Дистанційний екологічний моніторинг (стр. 16 из 19)

(3.6)

Коефіцієнт об’ємної інстинкції

атмосфери – частка падаючої енергії, на яку вона зменшується при проходженні одиниці довжини атмосфери. Одиниця вимірювання

-

Поглинання лазерного променя молекулярним газом (забрудненням) можна оцінити так:

3.7)

де

- коефіцієнт поглинання, що випромінюється в (млн.^-1*см)^-1;

- число Лошмідта (2,69*10¹⁹ см^-3) – густина молекул газу в атмосфері за нормальних умов;

- переріз поглинання (см²).

У реальних ситуаціях (на рівні моря при 0 ⁰С) коефіцієнт об’ємної інстенкції дорівнює:

см^-3 (млн.*см)^-1. (3.8)

Коефіцієнт об’ємного розсіювання

атмосфери визначається як частка падаючої енергії, що розсіюється в одиничному тілесному куті в обертальному напрямку на одиниці атмосферної довжини. Одиниця вимірювання

- м^-1*ср^-1.

Пружне розсіювання оптичного випромінювання можна представити двома основними типами – розсіюванням Релея і розсіюванням Мі:

(3.9)

де

- коефіцієнт розсіювання Релея;

- коефіцієнт розсіювання Мі.

Коефіцієнт розсіювання Релея визначають за виразом:

(3.10)

де

- довжина хвилі, нм.

Приклад 3.1

Розрахувати коефіцієнт розсіювання Релея під час проходження в атмосфері випромінювання рубінового лазера, довжина хвилі якого дорівнює 694,3 нм.

Розв’язок

Підставимо числові дані у рівняння (3.10):

Контрольне завдання № 3.1

Визначити потужність лазерного випромінювання, яка реєструється фотоприймачем лідара на основі рубінового лазера з такими параметрами:

нм, Вт, мкс, м², км, км^-1.

Коефіцієнт розсіювання Мі можна знайти за допомогою рівняння:

(3.11)

де

для видимості км та для середньої видимості, якщо вимирюється в м^-1, - в м, - в нм.

Приклад 3.2

Визначити коефіцієнт розсіювання Мі випромінювання рубінового лазера з довжиною хвилі 694,3 нм, якщо видимість становить 10 000 м.

Розв’язок. Знаходимо показник ступеня

:

Підставимо числові дані у рівняння (3.11):

м^-1.

Контрольне завдання № 3.2

Визначити коефіцієнт розсіювання Мі випромінювання лазера з довжиною хвилі 300б1 нм, якщо видимість становить 5 км.

Відповідь: 1,43 км^-1.

Коефіцієнт об’ємного зворотного розсіювання характеризує частку випромінювання, яке після розсіювання прямує по траєкторії лазерного променя. Зворотне розсіювання також має дві компоненти – Релея та Мі.

Коефіцієнт об’ємного зворотного розсіювання Релея визначається за виразом:

(м^-1ср^-1). (3.12)

Коефіцієнт об’ємного зворотного розсіювання Мі визначається за виразом:

(м^-1ср^-1). (3.13)

Повний коефіцієнт об’ємного зворотного розсіювання визначається як сума обох коефіцієнтів:

(3.14)

Приклад 3.4

Знайти повний коефіцієнт зворотного розсіювання випромінювання рубінового лазера (694,3 нм) на відстані 2 км.

Розв’язок

Коефіцієнт розсіювання Релея визначимо на підставі рівняння (3.10):

Коефіцієнт розсіювання Мі визначимо за допомогою рівняння (3.11):

м^-1.

Визначимо коефіцієнти зворотного розсіювання Релея й Мі:

м^-1ср^-1;

м^-1ср^-1.

Звідси повний коефіцієнт зворотного розсіювання дорівнює:

Приклад 3.5

Визначити потужність лазерного випромінювання, яка реєструється фотоприймачем лідара на основі рубінового лазера з такими параметрами:

нм, Вт, мкс, м², км, км^-1.

Розв’язок. Вважаючи середовище, що аналізується, однорідним, можна припустити, що:

Підставляємо числові значення в останній вираз:

Розраховуємо тілесний кут:

ср.

Знаходимо параметр

Визначаємо коефіцієнт об’ємного розсіювання:

Обчислюємо коефіцієнт об’ємного зворотного розсіювання:

км^-1ср^-1.

Звідки

Контрольне завдання № 3.3

Визначити потужність випромінювання лазера на фарбниках, що застосовуються для дистанційного зондування туману (

=0,5 км^-1), якщо ним, Вт, мкс, см², км.

Відповідь: 3*10^-11 Вт.

3.9.2 Лідар на основі реєстрації диференційного поглинання

Метод ґрунтується на реалізації істотної залежності коефіцієнта об’ємної екстинкції від довжини світлості хвилі. В основу роботи диференційного лідара покладено принцип опромінювання об’єкта, що контролюється, світлом із різними довжинами хвиль. Випромінювання з однією довжиною хвилі

, що збігається з лінією поглинання об’єкта (газу чи забруднення), поглинається об’єктом, тоді як випромінювання з іншою довжиною хвилі , далекою від лінії поглинання, набуває пружного розсіювання (рис. 3.18). Критерієм оцінки забруднення атмосфери є відношення сигналів, що реєструються на обох довжинах хвиль. Лідар такого типу отримав в англомовній літературі назву DIAL (Differential Absorption Lidar) або DAS (Differential Absorption and Scattering).