Аннотация результатов, полученных в 2014 году
В проекте выполнены исследования, направленные на разработку лидарных методов визуализации струйных течений, гравитационных волн (СТГВ) и самолетных вихрей при низких отношениях сигнал шум, характерных для низкоэнергетических импульсных когерентных доплеровских ветровых лидаров класса «Stream Line» фирмы Halo. Photonics, которым располагают исполнители проекта. Проведены работы по созданию экспериментального образца двухканального аэрозольного лидара для измерения интенсивности оптической (температурной) турбулентности. На основе разработанных исполнителями проекта подходов создана компьютерная модель работы лидара «Stream Line» (ЛSL) в турбулентной атмосфере. На базе компьютерной модели проведены замкнутые численные эксперименты, имитирующие работу ЛSL в атмосфере при коническом и вертикальном сканировании зондирующим пучком. На основании численных экспериментов определены оптимальные параметры геометрии измерений и аккумуляции лидарных данных, обеспечивающие минимальную погрешность оценивания радиальной скорости и вектора скорости ветра из данных ЛSL. Разработаны методы визуализации пространственно-временной структуры СТГВ и вихревых следов самолетов лидарами класса ЛSL. Методы тестированы в замкнутых численных экспериментах и апробированы в атмосферных экспериментах с ЛSL. Разработанный метод визуализации самолетных вихрей может применяться не только для исследований пространственно-временной динамики вихревых следов самолетов, но и для получения оперативной информации о расположении вихрей относительно взлетно-посадочной полосы в реальном времени, что существенно расширяет сферу практического применения ЛSL. До настоящего времени считалось, что использование лидаров класса ЛSL для этих целей невозможно. Разработана конструкция экспериментального образца двухканального аэрозольного лидара для измерения интенсивности оптической (температурной) турбулентности. В основу лидара заложена схема лазерно-локационного приёмо-передатчика с расширением зондирующего лазерного пучка через приёмный телескоп, когда один и тот же телескоп используется и для передачи светового импульса в атмосферу и для приёма эхо сигнала. По результатам тестовых экспериментов в атмосфере определены требования на геометрию измерений и обработку регистрируемых сигналов.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В 2015 г. по проекту были выполнены работы, направленные на разработку новых методов оценивания скорости и направления ветра и параметров самолётных вихрей из измерений радиальной скорости низкоэнергетическими микроимпульсными когерентными доплеровскими лидарами (НМКДЛ). Разработанный исполнителями проекта новый метод оценивания скорости и направления ветра из измерений радиальной скорости НМКДЛ при низких отношениях сигнал-шум позволил в полтора раза увеличить высоту восстановления высотных профилей ветра из данных, измеряемых лидаром «Stream Line», и осуществить визуализацию образующихся в пограничном слое атмосферы струйных течений и внутренних гравитационных волн. Всего за время экспедиционных измерений в прибрежной зоне озера Байкал продолжительностью в общей сложности один месяц было выявлено 7 случаев возникновения внутренних гравитационных волн (ВГВ), образующихся, как правило, на фоне узких струйных течений одного или двух (в 5 из 7 случаев) на высотах примерно 200 и 700 м. Время существования ВГВ обычно составляло 45 мин и лишь один раз гравитационная волна наблюдалась в продолжении 4 часов. В пяти случаях наблюдения ВГВ период волновых колебаний равнялся 9 минутам; 18 и 6,5 минутные периоды колебаний наблюдались по одному разу. Амплитуда волновых колебаний горизонтальной скорости во время ВГВ достигала 1 м/с, амплитуда колебаний вертикальной скорости была в три раза меньше. Разработанный в проекте новый способ определения координат осей и циркуляции самолетных вихрей непосредственно из массива радиальных скоростей (РС) в условиях низких отношений сигнал-шум (метод РС) обеспечивает возможность применения лидара «Stream Line» для исследования пространственной динамики и эволюции самолетных вихрей в приземном слое атмосферы. Создан экспериментальный макет лидара для измерения интенсивности оптической турбулентности на основе эффекта усиления обратного рассеяния (УОР). Полученные с использованием этого макета данные измерений коэффициента УОР хорошо коррелируют с оценками интенсивности оптической (температурной) турбулентности, полученными из независимых измерений с использованием дистанционного пассивного оптического измерителя флуктуаций углов прихода волны и ультразвуковой метеостанции.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В 2016 г. по проекту были выполнены теоретические исследования точности методов визуализации ветровых структур и оценивания параметров ветровой турбулентности из измерений радиальной скорости низкоэнергетическими микроимпульсными когерентными доплеровскими лидарами (КДЛ) на основе компьютерного моделирования и проведены экспериментальные исследования динамики и ветровой турбулентности пограничного слоя атмосферы и самолётных вихрей с использованием микроимпульсного лидара «Stream Line». Проведена доработка лабораторного и завершено изготовление экспериментального макетов лидара для измерения интенсивности оптической турбулентности. Выполнены долговременные измерения коэффициента усиления обратного рассеяния лабораторным и созданным экспериментальным макетами турбулентного лидара в сравнении с результатами измерений интенсивности оптической турбулентности независимыми измерителями. В результате выполненных численных исследований точности лидарной визуализации сильных сдвигов ветра на границах струйных течений в зависимости от длительности зондирующего импульса и возможностей получения информации о ветровой турбулентности из исходных данных, измеряемых импульсными КДЛ, показано, что для определения сильных ветровых сдвигов из данных КДЛ, измеренных при низком отношении сигнал-шум, следует использовать импульсы длительностью примерно 200 нс. Для повышения точности измерения сильных сдвигов ветра следует увеличивать число импульсов для аккумуляции данных и применять процедуру фильтрации хороших оценок радиальной скорости. Определены границы применимости метода азимутальной структурной функции оценивания скорости диссипации турбулентной энергии из массива радиальных скоростей, измеряемых КДЛ при коническом сканировании зондирующим пучком, в зависимости от интенсивности турбулентности и отношения сигнал-шум. Установлено, что оценки скорости диссипации с приемлемой точностью можно получать из измерений лидаром «Stream Line» даже при очень слабой турбулентности, если отношение сигнал шум не меньше 0,24. Предложен новый способ расчета относительной погрешности лидарной оценки скорости диссипации по измеряемому в эксперименте отношению сигнал шум. В экспериментах на западном берегу Байкала в п. Листвянка впервые осуществлена лидарная пространственно-временная визуализация скорости диссипации энергии турбулентности на высотах пограничного слоя атмосферы в присутствие струйных течений и гравитационных волн. Показано, что в области струйного течения скорость диссипации принимает предельно малые значения, а при затухании гравитационной волны происходит усиление турбулентности. Зарегистрировано долговременное (в течение суток) существование узкого низкоуровневого струйного течения со стороны Байкала. Во время лидарного эксперимента на летном поле аэропорта Толмачево в г. Новосибирске были проведены исследования более сорока вихревых следов за самолетами Airbus и Boeing различных типов, в том числе, за тяжелыми грузовыми самолетами В747, за которыми возникают такие же мощные вихри, как и за самыми большими пассажирскими самолетами А380. Из анализа всех полученных лидарных оценок высоты осей самолетных вихрей в зависимости от времени, отсчитываемого с момента образования вихревого следа самолета, следует, что в интервале времени от 0 до 15 с высота оси вихря в среднем уменьшается по линейному закону. С приближением самолетного вихря к поверхности Земли, скорость его опускания замедляется и затем во многих случаях, начиная с какого-то момента времени, вихрь поднимается вверх. Если вихрь долго не разрушается, он может подняться на высоту, превышающую высоту полёта вызвавшего его самолёта. Впервые из лидарных измерений получены данные о траекториях осей и зависимостях от времени циркуляции вихрей, возникающих за тяжелыми грузовыми самолетами Боинг В747-4 и В747-8. Время жизни вихрей за такими самолётами может достигать 6 и более минут. Эксперимент в Толмачево является первым в России экспериментом подобного рода. Экспериментальный макет турбулентного лидара, изготовление которого завершено в 2016 г., существенно превосходит по дальности зондирования и временному разрешению измерений лабораторный макет лидара, который использовался в атмосферных экспериментах до последнего времени. Возросла энергия зондирующего импульса; антенный переключатель имеет подтверждённую эффективность более 80 процентов (было 25); фотоприёмники обладают квантовой эффективностью на уровне 50 процентов (было 10). Результаты измерения коэффициента усиления обратного рассеяния (УОР) с использованием созданного экспериментального макета турбулентного лидара хорошо согласуются с результатами одновременных измерений коэффициента УОР на той же трассе лабораторным макетом. В проведенных экспериментах с усовершенствованным лабораторным макетом турбулентного лидара впервые выполнено сопоставление результатов измерения коэффициента усиления с данными измерений дисперсии случайных дрожаний оптического изображения некогерентного источника света, величина которой прямо пропорциональна интегральному значению структурной постоянной турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха на трассе зондирования. Измерения проводились на протяжении всего 2016 г. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что по времени положения минимумов и максимумов на кривых временных зависимостей коэффициента усиления и среднеквадратического отклонения дрожаний изображения в большинстве случаев совпадают. В отсутствие усиления, когда коэффициент УОР примерно равен 1, среднеквадратическое отклонение случайных смещений изображения не превышает одной угловой секунды. Днём, когда максимальный коэффициент усиления достигает величины 1,5, среднеквадратическое отклонение равно примерно трём угловым секундам. Максимальные значения коэффициента усиления (3) и среднеквадратического отклонения (10 угловых секунд) наблюдались ночью в зимнее время. Высокая корреляция синхронно измеряемых коэффициента усиления и дисперсии дрожаний доказывает возможность лидарного измерения интенсивности оптической турбулентности на основе эффекта усиления обратного рассеяния. В условиях ясной безоблачной погоды зимой поведение коэффициента усиления в дневное время коррелирует с количеством падающего на подстилающую поверхность тепла. В ночное время зимой поведение коэффициента усиления становится менее предсказуемым из-за изменения турбулентного режима при установлении устойчивой термической стратификации в результате ночного выхолаживания подстилающей поверхности. При ясном небе зимой ночные максимальные значения коэффициента усиления практически всегда превышают дневные (1,5) и могут возрастать до 3 на 2 км трассе. Минимум или отсутствие усиления обратного рассеяния зимой практически ежедневно регистрировалось примерно за час до захода солнца. Летом даже при сильной дневной турбулентности величина коэффициента усиления обратного рассеяния не превосходит 1,5 и нет большой разницы между его ночными и дневными максимальными значениями. Предложен способ визуализации пространственно временных изменений коэффициента усиления обратного рассеяния на основе дифференцирования его профилей вдоль трассы зондирования, полученных за определённый промежуток времени. Построенная таким образом пространственно временная карта результатов дифференцирования профилей коэффициента усиления позволяет получать наглядное представление об изменениях в пространстве и во времени интенсивности оптической (температурной) турбулентности в атмосфере.