Например, Бобцов

Оценка погрешностей результатов лидарного зондирования слабо замутненной атмосферы

ОПТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ

УДК 551.501.7
ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ СЛАБО ЗАМУТНЕННОЙ АТМОСФЕРЫ

© 2013 г. А. Д. Егоров, доктор физ.-мат. наук; И. А. Потапова, доктор физ.-мат. наук; Ю. Б. Ржонсницкая, канд. физ.-мат. наук; Н. А. Саноцкая, канд. физ.-мат. наук
Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург
Е-mail: egorovad@rambler.ru

Рассмотрены методы интерпретации сигналов обратного рассеяния, принятых от слабо замутненной атмосферы. Установлено, что точность интерпретации этих сигналов может быть повышена при использовании эффективной процедуры осреднения на отрезке трассы зондирования и линейной аппроксимации пропускания.

Ключевые слова: прозрачность атмосферы, лидарные измерения, мощность сигнала, нелинейная обратная задача, линейное решение, погрешность коэффициента ослабления.

Коды OCIS: 280.0280, 280.1100, 280.1120.

Поступила в редакцию 10.09.2012.

Введение
Лидарная информация о характеристиках аэрозольного загрязнения атмосферы отличается возможностью его дистанционной регистрации, высоким пространственным разрешением и оперативностью получения, что обеспечивает ее научную и практическую значимость. Характеристики аэрозольного загрязнения в интегральных методах лидарного зондирования можно связать с параметрами слабо замутненной атмосферы [1, 2]. Это приводит к необходимости разработки методов интерпретации и оценки погрешности результатов лидарного зондирования слабо замутненной атмосферы. В работе [3] рассмотрены систематические ошибки, для данных конкретного лидара [4] показано наличие существенных искажений сигнала обратного рассеяния, которые препятствуют интерпретации результатов измерений на расстояниях до 2,5 км. В настоящей работе участок зондирования с недопустимо большими систематическими погрешностями исключается. Рассматривается случайная погрешность измерения для условий работы [4] со слабо изменяющимися во времени параметрами

среды, когда удалось выполнить осреднение по большому количеству измерений. Расчет погрешности выполняется по значениям лидарных сигналов, полученных в процессе натурных измерений.

Основы методов интерпретации результатов лидарного зондирования
слабо замутненной атмосферы

Для коротких зондирующих импульсов в приближении однократного рассеяния обращаемое лидарное уравнение связывает эхо сигнал Pi с оптическими характеристиками аэрозоля атмосферы:

Pi = P* + B/Ri2exp(–2Ri),

(1)

где P* – фоновая засветка, B = A, A – постоянная лидара, Ri – расстояние зондирования,  – коэффициент обратного рассеяния,  – коэф-
фициент ослабления, постоянный вдоль трассы
зондирования слабо замутненной атмосферы.
Для того чтобы найти средние значения P*, B,  в случае слабо замутненной атмосферы,
т. е. в случае малых величин , задачу можно
линеаризовать и использовать метод наимень-

58 “Оптический журнал”, 80, 3, 2013

ших квадратов. Искомые величины определяются на основании решения системы уравнений

ån
(P*+ B Ri2-2B Ri - Pi ) = 0,
1

(2)

ån (P* + B Ri2-2B Ri - Pi )1 Ri2 = 0, 1

(3)

ån
(P* + B Ri2-2B Ri - Pi )1 Ri = 0.
1

(4)

При зондировании слабо замутненной ат-
мосферы для определения осредненной по n из-
мерениям фоновой засветки P*n можно использовать непосредственно систему уравнений
(2)–(4), поскольку значение P* близко к измеряемому сигналу Pi и определяется с меньшей погрешностью по сравнению с погрешностью
определения величины .

Соответствующая случайная погрешность  фоновой засветки P* может быть определена в линейном приближении с использованием
правила переноса ошибок (см., например, [5]). Величины B,  целесообразно определять

для уменьшения их погрешности с учетом ре-
зультата расчета фоновой засветки P* на основании решения системы уравнений (3), (4).
Их случайные погрешности 1 при определенном одном параметре P* рассчитываются также на основании правила переноса ошибок.
В частности, при известном параметре B

коэффициент ослабления определяется выра-

жением

 = (D1 + BD2)/(2BD3), где

D1= ån Pi ån (1 Ri )-nån (Pi Ri ),

i=1 i=1

i=1

( ) ( )å å ån
D2 = n

1 Ri3 - n (1 Ri ) n

1 Ri2 ,

i=1 i=1 i=1

(5) (6) (7)

å( ) ån
D3 = n
i=1

1

Ri2

-æèçççç

n i=1

(1

Ri

)÷÷÷÷øö2 .

(8)

Для случайной погрешности 1 имеет место формула

1=  p/2B (n/D3),

(9)

где p – случайная погрешность эхо-сигнала и учитывается, что эхо-сигнал близок к посто-
янной величине – фоновой засветке.

Еще более точно можно определить любой
из искомых параметров с учетом результа-
та расчета двух других неизвестных величин.
Например, фоновую засветку P* с погрешностью 2 можно вычислить, используя выражение

åP* =1 n n êéëPi - B Ri2exp(-2Ri )ùúû i=1

(10)

при предварительно рассчитанных значениях Bn, n.

Погрешности результатов лидарного зондирования слабо замутненной атмосферы
На рис. 1 представлены результаты расчета погрешности фоновой засветки в линейном приближении для лидарных сигналов, рассмотренных в работе [4] с осреднением по 1500 посылкам зондирующих импульсов с частотой 50 посылок в секунду. Приводится зависимость от расстояния зондирования погрешности, отнесенной к мощности фоновой засветки. Погрешность фоновой засветки удается уменьшить до 0,1% за счет увеличения количества измерений на отрезке трассы достаточной пространственной протяженности. Несмотря на малое значение погрешности актуален вопрос о повышении точности интерпретации данных лидарного зондирования, так как рассматриваемый отрезок трассы, на котором атмосфера является слабо замутненной, может быть существенно короче.
На рис. 2 представлены результаты расчета погрешности коэффициента ослабления с использованием выражения (9). Приводятся зависимости погрешностей, отнесенных к ко-

/P*, %
5
4
3
2
1
0
0 10 20 30 40 50 60 i 70 Рис. 1. Зависимость относительной погрешности фоновой засветки /P*. i – номер шага, шаг 150 м.

“Оптический журнал”, 80, 3, 2013

59

/
0,5
0,4
0,3
0,2
1
0,1
2 0,00 10 20 30 40 50 60 i 70
Рис. 2. Результаты расчетов относительной погрешности коэффициента ослабления для разных шагов зондирования (1 – 75 м, 2 – 150 м).
r
0,5
0,4
0,3 2
0,2
1
0,1
0,00 10 20 30 40 50 60 i 70 Рис. 3. Результаты определения отношений погрешностей r = 2/ для фоновой засветки (1) и r = 2/1 для коэффициента ослабления (2).

эффициенту ослабления, от расстояния зондирования для разных шагов зондирования. Погрешность коэффициента ослабления может быть меньше 2%, но величина  определяется с большей погрешностью по сравнению с погрешностью определения P*.
На рис. 3 представлены результаты определения отношений погрешностей для фоновой засветки (2/) и для коэффициента ослабления (2/1). Полученные зависимости показывают, что погрешности определения фоновой засветки и коэффициента ослабления могут быть уменьшены путем выбора алгоритма статистической обработки более чем в 2–3 раза.
Выводы
С использованием данных эксперимента проведен анализ погрешностей лидарного определения оптических характеристик атмосферного аэрозоля. Установлено, что погрешности определения коэффициента ослабления и фоновой засветки могут быть уменьшены до 2% и 0,1% соответственно путем увеличения количества измерений на отрезке трассы зондирования и за счет выбора алгоритма статистической обработки более, чем в 2 раза.
Работа выполнена в рамках мероприятия 1.2.2 Федеральной целевой программы “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” на 2009–2013 годы (государственный контракт № П1037 от 31 мая 2010 г.) по направлению “Физика атмосферы”.

*****

ЛИТЕРАТУРА
1. Егоров А.Д., Потапова И.А., Щукин Г.Г. Методы лидарного зондирования атмосферного аэрозоля // Оптический журнал. 2001. Т. 68. № 11. С. 10–14.
2. Егоров А.Д., Потапова И.А., Ржонсницкая Ю.Б. Обращение лидарных сигналов малой мощности // Оптический журнал. 2007. Т. 74. № 10. С.25–28.
3. Потапова И.А. Оценка инструментальных погрешностей лидарных измерений атмосферных характеристик // Ученые записки РГГМУ. 2009. № 9. C. 86–91.
4. Yegorov A.D., Potapova I.A., Rzhonsnitskaya Yu.B. Atmospheric aerosols measurements and reliability problem // International Journal of Remote Sensing. 2008. № 29. P. 2449–2468.
5. Худсон Д. Статистика для физиков. М.: Мир, 1970. 276 с.

60 “Оптический журнал”, 80, 3, 2013