Спектральная фильтрация интерферометром Фабри-Перо лидарных откликов вращательного комбинационного рассеяния света тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Сериков, Илья Борисович

• Сериков, Илья Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сериков, Илья Борисович

Введение

Глава 1. Методы дистанционного измерения температуры

Глава 2. Спектральная фильтрация в лидарных измерениях температуры атмосферы по вращательным спектрам комбинационного рассеяния молекул атмосферного воздуха

2.1. Вращательный спектр комбинационного рассеяния азота и кислорода

2.2. Методика лидарных измерений температуры атмосферы по вращательным спектрам комбинационного рассеяния

2.3. Выбор положения и ширины спектральных участков

2.3.1. Критерий выбора участков спектра

2.3.2. Измерения в отсутствии помех

2.3.2.1. Выбор отдельных линий спектра

2.3.2.2. Выбор участков спектра

2.3.3. Измерения при конечном отношении сигнал-шум

2.3.3.1. Помеха несмещенного рассеяния

2.3.3.2. Помеха фонового излучения

Глава 3. Фильтрация помехи фона в каналах вращательного комбинационного рассеяния с применением интерферометра Фабри-Перо

3.1. Функция пропускания интерферометра Фабри-Перо

3.1.1. Пропускание интерферометра для пучка конечной расходимости

3.1.2. Зависимость пропускания интерферометра от угла падения пучка

3.1.3. Влияние дефектов поверхности зеркал

3.2. Согласование функции пропускания интерферометра Фабри-Перо и вращательного спектра комбинационного рассеяния

3.3. Подавление помехи рассеянного фона дневного неба

3.4. Фактор повышения отношения сигнал-фон

3.5. Подавление помехи несмещенного рассеяния

3.6. Выбор отражательной резкости функции пропускания

3.6.1. Критерий выбора отражательной резкости функции пропускания

3.6.2. Идеальный интерферометр в плоскопараллельном падающем пучке

3.6.3. Выбор отражательной резкости с учетом дефектов поверхности зеркал

3.6.4. Выбор отражательной резкости с учетом дефектов поверхности зеркал и конечной расходимости падающего пучка

3.7. Учет фильтрации интерферометром отклика рассеяния кислорода

3.8. Фильтрация фона в промежутках между линиями вращательных спектров комбинационного рассеяния азота и кислорода

3.9. Выбор ширины линии возбуждающего излучения

Глава 4. Практические вопросы реализации методики фильтрации помехи рассеянного фона дневного неба с применением интерферометра Фабри-Перо

4.1. Температурный канал комплексного Ми-КР-лидара

4.2. Настройка базы интерферометра

4.2.1. Методика определения базы интерферометра

4.2.2. Автоподстройка базы интерферометра

4.2.3. Экспериментальная проверка настройки

4.3. Фильтрация помехи рассеянного фона дневного неба с применением интерферометра Фабри-Перо

4.4. Влияние крупномасштабных дефектов поверхности зеркал интерферометра на точность измерений температуры

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спектральная фильтрация интерферометром Фабри-Перо лидарных откликов вращательного комбинационного рассеяния света»

Температура, характеризующая среднюю для ансамбля молекул скорость их хаотического теплового движения, является необходимым исходным параметром в задачах прогнозирования состояния атмосферы и тенденций развития протекающих в ней процессов. Это задачи метеопрогноза, прогнозирования смогообразования, задачи оценки интенсивности переноса в атмосфере антропогенных примесей, задачи исследования динамики развития атмосферных процессов, к примеру, динамики формирования облачных образований, динамики фазовых переходов. Во всех этих, и многих других задачах подобного плана вертикальный профиль температуры атмосферы, и его изменение во времени, является важным входным параметром. Необходимые для получения этой информации круглосуточные измерения температуры атмосферы до сих пор ведутся с применением контактных методов, которые не обеспечивают необходимого временного разрешения и повторяемости пространственной привязки профиля измеряемых параметров. Альтернативой контактным методам являются лидарные методы измерений, не имеющие обозначенных недостатков. Анализ существующих на сегодняшний день лидарных методов измерения температуры позволяет выделить, как наиболее перспективный, метод измерения температуры атмосферы по вращательным спектрам комбинационного рассеяния света молекулами атмосферного азота и кислорода. Экспериментальные исследования, проводившиеся различными научными группами, показали высокую эффективность данного метода при проведении измерений в отсутствии помехи рассеянного фона дневного неба (ночных измерений) [1-5]. В случае дневных измерений наличие помехи фона дневного неба существенно ограничивает высотный диапазон применимости метода. Один из подходов, позволяющих если не устранить совершенно, то, по крайней мере, значительно ослабить это ограничение, построен на фильтрации помехи рассеянного фона неба интерферометром Фабри-Перо [6]. Основная идея подхода такова: поскольку вращательный спектр комбинационного рассеяния азота (и кислорода) имеет вид гребенки линий, расположенных в шкале частот практически эквидистантно [7, 8], для выделения линий и подавления фона между ними может быть использован интерферометр Фабри-Перо, представляющий собой гребенчатый фильтр [9-12]. Эта идея фильтрации была высказана в работе [6], но лишь в общем виде, ее физические основы не были изучены вплоть до момента проведения представляемой работы, не был построен соответствующий математический аппарат, не были выполнены экспериментальные исследования. Последнее обуславливает актуальность данной диссертационной работы, целью которой является исследование физических основ метода фильтрации интерферометром Фабри-Перо вращательного спектра комбинационного рассеяния света молекулами атмосферного азота (и кислорода) в задаче измерения температуры атмосферы. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать сравнительную эффективность измерений температуры атмосферы в зависимости от выбора положения и ширины температурно-чувствительных участков вращательного спектра комбинационного рассеяния азота и кислорода, с учетом влияния на точность измерений помехи несмещенного рассеяния и помехи рассеянного фона дневного неба.

2. Исследовать сравнительную эффективность измерений температуры атмосферы в зависимости от положения спектрального диапазона, в котором возбуждаются спектры рассеяния.

3. Построить математическую модель интерферометра Фабри-Перо, позволяющую учесть физические аспекты фильтрации рассеянного фона дневного неба в задаче измерения температуры атмосферы лидаром по вращательным спектрам комбинационного рассеяния света.

Методы исследования:

В работе применен комплексный подход: используется теория рассеяния Рэлея, рассеяния Ми, теория спонтанного комбинационного рассеяния, теория многолучевой интерференции, физическое и численное моделирование, методы математической статистики, натурный эксперимент.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Впервые исследованы физические основы метода фильтрации интерферометром Фаб-ри-Перо помехи рассеянного фона дневного неба в спектральных промежутках между линиями вращательного спектра комбинационного рассеяния. Разработана методика расчета параметров интерферометра Фабри-Перо, предназначенного для фильтрации помехи рассеянного фона дневного неба в спектральных промежутках между линиями вращательного спектра комбинационного рассеяния. На основании расчета по данной методике впервые определены границы применимости метода фильтрации рассеянного фона дневного неба с использованием интерферометра Фабри-Перо, получена оценка эффективности метода.

Впервые описано влияние дефектов поверхности зеркал интерферометра, упорядоченных по апертуре, на зависимость пропускания спектральных каналов лидара от дальности зондирования.

В настоящей работе впервые описана зависимость оптимального (с точки зрения минимизации времени измерений) положения и ширины температурно-чувствительных участков вращательного спектра комбинационного рассеяния азота и кислорода от уровня помехи несмещенного рассеяния и помехи рассеянного фона дневного неба.

Для наиболее характерных атмосферных ситуаций, и высот зондирования, представляющих практический интерес, впервые описана зависимость времени накопления, необходимого для обеспечения фиксированной точности измерений температуры атмосферы, от выбора спектрального диапазона, в котором возбуждаются спектры рассеяния.

Научная ценность результатов диссертационной работы:

Использование выводов и рекомендаций, изложенных в работе, при построении температурных лидаров сделает возможными дневные лидарные измерения высотных профилей температуры атмосферы с адекватным временным и пространственным разрешением.

Выводы и опыт, полученные в результате теоретической проработки и экспериментальной апробации методики фильтрации рассеянного фона дневного неба с применением интерферометра Фабри-Перо, являются уникальными и могут быть использованы при разработке температурных лидаров следующего поколения.

Результаты расчета параметров настройки температурного канала лидара (выполнявшейся в соответствии с критерием минимизации времени измерений), представленные в работе в виде зависимости положения и ширины участков вращательного спектра комбинационного рассеяния азота и кислорода от уровня помехи несмещенного рассеяния и спектральной плотности помехи рассеянного фона дневного неба, могут быть использованы при анализе различных вариантов фильтрации помех, а так же при конструировании температурных лидаров.

Рассчитанная для различных атмосферных ситуаций зависимость времени накопления, необходимого для обеспечения заданной точности измерений температуры, от выбора спектрального диапазона, в котором возбуждаются спектры рассеяния, может быть напрямую использована при разработке температурных лидаров.

Практическая значимость результатов диссертационной работы:

Предложенная в работе простая методика определения базы интерферометра может бьггь использована при настройке интерферометров Фабри-Перо, предназначенных для выделения линий вращательного спектра комбинационного рассеяния азота и кислорода.

Предложенная методика автоподстройки интерферометра, обеспечивающая высокую стабильность настройки (стабильность базы на уровне двух ангстрем, отклонение от параллельности зеркал не больше пяти сотых микрорадиана), может быть использована для решения задачи автоподстройки интерферометра в любых приложениях, подобных описанному в работе. В тех же приложениях может быть использован разработанный программный модуль, позволяющий осуществлять автоподстройку интерферометра в автономном режиме.

Предложенный в работе вариант устройства, позволяющего избавиться от зависимости угловых и апертурных параметров пучка, формируемого приемным телескопом лидара, от положения рассеивающего объема вдоль трассы зондирования, и, тем самым, обеспечить независимость пропускания спектральных каналов лидара от дальности зондирования, может использоваться в схеме любых лидаров. Его применение особенно оправдано в том случае, если измеряемый по лидарным откликам параметр определяется через величину отношения откликов рассеяния в различных лидарных каналах, и постоянство пропускания каждого из каналов особенно важно.

Внедрение результатов работы:

Описанная в работе методика фильтрации помехи рассеянного фона дневного неба в промежутках между линиями вращательного спектра комбинационного рассеяния азота с применением интерферометра Фабри-Перо опробована (ноябрь 1999 года) и внедрена (апрель 2001 года) на экспериментальном полигоне Института тропосферных исследований (Лейпциг, Германия). С апреля 2001 года интерферометр, установленный в температурном канале лидара, находится в непрерывной эксплуатации.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 19-ой Международной конференции по лазерному и акустическому зондированию (1998 г., Аннаполис, США), 5-ом Международном симпозиуме по оптике атмосферы и океана (1998 г., Томск), 20-ой Международной конференции по лазерному и акустическому зондированию (2000 г., Виши, Франция), 5-ом Международном симпозиуме по тропосферному профайлингу (2000 г., Аделаида, Австралия), 11-ой Международной школе по квантовой электронике (2000 г., Варна, Болгария), 21-ой Международной конференции по лазерному и акустическому зондированию (2002 г., Квебек, Канада), 6-ом Международном симпозиуме по тропосферному профайлингу (2003 г., Лейпциг, Германия), 22-ой Международной конференции по лазерному и акустическому зондированию (2004 г., Матера, Италия).

Структура работы:

Диссертация состоит из ведения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 91 наименование, и приложения, содержит 235 страниц, 153 рисунка и 5 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, изложены новые научные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен обзор существующих на сегодняшний день методов дистанционного измерения температуры, проведен сравнительный анализ свойственных им достоинств и недостатков. Описаны возможные варианты снижения уровня помехи рассеянного фона дневного неба в измерительном канале лидара.

Во второй главе работы рассматриваются вопросы оптимального (с точки зрения минимизации времени накопления, необходимого для обеспечения заданной точности измерений) выбора положения и ширины температурно-чувствительных участков спектра вращательного комбинационного рассеяния применительно к методике лидарных измерений температуры атмосферы по спектрам вращательного комбинационного рассеяния атмосферных молекул. Дано краткое описание эффекта вращательного комбинационного рассеяния на языке формы спектров, интенсивности линий, их формы и относительного положения на оси частот. Описана методика измерений. Дано математическое описание критерия выбора параметров полос пропускания каналов. Исследуется зависимость оптимальных, с точки зрения выбранного критерия, положения и ширины температурно-чувствительных участков спектра вращательного комбинационного рассеяния от уровня помехи несмещенного рассеяния и помехи рассеянного фона дневного неба в измерительном канале. Для наиболее характерных атмосферных ситуаций проводится оценка уровня рассеянного фона дневного неба, который следует ожидать при проведении атмосферных измерений. Исследуется сравнительная эффективность измерений температуры атмосферы в зависимости от положения спектрального диапазона, в котором возбуждаются спектры рассеяния.

В третьей главе проводится исследование физических основ метода фильтрации интерферометром Фабри-Перо вращательного спектра комбинационного рассеяния света молекулами азота (и кислорода) в задаче измерения температуры атмосферы. Построена математическая модель интерферометра. Рассматриваются вопросы согласования функции пропускания интерферометра и вращательного спектра комбинационного рассеяния. Дан анализ влияния неидеальной плоскостности зеркал интерферометра и величины угла расходимости падающего на интерферометр пучка на качество фильтрации помехи рассеянного фона. Выполнены оценки предела снижения необходимого времени накопления. Описан расчет параметров интерферометра по критерию минимизации времени измерений (за счет снижения уровня помехи рассеянного фона), предложенному во второй главе работы. Определяются границы применимости метода фильтрации рассеянного фона дневного неба в промежутках между линиями вращательного спектра комбинационного рассеяния атмосферных молекул с использованием интерферометра Фабри-Перо. Рассматриваются различные варианты формирования спектральных каналов и различные варианты схемы фильтрации фона.

В четвертой главе рассматриваются практические вопросы реализации методики фильтрации рассеянного фона дневного неба с применением интерферометра Фабри-Перо. Приводятся результаты апробации методики, проводившейся на базе Института тропосферных исследований (Лейпциг, Германия). Дано описание и представлены результаты апробации предложенной в работе методики определения базы интерферометра. Описана схема канала автоподстройки интерферометра, дано краткое описание программного модуля, осуществляющего автоподстройку интерферометра в автономном режиме. Обсуждается вопрос влияния упорядоченных по апертуре дефектов поверхности зеркал интерферометра на точность измерения температуры в лидариой схеме измерений. Дано описание и приведены результаты апробации устройства, позволяющего в лидарной схеме измерений обеспечить независимость пропускания каналов лидара от дальности зондирования.

В заключении приводятся основные выводы по результатам диссертационной работы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. При выделении линий вращательного спектра комбинационного рассеяния атмосферного азота и фильтрации интерферометром Фабри-Перо спектрально однородного фона в промежутках между линиями, предел снижения времени измерений температуры атмосферы по соотношению интенсивности выделяемых линий равен 20.

2. Интерферометр Фабри-Перо, обеспечивающий максимальное снижение времени измерений температуры при отношении сигнал-фон, равном 0.1, обеспечивает, при отношении сигнал-фон в интервале от 1 до 0.01, снижение времени измерений не менее 87 % от предельного уровня, достижимого при выборе параметров интерферометра для каждого конкретного значения отношения сигнал-фон.

3. В лидарной схеме измерений наличие упорядоченных по апертуре дефектов поверхности зеркал интерферометра Фабри-Перо приводит к зависимости пропускания спектральных каналов лидара от дальности зондирования.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы:

На основе теории спонтанного комбинационного рассеяния выполнены оценки характеристик температурного канала лидара, найденные значения подтверждаются оценками, полученными из натурного эксперимента. В частности, значение температурной чувствительности отношения вращательных откликов комбинационного рассеяния, полученное из расчета, хорошо (3 %) согласуется с величиной, полученной по результатам натурных измерений [14]. Вертикальные профили температуры, восстановленные по результатам ли-дарных измерений, с хорошей точностью (1-2 градуса) ложатся на профили температуры, полученные при помощи метеорологических шаров-зондов, запускавшихся параллельно с проведением лидарных измерений [5, 15-17].

Результаты расчета параметров полос пропускания температурного канала лидара, выполненного в соответствии с предложенным в работе критерием, совпадают с результатами подобных расчетов, представленных в работе [6], выполненных для случая измерений в отсутствии помех в соответствии с критерием минимизации ошибки измерений.

Математическая модель интерферометра Фабри-Перо построена на основе теории многолучевой интерференции. Оценка уровня подавления помехи рассеянного фона дневного неба интерферометром, полученная с применением принятой модели, с хорошей точностью (2 %) совпадает со значением оценки этого параметра, найденным из натурных измерений. Пропускание интерферометра для лидарных откликов в каналах вращательного комбинационного рассеяния, рассчитанное по модели, хорошо согласуется с данными, полученными в натурном эксперименте (отличие 5 %).

В частном случае, когда в каждом из четырех выделяемых (в соответствии с методикой измерения температуры) температурно-чувствительных участков вращательного спектра комбинационного рассеяния содержится по одной спектральной линии, а помеха фона много больше величины полезной составляющей сигнала, предлагаемый критерий выбора параметров интерферометра совпадает с критерием, предложенным в работе [13].

Оценка величины смещения восстанавливаемого по лидариым откликам значения температуры от истинного значения, рассчитанная по модели в предположении наличия крупномасштабных упорядоченных дефектов поверхности зеркал интерферометра, хорошо описывает результаты натурных измерений. При дополнении измерительного канала лидара устройством, способным, в соответствии с моделью, устранить влияние упорядоченных по апертуре дефектов поверхности зеркал интерферометра, форма вертикального профиля температуры атмосферы, восстановленного по лидарным откликам, изменилась прогнозируемым по модели образом.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Сериков, Илья Борисович

Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в работах [5], [14], [15], [16], [51], [52], [56], [57], [79], [86], [87], [88].

Автор выражает глубокую благодарность кандидатам физико-математических наук Ю.Ф. Аршинову и С.М. Бобровникову за руководство работой, кандидатам физико-математических наук Б.В. Каулю и А.И. Надееву за участие в обсуждении полученных результатов, директору Института тропосферных исследований (Лейпциг, Германия) профессору Й. Хайценбергу и сотрудникам лидарной группы института докторам А. Ансманну, У. Вандингер, Д. Альтхаузену, И. Маттис, Д. Мюллеру и инженеру X. Хубэ, сотрудникам лидарной группы Федерального политехнического института (Лозанна, Швейцария) докторам В. Симеонову, И. Балину, Б. Калпини, X. ван ден Бергу за плодотворное сотрудничество при проведении совместных экспериментальных исследований.

226

223 Заключение

В соответствии с поставленной целью исследованы физические основы метода фильтрации интерферометром Фабри-Перо вращательного спектра комбинационного рассеяния света молекулами атмосферного азота и кислорода в задаче измерения температуры атмосферы. Ниже сформулированы основные результаты и выводы, полученные в ходе выполнения работы:

1. Исследована зависимость оптимального (с точки зрения минимизации времени накопления, необходимого для обеспечения заданной точности измерений температуры) положения и ширины участков вращательных спектров комбинационного рассеяния азота и кислорода от уровня помехи несмещенного рассеяния, помехи рассеянного фона дневного неба, а так же от положения спектрального диапазона, в котором возбуждаются отклики рассеяния. Показано, что:

- Для того чтобы точность измерения температуры атмосферы внутри облачного слоя была не хуже одной десятой градуса, уровень подавления помехи несмещенного рассеяния в каналах вращательного комбинационного рассеяния должен быть не ниже восьми порядков величины.

- При относительной спектральной плотности помехи в пределах от 0 до 1 (в единицах спектральной плотности отклика рассеяния для шестой линии стоксовой полосы вращательного спектра комбинационного рассеяния азота при температуре газа 220 К) минимальное время накопления, необходимое для достижения заданной точности измерений температуры по соотношению интенсивности линий вращательного спектра комбинационного рассеяния азота, реализуется при выборе параметров полос пропускания каналов для спектральной плотности помехи 3.5 -Ю"3. При тех же условиях, но измерении температуры по соотношению интенсивности линий вращательного спектра комбинационного рассеяния кислорода, параметры полос пропускания каналов следует выбирать для относительной спектральной плотности помехи, равной 2.6-10"3. При выделении в спектральных каналах линий спектра азота и линий спектра кислорода, параметры полос пропускания каналов следует выбирать для относительной спектральной плотности помехи 5.6 • 10-3.

- Для высот зондирования порядка пятнадцати километров и выше при отношении сигнал-фон меньше единицы оптимальным (с точки зрения минимизации времени накопления, необходимого для обеспечения фиксированной точности измерений температуры) оказывается возбуждение спектров рассеяния в ближнем ультрафиолете, при отношении сигнал-фон больше единицы - в видимой области спектра.

2. Исследованы принципиальные возможности метода снижения необходимого времени накопления за счет фильтрации помехи рассеянного фона дневного неба в промежутках между линиями вращательных спектров комбинационного рассеяния молекул атмосферного воздуха с применением интерферометра Фабри-Перо. Построена математическая модель интерферометра, учитывающая физические аспекты задачи фильтрации фона. Выработан критерий согласования параметров интерферометра Фабри-Перо, и в соответствии с ним определены границы применимости метода фильтрации рассеянного фона дневного неба в промежутках между линиями вращательного спектра комбинационного рассеяния атмосферных молекул с использованием интерферометра Фабри-Перо. Определены области значений параметров интерферометра и диапазон значений относительной спектральной плотности помехи, при которых эффективна фильтрация фона интерферометром. Показано, что:

- При измерении температуры атмосферы по вращательным спектрам комбинационного рассеяния атмосферного азота (или кислорода) использовать интерферометр Фабри-Перо для фильтрации помехи рассеянного фона дневного неба следует в том случае, если отношение сигнал-фон лежит в пределах диапазона от 1 до 0.01. При отношении сигнал-фон больше единицы эффект от фильтрации фона интерферометром дает выигрыш во времени накопления не более 34 %, при отношении сигнал-фон меньше ста фактор эффективности снижения времени накопления выходит в насыщение, что связано с ограничением степени подавления помехи рассеянного фона за счет конечной ширины выделяемых спектральных линий.

- При выделении интерферометром Фабри-Перо линий вращательного спектра комбинационного рассеяния (азота или кислорода), максимальная эффективность снижения времени измерений температуры газа, по интенсивности выделяемых линий, составляет 68 %, 86 % и 96 % при отношении сигнал-фон 0.01, 0.1 и 1, соответственно, от предельного уровня, достижимого при идеальном совмещении каждой из выделяемых спектральных линий с максимумом функции пропускания. Соответственно: а) Отсутствие возможности непрерывной перестройки длины волны возбуждающего излучения (что характерно для широкого ряда лазерных источников) некритично с точки зрения методики фильтрации рассеянного фона с применением интерферометра Фабри-Перо - необходимое согласование положения спектральных линий и максимумов функции пропускания интерферометра можно осуществить без существенной потери пропускания перестройкой базы интерферометра. б) Принципиально неустранимое рассогласование гребенки линий вращательного спектра комбинационного рассеяния и гребенки максимумов функции пропускания интерферометра Фабри-Перо, являющееся следствием эффекта центробежного растяжения рассеивающих молекул, так же может быть скомпенсировано без существенной потери пропускания перестройкой базы интерферометра.

Таким образом, один интерферометр может быть использован для одновременного выделения всех необходимых (по методике измерений температуры) линий вращательного спектра комбинационного рассеяния выбранного типа молекул (азота или кислорода).

- При отношении сигнал-фон в пределах от 0 до 0.01, интерферометр, обеспечивающий максимальное снижение времени измерений при отношении сигнал-фон 0.1, обеспечивает снижение времени измерений не менее 87 % от предельного, достижимого при выборе параметров интерферометра для каждого значения отношения сигнал-фон.

Таким образом, один интерферометр Фабри-Перо, без изменения его параметров, может быть использован для подавления помехи рассеянного фона дневного неба при проведении круглосуточных измерений температуры атмосферы.

- Эффективность снижения времени накопления, отличающаяся не более чем на 9 % от той, что позволил бы получить интерферометр с идеально плоскими зеркалами, реализуется при дефектной резкости функции пропускания интерферометра больше 100.

- Фильтрация помехи рассеянного фона интерферометром при дефектной резкости функции пропускания интерферометра меньше 20 малоэффективна (при отношении сигнал-фон 0.01 эффективность снижения времени накопления в 2.4 раза меньше предельно возможной).

- При изменении величины дефектной резкости функции пропускания интерферометра от 20 до 100 оптимальная величина отражательной резкости функции пропускания меняется в пределах примерно от 14 до 28, соответственно, область оптимальных значений коэффициента отражения зеркал интерферометра лежит в пределах от 0.8 до 0.9.

- При угловой резкости функции пропускания интерферометра больше 100 эффективность снижения необходимого времени накопления отличается не более чем на 5 % от предельной, достижимой в том случае, когда падающий на интерферометр пучок представляет собой плоскую волну.

- При дефектной резкости функции пропускания интерферометра равной 100 и угловой резкости функции пропускания интерферометра равной 100 фильтрация интерферометром Фабри-Перо рассеянного фона дневного неба в промежутках меду линиями вращательного спектра комбинационного рассеяния азота позволит снизить время измерений температуры атмосферы в 6.6 раза при отношении сигнал-фон 0.01, 3.8 раза при отношении сигнал-фон 0.1 ив 1.34 раза при отношении сигнал-фон 0.1.

- Одновременное выделение двумя интерферометрами линий спектра азота и линий спектра кислорода при фильтрации фона в спектральных промежутках между выделяемыми линиями позволяет дополнительно снизить время измерения температуры атмосферы примерно в полтора раза по сравнению с вариантом выделения одних только линий спектра азота.

- Пара интерферометров с относительно невысоким качеством поверхности зеркал (дефектная резкость функции пропускания порядка 30), при использовании одного из них для выделения линий спектра азота, второго - для выделения линий спектра кислорода, позволяет фильтровать рассеянный фон так же, и даже более эффективно, как один интерферометр с идеально плоскими зеркалами, настроенный для выделения линий спектра азота, либо линий спектра кислорода.

- Для обеспечения эффективности снижения необходимого времени накопления за счет фильтрации фона в промежутках между линиями вращательного спектра комбинационного рассеяния не хуже 95 % от предельной, ширина линии возбуждающего излучения не должна превышать ширину контура доплеровского уширения линии вращательного спектра комбинационного рассеяния.

3. Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие теоретические оценки эффективности фильтрации интерферометром Фабри-Перо помехи рассеянного фона дневного неба в каналах вращательного комбинационного рассеяния. Полученные экспериментальные данные показали, что применение интерферометра Фабри-Перо позволяет значительно снизить уровень помехи рассеянного фона дневного неба в каналах вращательного КР (с использовавшимся в эксперименте интерферометром, до 16 раз), а так же существенно улучшить отношение сигнал-фон (с использовавшимся интерферометром, до 6 раз).

Итак, при фильтрации интерферометром (или двумя интерферометрами) Фабри-Перо рассеянного фона дневного неба в промежутках между линиями вращательного спектра комбинационного рассеяния азота (и кислорода, в случае двух интерферометров) качество дневных измерений температуры атмосферы по вращательным спектрам комбинационного рассеяния азота (и кислорода) может быть приближено к предельным возможностям методики, реализующимся при измерениях в отсутствии помехи рассеянного фона. И, таким образом, методика измерений температуры атмосферы по вращательным спектрам комбинационного рассеяния атмосферных азота и кислорода и методика фильтрации помехи рассеянного фона с применением интерферометра Фабри-Перо в комбинации могут быть использованы для построения на их основе лидарной системы, способной обеспечить проведение круглосуточных дистанционных измерений профилей температуры атмосферы с адекватным временным и пространственным разрешением.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сериков, Илья Борисович, 2005 год

1. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., ZuevV.E., Mitev V.M. Atmospheric temperature measurements using a pure rotational Raman lidar // Aplied Optics. 1983. - V. 22. - # 19. -P. 2984-2990.

2. Nedeljkovich D., Hauchecorne A., Chanin M.L. Rotational Raman lidar to measure temperaturefrom the groung to 30 km // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1993. - V.31. - #1. - P. 90101.

3. Vaughan G., Wareing D.P., Pepler S.J., Thomas L., Mitev V. Atmospheric temperature measurements made by rotational Raman scattering // Applied Optics. 1993. - V.32, #15, P. 2758-2764.

4. Behrendt A., Reichardt J. Atmospheric temperature profiling in the presence of clouds with apure rotational Raman lidar by use of an interference-filter-based polychromator // Applied Optics. 2000. - V.39. - #9. - P. 1372-1378.

5. Аршинов Ю.Ф. Разработка и исследование лидарного метода измерения температуры атмосферы по вращательным спектрам КР молекул воздуха: Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наукю Томск, 1982. - 139 с.

6. ПлачекГ. Рэлеевское рассеяние и Раман-эффект. Харьков: ГНТИ Укр.ССР, 1935.173 с.

7. Butcher R.J., Willetts D.V., Jones W.J. On the use of Fabry-Perot etalon for the determinationof rotational constants of simple molecules the pure rotational Raman spectra of oxygen and nitrogen // Proc. Roy. Soc. Lon. A. - 1971. - V. 324, P. 231-245.

8. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979. - 478 с.

9. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Ленинград: Машиностроение, 1977, - 387 с.

10. Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света. Ленинград: Машиностроение, 1974. -359 с.

11. Зайдель А.Н. Основы спектрального анализа. М.: Наука, 1965. - 322 с.

12. MonzonJ.J., Sanchez-Soto L.L., BernabeuE. Influence of coating thickness on the performance of a Fabry-Perot interferometer // Applied Optics. 1991. - V.30. - #28. - P 4126-4132.

13. Mattis I., Ansmann A., Althausen D., JaenishV., Wandinger U., Mueller D., Arshinov Yu., Bobrovnikov S., Serikov I. Raman lidar observations of relative humidity //21st International laser radar conference: 8-12 July 2002. Quebec, 2002, P. 27-31.

14. Mattis I., Ansmann A., Althausen D., JaenishV., Wandinger U., Mueller D., Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., Serikov I.B. Relative humidity profiling in the troposphere with a Raman lidar //Applied Optics. 2002. - V.41. - #30. - P. 6451-6462.

15. Valley S.L. Handbook of Geophysics and Space Environments. Belford, Massachusetts: Air Force Cambridge Research Laboratories, 1965. - 692 p.

16. Хинкли Э.Д. Лазерный контроль атмосферы. М.: Мир, 1979. - 416 с.

17. Hauchecorne A., Chanin M.-L. Density and temperature profiles obtained by lidar between 35 and 75 km // Geophys. Res. Lett. 1980. - #7, P. 565-568.

18. ShibataT., Kobuchi M., Maeda M. Measurement of density and temperature profiles in the middle atmosphere with a XeF lidar // Applied Optics. 1986. - V.25. - #5. - P. 685-688.

19. Evans K.D, Melfi S.H., Ferrare R.A., Whiteman D.N. Upper tropospheric temperature measurements with the use of a Raman lidar // Applied Optics. 1997. - V.36. - #12. - P. 2594-2602

20. Gross M.R., McGee T.J., Ferrare R.A., Singh U.N., Kimvilakani P. Temperature measurements made with a combined Rayleigh Mie and Raman lidar // Applied Optics. -1997. V.36. - #24. P. 5987-5995.

21. Конингстайн Г. Введение в теорию комбинационного рассеяния. М.: Мир, 1976. -192 с.

22. ВеберА. Спектроскопия комбинационного рассеяния света в газах и жидкостях. М.: Мир, 1982.-373 с.

23. Gu Y.Y., Gardner Ch.S., Castleberg P A., Papen G.C., Kelley M.C. Validation of the Lidar InSpace Technology Experiment: stratospheric temperature and aerosol measurements // Applied Optics. 1997. - V.36. - #21. - P. 5148-5157

24. Bills R.E., Gardner C.S., She C.-Y. Narrowband lidar technique for sodium temperature and Dopier wind observation of the upper atmosphere // Optical Engineering. 1991. - V.30. -#1.-P. 13-21.

25. Fricke K.H., von Zahn U. Mesopause temperatures derived from probing the hyperfine structure of the D2 resonance line of sodium by lidar // J. Atmos. Terr. Phys. 1985. - V.47. -P. 499-512.

26. Neuber R., von der Gathen P., von Zahn U. Altitude and temperature of the mesopause at 69° N latitude in winter // J. Geophys. Res. 1988. - V.93. - P. 11093-11098.

27. Grund C.J., Eloranta E.W. University of Wisconsin high spectral resolution lidar // Optical Engineering. 1991. - V.30. - #1. - P. 6-12.

28. She C.-Y., YuJ.R., LatifiH., Bills R.E. High-spectral-resolution fluorescence light detection and ranging for mesospheric sodium temperature measurements // Applied Optics. 1992. -V.31.-#12.-P. 2095-2106

29. Fioccio G., Beneditti-Michelangeli G., Maischenberger K., Madonna E. Measurement of temperature and aerosol to molecule ratio in the troposphere by optical radar // Nature (London) Phys. Sci. 1971. - #229. - P. 78-79.

30. Lading L., Jensen A.S. Estimating the spectral width of a narrowband optical signal // Applied Optics. 1980. - V. 19. - #16. - P. 2750-2756.

31. Schwiesow R.L., Lading L. Temperature profiling by Rayleigh-scattering lidar // Applied Optics. 1981.- V.20. - #11. — P. 1972-1978.

32. Shimizu H., Lee S.A., She C.-Y. High-spectral-resolution lidar system with atomic blocking filters for measuring atmospheric parameters // Applied Optics/ 1983. - V.22. - #9. P. 13731381.

33. Shimizu H., Noguchi K., She C.-Y. Atmospheric temperature measurement by a high-spectral-resolution lidar//Applied Optics. 1986. - V.25. - #9. - P. 1460-1466.

34. Lehmann F.J., Lee S.A., She C.-Y. Laboratory measurements of atmospheric temperature and backscatter ratio using high-spectral-resolution lidar technique // Optics Letters. 1986. -V.l 1. - #9. P. 563-565.

35. She C.-Y., Alvarez R.J. II, Cardwell L.M., Krueger D.A. High-spectral-resolution Rayleigh— Mie lidar measurements of aerosol and atmospheric profiles // Optics Letters. 1992. - V.l 7. -#7.-P. 541-543.

36. Voss E., Weitkamp C., Michaelis W. Lead-vapor filters for high-spectral-resolution temperature lidar// Applied Optics. 1994. - V.33. - #15. -P. 3250- 3260.

37. Mason J.B. Lidar measurement of temperature: a new approach // Applied Optics. 1975. -V.14. - #1. — P. 76-78.

38. Rosenberg A., Hogan D.B. Lidar technique of simultaneous temperature and humidity measurements: analysis of Mason's method // Applied Optics. 1981. - V.20. - #19. - P. 32863288.

39. Shwemmer G.K., Wilkerson T.D. Lidar temperature profiling: performance simulation of Mason's method // Applied Optics. 1979.- V. 18. - #21. - P. 3539-3541.

40. Wulfmeyer V. Ground-Based Differential Absorption Lidar for Water-Vapor and Temperature Profiling: Development and Specifications of a High-Performance Laser Transmitter // Applied Optics. 1998. - V.37. - #18. - P. 3804-3824.

41. Cooney J. Measurement of atmospheric temperature profiles by Raman backscatter // J. Appl. Meteorol. 1972. - V. 11. - # 1. - P.108-112.

42. Cohen A., Cooney J.A., GellerK.N. Atmospheric temperature profiles from lidar measurements of rotational Raman and elastic scattering // Applied Optics. 1976. - V.15. -#11.-P. 2896-2901.

43. Penney M., Peters RL.St., Lapp M. Absolute rotational Raman cross sections for N2, O2, and C02 // J.Opt.Soc.Am. -1974. V.64. - #5. - P. 712-716.

44. Булдаков M.A., Матросов И.И., Попова Т.Н. Определение анизотропии тензора поляризуемости молекул О2 и N2 // Оптика и спектроскопия. 1979. - т.46. - вып.5. - С. 867-869.

45. Кондиленко И.И., Коротков П.А., Клименко В.А., Голубева Н.Г. Абсолютные сечения КР вращательных линий азота и кислорода // Оптика и спектроскопия. 1980. - т.48. -вып.4.-С. 745-751.

46. Cooney J.A. Atmospheric temperature measurement using a pure rotational Raman lidar: comment // Applied Optics. 1984. -V.23. - #5. - P. 653-654.

47. Petri K., SalikA., Cooney J.A. Variable-wavelength solar-blind Raman lidar for remote measurement of atmospheric water-vapor concentration and temperature // Applied Optics.-1982.-V.21.-#7.-P. 1212-1218.

48. Zeyn J., Lahmann W., Weitkamp C. Remote daytime measurements of tropospheric temperature profiles with a rotational Raman lidar // Optics Letters. 1996. - V.21. - #16. — P. 1301-1303.

49. Аршинов Ю.Ф., Бобровников C.M., Попов А.Г., Шелефонтюк Д.И., Шумский В.К. Дальность обнаружения малых загрязняющих компонентов атмосферы в солнечнослепой области спектра // Оптика атмосферы и океана. 1994. - т. 7. - № 8. - С. 1132-1138.

50. McKay J.A. Single and tandem Fabry-Perot etalons as solar background filters for lidar // Applied Optics/ -1999. V.38. - #27. - P. 5851-5858.

51. Trauger J.T., Roesler F.L. Fabry-Perot spectrometer adjustment for the compensation of Doppler shift from rapidly rotating and rapidly flowing sources // Applied Optics. 1972. -V.l 1. - #9. - P. 1964-1969.

52. Daehler M., Roesler F.L. High contrast in a polyetalon Fabry-Perot spectrometer // Applied Optics. 1968. - V.7. - #6. - P. 1240-1241.

53. Skinner W.R., Hays P.B., Abreu V.J. Optimization of a triple etalon interferometer I I Applied Optics. -1987. V.26. - #14. - P. 2817-2827.

54. GehrsitzS., SiggH., Siegwart H., KriegerM., Heine C., MorfR., Reinhart F.K., Martin W., Rudigier H. Tandem triple-pass Fabry Perot interferometer for applications in the near infrared //Applied Optics. 1997. - V.36. - #22. - P. 5355-5361.

55. Serabyn E., Benford D.J., Wu S., Pardo J.R. Dual Fabry Perot Filter for Measurement of CO Rotational Spectra: Design and Application to the CO Spectrum of Venus // Applied Optics. -2000. V.39. - #34. - P. 6448-6452.

56. HaysP.B., RobieR.G. A technique for recovering Doppler line profiles from Fabry-Perot interferometer fringes of very low intensity // Applied Optics. 1971. - V.10. - #1. - P. 193200.

57. Skinner W.R., Hays P.B. Observation of molecular rotational bands with a single Fabry-Perot interferometer // Applied Optics. 1986. - V.25. - #23. - P. 4272-4279.

58. Arshinov Yu., Bobrovnikov S. Use of a Fabry-Perot interferometer to isolate pure rotational Raman spectra of diatomic molecules // Applied Optics. 1999. - V.38. - #21. - P. 4635-4638.

59. Armstrong R.L. Rotational Raman Interferometric technique to measure gas temperatures // Applied Optics. -1975. V.14. - #2. - P. 383-387.

60. Плачек Г. Рэлеевское рассеяние и Раман-эффект. Харьков: ГНТИ Укр.ССР, 1935. -173 с.

61. Ярив А. Квантовая электроника и нелинейная оптика. М.: Сов.Радио, 1973.-455 с.

62. Аршинов Ю.Ф., Бобровников С.М., Сапожников С.В. О методе лидарного измерения температуры атмосферы по отноошению сигналов чисто вращательного спектра КР N2 и 02 // ЖПС. 1980. - т. XXXII. - вып.4. - С. 725-731.

63. Камминс Г.,Пайк Э. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов. М.: Мир, 1978. -584 с.

64. Горяинов В.Т., Журавлев А.Г., Тихонов В.И. Статистическая радиотехника: Примеры и задачи. М.: Сов. Радио, 1980. - 544 с.

65. McCIatchey R.A., FennR.W., SelbyJ.E.A., VolzF.E., GaringJ.S. Optical properties of the atmosphere // Environmental research papers. 1972. - #411. - p. 108.

66. Measurements with lidar systems during the international cirrus experiment 1989. Hamburg: Max-Planck-Institut fuer Meteorologie, №60, 1990. - 158 p.

67. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения полидисперсными частицами: Пер. с англ. -М.: Мир, 1971. 165 с.

68. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., ZuevV.E., MitevV.M. Atmospheric temperature measurements using a pure rotational Raman lidar // Aplied Optics. 1983. - V. 22. - # 19. -P. 2984-2990.

69. Мак-Картни Э. Оптика Атмосферы. M.: Мир, 1979. - 421 с.

70. Волковицкий О.А., Павлова JI.H., Петрушин А.Г. Оптические свойства кристаллических облаков. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1984. - 198 с.

71. Борн M., Вольф Э. Основы оптики.- M.: Наука, 1970. 856 с.

72. Миберн Дж. Обнаружение и спектрометрия слабых источников света. М.: Мир, 1979. -304 с.

73. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Гос.Изд.Физ.Мат.Лит., 1963. - 1100 с.

74. Таблицы спектральных линий / Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М., Славный В.А., Шрейдер Е.Я. М.: Наука, 1969.- 782 с.

75. Каталог цветного стекла: Каталог / Машиностроение, М., 1967. 63 с.

76. Радиационые процессы в средней атмосфере / Атмосфера. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991. - 509 с.

77. Kaufmann К. Photomultipliers detect rare events // Laser focus world. 2000. - V.36. - #10. -P. 77-81.91. http ://optoe 1 ectronics.perkinelmer.com.231