Лидарное зондирование малых газовых составляющих атмосферы методом дифференциального поглощения: результаты моделирования и экспериментов

Abstract

Актуальность работы обусловлена необходимостью развития лазерных методов зондирования для решения проблемы контроля состояния окружающей среды. Цель работы: создание программно-алгоритмической системы для лазерного дистанционного зондирования малых газовых составляющих атмосферы методом дифференциального поглощения, поиск информативных длин волн, численное моделирование лидарного зондирования газовых примесей и экспериментальная проверка информативности выбранных длин волн для зондирования малых газовых составляющих атмосферы. Методы исследования: метод дифференциального поглощения, основанный на эффекте резонансного поглощения лазерного излучения в пределах селективной линии поглощения исследуемой газовой компоненты. Результаты: Разработанная программно-аналитическая система "LIDAS" позволяет определить информативные длины волн лазерного зондирования различных малых газовых составляющих атмосферы, с ее помощью можно проводить численное моделирование лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы, оценивать систематические ошибки восстановления профилей атмосферных газов, вырабатывать требования к лидарам дифференциального поглощения, а также планировать и проводить эксперименты по лидарным измерениям профилей малых газовых составляющих атмосферы. Проведенное с помощью системы "LIDAS" численное моделирование показало, что при использовании лидара на основе обертонного СО-лазера в диапазоне высот 0-5 км при диаметре приемной оптики 0,3 м и пространственном разрешении 1 км уровень лидарных эхо-сигналов для всех исследуемых газов превышает уровень эквивалентной мощности шума фотоприемника NEP=10-9 Вт. Эксперименты по лазерной диагностике газового состава атмосферы обертонным СО-лазером подтвердили результат предварительной оценки эффективности применения метода дифференциального поглощения с учетом требований к спектрально-энергетическим параметрам зондирующего комплекса, рассчитанных разработанной программно-алгоритмической системой "LIDAS".

Relevance of the research is caused by the necessity to develop laser sensing methods for solving the environment monitoring problem. The main aim of the study is the development of the program-algorithmic system for laser remote sensing of gas components in atmosphere using differential absorption, the search of the informative wavelengths, simulation of gas remote sensing and experiments at selected wavelengths for remote sensing of atmosphere gas components. The methods used in the study: differential absorption method based on resonant absorption of laser radiation within a selective absorption line of the analyzed gas component. The results: The developed program-algorithmic system "LIDAS" allows determining informative wavelengths for laser remote sensing of atmosphere gas components and simulating as well the remote sensing of gases in atmosphere; estimating systematic errors of atmospheric gas profiles reduction; working out requirements for differentiation absorption lidars; planning and carrying out the experiments on lidar measurements of gas profiles. The numerical simulation showed that when using lidar based on overtone CO-laser in the 0-5 km height region at diameter of the receiving optics 0,3 m and spatial resolution of 1 km the echo-signal level for all measured gases exceeds the level of the NEP=10-9 W. The experiments on laser diagnostics of atmosphere gas components by overtone CO-laser confirmed the results of preliminary evaluation of the efficiency of applying differential absorption considering the requirements of spectral energy parameters of sensing complex, computed by the developed algorithmic system "LIDAS".