Регистрация / Вход
Прислать материал

Развитие методов и средств дистанционного лазерного зондирования атмосферы для создания систем мониторинга с участием научно-исследовательских организаций СНГ

Номер контракта: 14.613.21.0003

Руководитель: Матвиенко Геннадий Григорьевич

Должность руководителя: Директор

Докладчик: Романовский Олег Анатольевич, Зав. лаб.

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
атмосфера, лазерное зондирование, оптические и метеорологические параметры, аэрозоль и облака, упругое и комбинационное рассеяние, прямые и обратные задачи, многофункциональный лидар

Цель проекта:
Исследование и разработка комплекса новых научно-технических решений, направленных на создание комплекса лазерного зондирования для дистанционного контроля оптико-физических и метеорологических параметров атмосферы. Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи: - Анализ существующих методов и аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы. - Разработка теоретических основ анализа данных многоволновых лидарных и спектрофотометрических измерений. - Модернизация стационарных и мобильных лидаров. - Разработка поляризационного лидара для зондирования облаков - Разработка и создание аппаратуры и методик для дистанционного определения вертикального распределения температуры. - Создание системы дистанционного определения температуры ионосферы на высотах 80-110 км на основе эффектов резонансной флуоресценции. - Проведение регулярных наблюдений параметров атмосферы, в том числе в рамках сети лидарных станций стран СНГ CIS–LiNet по мониторингу атмосферного аэрозоля и озона. - Унификация с зарубежным партнером лидарной аппаратуры, интеркалибровка аппаратуры и алгоритмов обработки данных, формирование базы данных, создание и поддержка информационных сайтов.

Основные планируемые результаты проекта:
- Методика лидарного зондирования атмосферных аэрозолей по данным несмещенного и комбинационного рассеяния лазерного излучения на нескольких длинах волн.
- Методика поляризационного лазерного зондирования кристаллических облаков с использованием линейной и круговой поляризации
- Методика для дистанционного определения вертикального распределения температуры на основе определения температуры по распределению интенсивностей линий чисто вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) на молекулах атмосферного азота и кислорода.
- Экспериментальный образец (макет) СКР-лидара (лидара спонтанного комбинационного рассеяния) для дистанционного определения вертикального распределения температуры в тропосфере и стратосфере с дальностью действия 30 км.
- Экспериментальный образец (макет) аэрозольно-рамановского сканирующего поляризационного лидара.
- Экспериментальный образец (макет) унифицированных приемных телескопов для регистрации лидарных сигналов.
- Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка аппаратно-программного комплекса лазерного зондирования для дистанционного контроля оптико-физических и метеорологических параметров атмосферы».
Иностранный партнер:
- Регуляризирующий алгоритм и программный пакет для расчета показателя ослабления и обратного рассеяния аэрозоля по данным рамановского зондирования.
- Блоки программного пакета для обработки лидарных данных.
- Фотоприемные модули для лидарных станций в сети CIS-LiNet.
- Унифицированные системы регистрации лидарных сигналов в аналоговом режиме и в режиме счета фотонов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Методика лидарного зондирования аэрозолей должна обеспечивать восстановление их микрофизических и оптических параметров по данным несмещенного и комбинационного рассеяния лазерного излучения.
2. Методика поляризационного лазерного зондирования должна обеспечивать решение обратной задачи дистанционного зондирования кристаллических облаков с использованием линейной и круговой поляризации.
3. Методика для дистанционного определения вертикального распределения температуры на основе определения температуры по распределению интенсивностей линий чисто вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) на молекулах атмосферного азота и кислорода должна обеспечивать восстановление из лидарных сигналов вертикальных профилей температуры.
Требования к экспериментальной реализации:
1. Разрабатываемый экспериментальный образец СКР-лидара для дистанционного определения вертикального распределения температуры должен обеспечивать следующие технические характеристики, приведенные в таблице 1:
Таблица 1. Основные технические характеристики лидара.
Длина волны зондирующего излучения, нм 532
Энергия в импульсе, Дж 0.8
Длительность импульса, нс 8
Частота повторения импульсов, Гц 30
Диаметр приёмной апертуры, м 1
Общее пропускание приёмного опт. тракта, 0.1
Уровень подавления линии несмещённого рассеяния, 108
Квантовая эффективность фотоприёмника, 0.4
Режим регистрации, счёт фотонов
Пространственное разрешение, м* 4.5-2000
Погрешность определения температуры, К* 1-10
Время измерения, мин* 1-120
Максимальная дальность действия, км 10
2. Разрабатываемый экспериментальный образец аэрозольно-рамановского поляризационного лидара должен обеспечивать следующие технические характеристики, приведенные в таблице 2:
Таблица 2. Технические характеристики лидара
Лазер:
Энергия на длинах волн, мДж: 1064 нм - 340
532 нм 170
Длительность импульса, нс 10-12
Частота повторения импульсов, Гц 10
Расходимость пучка, мрад 2,5
Диаметр пучка, мм 8
Стабильность энергии, % ±3
Поляризация круговая, линейная
Оптическая приемная система:
Диаметр основного телескопа, мм 250
Фокусное расстояние, мм 1000
Диаметр приемника ближней зоны, мм 50
Фокусное расстояние, мм 200
Поле зрения телескопа, мрад 1,5
Ширина полосы фильтров, нм 2-4
Аналого-цифровой преобразователь сигналов
Число аналоговых входов 2
Входное сопротивление, Ом 50
Диапазоны входного напряжения,В ±2, ±1, ±0,4, ±0,2
Разрешение, бит 12
Максимальная частота дискретизации, МГц 50
Счетчик импульсов фотонов сигналов
Число каналов 2
Скорость счета, МГц 100
Пространственное разрешение, м 1,5
Входное сопротивление, Ом 50
Подключение к компьютеру USB 2.0
Поворотная колонка приемо-передатчика лидара
Максимальный угол поворота по азимуту +\- 360 град.
по высоте +\- 90 град.
Точность наведения по координатам - 1 угловая минута.
Максимальный вес устанавливаемого оборудования: 200кг
Максимальный вес телескопа не более 50кг
Вес колонки : не более 100кг
Условия эксплуатации:
Температура, С 0-40
Влажность, % 20-80
3. Разрабатываемый экспериментальный образец унифицированных приемных телескопов для регистрации лидарных сигналов должен обеспечивать следующие технические характеристики, приведенные в таблице 3:
Таблица 3.
а) угловое поле зрения 20 угл. мин.с кружком рассеяния не более 80 мкм для спектрального диапазона 0.35-1.1 мкм,
б) световой диаметр 300 мм ,
в) фокусное расстояние 1600 +\- 40 мм,
г) рабочий отрезок 75+\-5 мм;
Корпус оптического телескопа лидара, должен удовлетворять следующим параметрам:
а) диаметр не более 350 мм;
б) длина не более 600 мм;
в) вес (включая оптику) не более 15 кг;
г) вода, разбрызгиваемая на оболочку, не должна оказывать вредного воздействия на изделие;
д) проникновение пыли в изделие должно быть предотвращено полностью,
е) объектив и элементы его крепления должны обеспечить работу изделия при изменении азимутального угла 0-90 градусов;
ж) материалы корпуса изделия должны обеспечить стабильность оптических параметров в температурном диапазоне -10 до + 30град. С.
з) крепление телескопа –фланцевое;
• во фланце предусмотреть посадочный поясок;
• несоосность оптической оси относительно посадочного пояска не более ± 1 мм;
и) предусмотреть установку наружной и внутренней бленд.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Перспективы коммерциализации результатов связаны с реализацией получаемых научных результатов в виде высотных моделей атмосферных параметров (базы данных), и с внедрением лидарных технологий, как на зарубежных, так и на российских лидарных станциях путем заключения соответствующих контрактов.
Необходимые действия:
- проведение маркетинговых исследований для выявления рынка сбыта;
- выполнение ПНИ и разработка ТЗ на ОКР;
- выполнение ОКР в кооперации с иностранным партнером и с инновационной фирмой ООО «Специальные технологии», г. Новосибирск.
- создание опытных образцов, проведение тестовых испытаний в организациях-потребителях;
- создание производственной кооперации для серийного производства специализированных образцов разработанной техники.

Текущие результаты проекта:
Разработана методика лидарного зондирования атмосферных аэрозолей по данным несмещенного и комбинационного рассеяния лазерного излучения.
Разработана методика поляризационного лазерного зондирования кристаллических облаков.
Разработана методика для дистанционного определения вертикального распределения температуры на основе СКР.
Проведены теоретические исследования по восстановлению параметров микроструктуры аэрозольных полей из данных многоволнового лазерного зондирования.
Проведены теоретические исследования поляризационного лазерного зондирования кристаллических облаков при восстановлении параметров ориентации и размеров кристаллов.
Проведены теоретические исследования спектрального поведения оптических коэффициентов и микрофизические характеристики аэрозольных частиц.
Проведены дополнительные патентные исследования.
Проведена подготовка заявок на патентование.
Осуществлено участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ.
Проведены теоретические исследования по моделированию лидарно-фотометрических измерений структуры аэрозольных полей атмосферы.
Разработан регуляризирующий алгоритм и программный пакет для расчета показателя ослабления и обратного рассеяния аэрозоля по данным рамановского зондирования.