Морские информационно-управляющие системы Декабрь 2015, № 8 | Page 66

(а)

Зеркало

Лидар

Лазерный
пучок

(б)

(в)

Рис. 3.
(а) – схема лидарного зондирования,
(б) – судно «Геофизик»,
(в) – лидар, установленный в рубке судна

64

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

волны лазерного излучения, расположенную в  области
прозрачности атмосферы и  воды. Лазерное излучение
взаимодействует с  атомами и  молекулами зондируемой
среды, что приводит к появлению эхо-сигналов, которые
распространяются в том числе и в сторону излучателя.
Физические процессы, которые формируют эхо-сигнал
при лазерном зондировании океана могут быть различными. Среди линейных (по энергии падающего лазерного
излучения) процессов наибольшую эффективность по сигналу имеет флуоресценция органических примесей
и  хлорофилла «а» фитопланктона (сечение возбуждения
до  10–18  мол/стерадиан). Флуоресценция простых и  сложных молекул происходит с  некоторым запаздыванием
по  отношению к  возбуждающему излучению. Так  для растворенного органического вещества эта величина не превышает 3.10–9  с, а  для хлорофилла в  воде она составляет
менее 1.10–9 с.
Далее по эффективности идет рассеяние Ми, т. е. «мгновенное» упругое рассеяние на  частицах микропримеси,
размер которых сравним с  длиной волны зондирующего
излучения (0,1–5 мкм). Сечение рассеяния Ми имеет порядок 10–21–10–22  частиц/стерадиан. Отметим, что рассеяние
Ми происходит преимущественно вперед, т. е.  в  сторону
дна акватории при вертикальном зондировании.
Рассеяние Релея, вызванное флуктуациями температуры (или энтропии) среды, также является упругим рассеянием (т. е. зондирующее и  рассеянное излучение имеют
одну длину волны). Сечение рассеяния Релея имеет порядок 10–25 –10–26 мол/стерадиан. Индикатриса рассеяния
имеет вид «гантели», т. е. рассеяние одинаково эффективно «вперед» и «назад».
Наименее эффективным по величине сигнала из линейных процессов является спонтанное комбинационное рассеяние (сечение рассеяния 10–28–10–32 мол/стерадиан). Этот
вид рассеяния вызван модуляцией падающего на молекулу
электромагнитного поля тепловыми колебаниями атомов
молекулы. В результате появляется электромагнитное излучение, частота которого равна разности частот падающего
(лазерного) излучения и  собственных колебаний атомов
в молекуле. Частоты собственных колебаний атомов в молекуле зависят от масс атомов и энергии их связи, поэтому для
каждой молекулы, для каждого типа колебаний, для каждой
группы атомов они уникальны. Это свойство индивидуальности оптического отклика среды широко используется
в  оптической спектроскопии и  в  различных приложениях
(химии, биологии, медицине). Однако в силу низкой эффективности спонтанного комбинационного рассеяния в  дистанционном зондировании океана до настоящего времени
удается зарегистрировать сигнал только от  самых интенсивных, валентных ОН-колебаний молекул воды (т. е. колебаний протонов вдоль связи протон-кислород). Этот сигнал
(интеграл по спектру) пропорционален концентрации молекул Н2О в среде. Как правило, сигнал комбинационного
рассеяния используется в качестве репера для калибровки