Реферат: Рассмотрено влияние атмосферных условий на работу коротковолновых доплеровских метеолидаров

Доплеровские метеолидары для систем обеспечения вихревой безопасности полетов


А.В. Савин, М.А. Коняев


Институт лазерной техники и технологий БГТУ Военмех

НПП «Лазерные системы»

Санкт-Петербург, 190005, 1-я Красноармейская, д. 1

savin@lsystems.ru, www.lsystems.ru


Рассмотрено влияние атмосферных условий на работу коротковолновых доплеровских метеолидаров. Выработан подход к определению их оптимальных характеристик, найдены границы областей применимости метеолидаров ближнего и дальнего инфракрасного диапазонов.

Введение

В настоящее время сформировалось представление, что доплеровские лидары, предназначенные для измерения распределения скорости ветра, являются необходимым элементом оснащения различных метеорологических служб. Так, например, системы обеспечения вихревой безопасности, внедрение которых требуется согласно нормативным документам ICAO [1] на всех аэродромах, предполагают, наряду с бортовыми средствами, комплекс наземного лидарного оборудования.

Практически во всех крупных аэропортах используются доплеровские метеорадары [2], обеспечивающие обнаружение ряда опасных особенностей ветрового поля см. рис1 и рис 2. Однако радары, в которых применяется явление обратного рассеяния электромагнитного излучения радиодиапазона на атмосферном аэрозоле, требуют высокой плотности аэрозоля, и поэтому далеко не всегда способны осуществлять детектирование опасных особенностей ветрового поля и измерение параметров вихревых следов летательных аппаратов в «чистой» атмосфере. Действительно, при »d ( - длина волны, d – характерный размер частиц атмосферного аэрозоля) эффективность обратного рассеяния пропорциональна -4, поэтому для типичного естественного атмосферного аэрозоля с размером частиц около микрона эффективность рассеяния в радиодиапазоне очень мала.





Рис.1. Концепция размещения лидаров на территории аэропорта

Рис.2. Доплеровский лазерный измеритель вертикального профиля ветра



Использование для зондирования атмосферной среды оптического излучения видимого и ближнего ИК диапазона позволяет существенно расширить возможности дистанционного мониторинга атмосферы и проводить измерения при существенно меньших концентрациях аэрозоля, чем метеорадары. Это особенно актуально для решения задач вихревой безопасности в авиации, поскольку в благоприятных для полетов погодных условиях видимость хорошая и концентрация фонового аэрозоля мала.

С другой стороны, неоднородности плотности воздуха, вызванные нерегулярными неоднородностями температурного поля, вызывают уменьшение когерентности рассеянного излучения, несущего информацию о скорости частиц среды в точке рассеяния. Это препятствует регистрации сигнала гетеродинными приемными системами [3]. Количественной мерой этого явления может служить r0/d- отношение радиуса Фрида [4] (характерного поперечного масштаба волнового фронта рассеянного излучения, на котором сохраняется когерентность) к размеру приемной апертуры d. Это отношение пропорционально 6/5, то есть для коротковолновых доплеровских систем зондирования атмосферы возникают серьезные ограничения.

Поэтому представляется важным рассмотреть влияние атмосферных условий на работу коротковолновых доплеровских метеолидаров, выработать подход к определению их оптимальных характеристик, а также найти границы областей применимости метеолидаров. Этим вопросам и посвящена настоящая статья.

^ 1. Модель оптических свойств атмосферы


На работу доплеровского лидара оказывают влияние такие характеристики атмосферы, как коэффициент обратного рассеяния  [м-1ср-1], коэффициент ослабления  [м-1], структурная постоянная показателя преломления .

Коэффициенты  и  определяют мощность рассеянного зондирующего излучения, которая собирается приемной апертурой лидара [5]:



(1)

где K – коэффициент пропускания оптической системы лидара на рабочей длине волны, g(R) – геометрический фактор лидара, E – энергия зондирующего импульса, с – скорость света, D – эффективный диаметр приемной апертуры лидара, R – дистанция зондирования. В коротковолновом диапазоне ослабление электромагнитных волн ассоциируется с прозрачностью атмосферы, и коэффициент поглощения на высоте уровня моря связан с МДВ (метеорологической дальностью видимости) следующим образом [5]:



(2)

где МДВ выражено в километрах, длина волны  – в нанометрах, коэффициент ослабления  – в обратных километрах.

Коэффициент обратного рассеяния, вообще говоря, не связан однозначно с коэффициентом ослабления. Однако в ближнем ИК диапазоне, когда ослабление интенсивности излучения вызвано в основном аэрозольным рассеянием, в то время как другими компонентами (аэрозольным поглощением, молекулярным рассеянием и молекулярным поглощением) можно пренебречь, не будет большой натяжки в том, чтобы установить однозначную связь между коэффициентом ослабления и коэффициентом обратного рассеяния:

 = /(4) [м-1ср-1]

(3)

Формула (2) работает только в видимом и ближнем ИК диапазоне, поэтому оценивать коэффициент обратного рассеяния в дальнем ИК диапазоне по формуле (3) с непосредственной оценкой  по формуле (2) нельзя. Однако можно использовать тот факт, что рассеяние зондирующего излучения как в ближнем, так и в дальнем ИК диапазонах в основном определяется взаимодействием с аэрозолем. Поскольку размеры частиц естественного атмосферного аэрозоля – около микрона или меньше, то коэффициент рассеяния пропорционален -4 для 1 мкм. Тогда, оценив коэффициент ослабления  по формуле (2), скажем, для =1 мкм, затем вычислив коэффициент рассеяния  по формуле (5), можно перейти к коэффициенту рассеяния для дальнего ИК диапазона:

() = (ref)(/ref)4

(4)

Такой метод можно использовать для оценки коэффициента рассеяния при 10 мкм.

Что касается коэффициента ослабления излучения в дальнем ИК диапазоне, то этот вопрос значительно осложняется сильным поглощением паров воды. В действительности, ослабление излучения в дальнем ИК диапазоне определяется уже не столько рассеиванием на аэрозоле, как в ближнем ИК, сколько поглощением воды. Поэтому распределение концентрации водяного пара по трассе зондирования определяет поглощение. В то же время обратное рассеяние определяется только аэрозолем. В этом заключается различие в природе оптических свойств атмосферы в ближнем (11.5 мкм) и в дальнем ИК диапазоне (около 10 мкм).

Структурная постоянная показателя преломления определяет воздействие нерегулярных неоднородностей показателя преломления зондируемой среды на когерентность зондирующего и рассеянного излучения.


^ 2. Модель доплеровского лидара

Мощность оптического сигнала, рассеянного зондируемой атмосферной средой и воспринимаемая приемником излучения, определяется лидарным уравнением (1). В том случае, когда радиус Фрида r0 существенно меньше диаметра приемной апертуры, эффективно воздействует на приемник лишь часть принятого излучения, попавшая в участок апертуры размером порядка r0.

Амплитуда биений мощности излучения, вызванная интерференцией принятого лидаром сигнала и опорного излучения гетеродина (локального осциллятора), составляет [ P(R)PLO ]1/2, где PLO – мощность гетеродина. В случае, когда радиус Фрида меньше размера приемной апертуры лидара, биения, создаваемые разными когерентными пятнами, сдвинуты друг относительно друга по фазе на случайную величину, и их амплитуды суммируется квадратично. Поэтому в уравнении (1) следует заменить квадрат апертуры D2 на Dmin(D,r0). В случае, когда турбулентные искажения волнового фронта невелики и r0D, это будет D2. В противном случае это будет r02N1/2, где N=(D/r0)2 – количество турбулентных пятен на приемной апертуре лидара.

Шум оптической гетеродинной измерительной системы определяется дробовым шумом излучения локального осциллятора. Когда сигнал биений подвергается дискретному Фурье-анализу с разрешением по частоте Ff, СКО дробового шума гетеродина в одной полосе спектра составляет [2hPLOFf]1/2, где =c/ - частота излучения.

Максимальное разрешение ограничено длиной лазерного импульса в пространстве Rmin=c. Частотное разрешение Фурье-анализа лидарного сигнала имеет смысл выбирать таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить требуемое пространственное разрешение доплеровского лидара: Ff  c/(2R), а с другой стороны, чтобы величина спектральной полосы была бы не больше ширины спектра рассеянного излучения. Ясно, что для обеспечения высокого пространственного разрешения лидара (малого R) необходимо иметь большую ширину спектральной полосы. Это связано с увеличением погрешности в измерении скорости зондируемой среды: v=Ff / 2, то есть имеет место нечто вроде принципа неопределенности, связывающего пространственное разрешение и точность измерения скорости ветра: vR  c/4.



(5)

Для уверенной регистрации сигнала приемной системой доплеровского лидара необходимо обеспечить некоторое минимальное соотношение сигнал / шум SNRmin1. Поскольку величина лидарного сигнала за пределами «мертвой зоны» уменьшается с дистанцией (при равномерном распределении коэффициента обратного рассеяния), это соответствует некоторой максимальной дистанции зондирования. Суммируя все приведенные соображения, получаем уравнение, определяющее максимальную дистанцию зондирования для доплеровского лидара импульсного типа (5).

^ 3. Конфигурация наземного доплеровского лидара для систем вихревой безопасности

Активные оптико-локационные системы для детектирования опасных метеоявлений – сдвига ветра, областей больших градиентов скорости ветра, зон с интенсивными восходящими и нисходящими потоками и т.п. – должны использовать лазерное излучение, безопасное для глаз. Так, например, доплеровский лидар WindTracer производства компании Lockheed Martin (США) [8] использует импульсы с длиной волны 2.0225 мкм и энергией около 2 мДж, повторяющиеся с частотой 500 Гц. Заявленная дальность составляет 10 км. Эти параметры в соответствии с принятыми нормами являются безопасными.





Рис. 3. Расчетные зависимости максимальной дальности зондирования от МДВ; E=2 мДж, =2.0225 мкм; 1 - =10-15 м-2/3, 2 - =10-14 м-2/3.

Рис. 3а. Доплеровский лидар WindTracer.

На рис. 3 приведены зависимости максимальной дальности зондирования лидара WindTracer, оцениваемые с помощью уравнения (5). Как показывает анализ, интенсивность турбулентности сильно влияет на возможности доплеровского лидара, работающего в ближнем ИК диапазоне. В 80% случаев, в соответствии с [7], 10-14 м-2/3. Тогда максимальная дальность составляет около 10 км. Кроме того, при МДВ в диапазоне до 10 км, то есть в большинстве случаев, например, для средней полосы России, максимальная дальность зондирования сильно зависит от МДВ. Происходит это по причине того, что при малых МДВ увеличение бугеровского ослабления не компенсируется увеличением рассеяния. Полученные расчетные параметры в целом соответствуют паспортным характеристикам, что позволяет говорить об адекватности расчетной методики.

Система WindTracer была впервые испытана в 1999 г., а лазерный излучатель для нее был создан годом ранее. Это уникальный твердотельный лазер, одночастотная генерация в котором обеспечивается инжекцией одночастотного излучения в резонатор. В настоящее время, с развитием оптико-волоконных систем связи, появляется возможность использования серийных одночастотных волоконных систем типа генератор+усилитель, работающих на длине волны около 1.5 мкм. При уменьшении длины волны с 2 мкм до 1.5 мкм коэффициент обратного рассеяния  увеличивается обратно пропорционально 4: (2/1.5)4=3.16. Это означает, что энергия зондирующего импульса может быть даже снижена. Во всяком случае, имеет смысл рассмотреть возможности доплеровского лидара, построенного на основе волоконного лазерного излучателя, работающего на длине волны 1.5 мкм.





Рис. 4. Расчетные зависимости максимальной дальности зондирования от МДВ; E=1 мДж, =1.55 мкм; 1 - =10-15 м-2/3, 2 - =10-14 м-2/3.

Рис. 5. Мобильный лидарный комплекс [10] с доплеровским СО2-лидаром (слева); D=0.5 м, Е=100300 мДж

На рис. 4 приведены оценки максимальной дальности для импульсного доплеровского лидара с длиной волны 1.55 мкм и энергией импульса 1 мДж. Одночастотный излучатель такого лидара с длительностью импульса 400 нс должен иметь пиковую мощность 2.5 кВт. Видно, что волоконная система, имеющая энергию импульса в 2 раза меньшую, чем у твердотельной одночастотной системы (рис. 3), обеспечивает сопоставимые с ней дальности зондирования.

Однако все системы ближнего ИК диапазона сильно зависят от метеоусловий и плохо работают в условиях средних и малых МДВ – до 810 км. Доплеровские метеорадары, работающие в радиодиапазоне (~103104 мкм), хорошо работают при малых МДВ и частично заполняют тот диапазон, в котором не работают системы ближнего ИК диапазона. Промежуточное положение занимают доплеровские лидары дальнего ИК диапазона, такие, как ветровой СО2-лидар [10] (рис. 5).

Таким образом, сочетая доплеровские системы локации, работающие в различных диапазонах длин волн, можно перекрыть широкий диапазон атмосферных условий, обеспечивая везде приблизительно одинаковые характеристики. Но для того, чтобы обеспечить подобное постоянство, необходимо тщательно и обоснованно выбрать параметры каждой из систем. Один из примеров подобного согласования параметров доплеровских лидаров ближнего и дальнего ИК диапазонов приведен на рис. 6. Параметры обеих систем приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры двухдиапазонной доплеровской лидарной системы

Параметр




Диапазон 1

Диапазон 2




Энергия импульса

E

12

2050

мДж

Диаметр приемной апертуры

D

10

15

см

Длина волны



1.55

10.6

мкм

Ширина полосы Фурье-анализа

B

0.5

0.5

МГц

Соотношение сигнал/шум

SNRmin

10

10




Метеорологическая дальность видимости

МДВ

1030

310

км

Структурная постоянная атмосферной турбулентности



10-1410-15

м-2/3



Рис. 6. Расчетные зависимости максимальной дальности зондирования от МДВ; 1, 2 - =10.6 мкм; 3, 4 – 1.55 мкм; 1 - E=20 мДж; 2 – Е=50 мДж; 3 - =10-15 м-2/3, 4 - =10-14 м-2/3.


Заключение

Показано, что атмосферная турбулентность существенно влияет на работу доплеровских лидаров ближнего ИК диапазона. Для обеспечения дальностей 1015 км необходимо иметь энергию зондирующего импульса 12 мДж на длине волны 1.52 мкм для размера приемной апертуры 10 см. В то же время для систем дальнего ИК диапазона (~10 мкм) турбулентность не оказывает существенного влияния при 10-14 м-2/3 на дистанциях до 15 км, при этом размер апертуры может быть увеличен до 15 см.

Оценки, приведенные в настоящей работе, относятся к алгоритмам обработки данных лидарного зондирования, в которых не используется накопление информации по нескольким импульсам. Накопление может существенно улучшить характеристики лидара, однако при этом может существенно ухудшаться быстродействие и/или пространственное разрешение. Кроме того, методика накопления данных в гетеродинных приемных системах, когда фазы отдельных сигналов случайны, сама по себе представляет нетривиальную задачу.

Если системы ближнего ИК диапазона предпочтительно использовать в хороших погодных условиях (МДВ810 км), то системы дальнего ИК диапазона необходимы для того, чтобы перекрыть интервал МДВ от ~3 до ~10 км. Двухдиапазонная система, при условии правильного выбора ее параметров, позволяет перекрыть широкий диапазон погодных условий. Внедрение подобных лидарных систем позволит успешно решать задачи мониторинга поля ветра в воздушном пространстве аэродромов, что в современных условиях необходимо для обеспечения высокого уровня безопасности и эффективности авиации.


1. Документ ИКАО: Doc 9426 ICAO, Air Traffic Services Planning Manual, Part II, Chapter 3, Appendix A. ICAO, 2007.

2. Сайт ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР» www.phazotron.com/misc.meteo.html

3. А.С. Борейшо, М.А. Коняев, А.В. Морозов, А.В. Пикулик, А.В. Савин, А.В. Трилис, С.Я. Чакчир, Н.И. Бойко, Ю.Н. Власов, С.П. Никитаев, А.В. Рожнов, "Мобильные многоволновые лидарные комплексы", Квант. электроника, 2005, 35 (12), 1167-1178.

4. В. Л. Миронов, Распространение лазерного пучка в турбулентной атмосфере, Новосибирск, Наука, 1981.

5. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М., Мир, 1987, 550 с.

6. Alan J. MacGovern, David A. Nahrstedt, and Michael M. Johnson, Atmospheric propagation for tactical directed-energy applications, Proceedings of SPIE, Volume 4034, Laser Weapons Technology, Todd D. Steiner, Paul H. Merritt, Editors, July 2000, pp. 128-139

7. В.Е. Зуев, В.А. Банах, В.В. Покрасов. Оптика турбулентной атмосферы. Гидрометеоиздат, Л., 1988.
8. Gary Napier, LOCKHEED MARTIN WINDTRACER PROVIDES WAKE VORTEX DETECTION TRACKING AT GERMAN AIRPORT, GlobalSecurity.org, 2007, http://www.globalsecurity.org/military/library/news/2007/02/mil-070213-lockheed-martin01.htm