Тема 11. Перспективы развития метеорологической

Тема 11. Перспективы развития
метеорологической
измерительной техники
Тема 11.1. Перспективы развития метеорологической измерительной
техники
Развитие метеорологической измерительной техники идет по трем
основным направлениям.
1. Совершенствование существующих датчиков.
2. Совершенствование методов обработки сигнала – главным
образом, компьютерной обработки.
3. Поиск принципиально новых методов измерения
метеорологических величин.
Наиболее перспективным к настоящему времени являются
лазерные методы зондирования атмосферы.
Тема 11.1. Лазерные методы зондирования атмосферы.
Особенности лазера, как источника светового сигнала.
1. Монохромность излучения.
2. Острая направленность сигнала.
3. Высокая энергия импульса – до 10 МВт.
4. Малая длительность импульса – 10-8 – 10-9 с и менее.
4. Частота следования импульсов может быть выбрана от 10 до
1000 Гц.
Тема 11.1. Лазерные методы зондирования атмосферы.
Рис. 11.1.1. Распространение лазерных импульсов.
Поскольку длительность импульсов мала, то протяженность
освещенного участка составляет c  1м .
Это обеспечивает высокую разрешающую способность зондирования.
Тема 11.1. Лазерные методы зондирования атмосферы.
Лазерное зондирование атмосферы предполагает решение двух
задач - технической и математической.
Математическая задача подразделяется на два типа – прямая и
обратная.
Прямая задача – расчет параметров распространения лазерного
сигнала по известным параметрам атмосферы.
Обратная задача – расчет параметров атмосферы по известным
параметрам распространения лазерного сигнала.
Обратная задача не всегда разрешима. Если число уравнений
меньше числа неизвестных, говорят, что задача некорректна.
Некорректные обратные задачи решаются путем произвольного
выбора некоторых параметров.
Тема 11.1. Лазерные методы зондирования атмосферы.
Трудности лазерного зондирования атмосферы.
1. Отраженный атмосферой лазерный сигнал очень слаб.
2. Отраженный лазерный сигнал трансформируется в нижележащих
слоях атмосферы.
3. Зарегистрированный лазерный сигнал искажается приемной
аппаратурой.
4. Быстродействие приемной аппаратуры должно быть очень
высоким.
Тема 11.1. Лазерные методы зондирования атмосферы.
Преимущества лазерного зондирования атмосферы.
1. Дистанционность зондирования.
2. Высокая разрешающая способность (до 1 метра).
3. Отсутствие инерции.
4. Возможность глобального мониторинга атмосферы с помощью
лазерного зондирования с искусственных спутников.
Лазерные установки для метеорологического зондирования
получили название лидаров.
Тема 11.1. Лазерные методы зондирования атмосферы.
Основные физические принципы зондирования атмосферных
параметров.
1. Лазерное зондирование аэрозолей. Эта задача – наиболее легкая,
т.к. отраженный аэрозолями сигнал достаточно сильный.
Отраженный сигнал зависит от размеров аэрозолей, их химических
свойств, концентрации (количества частиц в единице объема).
2. Зондирование атмосферных газов. Эта задача намного труднее, т.к.
сигнал, рассеянный молекулами, очень слаб.
Для зондирование атмосферных газов можно воспользоваться
методом комбинационного рассеяния света (КРС).
Тема 11.1. Лазерные методы зондирования атмосферы.
Сущность метода КРС состоит в том, что рассеянное лазерное
излучение содержит, помимо основной спектральной линии,
спутниковые линии (рис. 11.1.2)
ν0
ν2
ν1
∆ν
∆ν
Рис.11.1.2. Пояснение комбинационного рассеяния света (КРС).
Основная и спутниковые линии спектра
Тема 11.1. Лазерные методы зондирования атмосферы.
ν0
ν2
ν1
∆ν
∆ν
Сдвиг спутниковых линий ∆ν определяется химической природой
рассеивающего газа.
Количество газа определяется по яркости спутниковых линий.
Метод КРС требует решения технических трудностей. Во-первых,
яркость спутниковых линий очень мала. Во-вторых, спутниковые
линии различных газов накладываются друг на друга.
Тема 11.1. Лазерные методы зондирования атмосферы.
3. Лазерное зондирование скорости ветра. Эта задача решается с
помощью эффекта Доплера (см. раздел 3.5).
4. Лазерное зондирование влажности. Для этого применяется метод
КРС по отношению к водяному пару.
5. Лазерное зондирование атмосферного давления. Для этого также
применяется метод КРС по отношению к одному из наиболее
распространенных газов – азоту или кислороду.
6. Лазерное зондирование температуры. Это одна из наиболее
сложных задач.
При повышении температуры газа скорость молекул возрастает.
Следовательно, возникает расширение спектральной линии
отраженного сигнала за свет явления Доплера.
Таким образом, ширина спектральной линии может служить мерой
температуры газа. Это очень слабая зависимость, для измерения
температуры требуется очень чувствительная аппаратура.
Конец!
Успешной сдачи
экзамена!