eng
Выпуск #1/2021
А. С. Борейшо, М. А. Коняев, А. А. Ким, А. С. Михайленко
Перспективы оптико-радиочастотных систем дистанционного зондирования атмосферы
Перспективы оптико-радиочастотных систем дистанционного зондирования атмосферы
Просмотры: 1641
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.1.76.84
Средства дистанционного зондирования атмосферы в оптическом и радиочастотном диапазонах находят широкое применение в аэронавигации, технологиях обеспечения безопасности полетов, метеорологии, экологии, климатологии и в иных сферах. Лидарные и радиолокационные системы имеют общие принципы функционирования. Несмотря на эту общность, их традиционно разделяют в зависимости от используемого частотного диапазона электромагнитного излучения. Следствием такого разделения становится разделение их функциональных возможностей и решаемых задач. Однако, как показывает практика, комплексное использование оптического и радиочастотного излучения при атмосферном мониторинге может привести к синергетическому эффекту и существенному расширению возможностей подобных системы. В статье рассматриваются возможности и перспективы совместного применения оптико-радиочастотных средств атмосферного зондирования.
Средства дистанционного зондирования атмосферы в оптическом и радиочастотном диапазонах находят широкое применение в аэронавигации, технологиях обеспечения безопасности полетов, метеорологии, экологии, климатологии и в иных сферах. Лидарные и радиолокационные системы имеют общие принципы функционирования. Несмотря на эту общность, их традиционно разделяют в зависимости от используемого частотного диапазона электромагнитного излучения. Следствием такого разделения становится разделение их функциональных возможностей и решаемых задач. Однако, как показывает практика, комплексное использование оптического и радиочастотного излучения при атмосферном мониторинге может привести к синергетическому эффекту и существенному расширению возможностей подобных системы. В статье рассматриваются возможности и перспективы совместного применения оптико-радиочастотных средств атмосферного зондирования.
Теги: atmosphere monitoring lidar optical-radio-frequency locator radar remote sensing дистанционное зондирование лидар мониторинг атмосферы оптико-радиочастотный локатор радиолокатор
Перспективы оптико-радиочастотных систем дистанционного зондирования атмосферы
А. С. Борейшо, М. А. Коняев, А. А. Ким, А. С. Михайленко
Балтийский государственный технический
университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
АО «Лазерные системы», Санкт-Петербург, Россия
Средства дистанционного зондирования атмосферы в оптическом и радиочастотном диапазонах находят широкое применение в аэронавигации, технологиях обеспечения безопасности полетов, метеорологии, экологии, климатологии и в иных сферах. Лидарные и радиолокационные системы имеют общие принципы функционирования. Несмотря на эту общность, их традиционно разделяют в зависимости от используемого частотного диапазона электромагнитного излучения. Следствием такого разделения становится разделение их функциональных возможностей и решаемых задач. Однако, как показывает практика, комплексное использование оптического и радиочастотного излучения при атмосферном мониторинге может привести к синергетическому эффекту и существенному расширению возможностей подобных системы. В статье рассматриваются возможности и перспективы совместного применения оптико-радиочастотных средств атмосферного зондирования.
Ключевые слова: мониторинг атмосферы, дистанционное зондирование, лидар, радиолокатор, оптико-радиочастотный локатор
Статья получена: 14.01.2021
Принята к публикации: 10.02.2021
Лидарные и радарные системы дистанционного зондирования атмосферы в основе своей работы опираются на один и тот же принцип: отражение или рассеяние электромагнитного излучения от атмосферных объектов и последующее определение его характеристик. Тем не менее исторически и традиционно сложилось разделение оптических (лидарных) и радиочастотных средств зондирования. Во многом это обусловлено различными методами генерации электромагнитного излучения в оптическом и радиочастотных диапазонах, различием техники приема и обработки сигналов.
Сегодня оптическое и радиочастотное зондирование атмосферы представляет собой сформировавшиеся независимые научно-технические направления с характерными областями применения. Тем не менее в ряде случаев их совместное использование оказывается оправданным и эффективным. Однако для того чтобы увидеть потенциальные преимущества комплексирования разно диапазонных систем дистанционного зондирования, необходимо понимать специфику и ограничения каждой из них.
Современные лидарные средства заняли твердые позиции в области 3D-сканирования, навигации и сенсорики беспилотных транспортных средств и летательных аппаратов, экологического мониторинга атмосферы мегаполисов и промышленных объектов, ветровой энергетики, воздушной безопасности и научных исследований. Наибольшее распространение и значимость получили лидарные системы анализа атмосферы на предмет распределения аэрозольного и химического состава воздуха, а также скорости и направления ветра [1]. При лидарном зондировании атмосферы, например при построении профилей ветра или коэффициента обратного рассеяния (профиль облачности), полезный сигнал является результатом рассеяния лазерного излучения на мелкодисперсном атмосферном аэрозоле, который всегда присутствуюет в приземном слое. В этом случае детектируемая мощность рассеянного сигнала в зависимости от дистанции r определяется лидарным уравнением, которое связывает характеристики атмосферы и параметры лидарной системы:
,
где η – общая эффективность приемной системы, P0 – выходная мощность источника, β(r) – коэффициент обратного рассеяния атмосферы, с – скорость света, τ – длительность импульса, А – площадь приемной апертуры лидара, α(r) – коэффициент ослабления атмосферы.
Характеристики атмосферы заключены в коэффициентах β(r) и α(r), характеризующих наличие и распределение аэрозоля по лучу зондирования. В общем случае их можно связать со значениями метеорологической дальности видимости (МДВ). Значение ослабления α атмосферы можно посчитать по эмпирической формуле:
,где , где λ – длина волны [мкм], V – МДВ [км], а α [км–1].
Земная атмосфера оказывает существенное влияние на эффективность любого лидара: изменение метеорологических условий от ясного неба к плотной облачности или туману, дождю, метели или урагану ведет к существенному снижению дальности действия лидара вплоть до полной его неэффективности из-за сверхинтенсивного рассеяния и поглощения зондирующего излучения уже в ближней зоне. Иными словами, с понижением метеорологической дальности видимости падает и дальность эффективной работы атмосферного лидара. В таблице приведены типичные дальности работы доплеровского лидара ИВЛ‑5000 [2] в зависимости от состояния атмосферы и значения МДВ. Снижение рабочей дальности лидара связано со значительным увеличением атмосферных потерь на рассеянии и ослаблении оптического излучения на крупном аэрозоле, который образует туман и характерен для осадков различного типа.
Длины волн радиочастотных систем зондирования атмосферы больше оптических на 3–4 порядка. Это обуславливает большую проникающую способность радиоизлучения в условиях плотных атмосферных образований, дождя и штормов, однако делает их практически бесполезными в чистой атмосфере, поскольку центры рассеяния – частицы мелкодисперсного аэрозоля и пыль – оказываются чрезвычайно малыми для эффективного рассеяния радиочастотного излучения. Иными словами, радиочастотные метеолокаторы наиболее эффективны в условиях неблагоприятных погодных условий при малой дальности видимости. В случае распределенной в некотором объеме цели принимаемая радаром мощность определяется следующим уравнением:
.
где: Pt – выходная мощность источника, G – усиление антенны, θ – угловое поле антенны, τ – длительность импульса, с – скорость света, K – коэффициент, учитывающий характеристики осадков, Z – отражаемость, Latm – атмосферное ослабление до цели, LMF – ослабление канала обработки.
Отражаемость атмосферных осадков при радарном зондировании связана с распределением по размерам рассеивающих центров, скорости выпадения осадков и других факторов, но в первом и достаточно точном приближении она может быть выражена следующей зависимостью:
,
где: D – размер рассеивающей частицы, N(D) – концентрация частиц с размером D в единичном объеме.
Таким образом, можно связать характерные значения отражаемости метеорологических радаров с коэффициентом обратного рассеяния и ослабления атмосферы для лидара, поскольку детектируемый сигнал в обоих случаях формируется рассеянием и отражением на частицах в атмосфере.
С учетом этих особенностей взаимодействия излучения с аэрозолем логичным выглядит совмещение двух измерительных систем на основе лидара оптического диапазона и радиодиапазона с одинаковым пространственным и временным разрешением, обеспечивающие всепогодность измерений. Работы в направлении совмещения оптико-радиочастотных средств зондирования атмосферы реализуются во многих странах [3, 4].
В России объединение лидара и радиолокатора на единой мобильной платформе для обеспечения всепогодности измерений было осуществлено компанией АО «Лазерные системы» [3].
В результате анализа зависимости рабочих дистанций от метеорологической отражаемости атмосферы [5] было показано, что эффективное функционирование классических радиолокационных доплеровских систем X-диапазона возможно при специфических погодных условиях. В этих условиях отражаемость атмосферных объектов оказывается не ниже определенного значения, которое для оптического диапазона является критическим и резко снижает дальность работы. Поэтому при использовании двух диапазонов, оптического и радиочастотного, появляется погодная «слепая зона». В ней типичные дальности работы обеих систем составляют порядка 2‑х и менее километров. Это оказывается неприемлемым для метеорологического комплекса аэронавигации и обеспечения безопасности полетов при изменяющихся в широких диапазонах метеорологических условиях. Кроме того, естественная слепая зона у Х-радаров может составлять более 3‑х километров.
Математическое моделирование показывает, что добавление радара миллиметрового диапазона (метеолокатор Ка-диапазона) закрывает эту погодную «слепую зону» и позволяет обеспечить всепогодность измерения параметров ветра с минимальной рабочей дистанцией более 5 000 метров (рис. 1) в любых погодных условиях, вплоть до средних осадков [3].
В ходе модернизации двухдипазанного комплекса был разработан и в настоящее время проходит опытную эксплуатацию трехдиапазонный (Х, Ка и ИК) комплекс всепогодного метеорологического обеспечения «Лира‑3» [6]. Внешний вид комплекса представлен на рис. 2.
Первые экспериментальные исследования совместной работы трех каналов показывают, что наблюдается не только качественное, но и количественное совпадение получаемых значений параметров ветра. Некоторые результаты измерения вертикально профиля скорости ветра, проведенные в апреле 2019 года в Санкт-Петербурге [4], показаны на графиках (рис. 3).
Описанная система способна обеспечивать комплексную всепогодную диагностику метеорологической обстановки на предмет своевременного обнаружения опасных погодных явлений в зоне взлета / посадки. К подобным явлениям относятся сдвиг ветра в приземном слое, вихревые следы за самолетом, Система может определять горизонтальную и вертикальную видимость. Стоит отметить, что эффективность использования таких комплексов значительно возрастает при дооснащении их специальными локальными средствами контроля метеорологической обстановки [2].
При совместной работе 3‑х диапазонов зондирования преимущество того или иного диапазона будет определяться состоянием погодных условий, изменяющихся во времени. При изменении метеоусловий от ясного неба к слабому дождю, а затем к ливню, наибольшей эффективностью соответственно состоянию погодных условий будут обладать: ИК-лидар, метеолокатор Ка-диапазона, метеолокатор Х-диапазона.
Еще одно преимущество при таком комплексировании заключается в возможности более точного профилирования атмосферной трассы, классификации наблюдаемых объектов и снижении эффекта экранирования. Так, например, легкое облако или дымка, имеющие крайне слабый отклик в радиочастотных диапазонах, оказываются контрастными для ИК-лидара. В то же время плотное облачное образование, полностью блокирующее ИК-излучение и экранирующее собой последующую атмосферную трассу, становится относительно прозрачным для радиочастотного излучения.
Получая данные о профиле отражаемости атмосферы в каждом из частотных диапазонов, реализуется подобие гиперспектрального профилирования атмосферной трассы. Перспективным направлением также является комплексирование оптико-радиочастотной системы с лидарным каналом измерения химического состава атмосферы. Такие измерения могут оказаться востребованными специалисты не только из области прикладной метеорологии. Результаты будут представлять интерес для климатологии, экологии, технологий ликвидации последствий чрезвычайных происшествий природного и техногенного характера и многих других сфер профессиональной деятельности.
Заключение
Востребованность оптико-радиочастотных систем дистанционного зондирования атмосферы во всем мире возрастает. Многие применения требуют минимизации массогабаритных параметров и повышения мобильности комплексов вплоть до установки на подвижном шасси. При выполнении таких требований реализация оптико-радиочастотных систем дистанционного зондирования атмосферы путем объединения независимых лидарных и радиочастотных средств зондирования лишь на верхнем уровне обработки получаемых данных оказывается неоптимальной. Комплекс становится дорогим, негабаритным, сложным в развертывании и при транспортировке. В этих условиях перспективы развития видятся в комплексировании средств зондирования не только на уровне обработки сигналов, но и на физическом уровне. Внедрение технологий радиофотоники, активно развивающейся в настоящее время, позволит не только уменьшить массогабаритные характеристики комплексов, но и повысить их эксплуатационные характеристики. Речь идет о малошумящих оптико-радиочастотных задающих генераторах с высокой фазовой стабильностью [7], диаграмм-формирующих оптоэлектронных методах, высокочастотном электрооптическом преобразовании в приемном тракте радиолокаторов и, наконец, т. н. радиофотонном аналого-цифровом преобразовании [8].
Благодарность
Авторы выражают искреннюю признательность Д. Н. Васильеву, С. Ю. Страхову и всем коллегам из БГТУ «Военмех» и АО «Лазерные системы», а также Г.Г Щукину, В. Ю. Жукову и М. Ю. Ильину за участие, полезные советы и дискуссии в ходе работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Борейшо А. С., Ким А. А., Коняев М. А., Лугиня В. С., Морозов А. В., Орлов А. Е. Современные лидарные средства дистанционного зондирования атмосферы. Фотоника. 2019; 13 (7): 648–657. DOI: 10.22184/1993-7296.FROS.2019.13.7.648.657.
ИВЛ‑5000 (WINDEX 5000). Импульсный ветровой лидар (ИВЛ‑5000) для мониторинга ветровой обстановки. URL: http://lsystems.ru/products/lidary/ windex‑5000 / .
Щукин Г. Г., Борейшо А. С., Жуков В. Ю., Ильин М. Ю., Коняев М. А. Лидарно-радиолокационный метеорологический комплекс. Известия высших учебных заведений. Физика. 2015; 58 (10-3): 100–103.
Boreysho A. S., Kim A. A., Konyaev M. A., Ilyin M. Y., Shchukin G. G., Zhukov V. Y. Possibility and application of all-weather lidar-radio sensing complexes. International Conference «Actual Trends in Radiophysics». Journal of Physics: Conference Series. 2020; 1499: 012025. DOI: 10.1088/1742-6596/1499/1/012025.
Аэродромные системы дистанционного обнаружения маловысотного сдвига ветра: документ ICAO: Doc A39-WP / 287. – Международная организация гражданской авиации. 39 сессия, 2016, март 25. URL: https://www.icao.int/Meetings/a39/Pages/documentation-reference-documents.aspx.
LIRA. Мобильный многоволновой лидарно-радарный комплекс для мониторинга атмосферы, прогнозирования ветровой обстановки. URL: http://lsystems.ru/products/lidary/lira/.
Никитин А. А., Калиникос Б. А. Теория перестраиваемого спинволнового оптоэлектронного сверхвысоко-частотного генератора. ЖТФ. 2015; 75 (9): 141–145.
Земцов Д. С., Злоказов Е. Ю., Небавский В. А., Стариков Р. С., Хафизов И. Ж. Обработка сигналов Х-диапазона радиофотонным АЦП с псевдослучайной выборкой. Сборник трудов X международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики – 2018». С-Пб: Университет ИТМО. 2018; 223–225. ISBN 978-5-7577-0588-0.
Об авторах
Борейшо Анатолий Сергеевич, д. т.н, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург.
ORCID: 0000-0002-3245-9321
Ким Алексей Андреевич, к. т.н, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург. alexeykim90@gmail.com
ORCID: 0000-0002-8923-2953
Коняев Максим Анатольевич, д. т.н, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург. konyaev@lsystems.ru
ORCID: 0000-0001-8884-0861
Михайленко Андрей Сергеевич, АО «Лазерные системы», Санкт-Петербург.
ORCID: 0000-0002-4710-9594
Вклад членов авторского коллектива
Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств АО «Лазерные системы».
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
А. С. Борейшо, М. А. Коняев, А. А. Ким, А. С. Михайленко
Балтийский государственный технический
университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова,
АО «Лазерные системы», Санкт-Петербург, Россия
Средства дистанционного зондирования атмосферы в оптическом и радиочастотном диапазонах находят широкое применение в аэронавигации, технологиях обеспечения безопасности полетов, метеорологии, экологии, климатологии и в иных сферах. Лидарные и радиолокационные системы имеют общие принципы функционирования. Несмотря на эту общность, их традиционно разделяют в зависимости от используемого частотного диапазона электромагнитного излучения. Следствием такого разделения становится разделение их функциональных возможностей и решаемых задач. Однако, как показывает практика, комплексное использование оптического и радиочастотного излучения при атмосферном мониторинге может привести к синергетическому эффекту и существенному расширению возможностей подобных системы. В статье рассматриваются возможности и перспективы совместного применения оптико-радиочастотных средств атмосферного зондирования.
Ключевые слова: мониторинг атмосферы, дистанционное зондирование, лидар, радиолокатор, оптико-радиочастотный локатор
Статья получена: 14.01.2021
Принята к публикации: 10.02.2021
Лидарные и радарные системы дистанционного зондирования атмосферы в основе своей работы опираются на один и тот же принцип: отражение или рассеяние электромагнитного излучения от атмосферных объектов и последующее определение его характеристик. Тем не менее исторически и традиционно сложилось разделение оптических (лидарных) и радиочастотных средств зондирования. Во многом это обусловлено различными методами генерации электромагнитного излучения в оптическом и радиочастотных диапазонах, различием техники приема и обработки сигналов.
Сегодня оптическое и радиочастотное зондирование атмосферы представляет собой сформировавшиеся независимые научно-технические направления с характерными областями применения. Тем не менее в ряде случаев их совместное использование оказывается оправданным и эффективным. Однако для того чтобы увидеть потенциальные преимущества комплексирования разно диапазонных систем дистанционного зондирования, необходимо понимать специфику и ограничения каждой из них.
Современные лидарные средства заняли твердые позиции в области 3D-сканирования, навигации и сенсорики беспилотных транспортных средств и летательных аппаратов, экологического мониторинга атмосферы мегаполисов и промышленных объектов, ветровой энергетики, воздушной безопасности и научных исследований. Наибольшее распространение и значимость получили лидарные системы анализа атмосферы на предмет распределения аэрозольного и химического состава воздуха, а также скорости и направления ветра [1]. При лидарном зондировании атмосферы, например при построении профилей ветра или коэффициента обратного рассеяния (профиль облачности), полезный сигнал является результатом рассеяния лазерного излучения на мелкодисперсном атмосферном аэрозоле, который всегда присутствуюет в приземном слое. В этом случае детектируемая мощность рассеянного сигнала в зависимости от дистанции r определяется лидарным уравнением, которое связывает характеристики атмосферы и параметры лидарной системы:
,
где η – общая эффективность приемной системы, P0 – выходная мощность источника, β(r) – коэффициент обратного рассеяния атмосферы, с – скорость света, τ – длительность импульса, А – площадь приемной апертуры лидара, α(r) – коэффициент ослабления атмосферы.
Характеристики атмосферы заключены в коэффициентах β(r) и α(r), характеризующих наличие и распределение аэрозоля по лучу зондирования. В общем случае их можно связать со значениями метеорологической дальности видимости (МДВ). Значение ослабления α атмосферы можно посчитать по эмпирической формуле:
,где , где λ – длина волны [мкм], V – МДВ [км], а α [км–1].
Земная атмосфера оказывает существенное влияние на эффективность любого лидара: изменение метеорологических условий от ясного неба к плотной облачности или туману, дождю, метели или урагану ведет к существенному снижению дальности действия лидара вплоть до полной его неэффективности из-за сверхинтенсивного рассеяния и поглощения зондирующего излучения уже в ближней зоне. Иными словами, с понижением метеорологической дальности видимости падает и дальность эффективной работы атмосферного лидара. В таблице приведены типичные дальности работы доплеровского лидара ИВЛ‑5000 [2] в зависимости от состояния атмосферы и значения МДВ. Снижение рабочей дальности лидара связано со значительным увеличением атмосферных потерь на рассеянии и ослаблении оптического излучения на крупном аэрозоле, который образует туман и характерен для осадков различного типа.
Длины волн радиочастотных систем зондирования атмосферы больше оптических на 3–4 порядка. Это обуславливает большую проникающую способность радиоизлучения в условиях плотных атмосферных образований, дождя и штормов, однако делает их практически бесполезными в чистой атмосфере, поскольку центры рассеяния – частицы мелкодисперсного аэрозоля и пыль – оказываются чрезвычайно малыми для эффективного рассеяния радиочастотного излучения. Иными словами, радиочастотные метеолокаторы наиболее эффективны в условиях неблагоприятных погодных условий при малой дальности видимости. В случае распределенной в некотором объеме цели принимаемая радаром мощность определяется следующим уравнением:
.
где: Pt – выходная мощность источника, G – усиление антенны, θ – угловое поле антенны, τ – длительность импульса, с – скорость света, K – коэффициент, учитывающий характеристики осадков, Z – отражаемость, Latm – атмосферное ослабление до цели, LMF – ослабление канала обработки.
Отражаемость атмосферных осадков при радарном зондировании связана с распределением по размерам рассеивающих центров, скорости выпадения осадков и других факторов, но в первом и достаточно точном приближении она может быть выражена следующей зависимостью:
,
где: D – размер рассеивающей частицы, N(D) – концентрация частиц с размером D в единичном объеме.
Таким образом, можно связать характерные значения отражаемости метеорологических радаров с коэффициентом обратного рассеяния и ослабления атмосферы для лидара, поскольку детектируемый сигнал в обоих случаях формируется рассеянием и отражением на частицах в атмосфере.
С учетом этих особенностей взаимодействия излучения с аэрозолем логичным выглядит совмещение двух измерительных систем на основе лидара оптического диапазона и радиодиапазона с одинаковым пространственным и временным разрешением, обеспечивающие всепогодность измерений. Работы в направлении совмещения оптико-радиочастотных средств зондирования атмосферы реализуются во многих странах [3, 4].
В России объединение лидара и радиолокатора на единой мобильной платформе для обеспечения всепогодности измерений было осуществлено компанией АО «Лазерные системы» [3].
В результате анализа зависимости рабочих дистанций от метеорологической отражаемости атмосферы [5] было показано, что эффективное функционирование классических радиолокационных доплеровских систем X-диапазона возможно при специфических погодных условиях. В этих условиях отражаемость атмосферных объектов оказывается не ниже определенного значения, которое для оптического диапазона является критическим и резко снижает дальность работы. Поэтому при использовании двух диапазонов, оптического и радиочастотного, появляется погодная «слепая зона». В ней типичные дальности работы обеих систем составляют порядка 2‑х и менее километров. Это оказывается неприемлемым для метеорологического комплекса аэронавигации и обеспечения безопасности полетов при изменяющихся в широких диапазонах метеорологических условиях. Кроме того, естественная слепая зона у Х-радаров может составлять более 3‑х километров.
Математическое моделирование показывает, что добавление радара миллиметрового диапазона (метеолокатор Ка-диапазона) закрывает эту погодную «слепую зону» и позволяет обеспечить всепогодность измерения параметров ветра с минимальной рабочей дистанцией более 5 000 метров (рис. 1) в любых погодных условиях, вплоть до средних осадков [3].
В ходе модернизации двухдипазанного комплекса был разработан и в настоящее время проходит опытную эксплуатацию трехдиапазонный (Х, Ка и ИК) комплекс всепогодного метеорологического обеспечения «Лира‑3» [6]. Внешний вид комплекса представлен на рис. 2.
Первые экспериментальные исследования совместной работы трех каналов показывают, что наблюдается не только качественное, но и количественное совпадение получаемых значений параметров ветра. Некоторые результаты измерения вертикально профиля скорости ветра, проведенные в апреле 2019 года в Санкт-Петербурге [4], показаны на графиках (рис. 3).
Описанная система способна обеспечивать комплексную всепогодную диагностику метеорологической обстановки на предмет своевременного обнаружения опасных погодных явлений в зоне взлета / посадки. К подобным явлениям относятся сдвиг ветра в приземном слое, вихревые следы за самолетом, Система может определять горизонтальную и вертикальную видимость. Стоит отметить, что эффективность использования таких комплексов значительно возрастает при дооснащении их специальными локальными средствами контроля метеорологической обстановки [2].
При совместной работе 3‑х диапазонов зондирования преимущество того или иного диапазона будет определяться состоянием погодных условий, изменяющихся во времени. При изменении метеоусловий от ясного неба к слабому дождю, а затем к ливню, наибольшей эффективностью соответственно состоянию погодных условий будут обладать: ИК-лидар, метеолокатор Ка-диапазона, метеолокатор Х-диапазона.
Еще одно преимущество при таком комплексировании заключается в возможности более точного профилирования атмосферной трассы, классификации наблюдаемых объектов и снижении эффекта экранирования. Так, например, легкое облако или дымка, имеющие крайне слабый отклик в радиочастотных диапазонах, оказываются контрастными для ИК-лидара. В то же время плотное облачное образование, полностью блокирующее ИК-излучение и экранирующее собой последующую атмосферную трассу, становится относительно прозрачным для радиочастотного излучения.
Получая данные о профиле отражаемости атмосферы в каждом из частотных диапазонов, реализуется подобие гиперспектрального профилирования атмосферной трассы. Перспективным направлением также является комплексирование оптико-радиочастотной системы с лидарным каналом измерения химического состава атмосферы. Такие измерения могут оказаться востребованными специалисты не только из области прикладной метеорологии. Результаты будут представлять интерес для климатологии, экологии, технологий ликвидации последствий чрезвычайных происшествий природного и техногенного характера и многих других сфер профессиональной деятельности.
Заключение
Востребованность оптико-радиочастотных систем дистанционного зондирования атмосферы во всем мире возрастает. Многие применения требуют минимизации массогабаритных параметров и повышения мобильности комплексов вплоть до установки на подвижном шасси. При выполнении таких требований реализация оптико-радиочастотных систем дистанционного зондирования атмосферы путем объединения независимых лидарных и радиочастотных средств зондирования лишь на верхнем уровне обработки получаемых данных оказывается неоптимальной. Комплекс становится дорогим, негабаритным, сложным в развертывании и при транспортировке. В этих условиях перспективы развития видятся в комплексировании средств зондирования не только на уровне обработки сигналов, но и на физическом уровне. Внедрение технологий радиофотоники, активно развивающейся в настоящее время, позволит не только уменьшить массогабаритные характеристики комплексов, но и повысить их эксплуатационные характеристики. Речь идет о малошумящих оптико-радиочастотных задающих генераторах с высокой фазовой стабильностью [7], диаграмм-формирующих оптоэлектронных методах, высокочастотном электрооптическом преобразовании в приемном тракте радиолокаторов и, наконец, т. н. радиофотонном аналого-цифровом преобразовании [8].
Благодарность
Авторы выражают искреннюю признательность Д. Н. Васильеву, С. Ю. Страхову и всем коллегам из БГТУ «Военмех» и АО «Лазерные системы», а также Г.Г Щукину, В. Ю. Жукову и М. Ю. Ильину за участие, полезные советы и дискуссии в ходе работ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Борейшо А. С., Ким А. А., Коняев М. А., Лугиня В. С., Морозов А. В., Орлов А. Е. Современные лидарные средства дистанционного зондирования атмосферы. Фотоника. 2019; 13 (7): 648–657. DOI: 10.22184/1993-7296.FROS.2019.13.7.648.657.
ИВЛ‑5000 (WINDEX 5000). Импульсный ветровой лидар (ИВЛ‑5000) для мониторинга ветровой обстановки. URL: http://lsystems.ru/products/lidary/ windex‑5000 / .
Щукин Г. Г., Борейшо А. С., Жуков В. Ю., Ильин М. Ю., Коняев М. А. Лидарно-радиолокационный метеорологический комплекс. Известия высших учебных заведений. Физика. 2015; 58 (10-3): 100–103.
Boreysho A. S., Kim A. A., Konyaev M. A., Ilyin M. Y., Shchukin G. G., Zhukov V. Y. Possibility and application of all-weather lidar-radio sensing complexes. International Conference «Actual Trends in Radiophysics». Journal of Physics: Conference Series. 2020; 1499: 012025. DOI: 10.1088/1742-6596/1499/1/012025.
Аэродромные системы дистанционного обнаружения маловысотного сдвига ветра: документ ICAO: Doc A39-WP / 287. – Международная организация гражданской авиации. 39 сессия, 2016, март 25. URL: https://www.icao.int/Meetings/a39/Pages/documentation-reference-documents.aspx.
LIRA. Мобильный многоволновой лидарно-радарный комплекс для мониторинга атмосферы, прогнозирования ветровой обстановки. URL: http://lsystems.ru/products/lidary/lira/.
Никитин А. А., Калиникос Б. А. Теория перестраиваемого спинволнового оптоэлектронного сверхвысоко-частотного генератора. ЖТФ. 2015; 75 (9): 141–145.
Земцов Д. С., Злоказов Е. Ю., Небавский В. А., Стариков Р. С., Хафизов И. Ж. Обработка сигналов Х-диапазона радиофотонным АЦП с псевдослучайной выборкой. Сборник трудов X международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики – 2018». С-Пб: Университет ИТМО. 2018; 223–225. ISBN 978-5-7577-0588-0.
Об авторах
Борейшо Анатолий Сергеевич, д. т.н, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург.
ORCID: 0000-0002-3245-9321
Ким Алексей Андреевич, к. т.н, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург. alexeykim90@gmail.com
ORCID: 0000-0002-8923-2953
Коняев Максим Анатольевич, д. т.н, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург. konyaev@lsystems.ru
ORCID: 0000-0001-8884-0861
Михайленко Андрей Сергеевич, АО «Лазерные системы», Санкт-Петербург.
ORCID: 0000-0002-4710-9594
Вклад членов авторского коллектива
Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств АО «Лазерные системы».
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Отзывы читателей
