Разработка и экспериментальная реализация методов измерения параметров упругого рассеяния атмосферы миниатюрными микроимпульсными лидарами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Бухарин, Алексей Владимирович

• Бухарин, Алексей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бухарин, Алексей Владимирович

Введение.

Глава 1. Теоретический анализ зондирования рассеивающих сред узкими пучками света.

1.1 Лидарный метод исследования рассеивающих сред.

1.2 Постановка задачи для схемы зондирования с двумя приемными каналами.

1.3 Вывод основных соотношений в параксиальном приближении.

1.4 Случай непрерывной подсветки среды точечным источником.

1.5 Случай импульсной подсветки объема точечным источником.

1.6 Зависимость отношения интенсивностей сигналов от положения зондируемой поверхности.

1.7 Зависимость отношения интенсивностей сигналов от коэффициента экстинкции.

1.8 Отношение интенсивностей как индикатор однородности рассеивающей среды.

1.9 Влияние коэффициента экстинкции на суммарный лидарный сигнал из атмосферы для предложенной схемы зондирования.

1.10 Применимость предложенной схемы зондирования.

Выводы к 1-ой главе.

Глава 2. Особенности зондирования рассеивающих сред миниатюрным полупроводниковым лидаром.

2.1 Описание миниатюрного лидара.

2.2. Безопасный для глаз уровень излучения.

2.3 Особенности формирования сигнала на лидаре с квантовым счетчиком. Постановка задачи.

2.4 Вывод основных соотношений.

2.5 Зависимость относительной погрешности линеаризованных шумовых фотоотсчетов от длительности строба.

2.6 влияние степени нестационарности внешнего фонового излучения на форму восстановленных гистограмм.,.

2.7 Оценка вклада дополнительных источников шума в погрешность измерений сигнала.

2.8 Принцип действия полупроводникового лидара с квантовым счетчиком в приемном канале.

Выводы ко 2-ой главе

Глава 3. Калибровка миниатюрного лидара с квантовым счетчиком в приемном канале.

3.1 Теоретическое рассмотрение калибровки миниатюрного лидара.

3.2 О влиянии длительности лазерного импульса на форму лидарного сигнала из атмосферы.

3.3 Постановка эксперимента.

3.4 Эксперимент.

3.5 Обсуждение результатов калибровки.

3.6 Общая схема абсолютной калибровки лидара.

3.7 Калибровка миниатюрных лидарных систем с двумя приемными каналами.

Выводы кЗ-ей главе.

Глава 4. Использование лидара для зондирования аэрозольных образований.

4.1 Предельная дальность зондирования топографических объектов.

4.2. Лидарное зондирование в коридоре здания.

4.3 Использование лидара для оперативного прогнозирования динамики развития и распространения аэрозольных шлейфов.

4.4 Наблюдение крупномасштабных изменений параметров упругого рассеяния среды вдоль всей трассы зондирования.

4.5 Другие примеры использования лидара.

Выводы к 4-ой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и экспериментальная реализация методов измерения параметров упругого рассеяния атмосферы миниатюрными микроимпульсными лидарами»

В настоящее время одним из наиболее известных способов дистанционного исследования свойств рассеивающих сред в оптическом диапазоне является метод лидарного зондирования. Принцип действия лидара основан на том, что излучение, сформированное каналом передатчика, рассеивается на статистических неоднородностях и детектируется приемным каналом. Интерпретация данных зондирования, как правило, требует определенных предположений относительно оптических свойств таких сред, задаваемых исследователем или известных априори [1]. Такая необходимость обусловлена наличием в лидарном уравнении трассового профиля одновременно двух параметров: коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции, изначально не известных. Этот фактор не позволяет до сих пор использовать лидар как калиброванное инструментальное средство исследования рассеивающих свойств статистически неоднородных сред.

В этой связи представляет интерес разработка и реализация новых подходов одновременного определения коэффициентов обратного рассеяния и объемного ослабления, один из которых предложен и проанализирован в диссертации.

Известно [2], что коэффициент экстинкции можно определять импульсным лидаром на трассах конечной длины по сигналу, рассеянному поверхностью объекта. При этом весьма актуальным является определение степени однородности трассы, так как сигнал обратного рассеяния из атмосферы сосредоточен на малых дистанциях от лидара, тогда как топографический объект должен находиться на значительном удалении от лидара. Связано это с необходимостью перекрытия динамических диапазонов измеряемых сигналов из атмосферы и топографической мишени. Для подобной схемы зондирования необходима дополнительная информация о физических свойствах зондируемой среды, например, о направлении ветровых потоков во время измерений. Наиболее известным из методов зондирования на трассах с фиксированной дальностью является метод наклонных трасс [1]. Для его применения требуется однородность трассы в различных направлениях в течение времени измерения.

Для открытых трасс коэффициент ослабления определяют только по искажениям формы огибающей лидарного сигнала из однородной атмосферы. В методе однородных трасс используется регрессионный анализ для получения коэффициента ослабления, что зачастую приводит к большим погрешностям результата. Поэтому метод однородных трасс применяется для грубой оценки коэффициента ослабления. Этот метод используется, как правило, для лидаров с большой, до нескольких джоулей, энергией в импульсе с последующей аппроксимацией затухания лидарного сигнала на основании сделанных предположений о структуре атмосферы. Однако, известные нормы на уровень плотности энергии облучения при зондировании среды обитания, например, не более 0.5 мкдж/см2 в видимом диапазоне [3], ограничивают широкое применение мощных лидарных систем для постоянного мониторинга рассеивающих сред. Остальные методы предполагают восстановление трассового профиля рассеивающих параметров среды вдоль трассы зондирования [1]. Для этого необходимо знать связь между коэффициентами обратного рассеяния и ослабления, которую характеризует лидарное отношение. Коэффициент обратного рассеяния позволяет определить аэрозольную составляющую в лидарном сигнале, а лидарное отношение дать информацию об индикатрисе рассеяния. В некоторых случаях коэффициент обратного рассеяния может быть использован как индикатор концентрации аэрозоля в атмосфере.

Дополнение лидаров вторым приемным каналом позволяет призводить поляризационные [4-5] и спектральные измерения [6-9] с последующим определением физических свойств аэрозольных частиц и содержания различных составляющих в атмосфере. Так, например, содержание газовых компонент можно определить по линиям поглощения [10]. В этом случае реализация лидарного зондирования в мобильном портативном варианте позволит качественно расширить диапазон применения лидарных средств для экологического мониторинга атмосферы земли. Весьма перспективным является использование таких лидаров для исследования атмосфер планет солнечной системы [11].

В условиях среды обитания для решения многих задач могут быть эффективно использованы миниатюрные полупроводниковые лидары с безопасным для глаз уровнем излучения. Под миниатюрными здесь подразумеваются лидары, соответствующие характерным требованиям на бортовые приборы, предназначенные для исследования планет, и которые могут быть реализованы в переносном, портативном, варианте с весом порядка 1 кг и низковольтным питанием. Такие лидары, как показано в диссертации, несмотря на предельно малую энергию импульса (доли микроджоулей), обеспечивают измерения флуктуаций пропускания атмосферы на ограниченных трассах длиной до нескольких километров.

Очевидно, что для таких лидаров сигнал сосредоточен на относительно малых трассах зондирования, на которых требования однородности могут выполняться гораздо чаще, чем для лидаров, дальность зондирования которых превышает несколько километров. Это приводит к трудностям в определении показателя ослабления на открытых трассах зондирования по спаду огибающей лидарного сигнала. Отсюда вытекает актуальность разработки других методов определения показателя ослабления, один из которых теоретически рассмотрен в диссертации.

Для практической реализации предложенного метода следует рассмотреть особенности формирования сигнала обратного рассеяния, а так же факторы, влияющие на точность и динамический диапазон измеряемых параметров для миниатюрных безопасных для глаз лидаров с одним приемным каналом.

Экспериментально реализованная на его основе схема лидарного мониторинга на трассах с фиксированной дальностью может применяться для исследования динамики пропускания аэрозольных шлейфов от локальных источников. Подобные измерения применимы для настройки параметров траекторных моделей трансграничного переноса аэрозоля. Эти модели предсказывают пространственное распределение загрязнений над территорией со сложным рельефом или в городе в случаях несанкционированных или аварийных выбросов токсических веществ в атмосферу. Оперативное применение подобных миниатюрных лидаров в задачах экологического мониторинга повышает точность прогноза траектории распространения шлейфа [12].

Основная цель работы

Основные цели работы: теоретическая разработка нового подхода определения связи «экстинкция - обратное рассеяние» при зондировании рассеивающих сред одночастотными лидарами с одновременным приемом сигнала двумя каналами; теоретический анализ и экспериментальное исследование особенностей формирования сигнала миниатюрных лидаров с безопасным для глаз уровнем излучения, работающих в сугубо статистическом режиме приема сигнала квантовым счетчиком; применение этих лидаров для зондирования среды обитания, исследования динамики распространения аэрозольных шлейфов и атмосферы Марса.

Научная новизна

1. Предложен и теоретически разработан новый подход к зондированию рассеивающих сред одночастотным лидаром с двумя приемными каналами, имеющими различную трассовую зависимость геометрического форм-фактора. В параксиальном приближении получены функциональные зависимости сигналов обратного рассеяния и их отношения от коэффициента экстинкции в однородной атмосфере.

2. Впервые показано, что при зондировании однородной атмосферы лидаром с двумя приемными каналами, когда фазовыми искажениями зондирующего пучка и многократным рассеянием можно пренебречь, отношение их сигналов может быть использовано для определения коэффициента экстинкции. Показано также, что такая схема позволяет измерять искажения геометрии зондирующего пучка при его распространении в рассеивающей среде.

3. Теоретически и экспериментально обосновано, что рассеивающие среды можно зондировать серией микроимпульсов с энергией в несколько десятков наноджоулей с квантовым счетчиком в приемном канале, работающем в сугубо статистическом режиме. Получены основные соотношения для преобразования функции распределения фотоотсчетов к линеаризованному виду лидарного сигнала, отражающему физические параметры среды и позволяющему выделять сигнал в случаях, когда отношение сигнал/фон много меньше единицы.

4. Разработан и создан миниатюрный микроимпульсный лидар обратного рассеяния на основе счетчика фотонов и диодного лазера, работающего с большой (2,5 кГц) частотой повторения импульсов с безопасным для глаз (40 нДж/см2) уровнем излучения. Экспериментально показана способность обнаружения аэрозольных шлейфов лидаром с микроджоульными импульсами, измерения динамики высоты облачности до 1000 м и пропускания атмосферы на трассе длиной до 4000 м. Впервые такой лидар был применен в натурных экспериментах по измерению временной модуляции пропускания дымовых шлейфов с целью использования его для настройки траекторной модели, предсказывающей эволюцию шлейфов и карту загрязнения территории со сложным рельефом или городского ландшафта. Показано, что на основе этих данных может быть произведена оценка коэффициента турбулентной диффузии атмосферы.

Практическая значимость

1. Одновременное измерение лидаром с двумя приемными каналами флуктуации сигналов обратного рассеяния вдоль однородных трасс и отношения их интенсивностей позволяет повысить точность калибровочных коэффициентов между лидарным сигналом и параметрами аэрозоля.

2. Теоретически обоснована возможность использования непрерывного лазера в миниатюрном лидаре, имеющем два приемных канала с различными трассовыми зависимостями геометрических форм-факторов, как эталонной лидарной системы для калибровки импульсных лидаров обратного рассеяния на малых трассах зондирования. При этом абсолютное значение лидарных сигналов характеризует коэффициент обратного рассеяния, тогда как отношение их интенсивностей определяет степень однородности зондируемой трассы.

3. Разработан и изготовлен миниатюрный (с массой не более 1 кг) лидар на диодном ОаАэ лазере (длина волны 884 нм) с безопасным для глаз (международный стандарт - 1,2 мкДж/см2) импульсным излучением (длительность импульса 100 не с энергией 400 нДж и плотностью 40 нДж/см2 на выходе из лидара) с одним приемным каналом. Лидар работает в статистическом режиме счета фотонов. Получены аналитические соотношения, удобные в практическом применении.

4. Компактное исполнение лидара, малое энергопотребление (около 10 Вт) и возможность работы в автономном режиме измерений с переносным компьютером делает его весьма перспективным для мониторинга среды обитания без дополнительной, по сравнению с естественной освещенностью, лучевой нагрузки на исследуемый объект. Перечисленные выше параметры лидара позволили ему войти в состав научной аппаратуры посадочного модуля на поверхность Марса.

Защищаемые положения

На защиту выносятся следующие положения:

1. Предложенный и теоретически развитый в работе подход к зондированию рассеивающих сред одночастотным лидаром с двумя приемными каналами, имеющими различную трассовую зависимость геометрического форм-фактора, позволяет определить соотношение между коэффициентами обратного рассеяния и экстинкции в однородной атмосфере, необходимое для решения лидарного уравнения обратного рассеяния аналитическими методами.

2. В случаях, когда коэффициентом экстинкции можно пренебречь, величина отношения сигналов обратного рассеяния, измеряемых в двух приемных каналах с различными геометрическими форм-факторами, является индикатором продольной неоднородности среды вдоль трассы зондирования. Это отношение показывает направление градиента продольного изменения концентрации рассеивающих неоднородностей.

3. Предельная точность предложенного метода линеаризации лидарного сигнала детекторами, работающими в режиме счета фотонов с мертвым временем, превышающим длительность строба, определяется количеством сигнальных фотоотсчетов, внутренними источниками шума и нестационарностью регистрируемого излучения. Анализ их вклада может быть проведен на основе формулы Манделя и критерия х2 проверки статистических гипотез.

4. Для определения коэффициента экстинкции лидаром с непрерывным лазером достаточно измерить трассовую зависимость лидарных сигналов от диффузно рассеивающей поверхности с произвольным коэффициентом отражения для каждого из двух приемных каналов лидара.

5. Экспериментально обосновано, что полупроводниковый миниатюрный лидар с безопасным для глаз уровнем излучения, сравнимым или меньшим уровня естественной освещенности, является перспективным инструментом мониторинга среды обитания без ее дополнительного возмущения; его экономичность, компактность и надежность открывают новые возможности таких лидаров в дальних космических экспедициях для исследования атмосферы других планет.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Во введении формулируются цели и задачи исследования, показана их актуальность. Отмечается научная новизна и практическая ценность результатов диссертационной работы, формулируются выносимые на защиту положения.

В первой главе проведен обзор, в котором обосновывается актуальность использования малогабаритных безопасных для глаз лидарных систем с малым энергопотреблением. Рассмотрены основные оптические схемы и функциональные возможности существующих лидарных систем и проблемы, касающиеся использования и развития одночастотного лидара для измерения параметров упругого рассеяния. Отмечается необходимость создания миниатюрных лидаров обратного рассеяния для исследования среды обитания с плотностью энергии излучения на объекте исследования, сравнимой с уровнем естественной освещенности.

Во второй части первой главы предложен и развит подход, основанный на использовании лидара с двумя приемными каналами с различной трассовой зависимостью геометрического форм-фактора и одним приемным отверстием.

Введение второго канала регистрации дает дополнительное уравнение, связывающее параметры атмосферы с л ид арным сигналом. Модель работы такого лидара рассмотрена в параксиальном приближении. Дополнительным измеряемым параметром, помимо сигнала обратного рассеяния, является отношение регистрируемых сигналов.

Показано, что отношение сигналов зависит от продольного распределения концентрации рассеивающих центров и коэффициента экстинкции. Эта зависимость дается интегральным уравнением Фредгольма первого рода. Уравнение упрощается, когда поперечное распределение интенсивности зондирующего излучения в некотором сечении пучка совпадает с функцией размытия точки плоскости наблюдения.

Отличительной особенностью предложенного способа является то, что при измерении коэффициента экстинкции не используется регрессионный анализ, характерный для метода однородных трасс. Реализация данного способа может привести к повышению точности определяемого коэффициента экстинкции на малых трассах по сравнению с лидаром с одним приемным каналом.

Отмечено, что рассматриваемая лидарная система с двумя приемными каналами может быть реализована как с импульсными, так и с непрерывными лазерами.

Во второй главе рассмотрен принцип работы миниатюрного полупроводникового лидара.

В первой части второй главы описан макет полупроводникового безопасного для глаз лидара, который был разработан как основа лидара-альтиметра для исследования атмосферы Марса и рельефа его поверхности с дрейфующего баллона при подготовке проекта "Марс-92/94". Приводятся основные технический характеристики такого лидара.

Приводится принцип действия такого лидара. Для обработки лидарного сигнала в работе был развит мaтeмafичecкий аппарат, позволяющий преобразовать гистограмму, полученную для реального счетчика, в гистограмму идеального счетчика с нулевым мертвым временем. Эта гистограмма адекватно отражает физические параметры исследуемой среды. Рассмотрено влияние дополнительных источников шума и нестационарности внешнего фона на точность линеаризации.

В третьей главе изложены результаты анализа калибровки аэрозольного лидара и данные экспериментальной реализации одного из них, наиболее применимого для калибровки миниатюрного лидара.

Отмечается, что наиболее известными способами калибровки лидаров являются определение соответствия между лидарным сигналом и коэффициентом обратного рассеяния от аэрозольных образований с известными параметрами упругого рассеяния, производимых специальными генераторами, или измерение лидарного сигнала от мишеней с известными угловыми коэффициентами отражения.

Проведен анализ формирования лидарного сигнала на коротких дистанциях, когда длительность лидарного отклика из атмосферы сравнима с длительностью лазерного импульса. Отмечены некоторые особенности измерения калибровочных коэффициентов, связывающих лидарный сигнал с коэффициентом обратного рассеяния в этом случае.

Предложена модификация метода калибровки лидара. Этот метод, основанный на восстановлении формы лидарного сигнала в однородной атмосфере из трассовой зависимости площади лидарного сигнала от диффузно рассеивающей поверхности. Полученные результаты использованы при зондировании однородной атмосферы.

В четвертой главе рассмотрены наиболее характерные и часто встречающиеся на практике примеры зондирования объектов лидаром обратного рассеяния. Проведен анализ предельной дальности зондирования данным миниатюрным импульсным лидаром топографических объектов.

Описан эксперимент на специальном полигоне под Москвой с использованием дымовых шашек как источников аэрозоля. Получена временная зависимость этих сигналов. Показано, что порог прозрачности аэрозольной завесы можно задавать как по сигналу от дымовой завесы, так и по фону.

Показано, что в отличие от существующего метода измерения окон прозрачности с помощью фотометра лидарный метод позволяет детектировать окна прозрачности заметно ниже уровня визуальной видимости тест-объекта.

Данные временной динамики и пространственной модуляции плотности дымовой завесы вдоль линии зондирования использованы для проверки и настройки траекторных моделей распространения аэрозолей над поверхностью со сложным рельефом или в условиях городского ландшафта. Сделана оценка временного масштаба автокорреляции Лагранжа по данным лидарных измерений, который входит как настроечный параметр в траекторную модель.

Данная траекторная модель дает прогноз траектории шлейфа, а также динамически устойчивых мест накопления аэрозоля повышенной концентрации.

Примером измерения коэффициента пропускания атмосферы является эксперимент на трассе с топографическим отражателем на конце при сильно неустойчивых метеоусловиях. Экспериментально получена оценка отношения максимальных значений коэффициентов обратного рассеяния и ослабления, которая дала величину 0,02 ср"1.

Приведенные выше результаты исследования работы микроджоульного миниатюрного лидара были использованы при создании варианта прибора, установленного на борт посадочного модуля по проекту HACA Mars Polar Lander-99.

В заключении представлены основные выводы диссертационной работы.

Изложенные в диссертации результаты докладывались и обсуждались в материалах международных конференций

SPIE's -92, (Сан-Диего, США, 1992 г.), XIII IGARSS-93 (Токио, Япония, Август 1993 г.),

Международный аэрозольный симпозиум, (Москва, Март 21-25, 1994 г), SPIE's Europio Symposium, (Мюнхен, Германия, 6-9 Июня 1995 г.), 18 ILRC, Berlin, 22-26 July 1996,

Вторая всероссийская научная конференция "Физические проблемы экологии" (Москва, 18-21 апреля 1999 г.), а также на семинарах отдела 62 ИКИ РАН, Физического факультета МГУ и Академии химзащиты.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Бухарин, Алексей Владимирович

Выводы

1. Экспериментально зарегистрированы топографический объект по уровню 4о и нижняя граница облачности по уровню обнаружения 22а на расстояниях 3800 и 800 м соответственно.

2. Экспериментально обоснована применимость лидара для измерения окон прозрачности. Эти данные, использованные в траекторной модели распространения аэрозольных шлейфов, позволили оценить коэффициент автокорреляции Лагранжа который составил 11 (15%).

3. Экспериментально измерена модуляция пропускания столба атмосферы на трассе с фиксированной дальностью. Одновременно получены коэффициент обратного рассеяния и экстинкции для случаев минимального пропускания атмосферы, которые составили 2,7-10"5 м"1 ср"1 1,2-10"3 ср"1 соответственно. Отношение этих коэффициентов составило 0.02 ср"1. Это значение меньше соответствующего значения для молекулярной атмосферы ~6 раз.

4. Экспериментально обоснована применимость лидара для зондирования атмосферы в режиме суточного мониторинга. Полученные результаты, иллюстрирующие зависимость лидарного сигнала от фона, могут быть использованы для наблюдения аэрозольных образований на при зондировании атмосферы Марса.

Заключение

Перечислим основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Предложен и теоретически обоснован метод измерения коэффициента ослабления среды лидаром с двумя приемными каналами, имеющими различную трассовую зависимость геометрического форм-фактора. Сформулированы критерии, определяющие оптимальные параметры такого лидара. Поля зрения приемных каналов должны быть согласованы с расходимостью передающего канала, а для измерения коэффициента ослабления в однородной среде размер ближней зоны лидарной системы должен быть сопоставим с расстоянием определяемым обратным значением коэффициента экстинкции.

2. Впервые обоснован метод калибровки как импульсных, так и непрерывных миниатюрных лидаров обратного рассеяния с двумя приемными каналами с различной трассовой зависимостью геометрического форм-фактора. При этом сигналы характеризуют коэффициент обратного рассеяния, а отношение их интенсивностей - однородность среды вдоль зондируемой трассы.

3. Экспериментально реализован лидар на импульсном ОаАэ лазере (длина волны 884 нм) с безопасным для глаз уровнем излучения. Выходная плотность энергии в импульсе такого лазера составляет 40 нанодж/см2, при максимально допустимой 1.2 мкдж/см2. При этом лидар позволяет одновременно измерять сигнал по критерию За при отношении сигнал/фон существенно меньше единицы

2 6 (4 10') при числе лазерных импульсов до 10 . Реализация фонового строба, вырабатываемого поочередно с основным, с последующим вычитанием позволяет минимизировать влияние на предложенный способ линеаризации источников шума и нестационарности внешнего фона. Экспериментально зарегистрирована нижняя граница облачности на высоте 800 м с отношением с/ш=22, а топографические объекты на дальности 3.8 км с отношением с/ш=4.

4. Получен набор калибровочных коэффициентов, связывающих лидарный сигнал с продольным профилем коэффициента обратного рассеяния в однородной атмосфере. Для слоя, находящегося на расстоянии до 60 м, погрешность лидарного сигнала, накопленного за 106 лазерных импульсов и

7 л л соответствующего коэффициенту обратного рассеяния 7.8 10' м стр ,

- 160определяется статистикой набранных фотоотсчетов и не превышает 16%, при этом точность калибровочных коэффициентов составляет 8%. В отсутствие фона лидар может регистрировать сигнал, на уровне молекулярного рассеяния начиная с 10'7 м"1 стр*1 с минимальной погрешностью 12%. Экспериментально обоснован метод измерения окон прозрачности в турбулентной атмосфере с использованием миниатюрного лидара с целью получения коэффициента автокорреляции Лагранжа в модели трансграничного переноса аэрозолей.

5. Компактное исполнение лидара, малое энергопотребление (около 10 Ватт) и возможность работы в автономном режиме измерений делает его перспективным для мониторинга среды обитания без дополнительной, по сравнению с естественной освещенностью, лучевой нагрузки на исследуемый объект. Разработанный в ИКИ РАН на его основе бортовой лидар обратного рассеяния включен в международный проект Mars Polar Lander-99 исследования атмосферы Марса.

В заключении автор выражает благодарность своему научному руководителю Першину С. М. за постоянное внимание и помощь в работе, О. Б. Бутусову за большую и постоянную помощь в работе, Г. П. Арумову за поддержку и полезные и обсуждения, своим коллегам по работе А. Н. Ляш, А. В. Тюрину за полезные обсуждения и дискуссии, А. С. Чиркину за дискуссии, результаты которых составили основу первой главы, а так же моим близким жене дочери и теще за постоянную поддержку в работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бухарин, Алексей Владимирович, 1999 год

1. Дистанционное зондирование атмосферы.// под ред. В. Е. Зуева. 1979.

2. Изд. Наука. Сибирское отделение. 175 с.

3. Jorgensen Н.Е., Mikkerelsen Т., Streicher J., Herrmann H., Werner С., Lyck E. // Lidar calibration experiments. Appl. Phys. B64. 1997. V.64. P.355-361.

4. Sliney D. Laser safety concepts are changing.// Laser Focus World. May 1994, P. 185.

5. Freudenthaler, V., F. Homberg, and H. Jaeger, Optical parameters of contrails from lidar measurements: Linear depolarization.// Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23. P. 3715-3718,

6. Bruscaglioni, P., A. Ismaelli, G. Zaccanti, M. Gai, and M. Gurioli, Polarization of lidar returns from water clouds: Calculations and laboratory scaled measurements.// Opt. Rev. 1995. V. 2. P. 312-318.

7. Devara, P. C. S., R. E. Raj. and G. Pandithurai, Aerosol-profile measurements in the lower troposphere with four-wavelength bistatic argon-ion lidar.// Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 4416-4425.

8. Di Girolama, P., R. V. Gagliardi, G. Pappalardo, N. Spinelli, R. Velotta, and V. Berardi, Two wavelength lidar analysis of stratospheric aerosol size distribution.// J. Aerosol Sci. 1995. V. 26. P. 989-1001.

9. Carlisle, C., J. van der Laan, L. Carr, P. Adam, and J.-P. Chiaroni, C02 laser-based differential absorption lidar system for range-resolved and long- range detection of chemical vapor plumes.//Appl. Opt.1995. V. 34. P. 6187-6200.

10. Hahn, J. F., С. T. McElroy, E. W. Hare, W. Steinbrecht, and A. I. Carsweil, Intercomparison of Umkehr and differential absorption lidar stratospheric ozone measurements.//J. Geophys. Res. 1995. V. 100, P. 25,899-25,911.

11. Bukharin A., Linkin V., Lipatov A., Lyash A., Makarov V., Pershin S., Tiurin A. Russian compact Lidar for NASA "Mars Surveyor Program 98"// Materials of 19th International Laser Radar Conference. Annapolis. Maryland. July-1998. P. 241 -244.

12. О. Б. Бутусов Упрощенная модель для описания распространения загрязнения в условиях сложного рельефа или городской застройки. // География и природные ресурсы. 1994. №4. С. 134-139.

13. Schawlow A. L., Townes С. Н., Infrared and Optical Masers.// Phys. Rev. 1958.112.

14. Maiman Т. H., Stimulated Optical Radiation in Ruby.// Nature, 1960. 187. P. 493-494.

15. McClung F. J., Helwarth R. W., Giant Optical Pulsation from Ruby.// J. Appl. Phys. 1962.V. 33. P. 828-829.

16. Fiocco G., Smullin L. D., Detection of scattering Layers in the Upper Atmosphere (60-140 km.) by Optical Radar.// Nature 1963. V. 199. P. 1275-1276.

17. Ligda M. G. H.,//Proc Conf. Laser Tchnol. 1st, San Diego. 1963. Calif. P. 6372.

18. Poulthey S. K., Single Photon Detection and Timing: Experiments and Techniques.//Advances in Electronics and Electron Physics, 1972b. V. 31, P. 39-117.

19. M. P. Bristow, D. H. Bundy, and A. G. Wright.// Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 4437-4452

20. H. S. Lee, G. K. Schwemmer, C. L. Korb, M. Dombrowski, and C. Prasad.// Appl. Opt. 1990. V. 29. P. 3603-3612.

21. Poulthey S. K., Single Photon Detection and Timing: Experiments and Techniques.//Advancas in Electronics and Electron Physics. V. 12. P. 403-421 (1972a).

22. Uthe E. E., Allen R. J., A digital Real-Time Lidar Data Recording Processing and Display System.// Optical and Quantum Electronics. 1975. V. 8. P. 121-129.

23. Frush C. L., A New Lidar Signal Processing and Display System.// Optical and Quantum Electronics. 1975. V. 7. P. 179-185.

24. Hirschfeld Т., Range Independence of Signal in Variable Fokus Remote Raman Spectrometry.//Appl. Optics. 1974. V. 13. P. 1435-1437.

25. Зуев В. E., Зуев В. В., Современные проблемы атмосферной оптики. Т. 8. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. П.: Гидрометеоиздат, 1991.232 с.

26. Hall F. F., et. al. Laser Systems for Monitoring of the Environment, Vol. II, Academic Press. 1974.

27. Collis R. Т., Uthe E. E., Mie Scattering Techniques foe Air Pollution Measurement with Lasers.// Opto-Electronics. 1972. V. 4. P. 87-99.

28. Spinhirne J. D., Eye-Safe Lidar Provides Full-Time Atmospheric Monitoring. //Photonics Spectra. March 1996. P. 98-99.

29. American National Standard for Safe Use of Lasers, Ansi Z136.1-1993.

30. Wolbarsht M. L., Sliney D. H., Laser applications in Medicine and Biology. Vol. 2, M. L. Wolbarsht, Ed., Plenum Press, New York, 1974.

31. Vassiliadis A., Laser Applications in medicine and Biology. Vol. 2, M. L. Wolbarsht. Ed, Plenum Press, New York, 1974.

32. J. D. Spinhirne, Micro Pulse Lidar. //lEEETrans. Geosc. Rem. Sens. V. 31 1993. P. 48-54.

33. Heaps, W.S., J. Burris, and J.A. French, Lidar technique for remote measurement of temperature by use vibrational rotational Raman spectroscopy.// Appl. Opt. 1997. V. 36. P. 9402-9405.

34. Goldsmith ,J.E.M., F.H. Blair, and S. E. Bisson, Turn-key Raman lidar for profiling atmospheric water vapor, clouds and aerosols at the US southern Great Plains Climate Study Site.// Conference report, Sandia National Labs., Albuquerque, NM.

35. Scotland R.M., Some Observation of the Vertical Profile of Water Vapour by a Laser Optical Radar.// Proc. 4th Symposium on Remote Sensing of the Environment 1212 April. 1966. Univ. Of Michigan, Ann Arbor. 1966. P. 273-283.

36. J. F. Hahn, A. Sheppard and R.M. Hoff, A. E. S. Dial System of Monitoring Tropospheric Ozone.// Optical Remote Sensing of the Atmosphere. 1993. Technical Digest Series. Volume 5. March 8-12. 1993. Salt Lake City. Utah.

37. Frehlich R., Effects of wind turbulence on coherent doppler lidarperformance.//J. Atmos. Ocean. Technol. 1997. V. 14. P. 54-75.

38. Gordienko V. M., Kormakov A. A., Kosovsky L. A., Kurochkin N. N. Pogosov G. A., Priezzhev A. V., Putivskii Y. Y. Coherent C02 lidars for measuring wind velocity and atmospheric turbulence. //Opt. Eng. 1994. V. 33. 3206-3213.

39. Mishenko, M.I., and K. Sassen, Depolarization of lidar returns by small ice crystals: an application to contrails.// Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. P. 309-312.

40. Cacciani, M., G. Fiocco, P. Colagrande, P. Di Girolamo, A.Di Sarra, and D. Fua, Lidar observations of polar stratospheric clouds at the South Pole 1. Stratospheric unperturbed conditions.//J. Geophys. Res. 1990. V. 102. N 12. P. 937-943.

41. Cacciani, M., P. Colagrande, A.Di Sarra, D. Fua, P. Di Girolamo, and G. Fiocco, P. Lidar observations of polar stratospheric clouds at the South Pole 2. Stratospheric perturbed conditions.//1992 J. Geophys. Res. V. 102. V. 12. P. 945.

42. В. У. Хаттатов, A. E. Тяботов, А. А. Постнов. Результаты лидарных исследований аэрозоля с борта самолета в тропосфере Северного полушария. // Оптика атмосферы и океана. 1997. Том 10. №12. Стр. 1433.

43. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л. Гидрометеоиздат, 1975. 446с.

44. Захаров В.М., Костко ОК., Портасов B.C., Двухчастотное дазерное зондирования тропосферы и стратосферы.// -Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1974. Т. 10. № 10. С. 1101 -1104.

45. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей. Под ред. М. В. Кабанова. Новосибирск: Наука. 1986. 186 с.

46. Ю. С. Балин, И. А. Разенков, Лазерный контроль аэрозольных загрязнений воздушного бассейна индустриальных центров.// Оптика атмосферы и океана. Том 6. №2. 1993. С. 169-188.

47. S. P. Palm, D. Hagan, G. Schwemmer, and S. H. Melfy, Inference of marine atmospheric boundary layer moisture and temperature structure using airborne lidar and infrared radiometer data.//J. Appl. Meteorol. 1998. V. 37. P. 308-324.

48. Han Y, E. R. Westwater, and R. A. Ferrare, Applications of Kalman Filtering to derive water vapor from Raman lidar and microwave radiometers.// J. Atmos. Oceanic

49. Technol. 1997. V. 14. P. 480-487.

50. Т. Hayasaka, Y. Meguro, Y. Sasano, and T. Takamura, Stratification and size distribution of aerosols retrieved from simultaneous measurements with lidar, a sunphotometer, and an auroceolometer.//Appl. Opt. 1998. V. 37 P. 961-970.

51. Э. Дж. Мак-Картни. "Оптика атмосферы: Рассеяние света молекуламии частицами". Мир. 1979. 421 с.

52. Сигналы и помехи в лазерной локации. Под ред. В. Е. Зуева. М.: Радио и связь. 1985. 264 с.56. £8@J

53. J. D. Klett. Stable analytical inversion solution for processing lidar returns.// Appl. Opt. 1981. V. 20. №2 P. 211.

54. Jager Horst, Hofman David J., Midlatitude Variations of stratospheric particle extinction mass and area derived from lidar backscatter measurements. // 1980. V. 87lbid -p. 100-103.

55. Пришивалко А. П., Науменко E.K., Показатели обратного рассеяния и ослабления света водным аэрозолем. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1973. Т. 9. №6. С. 660-663.

56. Уваров Д. Б., Жуков Г. П.// Тр. Института экспериментальной метеорологии. 1976. Вып. 15 (60). С. 100-117.

57. N. Takeuchi, N. Sugimoto, Н. Baba, and К. Sakurai, Random modulation cw lidar.// Appl. Opt. 1983. V. 22. P. 1382-1386.

58. N. Takeuchi et al.„ Diode-laser random-modulation cw lidar.// Appl. Opt., Jan. 1986. Vol. 25, No. 1. P. 63-67.

59. J. D. Spinhirne, J. A. Rail, and V. S. Scott, Rev. Laser Eng. (Special Issue on Laser Radar) 1995. V. 23. P. 118-122.

60. S. Pershin, A Bukharin, V. Makarov, and O. Butusov, «Computer and Lidar-Aided Monitoring of (ndastriai Aerosol Sources in Polluted Zones in a City», in Air and Pollution Monitoring. June 20-23.1995. Munich. Germany. P. 189-200.

61. H. Sang Lee, I. H. Hwang, James. D. Spinhirne, V. Stanley Scott, " Micro

62. Pulse Lidar for Aerosol and Cloud Measurement'.// Selected Papers of thee 18th International Laser Radar Conference (ILRC). Berlin. 22-26 July 1996., P. 7-10.

63. Browell E. W. Et al. Ultraviolet DIAL measurements of Оз profiles in region ofspatially inhomogeneous aerosols. // Appl. Optics. 1985. V.24. №17. P. 2827-2836.

64. Huges H. G. Et al. Sensitivity of a lidar inversion algorithm to parameters relating atmospheric backscatter and extinction. // Appl. Optics. 1985. V.24. №11. P. 1609-1613.

65. Bissonnette L. R. Sensitivity analysis of a lidar inversion algorithms. // Appl. Optics. 1984. V.25. №13. P. 2122-2125.

66. Klett J. D. Lidar inversion with variable backscatter/extinction ratios. // Appl. Optics. 1985. V.24. №11. P. 1638-1643.

67. В. А. Ковалев «Функциональные зависимости между полным и обратным рассеянием для восстановления профиля показателя ослабления атмосферы по данным лидарного зондирования» //Оптика атмосферы и океана. Т. 5. №5. 1992 С. 524-538.

68. Ахманов С. А., Дьяков Ю. Е., Чиркин А. С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука. 1981.640 с.

69. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1973. 720 с.74.0' Нейл. Введение в статистическую оптику. М.: Мир. 1966.254 с.

70. Лебедева В. В. Техника оптической спектроскопии. М.: МГУ. 1986. 352 с.

71. А. Исимару. «Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах». Мир. 1981. Том 2. Стр. 52-53.

72. М. А. Воронцов, В. И. Шмальгаузен. " Принципы адаптивной оптики". Наука. 1985.335 с.

73. L. R. Bissonnette, "Imaging Trouth fog and rain,"// Optical Engeniring. 1992. V. 31. P. 1045-1052.

74. Инженерная модель атмосферы Марса для проекта «Марс -96 (МА-90)», В. И. Мороз, В. В. Кержанович, А. В. Краснопольский.// Космические исследования. Том 29. Вып. 1. 1991. С. 3-84.

75. S. Pershin, V. Linkin, V. Makarov, I. Prochazka, К. Hamal "Spaceborne laser altimeter based on the single photon diode receiver and semiconductor laser transmitter ".// Proc. of the CLEO' 91. Paper CFl 10.

76. H. Dautet, P. Deschamps, B. Dion, A. D. McGregor, D. McSween, R. J. Mclnture, P. Trottier and P. Webb, "Photon counting techniques with silicon avalanche diodes".//Appl. Optics. 1993. V 32. P. 3894.

77. Гулаков И.P., Холбдырев С.В., Метод счета фотонов в оптико-физических измерениях. Минск: Университетское, 1989. 256с.

78. Bucharin А. V., Ljash A. N., Nekhaenko V. A., Pershin S. М. "Detecting nonstationary processes by aerosol Lidar with quantum counter." //International Aerosol Simposium. Technologies. Mach 21-25.1994. Moscow. P. Tech 124-127.

79. Ширяев A.H. Вероятность. M.: Наука. 1980 г.

80. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. М.: Мир. 1984 г. Т. 2. 751 с.

81. Чистяков В.П. Курс теории вероятностей. М.: Наука. 1987 г. 240с.

82. Королюк B.C., Портенко Н.И., Скороход А.В., Турбин А.Ф. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. М.: Наука. 1985 г. 640 с.

83. Belenkii М. S., "Effect of residual turbulent scintillation and remote sensing technique for simultaneous determination of turbulence and scattering parameters of the atmosphere".// J. Opt. Soc. Am. A. V 11. 1994. P. 1150-1555.

84. E. P. Милютин, Ю. И. Яременко. Статистические характеристики интенсивности рассеянного солнечного излучения в атмосфере.// Оптика атмосферы и океана. 1992. 5, Т.5. №1. С. 15-18.

85. Rosen J., Kjome Т., "Backscatter sonde: a new instrument for atmospheric aerosol research".//Appl. Opt. 1991. v.30. P. 1552-1561.

86. Kavaya M., Menzies R., "Lidar aerosol backscatter measurements: systematic, modelling, and calibration error considerations".//Appl. Opt. 1985. V.24 P. 3444 3453.

87. M. J. Kavaya, R. T. Menzies, D. A. Hanner, U.P. Oppenheim, and P. H.

88. Flamant, " Target Reflectance Measurement for Calebration of Lidar Atmospheric Backscatter Data ".// Appl. Opt. 1983. 22. P. 2619.

89. M. J. Kavaya, R. T. Menzies. " Aerosol Backscatter Lidar Calibration and Data Interpretation".// Publication 84-6, Jet Propulsion Laboratory. California Institute of technology. Pasadena. 1984. Calif.

90. P. Межерис. Лазерное дистанционное зондирование. Москва. 1987. Мир.550 с.

91. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Машиностроение. 1980. 742 с.

92. Ивлев Оптические свойства атмосферных аэрозолей Ивлев Л.С., Андреев С.Д., Л. Изд-во Ленингр. Ун-та. 1986. 360 с.

93. С. М. Першин, А. В. Бухарин и др. Пространственно-временной профиль аэрозольного загрязнения над Волгой.// Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. №4. С. 548-555.

94. А. В. Бухарин, С. М. Першин. Теоретическое рассмотрение лидара обратного рассеяния с безопасным для глаз уровнем излучения.// Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. №4. С. 521-537.

95. С. М. Першин, А. В. Бухарин, и др. Калибровка аэрозольного лидара с квантовым счетчиком и регистрация атмосферных неоднородностей.// Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. №4. С. 538-547.

96. О. Б. Бутусов. Математическое моделирование процессов переноса всистеме автоматизированного контроля за состоянием природной среды. // Автоматическое моделирование и управление. М.: ВЗМИ. 1985. С40-43.

97. Бутусов О. Б. Упрощенная модель для описания распространения загрязнения в условиях сложного рельефа или городской застройки. // География и природные ресурсы. 1994. № 4. С. 134-139.

98. Puttock J. С., Hunt J. С. R. Turbulent diffusion from sources near obstacles with separated wakes. //Atmospheric environment/1979. V. 13. № 1. P 1-14.

99. Ван Кампен Г. Стохастические процессы в физике и в химии. М.: Высшая школа. 1990. 376 с.

100. С. М. Першин, А. В. Бухарин, В. С. Макаров, В. И. Кузнецов, И. Прохазка, Пространственно-временной профиль аэрозольного загрязнения атмосферы над Волгой.// Оптика атмосферы и океана. Том 7. № 4. С. 548-555.

101. Pershin S., Linkin V., Bukharin A., Makarov V., Kouki Т., Prochazka I., Kuznetsov V. Compact eye-safe Lidar for environmental media monitoring.// SPIE's Special issue "Optical Monitoring of the Environment". 1993. V. 2107. P. 336-362.

102. Pershin S., Linkin V., Bukharin A., Patsaev D., Prochazka I., Hamal K. Portable nanoJoule backscatter lidar for invironmental sensing.// Proceeding International Conference of SPIE's. San Diego. 1992. V. 1752. P. 293.

103. Takeuchi N., Okumura H., Sugita Т., et al. P-SOLARIS a portable solid state lidar system. // Proc. of CLEO. 1993. CMC1. P.12-13.

104. Pershin S., Trouble-free compact lidar for in/outdoor atmosphere monitoring.// Proc. of SPIE's Europto Symposium. Munich. 1995. V. 2506. P 43. 1.3

105. Георгиевский Ю. С., Розенберг Г. В., Влажность как фактор изменчивости аэрозоля. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1973. Т. 9.-1702. С. 126-137.

106. Розенберг Г. В., Атмосферный аэрозоль и оптика рассеивающих сред. В кн.: Некоторые проблемы современной физики атмосферы. М. 1981. С. 134-157.

107. В. Г. Цверава. "Зависимость между нижней границей облаков и дальностью видимости". // Метеорология и гидрология. 1974. №5. С. 34.

108. X. Sun, F. М. Davidson. " Photon counting with silicon avalanche diodes"// Journ. Of Lightwave Techn. 1992. V. 10. P. 1023.

109. Pollack James В., Colburn David S., Michael Flasar F., Kahn Ralf, Carlson С. E., And Pidek D., Properties and Effects of Dust Particles Suspended In the Martian Atmosphere.// Journal of Geophysical Research. I979. V. 4. P. 2929-2945.

110. Pollack J. B. Properties of dust in the Martian atmosphere and its effect on temperature structure.//Adv. Space Res. 1982. V. 2. P. 45-56.

111. Korablev O., Krasnopolsky V., Rodin A., Chassenfiere E., " Vertical Structure of Martian Dust Measured by Solar Infrared Occultation from the Fobos Spacecraft".//ICARUS, 1993. V. 102. P. 76-87.

112. Pershin S., Bukharin A., Gotlib V., Linkin V., Lipatov A. A compact 500 g Lidar for the Mars Surveyor Lander -98.11 Proc. of the XX Europe Geophysical Sosiety Symposium. EGS-96. Hague. 1996. V. 14. Part III. Planetary Science. P. 829.