АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЗАРУБЕЖНЫХ ЛИДАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОБЛАЧНОГО ПОКРОВА ЗЕМЛИ И АЭРОЗОЛЕЙ ИЗ КОСМОСА

Введение

Лидар – это устройство, излучающее лазерные импульсы с определённой частотой и измеряющее параметры отражённого (рассеянного) объектом исследования лазерного излучения [1]. К объектам исследования могут относится тела с твёрдыми поверхностями, жидкости, аэрозоли, молекулы газа и пары различных веществ. Измеряется интенсивность отражённого сигнала, время прохождения импульсов, доплеровский сдвиг сигнала, поляризация и т.д. Обработка сигнала позволяет определить расстояние до объекта и его скорость, концентрацию газов и аэрозолей, скорость воздушных потоков в атмосфере, толщину облачных слоёв, концентрацию и размеры частиц облаков, характеристики подстилающей поверхности, включая отражательную способность на определённых длинах волн.  В этой связи лидары являются мощным инструментом исследований в физике атмосферы, метеорологии и климатологии, геофизике, океанологии и других областях науки (включая даже археологию, поскольку получение точных топографических карт местности с помощью авиационных и космических лидаров крайне важно для организации археологических изысканий) [1-5]. Размещение лидаров на борту космических аппаратов придаёт новое качество исследованиям [4], поскольку резко увеличивается зона обзора лидара, появляется возможность для глобальных исследований атмосферы и поверхности Земли и тел Солнечной системы. В этой связи совершенствование космической техники, лазерных технологий и электронного оборудования привело к взрывному развитию лидарных технологий для космоса в последние 25-30 лет [1].

Сфера применений лидаров в космосе исключительно широка: лазерные дальномеры для определения расстояния между космическими аппаратами при стыковке, доплеровские измерители скорости для систем стыковки и посадки, лазерные альтиметры, научные лидары различного назначения – от альтиметров для построения точных топографических карт поверхности Земли и тел Солнечной системы до приборов для измерения концентрации парниковых газов [1].  На данный момент в открытой печати имеются сведения о более чем 50 реализованных, либо разрабатываемых проектах научных лидаров космического базирования [1].

В настоящей работе сделан акцент на кратком обзоре основных достижений в области космических лидаров для изучения облачного покрова Земли и аэрозолей, поскольку эта сфера крайне важна с точки зрения решения проблем климатологии, экологии и метеорологии. С помощью космических лидаров могут быть получены полные и детальные сведения о различных характеристиках атмосферы с целью формирования прогнозов погоды, мониторинга загрязнений атмосферы, определения концентрации отдельных газов и т.п. [1-3]. Значительная часть территории России, особенно высокие северные широты, включая арктическую зону, большую часть времени закрыта облачностью, поэтому изучение динамики облачного покрова Земли особенно актуально для нашей страны.

Вместе с тем, несмотря на ряд пионерских работ, выполненных в 80-е – 90-е годы, в России данное направление практически не получило развития. Поскольку в настоящий момент созданию отечественных космических средств дистанционного зондирования Земли уделяется повышенное внимание, целесообразно проанализировать зарубежный опыт создания и эксплуатации аэрозольных и многоцелевых лидаров космического базирования.

Наиболее значимые проекты космических лидаров для изучения атмосферных образований, реализованные за рубежом

Рассмотрим несколько флагманских, зарубежных проектов лидаров для изучения облачного покрова и аэрозолей, реализованных в последние 20 лет.

Приборный комплекс CALIOP [6-8] – лидар с двумя каналами с ортогональной поляризацией излучения для исследования облачного покрова и аэрозолей. Данный прибор был установлена на КА CALIPSO (США, Франция), запущенном в 2006 году и функционировавшем до 2010 года на солнечно-синхронной орбите высотой 705 км и наклонением 98 градусов. Основная задача – получение вертикальных профилей упругого рассеяния от облачного слоя в различное время суток и получение данных о распределении в нём водяного пара, пылевых частиц и аэрозолей. В качестве источника излучения используется твердотельный лазер Nd:YAG. Используются две волны излучения – 532 и 1064 нм (зелёный видимый свет и ближний ИК-диапазон). Частота следования импульсов – 20 Гц. Апертура главного бериллиевого зеркала оптической системы приёмника (схема Кассегрена) – 1000 мм. В качестве детектора рассеянного излучения в канале 532 нм используется фотоумножитель (PMT), а в канале 1064 нм – лавинный фотодиод (APD).

Лидар CATS (Cloud Aerosol Transport System) [9,10] – уникальный аэрозольный лидар. Данный прибор был создан и доставлен на Международную космическую станцию (МКС) для исследования и мониторинга облачного покрова и аэрозолей в воздушных транспортных коридорах. Он был размещён на открытой платформе японского модуля JEM (JEM-EF) американского сегмента МКС.  Исследовательские работы велись в период с 2014 по 2020 годы. Триггером для создания подобного лидара, предназначенного для изучения распределения и динамики аэрозольных и пылевых частиц в основных коридорах авиаперевозок через Атлантику и Тихий океан, стало извержение вулкана Эйяфьядлайёкюдль в Исландии в 2010 году.  Данное извержение частично парализовало воздушное сообщение между Европой и Северной Америкой.  В системе CATS используются два многоволновых твердотельных лазера Nd:YVO₄ с диодной накачкой. Первый лазер имеет суммарную импульсную мощность 5 мДж, которая примерно поровну делится между излучением на длинах волн 1064 нм и 532 нм. Второй лазер оснащён дополнительным нелинейным кристаллом для утроения частоты. При мощности импульса 6 мДж он излучает на трёх длинах волн – 1064, 532 и 355 нм.  Частота следования импульсов – от 4000 до 5000 Гц. Обеспечивается очень высокое пространственное разрешение по вертикали – от 30 до 60 м. В детекторах излучения используется лавинный фотодиод (APD) для длины волны 1064 нм и фотоумножители (PMT) для двух других каналов.  Апертура главного зеркала (бериллиевого) оптической системы Кассегрена – 600 мм.

16 апреля 2022 года Китай запустил спутник для мониторинга атмосферной среды (AEMS), оснащённый первым китайским космическим атмосферным лидаром для обнаружения аэрозолей и углерода (ACDL) [11-13]. ACDL использует два лидарных прибора на одной платформе. Один из них – лидар с высоким спектральным разрешением для наблюдения за аэрозолями и облаками (ACHSRL), а другой – лидар с интегрированным дифференциальным поглощением (IPDA) для наблюдения за атмосферным CO₂.  Высота солнечно-синхронной орбиты спутника AEMS – 705 км.  В лидаре ACHSRL используется твердотельный лазер Nd:YAG с длиной волны излучения 532 нм. В приёмной системе применяется телескоп схемы Кассегрена с апертурой главного зеркала равной 1000 мм, детектор излучения – фотоумножитель.

Лидар ATLID [14-17] был установлен на борту КА EarthCARE (принадлежит ESA – Европейскому космическому агентству, в проекте принимает участие JAXA – Японское космическое агентство). Данный космический аппарат создан для реализации шестой миссии по исследованию Земли в рамках программы «Живая планета». КА запущен 29 мая 2024 года на солнечно-синхронную орбиту (наклонение – 97,05 градусов) высотой 393 км. С помощью ATLID могут быть получены вертикальные профили оптически тонких облачных и аэрозольных слоев, а также определены высотные границы облаков. При этом вертикальное разрешение составляет 100 м для диапазона высот от 0 до 20 км, а для высот от 20 до 40 км – 500 м. ATLID оснащён твердотельным Nd:YAG лазером (длина волны – 355 нм), который излучает короткие (длительность – менее 35 нс) лазерные импульсы в ультрафиолетовом диапазоне с частотой повторения 51 Гц, ориентируясь в направлении, близком к надиру (с отклонением около 3 градусов). Рассеянный атмосферой сигнал собирается оптической системой приёмника (телескопом) с диаметром апертуры главного зеркала равной 620 мм.  Осуществляется фильтрация собранного обратного сигнала с помощью оптического узла, размещённого в фокальной плоскости прибора, для разделения и измерения сигналов атмосферного рассеяния Ми и Рэлея. Используется оптическая схема Мерсена, материал главного зеркала – SiC.

Основные технические характеристики космических лидаров для изучения атмосферных образований

В таблице 1 приведены основные технические характеристики лидаров космического базирования, описанных выше.

Из сведений, представленных в данной таблице, видно, что современные космические лидары являются достаточно крупногабаритными приборами – апертура главного зеркала лидара составляет от 600 до 1000 мм. Масса атмосферных лидаров, несмотря на использование облегчённых конструкций зеркал из бериллиевых сплавов и карбида кремния, как правило, составляет несколько сотен килограммов. Космические лидары могут потреблять достаточно большую электрическую мощность (до полукиловатта), причём в большинстве случаев они функционируют непрерывно. С учётом сказанного, подобные приборы необходимо размещать на достаточно тяжёлых спутниковых платформах с высокой энерговооружённостью. В этой связи представляет интерес размещение этих устройств и на борту перспективных орбитальных пилотируемых комплексов. Предпочтительной орбитой является солнечно-синхронная, высотой в несколько сотен километров.

Таблица 1. Основные технические характеристики зарубежных космических лидаров для атмосферных исследований

Выводы

1. Космические лидары являются мощным, эффективным инструментом для проведения глобального мониторинга облачности и аэрозолей в интересах метеорологии, климатологии, аэрофизики и геофизики. Полученные данные имеют большую практическую ценность, с точки зрения обеспечения народного хозяйства детальным прогнозом погоды, а также решения экологических проблем.

2. В составе космических лидаров для изучения атмосферных образований в основном используются твердотельные лазеры с длинами волн 355, 532 и 1064 нм, оптические системы Мерсена и Кассегрена с апертурами главных зеркал от 0,6 до 1,0 м облегчённой конструкции из бериллиевых сплавов и карбида кремния. В качестве детекторов излучения применяются фотоумножители и лавинные диоды.

3. Атмосферные лидары отличаются сравнительно большими массами, габаритами и энергопотреблениями, что делает целесообразным их размещение на борту тяжёлых спутниковых платформ.

1. Fouladinejad F. et al.  History and applications of space-borne lidars // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XLII-4/W18, GeoSpatial Conference – Joint Conferences of SMPR and GI Research, 12–14 October 2019, Karaj, Iran.
2. LIDAR: Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere / ed. C. Weitkamp. Springer, 2005. 455p. ISBN 0-387-40075-3.
3. Lu L. et al. Opto-mechanical system structure and research progress of space-borne lidar for cloud-aerosol // Infrared and Laser Engineering, 2020, Vol.49, №8 18p. DOI 10.3788/IRLA20190501.
4. Hancock S. et al. Requirements for a global lidar system: spaceborne lidar with wall-to-wall coverage // R. Soc. Open Sci., 2021, 8:211166. DOI 10.1098/rsos.211166.
5. H. Prümers, C. J. Betancourt, J. Iriarte, M. Robinson, M. Schaich, Lidar reveals pre-Hispanic low-density urbanism in the Bolivian Amazon. Nature 606, 325–328 (2022).
6. Winker D. The on-orbit performance of the CALIOP lidar on CALIPSO // International Conference on Space Optics — ICSO, 2008, Proc. of SPIE Vol. 10566, 105661H. DOI 10.1117/12.2308248.
7. Winker D., Hunt W., Weimer C. The on-orbit performance of the CALIOP LIDAR on CALIPSO // Proc. SPIE 10566, International Conference on Space Optics – ICSO 2008. P. 105661H. DOI 10.1117/12.2308248.
8. Hunt W. et al. CALIPSO lidar Description and performance assessment// Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2009. Vol. 26. DOI 10.1175/2009JTECHA1223.1.
9. McGill M. J. et al. The Cloud-Aerosol Transport System (CATS): a technology demonstration on the International Space Station. Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring XV. 2015, doi:10.1117/12.2190841.
10. Pauly R. et al. Cloud Aerosol Transport System (CATS) 1064 nm Calibration and Validation. Atmospheric Measurement Techniques. 2019, 12. 6241-6258. 10.5194/amt-12-6241-2019.
11. Ke J. et al. Development of China’s first space-borne aerosol-cloud high-spectral-resolution lidar: retrieval algorithm and airborne demonstration // PhotoniX. 2022. Vol. 3. №. 1. p. 17. DOI: /10.1186/s43074-022-00063-3
12. Liu D. et al. Performance estimation of space-borne highspectral- resolution lidar for cloud and aerosol optical properties at 532 nm // Optics Express. 2019. Vol. 27, No 8. P. A481-A494. DOI: 10.1364/OE.27.00A481.
13. Wang Q, Bu L, Tian L, Xu J, Zhu S, Liu J. Validation of an airborne high spectral resolution Lidar and its measurement for aerosol optical properties over Qinhuangdao. China Optics Express. 2020;28:24471–88.
14. Pereira do Carmo J. et al. ATLID, ESA atmospheric backscatter LIDAR for the ESA EarthCARE mission //CEAS Space Journal. 2019. Vol. 11. p. 423-435.
15. Hélière A., Toulemont Y., Lehors L. Atmospheric lidar ATLID onboard EarthCARE mission //Optical Payloads for Space Missions. 2015. p. 583-599.
16. Prevost E. et al. Beam steering mechanism for earthcare atmospheric lidar instrument ATLID: an ultra-stable piezoelectric tip tilt mechanism // Proc. of SPIE. 2016. Vol. 10562 International Conference on Space Optics (ICSO). P. 105624I. doi: 10.1117/12.2296059.
17. Lefebvre A. et al. EarthCARE mission, overview, implementation approach and development status // Proc. of SPIE. 2016. Vol. 9881, P. 98810P. DOI: 10.1117/12.2223955.

Все статьи автора «Евдокимов Роман Александрович»