en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-08-64-76
УДК: 504.064.37; 551.510.522
Моделирование атмосферных измерений парниковых газов двухканальной лидарной системой инфракрасного диапазона
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Садовников С.А., Яковлев С.В., Кравцова Н.С. Моделирование атмосферных измерений парниковых газов двухканальной лидарной системой инфракрасного диапазона // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 8. С. 64–76. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-64-76
Sadovnikov S.A., Yakovlev S.V., Kravtsova N.S. Greenhouse gases atmospheric measurements simulation by a dual-channel infrared lidar system [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 8. P. 64–76. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-08-64-76
Sergey Sadovnikov, Semyon Yakovlev, and Natalya Kravtsova, "Atmospheric measurement simulation of greenhouse gases using a dual-channel infrared lidar system," Journal of Optical Technology. 90(8), 456-463 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000456
Предмет исследования. Газоанализ атмосферы с применением разрабатываемой двухканальной лидарной системы инфракрасного диапазона. Цель работы. Разработка лидарной системы для измерения содержания парниковых газов (H2O и CO2) в нижней тропосфере с использованием двух каналов регистрации лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона для одновременного восстановления пространственно-разрешённых профилей и усреднённых вдоль трассы зондирования концентраций исследуемых газов. Метод. При решении рассматриваемых в работе задач используются метод дифференциального поглощения и рассеяния и метод дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии. Перспективным является подход, сочетающий возможности обоих методов и обеспечивающий одновременное получение пространственно- и спектрально-разрешённой информации о концентрации газов в атмосфере. Основные результаты. Проведён расчёт функции перекрытия поля зрения приёмника и лазерного пучка лидарной системы, определены оптимальные геометрические параметры её приёмопередающей части. Путём численного моделирования спектров пропускания атмосферы и лидарных сигналов для различных условий окружающей среды определён информативный диапазон зондирования углекислого газа и водяного пара. Предложено несколько конфигураций лидарной системы с генерацией наносекундных импульсов излучения в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Экспериментальные измерения энергетических и спектральных характеристик источника излучения лидара подтвердили возможность его использования для решения задач дистанционного зондирования исследуемых газов. Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при развитии измерительных комплексов для контроля газового состава атмосферы в индустриальных центрах, на фоновых измерительных станциях, в районах болотных экосистем.
лидар, тропосфера, парниковые газы, инфракрасный диапазон, функция перекрытия
Благодарность:исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 22-79-10203, https://rscf.ru/project/22-79-10203/
Коды OCIS: 010.7030, 010.3640.
Список источников:1. Belikov D., Arshinov M., Belan B. et. al. Analysis of the diurnal, weekly, and seasonal cycles and annual trends in atmospheric CO2 and CH4 at Tower Network in Siberia from 2005 to 2016 // Atmosphere. 2019. V. 10. № 11. P. 689. https://doi.org/10.3390/atmos10110689
2. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Иноуйе Г., Максютов Ш., Мачида Т., Фофонов А.В. Вертикальное распределение парниковых газов над Западной Сибирью по данным многолетних измерений // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22. № 05. С. 457–464.
3. Gordon I.E., Rothman L.S., Hargreaves R.J., Hashemi R., Karlovets E.V. et. al. The HITRAN2020 Molecular Spectroscopic Database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2022. V. 277. P. 107949. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2021.107949
4. Mao J., Ramanathan A., Abshire J. et al. Measurement of atmospheric CO2 column concentrations to cloud tops with a pulsed multi-wavelength airborne lidar // Atmospheric Measurement Techniques. 2018. V. 11. № 1. P. 127–140. https://doi.org/10.5194/amt-11-127-2018
5. Wagner G.A., Plusquellic D.F. Multi-frequency differential absorption LIDAR system for remote sensing of CO2 and H2O near 1.6 µm // Optics Express. 2018. V. 26. №. 15. P. 19420-19434. https://doi.org/10.1364/OE.26.019420
6. Wagner G.A., Plusquellic D.F. Ground-based, integrated path differential absorption LIDAR measurement of CO4, CH2, and H2O near 1.6 µm // Appl. Opt. 2016. V. 55. Iss. 23. P. 6292. https://doi.org/10.1364/AO.55.006292
7. Matvienko G.G., Sukhanov A.Y. Application of neural networks for retrieval of the CO2 concentration at aerospace sensing by IPDA-DIAL lidar // Remote Sensing. 2019. V. 11. № 6. P. 659. https://doi.org/10.3390/rs11060659
8. Davis Z.Y.W., Frieß U., Strawbridge K.B. et.al. Validation of MAX-DOAS retrievals of aerosol extinction, SO2, and NO2 through comparison with lidar, sun photometer, active DOAS, and aircraft measurements in the Athabasca oil sands region // Atmospheric Measurement Techniques. 2020. V. 13. № 3. P. 1129–1155. https://doi.org/10.5194/amt-13-1129-2020
9. Platt U., Perner D., Paetz H.W. Simultaneous measurement of atmospheric CH2O, O3, and NO2 by differential optical absorption // Journal of Geophysical Research. 1979. V. 84. Iss. C10. P. 6329–6335. https://doi.org/10.1029/JC084iC10p06329
10. Харченко О.В. Методика планирования и проведения лидарных измерений профилей метеорологических параметров атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 06. С. 523–528.
11. Романовский О.А., Харченко О.В., Яковлев С.В. Методические аспекты лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы по дифференциальному поглощению // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79. № 5. С. 799–805.
12. Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Садовников С.А., Суханов А.Я., Харченко О.В., Яковлев С.В. Исследование возможности применения лазерной системы на основе параметрического генератора света для лидарного зондирования состава атмосферы // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 6. С. 58–65.
13. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Оценка предельной чувствительности метода лазерной фрагментации/лазерно-индуцированной флуоресценции при обнаружении паров нитросоединений в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. № 11. С. 948–955. https://doi.org/10.15372/AOO20221111
14. Матвиенко Г.Г., Маричев В.Н., Бобровников С.М., Яковлев С.В., Чистилин А.Ю., Сауткин В.А. Мезостратосферный лидар для гелиогеофизического комплекса // Солнечно-земная физика. 2020. Т. 6. № 2. С. 93–104. https://doi.org/10.12737/szf-62202007
15. Разенков И.А., Надеев А.И., Зайцев Н.Г., Гордеев Е.В. Ультрафиолетовый турбулентный лидар УОР-5 // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 4. С. 289–297. https://doi.org/10.15372/AOO20200407
16. Маричев В.Н., Бочковский Д.А. Лидарный комплекс малой станции высотного зондирования атмосферы ИОА СО РАН // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 05. С. 399–406. https://doi.org/10.15372/AOO20200510
17. Долгий С.И., Невзоров А.А., Невзоров А.В., Макеев А.П., Романовский О.А., Харченко О.В. Лидарный комплекс для измерения вертикального распределения озона в верхней тропосфере-стратосфере // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 9. С. 764–770. https://doi.org/10.15372/AOO20180911
18. Матвиенко Г.Г., Бабушкин П.А., Бобровников С.М., Боровой А.Г., Бочковский Д.А., Галилейский В.П., Гришин А.И., Долгий С.И., Елизаров А.И., Кокарев Д.В., Коношонкин А.В., Крючков А.В., Кустова Н.В., Невзоров А.В., Маричев В.Н., Морозов А.М., Ошлаков В.К., Романовский О.А., Суханов А.Я., Трифонов Д.А., Яковлев С.В., Садовников С.А., Невзоров А.А., Харченко О.В. Лазерное и оптическое зондирование атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 9. С. 726–740. https://doi.org/10.15372/AOO20190906
19. Halldórsson T., Langerholc J. Geometrical form factors for the lidar function // Appl. Opt. 1978. V. 17. P. 240–244. https://doi.org/10.1364/AO.17.000240
20. Mao F., Gong W., Li J. Geometrical form factor calculation using Monte Carlo integration for lidar //Optics & Laser Technology. 2012. V. 44. №. 4. P. 907–912. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2011.10.024.
21. Wojtanowski J. Cancelling lidar echo signal 1/range2 dependence and geometrical form factor shaping by the application of freeform optics // Optics & Laser Technology. 2020. V. 125. P. 106011. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.106011
22. Zhao Y., Wang X., Cai Y. et al. Measurements of atmospheric aerosol hygroscopic growth based on multi-channel Raman-Mie lidar // Atmospheric Environment. 2021. V. 246. P. 118076. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2020.118076
23. Разенков И.А. Анализ технических решений при проектировании турбулентного лидара // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. № 9. С. 766–776. https://doi.org/10.15372/AOO20220910
24. Cadiou E., Mammez D., Dherbecourt J.B. et al. Atmospheric boundary layer CO2 remote sensing with a direct detection LIDAR instrument based on a widely tunable optical parametric source // Optics letters. 2017. V. 42. № 20. P. 4044–4047. https://doi.org/10.1364/OL.42.004044
25. Электронный ресурс URL: https://www.python.org/ (“Welcome to Python.org”).
26. Электронный ресурс URL: https://learn.microsoft.com/ru-ru/dotnet/csharp/ (“Документация по C#”)
27. Paschotta R. Field guide to lasers. Bellingham, WA: SPIE Press, 2008. 152 p.
28. Edwards P.D. GENLN2: A general line-by-line atmospheric transmittance and radiance model // NCAR Technical Note. 1992. 147 p.
29. US standard atmosphere. National oceanic and atmospheric administration, 1976. 227 p.
30. Penndorf R. Tables of the refractive index for standard air and the Rayleigh scattering coefficient for the spectral region between 0.2 and 20.0 µ and their application to atmospheric optics // JOSA. 1957. V. 47. № 2. P. 176–182. https://doi.org/10.1364/JOSA.47.000176
31. Электронный ресурс URL: https://solarlaser.com/ (“Solar LS”).
32. Электронный ресурс URL: https://lop.iao.ru/RU/ (“Лаборатория климатологии атмосферного состава ИОА СО РАН”).