Информация о ходе выполнения проекта №14.613.21.0003

Развитие методов и средств дистанционного лазерного зондирования атмосферы для создания систем мониторинга с участием научно-исследовательских организаций СНГ

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 22 августа 2014 г. № 14.613.21.0003 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 3 в период с 01.07.2015 г. по 31.12.2015 г. выполнялись следующие работы:

1. Разработка и изготовление экспериментального образца (макета) СКР-лидара для дистанционного определения вертикального распределения температуры.
2. Разработка Программы и методики экспериментальных исследований СКР-лидара для дистанционного определения вертикального распределения температуры.
3. Экспериментальные исследования экспериментального образца (макета) СКР-лидара для дистанционного определения вертикального распределения температуры.
4. Апробация методических и технологических решений по регистрации сигналов комбинационного рассеяния на большом антенном телескопе Сибирской лидарной станции.
5. Создание нового канала по измерению температуры ионосферы на высотах 80-110 км на основе эффектов резонансной флуоресценции.
6. Создание нового канала по измерению аэрозолей биологического происхождения с использованием эффектов флуоресценции света.
7. Подготовка публикаций по теме ПНИ.
8. Подготовка заявок на патентование.
9. Участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ.
10. Разработка блоков программного пакета для обработки лидарных данных.
11. Разработка унифицированных фотоприемных модулей для регистрации лидарных сигналов в аналоговом режиме и в режиме счета фотонов.

При этом были получены следующие результаты:

• Разработан и изготовлен экспериментальный образец СКР-лидара для дистанционного определения вертикального распределения температуры, проведена разработка программы и методики экспериментальных исследований, проведены экспериментальные исследования СКР-лидара.
• Для экспериментального образца разработана техническая документация, включающая: общий вид экспериментального образца, оптическая и комбинированная схема, перечень элементов, сборочный чертеж. Разработана программа и методики экспериментальных исследований экспериментального образца, на основании которых проведены экспериментальные исследования. Составлены акты и протоколы экспериментальных исследований.
• В соответствии с этими протоколами экспериментальный образец СКР-лидара для дистанционного определения вертикального распределения температуры обеспечивает следующие основные технические характеристики: длина волны зондирующего излучения, нм – 532; энергия в импульсе, Дж – 0.8; диаметр приемной апертуры, м – 1; режим регистрации – счет-фотонов; пространственное разрешение, м – 4.5÷2000; максимальная дальность действия, км – 10.
• Проведена апробация методических и технологических решений по регистрации сигналов комбинационного рассеяния на большом антенном телескопе Сибирской лидарной станции. Апробация проведена на основе спектрального селектора сигналов комбинационного рассеяния в виде двойного монохроматора с дифракционными решетками по схеме с вычитанием дисперсии. Данный подход позволил осуществить свободу выбора ширины и положения участков и возможность одновременного выделения нескольких участков спектра.
• Проведены работы по созданию нового канала по измерению температуры ионосферы на высотах 80-110 км на основе эффектов резонансной флуоресценции и канала по измерению аэрозолей биологического происхождения с использованием эффектов флуоресценции света.
• Для канала по измерению температуры ионосферы на высотах 80-110 км на основе хорошо изученной тонкой структуры линии D2 желтого дублета натрия, вычислены отношения сигналов для различных пар рабочих частот c шириной полосы 100 МГц. Наибольшая крутизна отношения меньшего сигнала к большему получилась при частотном сдвиге от частоты ν0 на 180 МГц. На интервале температур 170 – 270оК она составила величину 2,18·10-3 оК-1. Но, исходя из соображений необходимости точной установки положения рабочих частот относительно контура линии D2, за вторую рабочую частоту принимается частота ν0 +203,9 МГц. Это обусловлено возможностью точного контроля положения рабочих частот посредством использования нелинейного эффекта насыщения спектра флуоресценции в ячейке с парами натрия. Таким образом, в качестве рабочих частот выбираются ν0-0,6567ГГц и ν0 +203,9 МГц. Частота ν0 это общий центр тяжести линии D2 , который соответствует длине волны λ0 = 589,158нм. На выбранном участке спектра крутизна калибровочного графика составляет 2,16·10-3 оК-1. Разработан лазерный излучатель по принципу сложения в нелинейном кристалле двух длин волн  нм, состоящий из пары исполнительных лазерных головок, ширина спектра которых задаётся двумя задающими (seed) Nd:YAG лазерами производства ИЛФ СО РАН, перестройка частоты производится изменением температуры резонатора задающих лазеров.
• Основным эксплуатационным достоинством канала по измерению аэрозолей биологического происхождения с использованием эффектов флуоресценции света является комплексное сочетание различных технических и методических подходов. Преимущество разработанного оборудования перед существующими зарубежными аналогами заключается в следующем:
  1. Наличие двух каналов (ИК и УФ диапазона), которые с помощью оригинальной оптической системы работают одновременно при одной посылке лазерного излучения, позволяет оперативно обнаруживать наличие аэрозоля биогенного происхождения на фоне аэрозолей другой природы.
  2. Лидар позволяет одновременно регистрировать сигналы в аналоговом и счетно-фотонном режимах, что позволяет повысить дальность зондирования как минимум в 3-4 раза и эксплуатировать лидар в любое время суток.
  3. Высокий энергетический потенциал лидара позволяет эффективно использовать его для контроля антропогенного загрязнения территорий и исследования аэрозольных слоев до высот 20-25 км.
• Институтом физики НАН Беларуси, в соответствии с календарным планом, разработаны блоки программного пакета обработки лидарных данных для расчета профилей оптических характеристик аэрозоля по данным лидарного СКР-зондирования основанные на применении регуляризирующих алгоритмов для решения задач дистанционного зондирования, а также линейка унифицированных фотоприемных модулей, обеспечивающих регистрацию лидарных сигналов в диапазоне 0.26 – 1.5 мкм в режимах аналогового сигнала и счета фотонов на основе ФЭУ и лавинных фотодиодов.
• Выполнены патентные исследования в соответствие с заданием на их проведение и регламента патентного поиска. Патентные исследования были проведены на патентную чистоту объекта техники по описаниям к свидетельствам, заявкам и патентам. Поиск проводился на глубину не менее 20 лет с 1994 г. по 2015 г., в соответствии с ГК РФ. При проведении патентных исследований были выявлены аналоги анализируемых технических решений, определены их недостатки и пути их решения.
• Сведения о выявленных охранных и иных документах, которые будут препятствовать применению разработанных технических решений в Российской Федерации не обнаружены.