Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0003

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0003
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Развитие методов и средств дистанционного лазерного зондирования атмосферы для создания систем мониторинга с участием научно-исследовательских организаций СНГ
Докладчик
Матвиенко Геннадий Григорьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Актуальность и новизна исследования
Мониторинг параметров атмосферных компонентов, контроль процессов крупномасштабного переноса загрязнений в атмосфере является необходимой предпосылкой для решения глобальных проблем экологии и изучения изменений климата. Создание глобальной системы мониторинга атмосферных компонентов является приоритетной задачей для международного научного сообщества. Ее формирование осуществляется посредством координации измерений региональных наблюдательных сетей и интеграции информационных баз данных в рамках ряда международных соглашений и научных программ. Технологии дистанционного зондирования играют ключевую роль в развитии системы мониторинга атмосферы. При проведении комплексных экспериментов по исследованию крупномасштабных изменений в атмосфере и переносу загрязнений они обеспечивают основной объем информации об атмосферных примесях. Размещение дистанционных приборов на космических аппаратах и формирование наземных сетей дистанционного зондирования являются основными и взаимодополняющими направлениями решения проблемы глобального мониторинга атмосферы. В настоящем проекте предлагается создать комплексную систему дистанционного мониторинга параметров газовых и аэрозольной компонентов атмосферы с целью ее применения для валидации и анализа спутниковых данных, контроля процессов крупномасштабного переноса загрязнений, решения экологических и климатических задач на пространстве государств СНГ. Решение данной задачи на огромном пространстве СНГ актуально как для этих государств, так и для международного сообщества в целом.
Описание исследования

В ходе реализации проекта предполагается решать следующие задачи.

1. Анализ существующих методов и аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы.

Возможный путь решения задачи – обзор и анализ российской и зарубежной научной литературы.

2. Разработка теоретических основ анализа данных многоволновых лидарных и спектрофотометрических измерений для: восстановления микрофизических и оптических параметров аэрозоля из сигналов упругого и комбинационного рассеяния; определения высотной тонкой структуры водяного пара, температуры, озона, газовых компонент и составляющих озоновых циклов.

Возможный путь решения задачи - решение обратных задач по определению параметров атмосферы в условиях априорной неопределенности. Разрабатываемые алгоритмы включают устойчивый метод численного дифференцирования. Преобразование области допустимых значений коэффициента ослабления  сводит задачу к восстановлению профиля лидарного отношения, что приводит к повышению разрешения по сравнению с традиционными методами.

3. Модернизация стационарных и мобильных лидаров для расширения высотных диапазонов и повышения точности измерений, повышения надежности и нового качества получаемой информации о состоянии атмосферы, путем комплексной обработки всей совокупности получаемой информации.

Возможный путь решения задачи – модернизация систем регистрации лидарных сигналов, модернизация двух -координатной поворотной платформы приемо-передатчика, модернизация приемо-передатчика лидара, путем расширения количества длин волн.

4. Разработка поляризационного лидара для зондирования перистых облаков, с использованием эффектов круговой и линейной поляризации.

Возможный путь решения задачи – разработка поляризационного блока лидара позволяющего одновременно использовать линейную и круговую поляризацию зондирующего излучения, получать информацию об элементах матрицы обратного рассеяния света и тем самым судить о преимущественной ориентации частиц.

5. Разработка и создание аппаратуры и методик для дистанционного определения вертикального распределения температуры в тропосфере и стратосфере с дальностью действия 30 км на основе определения температуры по распределению интенсивностей линий чисто вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) на молекулах атмосферного азота и кислорода.

Возможный путь решения задачи – создание двойного монохроматора, для спектральной селекции слабых сигналов спонтанного комбинационного рассеяния при подавлении фоновых помех до 9-10 порядков.

6. Создание системы дистанционного определения температуры ионосферы на высотах 80-110 км на основе эффектов резонансной флуоресценции с использованием лидарной станции с диаметром зеркала 2,2 м и оснащённой специальным лазерным источником для возбуждения спектров флуоресценции в парах натрия.

Возможный путь решения задачи – применение уникального лазера для генерации излучения с перестройкой частоты в пределах доплеровской ширины линии D2 желтого дублета натрия, что позволяет регистрировать сигналы резонансного рассеяния на атомах натрия.

7. Разработка теоретических основ поляризационного лазерного зондирования кристаллических облаков с использованием линейной и круговой поляризации.

Возможный путь решения задачи – теоретическое получение аналитических выражений по оценке степени деполяризации излучения из измерений с линейной или круговой поляризацией по формулам, соответствующим диагональной форме матрицы обратного рассеяния света (МОРС).

8. Проведение регулярных наблюдений параметров атмосферы, в том числе в рамках сети лидарных станций стран СНГ CIS–LiNet по мониторингу атмосферного аэрозоля и озона.

Возможный путь решения задачи – согласованный с иностранным партнером план проведения совместных измерений.

9. Унификация с зарубежным партнером лидарной аппаратуры, интеркалибровка аппаратуры и алгоритмов обработки данных, формирование базы данных, создание и поддержка информационных сайтов.

Возможный путь решения задачи – согласованный с иностранным партнером план проведения совместных разработок. Интеркалибровка аппаратуры и алгоритмов обработки данных.

Разрабатываемая система и образующие ее измерительные сети по техническому и методическому уровню будут соответствовать требованиям существующих и формируемых международных систем мониторинга атмосферы EARLINET, AERONET, NDACC, GAW, GALION. Будет осуществляться процесс интеграции новых станций в международные измерительные сети.

 

Результаты исследования

Разработан и изготовлен экспериментальный образец аэрозольно-рамановского поляризационного лидара предназначенного для оптического мониторинга состояния тропосферы до высот тропопаузы, определения оптической толщи атмосферы, наличия и динамики атмосферных аэрозольных слоев, контроля распространения промышленных выбросов и шлейфов лесных пожаров, проведена разработка программы и методики экспериментальных исследований, проведены экспериментальные исследования аэрозольно-рамановского поляризационного лидара.

Для экспериментального образца разработана техническая документация, включающая: общий вид экспериментального образца, оптическая и комбинированная схема, перечень элементов, сборочный чертеж. 

Разработан и изготовлен экспериментальный образец унифицированного приемного телескопа для регистрации лидарных сигналов, который может применяться в лидарах различного предназначения при оптическом мониторинге состояния тропосферы до высот тропопаузы (9-12 км), проведена разработка программы и методики экспериментальных исследований, проведены экспериментальные исследования унифицированного приемного телескопа для регистрации лидарных сигналов.

Для экспериментального образца разработана техническая документация, включающая: общий вид экспериментального образца, оптическая и комбинированная схема, перечень элементов, сборочный чертеж. 

Проведены коррелированные натурные исследования процессов крупномасштабного переноса загрязнений на пространстве СНГ посредством спутниковых и наземных сетевых наблюдений. Выполнено исследование связей между вертикальным распределением тропосферного аэрозоля, с одной стороны, и горизонтальным перемещением воздушных масс на различных высотах, с другой.  На основе статистического анализа, проведенного для массива из 110 сеансов лидарных измерений, определены вертикальные границы основных рассеивающих слоев тропосферы - пограничного слоя, слоев средней и верхней тропосферы. На основании данных космического и наземного лидаров показано, что высота слоя перемешивания (в отличие от высоты пограничного слоя) отличается большей временной и пространственной устойчивостью, а сезонный ход коррелирует с сезонным ходом атмосферой оптической толщи.

Проведено тестирование создаваемых макетов (систем регистрации лидарных сигналов, фотоприемных модулей и т.д.) с аналогичными образцами зарубежных фирм, которое показало: а) квантовая эффективность разработанного фотоприемного модуля на базе SPAD PGA-284 превышает на порядок квантовую эффективность ФЭУ  HAMAMATSU NIR-PMT MODULE H10330B-25 при регистрации излучения малой интенсивности; б) для повышения динамического диапазона APD, обусловленного «мертвым» временем, требуется совершенствовать электронику с целью уменьшения длительности импульса генерируемого лавинным разрядом; в) разработанные счетчики фотонов обладают целым рядом технических характеристик превосходящих аналогичные зарубежные образцы.

Институтом физики НАН Беларуси, в соответствии с календарным планом, проведено тестирование алгоритмов и программного пакета на российской аппаратуре; разработаны унифицированные системы регистрации лидарных сигналов в аналоговом режиме и в режиме счета фотонов. Цифровая часть электрической схемы фото-приемных модулей реализована на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) CYCLON фирмы ALTERA.

 

Практическая значимость исследования
Комплексная система мониторинга будет являться эффективным механизмом для внедрения результатов методических и аппаратурных разработок в области контроля параметров атмосферных компонентов для решения экологических задач, оценки последствий чрезвычайных ситуаций, загрязнения атмосферы и изменения климата:
- комплексная система дистанционного мониторинга параметров газовых и аэрозольной компонентов атмосферы будет использоваться для валидации и анализа спутниковых данных;
- результаты регулярных и специальных наблюдений будут использоваться для оценки экологических условий в регионах, идентификации источников загрязняющих выбросов и определения зон влияния, оценки воздействия крупномасштабного и трансграничного переноса загрязнений на качество воздуха и состояния окружающей среды в регионах.
Кроме того, научная значимость результатов будет заключаться в следующем:
- разработка и демонстрация в натурных экспериментах новых методов комплексного космического и наземного мониторинга параметров атмосферных компонентов для валидации и анализа спутниковых данных, контроля процессов крупномасштабного переноса загрязнений, решения экологических и климатических задач;
- новые данные о процессах крупномасштабного переноса загрязнений в атмосфере для решения фундаментальных проблем глобальной экологии и климатологии;
- новые технические решения систем и узлов аппаратуры для дистанционного и локального измерения параметров атмосферных компонентов.
Возможные потребители ожидаемых результатов:
В области контроля содержания в атмосфере опасных веществ: МЧС РФ, МИД РФ, ФСБ РФ. Службы экологического мониторинга, Департамент природных ресурсов и охраны окружающей среды и др.

Потребителями ожидаемых научных и научно-технических результатов являются организации, занимающиеся проблемами лазерного зондирования атмосферы, в том числе из ближнего и дальнего зарубежья.