Моделирование эхо-сигнала моностатического лидара спутникового базирования от перистых облаков с учетом многократного рассеяния лазерного излучения

Лазерное зондирование является эффективным средством изучения оптических и микрофизических свойств рассеивающих сред. В частности, лидары космического базирования позволяют получать глобальное распределение облачных образований, их оптической толщины, эффективного радиуса облачных частиц, проводить селекцию облачности, оценивать потенциальные возможности имеющейся аппаратуры и проектировать новую – с альтернативными подходами к активному исследованию атмосферы. Эффективность интерпретации данных лазерного зондирования, в свою очередь, зависит от качества обработки и точности воспроизведения измеряемых характеристик аналитическими, полуаналитическими или численными методами. Одна из главных трудностей решения этих задач состоит в том, что распространение лазерного излучения в оптически плотных рассеивающих средах сопровождается появлением фона многократного рассеяния, оценить который можно с помощью решения нестационарного уравнения переноса. Однако реализация такого подхода усложняется тем, что ряд характеристик зондируемой среды a priori неизвестен, а приближенные методы коррекции сигнала от фона многократного рассеяния имеют определенные пределы применимости. В то же время, многократное рассеяние более чувствительно к изменению микроструктуры зондируемой среды по сравнению с однократным, и предпочтительнее для решения обратных задач. Таким образом, при обработке данных лидарного зондирования перистых облаков следует принимать во внимание границы применимости приближения однократного рассеяния и, при необходимости, учитывать в лидарном сигнале потоки энергии более высоких кратностей рассеяния.
В работе обсуждаются вопросы, связанные с алгоритмом моделирования эхо-сигнала моностатического лидара спутникового базирования от перистых облаков с учетом многократного рассеяния. Для расчета лидарного импульса реализованы методы простой и двойной локальной оценки метода Монте-Карло с конечной дисперсией. Помимо общего эхо-сигнала вычисляются и все его компоненты, соответствующие разным кратностям рассеяния. Для первой и второй кратностей реализованы также аналитические приближения мощности излучения.
Рассматриваются оценки влияния многократно рассеянного излучения на лидарный эхо-сигнал от перистых облаков в зависимости от формы и размера ледяных кристаллов, оптической толщи рассеивающего слоя, поля зрения приемника излучения. Индикатрисы рассеяния ледяных частиц рассчитываются с использованием методов как физической, так и геометрической оптики и имеют существенные отличия в направлении обратного рассеяния. Показано, что в условиях оптически плотной перистой облачности аналитический подход, обеспечивающий учет первой кратности рассеяния, не позволяет с приемлемой точностью описать суммарный эхосигнал.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-27-00719, https://rscf.ru/project/22-27-00719/.