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.