Лидарный способ определения интенсивности оптической турбулентности
Владельцы патента RU 2777294:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к дистанционному зондированию атмосферы и может использоватся в лидарах для определения структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха в атмосфере. В конструкцию когерентных ветровых лидаров, дополнительно к моностатическому приемопередающему каналу, вводится бистатический приемный канал, с одинаковой входной апертурой, но смещенный в приемной плоскости на расстояние, обеспечивающее некоррелированность зондирующего и рассеянного излучения на трассе зондирования, и вычислитель для расчета отношения средних мощностей эхо-сигнала, регистрируемых в моно и бистатическом каналах. Сопоставление экспериментальных значений отношения средних мощностей эхо-сигналов в моно- и бистатических каналах, полученных вычислителем, с теоретическими зависимостями этого отношения от структурной постоянной оптической турбулентности, рассчитанными для параметров лидара, обеспечивает определение структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха в атмосфере. Тем самым позволяя измерить оптическую (температурную) турбулентность в атмосфере. 5 ил.
Изобретение относится к дистанционному зондированию и может быть использовано в когерентных лидарах для определения структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха в атмосфере 
.
Уровень техники
Существуют когерентные доплеровские ветровые лидары производства Lockheed Martin Coherent Technologies (США), Leosphere (Франция), Halo Photonics (Великобритания), Mitsubisi Electric (Япония), Leice-Lidar Transient Technology (Китай), измеряющие компоненту скорости ветра вдоль направления зондирования (радиальную скорость). Существуют способы оценивания параметров ветровой турбулентности из лидарных измерений радиальной скорости (Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2013. 304 с.; Banakh V.A., Smalikho I.N., Falits A.V., Sherstobitov A.M. Estimating the Parameters of Wind Turbulence from Spectra of Radial Velocity Measured by a Pulsed Doppler Lidar // Remote Sensing, 2021. 13(11), 2071; https://doi.org/10.3390/rs13112071 и библиография в этих публикациях). В частности, скорости диссипации кинетической энергии турбулентности, характеризующей интенсивность турбулентного перемешивания воздуха в атмосфере.
Изобретение открывает возможность использования когерентных ветровых лидаров не только для параметризации ветровой, но и для параметризации оптической (температурной) турбулентности в атмосфере, обеспечивая определение структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха , характеризующей интенсивность оптической турбулентности, из измеряемых данных когерентного лидара.
В качестве прототипа выбран когерентный доплеровский ветровой лидар StreamLine (Halo Photonics, Brockamin, Worcester, United Kingdom (Pearson, G.; Davies, F.; Collier, C. An analysis of performance of the UFAM Pulsed Doppler lidar for the observing the boundary layer. // J. Atmos. Ocean. Technol. 2009, 26, 240-250. https://doi.org/10.1175/2008JTECHA1128.1; Banakh V.A., Smalikho I.N. Lidar observations of atmospheric internal waves in the boundary layer of atmosphere on the coast of Lake Baikal // Atmospheric Measurement Techniques. 2016. V. 9. P. 5239-5248. DOI: 10.5194/amt-9-1-2016), имеющийся у заявителей. В равной степени прототипом может служить любой коммерчески доступный когерентный ветровой лидар или построенный на тех же принципах, что и коммерческие. Недостатком существующих когерентных ветровых лидаров является то, что используемая в них моностатическая схема приема рассеянного излучения не позволяет выделить составляющую эхо-сигнала, зависящую только от структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха в атмосфере и определить по вариациям средней мощности эхо-сигнала интенсивность оптической (температурной) турбулентности.
Раскрытие сущности
В когерентных лидарах применяется моностатическая схема локации, при которой в приемопередатчике используется одна и та же апертура в качестве выходной и приемной. Отношение сигнал-шум SNR в когерентных лидарах при моностатической схеме приема, определяемое как отношение средней мощности эхо-сигнала к средней мощности шума в полосе частот пропускания приемника лидара 
, рассчитывается по формуле (Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2013. 304 с. и библиография в этой книге):
В (1) 
- длина трассы, 
- коэффициент обратного атмосферного рассеяния, 
- функция пропускания атмосферы, 
- интенсивность зондирующего пучка, которая зависит от интенсивности оптической турбулентности, определяемой структурной постоянной флуктуаций показателя преломления , 
- начальный радиус зондирующего пучка, 
- энергия зондирующего импульса, 
- полоса частот пропускания приемника, 
- квантовая эффективность, 
- энергия фотона, 
- постоянная Планка, c - скорость света, 
- длина волны излучения, угловые скобки означают усреднение по ансамблю. Отсюда следует, что средняя мощность эхо-сигнала когерентного лидара или, что одно и то же, 
зависит от трех атмосферных параметров: коэффициента обратного атмосферного рассеяния , функции пропускания атмосферы и структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха . , наряду с радиальной скоростью, является измеряемой характеристикой и может использоваться для определения структурной постоянной флуктуаций показателя преломления . Для этого необходимо найти способ исключения влияния двух других атмосферных параметров: и . Данная задача решается следующим образом.
При бистатической схеме локации приемная и передающая апертуры лидара разнесены в поперечной плоскости на некоторое расстояние r. Если это расстояние превышает радиус первой зоны Френеля 
(r
), то SNR рассчитывается по формуле (Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2013. 304 с. и библиография в этой книге):
Отличие от (1) заключается лишь в замене 
на 
, то есть среднее от интенсивности в квадрате заменяется на квадрат средней интенсивности вследствие того, что при бистатической схеме приема и условии r нет корреляции интенсивности встречных волн, распространяющихся в прямом и обратном направлениях, в то время как при моностатической схеме приема (1) встречные волны коррелируют, так как распространяются через одни и те же турбулентные неоднородности показателя преломления воздуха в атмосфере (Виноградов А.Г., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Эффект усиления обратного рассеяния на телах, помещенных в среду со случайными неоднородностями // Изв. вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16. № 7. С. 1064-1070; В.А. Банах, В.Л. Миронов. Локационное распространение лазерного излучения в турбулентной атмосфере. Изд-во "Наука Сибирское отд."1986, 173 с.; Банах В.А., Смалихо И.Н. Когерентные доплеровские ветровые лидары в турбулентной атмосфере. Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2013. 304 с.). Отношение 
(
) когерентного лидара, регистрируемых при моно- и бистатических схемах приема, как это видно из (1) и (2), не зависит ни от , ни от , ни от каких либо других атмосферных параметров, кроме , и может использоваться для его определения. Отсюда следует технический результат изобретения.
Технический результат изобретения
В конструкцию когерентных ветровых лидаров вводится, в дополнение к имеющемуся моностатическому приемопередающему каналу, второй, бистатический приемный канал, входная апертура которого имеет такие же размеры, как и апертура приемопередатчика, но смещена относительно последней в приемной плоскости на расстояние, обеспечивающее некоррелированность зондирующего и рассеянного излучения на трассе зондирования. Средние мощности эхо-сигнала лидара, регистрируемые в моно- и бистатическом каналах, зависят от коэффициента обратного рассеяния и атмосферного пропускания одинаковым образом (см. формулы (1) и (2)). Отношение средних мощностей эхо-сигнала, регистрируемых в моно- и бистатическом каналах, исключает эти атмосферные параметры и остается только зависимость от структурной постоянной . Сопоставление экспериментальных значений отношения средних мощностей эхо-сигналов в моно- и бистатических каналах с теоретическими зависимостями этого отношения от структурной постоянной оптической турбулентности , рассчитанными для параметров лидара, обеспечивает определение структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха в атмосфере, что расширяет функциональные возможности когерентных лидаров и открывает перспективы использования когерентных лидаров с дополнительным приемным каналом для одновременного определения интенсивности ветровой и оптической (температурной) турбулентности в атмосфере. Фиг. 1-3 поясняют принцип осуществления изобретения.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема когерентного лидара и на фиг. 2 принципиальная схема когерентного лидара с дополнительным приемным каналом и вычислителем отношения средних мощностей эхо-сигналов, регистрируемых при моно- и бистатическом приеме, осуществляющая изобретение.
Элементы на чертежах:
1 - апертура приемопередатчика когерентного ветрового лидара;
2 - направление распространения зондирующего импульса;
3 - объем зондирования;
4 - направление распространения эхо-сигнала, регистрируемого при моностатическом приеме;
5 - когерентный детектор, регистрирующий эхо-сигнал при моностатическом приеме;
6 - направление распространения эхо-сигнала, регистрируемого при бистатическом приеме;
7 - входная апертура бистатического приемного канала;
8 - когерентный детектор, регистрирующий эхо-сигнал при бистатическом приеме;
9 - вычислитель отношения средних мощностей эхо-сигнала регистрируемого приемниками в моно и бистатическом каналах.
На фиг. 3 изображены теоретически рассчитанные отношения средних мощностей эхо-сигналов, регистрируемых при моно- (
) и би- (
) статическом приеме, для размеров приемной апертуры прототипа (лидара StreamLine, Halo Photonics, Brockamin, Worcester, United Kingdom).
10 - расстояние до рассеивающего объема 500 м, 11 - 2000 м.
В конструкцию когерентных ветровых лидаров, принципиальную схему которых иллюстрирует фиг. 1, в дополнение к имеющемуся моностатическому приемопередающему каналу 1, 2, 3, 4, 5, вводится второй, бистатический приемный канал 3, 6, 7, 8 (фиг. 2), входная апертура которого имеет такие же размеры, как и апертура приемопередатчика, но смещена относительно последней в приемной плоскости на расстояние, обеспечивающее некоррелированность зондирующего и рассеянного излучения на трассе зондирования, и вычислитель 9 (Фиг. 2) для расчета отношения средних мощностей эхо-сигнала, регистрируемых в моно- и би- статическом каналах. Сопоставление экспериментальных значений отношения средних мощностей эхо-сигналов в моно- и бистатических каналах 
, полученных вычислителем 9, с теоретическими зависимостями этого отношения от структурной постоянной оптической турбулентности , рассчитанными для параметров лидара (Фиг.3), обеспечивает определение структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха в атмосфере. Формулы (1), (2) позволяют получить теоретические зависимости отношения от , аналогичные представленным на Фиг. 3, для трасс зондирования любой протяженности, достижимой для лидара.
В статьях Банах В.А., Герасимова Л.О., Залозная И.В., Фалиц А.В. Усиление лидарного сигнала в режиме сильной оптической турбулентности // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т.31. №8. С.609-615; Банах В. А., Фалиц А. В. Вариации средней мощности эхосигнала когерентного лидара в турбулентной атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 11. С. 888-894. DOI: 10.15372/AOO20181105 представлены результаты экспериментов по измерению средней мощности 
= SNR эхо-сигнала когерентного лидара при различных турбулентных условиях в атмосфере. Эксперименты проводились с лидаром Stream Line. В лидаре Stream Line передающая и приемная апертуры совмещены, то есть реализована моностатическая схема, приведенная на Фиг. 1.
Чтобы избежать влияния флуктуаций концентрации атмосферного аэрозоля (вариаций параметра ), эксперимент в статье Банах В.А., Фалиц А.В. Вариации средней мощности эхосигнала когерентного лидара в турбулентной атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 11. С. 888-894. DOI: 10.15372/AOO20181105 проводился на приземной трассе и эхо-сигнал принимался от неподвижного экрана, в качестве которого служила наружная стенка автомобильного фургона. Трасса короткая, лидар располагался на расстоянии 495 метров от экрана, поэтому атмосферное ослабление можно было не учитывать. То есть эксперимент специально проводился так, чтобы эхо-сигнал в моностатическом лидаре StreamLine не зависел ни от , ни от , а зависел лишь от 
. Схема эксперимента представлена на фиг. 4. В непосредственной близости от трассы на расстояниях 100 и 400 метров от лидара были установлены три метеостанции AMK-03, обеспечивавшие измерение флуктуаций температуры и скорости ветра, по которым рассчитывалась структурная постоянная .
12 - моностатический лидар StreamLine;
13 - фургон;
14, 15, 16 - акустические метеостанции;
17 - направление распространения зондирующего импульса;
18 - направление распространения эхо-сигнала, регистрируемого приемником моностатического лидара StreamLine.
На Фиг. 5 сопоставляются полученные в эксперименте одновременные временные ходы и SNR. На каждом графике слева единицы измерения , справа - отношение сигнал шум. Временной ход структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха, рассчитанной по данным акустических анемометров (кривые 19, 20, 21) и отношение сигнал шум SNR (средней мощности эхо-сигнала) лидара Stream Line (кривая 22).
Видно, что динамика изменения регистрируемой средней мощности эхо-сигнала лидара (SNR) на фиг. 5 (кривая 22) совпадает с динамикой изменения интенсивности оптической турбулентности в атмосфере (кривые 19, 20, 21) на фиг. 5: увеличение средней мощности эхо-сигнала происходит одновременно с возрастанием величины структурной постоянной, а уменьшение структурной постоянной ведет к уменьшению отношения сигнал шум лидара.
Способ определения интенсивности оптической турбулентности, заключающийся в измерении средних мощностей когерентно детектируемых эхо-сигналов лидара, регистрируемых при моно- и бистатической схемах зондирования, расчёте их отношения и сопоставлении полученных экспериментальных значений этого отношения с теоретическими зависимостями отношения средних мощностей моно- и бистатических эхо-сигналов от структурной постоянной оптической турбулентности, рассчитанными для параметров лидара, реализуемый с использованием конструкции, включающей моностатический приёмопередающий канал, отличающейся тем, что введен дополнительный бистатический приёмный канал; входная апертура которого имеет такие же размеры, как и апертура приёмопередатчика, но смещена относительно последней в приёмной плоскости на расстояние, обеспечивающее некоррелированность зондирующего и рассеянного излучения на трассе зондирования.
