Том 33, номер 01, статья № 2

Герасимов В. В. Влияние столкновительного уширения линий на точность измерения температуры тропосферы с помощью чисто вращательных Рамановских лидаров. // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 01. С. 14–24. DOI: 10.15372/AOO20200102.
Скопировать ссылку в буфер обмена
Аннотация:

С помощью численного моделирования оценено влияние столкновительного уширения линий на точность восстановления профилей температуры тропосферы (0–11 км) из сигналов чисто вращательных Рамановских лидаров. Моделирование проводилось для трех наборов спектральных фильтров с разными полосами пропускания в приемной системе лидара. В качестве источника исходящего лидарного сигнала рассматривался узкополосный лазер с длиной волны 532 нм. В работе представлен сравнительный анализ ошибок восстановления температуры (ошибок калибровки) с использованием девяти калибровочных функций. Для каждого набора фильтров определена калибровочная функция, восстанавливающая температуру тропосферы с наименьшими ошибками.

Ключевые слова:

комбинационное рассеяние, лидар, уширение спектральных линий, калибровочная функция, температура тропосферы

Список литературы:

1. Weitkamp C. Lidar: range-resolved optical remote sensing of the atmosphere // Springer Ser. in Opt. Sci. 2005. V. 102. 456 p.
2. Бобровников С.М., Надев А.И. Сравнение методов обработки сигнала при дистанционном измерении температуры по чисто вращательным спектрам комбинационного рассеяния // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 7. С. 580–584; Bobrovnikov S.M., Nadeev A.I. Comparison of signal processing methods in remote temperature measurements by pure rotational Raman spectra // Atmos. Ocean. Opt. 2010. V. 23, N 6. P. 523–527.
3. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Многоапертурная приемопередающая система лидара с узким полем зрения и минимальной мертвой зоной зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31. № 7. С. 551–558; Bobrovnikov S.M., Gorlov E.V., Zhar­kov V.I. A Multi-Aperture Transceiver System of a Lidar with Narrow Field of View and Minimal Dead Zone // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 6. P. 690–697.
4. Behrendt A., Reichardt J. Atmospheric temperature profiling in the presence of clouds with a pure rotational Raman lidar by use of an interference-filter-based polychromator // Appl. Opt. 2000. V. 39, N 9. P. 1372–1378.
5. Achtert P., Khaplanov M., Khosrawi F., Gumbel J. Pure rotational-Raman channels of the Esrange lidar for temperature and particle extinction measurements in the troposphere and lower stratosphere // Atmos. Meas. Tech. 2013. V. 6, N 1. P. 91–98.
6. Penney C.M., Peters R.L.St., Lapp M. Absolute rotational Raman cross sections for N2, O2, and CO2 // J. Opt. Soc. Am. 1974. V. 64, N 5. P. 712–716.
7. Cooney J.A. Measurement of atmospheric temperature profiles by Raman backscatter // J. Appl. Meteorol. 1972. V. 11, N 1. P. 108–112.
8. Kim D., Cha H., Lee J., Bobronikov S. Pure rotational Raman lidar for atmospheric temperature measurements // J. Korean Phys. Soc. 2001. V. 39, N 5. P. 838–841.
9. Balin I., Serikov I., Bobrovnikov S., Simeonov V., Cal­pini B., Arshinov Y., van den Bergh H. Simultaneous measurement of atmospheric temperature, humidity, and aerosol extinction and backscatter coefficients by a combined vibrational–pure-rotational Raman lidar // Appl. Phys. B. 2004. V. 79, N 6. P. 775–782.
10. Chen S., Qiu Z., Zhang Y., Chen H., Wang Y. A pure rotational Raman lidar using double-grating monochromator for temperature profile detection // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2011. V. 112, N 2. P. 304–309.
11. Jia J., Yi F. Atmospheric temperature measurements at altitudes of 5–30 km with a double-grating-based pure rotational Raman lidar // Appl. Opt. 2014. V. 53, N 24. P. 5330–5343.
12. He J., Chen S., Zhang Y., Guo P., Chen H. A novel calibration method for pure rotational Raman lidar temperature profiling // J. Geophys. Res.: Atmos. 2018. V. 123, N 19. P. 10925–10934.
13. Zuev V.V., Gerasimov V.V., Pravdin V.L., Pavlinskiy A.V., Nakhtigalova D.P. Tropospheric temperature measurements with the pure rotational Raman lidar technique using nonlinear calibration functions // Atmos. Meas. Tech. 2017. V. 10, N 1. P. 315–332.
14. Di Girolamo P., Marchese R., Whiteman D.N., Demoz B.B. Rotational Raman Lidar measurements of atmospheric temperature in the UV // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31, N 1. P. L01106.
15. Radlach M., Behrendt A., Wulfmeyer V. Scanning rotational Raman lidar at 355 nm for the measurement of tropospheric temperature fields // Atmos. Chem. Phys. 2008. V. 8, N 2. P. 159–169.
16. Newsom R.K., Turner D D., Goldsmith J.E.M. Long-term evaluation of temperature profiles measured by an operational Raman lidar // J. Atmos. Oceanic Technol. 2013. V. 30, N 8. P. 1616–1634.
17. Hammann E., Behrendt A., Le Mounier F., Wulfmeyer V. Temperature profiling of the atmospheric boun­dary layer with rotational Raman lidar during the HD(CP)2 Observational Prototype Experiment // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15, N 5. P. 2867–2881.
18. Mao J., Hu L., Hua D., Gao F., Wu M. Pure rotational Raman lidar with fiber Bragg grating for temperature profiling of the atmospheric boundary layer // Opt. Appl. 2008. V. 38, N 4. P. 715–726.
19. Arshinov Yu., Bobrovnikov S. Use of a Fabry–Perot interferometer to isolate pure rotational Raman spectra of diatomic molecules // Appl. Opt. 1999. V. 38, N 21. P. 4635–4638.
20. Arshinov Yu., Bobrovnikov S., Serikov I., Ansmann A., Wandinger U., Althausen D., Mattis I., Müller D. Daytime operation of a pure rotational Raman lidar by use of a Fabry–Perot interferometer // Appl. Opt. 2005. V. 44, N 17. P. 3593–3603.
21. Hauchecorne A., Keckhut P., Mariscal J.-F., d’Almeida E., Dahoo P.-R., Porteneuve J. An innovative rotational Raman lidar to measure the temperature profile from the surface to 30 km altitude // EPJ Web Conf. 2016. V. 119. P. 06008. DOI: 10.1051/epjconf/ 201611906008.
22. Weng M., Yi F., Liu F., Zhang Y., Pan X. Single-line-extracted pure rotational Raman lidar to measure atmospheric temperature and aerosol profiles // Opt. Express. 2018. V. 26, N 21. P 27555–27571.
23. Arshinov Yu.F., Bobrovnikov S.M., Zuev V.E., Mitev V.M. Atmospheric temperature measurements using a pure rotational Raman lidar // Appl. Opt. 1983. V. 22, N 19. P. 2984–2990.
24. Behrendt A., Nakamura T., Onishi M., Baumgart R., Tsuda T. Combined Raman lidar for the measurement of atmospheric temperature, water vapor, particle extinction coefficient, and particle backscatter coefficient // Appl. Opt. 2002. V. 41, N 36. P. 7657–7666.
25. Hammann E., Behrendt A. Parametrization of optimum filter passbands for rotational Raman temperature measurements // Opt. Express. 2015. V. 23, N 24. P. 30767–30782.
26. Chen H., Chen S.Y., Zhang Y.C., Guo P., Chen H., Chen B.L. Robust calibration method for pure rotational Raman lidar temperature measurement // Opt. Express. 2015. V. 23, N 16. P. 21232–21242.
27. Yan Q., Wang Y., Gao T., Gao F., Di H., Song Y., Hua D. Optimized retrieval method for atmospheric temperature profiling based on rotational Raman lidar // Appl. Opt. 2019. V. 58, N 19. P. 5170–5178.
28. Nedelikovich D., Hauchecorne A., Chanin M.L. Rotational Raman lidar to measure temperature from the ground to 30 km // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1993. V. 31, N 1. P. 90–101.
29. Lee III R.B. Tropospheric temperature measurements using a rotational Raman lidar: Ph.D. dissertation. Hampton, Virginia: Hampton University, 2013. 112 p. URL: https://pqdtopen.proquest.com/doc/1437652821.html?FMT=ABS (last access: 23.08.2019).
30. Gerasimov V.V., Zuev V.V. Analytical calibration fun­ctions for the pure rotational Raman lidar technique // Opt. Express. 2016. V. 24, N 5. P. 5136–5151.
31. Gerasimov V.V. Comparative analysis of calibration functions in the pure rotational Raman lidar technique // Appl. Phys. B. 2018. V. 124, N 7. P. 134.
32. Межерис Р.М. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987. 550 с; Measures R.M. Laser remote sensing, fundamentals and applications. Wiley, 1984. 510 p.
33. Кочанов В.П. Сравнение контуров спектральных линий в моделях сильных и слабых столкновений // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 2. С. 87–95; Kochanov V.P. Comparison of Spectral Line Profiles in Hard and Soft Collision Models // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 3. P. 257–265.
34. URL: https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19770009539.pdf (last access: 23.08.2019).
35. Курс физической химии, Т. 2 / Я.И. Герасимов (ред.). М.: Химия, 1973. 624 с; Gerasimov Y.I. Course in Physical Chemistry. Khimiya, 1973. V. 2. 624 p. [in Russian].
36. Olivero J.J., Longbothum R.L. Empirical fits to the Voigt line width: A brief review // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1977. V. 17, N 2. P. 233–236.
37. Li Y.J., Song S.L., Li F.Q., Cheng X.W., Chen Z.W., Liu L.M., Yang Y., Gong S.S. High-precision measu­rements of lower atmospheric temperature based on pure rotational Raman lidar // Chinese J. Geophys. 2015. V. 58, N 4. P. 313–324.
38. Wu D., Wang Z., Wechsler P., Mahon N., Deng M., Glover B., Burkhart M., Kuestner W., Heesen B. Airborne compact rotational Raman lidar for temperature measurement // Opt. Express. 2016. V. 24, N 18. P. A1210–A1223.
39. Li Y.J., Lin X., Song S.L., Yang Y., Cheng X.W., Chen Z.W., Liu L.M., Xia Y., Xiong J., Gong S.S., Li F.Q. A combined rotational Raman–Rayleigh lidar for atmospheric temperature measurements over 5–80 km with self-calibration // IEEE Trans. Geosci. Remote. Sens. 2016. V. 54, N 12. P. 7055–7065.
40. Li Y.J., Lin X., Yang Y., Xia Y., Xiong J., Song S.L., Liu L.M., Chen Z.W., Cheng X.W., Li F.Q. Temperature characteristics at altitudes of 5–80 km with a self-calibrated Rayleigh-rotational Raman lidar: A summer case study // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 188. P. 94–102.
41. Behrendt A., Nakamura T., Tsuda T. Combined temperature lidar for measurements in the troposphere, stratosphere, and mesosphere // Appl. Opt. 2004. V. 43, N 14. P. 2930–2939.
42. Su J., McCormick M.P., Wu Y.H., Lee III R.B., Lei L.Q., Liu Z.Y., Leavor K.R. Cloud temperature measurement using rotational Raman lidar // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2013. V. 125. P 45–50.
43. Бажулин П.А. Исследование вращательных и вращательно-колебательных спектров газов методом комбинационного рассеяния света // Успехи физ. наук. 1962. Т. 77, № 8. С. 639–648.