ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ HSRLHSRL:: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ

ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ

ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΑΛ. ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΑΛ. ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣ

ΚΑΠΟΓΙΑΝΝΗ ΙΩΑΝΝΑΚΑΠΟΓΙΑΝΝΗ ΙΩΑΝΝΑ

ΔΙΑΔΟΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΗΝ ΔΙΑΔΟΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ

Η ακτινοβολία διαδίδεται στην ατμόσφαιρα και εξασθενεί για Η ακτινοβολία διαδίδεται στην ατμόσφαιρα και εξασθενεί για 2 λόγους2 λόγους::

1.1. ΣκέδασηΣκέδαση

2.2. ΑπορρόφησηΑπορρόφηση

από τα μόρια της ατμόσφαιρας- από τα μόρια της ατμόσφαιρας- molmol ( π.χ. ( π.χ. COCO22, O, O22, N, N22)) και από τα και από τα αιωρούμενα αιωρούμενα

σωματίδια- σωματίδια- aeraer ( π.χ. ( π.χ. NaCl NaCl ωκεανών, αιθάλη από καύση βιομάζας, θειικά ωκεανών, αιθάλη από καύση βιομάζας, θειικά άλαταάλατα

από ηφαίστεια ).από ηφαίστεια ).

Καθώς λοιπόν η ακτινοβολία Καθώς λοιπόν η ακτινοβολία laserlaser προσπίπτει στα προσπίπτει στα aeraer και στα και στα molmol έχουμε έχουμε τριών τριών

ειδώνειδών σκεδάσειςσκεδάσεις::

1.1. Σκέδαση Σκέδαση MieMie

2.2. Σκέδαση Σκέδαση RayeighRayeigh

3.3. Σκέδαση Σκέδαση RamanRaman

Σκέδαση Σκέδαση MieMie:: aer/ aer/ ελαστικήελαστική

Μεγέθη Μεγέθη aer aer από 0,01 μαπό 0,01 μm – 1 cmm – 1 cm Το λΤο λοο της ακτινοβολίας είναι συγκρίσιμο με διάμετρο των της ακτινοβολίας είναι συγκρίσιμο με διάμετρο των

aeraer.. Έχουν ακανόνιστο σχήμα.Έχουν ακανόνιστο σχήμα. Συντελεστής οπισθοσκέδασης: β Συντελεστής οπισθοσκέδασης: β ~~ 1/λ 1/λοο..

Σκέδαση Σκέδαση Rayeigh Rayeigh :: mol/mol/ ελαστική ελαστική

Μεγέθη Μεγέθη mol mol μερικά μερικά pmpm.. Έχουν διάμετρο πολύ μικρότερη από το λΈχουν διάμετρο πολύ μικρότερη από το λοο της ακτινοβολίας. της ακτινοβολίας. Είναι σφαιρικά.Είναι σφαιρικά. Συντελεστής οπισθοσκέδασης: β Συντελεστής οπισθοσκέδασης: β ~~ 1/λ 1/λοο

44..

Σκέδαση Σκέδαση RamanRaman:: mol/ mol/ μη ελαστικήμη ελαστική

Μπορεί να είναι Μπορεί να είναι 2 ειδών2 ειδών::

1.1. Raman StokesRaman Stokes: λ: λss › λ › λο ο VVss= V= Voo-n*-n*ΔΔVVRR

2.2. Raman antiRaman anti--StokesStokes λ λAsAs ‹ ‹ λλοο VaVaSS= V= Voo+n*+n*ΔΔVVRR

ΔΔVVR R → → Μετατόπιση Μετατόπιση Raman Raman του κάθε μορίου (του κάθε μορίου (cmcm-1-1))n → n → Τάξη σκέδασηςΤάξη σκέδασης

Η σχέση που συνδέει τα λ, Η σχέση που συνδέει τα λ, VV: λ(μ: λ(μmm)= 10000/)= 10000/VV ( (cmcm-1-1))Η σκέδαση Η σκέδαση RamanRaman χρειάζεται χρειάζεται laser laser υψηλής ισχύος διότι το υψηλής ισχύος διότι το

σήμα σήμα RamanRaman είναι ασθενές σε σχέση με το σήμα από την ελαστική σκέδαση.είναι ασθενές σε σχέση με το σήμα από την ελαστική σκέδαση.

Βασική σχέση: Σχέση Βασική σχέση: Σχέση BohrBohr:: λ= λ=c/v=(h*c)/c/v=(h*c)/ΔΕΔΕ

ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ LIDAR- LIDAR- ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ

LI.D.A.R.LI.D.A.R.= light detection and ranging= light detection and ranging

Η τεχνική Η τεχνική LI.D.A.R.LI.D.A.R. βασίζεται στην εκπομπή παλμικής βασίζεται στην εκπομπή παλμικής ακτινοβολίας ακτινοβολίας laser laser

στην ατμόσφαιρα και στην καταγραφή της στην ατμόσφαιρα και στην καταγραφή της οπισθοσκεδαζόμενης οπισθοσκεδαζόμενης

ακτινοβολίας.ακτινοβολίας.

Κύρια χρήση:Κύρια χρήση: καταγραφή κατακόρυφης κατανομής ρύπων καταγραφή κατακόρυφης κατανομής ρύπων με μεγάλη με μεγάλη

χωρική (3- 1000 χωρική (3- 1000 m)m) και χρονική ακρίβεια ( και χρονική ακρίβεια (sec- min).sec- min).

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΗΓΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΗΓΗΣ LASERLASER

1.1. Πρέπει το Πρέπει το laser laser να είναι στενό φασματικά, να είναι στενό φασματικά, δηλαδή με μικρό εύρος Δλ ( δηλαδή με μικρό εύρος Δλ ( ~~ 0,01 0,01nm)nm) γύρω από γύρω από το κεντρικό λτο κεντρικό λοο (250 (250nm- 11nm- 11μμmm) στο οποίο ) στο οποίο εκπέμπει.εκπέμπει.

2.2. Πρέπει το Πρέπει το laser laser να είναι παλμικό ώστε να να είναι παλμικό ώστε να γνωρίζουμε τον ακριβή χρόνο εκπομπής και γνωρίζουμε τον ακριβή χρόνο εκπομπής και λήψης της ακτινοβολίας, και να υπολογίζεται η λήψης της ακτινοβολίας, και να υπολογίζεται η αντίστοιχη απόσταση (χωρική διακριτική αντίστοιχη απόσταση (χωρική διακριτική ικανότητα).ικανότητα).

ΔΔR= c*R= c*ΔΔt/2t/2

ΔΔtt: - ιδανικά η διάρκεια παλμού: - ιδανικά η διάρκεια παλμού

- στην πράξη ο χρόνος δειγματοληψίας- στην πράξη ο χρόνος δειγματοληψίας

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ- ΕΞΙΣΩΣΗ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ- ΕΞΙΣΩΣΗ LIDARLIDAR

Όπου: Όπου: είναι ο γεωμετρικός συντελεστής επικάλυψης, ο είναι ο γεωμετρικός συντελεστής επικάλυψης, ο

οποίος οποίος εξαρτάται από τα γεωμετρικά στοιχεία της εξαρτάται από τα γεωμετρικά στοιχεία της διάταξης.διάταξης.

είναι ο συνολικός συντελεστής είναι ο συνολικός συντελεστής οπισθοσκέδασης ( οπισθοσκέδασης (mm-1-1 sr sr-1-1)).Είναι μέτρο για .Είναι μέτρο για

το πόσο ισχυρό είναι το σήμα που το πόσο ισχυρό είναι το σήμα που επιστρέφει.επιστρέφει.

είναι ο συνολικός είναι ο συνολικός συντελεστής συντελεστής

εξασθένησης εξασθένησης (m (m-1-1))..

Είναι το οπτικό πάχος για το στρώμα Είναι το οπτικό πάχος για το στρώμα μεταξύ των μεταξύ των υψομέτρων υψομέτρων rr11 και και rr22..

Το οπτικό πάχος μας ενδιαφέρει, διότι αν το γνωρίζουμε Το οπτικό πάχος μας ενδιαφέρει, διότι αν το γνωρίζουμε μπορούμε να μπορούμε να

υπολογίζουμευπολογίζουμε πόσο εξασθένησε η δέσμη που πέρασε μέσα πόσο εξασθένησε η δέσμη που πέρασε μέσα από το συγκεκριμένο πάχοςαπό το συγκεκριμένο πάχος::

I(z)=Io*I(z)=Io*

ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ HSRLHSRL HIGH SPECTRAL RESOLUTION HIGH SPECTRAL RESOLUTION LIDARLIDAR

Χρησιμοποιείται κυρίως για μετρήσεις των Χρησιμοποιείται κυρίως για μετρήσεις των aer aer στην τροπόσφαιρα (0-στην τροπόσφαιρα (0-10 10 km).km).

Εκμεταλλεύεται την μετατόπιση συχνότητας Εκμεταλλεύεται την μετατόπιση συχνότητας DopplerDoppler που που δημιουργείται από τους σκεδαστές(δημιουργείται από τους σκεδαστές(molmol και και aer)aer). Η μετατόπιση . Η μετατόπιση Doppler Doppler είναι εντονότερη στα είναι εντονότερη στα molmol σε σχέση με τα σε σχέση με τα aeraer. .

Μετ. Μετ. DopllerDopller ΤαχύτηταΤαχύτητα mol mol 1 1 GHzGHz 300 m/sec300 m/sec aeraer 3-30 MHz 3-30 MHz 1-10 m/sec1-10 m/sec

Στο σχήμα: είναι το ολικό σήμα Στο σχήμα: είναι το ολικό σήμα lidar lidar από τα από τα mol mol και τα και τα aeraer. Η . Η

λεπτή λεπτή κορυφή κορυφή σχετίζεται με τα σχετίζεται με τα aeraer και και είναι ο λόγος για τον οποίο είναι ο λόγος για τον οποίο χρειαζόμαστε χρειαζόμαστε laser laser με μικρό Δλ.με μικρό Δλ.

Περιγραφή διάταξηςΠεριγραφή διάταξηςΣύστημα εκπομπήςΣύστημα εκπομπής

Χρησιμοποιείται Χρησιμοποιείται NdYAG laser NdYAG laser παλμικό που εκπέμπει με λ=532 παλμικό που εκπέμπει με λ=532 nmnm..

Ο Ο KTP KTP κρύσταλλος εκπέμπει σε δύο αρμονικές: λ1=532 κρύσταλλος εκπέμπει σε δύο αρμονικές: λ1=532 nm (mol) nm (mol) καικαι

λ2=1064 λ2=1064 nmnm ( (aer)aer)..

Σύστημα λήψηςΣύστημα λήψης

BSBS: Διχρωικός διαχωριστής δέσμης: 1064 : Διχρωικός διαχωριστής δέσμης: 1064 nm nm PMT1(//) PMT1(//)

532 nm PMT2 (//) 532 nm PMT2 (//) PMT3(┴) PMT3(┴)

PMTPMT: Φωτοπολλαπλασιαστής: Φωτοπολλαπλασιαστής

IFIF: Φίλτρο συμβολής: Φίλτρο συμβολής

PBSPBS: Κύβος διαχωρισμού της πόλωσης: Κύβος διαχωρισμού της πόλωσης

LL: Φακός: Φακός

532 nm

TTεχνικά χαρακτηριστικάεχνικά χαρακτηριστικά

Πίνακας 1:Πίνακας 1: Παράμετροι του Παράμετροι του HSRLHSRL

και ενδεικτικές και ενδεικτικές τιμές τους.τιμές τους.

Πίνακας 2:Πίνακας 2: Πηγές σφαλμάτωνΠηγές σφαλμάτων

Μεγέθη που μας ενδιαφέρουνΜεγέθη που μας ενδιαφέρουν

((combined combined channelchannel,,PMT1)PMT1)

("molecular ("molecular channel“,PMT2)channel“,PMT2)

(PMT3)(PMT3)

Ένα παράδειγμα: Ένα παράδειγμα: Saharan Mineral Dust Experiment May–June 2006

H H διαδρομή της πτήσης:διαδρομή της πτήσης:

Άλλα μετρούμενα μεγέθη:Άλλα μετρούμενα μεγέθη:Λόγος αποπόλωσης για τα aer.Όσο πιο μεγάλος είναι, τόσο πιο πολύ αποκλίνει από την σφαιρικότητα.

Λόγος LIDAR για τα aer. Εξαρτάται από την χημική σύσταση και τον

δείκτη διάθλασης των aer.

Συνολικός συντελεστής οπισθοσκέδασης των aer.

Λόγος οπισθοσκέδασης= 1+(βaer/βmol)

ΓραφικήΓραφική

ΑναπαράστασηΑναπαράσταση

ΜετρούμενωνΜετρούμενων

μεγεθώνμεγεθών

Πειραματικές Πειραματικές

ΜετρήσειςΜετρήσεις

Από τοΑπό τοSaharan Mineral Dust Experiment

Μέτρηση Μέτρηση

ΣυντελεστήΣυντελεστή

ΟπισθοσκέδασηςΟπισθοσκέδασης

β από νέφη β από νέφη

και και aeraer

(Αύγουστος 2007, (Αύγουστος 2007,

Βραζιλία)Βραζιλία)

Μια πιο ρεαλιστική αναπαράστασηΜια πιο ρεαλιστική αναπαράστασηπηγή: www.nasa.gov/www.nasa.gov/

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ HSRLHSRL

Διαχωρίζει κατευθείαν τα Διαχωρίζει κατευθείαν τα aer aer απο τα απο τα mol.mol. Επιστρέφει ισχυρά σήματα.Επιστρέφει ισχυρά σήματα. Το στενό φίλτρο απορρόφησης που Το στενό φίλτρο απορρόφησης που

χρησιμοποιεί περιορίζει τον θόρυβο χρησιμοποιεί περιορίζει τον θόρυβο υποβάθρου.υποβάθρου.

Το Το NdYAG laserNdYAG laser παρέχει υψηλή παρέχει υψηλή ισχύ(εκατοντάδες ισχύ(εκατοντάδες watts)watts) ενώ ταυτόχρονα ενώ ταυτόχρονα λειτουργείλειτουργεί για χιλιάδες ώρες χωρίς για χιλιάδες ώρες χωρίς συντήρηση.συντήρηση.

ΑΕΡΟΜΕΤΑΦΕΡΟΜΕΝΑ ΑΕΡΟΜΕΤΑΦΕΡΟΜΕΝΑ LIDARLIDAR

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ1.Κάνουν μετρήσεις στα ανώτερα στρώματα της 1.Κάνουν μετρήσεις στα ανώτερα στρώματα της

ατμόσφαιρας(π.χ για ανεμο,βαρυτικό πεδίο).ατμόσφαιρας(π.χ για ανεμο,βαρυτικό πεδίο).

2.Μετρούν ρύπους πάνω από δυσπρόσιτες περιοχές(π.χ 2.Μετρούν ρύπους πάνω από δυσπρόσιτες περιοχές(π.χ ηφαίστεια,πολικές περιοχές).ηφαίστεια,πολικές περιοχές).

3.Κινούνται ταχύτερα από τις αέριες μάζες και έτσι μπορούν 3.Κινούνται ταχύτερα από τις αέριες μάζες και έτσι μπορούν να τις ακολουθούν και να τις παρατηρούν(π.χ σε εκτακτες να τις ακολουθούν και να τις παρατηρούν(π.χ σε εκτακτες κλιματικές αλλαγές).κλιματικές αλλαγές).

ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ1.Κόστος.1.Κόστος.

2.Περιορισμένος χώρος.2.Περιορισμένος χώρος.

3.Δεν μπορούν πάντα να πετάξουν.3.Δεν μπορούν πάντα να πετάξουν.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣΕΦΑΡΜΟΓΕΣ HSRLHSRL

1.1.Ταχύτητα ανέμουΤαχύτητα ανέμου::αξιοποιεί το φαινόμενο αξιοποιεί το φαινόμενο DopplerDoppler και και συνεπως,αφού μετρήσουμε την αλλαγή στη συχνότητα συνεπως,αφού μετρήσουμε την αλλαγή στη συχνότητα της ακτινοβολίας που επιστρέφει μετά τη σκέδαση, της ακτινοβολίας που επιστρέφει μετά τη σκέδαση, καταλαβαίνουμε με τί ταχύτητα κινούνται οι αέριες μάζες.καταλαβαίνουμε με τί ταχύτητα κινούνται οι αέριες μάζες.

2.2.Μέτρηση θερμοκρασίαςΜέτρηση θερμοκρασίας::το το HSRL HSRL χρησιμοποιεί φίλτρα χρησιμοποιεί φίλτρα απορρόφησης ιωδίου τα οποία έχουν διαφορετική απορρόφησης ιωδίου τα οποία έχουν διαφορετική απόκριση σε κάθε θερμοκρασία.Άρα αλλαγή στην απόκριση σε κάθε θερμοκρασία.Άρα αλλαγή στην απόκριση συνεπάγεται αλλαγή θερμοκρασίας.απόκριση συνεπάγεται αλλαγή θερμοκρασίας.

ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ

ΕΠΙΓΕΙΑΕΠΙΓΕΙΑ>>ΑΕΡΟΜΕΤΑΦΕΡΟΜΕΝΑ ΑΕΡΟΜΕΤΑΦΕΡΟΜΕΝΑ >>ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑ

Laser Laser οπτικών ινών θα πολ/ζουν την αρχική τους ισχύοπτικών ινών θα πολ/ζουν την αρχική τους ισχύ

με αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργειας.Επίσης θα με αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργειας.Επίσης θα λειτουργούν για δεκάδες χιλιάδες ώρες χωρίς να λειτουργούν για δεκάδες χιλιάδες ώρες χωρίς να χρειάζονται συντήρηση.χρειάζονται συντήρηση.

Μικρότερος όγκος διάταξης.Μικρότερος όγκος διάταξης. Οπτικές ίνες θα αντικαταστήσουν τα οπτικά στοιχεία Οπτικές ίνες θα αντικαταστήσουν τα οπτικά στοιχεία

ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες και να βελτιωθεί ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες και να βελτιωθεί η απόδοση του συστήματος.η απόδοση του συστήματος.

βιβλιογραφίαβιβλιογραφία

Michael Esselborn, Airborne high spectral resolution lidar for measuring aerosol extinction and backscatter coefficients, Applied Optics, 47, 346-358, , Applied Optics, 47, 346-358, 2008. 2008.

Claus WeitkampClaus Weitkamp, Range-Resolved Optical Remote , Range-Resolved Optical Remote Sensing of the AtmosphereSensing of the Atmosphere

Su, W., G. L. Schuster, N. G. Loeb, R. R. Rogers, R. A. Ferrare, C. A. Hostetler, J. W. Hair, and M. D. Obland (2008), Aerosol and cloud interaction observed from high spectral resolution lidar data, J. Geophys. Res., 113, D24202, doi:10.1029/2008JD010588.

Μ.Μακροπούλου,Α.Παπαγιάννης,«Εφαρμογες των laser στην βιοιατρική και στο περιβάλλον",Κεφ2,Κεφ4,2005