На правах рукописи

Драбенко Валерия Алексеевна

Лидарная трансмиссометрия слабо замутненной атмосферы

Специальность 25.00.30 – метеорология, климатология и

агрометеорология

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата физико – математических наук

Санкт – Петербург 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Российский государственный гидрометеорологический университет

Научный руководитель доктор физико-математических наук Егоров Александр Дмитриевич

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук Мельникова Ирина Николаевна кандидат технических наук, доцент Руховец Константин Геннадьевич

Ведущая организация ВКА им.А.Ф. Можайского

Защита состоится 26 апреля 2012 года в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.197.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Российский государственный гидрометеорологический университет по адресу: 195196,СанктПетербург, Малоохтинский пр., 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования Российский государственный гидрометеорологический университет С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте www.vak.ed.gov.ru.

Автореферат разослан « » марта 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор географических наук, профессор А.И.Угрюмов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Использование лидаров обеспечивает оперативное выполнение измерений прозрачности атмосферы, т.е.

трансмиссометрии, с высоким разрешением. Разработка лидарных методов трансмиссометрии необходима для мониторинга загрязнения воздуха. Однако она предполагает решение проблемы интерпретации лидарной информации, особенно, сложной при зондировании слабо замутненной атмосферы. Это обусловлено существенной ролью случайной и систематической погрешности измерений в таких условиях. С другой стороны, для оценки степени загрязнения атмосферы аэрозольные концентрации загрязненных участков трассы зондирования сравнивают с аэрозольными концентрациями участков слабо замутненной атмосферы. Таким образом, работа посвященная проблеме интерпретации результатов лидарного зондирования слабо замутненной атмосферы, актуальна.

В работе рассматриваются вопросы достоверности, с которой оптические характеристики атмосферного аэрозоля определяются по результатам измерений сигналов обратного рассеяния. При этом учитывается, что коэффициент ослабления невелик, так что характерная оптическая толщина много меньше единицы, а зондирование осуществляется в условиях, когда нельзя пренебречь мощностью фоновой засветки.

Совершенствование методов лидарного зондирования слабо замутненной атмосферы в меньшей степени связано с решением проблемы неопределенности лидарного уравнения. Действительно, его обращение, на котором основана интерпретация результатов, осуществляется для постоянных в пространстве оптических обусловлена математической некорректностью обратной задачи, что негативно сказывается на точности определения искомых величин. Пути решения проблемы, найденные в последнее время, позволяют использовать получаемую лидарную информацию не только для качественного описания состояния атмосферы.

Появляется возможность решения проблемы получения достоверной количественной информации в процессе лидарного мониторинга слабо замутненной атмосферы.

Цель работы - повышение точности результатов лидарной характеристик использующейся аппаратуры.

достижения цели:

анализируются особенности методов решения обратной задачи лидарной трансмиссометрии слабо замутненной атмосферы;

- разрабатываются алгоритмы обработки сигналов лидарного зондирования слабо замутненной атмосферы, учитывающие особенности измерительной аппаратуры и условия зондирования;

обратного рассеяния, принимаемого лидаром;

трансмиссометрии слабо замутненной атмосферы.

компьютерное моделирование с применением данных нат урных экспериментов, статистический анализ.

Научная новизна работы. К основным научным результатам работы, которые выносятся на защиту, относятся:

измерений с допустимыми систематическими погрешностями эхо сигнала, проанализированы ее особенности;

- установлены границы области лидарной трансмиссометрии с допустимыми систематическими погрешностями эхо сигнала с зондирования;

- получена оценка эффективности метода решения обратной задачи лидарного зондирования слабо замутненной атмосферы с учетом особенностей измерительной аппаратуры.

Основные положения, выносимые на защиту:

- разработанная новая методика обработки данных лидарной трансмиссометрии слабо замутненной атмосферы;

лидарной трансмиссометрии;

- результаты оценки эффективности метода решения обратной задачи лидарного зондирования слабо замутненной атмосферы.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается тем, что теория построена на известных фактах – проверенном практикой лидарном уравнении; использованы математической статистики с введением обоснованных весовых факторов.

Практическая значимость работы определяется внедрением линеаризованной обратной задачи лидарного зондирования слабо замутненной атмосферы.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались динамика МСАРД-2012» (Санкт-Петербург, 2012);

на научном семинаре «Экология и космос» (Санкт-Петербург, 2011), на итоговой сессии ученого совета РГГМУ (2012).

на Межвузовская научно-практическая конференция военно научного общества курсантов и молодых ученых Перспектива 2012, Воронеж 2012.

Тезисы II Всеросийской научно-технической коференции «Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной среды» СПб 2012.

систематизированные в работе, отражены в 11 научных трудах.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы - 102 наименований. В ней содержится 128 страниц текста, 53 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе осуществляется физическая и математическая постановка задачи.

Лидарное уравнение, которое используется для определения оптических характеристик атмосферы, обычно записывается для коротких зондирующих импульсов:

где P* - мощность солнечного излучения, рассеянного атмосферой фоновой засветки), T - коэффициент пропускания атмосферы, Pi, j рассеяния, f - геометрический фактор лидара, A – постоянная лидара, - коэффициент обратного рассеяния, - коэффициент ослабления, ci, j - отрезок [ R i, r j ], по которому вычисляется интеграл в уравнении (1).

В общем случае следует учитывать конечную протяженность зондирующего импульса.

многопозиционного лидарного исследования слабо замутненной атмосферы.

В разработанных ранее методах многопозиционного лидарного исследования атмосферы удалось решить ряд вопросов, в том числе, повысить точность измерений оптических характеристик благодаря характеризующей связь коэффициента ослабления и коэффициента обратного рассеяния.

Вместе с тем, в них не учитывается, что мощность фоновой засветки может быть различной для разных посылок зондирующих дополнительных рассеивающих объемов.

В результате, получается замкнутая система из 15 уравнений засветки. Таким образом, удается повысить точность лидарных атмосферы благодаря учету фоновой засветки в общем случае ее сформулированными результатами, поскольку в ней делается акцент на особенностях лидарных измерений оптических характеристик слабо замутненной однородной атмосферы.

В третьей главе рассматриваются методы многопозиционного длительности.

При многопозиционном лидарном зондировании загрязненной неоднородной атмосферы импульсами конечной длительности оптические характеристики находят из двух систем уравнений, записанных для многоугольников, образованных пересечением трасс зондирования, с учетом и без учета эффекта конечной измерения предлагаемым методом, состоят в том, что измеренные мощности эхо сигналов связаны с оптическими характеристиками неоднородной атмосферы лидарным уравнением для светового импульса конечной пространственной протяженности.

результатов зондирования импульсами конечной длительности аэрозоля неоднородной атмосферы для описания оптических коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния.

Погрешность методов, связанная с конечностью длительности импульса, в рассмотренных условиях не превышает 10%, т.о. можно ограничиться приближением (1).

В четвертой главе рассматривается решение обратной задачи атмосферы зондировании следует минимизировать сумму:

Для решения задачи в случае слабо замутненной атмосферы, т.е. в случае малых величин, ее можно линеаризовать.

На рисунке 1 представлены результаты расчетов вели чины P* На рисунке 1а рассматриваются расстояния зондирования, начиная с 750 м. На рисунке 1б рассматриваются расстояния зондирования, начиная с 2500 м.

решении обратной задачи, начиная с 750 м, величина фоновой засветки получается зависящей от расстояния зондирования. Это свидетельствует о наличии существенного искажения лидарного сигнала на таких расстояниях.

При решении обратной задачи, начиная с 2500 м, заметной зависимости фоновой засветки от расстояния зондирования не искажений лидарного сигнала на таких расстояниях.

С учетом результатов расчетов величины фоновой засветки, на ослабления, который оказался равным 0,033 км - 1. На рисунке 2а рассматриваются расстояния зондирования, начиная с 2500 м.

Используется решение с линеаризацией. Для сравнения, на рисунке 2б рассматриваются расстояния зондирования, начиная с 3000 м.

дифференцирования m =1800 м, – шаг зондирования. В этом случае используется существенно меньшее число измерений.

Фоновая засветка/10 шум Коэффициент ослабления х 10 1/км Коэффициент ослабления х 10 1/км Рисунок 2 Результаты расчетов коэффициента ослабления величину B.

На рисунке 3 представлены результаты расчетов величины Bi Bn, причем B = 60, По измеренному эхо сигналу и найденным константам можно использовать для оценки шума формулы:

Константа B - относительная величина Константа С x Рисунок 4 Результаты определения связи шума с мощностью эхо замутненной атмосферы для трех зондируемых элементов (i-го, j –го, k –го) можно записать в прежних обозначениях B = A, G = B в виде:

Решение задачи для определения фоновой засветки можно записать в виде:

Случайная погрешность, с которой определяется фоновая засветка, может быть найдена в линейном приближении Для ее вычисления с учетом (7) получается выражение фоновой засветки по формуле (9).

Рисунок 5 Результаты расчетов погрешности величины P* можно записать в виде:

где На рисунке 6 представлены результаты расчета коэффициента ослабления по формуле (10). Здесь i – номер шага, шаг 150 м.

Рисунок 6 Результаты расчетов коэффициента ослабления Расхождение с результатами, представленными на рисунке 3, не превышает 10%.

В заключении сделаны следующие основные выводы:

- разработана новая методика решения обратной задачи, коэффициента ослабления слабо замутненной атмосферы, линеаризованной обратной задачи лидарного зондирования слабо замутненной атмосферы, - проведена модернизация алгоритмов лидарного определения коэффициента ослабления.

Публикации по теме диссертации Публикации в журналах перечня ВАК 1 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б., Драбенко зондирования атмосферы // Ученые записки РГГМУ, № 16, 2010.

лидарного зондирования атмосферы при повышении достоверности инженерного университета (г. Воронеж). Выпуск №1 (11) 3 Егоров А. Д., Драбенко В. А. Зондировани е атмосферы импульсами конечной длительности с использованием лидаров // Сборник научных трудов СПб ВМИ № 1, 2009.

научных трудов СПб ВМИ № 1, 2010.

Драбенко В. А. Лидарное зондирование атмосферного научных трудов СПб ВМИ № 2, 2010.

6 Драбенко В. А. Зондирование атмосферы лидарами с использованием импульсов конечной длительности // Сборник научных трудов СПб ВМИ № 1, 2011.

7 Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б., Драбенко Международного симпозиума МСАРД-2012, СПб, 2012.

данных лидарного зондирования слабо замутненой атмосферы // Тезисы Межвузовская научно-практическая конференция военно научного общества курсантов и молодых ученых Перспектива 2012, Воронеж 2012.

9 Драбенко В.А. Задача лидарного определения оп тическихь параметров атмосферы Тезисы Межвузовская научнопрактическая конференция военно -научного общества курсантов и молодых ученых Перспектива 2012, Воронеж 2012.

10 Драбенко В.А. Возможность определения загрязнеености атмсферы аэрозолями с использованием медотов эластичного рассеяния // Тезисы II Всеросийской научно-технической коференции «Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной среды» СПб 2012.

11 Драбенко В.А. Решение обратной задаи лидарного зондирования слабо замутненой однородной атмосферы в случае линеаризации задачи // Тезисы II Всеросийской научно-технической коференции «Проблемы военной геофизики и контроля состояния природной среды» СПб 2012.