Том 33, номер 07, статья № 4

pdf Шишко В. А., Коношонкин А. В., Кустова Н. В., Тимофеев Д. Н. Рассеяние света на сферических частицах для прикладных задач лидарного зондирования. // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 07. С. 522–528. DOI: 10.15372/AOO20200704.
Скопировать ссылку в буфер обмена
Аннотация:

Представлено решение задачи рассеяния света на сферических частицах, адаптированное для интерпретации лидарных сигналов в прикладных задачах. Решение получено для типичных длин волн, использующихся в задачах лазерного зондирования: 0,355; 0,532; 0,905; 0,940; 1,064; 1,55; 2,15; 10,6 мкм, в рамках теории рассеяния Г. Ми для воды и льда. Присущие решению высокочастотные осцилляции в направлении рассеяния назад сглажены посредством скользящего среднего, что позволяет строить быстрые и эффективные алгоритмы для наблюдающихся в атмосфере распределений частиц по размерам.

Ключевые слова:

рассеяние света, сферические частицы, лед, вода, лазерное зондирование, лидар

Список литературы:

1. Wandinger U., Müller D., Böckmann C., Althausen D., Matthias V., Bösenberg J., Weiß V., Fiebig M., Wendisch M., Stohl A., Ansmann A. Optical and microphysical characterization of biomass-burning and industrial-pollution aerosols from multiwavelength lidar and aircraft measurements // J. Geophys. Res.: Atmos. Am. Geophys. Union. D. 2002. V. 107, N 21. P. LAC7-1–20. DOI: 10.1029/2000JD000202.
2. Матвиенко Г.Г., Суханов А.Я., Бабченко С.В. Анализ возможностей нейронных сетей при IPDA космическом зондировании CO2 с привлечением разнородных априорных данных // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 12. С. 974–980; Matvienko G.G., Sukhanov A.Ya., Babchenko S.V. The analysis of capabilities of neural networks in CO2 sounding with spaceborne IPDA-lidar with the use of different a priori data // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 2. P. 165–170.
3. 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. DOI: 10.1364/AO.34.006959.
4. Bo Guangyu, Liu Dong, Wu Decheng, Wang Bangxin, Zhong Zhiqing, Xie Chenbo, Zhou Ju. Two-wavelength lidar for observation of aerosol optical and hygroscopic properties in fog and haze days // Chin. J. Lasers. 2014. V. 41, N 1. P. 113001. DOI: 10.3788/CJL201441.0113001.
5. Климкин А.В., Карапузиков А.А., Коханенко Г.П., Куряк А.Н., Осипов К.Ю., Пономарев Ю.Н., Чжан Шо. Использование длинноволнового диапазона для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 3. С. 205–208.
6. Kim I.I., McArthur B., Korevaar E.J. Comparison of laser beam propagation at 785 nm and 1550 nm in fog and haze for optical wireless communications // Proc. SPIE. 2001. DOI: 10.1117/12.417512.
7. Fu Q., Sun W.B., Yang P. Modeling of Scattering and Absorption by Nonspherical Cirrus Ice Particles at Thermal Infrared Wavelengths // J. Atmos. Sci. Am. Meteorol. Soc. 1999. V. 56, N 16. P. 2937–2947. DOI: 10.1175/1520-0469(1999)056<2937:MOSAAB>2.0.CO;2.
8. Невзоров А.В., Долгий С.И., Макеев А.П., Ельников А.В. Результаты лидарных наблюдений аэрозоля от лесных пожаров Северной Америки в стратосфере над Томском в конце лета и осенью 2017 г. // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 2. С. 162–167.
9. Baran A.J., Francis P.N., Havemann S., Yang P. A study of the absorption and extinction properties of hexagonal ice columns and plates in random and preferred orientation, using exact T-matrix theory and aircraft observations of cirrus // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2001. V. 70, N 4–6. P. 505–518. DOI: 10.1016/S0022-4073(01)00025-5.
10. Sassen K., Dodd G.C. Haze Particle Nucleation Simulations in Cirrus Clouds, and Applications for Numerical and Lidar Studies // J. Atmos. Sci. Am. Meteorol. Soc. 1989. V. 46, N 19. P. 3005–3014. DOI: 10.1175/1520-0469(1989)046<3005:HPNSIC>2.0.CO;2.
11. Burns J.A., Lamy P.L., Soter S. Radiation forces on small particles in the solar system // Icarus. Oxford University Press. 1979. V. 40, N 1. P. 1–48. DOI: 10.1016/0019-1035(79)90050-2.
12. Savage J., Harrington W., McKinley R.A., Burns H.N., Braddom S., Szoboszlay Z. 3D-LZ helicopter ladar imaging system // Proc. SPIE. / M.D. Turner, G.W. Kamerman (eds.). 2010. DOI: 10.1117/12.853625.
13. Murray J.T., Seely J., Plath J., Gotfreson E., Engel J., Ryder B., Van Lieu N., Goodwin R., Wagner T., Fetzer G., Kridler N., Melancon C., Panici K., Mitchell A. Dust-Penetrating (DUSPEN) “see-through” lidar for helicopter situational awareness in DVE // Proc. SPIE. / K.L. Bernier, J.J. Güell (eds.). 2013. DOI: 10.1117/12.2016439.
14. Moorman R.W. Through Sand and Fog - U.S. military looks for https:// www.aviationtoday.com / 2012 / 01 / 01 / through-sand-and-fog/specific systems to improve situational awareness for landing in degraded visual environments // Avionics International, January 1, 2012. URL: (last access: 27.02.2020).
15. Münsterer T., Rannik P., Wegner M., Tanin P., Samuelis C. Usage of LiDAR in a brownout pilotage system: Flight test results on a single ship and chalk 2 scenarios // Proc. SPIE. / J.N. Sanders-Reed, J.J. Arthur (eds.). 2017. DOI: 10.1117/12.2263878.
16. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen // Ann. Phys. 1908. V. 25. P. 377–445.
17. Борен К., Хафман Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.
18. Каблукова Е.Г., Каргин Б.А., Лисенко А.А., Матвиенко Г.Г. Численное моделирование поляризационных характеристик эхосигнала при наземном зондировании облаков в террагерцовом диапазоне // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 10. С. 892–900; Kablukova E.G., Kargin B.A., Lisenko A.A., Matvienko G.G. Numerical simulation of polarization characteristics of an echo signal in the process of ground-based cloud sensing in the terahertz range // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 1. P. 33–41.
19. Hecht J. Lidar for self-driving cars // Opt. Photon. News. 2018. V. 29, N 1. P. 26–35.
20. ScatterLib [Electronic resource]. URL: http://scatterlib.wikidot.com/mie (last access: 27.02.2020).
21. MiePlot [Electronic resource]. URL: http://www.philiplaven.com/mieplot.htm (last access: 27.02.2020).
22. Warren S.G., Brandt R.E. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave: A revised compilation // J. Geophys. Res. Am. Geophys. Union. D. 2008. V. 113, N 14. DOI:  10.1029/2007JD009744.
23. Warren S.G. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave // Appl. Opt. The Opt. Soc. 1984. V. 23, N 8. P. 1206. DOI: 10.1364/AO.23.001206.
24. Hale G.M., Querry M.R. Optical Constants of Water in the 200-nm to 200-mm Wavelength Region // Appl. Opt. Opt. Soc. 1973. V. 12, N 3. P. 555. DOI: 10.1364/AO.12.000555.
25. Банк данных матриц обратного рассеяния света сферических частиц [Электронный ресурс]. URL: ftp://ftp.iao.ru/pub/GWDT/Mie/ (дата обращения: 27.02.2020).
26. Yazdani M., Mautz J., Murphy L., Arvas E. High-Frequency Scattering From Radially Uniaxial Dielectric Sphere // IEEE Antennas Wirel. Propag. Lett. 2015. V. 14. P. 1577–1581. DOI: 10.1109/LAWP.2015.2413399.
27. Hovenac E.A., Lock J.A. Assessing the contributions of surface waves and complex rays to far-field Mie scattering by use of the Debye series // J. Opt. Soc. Am. A. 1992. V. 9. P. 781–795.
28. Grandy W.T. Chapter 5. Short-waveleght scattering from transparent shperes // Scattering of Waves Large Spheres. England: Cambridge University Press, 2000. P. 141–186.