AS261208 by ASADOV

VIEWS: 5 PAGES: 10

									          ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ МНОГОВОЛНОВОГО ЛИДАРНО-
          ФОТОМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ КОНТРОЛЯ
                         АЭРОЗОЛЬНОЙ ОБСТАНОВКИ


                           Асадов Х.Г., Абдуллаева С.Н.


       Ключевые слова: лидар; аэрозоль; измерительный комплекс; оптическая
плотность
       Keywords: lidar; photometer; aerosol; measuring complex; optical thickhess.


       Хорошо известно [1], что морская нефтедобыча, несмотря на все свои
отрицательные стороны все более расширяется в различных регионах Земли.
Одним из основных отрицательных сторон морской нефтедобычи является
загрязнение морских вод, что объясняется относительным несовершенством
технологии морской нефтедобычи. Загрязнение морских вод в зонах морского
нефтедобычи диктует необходимость проведения оперативного контроля
степени загрязнения водной среды. С этой целью в настоящее время широко
используется гиперспектральная съемка морской поверхности с борта носителя.
При этом широко практикуются самолетные и спутниковые гиперспектральные
съемки [2, 3].
       Одной из необходимых задач успешного проведения гиперспектральных
морских съемок является калибровка измерительного тракта, т.е. получения
однозначного соответствия между измеряемыми величинами и выходными
сигналами гиперспектрометра. С этой целью могут быть использованы
лидарно-фотометрические комплексы, позволяющие измерить аэрозольные
параметры атмосферы [4]. Общая схема измерений оптической плотности
аэрозоля в приземной атмосфере показана на рис. 1, где цифрами указаны: 1-1,
1-2,    1-3   –   лидарно-фотометрический       комплекс     в   разных   позициях;
2 – нефтедобывающая платформа в качестве источника загрязняющего
                                                                                  2
мелкодисперсного аэрозоля; 3 – бортовой гиперспектрометр, установленный на
носителе.
     Следует       отметить,     что    частое    сжигание   попутного    газа   на
нефтедобывающих платформах создает высокую концентрацию аэрозольного
загрязнения в зонах морской нефтедобычи. При этом аэрозольная нагрузка
нижних слоев атмосферы является высокодинамичной величиной и зависит от
метеоусловий.        В      таких      условиях   для    правильной      калибровки
гиперспектральных устройств важно знать значения следующих составляющих
аэрозольной составляющей атмосферы:
     1. Мелкодисперсная составляющая фонового аэрозоля  fф .

     2. Крупнодисперсная составляющая фонового аэрозоля  cф .

     3. Мелкодисперсная составляющая «свежего» аэрозоля, сгенерированного
в факелях нефтедобывающих платформ и привнесенная ветром в зону
спектральных измерений  fсв .

     Раздельное измерение этих составляющих вызвано тем, что волновые
зависимости оптических толщин этих компонентов существенно различны.
     Предлагаемый алгоритм решения поставленной задачи заключается в
следующем. При этом считаем, что лидарный комплекс откалиброван,
например, по процедуре, указанной в [4].
     1. Начало измерений. Ввод исходных данных. Проведение нижеуказанных
операций на длине волны 1 .
     2. Лидарное измерение аэрозоля в зоне свежего загрязнения до условной
верхней границы фонового аэрозоля используя сигнал, отраженный с указанной
границы на длине волны 1 .
     3. Фотометрические измерения аэрозоля в фоновой зоне на длине волны
1 . Определение  cф  fф .

     4. Лидарные измерения в загрязненной зоне используя сигнал, отраженный
с условной верхней границы аэрозольного шлейфа, в результате чего получаем
величину  cфн  fфн  fсв .
                                                                                   3
     5. Проведение фотометрических измерений, в зоне свежего загрязнения в
результате чего получаем  cф  fф  fсв .

     6. Повтор операции пунктов 2-5 на длине волны  2 .
     Блок-схема предложенного алгоритма указана на рис. 2.
     Детально опишем порядок проведения вышеуказанных операций. Сначала
вкратце обсудим вопрос о калибрации лидарного комплекса.
     Необходимо отметить, что в известных методах калибрации лидарных
комплексов часто используется естественная стратификация атмосферы.
Например, в [4] ставится задача принять сигнал с «чистого» слоя атмосферы
стоящего выше аэрозольного слоя, чтобы в дальнейшем откалибровать лидар
путем фотометрических измерений, по этой же вертикальной трассе. После
параллельных        фотометрических      измерений    приравняв    два   измеренные
величины оптической толщины аэрозоля вычисляют коэффициент калибровки
лидарного        комплекса.   Такой     сравнительный   метод     калибровки   имеет
следующие недостатки.
     1. Необходимость поиска чистых слоев в атмосфере которые могут и не
существовать.
     2. Невозможность найти и использовать резкие переходы оптической
толщины аэрозоля по направлениям x и y .
     3. Невозможность распараллеливания параллельных измерений для
повышения достоверности результата измерений.
     Для устранения вышеуказанных недостатков целесообразным является
переход     от     использования      естественной   стратификации    атмосферы    к
использованию искусственной стратификации, типичным примером которого
является аэрозольный шлейф исходящей из точечного источника в виде
выбросной трубы продуктов сгорания углеводородного топлива.
     При дальнейшем анализе будем полагать, что калибровка лидарного
комплекса осуществлена по методу изложенному в [4], где в качестве
«чистого» слоя может быть взята зона вблизи искусственной стратификации.
                                                                                                            4
      Подробно      рассмотрим            предлагаемые              решение         задачи      определения
отдельных        составляющих              аэрозоля           влияющих              на      вышеуказанные
гиперспектральные              съемки            загрязненной                 морской           поверхности
осуществляемые с уровня верхней границы аэрозольного шлейфа.
      Согласно      [4],     основное          уравнение            LIDAR-а           при       вертикальной
направленности имеет вид:
                       C E0  c  z    a  z         z                               
             Er t                2
                                                    e x p  2  Cr  z   Ca  z dz       (1)
                                 z                         0                               
где    Er - принимаемая энергия;                   E0 - энергия зондирующего импульса;
 r  z  - релеевское обратное рассеяние;  a  z  - аэрозольное обратное рассение;
C r - коэффициент Релеевского ослабления; C a - коэффициент аэрозольного
ослабления; C - постоянная калибрации прибора. Отметим, что здесь и в
дальнейшем озоновую составляющую оптической толщины атмосферного слоя
относим      к    систематическим                погрешностьям,                 которые         могут    быть
скомпенсированы            используя        результаты             спутниковых           озонометрических
измерений. Допустим, что над аэрозольным шлейфом, исходящим из источника
существует чистый слой, где ослабление и обратное рассеяние происходит
только за счет релеевского рассеяния. Энергия, возвращенная с высоты этой
чистой зоны может быть вычислена по следующей формуле
                               C E0  r z         zm                        
                     Er t        2
                                             e x p  2  Cr z Ca zdz ,                 (2)
                                  zm                0                         
где z m - верхняя граница аэрозольного шлейфа.
      Если учесть, что
                               zm

                                 Ca z  dz   cф   fф   f
                                                      н        н      св
                                                                            1 ,                  (3)
                                0

где  cфн - часть крупнодисперсного фонового аэрозоля ниже носителя;  fфн -

часть мелкодисперсного фонового аэрозоля ниже носителя.
то получим
                                                                                                   5

                                  1     Er t  zm  zm
                                                    2
                            1   l n                      Cr zdz .                (4)
                                  2     C E  r 180, z  0
        Аналогично вышеуказанному, можно выделить «чистый» слой над слоем
фонового аэрозоля, высотой zф и получить оценку для суммарного аэрозоля  2 ,

где
                                    2  сф  fф  fсв .                                 (5)

        Для вычисления искомых составляющих аэрозоля, влияющих на качество
гиперспектральных         съемок      также       необходимо          проведение          следующих
фотометрических измерений.
        1. Фотометрические измерения оптической плотности                                 аэрозоля в
незагрязненной фоновой зоне
                                            3  сф  fф .                                (6)

        2. Фотометрические измерения оптической плотности                                 аэрозоля в
загрязненной фоновой зоне
                                            4  сф  fф  fсв .                         (7)

        После проведения вышеуказанных измерений осуществляются следующие
вычисления:
        1. Вычисления  fсв , используя (6) и (7)

                                            4  3   fсв .
        2. Определение оптической толщины аэрозоля в зоне выше уровня полета
носителя до верхней границы зоны фонового аэрозоля, используя формулы (3)
и (5)
                             5  2  1    сфн   fф  fфн  св  fв , (8)
где  сф - и  fв - соответственно части мелко дисперсного и крупнодисперсного

аэрозоля находящиеся в промежутке между верхней границей фоновой зоны и
верхней границей аэрозольного шлейфа.
        3. Определение оптической толщины аэрозоля в слое, расположенной
ниже носителя, используя формулы (7) и (8)
                                                                                           6
                                   6  4  5  сфн  f фн  fсв .             (9)

      4. Вычисление средней величины
             1  b
 cp1,b 
               2
      Как было отмечено выше, необходимость в раздельной оценке  fсв , cфн и

 f фн заключается в их различной зависимости от длины волны. Так, согласно

эмпирической формуле Ангстрома [5], мелкодисперсные и крупнодисперсные
фракции аэрозолей имеют различные показательные функции зависимости от
длины волны. Что касается «свежих» мелкодисперсных аэрозолей, то они
подвержены росты во времени и могут вызвать динамические погрешности.
      Суммируя         вышеизложенное,       следует       отметить,      что   предложенная
методика лидарно-фотометрических измерений аэрозольных параметров среды
находящейся в зоне бортовых гиперспектральных измерений между носителем
и подстилающей поверхностью обладает универсальностью и может быть
использована для исследований в неморских регионах.


                                       Литература
1.    Как освещать вопросы связанные с нефтью. П/р. С. Цалик и А. Шифрин.
      www.revenuewatch.org/reports/0723cs.ru.pdf
2.    The MODIS Near – IR Water Vapor Algorithm. B.C. Gao, Y.J. Kaufman.
      modis_atmos.gsfc.nasa.gov/_docs/atbd_mod03.pdf
3.    D. Poli. Airbone and satellite sensors.
      www.photogrammetry.ethz.ch/general/persons/daniela_pub/seminar.pdf
4.    Теоретическая основа многоволнового и Рамановского рассеяния света
      аэрозолем атмосферы.
      http://astro.bsu.edu.ru/lidar.doc
5.    N.T. O’Neill, T.F. Eck, B.N. Holben, A. Smirnov and O. Dubovik. Bimodal size
      distribution influences on the variation of Angstrom derivatives in spectral and
                                                                           7
optical depth space //Journal of Geophysical Research, v.106, No. D9, p.9787-
9806, May, 2001.
                                                                                    8
                                    Аннотация


     В статье проанализированы вопросы измерения аэрозольных показателей в
зонах    загрязнения    мелкодисперсной       аэрозолю      в   регионах    морской
нефтедобычи.      Показано,      что     проведение      двухволновых       лидарно-
фотометрических измерений позволяет вычислить отдельные фракционные
составляющие атмосферного аэрозоля.


                                       Summary
     Some questions of development of multi-wavelength lidar-photometric
                     complex for research of aerosol condition


                          Asadov H.H., Abdullaeva S.N.


     In the article the questions on measurements of aerosol parameters in zones of
fine aerosol pollution at the regions of sea oil production are analyzed. It is shown,
that carrying out of two-wavelength lidar-photometric measurements makes it
possible to calculate the fractional components of atmospheric aerosol.
                                                              9




                                3




    1-1              2               1-2   1-3

                         Море

Рис. 1. Схема проведения лидарно-фотометрических измерений.
                                                                                                          10



                                          Начало измерений.
                                            Ввод данных.


                Измерения на длине                                            Измерения на длине
                    волны 1                                                      волны  2



  Лидарные              Фотометрические                    Фотометрические                   Лидарные
  измерения                измерения                          измерения                      измерения
    сф  fф                 сф  fф                             сф  fф                 сф  fф


  Лидарные              Фотометрические                    Фотометрические               Фотометрические
  измерения                измерения                          измерения                     измерения
 сн  fн  fсв          сф  fф  fсв                   сф  fф  fсв             сф  fф  fсв


 Вычисление                Вычисление                             Вычисление                Вычисление
    сн  fн                    fсв                                  fсв                   сн  fн


                                        Раздельное вычисление
                                               сн , сн , fсв

    Рис. 2. Блок-схема предлагаемого алгоритма вычисления.

								
To top