Способ определения пространственного температурного профиля тропосферы

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ПРОФИЛЯ ТРОПОСФЕРЫ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Чураков Владимир Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ определения пространственного температурного профиля тропосферы, в котором измеряют обратный сигнал рассеяния Ми излучения импульсного -лазера, анализируют спектроскопические базы данных по частотам поглощения компонент тропосферы с учетом совпадения с частотами генерации лазера и вклада других компонент выбирают пару линий генерации лазера, совпадающих с линиями полосы поглощения для фиксированной компоненты тропосферы, причем используют пару линий поглощения с максимальной разницей вращательных квантовых чисел и пару линий генерации лазера, не совпадающих с линиями полосы поглощения для фиксированной компоненты тропосферы для каждой пары линийииз отношения сигналов обратного рассеяния Ми определяют пространственные профили относительных населенностей вращательных уровней энергии выбранных вращательных квантовых чисел для фиксированной компоненты тропосферы и из отношения пространственных профилей относительных населенностей вращательных уровней энергии после первичной калибровки по радиозонду определяют пространственный температурный профиль тропосферы. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждую из линийвыбирают в пределах 3-5 см-1 от соответствующих линий. Изобретение относится к метеорологии, в частности к зондированию атмосферы с использованием лидаров дифференциального поглощения, и может найти широкое применение при метеорологических измерениях, получении исходных данных для локальных,региональных и глобальных моделей климата, прогнозировании погоды, экологии, калибровки спутниковых измерений, определении местоположения источников тепловыделения в городах и населенных пунктах, а также очагов возгорания в лесах и на болотах. 11147 1 2008.10.30 Известен способ измерения пространственного профиля температуры методом обратного вынужденного комбинационного рассеяния (ОВКР) на колебательно-вращательных и чисто вращательных переходах 1. Он базируется на различных температурных производных интенсивностей для переходов с малыми и большими квантовыми числами. Интенсивность вращательных линий комбинационного рассеяния близких к линии лазерного возбуждения уменьшается с ростом температуры, а интенсивность линий с большей разностью длин волн увеличивается. При детектировании сигналов ОВКР в двух спектральных диапазонах с различной температурной зависимостью и вычисления отношения интенсивностей сигналов получается нормализованный параметр, который после калибровки, например, по данным радиозонда позволяет получить распределение температуры в тропосфере. Принципиальным ограничением данного способа является малое сечение рассеяния по сравнению с рассеянием Ми (рассеяние на частицах в атмосфере) даже в среднем ИК диапазоне, что как и в случае использования Релеевского рассеяния, требует разработки и использования сложных, дорогостоящих стационарных установок и обслуживания высококвалифицированными специалистами. Следствием этого является то, что подобные измерения проводятся только в крупных научных центрах 2, а многочисленные метеостанции используют традиционный метод радиозондов, запускаемых обычно два раза в сутки. Ближайшим техническим решением к предлагаемому является способ зондирования атмосферы и регистрация рассеянного назад на частицах излучения для трех длин волн 3. В способе-прототипе измерения проводят на близко расположенных лазерных частотах, две из которых совпадают с линиями поглощения одной из компонент атмосферы, а для третьей такое поглощение отсутствует. В данном способе может использоваться или рассеяние Ми или отражение от мишени, причем в последнем случае измеряется только усредненная по трассе температура. Хотя данный подход обладает определенными преимуществами по сравнению с измерениями методом ОВКР, тем не менее важным принципиальным ограничением является необходимость использования непрерывно перестраиваемого источника когерентного излучения. В частности в 3 применялся оптический параметрический генератор с накачкой -ИАГ лазером. Подобная система постоянно требует калибровки и точной настройки нужной длины волны, что, в свою очередь, влечет необходимость жесткой механической и температурной стабилизации всех компонент системы для воспроизводимости и точности измерений, что значительно повышает ее стоимость, и обслуживания высококвалифицированного персонала. Другой проблемой является падение выходных параметров с увеличением длины волны, что приводит к ограничению дальности измерений. Вследствие этого в способе-прототипе регистрировались сигналы отраженные от мишени и измерялась средняя по трассе температура воздуха. Задача изобретения - простота и доступность определения пространственного профиля температуры в тропосфере для значительно более широкого круга потребителей и в конечном итоге создание основы для разработки полностью автоматизированной системы измерений, способную работать в автономном режиме. Решение поставленной задачи достигается следующим образом. В способе определения пространственного профиля температуры в тропосфере анализируют спектроскопические базы данных по частотам поглощения определенных компонент тропосферы с учетом совпадения с частотами генерации ТЕ лазера и вклада других компонент, выбирают две пары линийи, для фиксированной компоненты тропосферы и ТЕ-лазера, для каждой пары линийииз отношения сигналов обратного рассеяния Ми определяют пространственные профили относительных населенностей для данной компоненты тропосферы и после первичной калибровки по радиозонду из отношения пространственных профилей относительных населенностей определяют пространственный профиль температуры в тропосфере. Каждую из линийвыбирают в пределах 3-5 см -1 от соответствующих линий. 2 11147 1 2008.10.30 При измерении используется коммерчески доступный и широко применяемый в науке, технике и промышленности ТЕ-лазер, работающей на активной среде, содержащей 2 или изотопозамещенные молекулы СО 2 (возможно использование 2, , НВ и т.д. и их изотопозамещенные модификации) при пониженном давлении (200-300 Торр), обеспечивающей необходимые выходные энергетические параметры и ширину линии генерации менее 100 МГц. Программно перестраиваемый ТЕ лазер по линиям всех доступных полос генерации (в случае 2 - основная, секвенционная и горячая полосы и обеспечивается самокалибровка длины волны 4) может комплектоваться нелинейным кристаллом для удвоения частоты генерации лазера и управляемым плазменным затвором для сокращения длительности импульса и, следовательно, улучшения пространственного разрешения. Для улучшения точности и воспроизводимости результатов и исключения влияния атмосферных флуктуаций, период которых равен нескольким миллисекундам, предлагается использование двух ТЕ-лазеров, каждый из которых может программно настраиваться и генерировать с задержкой в несколько микросекунд на двух линиях. Синхронизация генерации двух лазеров в пределах одной миллисекунды не представляет проблем. Измерения рассеянного обратно сигнала выполняются для четырех линий генерации,две из которых совпадают с линиями полосы поглощения (их называют) одной из малых компонент (парниковые газы, например фреоны, газы загрязнители, например СО,пары воды и др.). Две другие соответствуют линиям, которые не должны поглощаться данной компонентой (их называют) и как и линиидолжны иметь минимальный вклад от других компонент. Каждая из этих линий находится вблизи одной из линий поглощения. Оптимальным пределом является 3-5 см-1, так как при этом различие в поглощении континуума и рассеянии Ми для каждой пары линийисоставляет менее одного процента. Измерения профиля температуры в тропосфере осуществляется следующим образом. На основании анализа точно известных частот генерации и баз спектроскопических данных, например( позволяет учесть по отдельности вклад в поглощение различных компонент атмосферы, а также континуума и рассеяния Ми), выбираются две пары линийидля определенной компоненты, пространственный профиль содержания которой в тропосфере измеряется с наибольшей точностью. При наличии нескольких пар линий берутся линии поглощения с максимальной разницей вращательного квантового числа, что обеспечивает лучшую чувствительность к изменению температуры. Например, в случае СО имеются три пары линий в области удвоенных частот генерации 2 лазера, для воды, озона и аммиака также существует большое число линий поглощения в области 9-11 мкм. Выбранные линии вносятся в программу управления перестройкой лазера. В случае использования одночастотного лазера измерения выполняются последовательно на четырех линиях, если используется программно перестраиваемый двухчастотный лазер, то измерения последовательно проводятся на двухи затем на двух. Измерения с двумя синхронизованными двухчастотными лазерами обеспечивают лучшую точность, но увеличивают стоимость аппаратуры. Затем из отношения сигналов обратного рассеяния для каждой пары линий определяются пространственные профили относительных населенностей для выбранных вращательных квантовых чисел. Далее из отношения пространственных профилей относительных населенностей после первичной калибровки по радиозонду определяется профиль температуры 5. Использование малых составляющих атмосферы для определения пространственного профиля температуры с применением программно перестраиваемых по линиям генерации ТЕ-лазеров позволяет значительно упростить и удешевить его измерение, а аппаратуру сделать широкодоступной и достаточно простой в обслуживании и, в конечном итоге,создать малогабаритную, модульную, автономную, автоматизированную лидарную систему. 3 11147 1 2008.10.30 Источники информации 1. , , ., . Измерения атмосферной температуры с помощью чисто вращательного ВКР лидара, . . 22, 2984-2990, 1983. 2. С .,,, . 4484,136-150, 2002. 3. . , ., Одновременные дистанционные измерения температуры и влажности атмосферы посредством непрерывно перестраиваемого ИК лидара, . , 20, 3211-3217, 1981. 4. В.А. Горобец, В.О. Петухов, С.Я. Точицкий, В.В. Чураков. Перестраиваемый по линиям обычных и нетрадиционных полос ТЕ-лазер для лидарных систем // Квантовая электроника. - . 22. -5. - 1995. - С. 514-518. 5. Р. Межерис., Лазерное дистанционное зондирование / Пер.с англ. - М. Мир, 1987. Гл. 9. - С. 374. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4