Способ мониторинга атмосферных примесей

 

Использование: дистанционные измерения содержания атомов, молекул и мелкодисперсных пылевых частиц для экологического контроля атмосферы. Сущность изобретения: формируют неизотропный пучок в контролируемом районе и таком его направлении, что часть его энергии после взаимодействия с составляющими атмосферы и примесями попадает на приемную часть монитора, фокусируют излучение , выделяют спектральные линии контролируемой примеси и определяют ее концентрации по характеристикам линий. Формирование неизотропного пучка наземного излучателя производят в зоне и на высоте над поверхностью, подлежащих контролю, путем преобразования в световой пучок, веерообразно расходящийся в горизонтальной плоскости. Выделение спектральных линий осуществляют из линейно поляризованной части рассеянного излучения стангенциальным распределением направлений поляризации вокруг излучателя , с устранением вклада фонового излучения путем вычитаний тангенциально и радиально поляризованных потоков, а концентрацию примесей определяют по поляризованным эмиссионным линиям в спектре рассеяния веерообразного излучения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. СП

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 N 21/59

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О

О

ы (21) 4889714/25 (22) 10.12.90 (46) 07.03.93. Бюл. N. 9 (71) Институт космических исследований АН

СССР (72) Г.Б,Шоломицкий и А.К.Городецкий (56) Лазерное зондирование атмосферы из космоса. /Под ред, В.М. Захарова, Л.: Гидрометеоиздат, 1988, с,180 — 184.

Самохвалов И.B. Соснин А,B. Хмельницкий Г.С. Поглощение излучения перестраиваемого COz-лазера водяным паром атмосферы.! Всесоюзное совещание по атмосферной оптике. Тезисы докладов, ч.1, Томск, 1976, с.100 — 101. (54) СПОСОБ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРНЫХ ПРИМЕСЕЙ (57) Использование: дистанционные измерения содержания атомов, молекул и мелкодисперсных пылевых частиц для экологического контроля атмосферы. Сущность изобретения: формируют неизотропный пучок в контролируемом районе и таком

Изобретение относится к дистанционным измерениям содержания атомов, молекул и мелкодисперсных пылевых частиц и может применяться для экологического контроля атмосферы.

Цель изобретения — повышение точности определения общего содержания и локальной концентрации примесей и обеспечение возможности измерений ее двухмерного распределения.

На чертеже показана принципиальная схема устройства для реализации способа.

Излучатель, состоящий из источников 1 света, объектива 2, формирователя 3, распо„„Ы2„„1800325 А1

его направлении, что часть его энергии после взаимодействия с составляющими атмосферы и примесями попадает на приемную часть монитора, фокусируют излучение, выделяют спектральные линии контролируемой примеси и определяют ее концентрации по характеристикам линий.

Формирование неизотропного пучка наземного излучателя производят в зоне и на высоте. над поверхностью, подлежащих контролю, путем преобразования в световой пучок, веерообразно расходящийся в горизонтальной плоскости, Выделение спектральных линий осуществляют из линейно поляризованной части рассеянного излучения стангенциальным распределением направлений поляризации вокруг излучателя, с устранением вклада фонового излучения путем вычитаний тангенциально и радиально поляризованных потоков, а концентрацию примесей определяют по поляризованным эмиссионным линиям в спектре рассеяния веерообразного излучения, 2 з.п. ф-лы, 1 ил. лагается на высоте 50 — 100 м (т.е, выше большинства прилежащих наземных сооружений) и формирует веерообразный световой пучок вдоль земной поверхности в зоне 4 рассеяния, Излучение 5, рассеянное на примесях, аэрозолях и на молекулах воздуха, регистрируется измерительным устройством, образованным объективом 7, поляризационно-пространственным фильтром 8, линзами 9, спектральным устройством 10, диафрагмой 11 и приемником 12 излучения, причем выделение отдельных участков изображения осуществляют или с помощью диафрагм, или использованием матричного

1800325 дэ—

Дэ

2л п (х > + /х 1+ 1 ); и (х + х +1), приемника, а для калибровки измерительного устройства используется сферический излучатель 6.

Вместо варианта формирования веерообразного пучка при помощи конического збркала можно применить другой — кольцевой источник света в виде газоразрядной лампы в фокусе тороидально-параболического рефлектора, Рассеянное излучение 5 при измерении излучения из верхней полусферы, преимущественно из направления, близкого к вертикальному, имеет вид гало. При измерении излучения 5 нет необходимости осуществлять сверхточное совмещение оптического измерительного устройства с вертикалью, как это требуется при измерении излучения неизотропных излучателей с остронаправленной диаграммой излучения таких, как, например, лазерный локатор.

Назначение пространственно-поляризационного фильтра 8 заключается в выдел т лении тангенциально Е -, Е- — и радиально Е, Е fg поляризованных составляющих излучения устройством, поочередно вводящим в световой пучок один из прозрачных дисков. Первый диск состоит из набора секторных поляроидов, направление поляризации которых является радиальным, а во втором диске направление поляризации выбирается тангенциальным.

Такое устройство может быть названо "еж— улитка".

Второй вариант выполнения пространственно-поляризационного фильтра основан на зависимости коэффициентов пропускания и отражения тонкого равнотолщинного зазора в диэлектрике от поляризации падающего излучения параллельно и перпендикулярно плоскости падения, При выполнении условия полного внутреннего отражения cosa > 14, а = 90 — 0 — угол при вершине конуса., 0 — угол падения, на зазоре имеет место нарушенное полное внутреннее отражение и равенство прошедшего и отраженного излучения в каждой поляризации при выборе толщины зазора равной

Для S u P-поляризации, эквивалентные для конических границ раздела тангенциальному и радиальным направлениям, где

2 и slna п соз а — 1

xi— (o2 — 1) (п cps2 а — а п a)l

i = 1,2 ; а< агссов (1/n);

Л- длина волны излучения.

Таким образом, при зазоре д з ортогональная поляризация в основном отражается, а при д р проходит через зазор. Поэтому при модуляции по расстоянию вдоль оси на (д s — д р) /sin а естественный свет оказывается поочередно поляризованным во внешней части радиально, а во внутренней тангенциально и вычитается при синхронном детектировании, а поляризованный свет модулирован. Преимуществом такой модуляции рассеянного излучения является непосредственное измерение разности компонент F g и Fg .

F g1 = Š(— Š1 .

F Лг = Е Pz — Е г, быстродействие микроп ривода, модулирующего зазор на величину < 1 мкм, по сравнению с приводом смены ортогональных поляроидов, что повышает точность аналогично другим модуляционнным системам.

Выбор диаметра d диафрагмы 11 осуществляют из условия согласования диаметра

40 D зоны рассеяния с фокусным расстоянием объектива 7:

Д = бК/F

45 где R — расстояние между излучателем и измерительным устройством.

Рассмотрим формирование сигнала на длине волны резонансного рассеяния il > .

Поток излучения, падающий от источника на

50 исследуемый объем, претерпевает рассеяние трех видов — релеевское, аэрозольное и резонансное рассеяние на излучаемых примесях. Освещенность на входе приемного устройства связана с интенсивностью излучения на выходе из рассеивающей среды:

ЕЛ =(>5 +<3 +i3tq )х

e — тЛ (в) cosy. дР2 4

1800325

f Аг1 ал—

О/2

Х (0 )$1пО d0 о где y — угол между направлением лучей и нормалью к апертуре приемной системы; реп, 1 Ц, ЯР, I Ц вЂ” интенсивности излУчения, испытавшего релеевское, аэрозольное и резонансное рассеяние соответственно; R и t21 (R ) — расстояние и оптическая толщина слоя между исследуемым объемом и приемником; д- линейный угол поля зрения приемного устройства.

При малой оптической толщине исследуемой примеси в рассеивающей среде вокруг источника резонансная составляющая в направлении приемника излучения

I я1 полностью поляризована: 1ф1 =! 31, 15 где I 31 — тангенциально поляризованная составляющая. Нормируя I11 на интенсивность излучения IJ1, падающего на исследуемый объем, имеем на единицу дли- 20 ны при радиусе I рассеивающей среды где Nï — концентрация резонансно рассеивающих частиц (атомов, молекул); а „вЂ” поперечное сечение резонансного рассеяния; у (ф) — коэффициент, связанный с пере- 30 распределением излучения по направлениям рассеяния (ф=к/2).

В нижних слоях тропосферы поперечное сечение а и определяется с учетом девозбуждения за счет соударений примеси с 35 молекулами воздуха, Приведем физические соотношения, описывающие поток излучения, связанный с резонансным рассеянием. При анализе примеси, поглощающей из основного состо- 40 яния и имеющей концентрацию Nn (см ), -з силу осциллятора f на частоте v = с/Л(Л1— длина волны спектральной линии примеси, с = 3 10 см/с — скорость света) и

10 эйнштейновский коэффициент радиацион- 45 ного перехода А21, от зоны в среднем равномерного загрязнения диаметром

0 = R d/F, или D = 2ct<, t< — длительность

1 импульса света от источника излучения, возникает плотность В 1 потока излуче- 50 ния в эмиссионной линии с тангенциальным распределением поляризации:

Ип lg ОАг1

В 1 0 0188

4XR F (А21+ п I

l где! А1 — интенсивность источника излучения, а сумма в знаменателе учитывает ударное девозбуждение возбужденного уровня столкновениями атомов (молекул) примесей с основными составляющими атмосферы, характеризуемыми концентрацией ni, скоростью vi и сечением o i дезактивации;1— индекс составляющей, а связь поперечного сечения а и с другими параметрами дается выражением

Определение энергетических констант измерительного устройства и оптической толщины вертикального слоя атмосферы между уровнем источника излучения и измерительным устройством осуществляется с помощью сферического излучателя 6, имеющего изотропную индикатрису излучения в верхнюю полусферу.

Потоки излучения Е (4), создаваемые на длине волны поглощения примеси

Л 1 (Л =iL 1 ) или вне полосы поглощения

Л (Л I = Л г )и регистрируемые приемником в пределах угла О линейного поля зрения приемного устройства под зенитным угломф 3(4) Д1, —" (Л!) . " +

О

+I> е вт (Л ) . п1 гР(Л,) Х где 1 1 — яркость излучателя 6; 0 — угол, под которым излучатель 6 виден из измерительногоустройства; у(д ) — индикатриса

1 рассеяния; 0 — угол рассеяния; т, (Л i )

1 д полная бугеровская толща и толща рассеяния соответственно; m — воздушная масса.

Первое слагаемое в правой части выражает прямой поток излучения от излучателя 6, ослабленный слоем атмосферы, а второе слагаемое — поток рассеянного излучения.

Эти потоки пространственно разделены в плоскости полевой диафрагмы приемника и могут быть измерены раздельно, если

0„«0,, например, с помощью матричного приемника или другого метода пространственного разделения изображений.

1800325 г п = Л1 — t ib гЛ1 — — tg кЛ1, ti4 =tg ко, ».г, ср = are sec m макс, По результатам измерений потоков

Е X (() и разделения прямого и рассеянного потоков при различных, например трех— четырех, воздушных массах можно определить толщу ò (Л» ) и значение Е $ при m = О; Эта операция осуществляется, например, решением системы уравнений для прямого потока Е $ (()для различных

m при 1

m = О определяют оптическую толщину примеси значения E Я,для Л1 и Лг, равные световому потоку от сферического излучателя 6, и общее содержание примеси

tß /» 4 tß /» i(2

Wn—

К

1 где К вЂ” коэффициент поглощения примеси, а локальную концентрацию Nn примеси определяют по формуле — с и egg ° Л1 г„ Лг

» » и— е

П (а где Сп — коэффициент, определяемый индикатрисой рассеяния света, Cn = 0,0376, Для обеспечения сферической индикатрисы излучателя 6 в верхнюю полусферу размер нижней нерабочей зоны ограничивается углом среза где»т»макс — максимальное значение воздушной массы.

Формирование пространственных размеров зоны рассеяния может осуществляться либо с помощью выбора диаметра диафрагмы 11 и фокусного расстояния F

» объектива 7, либо использованием импульсного режима работы источника 1 света и

55 стробированием работы приемника 12 излучения, Для этого необходимо согласование длительности импульса света, времени t< распространения света через зону рассеяния и времени работы приемника tn. Время распространения tp = D/2С. При выборе tg =

tp и ограничении времени работы tn = ь радиус эффективной зоны рассеяния равен

D, Уменьшение размера зоны приема излучения обеспечивается введением задержки включения приемника относительно начала импульса источника.

Приведем энергетический расчет устройства; Источник излучения — импульсная лампа

И ФП-1200-2 со средней мощностью 6000 Вт.

Для области спектра 760 — 770 нм КПД лампы

h = 3 10 ср нм . В приемном устройстве применен фотоумножитель ФЭУ вЂ” 62 с характеристикой фотокатода С1 и пороговой чувствительностью Оnop = 6,8 10 Вт Гц

-1 . -1/

Эффективность спектрального устройства, выделяющего, например, линию поглощения 766 нм атомов калия, равна 0,1, Диаметр объектива 0,3 м, расстояние от излучателя до приемника 1 км. Концентрация атомов калия Ип = 2.1010 см-3 Примем, что 1 от общего числа атомов находится в парообразном состоянии.

При частоте вспышек лампы 1 Гц отношение сигнал/шум на приемнике равно 15 и при фиксированной диафрагме уменьшается с расстоянием медленнее (обратно пропорционально), чем в других способах, характеризуемых уменьшением сигнала обратно пропорционально квадрату расстояния. Для увеличения расстояния между приемником и излучателем можно использовать лазерный источник, Для лампывспышки повышение эффективности источника можно получить, если использовать внутри светового объема атомы исследуемой примеси, например, в виде паров. В этом случае световая отдача в линии примеси возрастает, Формула изобретения

1. Способ мониторинга атмосферных примесей, заключающийся в формировании от источника излучения светового пучка двух длин волн, облучении этим пучком исследуемого объема атмосферы, регистрации на двух длинах волн световых потоков

Е Й1, E 2q,, прошедших исследуемый объем, и определении по этим потокам локальной концентрации примесей в исследуемом объеме и их общего содержания, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности определения общего содержания и локальной концентрации примесей и обеспечения возможности измерений ее дву1800325

10 мерного распределения, световой пучок формируют со сферической диаграммой направленностии, дополнительно формируют световой пучок на аналогичных длинах волн и спектрального состава, расходящийся веерообразно в атмосфере вокруг источника излучения, дополнительно собирают излучение, рассеянное под прямым углом к плоскости веерообразного пучка, формируют иэображение зоны рассеяния, выделяют локальные участки изображения, для каждого локального участка выделяют компоненты рассеянного светового потока с тангенциальным Е),1, Е 2 и радиальным ЕА1, E$2 распределением направления поляризации, где il1, iL2 — длина волны поглощения примеси и длина волны сравнения соответственно, измеряют разность этих компонент F/1 = Е 1 — Е 1, F/2 = Е3.2 — Е 2, затем дополнительно измеряют прошедшие через исследуемый объем световые потоки Е 1 (ф), Eg2 (ф) источника излучения со сферической диаграммой направленности, по крайней мере для двух других углов (g) к исходному направлению светового пучка и по этим потокам и первоначально измеренным потокам

Е 11, Е 2для каждой длины волны определяют зависимость 1оЕ 1,= f(m), где m — воздушная масса, определяют углы наклона этой зависимости кЛ1, ко и величины

In ЕЯ npu m = О, причем, содержание примесей Wn определяют по формуле тц кЛ1 — Щ кЛ2 n

К

1 где К вЂ” коэффициент поглощения примеси, а локальную концентрацию Nn примеси определяют по формуле

C n, 7/2 (FJ1 Т и Лг )

Eg1 Eg2 где а о — поперечное сечение резонансного рассеяния частиц примеси;

Сп — коэффициент, определяемый индикатрисой рассеяния света;

Π— диаметр локального участка зоны рассеяния.

2. Способ по п,1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности опре5 деления локальной концентрации примесей и обеспечения возможности измерения ее двумерного распределения, компоненты рассеянного светового потока с тангенциальным

Е J1, Е )2 и радиальным Е f1, Е 2распределением направлений поляризации выделяют путем направления светового пучка с длинами волн il1,2 на два диэлектрика с зазором между ними, причем компоненту Е 1, Eh

15 выделяют в проходящем, а компоненту

Е Д1, Е Д2 в отраженном свете, при этом толщину зазора д к выбирают по формуле

Л12 д —

2л и cos аз /

in(xy+ Х +1

25 где

2nSinQS и cos ИЗ 1

2 2 (и — 1) (в соз ЮЗ вЂ” 3!п ЯЗ )

k = 1,2 соответственно для компонент с тангенциальным и радиальным распределением направления поляризации;

35 п — показатель преломления диэлектрика; аз — угол наклона воздушного зазора к направлению светового пучка.

3, Способ по п1, отл и ч а ю щи и с я

40 тем, что, с целью повышения точности определения локальной концентрации примесей и обеспечения возможности измерения ее двумерного распределения, веерообразный световой поток формируют импульсным, а

45 локальные участки изображения выделяют путем выбора длительности импульса светового потока t<, которую определяют из соотношения: ти = D/2ñ, 4

50 где с — скорость света, 1800325

° Ф

Составитель А.Городецкий

Техред М.Моргентал Корректор С.Лисина

Редактор

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

Заказ 1159 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5