Способ лазерного зондирования атмосферных газов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 21/39

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ы (u,/(), ) — tn (u /u ) х с дЕ И (21) 3772775/25 (22) 13.07.84 (46) 30.03,93. Бюл. № 12 (71) Институт оптики атмосферы СО АН

СССР (72) В.В. Зуев и И.И. Ипполитов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 775533226677, кл. G 01 N 21/26, 1978.

Авторское свидетельство СССР

¹ 325579, к/), G 01 W 1/11, 1970, (54К57) СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ГАЗОВ, состоящий. в направлении в заданную область атмосферы зондирующего импульса лазерного излучения наносекундной длительности с длиной волны, находящейся в линии. резонансного поглощения исследуемого газа, спектральной фильтрации обратнорассеянного эхосигнала, измерении его мощности, определении дальности до рассеивающей области атмосферы и определении относительной спектральной прозрачности этой области; о т л и ч à ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности и чувствительности измерения концентрации атмосферных газов, направляют через интервал времени не более 1 мс второй зондирующий импульс лазера с такими же характеристиками и одновременно с одним из двух зондирующих импульсов направляют вспомогательный импульс лазерного излучения с длительностью в интервале (t t ), мощностью в прес делах (3 S с ЬЛЕ1ехр х х(— -д — -) )sp ьзх ЛЛ )

КТ ВЕ2 2 ВЛ2

„„ Ж „„1245072 А1 и длин()й волны в контуре другой линии поглощения исследуемого газа на резонансном переходе, верхний энергетический уровень которого совпадает с нижним энергетическим уровнем реЗонансного перехода для зондирующего импульса, а концентрацию исследуемого газа определяют по формуле

2 + Sc Ь л А/(ВР ) (7+Я)6(ехр (hc/ т) z,/z< - 3 - зс д А/ГАВРЯ Г х где т — длительность зондирующего импульса лазерного излучения;

R — расстояние до зондируемого объема . атмосферы; с — скорость света;

S — площадь поперечного сечения ла.зерного пучка для вспомогательного импульса;

ЛЛ вЂ” ширина линии лазерного излучения вспомогательного импульса;

h — постоянная Планка;

Л вЂ” длина волны вспомогательного им- . пульса;

К вЂ” постоянная Бал ьцмана;

Т вЂ” абсолютная температура газа;

А и  — вероятности соответственно спонтанного испускания и поглощения на резонансном переходе молекулы исследуемого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса; р — концентрация исследуемого газа на расстоянии R;

Р— мощность вспомогательного импульса; ь- безразмерный параметр, принимающий значения от 0 до 1 в интервале изменения длительности вспомогательного импульса от тдо 2R/с:

1245072

Uz и 0 2 — регистрируемые мощности

t обратнорассеянных эхосигналов соответственно с расстояний R u R + Л R от зондирующего импульса, посылаемого без вспомогательного импульса лазерного излучения;.

U> и 0 1 — регистрируемые мощности об1 ратнорассеянных эхосигналов соответственно с расстояний R u R + Л R от зондирующего импульса, посылаемого одновременно со вспомогательным импульсом. 2 ил, о — коэффициент поглощения невозбужденной молекулы исследуемого газа на резонансном переходе с длиной волны зондирующего импульса;

2 и Zz — статистические веса соответственно нижнего и верхнего энергетических уровней резонансного перехода молекулы исследуемого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса лазерного излучения;

hR — толщина эондируемого обьема ат.мосферы; обьем расположен в поле зрения приемной антенны 8. Обратнорассеянное этим объемом излучение фильтруется и принимается на длине волны А з, Часть излучения лазера

1 ответвляется на детектор 7 опорного сигнала и используется для определения дальности дь рассеивающих объемов в атмосфере.

Затем через интервал времени, не превышающий 1 мс, после излучения первого

Изобретение относится к способам лазерного зондирования атмосферы для дистанционного определения концентрации газовых компонентов воздуха и может использоваться в метеорологии и охране окружающей среды для оперативного контроля концентрации водяного пара и газовых загрязнений.

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности измерения

10 концентрации атмосферных газов. зондирующего импульса лазера 1 в тот же

На фиг.1 изображена схема устройства, . объем атмосферы, выделенный на фиг.1 волреализующего способ; на фиг.2 — схема рас- нистой линией, посылают одновременно положения энергетических уровней мдлеку- два импульса излучения:.второй зондируюлы исследуемого газа. 15 щий импульс от лазера 1. и вспомогательный

Устройство содержит лазер 1 для гене- импульс от лазера 2 надлинах волн соответрации зондирующего импульса, в качестве ственно Лз 8,3 мкм и А в = 9,2 мкм. котоРого может испольэоватьсЯ пеРестРаи- Обратнорассеянное излучение принимаетваемый паРаметРический лазеР на CdSe, ге- ся и фильтруется на длине волны А з . Изнерирующий aY ewe c длинами волн k 3 20 меряется мощность эхосигналов на длине

=8,323 мкм влинии поглощения Н20и Ао= волны Дз . Мощность второго эхосигнала

8,320 мкм импульса на линии пропускания меньше, чем первого, что обусловлено увеН20 с длительностью им у ьсов 100 нс, ла личением поглощения зондирующего излузеР 2 — импУльсный СО2-лазеР длЯ генеРа- чения молекулами водяного пара Н2О из-за ции вспомогательного импульса излучения 25 селективного характера перераспределес длиной волны ice := 9.214 мкм в лини ния заселенностей на резонансном перехопоглощения.HzO с длительностью импуль- де с длиной волны il 8 вспомогательного сов 100 нс, блок 3 синхронизации лазеров излучения. Отношение мощностей приняРефлектор 4, дихроичное зеркало 5; переда- тых сигналов характеризует величину 8тноющую антенну 6, детектор 7 опорного сиг- 30 сительной спектральной прозрачности слоя нала, приемную антенну 8, светофильтр 9 на атмосферы Л R, определяющей искомую конобласть генерации CdSe-лазера, отсекаю- центрацию водяного пара. Это отношение щий излучение С02-лазера, детектор 10ли-: мощностей принятых сигналов увеличиваетдарного эхосигнала, блок 11 обработки ся с повышением мощности вспомогательнолидарных эхосигналов, 35 го импульса вплоть до величины мощности, Устройство работает следующим абра- соответствующей насыщению населенности верхнего уровня резонансного перехода с

Для определения концентраций водя- длиной волны вспомогательного импульса. ного пара Н20 зондирующий импульс иэлу- Способ основан на свойстве лазерного чения лазера 1 с длиной волны Лз. и "0 излучения возбуждать энергетический уродлительностью т-100 нс, сформированный вень молекулы, когда длина волны этого лапередающейэнтеннойб,направляетсявза- эерного излучения совпадает с длиной данный обьем атмосферы, находящийся на волны резонансного перехода на этот энеррасстоянии R и имеющий толщину ЛН Этот гетический уровень, и свойстве молекулы

1245072

f«(U /т«) — f«(U

«

40 где т — длительность зондирующего имд пульса лазерного излучения: чи

R — расстояние от зондируемого объема 45 .„ атмосферы; с — скорость света;

S — площадь поперечного сечения лазерного пучка для вспомогательного импульса лазерного излучения; 50 ог

ЛХ вЂ” ширина линии лазерного излучения вспомогательного импульса;

h — постоянная Планка;

Л вЂ” длина волны вспомогательного импульса лазерного излучения; 55

К вЂ” постоянная Больцмана;

Т вЂ” абсолютная температура газа;

А и  — вероятности соответственно спонтанного испускания и поглощения на резонансном переходе молекулы исследуеувеличивать свою способность поглощать оптическое излучение с длиной волны, равной длине волны резонансного перехода молекулы, нижний энергетический уровень которого находится в возбужденном саста- 5 янии.

На фиг.2 стрелками изображены переходы между энергетическими уровнями исследуемого газа водяного пара Н20.

Переход 12 — 13 соответствует длине волны 10 вспомогательного импульса лазерного излучения. переход 13 — 14 — длине волны

Лз зондирующего импульса, Здесь показан также переход 15 с длиной волны Л для импульса лазерного излучения на линии пропускания Н20, совпадающей с линией поглощения мешающего газа SOz.

Длительность t вспомогательного импульса лежит в интервале (т t =2 К/ с), мощность P находится в пределах 20

3 S c ЛЛ7 1 ехр (— h cl(Л KT }

А/(ВЛ Zz } P 3 S с ЛЛА/(ВЛ }, 25 длина волны расположена в контуре другой линии поглощения исследуемого газа на резонансном переходе, верхний энергетический уровень которого совпадает с нижним 30 энергетическим уровнем резонансного перехода с длиной волны зондирующего импульса (все обозначения см. ниже).

Концентрация р исследуемого газа на расстоянии R определяется из соотношения

2 + Sc< ьа А/(ВГ1< ) (1+О 6 ехр (hc/Ô KT) Z< /Z — 1 — Sc<,<1 <

0 — коэффициент поглощения невозбужденной молекулы исследуемого газа на резонансном переходе с длиной волны зондирующего импульса;

Z1u Zz — статические веса соответственно нижнего и верхнего энергетических уровней резонансного перехода молекулы исследуемого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса;

hR — толщина зондируемого объема атмосферы:

Uz u U 2 — регистрируемые мощности

I обратнорассея нных эхосигналов соответственно с расстояний R u R + Л R от зондирующего импульса лазерного излучения, посылаемого без вспомогательного импульса лазерного излучения;

U1 и U 1 — регистрируемые мощности обратнорассеянных эхосигналов соответственна с расстояний R и R+ h,R от зондируемого импульса лазерного излучения, посылаемого одновременно со вспомогательным импульсом лазерного излучения;

P — мощность вспомогательного импульса лазерного излучения;

e.— безразмерный параметр, принимающий значения от 0 до 1 на заданном интервале изменения длительности вспомогательного импульса лазерного излучения (t, О, 2R/c).

Выражение для определения концентрации р основано на зависимости р от относительной спектральной прозрачности эондируемой области атмосферы для двух зондирующих импульсов и учитывает увеличение коэффициента поглощения за счет селективного возбуждения молекулы исследуемого газа вспомогательным импульсом. Сдвиг по времени 1 мс между вумя зондирующими импульсами обеспевает минимизацию влияния турбулентнои атмосферы.

Длительность вспомогательного имульса выбирается в пределах

2R — а вер)(ний предел мощности с раничен насыщением населенности верхга уровня резонансного перехода с длий волны вспомогательного импульса.

Способ увеличивает точность и чувствильность определения концентрации атосферных газов за счет увеличения эффициента поглощения на длине волны ндирующего импульса путем селективновозбуждения молекул исследуемого газа помогательным импульсом.

1245072

Составитель А.Городецкий

Техред M.Моргентал Корректор А.Обручар

Редактор Т.Клюкина

Производственно-издательский комбинат "Патент". r, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1963 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москве, Ж-35, Рауаакая наб., 4/5