На правах рукописи

Потапова Ир ина Але ксандро вна

ВОССТАНОВ ЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТ ИК АТ МОСФ ЕРЫ ПО ДАННЫ М

ЛИДАРНОГО ЗО НДИРОВАНИЯ

Специальн ость 25.00.30 – метеорология, климатоло гия и

агрометеоролог ия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико – математичес ких наук

Санкт – Петербур г 2008

Работа выполнена в ГОУВПО государственный «Российский гидрометеорологический университет»

Официальные оппоненты: доктор физико–математических наук, профессор Дивинский Леонид Исаевич доктор физико–математических наук, профессор Ивлев Лев Семенович доктор физико–математических наук, профессор Покровский Олег Михайлович Военно–космическая академия

Ведущая организация:

имени А.Ф.Можайского

Защита состоится «12» февраля 2009 года в 1530 на заседании диссертационного совета Д 212.197.01 при ГОУВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет» по адресу:

195196, Санкт–Петербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Российский государственный гидрометеорологический университет».

Автореферат разослан « » декабря 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р физ. – мат. наук, профессор А.Д.Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работ а посвящена проблеме интерпрет ации результатов зондиров ания ат мосферы лидарными сист емами и направлена на совершенствов ание методов лидарных измерений параметров атмосферного воздуха. Особое внимание уделяет ся лидарному измерению наклонной дальност и видимости (Н ДВ).

Н аиболее острой задачей мет еорологического обеспечения современной авиации является получение оперативной информации о состоянии нижнего слоя атмосферы, от которого зависит возможность посадки и взлета самолетов, особенно, в сложных метеорологических условиях. При решении э той задачи необходима достоверность получаемой информации, в т ом числе, в изуальной Н ДВ взлетно–посадочной полосы. Резко выраженная пространственно–временная изменчивость величины НДВ существенно затрудняет получение надежной информации. Кроме т ого, для определения такого весьма важного параметра как НДВ метеослужба до настоящего времени вообще не располагает необходимой аппаратурой.

В практике определения концентраций загрязняю щих веществ используются, в основном, конт актные методы измерений.

Н едостаток эт их методов состоит в том, что они дают возможност ь определять локальные значения характ еристик загрязнения атмосферы. Например, опт ическими счет чиками частиц и фильтровыми аспирационными уст ройствами измеряются параметры аэрозоля лишь в непосредственной близости от этих приборов, что распределение загрязняю щих компонентов.

атмосферы целесообразно в связи с тем, что они обеспечиваю т оперативность выполнения измерений.

Важные для решения проблемы лидарного зондирования среды дост игнуты значительные успехи в решении комплексной научной проблемы создания приемопередающей аппаратуры для определения особенностями спектрального диапазона лазерного излучения;

особенностями регистрирующей аппаратуры, кратностью рассеяния лазерного излучения частицами аэ розоля.

Вместе с тем, остается трудност ь, обусловленная следую щими особенностями проблемы: неопределенностью лидарного уравнения, обращ ение к оторого лежит в основе интерпрет ации результат ов (оно содержит более чем одну в еличину, неизвест ную во многих т очках пространствах – коэффициент ослабления и коэффициент обрат ного рассеяния) и математической некорректностью обрат ной задачи. Эти особенности негативно сказываются на достоверности определения И нформативность лидарных измерений оказывается низкой при зондиров ании неоднородной атмосферы.

Особенно сложной является задача дистанционного лазерного выполняемого на значительных расстояниях от лидара. Это связано с существенной ролью случайной и систематической погрешности измерений, включая погрешности из–за фоновой засветки, сдвига нуля э хо сигнала и неточности его коррекции на геометрический фактор.

парамет ризации оптико–микроструктурных свойств аэрозольных частиц.

Таким образом, совершенствование методов инт ерпретации данных лидарного зондиров ания атмосферы в настоящее время, приобретает особую акт уальность.

усовершенствов анных алгоритмов обработ ки экспериментальных результат ов.

Алгоритмы базирую тся на строгом решении обратной задачи, апостериорной оценк е возможности введения дополнительных данных, реалист ическом описании физических свойств аэрозольных частиц. Исследов ание направлено на разработку метода лидарного зондиров ания неоднородной атмосферы, не требующего прив лечения рассеяния; метода лидарного зондирования слабо рассеивающей атмосферы. В отличие от традиционного подхода рассматривает ся атмосферных загрязнений.

дост ижения цели и решение которых составляет содержание работы:

определения параметров атмосферы, оценивают ся систематические обрат ной задачи, и разрабат ывают ся схемы обработки сигналов лидарного зондирования атмосферы и алгоритмы, учитывающие особенности измерит ельной аппаратуры и услов ия зондирования;

– оцениваются возможности методов, предназначенных для повышения достоверности результатов лидарного определения НДВ;

– осуществляет ся моделирование э хо сигнала, принимаемого коэ ффициент а ослабления с учетом экспериментальных данных;

э лектромагнитных волн облучаемыми структурами, необходимое для э ксперимент альных данных;

процессе выполнения натурных экспериментов, позволяю щий учесть особенности аппаратуры и условия зондирования атмосферы;

Ленинградской области и в разнообразных других условиях (в крупном промышленном центре, пустынной, горной зонах) в целях расширения области применимости разрабатыв аемых схем.

Методы исследования базирую тся на строгом решении лидарного компьютерное моделирование с применением данных нат урных э кспериментов, статист ический анализ.

обобщаются итоги исследований точностных характеристик методов данных натурных экспериментов (Комплексного ленинградск ого научным результатам работы, от носятся:

вклю чающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем координат ы точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого засвет ки и двух неизвест ных функ ций – коэффициента ослабления и коэ ффициент а обратного рассеяния, характеристик для симметричных схем обработки данных (для двух равных шагов дифференциров ания) и несимметричных схем (для несимметричной схемы обработки данных может быть существенно меньше соответствующей величины для симмет ричной схемы;

– установлена специфика применения дифференциальных и интегральных методов в практике лидарного зондирования;

уравнения, на которых базируется мет од измерения прозрачности атмосферы и НДВ;

– на основе найденных решений лидарного уравнения на уровне изобретений разработ аны методы многопозиционного лидарного зондиров ания;

показано, что повышенная т очность методов лидарного зондиров ания атмосферного аэрозоля, базирующихся на строгом решении лидарного уравнения, обусловлена определенностью их области применимости;

– установлено, чт о для адекватного описания характеристик интегрального решений лидарного урав нения и учет возможности существенных вариаций связей между коэффициентами ослабления и обрат ного рассеяния;

интерпретации данных лидарного зондирования нетрадиционными методами дост игается посредством привлечения апостериорной информации.

квалифицировать как новое крупное научное достижение в области многопозиционного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля, базирующегося на строгом решении лидарного уравнения.

О сновные положения, выносимые на защиту:

– новое строгое решение лидарного уравнения, включающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качест ве независим ых переменных рассматриваются координаты точек посылки зондирую щих импульсов и зондируемого объема и которое неизвестных функций – коэ ффициента ослабления и коэффициента обрат ного рассеяния, найденного решения, от личающиеся случайной погрешност ью коэ ффициент а ослабления и фоновой засветки, – основы метода лидарного зондирования, осуществляемого в неоднородной атмосфере вдоль трасс, пересекающихся в точках, принадлежащ их исследуемому объему;

– интегральные решения лидарного уравнения, исключающие процедуру дифференцирования на участках неоднородной среды и предназначенные для обработки сигналов многопозиционного лидарного зондирования атмосферы;

– схемы лидарного зондирования атмосферы с апостериорно проверяемой эффективностью, предназначенные для дост ижения приемлемых погрешностей измерения НДВ.

Достоверност ь полученных результатов подтверждается тем, фундаментального уравнения переноса радиации в дисперсных т радиционных непроверяемых априорных допущений. Разработка методов лидарного зондирования производится на основе найденных решений и с учетом данных нат урных экспериментов. Установ лена сопоставимость результатов определения характерист ик атмосферы лидарными мет одами и традиционными контактными методами измерений.

аргумент ированностью исходных положений исследований, аппарата, и логической последовательностью рассуждений.

П рактическая значимость работы определяется, в соответ ствии с пост авленной целью, повышением достоверност и результатов лидарного зондирования атмосферы. Полученные результаты нат урных эксперимент ов и могут быть использованы для целей совершенствов ания лазерных технических средств, предназначенных для определения НДВ, для наземного и авиалидарного монит оринга загрязнения атмосферы.

Личный вклад автора Все основные результаты получены автором лично. Автор выполнил анализ современного состояния проблемы. Н ашел новые дифференциальные и интегральные решения лидарного уравнения.

Разработал эффективные схемы реализации найденного решения.

П рименил полученные результаты для интерпрет ации данных нат урных экспериментов.

Апробация работ ы. Результаты исследований докладывались на ряде научных конференций:

– конференции-выстав ке “Экология и современные т ехнологии” (Санк т-П етербург, 1995), – Четвертой международной школе–семинаре–выставке “Лазеры и современное приборостроение” (Санкт-Петербург, 1995), – семинаре Российского аэрозольного общества (Санкт–Петербург, 1997), – Международном конгрессе РАRТЕС 98 (Нюрнберг, 1998), – семинаре “Аналитическое приборостроение для энергетики и т очного машиностроения” (Сосновый Бор, Ленинградская область, 2001), ант ропогенные аэрозоли” (Санкт-Пет ербург, 2001, 2003), научно-технической конференции, посвященной Архангельского ГТУ (2004), аспирантов и студентов «Изменение климата и окружаю щая среда», РГГМУ, 2005, – итоговой сессии Ученого совета РГГМУ (2006, 2008).

систематизированные в работе, отражены в 33 научных трудах и изобретениях.

Структура и объем работы. Работ а состоит из введения, 5 глав, обозначений и сокращений. В ней содержится 290 страниц текста, т аблиц, 45 рисунков.

С ОДЕРЖАНИЕ РА БОТЫ

диссертации, указывается цель работы, формулируются основные задачи исследования и положения, выносимые на защиту, отмечает ся результат ов, дается краткая характеристика диссертации.

пост ановка задачи инт ерпретации данных лидарного зондирования уравнения, записанного для коротких зондирую щих импульсов и в приближении однократного рассеяния – мощность сигнала обратного рассеяния, r j – радиус-вектор зондируемого рассеивающего элемента, R i – радиус-вектор точк и посылки световых импульсов и приема сигналов обратного рассеяния, причем рассматривается как вектором R i, так и многопозиционное зондирование (i – й т очке расположения приемопередатчика соответствует радиус–вектор f = K (r j R i ) 2 – геометрический фактор лидара, K – коэффициент заполнения, A – постоянная лидара, – коэффициент обратного рассеяния, – коэффициент ослабления, т екущий радиус–вектор т очки прямой, проходящей через ci, j – отрезок [ R i, r j ], по нему вычисляется интеграл в уравнении d r – элемент длины отрезка, P* – мощность солнечного излучения, рассеянного атмосферой в направлении на приемное устройство лидара, зависящая от направления на исследуем ый объем.

Рассмат ривается задача нахождения опт ико–микрострукт урных связей аэ розольных частиц.

Делает ся вывод о целесообразности разработки методов лидарного зондиров ания атмосферного аэрозоля, сочетающих преимущест ва строгого и интегрального решения лидарного уравнения, а также об актуальности т еоретического анализа оптико-микрострукт урных связей аэрозольных частиц, найденных экспериментальным путем, и моделирования их оптических свойств на э той основ е.

Во второй главе разрабатываются методы интерпретации сигналов обратного рассеяния.

неопределенностью лидарного уравнения. Отмечается, в частности, что за счет введения традиционных предположений для определения неизвестных величин системат ическая погрешност ь коэффициента ослабления может превысит ь сотни процентов. Делается в ывод о необходимости поиска новых подходов к решению рассматриваемой проблемы.

засвет ки выделяется сигнал, зав исящий от к оэффициент а обрат ного рассеяния и коэффициента ослабления. В э том случае строгое решение уравнения (1) записывает ся в виде:

где S – скорректированный эхо сигнал, равный P/f, (ln S ) i – производная по i – му направлению зондирования, n – размерность пространст ва зондирования, cos i j – направляющие косинусы, равные X i X i где X i, x i – декартовы координаты, соответ ственно, рассеивающего э лемент а и приемопередатчика.

обрат ного рассеяния определяются т огда (вне ближней зоны лидара – при К = 1) на основании решения сист емы уравнений:

где где i – угол места.

уравнение, определяю щее коэффициент ослабления однородной атмосферы, система может быть решена (ее решение записано ниже в конечно-разностном виде).

от ягчено значит ельной случайной погрешностью. Оно может быть произв одных сигналов, принятых с различных направлений, не должно быть значимым. Другая возможность реализации строгого причин, способствующ их образованию в атмосфере горизонт ально однородных слоев.

коэ ффициент ом ослабления неоднородной атмосферы. Величина c определяется соот ношением где Коэффициент ослабления неоднородной атмосферы (R ) вне горизонтально однородной области связывает ся с его значением (R) внут ри этой области интегральным соотношением:

в котором m = 1/c.

лидарного уравнения оно заменяется системой уравнений Клетта на неизвестных коэффициентов в конкретных условиях зондирования неоднородной среды.

Запиш ем эт у систему уравнений на пересекающихся трассах, формирующих замкнут ый многоугольник, введя в рассмотрение новую неизвестную функцию где c – постоянная, определяющаяся минимизацией погрешности решаемой системы уравнений.

(знак зависит от направления зондирования) ci и c k, отрезки [ri, ri +1 ] и [rk, r1 ], то сист ема уравнений, позволяющая связать значение Z 1 в интегрируемой по сторонам многоугольника, запишется в в иде:

а её решение – следующим образом:

где Данное решение особенно полезно, если функция v (r ) может различных многоугольников, имеющих общие точки, определяется искомая величина, для чего целесообразно ограничиться первым членом ряда в разложении функции v (r ).

В настоящей главе для анализа экспериментальных результатов определения свойств аэрозольных частиц рассмат ривается модель част ицы с радиально изменяющимся показателем преломления в оболочке, покрывающей однородное ядро. П оказат ель преломления частицы задается действительной или комплексной величиной.

Моделирование рассеяния излучения частицами основывает ся на решении системы уравнений Максвелла относительно векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Традиционные методы решения уравнений Максв елла базируют ся на использовании специа льных функций. Эт о ограничивает область их применимости:

расширить область применимости, предлагается решение системы разрывного, так и непрерывного. Уравнения, которыми описывают ся потенциалы Дебая (переходящие в уравнение Гельмгольца при пост оянном показателе преломления), решаю тся методом разделения переменных. В результате каждое из уравнений разделяет ся на три дифференциальные уравнения второго порядка с переменными коэ ффициент ами (переходящие в уравнение Бесселя при постоянном показателе преломления), которые интегрируются численно для находящ ейся в однородной среде.

В третьей главе исследуется интегральный метод многопозиционного лидарного зондирования.

Исследуется решение (19) сист емы интегральных уравнений сформиров анного пересечением трасс зондирования, с измеряемыми мощностями эхо сигналов.

Среднее квадратичное отклонение 1 коэ ффициент а ослабления в вершине 1 многоугольника ((r 1 ) = Y 1 ) рассчитывается в линейном приближении:

по формуле, получающейся с учетом решения (21):

1= (1Bk) Система (17) - (18) решается т акже и приближенно умножением i–го урав нения на коэ ффициент А i и сложением уравнений, в св язи с большими величинами погреш ностей погрешности определения искомых величин.

(трехпозиционное зондирование – рис.1).

зависимостей погрешностей эхо сигнала от его величины. В работ е применяется степенная зависимост ь (показатель степени 0.5).

Сравнение результатов определения коэффициента ослабления методом лидарного зондирования с данным и регистратора дальности видимости (РДВ) дает в озможность оценить погрешность лидарных измерений в однородной атмосфере и погрешност ь эхо сигнала.

И спользуя результ аты оценки на основании выражения для многопозиционного зондирования.

В т абл.1 предст авлены величины погрешност ей треугольной выполненного на основе лазерного измерителя высоты облаков (ЛИ ВО), для различных значений коэффициента А включая 0 и 1 (в системе уравнений (26–27) два коэффициента равны А, один – 1).

импульсов на общей прямой. Зондирование из точки R 3 вдоль трассы прямой. Зондирование из точек R 1, R 2 по направлению к точке r осуществляется под равными углами к ней.

В табл.1 1/1 – среднее квадратичное отклонение, di =li Lmax, зондиров ания атмосферы), – позиции лидара зондиров ания (отношение сигнал/ш ум = 2).

Результаты расчетов показывают, что при увеличении глубины зондиров ания в многопозиционных схемах случайная погрешност ь уменьшить до уровня погрешности традиционных измерений за счет рационального выбора коэ ффициента А, причем систематическая погрешность оказывает ся значительно меньше, чем ее традиционная величина.

приемлемой яв ляется треугольная схема. Наибольшая точность дост игается для измерений в ближней верш ине треугольника.

О тношение случайных погрешностей в ближней и дальней вершинах Точностные характеристики интегрального многопозиционного характерных для нее и треугольной схемы, не превышает 0,6.

неоднородной атмосферы выполнено посредств ом решения прямой и обрат ной задачи на основе собранного наблюдат ельного материала, аппаратуры и условий зондирования атмосферы.

использована степенная связь между коэффициент ом ослабления и коэ ффициент ом обратного рассеяния (см. ниже).

Н а рис.2 представлены погрешности m/ m для схемы рис.1. Анализ обрат ного рассеяния и ослабления. Нов ый метод более эффективен для оптически более плотной и (или) неоднородной атмосферы.

Рис.2. Точност ные харак теристики треугольной схемы, углы зондиров ания 90 o, 30 o, m=1, Дополнит ельная точность при ис пользовании схемы связана с увеличением угла между направ лениями 3–2, 1–3. О шибка может быть меньше 20%.

интегрального метода обработки данных лидарного зондирования атмосферы.

измерения осуществлялись ГГО им А.И.Воейкова с использованием устройства, в ыполненного на базе серийного лазерного измерит еля высоты облаков (ЛИ ВО).

обследовавшегося района в различных направлениях. Было отмечено значительной концентрацией частиц, содержавшихся в воздухе.

Его изменение вдоль трассы может быт ь связано не только с ослаблением излучения, но и с изменением коэффициента обрат ного осуществив посылку зондирующих импульсов по одной прямой в т очек. В таком случае эхо сигналы для каждой из точек посылки фактором является изменение коэффицие нт а обратного рассеяния, то э хо сигнал, приняты й в одной точке, будет убывать, а в другой возрастать с расстоянием от точки приема (посылки).

ослабления излучения. В частност и, от ношение сигналов в сериях зондиров ания в двух прот ивоположных направлениях не отличалось значимо от единицы.

атмосферы в окрестности пересечения городских автомагистралей, наряду с дифференциальным методом, был применён интегральный Н епокорённых и Пискарёвского пр. Для сравнения в ней приведены Коэффициент ы ослабления в окрестност и пересечения интегральным ( i –от/к пересечению) методами.

удовлетворительную сопоставимость результатов применения двух методов. Случайная погрешность мет одов в зависимости от условий пространственной протяжённостью участка т рассы зондирования (не существенной загрязненности атмосферы. Эт от факт приводит к МДВ в пределах 1 – 6 км (см. табл.2).

В эксперименте КЛЭ, выполненном ГГО им А.И.Воейкова, т елебашни на уровне 200 м.

результат ов, полученных ранее дифференциальным методом. Это связано с существованием сравнительно однородной атмосферы в загрязнения воздуха автотранспорт ом АВТОЭКС–88 был проведен в сентябре 1988 г. в окрест ности аэропорта Пулк ово. Лидарное применён лидар ЛИ ВО. Лидар был расположен в помещении на расстоянии 400 м от Киевского шоссе приблизит ельно в 3–4 км от аэропорта Пулково.

П розрачность атмосферы в окрестности лидара определялась путем зондирования атмосферы по трем направлениям с небольш им однородной атмосфере над дорогой, выполненная интегральным методом, привела к результ атам, не отличаю щимся значимо от результат ов, полученных дифференциальным мет одом.

Аналогичные результаты были получены при инт ерпретации данных лидарного зондирования ат мосферы в районе Аральск ого моря и в районе г. Ереван, полученных с самолета-лаборатории ГГО.

Наиболее сложными для интерпретации оказались результат ы лидарного аэрозольного зондиров ания, в ыполненного в п. Сиверский Ленинградской области в 1968 г. Наряду с лидарными данным и в ходе эксперимента были получены данные измерений прозрачности (дальност и видимости) стандарт ным трансмиссометром регистратором дальности видимости (РДВ). Сравнение лидарных данных с независимыми измерениями прозрачности однородной атмосферы, осуществ ленное в эт ом э ксперимент е с помощью РДВ, показало их удовлет ворительное согласие. С другой стороны, обрат ить лишь после создания алгоритмов, осущест вленного в настоящей работе.

Для измерений в эксперименте использовался лидар на основе рубинового лазера (длина волны излучения 0,6943 мкм), который имел энергию в импульсе 0,2–1,0 Дж и длительность импульса 50 нс.

полученных этим лидаром, была использована ст епенная связь рассеяния. Связь была найдена посредством решения лидарного использованы для определения констант ы с в атмосфере под слоем 200-600 м (углы зондирования 80 0, 40 0, 30 0, 20 0 – цикл 1) и в атмосфере под слоем 300-600 м (углы зондирования 90 0, 40 0, 20 0 цикл 2).

Н а рис.3 для двух циклов измерений представ лено найденное Рис.3. Среднее квадратичное отклонение решений интегрального уравнения зондиров ания и зондируемых слоев.

функции (с ). Сравнение показыв ает, что степень (величина с), различается почти в 3 раза. Таким образом, расчеты, выполненные с выводу, что степень в связи опт ических коэффициентов может Анализ показыв ает, что погрешность лидарных измерений величины с не прев ышает, как правило, 30%.

Разработанный метод дает возможност ь вместе с измерением прозрачности вдоль зондирующего луча определять Н ДВ.

В настоящей глав е для условий экспериментов, выполненных в Максвелла. Моделирование оказалось эффективным для решения проблемы дифракции в случае сферических частиц, состав ленных из моделирования позволили сделать вывод о большей стабильности микрооптических параметров частиц субмикронной фракции по сравнению с крупными частицами. Имеет место факт меньшего влияния оптических свойств частиц на ослабление излучения по сравнению с их влиянием на направленное рассеяние. Эт о объясняет корреляцию к оэффициент а ослабления с концентрацией част иц (в п.Воейково, С.-П етербурге, Репетеке, Абастумани), что важно для практ ики лидарного мониторинга ат мосферы.

В пятой главе исследую тся точностные характеристики методов лидарного уравнения (1) в случае зондирования ат мосферы разной позиционности.

В случае однородной ат мосферы лидарное уравнение можно записать в виде:

где B = A.

сформулировать два дополнительных равенства:

В результате получается сист ема из трех урав нений относит ельно неизвестных величин P, B,.

И сключение неизвестных P*, B из системы (28) – (30) приводит к уравнению для величины в общем случае несимметричной схемы обработки данных зондирования.

Аналогичное решение получает ся для величины P*.

Случайная погрешност ь в линейно м приближении:

где производные вычисляются следующим образом:

пропорциональности.

Особенно прост ым оказывается его решение для симметричной схемы обработки данных, когда В таком случае уравнение (31) можно записать в виде где – шаг зондирования.

Решением уравнения (37) является выражение где С учет ом в веденных обозначений для коэффициента ослабления получается формула Для определения знака в формуле (39) решается прямая и обрат ная рассчитанной величины коэффициента ослабления.

П ри оценке чувствительност и результата расчет а к величине возмущения оно задавалось по данным, характерным для ЛИВО.

И сходные данные д ля расчет ов этой величины получают ся по результат ам измерений мощности, например:

Сравнение показало удовлетворит ельную сопост авимость оценки чувствительност и в различных приближениях.

Анализ результат ов показал, что погрешность P* / P* находится в пределах от десятых процент а до нескольких процентов. Вместе с т ем, от носительная погрешность может в сотни раз и более превышать относит ельную погрешност ь P*. Таким образом, величина / оказывается значительной и может достигат ь сотен процентов.

Результат ы анализа случайной погрешности показывают наличие минимального значения величины = mi n, зависящ его от Таким образом, погрешност ь / mi n может как уменьш аться, так и увеличив аться при увеличении шага зондирования. Данный факт объясняется усилением при этом затухания э хо-сигнала, с одной стороны, и увеличением погреш ности мощности сигнала, с другой стороны. Путем выбора шага зондирования можно существенно (в несколько раз) уменьшить погрешност ь определения коэффициента ослабления методом лидарного зондирования. Путем выбора схемы частности, случайная погрешность коэффициента ослабления для соответст вующей величины для симмет ричной схемы.

С использованием э ксперимент альных данных в наст оящей работ е был выполнен анализ системат ической погрешности коэ ффициент а ослабления ат мосферы пут ем решения прямой и обрат ной задачи. Выполненные расчеты показали существенную чувствительност ь к системат ическим погрешностям эхо сигнала результат ов определения коэффициента ослабления.

На рис.4 приведена зависимость погрешности коэффициента ослабления от числа шагов, по которому проводится осреднение (пунктирная коэ ффициент ослабления. Значение выбиралось, кроме того, из условия максимального соответствия рассчит анной мощности и измеренного сигнала. Погрешность коэ ффициент а ослабления определялась как разность между выбранным и рассчитанным значениями. Вид но, что погрешность может превысить 100 %.

Рис.4. Зависимость величины /, найденной путем решения прямой и обратной задачи от числа шагов 1 – скорректированные экспериментальные данные, 2 – экспериментальные данные) Н а рис.5 приведена погреш ность Р*, отнесенная к величине Р*. Существование этой погрешности обусловлено погрешност ью измерения э хо сигнала. Данную погрешность можно св язат ь с излучением, рассеянным в процессе прохождения через атмосферу лазерного импульса. Оценку систематической погрешности Р* можно выполнит ь для параметров рассматриваемой аппарат уры, определяя разность между з начениями фоновой засвет ки (заданным и вычисленным). Учет этой погрешности сущест венно уменьшает погрешность коэффициента ослабления.

Н а рис.4 сплошной кривой представлена погрешност ь коэффициента скорректированной с учетом погрешности рис. 5. Эт а погрешност ь нев елика и уменьшается с ростом числа i.

Р*/Р* Рис.5. Зависимость величины погрешности Р*/Р* от расстояния зондирования r км коэ ффициент а ослабления неоднородной атмосферы, когда требует ся осуществлят ь зондирование более чем из одной т очки пространства.

погрешностей двухпозиционного и однопозиционного зондирования.

В заклю чении сформулированы основные выводы работы:

вклю чающего мощность фоновой засветки, в котором, в общем случае, в качестве независимых переменных рассматривают ся координат ы точек посылки зондирующих импульсов и зондируемого засвет ки и двух неизвест ных функ ций – коэффициента ослабления и коэ ффициент а обратного рассеяния. Предложены различные схемы реализации найденного решения, в том числе симмет ричные и несимметричные. Случайная погрешность коэффициент а ослабления существенно меньш е соот ветст вующей величины для симметричной схемы.

2. Анализ да нных, полученных в натурных экспериментах, показал, что строгое решение может быть реализовано лишь в условиях достаточно однородной ат мосферы, когда выполняют ся критерии однородности, основанные на этом решении.

3. Н айдены новые решения лид арного уравнения, вклю чая решение системы интегральных уравнений многопозиционного зондиров ания. Система связывает неизв естные коэ ффициент ы ослабления и обратного рассеяния атмосферы в точках замкнутых связывающие искомые оптические коэффициенты. Разработ анный компонентов.

4. Показано, что случайная погрешность многопозиционных лидарных измерений, обеспечивающих исключение сист ематической погрешности, многократно превышает случайную погрешность однопозиционных измерений. В решение удалось вв ести весовые погрешности измерений. При этом случайная погрешност ь мет ода многопозиционного зондирования снизилась до уровня случайной погрешности однопозиционных измерений, а систематическая погрешность измерений оказалась в несколько раз меньше, чем ее величина, характерная для распространенных в настоящее время методов.

5. Анализ данных, полученных в экспериментах АВТОЭКС, КЛЭ, в окрест ности пересечения пр. Н епокоренных и П искаревского пр., подтвердил перспективность интегрального решения обратной задачи многопозиционного лидарного зондирования атмосферы.

6. Анализ данных лидарного зондирования вблизи п. Сиверский (Ле нинградская область) выявил существование степенной св язи между коэффициентами ослабления и обрат ного рассеяния.

О казалось, что степень варьирует в широких пределах (1–3). Это важно учитывать для достижения достоверност и результатов неоднородной атмосферы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Егорова И.А. Способ опт ического определения концентрации газовых компонентов атмосферы. А.с. № 1781656 // Бю л. изобр. – 1992. – № 46;

компонентов атмосферы. А.с. № 1822946 // Бюл. изобр. – 1993. – № 23;

3. Егоров А.Д., Егорова И.А. Способ определения концентрации газовых компонентов слоя атмосферы. Патент РФ № 2017139 // Бюл.

изобр. – 1994. – № 14;

коэ ффициент а ослабления на заданном участке атмосферы. Пат ент РФ № 2018104 // Бюл. изобр. – 1994. – № 15;

5. Егоров А.Д., Егоров а И.А. Способ определения коэффициента ослабления в центре участка неоднородной атмосферы. Пат ент РФ № 2041475 // Бюл. изобр. – 1995. – № 22;

6. Егоров А.Д., Потапова И.А., Щукин Г.Г. Методы лидарного зондиров ания ат мосферного аэрозоля // Оптический журнал. – 2001.

– том 68. – №11;

Егорова И.А. – Потапова И.А. с 1998 г.

7. Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. О бращение лидарных сигналов малой мощности / Оптический журнал. – 2007. – т ом 74. – №10;

8. Yegorov A.D., Potapova I. A., Rzhonsnitska ya Yu.B. Atmospheric aerosols measurements and reliability problem/ International Journal of Remote Sensing, 2008; том 29, 2449 – 2468;

9. Егоров А.Д., Потапова И.А. Определение характеристик аэрозоля лидарными системами //Труды Н ИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2002, вып. (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 552), с.14 – 18;

10.

прозрачности атмосферы //Труды НИЦ ДЗА (ф илиа л ГГО), 2004, вып.5 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 553), с. 131 – 142;

11. Егоров А.Д., Потапова И.А. Анализ погрешност ей обращения лидарных сигналов малой мощности //Труды НИЦ ДЗА (филиал ГГО), 2005, вып.6 (Тр. ГГО им. А.И.Воейкова, вып. 554), с. 62 – 66;

12. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Систематические А.И.Воейкова, вып. 555), с. 30 – 34;

13. Егоров А.Д., Егорова И.А. Вопросы повышения эффект ивности интерпретации лидарной информации // В кн “Альтернативные направления инт ерпретации лидарной информации”. – СПб – 1993;

14. Егоров А.Д., Егоров а И.А. Альтернативные схемы обработки сигналов обратного рассеяния. СПб. – 1994;

15. Егорова И.А. Лидарное зондирование загрязняющего ат мосферу современное приборостроение” (Тезисы докладов.). СПб – 1996;

multipositional remote sensing tec hniques // Image processing, and synthetic Aperture Radar for Remote sensing, proc. of SPIE. – 1997. – v.3217;

17. Yegorov A.D., Obraztsov S.P., Potapova I.A. Inuniform particle sizing by optical counter // P AR TEC 98 7th European Symposium Particle Cha racte rization, Nrnberg: Nrnberg Messe GmbH – 1998. – pp.863–866 // Abstracts, p.93;

18.

метеорологической дальности видимости в неоднородной атмосфере гидромедслужб стран СН Г (Тезисы докладов.). Москва – 1999;

19.

зондиров ания (на англ. яз.: Lidar data processing technique for aerosol sounding) // В кн.: III Международная конференция “Естественные и ант ропогенные аэ розоли. СПб – 2001;

20. Егоров А.Д., Пот апова И.А., Синькевич А.А. Интерпретация данных самолётного лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Межвузовский сборник научных трудов “Методы и устройст ва Гидрометеоиздат, 2001, с. 63 – 70;

21. Потапова И.А. Восстановление аэрозольных характеристик по Автореферат канд. дисс., СПб – 2001;

22. Потапова И.А. Измерение аэ розольных характеристик лидарными системами / Тез исы Межд ународного симпозиума стран СНГ МСАРСПб, 2002;

23.

зондиров ания (на англ. яз.: Lidar data processing technique for aerosol “Ест ественные и антропогенные аэрозоли. СПб - 2003;

24. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В. Обращ ение лидарных сигналов малой мощности/ Тезисы IV Международной конференции “Ест ественные и ант ропогенные аэ розоли”. – Санкт-Петербург, 2003;

25.

зондиров ания атмосферного аэрозоля // Сборник научных трудов «Наука – северному региону», вып. LX, И зд. АГТУ, 2004;

26. Егоров А.Д., Пот апова И.А., Привалов Д.В. Методы лидарного определения парамет ров атмосферы/ Тезисы Международного симпозиума стран СН Г МСАР-2004, СПб, 2004;

27. Y egorov A.D., Yegorova I. A. Error ana lysis of wea k lidar signal s inverting. 31 International Symposium on Remote Sensing of Environment, St. Petersburg, Russia, 2005, http://www.isprs.org/publications/related/ISRSE/html/papers/ 810.pdf;

28. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б.

Систематические и случайные погрешности обращения лидарных сигналов малой мощности / Деп. в ИЦ ВНИИГМИ–МЦ Д, 2005;

29. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б.

О собенности лидарного зондирования ат мосферного аэрозоля/ Сборник трудов международной школы – конференции молодых ученых, аспирантов и ст удентов «Изменение климата и окружаю щая среда», РГГМУ, 2005, с.24 – 25;

30. Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. О бращение слабых сигналов и достоверность результ атов лидарных измерений /Тезисы Межд ународного симпозиума МСАР–2006, СПб, 2006;

31. Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. О бращение слабых сигналов и достоверность результ атов лидарных измерений /Тезисы X III М еждународного симпозиума «Оптика ат мосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2006;

32. Егоров А.Д., Потапова И.А., Привалов Д.В., Ржонсницкая Ю.Б.

О собенности лидарного зондиров ания атмосферного аэрозоля /Тезисы докладов итоговой сессии ученого сов ета РГГМУ, СПб, 2006, с.37 – 38;

Потапова И.А. Оценка инструментальных погреш ностей 33.

лидарных измерений атмосферны х характерист ик/ Ученые записки РГГМУ, в печат и.