Том 36, номер 03, статья № 8

Аннотация:

Рассматривается оригинальная статистическая модель переноса лазерного излучения в рассеивающей среде, позволяющая вычислять мощность лидарного сигнала с учетом эффектов рассеяния любой кратности. Проводится сравнительный анализ временной структуры сигнала, полученной с использованием предложенной модели и альтернативных методов. Изучаются особенности распространения лазерного импульса наземного лидара в сплошной перистой облачности с учетом эффектов многократного рассеяния. Исследуется зависимость фона многократного рассеяния от оптико-микрофизических характеристик облаков (коэффициент ослабления излучения, степень шероховатости, размер и форма ледяных частиц) и параметров приемной системы лидара. Результаты моделирования свидетельствуют о высокой чувствительности части эхосигнала, обусловленной кратно рассеянным излучением, к варьируемым параметрам, что необходимо учитывать при постановке и решении обратных задач.
 

Ключевые слова:

лидарное зондирование, перенос лазерного излучения, многократное рассеяние, перистые облака, метод Монте-Карло

Список литературы:

1. Middleton W.E.K., Spilhaus A.F. Meteorological instruments. Canada: University of Toronto, 3rd ed. 1953.
2. National Aeronautics and Space Administration. USA, 2022. URL: https://www.nasa.gov/missions (last access: 15.09.2022).
3. Балин Ю.С., Тихомиров А.А. История создания и работы в составе орбитальной станции «Мир» первого российского космического лидара БАЛКАН // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 12. С. 1078–1087.
4. Cloud-Aerosol Transport System (CATS). URL: https: //cats.gsfc.nasa.gov/ (last access: 27.09.2022).
5. Winker D.M., Vaughan M., Omar A., Hu Y., Powell K., Liu Z., Hunt W., Young S. Overview of the CALIPSO Mission and CALIOP data processing algorithms // J. Atmos. and Ocean. Technol. 2009. V. 26, N 11. P. 2310–2323.
6. GAW Aerosol Lidar Observations Network: GALION. URL: http://alg.umbc.edu/ galion/ (last access: 27.09.2022).
7. Кауль Б.В., Самохвалов И.В. Помеха многократного рассеяния при лидарных измерениях матриц обратного рассеяния света кристаллических облаков // Оптика атмосф. и океана. 1999. Т. 12, № 5. С. 401–404.
8. Liou K.N., Schotland R.M. Multiple scattering and depolarization from water clouds for a pulsed lidar system // J. Atmos. Sci. 1971. V. 28, N 5. P. 772–784.
9. Eloranta E.W., Shipley S.T. A solution for multiple scattering // Atmospheric Aerosols: Their Formation, Optical Properties and Effects. Hampton: Spectrum Press, 1982. P. 227–239.
10. Bissonnette L.R., Hutt D.L. Multiply scattered aerosol lidar returns: Inversion method and comparison with in situ measurements // Appl. Opt. 1995. V. 34, N 30. P. 6959–6975.
11. Креков Г.М., Крекова М.М. Структура сигнала орбитального лидара, отраженного верхней кромкой облаков. Ч. 2. Оптически неоднородные облака // Оптика атмосф. и океана. 1998. Т. 11, № 1. С. 51–54.
12. Elastic Lidar. Theory, Practice, and Analysis Methods / V.A. Kovalev, W.E. Eichinger (eds.). Hoboken: Wiley-Interscience, 2004. 640 p.
13. Коршунов В.А. Многократное рассеяние в перистых облаках и его учет при интерпретации лидарных измерений в стратосфере // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 12. С. 969–975; Korshunov V.A. Multiple scattering in cirrus clouds and taking it into account when interpreting lidar measurements in the stratosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 2. P. 151–157.
14. Марчук Г.И., Михайлов Г.А., Назаралиев М.А., Дар­бинян Р.А., Каргин Б.А., Елепов Б.С. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике. Новосибирск: Наука, 1976. 280 с.
15. Креков Г.М. Метод Монте-Карло в проблемах атмосферной оптики // Оптика атмосф. и океана. 2007. Т. 20, № 9. С. 826–836.
16. Каблукова Е.Г., Каргин Б.А. Эффективные дискретно-стохастические модификации локальных оценок метода Монте-Карло для задач лазерного зондирования рассеивающих сред // Вычислительные технологии. 2012. Т. 17, № 3. С. 70–82.
17. Брюханова В.В., Самохвалов И.В., Абрамочкин А.И., Абрамочкин С.А., Тихомиров А.А. Лидарный сигнал многократного рассеяния от капельных облаков // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16, № 9. С. 773–782.
18. Русскова Т.В. Моделирование переноса солнечного излучения в облачной атмосфере методом Монте-Карло с использованием графического процессора и технологии NVIDIA CUDA // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 11. С. 915–926; Russkova T.V. Monte Carlo simulation of the solar radiation transfer in a cloudy atmosphere with the use of graphic processor and NVIDIA CUDA technology // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 2. P. 119–130.
19. Пригарин С.М. Статистической моделирование эффектов, связанных с многократным рассеянием импульсов наземных и космических лидаров в облачной атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 9. С. 747–751; Prigarin S.M. Monte Carlo simulation of the effects caused by multiple scattering of ground-based and spaceborne lidar pulses in clouds // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 1. P. 79–83.
20. Bissonnette L.R., Bruscaglioni P., Ismaelli A., Zaccanti G., Cohen A., Benayahu Y., Kleiman M., Egert S., Flesia C., Schwendimann P., Starkov A.V., Noormohammadian M., Oppel U.G., Winker D.M., Zege E.P., Katsev I.L., Polonsky I.N. LIDAR multiple scattering from clouds // Appl. Phys. B. 1995. V. 60. P. 355–362.
21. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир, 1971. 303 с.
22. Bissonnette L.R. Multiple scattering of narrow light beams in aerosols // Appl. Phys. B. 1995. V. 60. P. 315–323.
23. Flesia C., Schwendimann P. Analytical multiple scattering extension of the mie theory // Appl. Phys. B. 1993. V. 56. P. 157–163.
24. Zege E.P., Katsev I.L., Polonsky I. Analytical solution to LIDAR return signals from clouds with regard to multiple scattering // Appl. Phys. B. 1995. V. 60. P. 345–353.
25. Winker D., Poole L.R. Monte-Carlo calculations of cloud returns for ground-based and space-based LIDARS // Appl. Phys. B. 1995. V. 60. P. 341–344.
26. Bruscaglioni P., Ismaelli A., Zaccanti G. Monte-Carlo calculations of LIDAR returns: Procedure and results // Appl. Phys. B. 1995. V. 60. P. 325–329.
27. Baum B.A., Yang P., Heymsfield A.J., Bansemer A., Merrelli A., Schmitt C., Wang C. Ice cloud single-scattering property models with the full phase matrix at wavelengths from 0.2 to 100 μm // J. Quant. Spectrosc. Radiant. Transfer. 2014. V. 146. P. 123–139.
28. Yang P., Wei H., Huang H.-L., Baum B.A., Hu Y.X., Kattawar G.W., Mishchenko M.I., Fu Q. Scattering and absorption property database for nonspherical ice particles in the near- through far-infrared spectral region // Appl. Opt. 2005. V. 44, N 26. P. 5512–5523.
29. Коношонкин А.В., Боровой А.Г., Кустова Н.В., Шишко В.А., Тимофеев Д.Н. Рассеяние света на атмосферных ледяных кристаллах в приближении физической оптики. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2020. 219 с.
30. Zhou C., Yang P. Backscattering peak of ice cloud particles // Opt. Express. 2015. V. 23, N 9. P. 11995–12003.
31. Platt C.N.R. Remote sounding of high clouds. III: Monte Carlo calculations of multiple-scattered lidar returns // Atmos. Sci. 1981. V. 38. P. 156–167.
32. Yang P., Kattawar G.W., Hong G., Minnis P., Hu Y.X. Uncertainties associated with the surface texture of ice particles in satellite-based retrieval of cirrus clouds: Part I. Single scattering properties of ice crystals with surface roughness // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2008. V. 46. P. 1940–1947.
33. Shishko V.A., Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Timofeev D.N., Borovoi A.G. Coherent and incoherent backscattering by a single large particle of irregular shape // Opt. Express. 2019. V. 27, N 23. P. 32984–32993.
34. Коношонкин А.В., Кустова Н.В., Шишко В.А., Боровой А.Г. Методика решения задачи рассеяния света на ледяных кристаллах перистых облаков в направлении рассеяния назад методом физической оптики для лидара с зенитным сканированием // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 1. С. 40–50; Konoshonkin A.V., Kustova N.V., Shishko V.A., Borovoi A.G. The technique for solving the problem of light backscattering by ice crystals of cirrus clouds by the physical optics method for a lidar with zenith scanning // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 3. P. 252–262.