Simulation of tropospheric methane concentration measurements by airborne differential absorption lidar.pdf Введение В вопросе решения задач контроля изменения климата важную роль играет мониторинг парниковых газов и, в частности, создание новых технических устройств, технологий и алгоритмов, этот мониторинг реализующих как в региональном, так и в глобальном масштабе. Метан является одним из основных парниковых газов, оказывающих влияние на глобальное потепление [1]. Поэтому актуальным является решение научной проблемы детектирования и контроля концентрации метана в атмосфере с применением спектроскопических методов и лидарных средств зондирования (как одного из вариантов дистанционного мониторинга) для получения фундаментального знания о влиянии антропогенных и естественных факторов повышения общего содержания парниковых газов на планете и их вклада в изменение климата. Исследование общего содержания метана в отдаленных районах, в которых отсутствует измерительная инфраструктура (например, Российский сектор Арктики), требует разработки мобильных лидарных систем, способных осуществлять интегральные и пространственно-распределенные измерения концентрации исследуемой газовой компоненты с помощью единой платформы, выполненной в бортовом самолетном или корабельном исполнении. Бортовое самолетное базирование наиболее актуально ввиду полного охвата тропосферных высот при экспериментах и существенной экономии времени измерений. Самолетные лидары принципиально реализованы и описаны в работах [2, 3], но для данных систем доступ к Российскому сектору Арктики ограничен. Принцип действия этих лидаров основан на использовании метода дифференциального поглощения [4-6]. В Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН (ИОА СО РАН) в последние годы успешно развивается научное направление дистанционного газоанализа атмосферы с использованием ИК-лидарных систем, работа которых основана на методе дифференциального поглощения. Разработаны и модернизируются стационарные и мобильные ИК-лидарные системы для тропосферного дистанционного зондирования [7, 8]. Наличие в Институте уникального исследовательского самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик» [9] и запланированные на ближайшие годы летные экспедиции над Арктикой поставили вопрос о создании самолетного лидара для мониторинга метана на тропосферных высотах. Разработка самолетного лидара для мониторинга метана требует предварительного численного моделирования лидарных измерений, апробации используемого оборудования в наземных экспериментах. Целью работы является проведение численного эксперимента по дистанционному зондированию метана в тропосфере в части расчета функции перекрытия для самолетного зондирования и моделирование газоанализа атмосферы с учетом характеристик основных узлов разработанной лидарной системы. Полученные результаты позволят оценить дальность зондирования на основе полученных лидарных сигналов, численные значения концентрации метана, отношение сигнал/шум. Моделирование функции перекрытия лидара для биаксиальной схемы Одной из неотъемлемых характеристик лидарных систем является функция перекрытия. Функция перекрытия ξ(R) поля зрения приемника и лазерного пучка лидарной системы количественно определяет с разрешением по дальности количество фотонов, достигающих детектора, нормализованное к числу фотонов обратного рассеяния, попадающих на апертуру телескопа. В наибольшей степени она зависит от диаметра, формы и расходимости лазерного луча, от характеристик приемника (диаметр телескопа, эффективное фокусное расстояние, диаметр фотоприемника), а также от расположения оптических осей излучателя и приемника относительно друг друга [10-12]. Любой лидар, который создается для решения какой-либо конкретной задачи, должен удовлетворять определенным требованиям, поэтому выбор геометрической схемы приемопередатчика и оценка его потенциальных возможностей является важным этапом при проведении подобных работ [10]. Рассмотрим одну из часто применяемых на практике схем приемопередатчика лидара. На рис. 1 показана биаксиальная схема лидара. Рис. 1. Биаксиальная схема лидара, иллюстрирующая условие частичного перекрытия поля зрения телескопа и лазерного пучка [13] При распространении излучения сквозь толщу атмосферы и регистрации лидарных сигналов, в случае использования представленной схемы, возможны три варианта [13]: • Расстояние между осями телескопа и лазера в лидаре настолько велико, что перекрывания поля зрения оптической приемной системы и площади, освещаемой лазером в плоскости исследуемого объекта, не происходит (рис. 2, а), т.е. , если . Рис. 2. Три возможных варианта перекрытия поля зрения телескопа и лазерного пучка для биаксиального лидара: а - отсутствие перекрытия, б - частичное перекрытие, в - полное перекрытие [13] • Расстояние между осями телескопа и лазера в лидаре достаточно мало, так что освещенная лазером площадь на плоскости исследуемого объекта либо полностью, либо частично лежит в поле зрения оптической приемной системы (рис. 2, в). Можно сказать, что если , то (меньшую из величин или ). • Расстояние между осями телескопа и лазера в лидаре находятся в интервале . Данный случай изображен на рис. 2, б [13]. При этих условиях с учетом введения безразмерных параметров [13]: , , , . (1) Предполагая равномерное распределение интенсивности по площади освещения в диапазоне R и учитывая двухосную приемную систему, в которой ось лазера отделена от телескопа оптической оси на расстояние d, геометрический фактор можно принять как простую функцию перекрытия и записать в виде (2) где - радиус телескопа, - радиус пучка лазера, - расстояние между центрами лазерного пучка и телескопа, θ - полуугол расходимости лазерного излучения, , (3) . (4) Коэффициент перекрытия зависит от нормированной длины z, от величины угловых параметров θ, φ, δ и масштабных параметров A, D. Для моделирования геометрической функции биаксиальной схемы были использованы параметры элементов оптической схемы приемопередатчика, приведенные в табл. 1. Радиусы чувствительных зон фотоприемников при этом составляли 0.1, 0.3, 0.5, 1 мм. Таблица 1 Входные данные для моделирования геометрической функции лидара Параметр Значение Радиус телескопа, мм 150 Радиус пучка лазера на выходе коллиматора, мм 6 Расстояние между центрами лазерного пучка и телескопа, мм 265.5 Полуугол расходимости лазерного излучения, мрад 0.25 Радиус чувствительной зоны фотоприемника, мм 0.1, 0.3, 0.5, 1 Эффективное фокусное расстояние, мм 1457 На рис. 3 показаны результаты моделирования геометрической функции с предельной дальностью 1000 м и заданными входными параметрами приемопередающей части лидарной системы. Для расчета функции перекрытия использовался программный модуль, разработанный с использованием языка программирования Python [14]. Рис. 3. Геометрическая функция лидара с учетом входных параметров, приведенных в табл. 1, для фотоприемника с различными размерами фоточувствительной зоны: а - 0.1 мм, б - 0.3 мм, в - 0.5 мм, г - 1 мм Из рис. 3, видно, что при радиусах 0.1, 0.3 и 0.5 мм фоточувствительной зоны на трассах до 1 км происходит лишь частичное перекрытие. Также анализ результатов моделирования (рис. 3, г) показал, что при использовании фотодиодов с радиусом приемной зоны 1 мм зона линейной регистрации начинается с дистанции 265 м. Важно отметить, что при использовании биаксиальной схемы с заданными параметрами системы и параллельном распространении пучка лазера относительно оптической оси телескопа геометрическая функция лидара на дальности 110 м равняется нулю. Таким образом, на основе результатов численного моделирования было показано, что при технической реализации приемного блока мобильного лидара оптимальным является использование фотодетектора с радиусом чувствительной площадки 1 мм. Моделирование лидарных измерений дистанционного мониторинга метана в атмосфере Для подтверждения работоспособности мобильной бортовой системы проведено численное моделирование дистанционного газоанализа атмосферы с учетом характеристик основных узлов системы: лазера, коллиматора, телескопа и фотоприемного устройства. На основе спектроскопических данных базы HITRAN [15] рассчитывались спектры пропускания атмосферы с использованием подхода line-by-line [16]. Моделирование проведено для условий атмосферы лета средних широт и Арктики с использованием метеорологических моделей ИОА СО РАН [17]. Расчет регистрируемых сигналов проводился с помощью лидарного уравнения [13] и модели распределения аэрозолей по высоте [18] с использованием программы «LIDA» [19]. Условия соответствуют предполагаемым трассам пролета самолета при проведении запланированных экспедиций. Для восстановления концентрации газа N(R) в атмосфере используется формула , (5) где K( on, R) и K( off, R) - значения сечений поглощения вдоль трассы зондирования в точке R на частотах, расположенных внутри ( on) и вне ( off) контура селективной линии поглощения исследуемой газовой компоненты, предварительно рассчитываемые с использованием высотных модельных профилей метеопараметров атмосферы; P( on, R), P( off, R), P( on, R+ R) и P( off, R+ R) - значения лазерных эхо-сигналов на частотах зондирования on и off из точек R и R+ R по трассе зондирования, регистрируемые приемной системой лидара. Для восстановления усредненной по трассе концентрации применима следующая формула [20]: , (6) , (7) где ∆τg - дифференциальная оптическая толща исследуемого газа; L - длина трассы; Pon, Poff - значения лазерных эхо-сигналов на частотах зондирования on и off ; Eon, Eoff - исходные энергии лазерных импульсов; ρon, ρoff - альбедо мишени; - коэффициент пропускания, обусловленный нецелевым ослаблением. При восстановлении концентрации метана по формуле (6) альбедо отражающей поверхности равно 0.5. Дифференциальное сечение поглощения рассчитывается с использованием базы спектроскопических данных HITRAN. В качестве основных входных параметров для численного моделирования функционирования модернизированного лидара самолетного базирования выступают: длина волны генерации лазера, энергия в импульсе лазерного излучения, длительность импульса, частота повторения импульсов, диаметр главного зеркала телескопа и характеристики элементов фотоприемного тракта. Входные данные для проведения численного моделирования приведены в табл. 2. Таблица 2 Входные данные для проведения численного моделирования газоанализа тропосферы бортовым лидаром Параметр Значение Диапазон длин волн, нм 3415-3445 Волновое число, см-1 2900-2930 Максимальная энергия в импульсе, мДж 4.5 Частота повторения импульсов, Гц 10-20 Аппаратная функция (AF), см-1 1.45 Диаметр приемной апертуры, мм 300 NEP фотодетектора, Вт 10-10 Для подтверждения корректности функционирования устройства в различных условиях окружающей среды проведено численное моделирование лидарных сигналов с последующим восстановлением распределения концентраций метана с использованием статистических моделей температуры и газовых компонентов атмосферы [17] и формул (5), (6). Результаты моделирования приведены на рис. 4 и 5. Исходя из результатов моделирования оптической толщи (рис. 4, а, 5, а) в информативном диапазоне зондирования метана отобраны on-line и off-line линии излучения (поглощения), наиболее подходящие для зондирования в условиях лета средних широт (2916.55 см-1 - on-line и 2915.00 см-1 - off-line) и полярных широт (2917.00 см-1 - on-line и 2915.00 см-1 - off-line). Рис. 4. Оптическая толща атмосферы в информативном диапазоне зондирования метана (а), лидарные сигналы (б), восстановленное из численного эксперимента пространственное распределение концентрации метана (в) для атмосферной модели лета средних широт Рис. 5. Оптическая толща атмосферы в информативном диапазоне зондирования метана (а), лидарные сигналы (б), восстановленное из численного эксперимента пространственное распределение концентрации метана (в) для атмосферной модели полярных широт Значения полученных лидарных сигналов (рис. 4, б, 5, б) в информативном диапазоне зондирования метана не превышают значения NEP фотодетектора (~ 10-10 Вт) и достаточны для восстановления концентрации газа. Восстановленная пространственно распределенная концентрация метана для вертикальной трассы 3 км в метеорологических условиях лета средних широт (рис. 4, в) варьируется в диапазоне значений 1.975-2.150 ppm (погрешность восстановления концентрации составляет 0.175 ppm), интегральное значение восстановленной концентрации метана - 2.14 ppm. Восстановленная пространственно распределенная концентрация метана для вертикальной трассы 3 км в метеорологических условиях полярных широт (рис. 5, в) варьируется в диапазоне значений 1.95-2.14 ppm (погрешность восстановления концентрации составляет 0.19 ppm), интегральное значение восстановленной концентрации метана - 2.12-2.13 ppm. Полученные концентрации метана, восстановленные из численного эксперимента, не противоречат тренду концентрации метана за 2022 г. [21]. В результате проведения численного моделирования подтверждена возможность функционирования модернизированного лидара самолетного базирования в метеорологических условиях лета средних широт и Арктики. Самолетный лидар дифференциального поглощения для мониторинга метана в тропосфере Первоначально, на основе представленной в работе [22] концепции, был разработан экспериментальный образец мобильного ИК-лидара дифференциального поглощения для исследования метана в атмосфере [8, 23]. Конструктивно лидар состоит из передающего блока (задающий лазер + параметрический генератор света производства фирмы «SOLAR LS” [24], зеркало для вывода излучения в атмосферу), приемного блока (приемный телескоп, узкополосный фильтр, фотодетектор) и системы управления, сбора, накопления и обработки лидарных данных (аналого-цифровой преобразователь, персональный компьютер). Конструктивное исполнение каркаса приемной части лидара позволит проводить зондирование в вертикальном (самолетная конфигурация, зондирование осуществляется вниз) направлении (рис. 6, а). Вывод излучения в атмосферу осуществляется двухдюймовым зеркалом с золотым напылением. Рис. 6. Лидар самолетного базирования для мониторинга метана в атмосфере (а); модель модернизированного лидара самолетного базирования для мониторинга метана в атмосфере (б): 1 - лазер; 2 - блок питания лазера; 3 - внеосевой зеркальный коллиматор; 4 - телескоп (Кассегрен); 5 - фотоприемник На основе результатов апробации мобильного лидара [23] в экспериментах при наземном базировании в фоновых условиях лета средних широт и предварительного численного моделирования вертикального дистанционного мониторинга метана, результаты которого представлены в настоящей работе, были выработаны требования для дальнейшей его модернизации с целью увеличения дальности измерений, уменьшения расходимости лазерного излучения (дооснащения зеркальным коллиматором), использования в условиях арктических широт. Модель модернизированного самолетного лидара показана на рис. 6, б. Характеристики модернизированного лидара приведены в табл. 3. Таблица 3 Основные характеристики модернизированного лидара бортового базирования Лазерный источник Длина волны генерации, нм ~ 3430 Волновое число, см-1 Для лета средних широт 2916.55 on-line 2915.00 off-line Для полярных широт 2917.00 on-line 2915.00 off-line Максимальная энергия в импульсе, мДж ≤4.5 Длительность импульса, нс 10 Ширина линии излучения, см-1 ≤1.5 Диаметр пучка после коллиматора, мм 12 Оптическая приемная система Тип Кассегрен Диаметр главного зеркала, мм 300 Эффективное фокусное расстояние, мм 1457 Узкополосный фильтр Центральная длина волны, нм 3425 3422 Полоса пропускания, нм 101 61 Фотодетектор Диапазон чувствительности, мкм 2.2-3.8 Размер фоточувствительной площадки, мм 1х1 Аналого-цифровой преобразователь Число каналов 2 Разрешение, бит 14 В процессе разработки модернизированного лидара бортового базирования использовались элементы, зарекомендовавшие себя в ходе эксплуатации в созданных ранее лидарных системах ИК-диапазона спектра [7, 8, 23]. Модернизированный лидар будет располагаться на борту самолета [9]. Заключение Представлены результаты моделирования функции перекрытия лидара. На основе результатов моделирования определены дополнительные требования к параметрам отдельного узла лидара, предназначенного для решения задач исследования атмосферы и зондирования метана. Показано, что при использовании фотодетекторов с радиусом чувствительной площадки 1 мм регистрация лидарных сигналов начинается с расстояния от 265 м. Представлены результаты моделирования зондирования метана для условий атмосферы лета средних широт и Арктики, которые соответствуют условиям запланированных летных экспедиций. Результаты моделирования показывают возможность восстановления фоновой концентрации метана (~ 2 ppm и выше). Показаны результаты разработки и модернизации конструкции лидара бортового базирования для мониторинга метана в тропосфере.

Скачать электронную версию публикации