Лазерні системи

3.9 Лазерні системи

ДЗЗ на основі лазерів полягає в опромінюванні об’єктів навколишнього середовища та реєстрації відбитого від об’єкту або розсіяного від нього лазерного випромінювання. Прилад для дистанційного зондування компонентів біосфери називають ЛІДАРом (від англійської фрази Light Detection And Ranging). Коротко познайомимося з основними типами лідарів.

3.9.1 Лідар на основі реєстрації зворотного розсіювання

Рівняння лідара. Зворотне розсіювання описується наступним рівнянням:

 (3.3)

де - миттєва потужність, яка реєструється приймачем у момент часу ;

- потужність, що пропускається об’єктом у момент часу

- швидкість світла;

- тривалість імпульсу;

- коефіцієнт об’ємного розсіювання атмосфери;

- дальність;

- ефективна площа приймача;

- коефіцієнт об’ємної інстинкції атмосфери.

Реєстрація рівня послаблення оптичного випромінювання лідара за його взаємодії з молекулами атмосфери або аерозолями дає змогу оцінити їх концентрацію.

Джерелом випромінювання у лідарі є лазер, що генерує світлові імпульси. Якщо лазерний імпульс поширюється в атмосфері до будь-якого об’єкта, то час проходження імпульсом відстані до об’єкта і назад до приймача дорівнює:

 (3.4)

де - швидкість світла.

Реєстрація моменту сприйняття імпульсу приймачем дає змогу оцінити відстань до об’єкта.

Крім того, лазерний імпульс має певну тривалість . Якщо припустити, що передній фронт імпульсу досягає об’єкта на відстані то задній фронт імпульсу в цей час буде на відстані  Співвідношення між часом та часом  реєстрації імпульсу мають вигляд:

 (3.5)

Звідси розмір об’єкта визначається за виразом:

 (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.

Похожие работы

Моніторинг поверхневих вод Сандракського водосховища

Скачать

52277

3

0

... змінах клімату; — виявлення природних i антропогенних факторів, що зумовлюють зміну клімату; — виявлення критичних елементів біосфери, вплив на які може спричинити клiматичнi зміни.   Розділ 3. Моніторинг поверхневих вод   Вода вiдiграє вирішальну роль у пiдтриманнi життя людини. Її наявнiстъ i способи використання нерідко визначають долі народів i країн. Особливої гостроти набуває ця ...

Ландшафтний моніторинг

Скачать

45738

1

0

... з рубежами фізико-географічного районування. Вірогідність екстраполяції тим вище, ніж ближче в класифікаційній системі й у сітці районування лежать ландшафти-аналоги. 4. Організація ландшафтного моніторингу заповідних територій У межах Центрального Чернозем`я знаходиться сім державних заповідників: Воронезький (площею 31,1 тис. га), Хоперский (16,2 тис. га), Центрально-Чорноземний (4,9 тис. ...

Основи екології

Скачать

80696

0

1

... уполя, Донецька. Машинобудівна промисловість має багатогалузеву структуру (важке, електротехнічне, радіоелектронне, транспортне машинобудування, приладо-, верстатобудування й т. д. ), і кожній із галузей притаманні свої екологічні особливості: * Енергетика. В Україні ТЕС виробляють приблизно 55—60 % електроенергії (близько 37, 6 тис. МВт); майже всі вони розташовані в містах і є найбільшими серед ...

Екологія й економіка

Скачать

85356

1

0

... по приватизації державного майна. Умовами приватизаційних конкурсів не передбачався встановлений рівень екологічної безпеки об'єкта, що здобувається. Таким чином, виникає погроза економії на екологічних витратах. На жаль, законодавство ще недостатньо підготовлене до рішення природоохоронних завдань у специфічних умовах переходу до ринкових відносин. Відносно нова проблема - екологічна регламентац ...