области генерации С02-лазера, трасса зондирования при этом с случае прямого детектирования не превышала 2 км [5]. Повышает потенциальные возможности лидара использование когерентного приема сигнала [6], однако подобные лидары в настоящее время являются уникальными системами. С помощью лидаров дифференциального поглощения измерялись также концентрации Ы02 [7, 8], 802 [9], 03 [10, И], Ы20 [12, 13], а также НС1 и метана [13].

Развитие лазерных дистанционных методов измерения профилей основных метеорологических элементов (температура, влажность, давление, скорость и направление ветра) без использования метеорологических шаров-зондов в настоящее время имеет представляется актуальным и имеет практическую значимость. Лидарное зондирование атмосферы предлагает несколько методов дистанционного зондирования профилей метеорологических параметров, в основе которых лежит взаимодействие лазерного излучения с атмосферой. Причем из всех |

лидарных методов измерения профилей метеорологических параметров (таких, как, температура и влажность) можно выделить МДП, имеющий наибольшую чувствительность по сравнению с другими методами (комбинационное рассеяние, резонансная флуоресценция) [1].

В метеорологических лидарах может быть реализован как двухчастотный, так и трехчастотный МДП для зондирования метеопараметров. При двухчастотном методе одна линия излучения совмещается с линией поглощения водяного пара или кислорода, а вторая располагается в ближайшем "микроокне прозрачности". Однако для обеспечения полноты измерения всех метеоэлементов в одной лидарной системе необходимо сочетание различных лазерных методов.

Представляет определенный интерес исследование возможностей лидарного зондирования метеорологических параметров атмосферы по МДП в безопасной для глаз области спектра 2 мкм, где в настоящее время используются новые перспективные активные лазерные среды на основе Тгп, Но:УАО,

Tm,Ho,Cr:YAG, Tm,IIo:GdV04. Лидары, предназначенные для контроля окружающей среды, в том числе метеорологических параметров атмосферы, и работающие в 2 мкм области спектра, позволяют соблюдать требования международных стандартов здравоохранения по безопасности.

С точки зрения лидарного зондирования метеопараметров и газоанализа атмосферы перспективным является применение лазера на парах стронция, способного конкурировать с известными полупроводниковыми [14, 15], химическими HF-ZDF-лазерами [16] и преобразованными и обертонными частотами СО- и С02-лазеров [17, 18]. Спектральный диапазон излучения Sr-лазера, во-первых, перекрывается с окном прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн 1 - 4.5 мкм, во-вторых, совпадает с полосами поглощения газовых компонент атмосферы и, в-третьих, чувствительность фотоприемников на основе InSb и других структур имеет в этой области спектра рекордные значения. Впервые о возможности использования в трассовом анализаторе влажности одной из линий стронциевого лазера (А.=6,456 мкм) сообщалось в работе [19], в которой была показана возможность осуществления контроля влажности атмосферы только на коротких (1-10 м) трассах. Представляется актуальным исследование возможностей применения многоволнового лазера на самоограниченных переходах Sri и Srll для лазерного дистанционного зондирования по МДП газовых составляющих и метеорологических параметров атмосферы.

Обертонный СО-лазер, спектральная область излучения которого в области 2.5-4.2 мкм может быть использована, в том числе, для дистанционного зондирования метеорологических параметров атмосферы, является перспективным устройством для различных применений в дистанционном лазерном зондировании, спектроскопическом газоанализе, медицине и т.д. В работах [20-22] было показано, что СО-лазер, генерирующий на основных колебательных переходах, может быть использован для дистанционного зондирования различных газовых компонент. Такой лазер может излучать более 1 ООО спектральных линий, из них -400 линий на обертонных переходах [20, 21], причем расстояние между линиями составляет в среднем 1.5 см"1 для основных и 4 см"1 для обертонных переходов. Наличие столь широкого спектрального диапазона генерации и весьма плотного расположения

линий лазерного излучения существенно возрастает число совпадений между линиями лазерного излучения и линиями поглощения газовых составляющих атмосферы, что дает возможность определять информативные длины, волн зондирования даже в тех случаях, в которых спектры поглощения искомых газов частично совпадают с мешающими газами [23]. В связи с этим является актуальным исследование возможностей применения обертонного СО-лазера для дистанционного зондирования метеорологических параметров атмосферы методом дифференциального поглощения.

Дистанционные методы исследования растительности принято разделять на пассивные и активные, в зависимости от использования при диагностике либо солнечного света, либо специальных источников излучения.

К преимуществам пассивных методов можно отнести сравнительную простоту аппаратурной реализации и, следовательно, невысокую стоимость, а также возможность проведения измерений с самолёта или спутника, охватывая большие территории. Достаточный опыт в этой области накоплен группой Хоуга и Свифта из NASA [24]. Однако подобные результаты, получаемые из спектрального анализа альбедо земной поверхности, могут быть использованы только для грубых оценок и, как правило, требуют калибровки на специально подобранных полигонах. Например, в случае мониторинга фитопланктона пассивные методы позволяют получить пространственное распределение хлорофилла, но не способны дать информацию об эффективности фотосинтеза и групповом составе фитопланктона [25]. При этом точность определения концентрации падает при возрастании содержания в воде других поглощающих и рассеивающих свет примесей (водного гумусового вещества, взвесей, органических загрязнений).

Большей точностью обладает метод, основанный на измерении • флуоресценции, возбуждаемой солнечным светом и регистрируемой на длинах волн фраунгоферовых линий в области 680-690 им. Однако, техника, используемая для реализации этого метода, сложна из-за малой ширины линий (сотые доли нанометра) [26].

Активные лазерные методы, основанные на возбуждении и регистрации флуоресцентного отклика среды, лишены этих недостатков. Возможность

управлять режимами возбуждения и регистрации во многом устраняет многозначность результатов измерений и увеличивает их информативность. К преимуществам методов относятся: оперативность получения информации, выполнение дистанционных бесконтактных (т.е. неразрушающих) измерений, а также возможность проведения мониторинга растительности на обширных территориях.

В 70-е годы были созданы лазерные флуориметры [27, 28]. Первоначально они предназначались для обнаружения нефтяных поверхностных загрязнений с борта летательных аппаратов. Однако авторы работы [29] показали, что с помощью нового метода активного дистанционного зондирования можно решать широкий класс других задач. Метод индуцированной лазером флуоресценции (ИЛФ) широко используется для обнаружения и идентификации поверхностных нефтяных загрязнений [30-35], картирования водорослей и определения концентрации хлорофилла в фитопланктоне [36-40], исследования загрязнения воды [27, 30, 31, 34].

Первая активная дистанционная система для возбуждения флуоресценции морских растений создана Хикманом в 1970 г. [35]. О предполагаемых различиях флуоресценции водорослей и листвы наземных растений сообщалось в работе [38]. Измерения флуоресценции наземной растительности с помощью лидара были проведены Межерисом в 1973г. [30]. Он использовал излучение азотного лазера с длиной волны 337 им для возбуждения флуоресценции клена (сахарного), находящегося на расстоянии 165 м от лидара.

Применение мощных импульсных лазеров делает возможным аэрозондирование, рассматривается также возможность создания космического лидара [39]. Первые самолетные исследования ИЛФ лесного покрова проведены в 1983 г. в США на базе океанографического лидара NASA [41]. Дальнейшее развитие метода связано с применением новых технологий. Авторы работ [42-44] используют в качестве детекторов ИЛФ CCD-камеры, что дает им возможность получать изображения спектра флуоресценции. Применение быстрого фотоумножителя [45] и стрик - камеры [46] позволили провести дистанционное зондирование флуоресценции хлорофилла, разрешенной по времени. Создание

мощных лазеров, работающих в ближнем УФ и видимом диапазоне, позволило распространить метод флуоресцентного анализа на область дистанционного зондирования [30]. Для исследования растений используют как спектральную зависимость ИЛФ, так и временную, т.е. проводят исследование кинетики затухания флуоресцентного отклика. Возможности размещения флуоресцентного лидара на борту авианосителя рассматриваются в работе [49].

В настоящее время создается глобальная информационная система мировых лесных ресурсов и межнациональная сеть стандартизированных банков и методов идентификации данных дистанционного зондирования лесов [50]. В ряде стран ведется сбор флуоресцентных спектров различных пород и разрабатываются алгоритмы их интерпретации по количественным связям флуоресцентных характеристик с биологическими характеристиками растений. Лидарные измерения флуоресценции древесных растений в естественных условиях проводились авторами [47-49, 51-54]. В условиях Сибири подобные исследования до сих пор не проводились.

Целью диссертационной работы является исследование возможностей повышения эффективности лазерного зондирования профилей метеорологических параметров атмосферы и характеристик растительности с использованием спектроскопических методов в различных схемах зондирования, диапазонах спектра, атмосферных и экологических ситуациях на основе численных методов моделирования и экспериментальных исследований.

В соответствии с этим ставились следующие задачи:

1. Разработать методику планирования и проведения лидарных измерений вертикальных профилей температуры и влажности методом дифференциального поглощения в нижней тропосфере;

2. На основе разработанной методики осуществить выбор длин волн, информативных для проведения лидарных измерений профилей температуры и влажности в видимой и ближней ИК-области спектра;

3. На основе результатов численного моделирования оценить точностные характеристики восстановления высотных профилей влажности и температуры

атмосферы по данным лидарного зондирования в ближней и средней ИК-области спектра;

3. Проанализировать результаты экспериментов по лазерному измерению влажности атмосферы с использованием выбранных по предложенной методике линий излучения Бг-лазера;

4. Исследовать возможности применения метода ИЛФ для проведения видовой идентификации типичных представителей древесной растительности Западной Сибири (берёзы, осины, сосны и кедра) в естественных условиях их произрастания;

5. Исследовать влияние неблагоприятных факторов внешней среды на флуоресцентные характеристики древесных растений;

6. Оценить возможности применения метода ИЛФ для бесконтактного определения концентрации флуоресцирующих пигментов в хвое и листьях древесных растений, а именно для определения содержания хлорофилла. Защищаемые положения

1. Разработанная методика планирования и проведения лидарных измерений вертикальных профилей основных метеорологических параметров атмосферы с использованием метода дифференциального поглощения обеспечивает восстановление влажности и температуры в видимой, ближней и средней ИК-области спектра.

2. Проведенное численное моделирование показало, что лидар на основе обертонного СО-лазера с пиковой мощностью 20 кВт обеспечивает лидарные измерения вертикальных профилей влажности атмосферы с ошибками менее 10 % и пространственным разрешением 0.5 км при диаметре приемной оптики 0.3 м в диапазоне высот 0-5 км летом и 0-3 км зимой . Случайные ошибки восстановления температуры составляют менее 1 К в диапазоне высот 0-2.5 км летом и 0-2 км зимой.

3. На основе серии комплексных измерений, проведённых двумя независимыми методами - флуоресцентным и спектрофотометрическим, установлены количественные соотношения между индуцированной лазером красной флуоресценцией наносекундного диапазона и содержанием хлорофилла в

хвое и листьях наиболее распространённых древесных растений Западной Сибири (берёзы, осины, кедра).

Достоверность научных результатов

Достоверность результатов и выводов подтверждается:

- корректным учетом возможных методических и экспериментальных ошибок;

- использованием в качестве приемников оптических сертифицированных датчиков, а в качестве компонент регистрирующего оборудования-метрологически поверенных приборов;

- статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и соответствием аналогичным результатам, полученным другими исследователями;

- совпадением результатов, полученных в настоящей работе с использованием независимых экспериментальных методик, совпадением результатов, полученных в настоящей работе с результатами других работ, для частных случаев совпадения условий экспериментов;

- применением в расчетах оптико-метеорологических моделей атмосферы, обоснованных и подтвержденных экспериментальными исследованиями в реальной атмосфере;

- согласием результатов численного моделирования с экспериментальными данными и результатами соответствующих теоретических исследований других авторов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые разработана методика планирования и проведения лидарных измерений профилей температуры и влажности атмосферы методом дифференциального поглощения.

2. Впервые на основе анализа погрешностей восстановления профилей метеопараметров, обусловленных как систематическими ошибками лидарного метода дифференциального поглощения, так и случайными ошибками при регистрации лидарных сигналов, проведена оценка точностных характеристик лидара, функционирующего в безопасной для глаз области спектра.

3. Предложено и обосновано применение для лидарного зондирования метеорологтческих параметров атмосферы линий излучения обертонного СО -лазера.

4. Впервые показано, что флуоресцентные характеристики древесных растений имеют видовую зависимость в течение всего вегетационного периода, что позволяет проводить качественный анализ растительности методом индуцированной лазером флуоресценции (ИЛФ).

5. Впервые установлены количественные соотношения между интенсивностью ИЛФ и содержанием хлорофилла в хвое и листьях типичных представителей древесной растительности Западной Сибири: берёзы, осины и кедра.

Научная и практическая значимость

Приведенные в диссертации результаты позволяют повысить информативность лазерного зондирования метеопараметров атмосферы и дают основания для поиска оптимальных условий зондирования профилей влажности и температуры в реальной атмосфере. Они могут быть использованы для анализа потенциальных возможностей при проектировании новых лидарных систем дифференциального поглощения.

Полученные в диссертационной работе результаты использованы в Институте оптики атмосферы СО РАН при создании метеорологического лидара «МЕЛ-01», хоздоговорных работ и используются при разработке новых типов газоанализаторов и лидарных систем на базе стационарных крупногабаритных телескопов. Они могут быть также использованы при разработке перспективных лидарных систем самолетного и космического базирования.

Материалы, представленные в диссертации, использовались при выполнении Государственных контрактов и Соглашений в рамках ФЦП №№ 02.518.11.7088, 02.518.11.7153, 16.518.11.7067, 14.518.11.7063, 02.740.11.0674, 14.740.11.0204, 11.519.11.6033, 11.519.11.5009, 14.604.21.0100, 14.604.21.0046, № 8325. Работа поддерживалась грантом Президента РФ по поддержке ведущих научных школ НШ-4714.2014.5, грантами РФФИ № 07-05-00765, № 08-05-08170, № 09-05-99035-р-офи, № 11-05-08081, № 11-02-98019-р_сибирь_а, № 13-05-98074-р_сибирь-а,

грантом Российского научного фонда № 14-27-00022 "Лазерное зондирование аэрозольного, газового, метеорологического состава атмосферы от приземного слоя до мезосферы (методы, аппаратура, исследования)".

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на XV, XIX, XXV International Laser Radar Conference, (Томск - 1990, Annapolis, USA - 1998 и Санк-Петербург - 2010); 4 Всесоюзном семинаре "Применение лазеров в науке и технике" (Тольятти - 1991); на 11 Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск - 1993); X, XIV, XV Симпозиумах по спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения (Омск - 1992, Красноярск

- 2003, Нижний Новгород - 2006); II Российской научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы навигации, и океанографии (Санкт-Петербург

- 1995); на I - XX Межреспубликанских и Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск - 1994, 1995, 1997, 1999, 2000, 2002, 2003, 2004, 2005, Иркутск - 2001, 2012, Красноярск - 2008, Томск -2009, 2011, Барнаул - 2013, Новосибирск - 2014); на Международной школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды», (Томск - 1998, 2002, 2004, 2006, 2007); International Conference on LASER'99, Quebec, Canada - 1999); на Международной конференции «Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне» (ENVIROMIS) (Томск - 2000, 2002, 2004); на XV Международной конференция "Высокие технологии в медицине, биологии и геоэкологии" (Новороссийск - 2007); на 17th и 18th International symposium "Ecology & safety" (Bulgaria- 2008, 2009); на 17 International Conference on Advanced Laser Technologies «ALT'09» (Antalya - 2009.); на Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД-2009); С.-Петербург на XIV-XX Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск 2007-2013).

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Во введении показаны актуальность решаемой задачи и состояние проблемы на настоящий момент времени, определены цели диссертационной работы, приведены защищаемые положения, дано описание структуры диссертации.

В первой главе приведены физические основы и математический формализм основных спектроскопических методов лидарного зондирования газового состава атмосферы и подстилающей поверхности, а именно метода дифференциального поглощения и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии, метода комбинационного рассеяния и метода индуцированной лазером флуоресценции. Показаны основные области применения спектроскопических методов лидарного зондирования параметров молекулярной атмосферы и растительности, проводится анализ источников лазерного излучения, применяемых в лазерном газоанализе по МДП. Описаны критерии потенциальных возможностей лидарного зондирования метеорологических параметров атмосферы и характеристики численного моделирования.

Во второй главе приведено описание разработанной методики планирования и проведения эксперимента по восстановлению вертикальных профилей температуры и влажности методом дифференциального поглощения в нижней тропосфере. Методика создана на основе критериев отбора линий поглощения, проведения численного моделирования лидарного зондирования профилей влажности и температуры с использованием предложенных линий и расчёта ошибок восстановления профилей. Методика была применена для поиска информативных длин волн зондирования метеопараметров атмосферы в видимой, ближней и средней ИК-областях спектра. Рассматривались возможности использования в качестве источников лазерного излучения в метеолидаре лазера на сапфире с титаном (диапазоны генерации в области 0.72 мкм; 0.76 мкм и 0.94 мкм) и обертонного СО-лазера с генерацией в области спектра 2.5^.2 мкм. Приведено описание созданного метеорологического лидара МЕЛ-01, предназначенного для дистанционного измерения практически всех основных метеопараметров атмосферы, а именно: температуры, влажности, скорости и направления ветра. Показано, что часть линий излучения стронциевого лазера

весьма сложно использовать при трассовом газоанализе атмосферы из-за сильного мешающего поглощения излучения водяным паром. Но наряду с линиями, которые полностью поглощаются на трассе длиной 1 км, в спектре 8г-лазера имеются линии, которые попадают в «микроокна» прозрачности атмосферы и могут быть использованы при дистанционном зондировании метеопараметров по МДП. С помощью созданного лидара на основе стронциевого лазера проведены тестовые эксперименты по лидарному зондированию водяного пара.

В третьей главе проведено численное моделирование и оценены потенциальные возможности лидарного зондирования метеопараметров атмосферы по МДП. Проведено численное моделирование зондирования профилей влажности и температуры атмосферы по МДП в ближней ИК-области спектра с помощью метеорологического лидара МЕЛ-01. Численное моделирование зондирования температуры на выбранных длинах волн выявило преимущество двухчастотной методики в области спектра 0.76 мкм, где ошибки практически не выходят за пределы 0.5 К. В летних условиях средних широт и в тропиках трехчастотный метод с использованием линий поглощения 0.72 мкм конкурентноспособен с двухчастотным методом зондирования раздельно температуры и влажности. В зимних условиях, особенно в условиях арктических широт, трехчастотный метод реализуется только при использовании 0.94 мкм. Проанализированы возможности определения высотных профилей метеорологических параметров атмосферы с помощью лидарной системы дифференциального поглощения, функционирующей в безопасной для глаз области спектра 2 мкм. Приведены результаты численного моделирования лидарного зондирования метеорологических параметров атмосферы с помощью обертонного СО-лазера.

В четвертой главе показано, что применение импульсного (длительность 1015 не) зондирующего излучения с интенсивностью 1-3 кВт/см2 позволило обеспечить анализ наиболее интенсивной быстрой флуоресценции наносекундного диапазона и одновременно дало возможность не выходить за рамки линейного взаимодействия оптического излучения с растительными структурами. Представлена структурная схема лидарных измерений флуоресценции растений, описание методики и флуоресцентного лидара для измерения характеристик

растительности. Закономерности сезонных изменений флуоресцентных характеристик являются общими для всех растений и позволяют использовать флуоресценцию для дистанционной оценки состояния растительности. Полученные результаты подтверждают перспективность применения метода ИЛФ для проведения видовой идентификации древесных растений и определения процессов старения. Проведена серия экспериментов по изучению процессов увядания хвои и листьев древесных растений в связи с неблагоприятными факторами внешней среды. Для минимизации ошибок, обусловленных неоднородностью распределения флуоресцирующих пигментов по кроне, в эксперименте использовались ветки из средней части кроны, срезаемые с одних и тех же предварительно отобранных деревьев. Объекты исследования: осина, берёза, сосна и кедр. На основе анализа спектрофотометрических данных и лидарных измерений проведена калибровка лидара, позволяющая по отношению сигналов ИЛФ определять концентрацию хлорофилла в древесных растениях, представлены результаты корреляционного анализа (коэффициенты корреляции) общего содержания озона (ОСО) и флуоресценции хлорофилла. Показано, что для большинства видов исследуемых деревьев выявлена отрицательная корреляция их флуоресценции с содержанием озона в стратосфере. Высокая степень корреляции исследуемых величин наблюдается для берёзы и сосны.

В заключении сформулированы основные результаты работы и показан личный вклад автора.

ГЛАВА 1

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ И ХАРАКТЕРИСТИК РАСТИТЕЛЬНОСТИ

Известно, что максимум информации при дистанционном определении состава и состояния атмосферы и подстилающей поверхности с высоким пространственно-временным разрешением и чувствительностью можно получить лишь оптическими методами с использованием в качестве источников излучения лазеров [1, 55-58]. Лазеры входят в состав лидарных систем, которые в настоящее время являются наиболее качественными инструментами для решения различных задач дистанционного лазерного зондирования.

Термин лидар является транслитерацией английского выражения Light Detection and Ranging или LIDAR (т.е. световое обнаружение и определение дальности) [1]. Лидарное зондирование в общем случае является технологией получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.

Принципиальная схема лидара приведена на рисунке 1.1 [58]. В состав лидарной системы входит прежде всего лазерный передатчик (чаще всего импульсный), который для обеспечения требуемого разрешения по дальности должен испускать импульсы длительностью от единиц до сотен наномекунд. Многие системы применяют коллиматор луча в передающем блоке, чтобы уменьшить расходимость светового пучка перед отправкой в атмосферу. Передающая система должна в основном решать три задачи: улучшать коллимацию светового потока, осуществлять пространственную фильтрацию пучка и отсекать любое нежелательное излучение, включая побочное излучение таких лазеров.

Излучение, отраженно-рассеянное от исследуемого объекта, концентрируется приемной оптикой (телескопом), а затем проходит через анализатор спектра. Этот прибор служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся наблюдения, и, следовательно, для отсечки фонового излучения на других длинах волн. Анализатор спектра может представлять собой

либо сложный, тщательно настраиваемый моно- или полихроматор, либо набор узкополосных фильтров.

Оптические сигналы после оцифровки поступают в компьютер для их обработки и сохранения.

Рис. 1.1, Принципиальная схема лидара [58] В последнее время лидарные системы широко примененяются для мониторинговых исследований как атмосферы, так и подстилающей поверхности. Наибольшее распространение получили лидарные спектроскопические методы зондирования, а именно МДП (DIAL), метод комбинационного рассеяния (КР, Raman) и ИЛФ (LIF).

1.1. Спектроскопические эффекты взаимодействия лазерного излучения с атмосферой, применяемые в лидарном зондировании

Взаимодействие лазерного излучения с атмосферой характеризуется разными физическими эффектами и процессами. В настоящее время методы лазерного зондирования основываются на таких физических явлениях, как рэлеевское рассеяние, рассеяние Ми, комбинационное рассеяние, резонансное рассеяние, флуоресценция, поглощение, а также дифференциальное поглощение и рассеяние [1]. Дадим сравнительную характеристику каждого из них.

Краткое описание используемых для лидариого зондирования методов и спектроскопических эффектов взаимодействия приведено в таблице 1.1 [1].

Таблица 1.1. Процессы взаимодействия излучения с веществом, используемые в

лидарном зондировании [1]

Метод зондирования Физическое описание Схема взаимодействия Сечения обратного рассеяния см2 ср'1

Рэлеевское рассеяние Лазерное излучение, упруго рассеянное атомами и молекулами, наблюдается на исходной частоте •---ут- - Виртуальный уровень Основной уровень 10'25—10 26

Рассеяние Ми Лазерное излучение, упруго рассеянное малыми частицами, размер которых сравним с длиной волны лазера, наблюдается на исходной частоте > А* 108 — 10-9

Комбинационное рассеяние Лазерное излучение, рассеянное молекулами, наблюдается с некоторым частотным сдвигом, характерным для данной молекулы .—_ Виртуомний уронень У ? УЧ> \ / Уч Колебателт-\/ —^— возбужденный —и—,-теень Основной уровень 10-28_10-30

Резонансное рассеяние Лазерное излучение на частоте определенного перехода в атоме рассеивается с большим сечением и наблюдается на исходной частоте ■ д Вюбущншурокт Основш урмщ 10"23-10'25

Флуоресценция Лазерное излучение на частоте перехода в атоме (молекуле) поглощается с последующим излучением на более низкой частоте. .г— Калгбаякл-мк ЙЗхг црошми им/принт-чг.. * ¿абуж/стюя « 1 состоянии Л" МЛ* Л** Основной у/№МЯ* 10"20—10"22

Поглощение Ослабление лазерного пучка наблюдается, если частота излучения попадает в полосу поглощения данной молекулы ---йшА/жре/гньш дряет V Основной уровень 1018—10 23

Дифференциальное поглощение и рассеяние (ДПР) Проводится сравнение обратно-рассеянных лазерных сигналов на частоте линии поглощения исследуемой молекулы и вне ее ^ -—— юаужувнныи уряап А*г \Г . Ы-Рентной урввгт 1018—10"23

Как можно видеть из таблицы 1.1, сечения рассеяния Ми могут быть настолько большими, что минимальное количество рассеивающих частиц соответствующих размеров может дать обратно-рассеянный сигнал, полностью перекрывающий сигналы, обусловленные другими процессами взаимодействия лазерного излучения с веществом.

Перспективным для лидарного зондирования малых концентраций частиц пыли или аэрозолей является метод, использующий Ми-рассеяние. Сечения Ми-рассеяния также могут быть достаточно большими, при этом малоое количество рассеивающих частиц размером порядка длины волны лазерного излучения может дать сигнал рассеянного излучения, полностью перекрывающий сигналы, обусловленные рэлеевским или комбинационным рассеяниями.

Для резонансного рассеяния величина сечения является существенной. При этом тушение возбуждений при столкновениях с другими компонентами атмосферы приводит к сильному ослаблению сигнала, поэтому о данный метод наиболее эффективно может работать для определения газовых компонент только в верхних слоях атмосферы.

Применение молекулярной флуоресценции приводит к тому, что столкиовительное затухание возбуждения молекул также оказывает вредное действие, приводящее к уменьшению регистрируемого сигнала. Широкополосная природа молекулярной флуоресценции является причиной низкого значения отношения сигнала к шуму; при этом основной вклад в шум дает фоновое излучение [1]. Возрастание продолжительности флуоресценции приводит к ухудшению пространственного разрешения.

Комбинационное рассеяние можно рассматривать как неупругий процесс, при котором лазерное излучение вызывает переход молекулы на виртуальный уровень с последующим мгновенным (Ю-14 с) излучением на длине волны, отличающейся от лазерной [1]. Разность энергий падающего и испущенного фотонов является характеристикой рассеивающей молекулы и обычно соответствует изменению колебательного квантового числа на единицу. Поскольку величина сечения комбинационного рассеяния незначительна, чувствительность этого метода весьма ограничена, что существенно сужает его применение.

Наиболее вероятным представляется применение комбинационного рассеяния для дистанционного исследования газовых выбросов трубами промышленных предприятий, в которых концентрации составляющих компонентов могут быть довольно высокими. Если возбуждающая частота близка к частоте разрешенного перехода, сечение рассеяния может возрасти на три порядка и примет вид резонансного комбинационного рассеяния. Но при этом повышение чувствительности при резонансном рассеянии не удается реализовать из-за сильного поглощения как падающего, так и рассеянного излучения. Отличительной особенностью этого метода рассеяния является тот факт, что он позволяет определить отношение концентраций любой составляющей к некоторому опорному газу (например, азоту) по отношению комбинационных сигналов при условии того, что отношение сечений известно [1].

Сечение поглощения превышает как эффективное сечение флуоресценции, так и сечение комбинационного рассеяния. Исходя из этого методика измерения средней концентрации определенной компоненты, основанная на ослаблении лазерного излучения фиксированной частоты, является весьма чувствительным для выбранной линии поглощения исследуемой газовой составляющей атмосферы.

Для выделения вклада поглощения интересующей нас молекулы в ослабление лазерного пучка обычно, применяется МДП (см. рисунок 1.2, заимствованный из обзора Васильева Б.И. [57]). В этом случае используется две частоты: одна в центре полосы поглощения интересующей нас молекулы, а другая - на крыле этой линии. Спектры поглощения большинства молекул, представляющих интерес для дистанционного зондирования, находятся в ИК-области спектра и соответствуют колебательно-вращательным переходам. Как правило, в этом случае используется бистатическая схема лидара. Однако при соответствующем использовании отражателей или топографических рассеивателей возможна работа более удобного моностатического лидара. К сожалению, низкое пространственное разрешение и малая чувствительность ИК-детекторов ограничивают область применения таких устройств. Высокие чувствительность и пространственное разрешение могут быть получены при сочетании дифференциального поглощения с рассеянием (ДПР) [56, 57].

Впервые этот метод был использован для дистанционных измерений концентрации водяного пара в атмосфере. Он базируется на сравнении двух обратно рассеянных лазерных сигналов: одного - на частоте линии поглощения интересующей молекулы, а другого - на крыле линии. В этом случае пространственное разрешение и сильные сигналы на используемых частотах обуславливаются большими сечениями рассеяний Ми, а отношение сигналов дает требуемую оценку дифференциального поглощения. Благодаря этому метод ДПР обладает наилучшей чувствительностью при зондировании определенных молекулярных составляющих с больших расстояний [56, 57].

Оптическ! приемн1.„

Рис. 1.2. Лидарный метод дифференциального поглощения [57]

Значительный прогресс в области лидаров связан с использованием рамановского метода, при помощи которого регистрируются сигналы упругого (на длине волны исходного излучения) и неупругого рассеяния (на длине волны КР исследуемого газа). Концентрация газа рассчитывается в этом методе из отношения к реперному сигналу от газа, концентрация которого известна (принято использовать атмосферный азот или кислород). Главное преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет легко идентифицировать исследуемые газы, в отличие от МДП [56, 57].

Интервал дальности

Лазерный передачик

Рамановский метод широко используется для измерения концентрации газов, таких, как Н20, СН4, С02, несмотря на низкую по сравнению с методом МДП чувствительность. Он характеризуется высоким пространственным разрешением (вплоть до 1 м) и не требует сложных перестраиваемых лазеров, а также широко используется для измерения температуры в стратосфере, тропосфере и в планетарном пограничном слое. Существенным недостатком этого метода является малое значение сечения КР, т. е. низкая чувствительность, и малое отношение сигнала к шуму при малых концентрациях газа. В последнее время в лидарных системах широко применяется сочетание двух методов: МДП и рамановского. МДП применяется для чувствительного измерения газов и рамановский метод для точного определения профилей аэрозольного рассеяния и ослабления, а также температуры и влажности на трассе зондирования с высоким пространственным разрешением [56, 57].

ОСНОВНЫЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ 6 ЛИДАРНОМ ЗОНДИРОВАНИИ

( АИФФЕРЕНЦШЮЬНОЕ Т"...... СПОМТАННОЕ Т -Г ищщттмшя \

ттжтнм КОЖЭДАЦЙОМНОЕ 1Ш№Ш

ПОГЛОЩЕНИЕ РАССЕЯНИЕ ♦1ЖИ»ЕСЦЕНЦИЯ

1 ) №АМАН) У к— сш /

МАЛЫЕ ГАЗОВЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

ОЗОН

-<

МЕТЕОРОЛОГИЧЕКИЕ ПАРАМЕТРЫ

МАЛЫЕ ГАЗОВЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

ПРОФИЛИ ТЕМПЕРАТУРЫ

МАЛЫЕ ГАЗОВЫЕ СОСТДВПЯЮЩИЕ

НЕФТЯНЬЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие спектроскопических методов лидарных измерений метеопараметров атмосферы и характеристик растительности»

РАСТИТЕЛЬНОСТЬ

МОРСКОЙ ПЛАНКТОН

Рис. 1.3. Основные спектроскопические эффекты взааимодействия, применимые в лидарном зондировании атмосферы и подстилающей поверхности [72]

Основные области применения спектроскопических методов лидарного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности приведены на рисунке 1.3 [72], где светлыми блоками отмечены задачи лидарного зондирования, решаемые в данной работе.

1.2. Физические основы и математический формализм лидарного метода

дифференциального поглощения

При лидарных измерениях профилей концентраций малых газовых составляющих (МГС) атмосферы методом дифференциального поглощения используют эффект резонансного поглощения лазерного излучения в пределах селективной линии поглощения исследуемого газа. Концентрация газовой составляющей п(г) , усредненная по пространственному интервалу Аг, определяется в этом случае по известной формуле [55]:

п(г) =-^-1п

2( К{У1,5)-К{у2,г))Аг

Р(у],г)Р(у2,г + Дг)

(1.1)

_Р(у2,г)Р(у1,г + Аг)_

где Р(V] ,г),Р(у2 Р(V/ ,г+Аг) и Р(у2 ,г+Аг) - значения лазерных эхо-сигналов на частотах зондирования V! и у2 из точек г и г+Ае по трассе зондирования, регистрируемые приемной системой лидара, К(ух,г) и К(у2,г) - значения коэффициентов поглощения вдоль трассы зондирования в точке г = (г + г + Аг)/2 на частотах, расположенных внутри VI и вне у2 контура селективной линии поглощения исследуемой газовой компоненты, предварительно рассчитываемые с использованием высотных модельных профилей метеопараметров атмосферы. Лидарные сигналы описываются с помощью известного уравнения лазерной локации, которое в приближении однократного рассеяния можно представить в виде [55]:

Р(у,2) = хР(у,0)~А2-2(/Зт(у,г) + &(у,2))ех р

2

-2

(1.2)

где Р(у,0) - мощность лазерного излучения, посылаемая из места расположения лидара; с-скорость света; т-длительность импульса лазерного излучения; А -эффективная площадь приемной оптической системы; % -пропускание приемной оптики лидара; Рт(у,г) и /За(у,г) - объемные коэффициенты молекулярного и аэрозольного рассеяния лазерного излучения в направлении назад; са(у,г) -профиль коэффициента ослабления лазерного излучения, который может описан в

виде суммы коэффициентов ослабления, обусловленных поглощением и рассеянием аэрозолями и молекулами атмосферных газов:

а(\,г) = ата(у,г) + + ааа(у,г) + аа/ч,г), (1.3)

где ат5(у,г), и - профили объемных коэффициента ослабления

лазерного излучения за счет молекулярного рассеяния, поглощением и рассеяния атмосферными аэрозолями, соответственно; - профиль объемного

коэффициента ослабления лазерного излучения за счет молекулярного поглощения, который можно описать как

а= п(г) ■ К(г) , (1.4)

где - профиль коэффициента поглощения зондирующего лазерного

излучения молекулами исследуемого газа, который можно представить в следующем виде [59]:

К(у,г) = К0(2) ■ <р,(Ъ,со) , (1.5)

*о00 =

ад

у о 00

1п2

п

05

где <5'(г) и у0(г) - интенсивность и доплеровская полуширина линии поглощения в точке 2 ; срч(Ь,со) - форма спектрального контура линии поглощения, которая в общем случае для любых атмосферных высот может быть описана с использованием фойгтовского контура [59]:

Ъ г ехр(-х2)

(1.6)

Ь = П1й(\п2)05

(О =

у- Уп

Ч1п2)

05

Го(2) * ' ' Го(2)

где у ¡.(г) - лоренцевская полуширина линии поглощения вдоль трассы зондирования; у0 - центр линии поглощения исследуемого газа.

Спектральные параметры 8(г), /¿(г) и у0(г) , зависят от температуры Т и давления Р атмосферы следующим образом [59]:

ад =

\Ис Г

ехрт£

Т 'о

Г(7)

(1.7)

P(z)

ToV)-^

с

Po inz)] 2kT(z)\n2

m

где So и yo - интенсивность и лоренцевская полуширина при температуре То и давлении Р0 ; h - постоянная Планка; к - постоянная Больцмана; т - масса молекулы атмосферного газа; п - параметр, равный п=1 - для линейных молекул и п=1.5 - для нелинейных молекул; Е - энергия нижнего состояния поглощающего перехода. Показатель степени q в формуле (1.10) согласно газокинетической теории Лоренца равен 1/2. Экспериментальные измерения для линий поглощения различных газов дают значения от q=0.24 для СО до q=0.88 для Н20. В дальнейшем в расчетах будут использоваться данные, приведенные в работе [60].

Соотношения (1.5)...(1.7) сформулированы для монохроматического излучения лазера (ширина линии лазерного излучения равна нулю). В реальности все лазерные источники излучения имеют конечную ширину спектра лазерного излучения. В этом случае высотные профили коэффициентов поглощения могут быть представлены, согласно [61], в следующем виде:

Keff(VVZ) =

\l{v^)Tla{v,z)K{v,z)dv

со

\l(vvv)T2ma(v,z)dv

(1.8)

где К(у,г) - профили монохроматических коэффициентов поглощения; 1(V¡, у) -

спектральное распределение мощности зондирующего импульса лазерного

2

излучения; Тта{у,г) - квадрат пропускания, описываемый в случае учета молекулярного поглощения исследуемым газом как [61]

Tma(v,z) = ехр

~2 ¡ama(y,z)dz

(1.9)

При создании сложных лидарных систем, в том числе лидаров дифференциального поглощения, для оценки их потенциальных возможностей необходимо проведение предварительного численного моделирования. Такие

расчеты дают позволяют найти оптимальные схемы и условия зондирования метеопараметров и газовых компоненттмосферы .

Критериями потенциальных возможностей лидарного зондирования МДП являются или оценки концентрационной чувствительности по значению минимально обнаружимой концентрации исследуемой компоненты [61], либо расчет среднеквадратичных отклонений восстанавливаемых профилей концентраций [62, 63]. При этом для анализа точностных характеристик лидарных систем должны быть учтены по возможности все погрешности методического, атмосферного, спектрального и аппаратурного происхождения.

Ошибки лидарного МДП впервые были исследованы в 1974 году в работе Счетлэнда [64] для случая вертикального зондирования профилей влажности. Он проанализировал влияние вариаций рассеивающих свойств атмосферы на точность восстановления профилей влажности и показал, что для линии поглощения атмосферного газа с расстоянием между ее центром и крыльями, меньшим 0.3 см"1, зависимость коэффициента обратного рассеяния и ослабления слабее, чем [64]. Кроме того, исследовалась временная изменчивость коэффициентов ослабления и обратного рассеяния, было продемонстрировано, что для проведения измерений концентраций газов с точностью не хуже 10 % по одной паре выстрелов временной промежуток между двумя импульсами должен быть не более одной миллисекунды [64].

Существенное влияние на точность восстановления концентраций атмосферных газов и метепараметров оказывают также пространственные вариации рассеивающих свойств атмосферы, которые определяются неоднородным распределением аэрозольных частиц по трассе зондирования. В работе А.И. Гришина, Г.Г. Матвиенко [65] исследовалось высотное распределение статистических характеристик коэффициента обратного рассеяния и было показано, что на достаточно протяженном участке трассы зондирования (Аг > 0.1 км) встречается несколько неоднородностей, что позволяет говорить о сглаживании возможных флуктуации лидарных сигналов из-за пространственных вариаций аэрозольных характеристик. Таким образом, в случае выполнения указанных условий влияние вариаций рассеивающих свойств атмосферы на

точность восстановления исследуемых газовых компонент атмосферы можно не учитывать [65].

На точность восстановления профилей концентраций исследуемых МГС и метепараметров оказывают существенное влияние ошибки задания исходной спектральной информации об параметрах линий поглощения. Значения интенсивности и лоренцевской полуширины представлены в спектральных атласах с ошибками около 10% [66]. В этом случае, как показано в [66], в качестве верхней оценки ошибки при описании линии поглощения лоренцевским контуром можно использовать значение около 12 процентов.

Потенциальные возможности лидарных систем определяются уровнем как случайных ошибок восстановления зондируемых МГС атмосферы при регистрации лидарных сигналов, так и систематических ошибок априорного расчета профиля дифференциального коэффициента поглощения. Систематические ошибки и пути их минимизации достаточно подробно рассмотрены в работе [67]. Случайные погрешности восстановления горизонтальных и вертикальных профилей концентраций МГС атмосферы в режиме токового сигнала, возникающие за счет шумовых флуктуаций в регистрируемых лидарных эхо-сигналах, определяются из (1.1) следующим образом [1]:

где а^, и а?, - относительные дисперсии регистрируемых лидарных сигналов в линии и вне линии поглощения исследуемого газа на расстоянии г 0=1) и (1=2) от лидара. Для токового режима регистрации лидарных сигналов, осуществляемого с помощью полупроводникового фотоприемника, установленного в приемном тракте лидара, а равна обратному отношению сигнал/шум и описывается как [68]:

где Рдщ - мощность дробового шума; - принимаемые мощности лидарных сигналов в линии 0=1) и вне линии 0=1) поглощения на расстоянии г 0=1) и А: 0=2) от лидара; ЫЕР - эквивалентная мощность шума фотодетектора, которая

(1.10)

№Р+РЛ

— для у = 0,1 и / = 1,2 ;

(1.11)

может быть определена с использованием значения обнаружительной способности £>*, характеризующей чувствительность фотоприемника как [68]:

NEP = y¡AB / D" , (1.12)

где А - площадь фоточувствительного элемента; В - ширина полосы пропускания измерительного тракта. Чувствительность фотодетектора часто может

характеризоваться также величиной D** , которая учитывает телесный угол, из которого собирается падающее на площадку фотоприемника излучение, при этом связь между D* и D** определяется как [68]:

D* = £>**/ sin 0 , (1.13)

где 0 - половина плоского угла в сечении телесного угла.

1.3. Физические основы лидарного зондировании температуры и влажности атмосферы методом дифференциального поглощения

Развитие лазерных дистанционных методов измерения профилей основных метеорологических элементов (температура, влажность, давление, скорость и направление ветра) без использования метеорологических шаров-зондов в настоящее время имеет представляется актуальным и имеет практическую значимость. Лидарное зондирование атмосферы предлагает несколько методов дистанционного зондирования профилей метеорологических параметров, в основе которых лежит взаимодействие лазерного излучения с атмосферой. Причем из всех лидарных методов измерения профилей метеорологических параметров (таких, как, температура и влажность) можно выделить МДП, имеющий наибольшую чувствительность по сравнению с другими методами (комбинационное рассеяние, резонансная флуоресценция) [1].

В метеорологических лидарах может быть реализован как двухчастотный, так и трехчастотный МДП для зондирования метеопараметров. При двухчастотном методе одна линия излучения совмещается с линией поглощения водяного пара или кислорода, а вторая располагается в ближайшем "микроокне прозрачности".

Для восстановления высотных профилей концентрации водяного пара используется линия поглощения Н2О с минимальной температурной зависимостью, а профили влажности, как известно [69], определяется из соотношения

Р{И)= К,{¡г)-К0(Н) ' (1Л4)

1 , (и^кЩк+Ак)

где а ■(//) =-1п --

1 2ДИ Щф + АИ)1Г0(И);

С/, (к) и и1 (к +Ак) - принимаемые лидарные сигналы из зондируемых объемов атмосферы, удаленных на расстояние к и (И +Ак) от лидара на соответствующих длинах волн; К^ (к) - зависимость от высоты коэффициента поглощения на длинах волн в центре (7 = 1) и вне контура (7 = 0) выбранной линии поглощения водяного пара, рассчитываемая на основе априорной информации о распределении термодинамических параметров атмосферы и спектрального состава лазерного излучения.

При восстановлении вертикальных профилей температуры двухчастотным методом используется линия поглощения кислорода с максимальной температурной чувствительностью .

Вертикальный профиль температуры при зондировании по двухчастотному методу может быть получен исходя из следующего соотношения [70]:

Т(к) = Тт(И)

Г

1 + №__3/2| 1п

(1.15)

тяФ) ) \ч*<У-ч)Ж№К{К)'

где Тт(к) - модельный высотный профиль температуры; Е" - энергия нижнего состояния поглощающего перехода; ц* - объемное содержание водяного пара, взятое либо из данных лидарных измерений, либо из атмосферной модели; = 0.2095 - объемное содержание кислорода в сухой атмосфере; Ьт(И) - модельный профиль плотности воздуха.

При практической реализации трехчастотной схемы лидарного зондирования профилей метеопараметров атмосферы две линии излучения лазера должны совпадать с двумя близкими по спектру линиями поглощения водяного пара с различной температурной зависимостью, а третья линия излучения должна находиться в ближайшем "микроокне прозрачности".

Профиль температуры может быть получен из следующего соотношения [71]: Т(И) = Т0--- , (1.16)

где Л = С = §^ехр(Л), Е{И) = ^

кТ0 502701 а2(И)

Ё] , Зо, , уо3 - соответственно, энергия нижнего колебательно-вращательного уровня, интенсивность и полуширина при температуре Т0 и давлении Р0 для первой и второй линий поглощения водяного пара у = 1,2. Коэффициент ослабления а2(И) определяется аналогично о.\(Ъ) (выражение 1.14).

Полученные таким образом значения температуры в дальнейшем используются для расчета профилей коэффициентов поглощения при определении профилей водяного пара по формуле (1.1).

Случайные ошибки восстановления влажности и температуры по двухчастотной методике при ограничении лидарного сигнала дробовыми шумами, что соответствует использованию в лидаре ФЭУ, работающих в аналоговом режиме, определяются следующим образом [97, 112]:

_ Uh)Dm(h) [cF(A) -JnAhax{h)\ 2Ah j:

где Dm(h) =

Uh) J XX

Здесь Ut J - лидарные сигналы в центре (i = 1) и вне контура (7 = 0) линии поглощения водяного пара или кислорода на расстоянии h (j=l) и h+Ah (j=2) от лидара; с - скорость света; h' - постоянная Планка; % - эффективность приемопередающей системы; п - количество импульсов лазерного излучения.

Случайные ошибки в трехчастотном методе для восстановления профилей

температуры при ограничении дробовыми шумами определяются как [97, 112]:

2 4

б{Т) = ^^{д]{р) + 5\{р)}йЬ . (1.18)

1.4. Физические основы метода индуцированной лазером флуоресценции

Метод ИЛФ основан на возбуждении и регистрации флуоресцентного отклика исследуемого объекта. При облучении растения лазерный луч возбуждает фотосинтез в точке касания с листвой так же, как и видимая часть солнечной радиации. Основным пигментом, осуществляющим поглощение солнечной энергии в растениях в процессе фотосинтеза, является хлорофилл, причем основная роль в улавливании и трансформации солнечной энергии в хлоропластах растений принадлежит хлорофиллу а (Хл а). Абсорбируя свет, молекула хлорофилла возбуждается до определенного энергетического уровня. Когда она возвращается на основной уровень, энергия возбуждения либо тратится на химические реакции фотосинтеза, либо выделяется в виде тепла, либо излучается в виде флуоресценции. В зеленом листе, оптимально функционирующем при относительно слабой освещенности, поглощенные кванты распределяются следующим образом: 84% - на фотосинтез, 14% - на тепло и 2% - на флуоресценцию (см. рисунок 1.4а [72]).

Таким образом, флуоресценция возникает в результате реализации одного из путей дезактивации энергии возбужденных молекул Хл а. Под влиянием стресса, как видно из рисунка 1.46, происходит перераспределение поглощенной энергии. При этом доля энергии, которая тратится на фотосинтез, уменьшается, а тепловая эмиссия и флуоресценция хлорофилла увеличиваются. На этом явлении основывается применение ИЛФ для ранней диагностики стрессовых ситуаций. а. Физиологическое состояние

Фотосинтез 80 - 90 %

б. Состояние стресса

<

Chi а ^^^^^ Тепловая эмиссия 5-15%

Флуоресценция 0.5 - 2 %

Фотосинтез 0.5 - 2 %

Chi а ^ Тепловая эмиссия 80 - 90 %

Флуоресценция 5-15%

Рисунок 1.4. Пути дезактивации энергии возбужденных молекул хлорофилла [72] (а - в нормальных условиях, б - под воздействием стрессовых факторов)

Флуоресцентный сигнал содержит информацию о состоянии фотосинтетического аппарата растений, что позволяет использовать метод для решения следующих задач [73]:

а) качественный анализ фотосинтезирующих организмов (ФСО), т.е. определение их групповой принадлежности;

б) анализ изменений, происходящих в организме по тем или иным причинам -естественным или в результате изменений среды обитания ФСО;

в) количественный анализ: определение концентрации ФСО и пигментов, входящих в их состав.

Пример типичного спектра флуоресценции наземных растений приведен на рисунке 1.5. Объектом исследований в данном случае является лист кукурузы. Флуоресценция получена при возбуждении излучением третьей гармоники Ш:УАО лазера [47]. Спектральные кривые флуоресценции, как будет показано ниже, содержат информацию о количестве и концентрации флуоресцирующих пигментов, а также о скорости и эффективности фотосинтеза.

Из рисунка 1.5 видно, что спектры флуоресценции наземных растений состоят из нескольких полос, расположенных в сине-зелёной и красной области спектра. Максимумы флуоресценции хлорофилла расположены в районе 685 нм и 740 нм. Эти пики характеризуют активность различных центров реакции фотосинтеза в хлоропластах растений: максимум на 685 нм соответствует хлорофилл-белковым комплексам фотосистемы II (ФС 2), а пик на 740 нм обусловлен фотосистемой I (ФС 1) [74]. В спектрах флуоресценции наземных растений помимо полос хлорофилла, расположенных в красной области спектра, выделяют также полосы с центрами в районе 440 нм и 520 нм. Выявить источник происхождения сине-зелёной флуоресценции до сих пор не удалось. Предполагается, что она обусловлена включенными в электрон-переносящие реакции фотосинтеза компонентами, расположенными в стенках клеток эпидермиса и имеющими хинонную структуру - витамин Кь рибофлавин, бета-каротин и др. [75].

Длина тины, им

Рисунок 1.5 - ИЛФ спектр листа кукурузы, полученный при возбуждении излучением третьей гармоники Nd:YAG лазера

Для повышения информационного наполнения сигналов флуоресценции наряду со спектральной зависимостью используют также и временную зависимость, т.е. проводят исследование кинетики затухания ИЛФ. Вид индукционной кривой флуоресценции приведен на рисунке 1.6 [76]. Индукционную кривую затухания флуоресценции получают при внезапном освещении адаптированного к темноте растения. (Период темновой адаптации является обязательным условием проявления переходных состояний флуоресценции). Разные участки кривой отражают различные этапы фотосинтеза -начальный (быстрая флуоресценция) и последующий (замедленная флуоресценция (ЗФ)).

Флуоресценцию хлорофилла, регистрируемую во время освещения растений действующим светом и затухающую после его выключения в пределах наносекундного временного интервала, принято называть переменной или быстрой флуоресценцией (ПФ). ЗФ растений наблюдается после выключения света как очень слабое (квантовый выход <10 4), затухающее десятки секунд свечение [77, 78]. Выход ПФ по меньшей мере на два порядка выше выхода ЗФ. Кривая, отображающая уменьшение интенсивности ЗФ, носит название кривой затухания или индукционной кривой флуоресценции. "Хвост'' её заходит довольно далеко по шкале времени и при достаточной чувствительности аппаратуры может наблюдаться часами, практически в виде постоянной составляющей [79].

Время, с

Рис. 1.6. Индукционная кривая флуоресценции в относительных единицах при внезапном освещении адаптированного к темноте листа (1- начальный, 2 - пиковый и 3 -устойчивый уровни флуоресценции) [76]

Физиологи используют переходные состояния флуоресценции для изучения особенностей процесса фотосинтеза, например, определения эффективности захвата энергии возбуждения в реакционных центрах, размера антенны ФС, фотохимической составляющей тушения флуоресценции и др.

При дистанционном зондировании (с борта самолета) использование такой методики невозможно, поскольку конечная цель здесь - ускоренная съемка обширных площадей на значительном удалении от земли. Поэтому невозможно обеспечить достаточную энергию возбуждения. Более того, нет времени для регистрации переходных состояний флуоресценции.

Для исследования возможностей метода ИЛФ по распознаванию разновидностей сортов и степени зрелости растений проведен ряд экспериментов по дистанционному лазерному зондированию салата-латука в условиях лабораторной оранжереи [80, 81]. В качестве источника возбуждения использовались импульсный азотный лазер с длиной волны 337 нм и непрерывный гелий-кадмиевый лазер с длиной волны 441 нм. Удалось установить, что флуоресценция латука возрастает по мере его созревания. Однако попытки определить с помощью методики ИЛФ разные сорта латука (провести дифференциацию сортов в пределах одного вида) не увенчались успехом. Впоследствии эксперименты на зерновых культурах показали, что квантовый

выход флуоресценции (и структура спектров флуоресценции) может использоваться в качестве средства для дифференциации • различных видов растений [82]. Кроме того, установлено, что спектры флуоресценции зависят от состава флуоресцирующих пигментов. Эффективность фотосинтеза, количество и концентрация флуоресцирующих пигментов зависят от генетической структуры растений. Генетические различия отражаются в полных флуоресцентных спектрах растений, что дает возможность на основе спектральных различий проводить дифференциацию и идентификацию различных видов, в том числе хвойных и лиственных [41, 51, 83].

На рисунке 1.7 представлены спектры четырех видов древесной растительности: верхний спектр получен при возбуждении эксимерным лазером на красителе с длиной волны 422 им, нижний - на базе излучения второй гармоники Nd:YAG лазера с длиной волны 532 им [41]. Следует отметить, что к 422-нм спектру для наглядности был добавлен постоянный множитель, позволяющий отделить два графика. Из рисунка видно, что отношение пиков флуоресценции хлорофилла (685 нм к 740 нм) у узколистных видов растений значительно меньше, чем у широколистных. Следовательно, величина этого соотношения, отражающая физиологические различия в структуре мезофилла у широко- и узколистных растений, позволяет идентифицировать эти виды.

Установлено, что величина флуоресценции при фотосинтезе обратно пропорциональна эффективности и скорости фотосинтеза [84]. Если реакция фотосинтеза затормаживается, например, под воздействием стрессовых факторов, то во флуоресценцию переходит большая часть энергии поглощенных квантов. Например, гербициды полностью блокируют поток электронов в процессе фотосинтеза [85]. Флуоресценция при этом возрастает в несколько раз. Влияние дефицита элементов питания на ИЛФ спектры кукурузы исследовалось в Годдарском центре NASA [86, 87]. Растения были разделены на семь групп и содержались в питательной среде. Каждая группа подвергалась стрессу, вызванному дефицитом одного из семи основных элементов питания. В контрольной группе все эти элементы присутствовали в оптимальных количествах. Измерялась интенсивность флуоресценции на длинах волн 440 нм, 685 нм и 740

нм. Эксперимент показал высокую корреляцию между измерениями в полосах 685 и 740 нм. Флуоресценция хлорофилла уменьшается при дефиците фосфора, азота или железа и втрое возрастает при отсутствии калия. Наибольшее влияние на флуоресценцию в полосе 440 нм оказывает дефицит калия, фосфора, азота и железа.

Таким образом, метод ИЛФ дает возможность ранней диагностики дефицита элементов питания, а также подбора концентрации удобрений, оптимальной для роста растений.

Дальнейшее развитие метода связано с применением новых технологий. Авторы работ [51-53] используют в качестве детекторов ИЛФ приборы с зарядовой связью (камеры на ПЗС), что даёт им возможность получать изображения флуоресценции, т.е. пространственное распределение флуоресцентных характеристик по всей площади поверхности исследуемого объекта. Применение быстрого фотоумножителя [88] позволяет проводить дистанционные измерения флуоресценции хлорофилла, разрешенной по времени. Большой вклад в развитие теории взаимодействия лазерного излучения с растительными структурами был сделан Крековым Г.М. [89, 90]

1.5. Краткие выводы по 1 главе

Приведены физические основы и математический формализм основных спектроскопических методов лидарного зондирования газового состава атмосферы и подстилающей поверхности, а именно МДП и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии, метода КР и метода ИЛФ.

Показаны основные области применения спектроскопических методов лидарного зондирования параметров молекулярной атмосферы и подстилающей поверхности.

1000

500

0

400

*~7" 422 вх

-532 ем

) _/V

1000

1 500

1000

500

500 «0 'СО

Дтана волны, нм а

-мрсмуи

1000

500

К»

"линз эоанк. ЕЙ г

400

5С0 «00

Длзша волны, в« б

Вгскгвюта

500

•Л г "—г ек 1 V, ь/к*

«

500 6X5

ЛлВЗИ тж НМ

ТОО

ш

Рисунок 1.7. Спектры четырех видов древесной растительности: верхний спектр получен при возбуждении эксимерным лазером на красителе с длиной волны 422 нм, нижний - на базе излучения второй гармоники Ш:УАО лазера с длиной волны 532 нм [41]

ГЛАВА 2

МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ

Во второй главе проанализированы методические аспекты лидарного метода дифференциального поглощения. Описана предложенная на основе обоснованных критериев отбора информативных длин волн зондирования методика планирования и проведения лидарных измерений профилей температуры и влажности, позволяющая выработать требования к метеорологическому лидару дифференциального поглощения (ширина линии лазерного излучения, частота повторения импульсов, точность измерения длины волны и др.). Представлены результаты применения разработанной методики при проектировании метеорологических лидаров, функционирующих в видимой и ближней ПК-области спектра. Определены информативные длины волн для лидарных измерений метеорологических параметров атмосферы в диапазоне генерации обертонного СО-лазера (средняя ИК-область спектра). Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований возможностей использования созданного метеорологического лидара МЕЛ-01. Приводятся результаты исследований возможностей применения лазера на парах стронция для целей лидарных измерений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Харченко, Ольга Викторовна, 2014 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Межерис P.M. Лазерное зондирование атмосферы. Москва: Мир. 1987. 550 с.

2. Schotland R.M. The detection of the vertical profile of atmospheric gases by means of a ground - based optical radar // In: Proceedings of Third Symposium on Remote Sensing of the Environvtnt, Michigan, Ann Arbor. 1964. P. 215-224.

3. Browell E.V., Wilkerson T.D., and McCrath T.J. Water vapor differentional absorption lidar development and evolution // Appl. Opt. 1983 V. 22. N 3. P. 522 -534.

4. Zuev V.V., Zuev V.E., Makushkin Yu.S. et al. Laser sounding of the atmospheric humidity: experiment // Appl. Opt. V.22. N 23. P.3742 - 3746.

5. Murray E.R., Hake R.O., Van der Laan J.E. and Hawley J.G. Atmospheric water vapor measurements with infrared (10 r|m) differential absorption lidar system // Appl. Phys. Letters. 1976. V.28. N 9. P. 542 - 543.

6. Hardesty R.M. Simultaneous measurements of range - resolved species concentration and wind velocity characteristis by pulsed coherent lidar // In: Abstracts of Papers of 12 Int. Laser Radar Conference. Aix en Provance, France. 1984. P. 431 -435.

7. Енгоян T.M., Козинцев В.И., Никифоров В.Г., Сильницкий А.Ф. Дистанционные измерения концентрации N02 в атмосфере с помощью лидара дифференциального поглощения // ЖПС. 1983. Т.39. № 1. С. 87 -93.

8. Fredrikkson К.А., Hertz Н.М. Evalution of the DIAL techniques for studies on N02 using a mobile lidar system // Appl. Opt. 1984. V. 23. N 9. P. 1403 - 1411.

9. Egebak A. - L., Fredrikkson K.A., Hertz H.M. DIAL techniques for the control of sulfur dioxide emissions //Appl. Opt. 1984. V. 23. N 5. P. 722 - 729.

10. Browell E.V., Carter A.F., Shipley S.T. et. al. NASA Multipurpose airborne DIAL system and measurementnts of ozone and aerosol profiles // Appl. Opt. 1983. V.22. N3. P. 522-534.

11.Ushino О., McCormick M.P., Swissler T.J., McMaster L.R. Error analysis of DIAL measurement of ozone by shutlle eximer lidar // Appl. Opt.. 1986. V.25. N 21. P. 3946-3951.

12.Altman J., Lachman W., Weitkamp C. Remote measurement of atmospheric N20 with DF laser radar // Appl.Opt. V.19. N 20. P. 3453 - 3457.

13. Murray E.R., Van der Laan J.E. and Hawley J.G Remote measurement of HC1, CH4 and N20 using a single-ended chemical laser lidar system // Appl. Opt. 1976. V.15.N 12. P. 3140-3148.

14. Agishev R., Agishev R., Gross В., Moshary F., Gilerson A., Ahmed S. Atmospheric CW -FM-LD-RR Ladar for Trace-Constituent Detection: A Concept Development // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2005. V. 81. № 5. P. 695 - 703.

15. Бурлаков В.Д., Майер Г.В., Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Солдатов А.Н. Лазерные технологии дистанционного зондирования атмосферы // Известия Высших учебных заведений. Физика. 2010. № 9/3. С. 11-21.

16. Матвиенко Г.Г., Пташник И.В., Романовский О.А., Харченко О.В., Шаманаев B.C. Применимость DF-лазера для детектирования аэрозольно-газовых выбросов // Прикладная физика. 2002. №1. С. 129 - 136.

17. Ионин А.А., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Котков А.А., Романовский О.А., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Харченко О.В., Шелестович А.В., Яковлев С.В. Широкодиапазонный СО-лазер в задачах лазерного зондирования малых газовых составляющих атмосферы // Известия Высших учебных заведений. Физика. 2008. № 11. С. 85 - 92.

18. Karapuzikov A.I., Matvienko G.G., Ponomarev Yu.N., Ptashnik I.V., Romanovskii O.A., Sherstov I.V. Using of TEA C02 laser radiation harmonics in helicopter - borne lidar for the control of the leakages of toxic and dangerously explosive gases // Proceedings of SPIE. 1999. V. 3983-64. P. 476 -488.

19. Маричев B.H., Платонов A.B., Солдатов A.H., Соснин А.В., Филонов А.Г., Филонова Н.А. // Измерительные приборы для исследования параметров

приземных слоев атмосферы // Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО АН СССР. 1977. С. 80 - 86.

20. Ветошкин С.В., Ионин А.А., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Котков А.А., Рулев О.А., Селезнев Л.В., Синицын Д.В. Динамика коэффициента усиления в импульсном лазерном усилителе на газовых смесях СО—Не, СО—N2 и СО—02 // Квантовая электроника. 2007. V. 37. № 2. С. 111 - 117.

21. А. А. Ионин, Ю. М. Климачев, А.Ю.Козлов, А. А. Котков, А. К. Курносов, А. П. Напартович, О. А. Рулев, JT. В. Селезнев, Д. В. Синицын, Г. Д. Хагер, С. Л. Шнырев Импульсный обертонный СО-лазер с КПД 16 % // Квантовая электроника. 2006. Т. 36. № 12. С. 1153 -1154.

22. В. Бон, X. фон Бюлов, Ш. Дасс, А.А. Ионин, Ю.М. Климачев, А.А. Котков, Д.К. Макайвер, Д.Е. Маккорд, Л.В. Селезнев, Д.В. Синицын, Р.Ф. Тейт, Г.Д. Хагер, Мощный сверхзвуковой СО-лазер на основных и обертонных переходах // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 12. С. 1126-1130.

23. Яковлев С.В., Романовский О.А., Харченко О.В. Применение обертонного СО лазера для газоанализа атмосферы // Известия Высших учебных заведений. Физика. 2010. № 9/3. С. 29-32.

24.Hoge F.E., Wright C.W., Swift R.N. Radiance-ratio algorithm wavelengths for remote oceanic chlorophyll determination // Appl. Opt. 1987. V.26. N 11. P. 2082 - 2094.

25. Фадеев B.B., Бунин Д.К., Венедиктов П.С. Методы лазерного мониторинга фотосинтезирующих организмов // Квантовая электроника. 1996. Т. 23. № П.С. 963 -973.

26.McFarlane J.C., Watson R.D., Theisen A.F., Jackson R.D., Ehrler W.L., Pinter P.J. Jr., Idso S.B., Reginato R.J. .Plant stress detection by remote measurement of fluorescence//Appl. Opt. 1980. V. 19. № 19. P. 3287-3289.

27. Measures R.M., Bristow M. The development of a laser fluorosensor for remote environmental probing // Can. Aeron. Space J. 1971. V. 17. P. 421 - 422.

28. Fantasia J.F., Hard T.M., Ingrao H.C. An investigation of oil fluorescence as a technique for remote sensing of oil spills // Report № DOT-TSC-USCG-71-7. Cambridge. Mass. 1971.

29. Measures R.M., Garlick J., Houston W.R., Stephenson D.G. Laser induced spectral signatures of relevance to environmental sensing // Can. J. Remote Sensing. 1975. V.l. P. 95-102.

30. Measures R.M., Houston W.R., Bristow M. Development and field tests of a laser fluorosensor for environmental monitoring // Can. Aeron. Space J. 1973. V.l9. P. 501-506.

31. Kim H.H., Hickman G.D. An airborne laser fluorosensor for the detection of oil on water // ASA Conference on the use of lasers for hydrographic studies. -Wallops Island. Sept. 1973. SP-375. P. 197-202.

32.0'Neil R.A., Buje-Bijunas L., Rayner D.M. Field performance of a laser fluorosensor for the detection of oil spills // Appl. Opt. 1980. V.l9. №6. P. 863870.

33.0'Neil R.A., Hoge F.E., Bristow M.P. The current status of airborne laser fluorosensing. //15th International Symposium on remote sensing of

environment.-Ann Arbor, Michigan. 1981. P. 379-398.

34. Rayner D.M., Szabo A.G. Time-resolved laser fluorosensors: a laboratory study of their potential in the remote characterization of oil // Appl. Opt. 1978. V. 17. № 10. P. 1624-1630.

35. Hickman G.D., Moore R.B. // Proc. Great Lakes Res. Conf. 1970. V.13. P. 1-14.

36. Mumola P.B., Jarret O., Brown C.A. Multiwavelength lidar for remote sensing of chlorophyll in algae and phytoplankton // NASA Conference on the use of lasers for hydrographic studies. NASA SP-375. 1973. P. 137-145.

37. Kim H.H. New Algae Mapping Technique by the Use of an Airborne Laser Fluorosensor//Appl. Opt. 1973. V. 12. № 7. P. 1454-1459.

38.Browell E.V. Analysis of laser fluorosensor systems for remote algae detection and quantification // NASA TN D-8447. 1977.

39. Hoge F.E., Swift R.N. Absolute tracer dye concentration using airborne laser-induced water Raman backscatter//Appl. Opt. 1981. V. 20. № 7. P. 1191-1202.

40. Bristow M.P. Monitoring of surface water pollutants by fluorescence spectroscopy// Remote Sensing of Environment. 1978. V. 7. P. 105-127.

41.Hoge F.E., Swift R.N., Yungel J.K. Feasibility of airborne detection of laser-induced fluorescence emissions from green terrestrial plants // Appl. Opt. 1983. V. 22. №.19. P. 2991-3000.

42. Edner H., Johansson J., Svanberg S. Fluorescence lidar multicolor imaging of vegetation //Appl. Opt. 1994. V. 33. № 13. P. 2471-2479.

43. Johansson J., Andersson M., Edner H. Remote Fluorescence Measurements of Vegetation Spectrally Resolved and by Multi-Colour Fluorescence Imaging // J. Plant Physiol. 1996. V. 148. P. 632-637.

44. Saito Y., Kanoh M., Hatake K., Kawahara Т., Nomura A. Investigation of laser-induced fluorescence of several natural leaves for application to lidar vegetation monitoring//Appl. Opt. 1998. V. 37. № 3. P. 431 - 437.

45. Moya I., Goulas Y., Morales F. Remote sensing of time-resolved chlorophyll fluorescence and back-scattering of laser extinction by vegetation // EARSeL (European Association of Remote Sensing Laboratories) Adv. Remote Sensing. 1995. V. 3.P. 188-197.

46. Sovinska M., Heisel F., Miehe J.A. et al. Remote sensing of plants by streak camera lifetime measurements of the chlorophyll a emission // J. Plant Physiol. 1996. V. 148. P. 638-644.

47. Lichtenthaller H.K. Vegetation stress: an introduction to the stress concept in plants//J.Plant Physiol. 1996. V. 148. p. 4-14.

48. Фадеев B.B., Бунин Д.К., Венедиктов П.С. // Квантовая электроника. 1978. Т. 5, С. 2221-2226.

49.Hoge F.E., Wright C.W., Swift R.N. Radiance-ratio algorithm wavelengths for remote oceanic chlorophyll determination// Appl.Optics. 1987. V. 26. № 11. P. 2082-2094.

50. International Guidelines for Forest Monitoring // IUFRO Word Series. 1994. V. 5. P. 1- 102.

51. Saito Y., Saito R., Nomura E., Kawahara Т.; Nomura A.; Takaragaki S.; Ida K.; Takeda S. Performance check of vegetation fluorescence imaging lidar through in vivo and remote estimation of chlorophyll concentration inside plant leaves// Optical review. 1999. V.6, № 2. P. 155-159.

52. Edner H., Johansson J., Svanberg S., Wallinder E. Fluorescence lidar multicolor imaging of vegetation // Appl. Opt. 1994. V. 33. P. 2471-2479.

53.Moya I., Goulas Y., Morales F. Remote sensing of time-resolved chlorophyll fluorescence and back-scattering of laser extinction by vegetation // EARSeL (European Association of Remote Sensing Laboratories) Adv. Remote Sensing.

1995. V. 3. P. 188-197.

54. Sovinska M., Heisel F., Miehe J.A. et al. Remote sensing of plants by streak camera lifetime measurements of the chlorophyll a emission // J. Plant Physiol.

1996. V. 148. P. 638-644.

55.Коллис P.T.X., Рассел П.Б. Лидарные измерения аэрозольных частиц и газов посредством упругого рассеяния назад и дифференциальное поглощение // В кн.: Лазерный контроль атмосферы. / Под ред. Хинкли Е.Д. Москва: Мир. 1979. С. 91 - 180.

56. Андреев Ю.М., Гейко П.П., Самохвалов И.В. Зондирование газовых загрязнений атмосферы методом дифференциального поглощения в ИК-области спектра // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16. № 9. С. 783 -791.

57. Васильев Б.И., Маннун У.М. ИК-лидары дифференциального поглощения для экологического мониторинга окружающей среды // Квантовая электроника. 2006. Т.36. №9. С. 801-820.

58. Lidar. Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere // Series: Springer Series in Vol. 102. Weitkamp, Claus (Ed.). 2005. 460 p.

59. Зуев B.E. Распространение лазерного излучения в атмосфере // Москва: Радио и связь. 1981. 288 с.

60. Husson N., Chedin A., Scotte N.E. et.al. The GEISA Spectroscopic Lines Parameters Data Bank in 1984 // Annales Geophysical, Fasc.2, Serias A. 1986. P. 185-190. http.V/ether.ipsl.iussieu.fr/etherTvpo/?id=950 (2011).

61. Zuev V.E., Makushkin Yu.S., Marichev V.N., Mitsel A.A., Zuev V.V. Differential absorption and scattering technique: Theory // Appl. Opt. 1983. V.22. № 23. P. 3733-3741.

62. Browell E.V. Lidar measurements of troposheric gases // SPIE. Laser spectroscopy for sensetive detection. 1981. V.286. P. 79-86.

63. Лидарное зондирование газовых составляющих атмосферы методом дифференциального поглощения // В кн.: Спектроскопические методы зондирования атмосферы. Новосибирск: Наука. 1985. С. 57-75.

64. Schotland R.M. Errors in the lidar measurements of atmospheric gases by differential absorption // J.Appl.Meteorology. 1974. V.13. №.2. P.71-77.

65. Гришин А.И., Матвиенко Г.Г. Исследование высотного распределения статистических характеристик коэффициента обратного рассеяния // В кн.: Исследования атмосферного аэрозоля с помощью методов лазерного зондирования. Новосибирск: Наука. 1980. С. 167 - 179.

66. Rothman L.S., Gamache R.R., Tipping R.H. et al. The HITRAN Molecular database: Editions of 1991 and 1992 // JQSRT. 1992. V.48. P. 469-507.

67.0.A.Романовский Анализ систематических ошибок восстановления лидарных профилей концентраций атмосферных газов методом дифференциального поглощения // Известия Высших учебных заведений. Физика. 2008. Т. 51, № 6. С. 68 - 73.

68. Романовский О.А., Харченко О.В. Оценка возможностей обнаружения выбросов окислов азота при бортовом базировании лидара дифференциального поглощения, работающего в средней ИК области спектра // Журнал прикладной спектроскопии. 1999. Т.66. №6. С. 843-845.

69. Korb C.L., Schwemmer G.K., Famigletti J., Walden H., Prasad C. Differential Absorption Lidars for Remote Sensing of Atmosphere Pressure and Temperature Profiles: Final Report //NASA Technical Memorandum 104618, Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland. 1995. 249 p.

70.Kalshoven J.E., Korb C.L., Schwemmer G.K., Dombrovsky M. Laser remote sensing of atmosheric temperature by observing resonant absorption of oxygen//Appl. Opt. 1981V.21. № 11. P. 921-930.

71. Mason J. Lidar measurement of temperature: A new approach // Appl. Opt. 1975. V.14. № 14. P. 76-78.

72. Агеев Б.Г., Дьякова Е.Ю., Кабанов A.M., Капилевич Л.В., Кистенев Ю.В., Никифирова О.Ю., Пономарев Ю.Н., Романовский О.А., Харченко О.В. Приложения лазеров в биологии и медицине // Учебное пособие (УМО). Под редакцией Ю.В.Кистенева. Томск: Изд. ТПУ. 2006. 152 с.

73. Харченко О.В., Романовский О.А. Лидарное зондирование растительности методом индудуцированной лазером флуоресценции. Часть I: Состояние проблемы // Изв. ВУЗов. Физика. Томск. 2006. 20 с. Деп. в ВИНИТИ 28 марта 2006. № 341 - В2006.

74. Brown J.S., Mihcel-Wolwertz M.R. The distribution and action in photosynthesis of several forms of chlorophyll // Biochem. Biophys. Acta. 1968. V. 155. P. 288.

75. Chappelle E.W., Williams D.L. Laser-induced fluorescence from plant foliage // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1987. GE-25. № 6. P. 726-736.

76. Rosema A., Cecchi G., Pantani L. et al. Monitoring photosynthetic activity and ozone stress by laser induced fluorescence in trees // Int. J. Remote Sevsing. 1992. V.13. №4. P. 737-751.

77. Гаевский H.A., Моргун B.H. Использование переменной и замедленной флуоресценции хлорофилла для изучения фотосинтеза растений // Физиология растений. 1993. Т. 40. С. 136-144.

78. Нестеренко Т.В., Сидько Ф.Я. О количественном описании медленной индукции флуоресценции хлорофилла в онтогенезе листьев высших растений // Физиология растений. 1993. Т. 40. С. 10-15.

79. Lavorel J. A study of dark luminescence in Chlorella. Background luminescence,3-(3,4-dichIorophenyl)-l,l-dimethylurea-triggered luminescence and hydrogen peroxide chemiluminescence // Biophys. Acta. 1980. v. 590. N 3. P. 385-399.

80. Brach E.J., Molnar J.M., Jasmin J.J. Detection of lettuce maturity and variety by remote sensing techniques // J. Agric. Eng. Res. 1977. V. 22. P. 45-54.

81. Brach E.J., Klyne M.A., Phan T. // Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. 1978. V. 158. P. 156.

82. Brach E.J., Gasman В., Croix L.J., Acker Pflanzenbar // J. Agron. Crop Sci. 1982. V. 151. P. 6.

83. Chappelle E.W., Wood F.M., Newcomb W.W. Laser-induced fluorescence of green plants.3: LIF spectral signatures of five major plant types // Appl. Opt. 1985. V. 24. P.74-80.

84. Кок В. Photosynthesis, the pathway of energy // Plant biochemistry, J.Bonner and J.E.Varner (eds.). - N.-Y.: Academic. 1965. P. 903-930.

85. Федтке Г. Биохимия и физиология действия гербицидов // М.: Агропромиздат. 1985. 222 с.

86. Chappelle E.W., Wood F.M., McMurtrey J.E. Laser-induced fluorescence of green plants. 1: A technique for the remote detection of plant stress and species differentiation //Appl. Opt. 1984. V.23. № 1. P. 134-138.

87. Chappelle E.W., Wood P.M., McMurtrey J.E. Laser-induced fluorescence of green plants.2: A technique for the remote detection of plant stress and species differentiation // Appl. Opt. 1984. V. 23. № 1. P. 139-142.

88. Grishin A.I., Matvienko G.G., Kharchenko O.V., Romanovskii O.A. Application of laser induced fluorescence for remote sensing of vegetation // Optical Engineering. 2006. V.45. №5. P. 82-87.

89. Креков Г.М., Крекова M.M., Лисенко A.A., Матвиенко Г.Г. Статистическое моделирование трансспектральных процессов: реабсорбция ЛИФ // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21. № 12. С. 1076-1082.

90. Креков Г.М., Крекова М.М., Лисенко А.А., Суханов А.Я. Радиационные характеристики растительного листа // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. №04. С. 397-415.

91.Харченко О.В. Методика планирования и проведения лидарных измерений профилей метеорологических рпараметров атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. С. 523-528.

92. Зуев В.В., Романовский О.А. К учету систематических погрешностей в лидарном методе дифференциального поглощения // Депон. в ВИНИТИ, per. № 4675 - В87 от 25.06.87 г.

93.Г.М. Креков, Р.Ф. Рахимов Оптико-локационная модель континентального аэрозоля//Новосибирск. Наука. 1982. 199 с.

94.McClatchey R.A., Fenn R.W., Selby J.E.A. Volz F. E., Garing, J. S. Optical properties of atmosphere // Report AFCRL-71-0297. Bedford, Mass. 1971. 86 P.

95.Rothman L.S., Gordon I.E., Barbe A., Chris Benner D., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Brown L.R., Campargue A., Champion J.P., Chance K., Coudert L.H., Dana V., Devi V.M., Fally S., Flaud J.M., Gamache R.R., Goldman A.,

Jacquemart D., Kleiner I., Lacome N., Lafferty W.J., Mandin J.Y., Massie S.T., Mikhailenko S., Miller C.E., Moazzen-Ahmadi N., Naumenko O.V., Nikitin A., Orphal J., Predoi-Cross A., Perevalov V., Perrin A., Rinsland C.P., Rotger M., Simeckov M., Smith M.A.H., Sung K., Tashkun S., Tennyson J., Toth R..A., Vandaele A.C., Vander Auwera J. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // JQSRT. 2009. № 110. P. 532-572.

96.Endeman M., Byer R.L. Simultaneous remote measurements of atmospheric temperature and humidity using a continuously tunable infrared lidar // Opt. Letters. 1980. V.5. №10. P. 452-454.

97. Гришин А.И., Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В. Лидарные методы измерения метеорологических величин и их апаратурная реализация // Метеорология и гидрология. 2001. Т. 4. С.87-96.

98. Matvienko G.G., Grishin A.I., Kharchenko O.V., Romanovskii O.A. Near-IR meteorological lidar MEL-01 // Proceedings of SPIE. 2000. V. 4035-09. P. 34-44.

99. Матвиенко Г.Г., Аршинов Ю.Ф., Гришин А.И. и др. Лазерное зондирование профилей метеоэлементов. Создание метеорологического лидара // Труды XI Симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы Томск: Институт оптики атмосферы 1993. С. 130-136..

100. Matvienko G.G., Grishin A.I., Kharchenko O.V., Romanovskii О.A., Matuchnov A.G. Possibility of using a meteorological lidar for measurement of basic meteorological parameters of the atmosphere // Proceedings of SPIE. 2005. V. 5832-45. P. 615-622.

101. Матвиенко Г.Г., Задде Г.О., Фердинандов Э.С., Колев И.Н., Аврамова Р.П. Корреляционные методы лазерно-локационных измерений скорости ветра// Новосибирск. Наука. 1985. 223 с.

102. Матвиенко Г.Г., Самохвалов И.В. Применение корреляционного анализа при лазерных измерениях скорости ветра // Метеорология и гидрология, 1978. № 7. С. 99-103.

103. Bendat J.S., Piersol A.G. Measurement and Analysys of Random Data // John Wiley and Sons. New York-London-Sydney. 1967. 408 p.

104. Vasiljeva A.V., Polunin Yu.P., Romanovskii O.A., Soldatov A.N., Kharchenko O.V., Yudin N.A. The Possibilities of a Strontium Vapor Laser

Using for Laser Using for Laser Sensing of Minor Gaseous Components of the Atmosphere // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2009. V. 19. №. 2. P. 142-149.

105. Бочковский Д.А., Васильева A.B., Матвиенко Г.Г., Полунин Ю.П., Романовский О.А., Солдатов А.Н., Харченко О.В., Юдин Н.А., Яковлев С.В. Применимость лазера на парах стронция для решения задач лазерного зондирования газового состава атмосферы. // Оптика атмосферы и океана.

2011. Т. 24. №7. С. 295-301.

106. Бочковский Д.А., Васильева А.В., Долгий С.И., Матвиенко Г.Г., Полунин Ю.П., Романовский О.А., Солдатов А.Н., Харченко О.В., Юдин Н.А., Яковлев С.В. Многоволновой лазер на самоограниченных переходах стронция в задачах дистанционного газоанализа атмосферы // Известия ВУЗов. Серия Физика. 2012. № 4. С. 95-102.

107. Бочковский Д.А., Васильева А.В., Долгий С.И., Матвиенко Г.Г., Полунин Ю.П., Романовский О.А., Солдатов А.Н., Харченко О.В., Юдин Н.А., Яковлев С.В. Возможности применения многоволнового стронциевого лазера для дистанционного газоанализа атмосферы // Прикладная физика.

2012. №4. С. 100-106.

108. Романовский О.А. Анализ систематических ошибок восстановления лидарных профилей концентраций атмосферных газов методом дифференциального поглощения. // Известия ВУЗов. Серия Физика. 2008. № 6. С. 68-73.

109. Lasers and optical radiation. Environmental health criteria, Geneva (1982).

110. 1994 Conf. on Lasers and Electro-Optics. Amsterdam, Netherlands (1994).

111. Third International Lidar Researchers Directory, Compiled by M.P. McCormick. NASA Langley Research Center, Hampton, Va. 1993.

112. Зуев B.B., Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В. Численное моделирование лазерного зондирования температуры и влажности атмосферы методом дифференциального поглощения в ближней

ИК-области спектра с использованием метеорологического лидара МЕЛ-01 // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10, № 03. С. 316-321.

113. Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В. Моделирование лидарного зондирования метеопараметров атмосферы в области спектра 2 мкм // Журнал прикладной спектроскопии. 2000. Т. 67. № 6. С. 693-695.

114. Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В., Яковлев С.В. Результаты моделирования лидарных измерений профилей метеопараметров с помощью обертонного СО-лазера. // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 02. С. 123-125.

115. Харченко О.В., Романовский O.A. Лидарное зондирование растительности методом индудуцированной лазером флуоресценции. Часть II: Результаты экспериментов // Известия ВУЗов. Серия Физика. Томск. 2006. 20 с. Деп. в ВИНИТИ 28 марта 2006. № 342 - В2006.

116. Гришин А.И., Матвиенко Г.Г., Харченко О.В., Тимофеев В.И., Климкин В.М., Соковиков В.Г., Астафурова Т.П., Зотикова А.П. Дистанционная оценка состояния фотосинтетического аппарата в растениях методом индуцированной лазером флуоресценции. // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 04. С. 334-337.

117. Воробьева H.A., Гришин А.И., Зотикова А.П., Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В. Применение эффекта лазерно-индуцированной флуоресценции для дистанционного исследования фотосинтетического аппарата растений // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. №5. С. 539-542.

118. Гришин А.И., Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В. Флуоресцентный лидар для зондирования древесной растительности // Наука производству. 2003. Т. 65. № 9. С. 2-5.

119. Астафурова Т.П., Гришин А.И., Зотикова А.П., Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В. и др. // Физиология растений. 2001. Т. 48. № 4. С. 600-605.

120. Romanovskii O.A., Matvienko G.G., Kharchenko O.V., Grishin A.I. Laser sensing of arboreous plant fluorescence in Western Siberia.-SPIE News. 2007. http://spie.org/x8536.xml

121. Рост и газообмен C02 у лесных деревьев // Москва: Наука. 1993. 256 с.

122. Шлык А.А. Определение хлорофилла и каротиноидов в экстрафактах зеленых листьев // Биохимические методы в физиологии растений. / Под редакцией Павлиновой О.А. Москва: Наука. 1971 С. 91-154.

123. Конев С.В., Катибников М.А. // Биолюминесценция. Москва: Наука. 1965. С. 69-74.

124. В.В. Заворуев, Е.Н. Заворуева, А.В. Шелегов // Биофизика. 2000. Т.45. вып.4. С.704-711.

125. Yasunori Saito, Kohjiro Kuhjiro, Hiroaki Takahashi et al. Remote estimation of the chlorophyll concentration of living trees using laser-induced fluorescence imaging lidar// Optical review. 2002. V.9. №.2. P.37-39.