 | Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы / С.М.Бобровников, Г.Г.Матвиенко, О.А.Романовский и др. - Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы, 2014. - 508 с.
ШИФР ОТДЕЛЕНИЯ ГПНТБ СО РАН Д23-Л557
| |
Введение ........................................................ 3
Глава 1. Лидарные спектроскопические методы зондирования
атмосферы .............................................. 7
1.1 Основные спектроскопические эффекты взаимодействия
оптического излучения с атмосферой, применяемые в
лазерном зондировании ...................................... 8
1.2 Лидарное уравнение ........................................ 15
1.3 Типы лазеров для лидарного газоанализа атмосферы .......... 17
1.4 Информационное обеспечение лидарного газоанализа
атмосферы ................................................. 23
1.5 Расчет пропускания и поглощения методом line-by-line с
использованием БД HITRAN .................................. 33
1.6 Сравнение расчетов поглощения с использованием версий
баз данных HITRAN-2008, 2012, 2013 для длин волн 0,69;
1,06; 1,54 и 10,6 мкм с расчетами ресурса spectra.iao.ru .. 37
Литература к главе 1 ........................................... 40
Глава 2. Лазерный газоанализ атмосферы по методу
дифференциального поглощения .......................... 48
2.1 Чувствительность метода дифференциального поглощения ...... 50
2.2 Источники погрешностей метода дифференциального
поглощения ................................................ 51
2.3 Анализ систематических ошибок метода дифференциального
поглощения ................................................ 55
2.3.1 Влияние вариаций метеопараметров атмосферы на
точность априорного расчета коэффициента
поглощения ......................................... 57
2.3.2 Учет сдвига центров линий поглощения атмосферных
газов давлением воздуха ............................ 60
2.3.3 Другие источники ошибок априорного расчета
эффективного коэффициента поглощения ............... 63
2.4 Методика поиска информативных длин волн для зондирования
газовых составляющих атмосферы ............................ 64
2.4.1 Критерии отбора линий поглощения ................... 64
2.4.2 Алгоритм расчета пропускания атмосферы ............. 68
2.4.3 Общая схема работы автоматизированной системы
поиска ............................................. 70
2.4.4 Результаты поиска информативных длин волн
зондирования малых газовых составляющих атмосферы .. 72
2.5 Экспериментальные результаты газоанализа атмосферы по
методу дифференциального поглощения ....................... 77
2.5.1 Трассовый газоанализатор на основе СО- и
СО2-лазеров с преобразователями
частоты излучения .................................. 77
2.5.2 Эксперименты по лазерному зондированию газового
состава атмосферы обертонным СО-лазером ............ 87
2.5.3 Эксперименты по лазерному зондированию газового
состава атмосферы стронциевым лазером .............. 92
2.6 Численное моделирование лидарного зондирования по методу
дифференциального поглощения .............................. 96
2.6.1 Критерии потенциальных возможностей лидарного
зондирования малых газовых составляющих атмосферы
по методу дифференциального поглощения и
характеристики условий численного моделирования .... 96
2.6.2 Возможности лидарного зондирования водяного пара
и угарного газа в средней ИК-области спектра ....... 99
2.6.3 Возможности определения выбросов окислов азота
при бортовом базировании лидара ................... 10З
2.6.4 Применение вертолетного лидара на основе TEA
СO2-лазера для обнаружения утечек метана и
аммиака ........................................... 105
2.6.5 Использование DF-лазера в лидаре бортового
базирования для обнаружения аэрозольных и
газовых выбросов .................................. 115
2.6.6 Численное моделирование дистанционного
газоанализа атмосферы с помощью обертонного
СО-лазера ......................................... 124
2.6.7 Восстановление концентраций SО2, NО2, Сl2, О3 на
основе DIAL-методики в ультрафиолетовом
диапазоне длин волн ............................... 127
2.6.8 Методы решения обратной задачи восстановления
профилей концентрации озона в ультрафиолетовом
диапазоне длин волн ............................... 131
2.6.9 Создание и обучение нейронной сети ................ 147
Литература к главе 2 .......................................... 157
Глава 3. Лидарное зондирование газового состава атмосферы на
основе эффекта спонтанного комбинационного рассеяния . 166
3.1 Применение лидарного метода на основе спонтанного
комбинационного рассеяния для дистанционной диагностики
молекулярных систем в атмосфере в УФ-диапазоне длин
волн ..................................................... 166
3.1.1 Факторы, ограничивающие чувствительность
СКР-лидарного метода, и способы их устранения ..... 166
3.1.2 Потенциальные возможности лидара на основе
эффекта спонтанного комбинационного рассеяния ..... 186
3.2 Примеры аппаратурной реализации СКР-лидара ............... 203
3.2.1 Источник излучения ................................ 203
3.2.2 Приемный телескоп ................................. 204
3.2.3 Блок спектральной селекции ........................ 205
3.2.4 Система фотодетектирования ........................ 206
3.2.5 Оптическая схема лидара ........................... 207
3.2.6 Оптико-механическая конструкция лидара ............ 208
3.3 Экспериментальное исследование возможностей СКР-лидара
при обнаружении паров веществ в атмосфере ................ 209
3.3.1 Схема экспериментов ............................... 209
3.3.2 СКР-лидарные отклики чистой атмосферы ............. 210
3.3.3 Методика получения контролируемых концентраций
вещества в газовой фазе ........................... 213
3.3.4 Экспериментальная оценка предельной
чувствительности СКР-лидара при обнаружении
паров в атмосфере ................................. 216
Литература к главе 3 .......................................... 221
Глава 4. Спектроскопические методы в метеорологических
лидерах .............................................. 226
4.1 Метод дифференциального поглощения ....................... 226
4.1.1 Физические основы лидарных измерений температуры
и влажности атмосферы методом дифференциального
поглощения ........................................ 226
4.1.2 Методические аспекты и аппаратурная реализация
лидарных измерений метеопараметров атмосферы ...... 229
4.1.3 Численное моделирование лидарных измерений
метеорологических параметров атмосферы ............ 242
4.2 Дистанционное определение температуры и влажности
атмосферы из соотношения интенсивностей спектров
спонтанного комбинационного рассеяния на молекулах
азота, кислорода и водяного пара ......................... 252
4.2.1 Чисто вращательные спектры комбинационного
рассеяния азота и кислорода ....................... 253
4.2.2 Определение температуры атмосферы по отношению
двух участков чисто вращательных спектров
спонтанного комбинационного рассеяния на
молекулах азота и кислорода ....................... 260
4.2.3 Выбор оптимальной комбинации линий чисто
вращательного спектра спонтанного
комбинационного рассеяния ......................... 266
4.2.4 Выбор спектральной области зондирующего
излучения ......................................... 274
4.2.5 Обоснование уровня подавления линии несмещенного
рассеяния в каналах измерения температуры
СКР-лидара ........................................ 283
4.2.6 Аппаратура СKP лидара для измерения температуры
атмосферы и проведение тестовых измерений ......... 287
4.2.7 Профилирование влажности с использованием
колебательно-вращательной полосы СКР водяного
пара .............................................. 303
4.2.8 Дистанционное определение содержания жидкой воды
в атмосфере с помощью анализа пространственно-
разрешенных колебательно-вращательных спектров
комбинационного рассеяния ......................... 344
4.2.9 Наблюдение пространственно-разрешенных
колебательно-вращательных спектров
комбинационного рассеяния воды в чистом воздухе
и в облаке с помощью 32-канального СКР-лидара ..... 344
Литература к главе 4 .......................................... 352
Глава 5. Лидарный газоанализ с использованием
широкополосного излучения (DOAS-спектроскопия) ....... 360
5.1 Использование широкополосных источников при DOAS-
зондировании атмосферы ................................... 360
5.2 Сочетание методов DOAS с принципами лидарного
зондирования ............................................. 363
5.2.1 Предыстория вопроса. Метод Левенберга-Маркардта ... 363
5.2.2 Методика восстановления профилей концентрации
атмосферных газов и паров Н2О в схеме
зондирования LIDAR-DOAS с использованием
генетического алгоритма ........................... 366
5.3 Численный эксперимент по широкополосному лазерному
зондированию селективно поглощающей атмосферы ............ 373
5.3.1 Математическая модель численного эксперимента ..... 373
5.3.2 Результаты модельных оценок ....................... 376
5.4 Возможности применения преобразователей частоты
излучения фемтосекундных лазерных импульсов в
широкополосном лидарном зондировании атмосферы ........... 381
5.5 Лидары белого света ...................................... 384
5.5.1 Тенденции развития фемтосекундной лазерной
техники ИК-диапазона волн ......................... 386
5.5.2 Основные физические механизмы генерации
суперконтинуума в микроструктурированных
волокнах .......................................... 389
5.5.3 Уравнение лидарного зондирования при
использовании фемтосекундных лазерных источников
излучения ......................................... 392
Литература к главе 5 .......................................... 402
Глава 6. Спектроскопические методы для лидаров космического
базирования .......................................... 409
6.1 Обзор бортовых лидарных систем для восстановления
газового состава атмосферы ............................... 409
6.1.1 Системы для зондирования газовых составляющих ..... 409
6.1.2 Предлагаемые концепции технической реализации
орбитального СО2 лидара ........................... 418
6.1.3 Системы для восстановления температуры и
аэрозольного распределения в стратосфере .......... 424
6.1.4 Подспутниковые лидарные наблюдения ................ 451
6.1.5 Планируемые системы зондирования атмосферных
параметров из космоса ............................. 455
6.2 Оценка возможностей зондирования тропосферного метана и
углекислого газа IPDA космическим бортовым лидаром ....... 458
6.2.1 Метод IPDA лидарного зондирования ................. 458
6.2.2 Выбор длин волн ................................... 464
6.2.3 Решение прямой задачи ............................. 465
6.2.4 Решение обратной задачи ........................... 468
6.3 Возможности восстановления СО2 и СН4
в стратосфере методом IPDA ............................... 473
6.4 Оценка возможностей зондирования профилей озона и
водяного пара в стратосфере DIAL-лидаром космического
базирования .............................................. 476
6.4.1 Результаты модельных оценок восстановления О3
методом DIAL ...................................... 476
6.4.2 Оценка возможностей восстановления NO2 ............ 479
6.4.3 Измерения водяного пара в глобальном масштабе ..... 479
6.5 Оценка возможностей измерения концентрации СО2
с космической платформы IPDA-лидаром с гетеродинным
приемником ............................................... 485
Литература к главе 6 .......................................... 490
Заключение .................................................... 499
|
| Коллективная монография посвящена актуальному научному направлению в лазерном зондировании атмосферы. Представлены экспериментальные и теоретические исследования по созданию современных лидарных систем для газоанализа атмосферы на основе использования спектроскопических эффектов взаимодействия лазерного излучения с атмосферой и их применению в дистанционном зондировании, метеорологии, атмосферной оптике. Монография содержит обширный материал по основным спектроскопическим методам лидарного зондирования атмосферы, включая методы дифференциального поглощения, спонтанного комбинационного рассеяния и DOAS-спектроскопию с использованием широкополосного лазерного, в том числе фемтосекундного, излучения. Описаны созданные стационарные и мобильные лидарные системы для исследования газового состава и метеорологических параметров атмосферы и экспериментальные результаты, полученные с их использованием. Представлены также результаты численного моделирования дистанционных измерений профилей газовых составляющих атмосферы с использованием лидаров наземного, бортового и космического базирования.
Для специалистов в области дистанционного зондирования, метеорологии, атмосферной оптики и спектроскопии, а также для студентов и аспирантов соответствующих специальностей. |
|
