Способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды

 

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения состоит в том, что способ включает зондирование исследуемой области среды электромагнитным излучением с фиксированной длиной волны, измерение интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на второй длине волны и прием сигнала взаимодействия из заданного количества точек исследуемой области среды. Зондирование среды осуществляют в прямом и обратном направлениях и измеряют интенсивность сигналов взаимодействия на третьей длине волны для обоих направлений зондирования. Технический результат: повышение точности определения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике для диагностики атмосферы.

Известен способ определения физических параметров газовой среды путем облучения ее пучком излучения и последующею выделения и регистрации сигнала, обусловленного взаимодействием зондирующего пучка и исследуемой среды (а.с. СССР N 1288561, МКИ кл. G 01 N 21/64,1984). Недостатком способа являлся низкая точность определения в условиях оптической неоднородности исследуемой среды.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды, заключающийся в облучении его пучком излучения, выделения сигнала, обусловленного взаимодействием зондирующего пучка и исследуемой среды, и регистрации пространственного распределения этого сигнала (а.с. СССР N 1665285, МКИ кл. G 01 N 21/64, 1991). Оптическое излучение просвечивает объект исследования, а результатом взаимодействия излучения и исследуемой среды могут быть лазерно-индуцированная флуоресценция, комбинационное рассеяние, также являющиеся излучением. Выделение сигнала, обусловленного этим взаимодействием для разных областей воздушной среды, позволяет зарегистрировать его пространственное распределение.

Недостатком этого способа является низкая точность определения в условиях неоднородности объекта измерений, поскольку неравномерность оптической плотности среды при зондировании разных точек выбранного сечения непосредственно влияет на результат измерения.

Решаемая техническая задача изобретения - повышение точности определения пространственного распределения физических параметров газовой среды.

Решаемая техническая задача в способе определения пространственного распределения физических параметров газовой среды, заключающемся в зондировании электромагнитным излучением с фиксированной длиной волны исследуемой области среды, измерении интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на второй длине волны, направление приема сигналов взаимодействия выбирают под углом к оси зондирования, проведении приема сигналов взаимодействия из заданного количества точек исследуемой области среды, достигается тем, что зондирование среды осуществляют в прямом и обратном направлениях, измеряют интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны для обоих направлений зондирования, пространственное распределение физических параметров среды определяют по формуле: где β_n - физический параметр в n-й точке сечения исследуемой среды; L - коэффициент пропорциональности; P^п_n^р(λ₂) - интенсивность измеренного сигнала из n-й точки среды на второй длине волны λ₂ при зондировании в прямом направлении; P^п_n^р(λ₃) и P^о_n^бр(λ₃) - интенсивности измеренного сигнала из n-й точки среды на третьей длине волны λ₃ в прямом и обратном направлениях соответственно.

Возможен прием сигналов взаимодействия излучения со средой на длине волны λ₃, равной длине волны зондирующего излучения λ₁. Возможен прием сигналов взаимодействия излучения со средой на длинах волн λ₂ и λ₃, равных длине волны зондирующего изучения λ₁. На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит блок 1 управления, блоки передающей оптики 2 и 3 с диаграммами направленности, расположенными вдоль одной оптической оси AB, линии передачи светового излучения 4 и 5. оптический коммутатор 6, излучатель 7 с источником накачки, исследуемую среду 8, приемный объектив 9, блок оптических фильтров 10 с селективным элементом 11 на длину волны излучения λ₂, обусловленного полезным эффектом взаимодействия зондирующего пучка и объекта исследования, селективный элемент 12 на длину волны λ₃, другого взаимодействия и блок 13 замены селективных элементов, координатно-чувствительное фотоприемное устройство 14 с блоком предварительной обработки, вычислитель 15.

Излучатель 7 электрически соединен с блоком 1 управления и оптически связан через оптический коммутатор 6 с линиями передачи светового излучения 4 и 5 и блоками передающей оптики 2 и 3. Блоки передающей оптики 2 и 3 расположены на одной оптической оси, вдоль которой измеряется пространственное распределение физического параметра, например концентрации молекул какого-либо газа объекта 8. Координатно-чувствительное фотоприемное устройство 14 служит для приема сигналов взаимодействия излучения со средой из заданных направлений.

Координатно-чувствительное фотоприемное устройство 14 и селективные элементы 11 и 12 оптически связаны с приемным объективом 9. Блок 1 управления соединен с управляющим входом излучателя 7, со входом оптического коммутатора 6, с управляющими входами координатно-чувствительного фотоприемного устройства 14, управляющими входами блока 13 замены селективных элементов, и входами вычислителя 15. Выходы координатно-чувствительного фотоприемного устройства 14 связаны с информационными входами вычислителя 15.

Способ осуществляют с помощью устройства следующим образом.

Блок 1 управления запускает лазер 7 с источником накачки. Изучение на длине волны λ₁, пройдя через оптический коммутатор 6, линию передачи светового излучения 4 и блок передающей оптики 2, направляется из точки А в подлежащую исследованию область 8 газовой среды. При взаимодействии излучения со средой могут иметь место явления лазерно-индуцированной флуоресценции, комбинационного рассеяния, рассеяния и другие. Результат взаимодействия несет в себе информацию о таких параметрах исследуемой среды как концентрация частиц и их скорость, давление и так далее, также является излучением. Часть этого излучения, являющегося результатом взаимодействия, например, из точки M₁, собирается объективом 9, выделяется селективным элементом 11 (например, интерференционным фильтром) на длине волны λ₂ и регистрируется координатно-чувствительным фотоприемным устройством 14 с блоками предварительной обработки. После этого по сигналу с блока управления 1 блок 13 замены селективных элементов устанавливает перед блоком 14 селективный элемент 12 на длину волны λ₃. То есть прием излучения из той же точки M₁ ведется на длине волны λ₃. Далее блок управления 1 при помощи оптического коммутатора 6 переключает излучения лазера 7 в линию передачи светового излучения 5. Зондирующее изучение через блок передающей оптики 3 направляется в исследуемую область 8 из точки В. Координатно-чувствительное фотоприемное устройство 14 регистрирует сигнал на длине волны λ₃ из той же точки M₁, но направление облучения среды противоположно рассмотренному ранее. Сигналы с выхода координатно-чувствительного фотоприемного устройства подаются на вычислитель 17 для определения искомой характеристики в точке M₁ объекта исследования.

После этого по сигналу с блока 1 координатно-чувствительное фотоприемное устройство 14 перестраивается на прием излучения из новой точки исследуемой области среды, например из точки М₂; затем из точки M₃ и так далее. Число точек M_i в данном случае определяется количеством фотоэлементов в координатно-чувствительном фотоприемном устройстве (например, число исследуемых точек может быть равно 10). При выполнении условия малости расстояния между точками M₁ и M₂ и между M₂ и между M₂ и M₃ по сравнению с расстояниями M₁C, M₂C и M₃C можно считать угол ϕ постоянным для всех точек M₁, M₂ и M₃ (фиг. 1).

В результате снимается пространственное распределение физического параметра (например, концентрации молекул какого-либо газа) в выбранном сечении среды.

Оптический коммутатор 8 может быть реализован на основе механического дефлектора дискретного отклонения с системой поворотных зеркал либо электрооптического дефлектора.

Покажем, что предлагаемый способ позволяет достичь поставленной решаемой технической задачи - повысить точность измерения пространственного распределения физических параметров исследуемой среды.

При определении пространственного распределения физических параметров исследуемой среды (например, концентрации газа) но результатам измерения сигналов взаимодействия зондирующего излучения с исследуемой средой оказывается значительной погрешность, вносимая различным ослаблением сигналов от точек M_i до точки A в направлении измерения пространственного распределения. Пренебрежение этой погрешностью может сильно исказить измеряемое распределение.

Рассмотрим возможность повышения точности измерений на примере комбинационного рассеяния и флуоресценции.

Главной особенностью метода комбинационного рассеяния является то, что длина волны лазерного излучения не связана жесткими требованиями резонанса частоты излучения лазера с частотами переходов атомов и молекул. Это позволяет использовать один источник накачки для одновременной регистрации большого числа молекулярных примесей, выделяя рассеянные стоксовые (иногда - антистоксовые) компоненты на различных частотах ω^c_i = ω₁+ω^м_i ω^a_i^c = ω₁+ω^м_i - для антистоксовых), где ω₁ - частота лазерного излучения; ω^м_i - -частота, соответствующая колебательному кванту молекулы i-той примеси.

Как концентрации N, так и (в значительно меньшей степени) сечения комбинационного рассеяния σ^кр различных компонент могут сильно различаться. Если для двух молекулярных компонент справедливо N₂·σ^к₂^р≪ N₃·σ^к₃^р, то принимаемый на длине волны λ₂ сигнал комбинационного рассеяния, соответствующий частоте ω^c₂ = ω₁+ω^м₂, может быть во много раз меньше, чем сигнал комбинационного рассеяния, принятый на длине волны λ₃, соответствующий частоте ω^c₃ = ω₁+ω^м₃. В силу этого относительная погрешность измерений на λ₃ оказывается значительно ниже, чем на λ₂. Поэтому если для измерений пространственного распределения физического параметра исследуемой среды по результатам измерений интенсивности сигнала комбинационного рассеяния на длине волны λ₂ суметь ввести корректирующие коэффициенты (устраняющие влияние различного ослабления сигналов от точек M_i в направлении измерения пространственного распределения, которые получены по результатам более точных измерений интенсивности комбинационного рассеяния на длине волны λ₃ , то можно повысить точность измерений пространственного распределения 1-й компоненты. При этом длины волн λ₂ и λ₃ должны отличаться незначительно, чтобы не проявилась возможная спектральная изменчивость оптической плотности исследуемой среды. В то же время спектральное разрешение измерительной аппаратуры должно обеспечивать возможность уверенного раздельного измерения сигналов на этих длинах волн.

Приводить количественные соотношения для комбинационного рассеяния не будем - рассмотрим их ниже на примере флуоресценции. Однако следует иметь в виду, что они полностью применимы для комбинационного рассеяния, в случае которого λ₁,λ₂,λ₃ - различны, тогда как для флуоресценции удобно принять λ₃= λ₁. Метод лазерной флуоресценции основан на регистрации спонтанного изучения молекул и атомов примеси, подвергнутых действию изучения, длина волны которого находится в резонансе с одним из разрешенных переходов с переводом молекул в возбужденное состояние. При этом релаксация в основное состояние происходит излучательно.

Пусть методом лазерно-индуцированной флуоресценции измеряется относительный профиль распределения концентрации исследуемых молекул в точках M₁, M₂, M₃ (фиг. 1), расположенных на одной прямой; длина волны зондирующего излучения λ₁, длина волны флуоресценции λ₂. Будем считать, что прозрачности среды от приемника излучения (от точки C) до точек M₁, M₂, M₃ (то есть T(CM₁), T(CM₂), T(CM₃)) отличаются незначительно и равны T.

При приеме излучения из точки M₁ три сигнала - сигнал флуоресценции P^п₁^р(λ₂) на λ = λ₂, рассеянный сигнал P^п₁^р(λ₁) при облучении среды в прямом направлении, а также рассеянный сигнал P^о₁^бр(λ₁) при облучении среды в обратном направлении - равны: P^п₁^р(λ₂) = k·T·T(M₁A)·β₁ (1)
P^п₁^р(λ₁) = k·T·T(M₁A)·β⁰₁·i(ϕ) (2)

Здесь и далее понимается: β_n= β^ф_n (для комбинационного рассеяния - β^к_n^р1) - характеризует основное взаимодействие; β⁰_n = β^p_n (для комбинационного рассеяния - β^к_n^р2) - вспомогательное.

Аналогично при возбуждении точек M₁ и M₂
P^п₂^р(λ₂) = k·T·T(M₁M₂)·T(M₁A)·β₂ (4)
P^п₂^р(λ₁) = k·T·T(M₁M₂)·T(M₁A)·β⁰₂·i(ϕ) (5)
P^о₂^бр(λ₁) = k·T·T(M₂M₃)·T(M₃B)·β⁰₂·i(π-ϕ) (6)
P^п₃^р(λ₂) = k·T·T(M₂M₃)·T(M₁M₂)·T(M₁A)·β₃ (7)

P^о₃^бр(λ₁) = k·T·T(M₃B)·β⁰₃·i(π-ϕ) (9)
Определение относительного распределения концентрации N по измерениям только сигналов P^п₁^р(λ₂),P^п₂^р(λ₂),P^п₃^р(λ₂)
β₁:β₂:β₃= P^п₁^р(λ₂):P^п₂^р(λ₂):P^п₃^р(λ₂) (10)
приведет к значительным погрешностям, которые определяются различным ослаблением сигналов от точек M₁, M₂, M₃ до точки A.

Где β = N·σ^ф, N - концентрация молекул; σ^ф - - сечение флюоресценции. Чем больше отличаются обычно не учитываемые оптические плотности между точками M₁, M₂, M₃ и точкой A (то есть T(M₁A), T(M₂A), T(M₃A)), тем ниже точность измерения пространственного распределения по результатам измерения величин P^п_n^р(λ₂), n = 1, 2, 3, ...

Формула (10) характеризует пространственное распределение физических параметров исследуемой среды, например концентрации какой-либо молекулярной компоненты, поучаемое прототипом и другими традиционными методами.

Из (1) и (2), (4) и (5), (7) и (8) следует
β_n= P^п_n^р(λ₂)·β⁰_n·i(ϕ)/P^п_n^р(λ₁), n = 1,2,3,... (11)
Из (2) и (3) вытекает, что произведение принятых сигналов P^п_n^р(λ₁) и P^о_n^бр(λ₁) равно:

Аналогичные выражения можно получить из (5) и (6), (8) и (9).

В общем виде:

Здесь: T(AB) - прозрачность среды на всем участке зондирования от точки A до точки B. Поэтому отношение коэффициентов: β⁰₁:β⁰₂:β⁰₃ в выбранных точках объекта исследования

Отсюда с учетом (11) соотношение между параметрами β_n в разных точках

Формула (14) описывает пространственное распределение физического параметра. Параметр β_n в произвольной n-й точке сечения

L - коэффициент пропорциональности. Выражение (15) сразу дает профиль концентрации, поскольку N = β/σ.
Прием и регистрация, кроме сигналов флуоресценции, рассеянных сигналов на длине волны λ₁ зондирующего излучения позволяют значительно повысить точность измерения. Хотя λ₁≠ λ₂, но это отличие незначительно, так что оптические характеристики (в частности, прозрачность) близки с высокой точностью. В то же время сечение флуоресценции σ^ф мало по сравнению с сечением упругого рассеяния на частицах σ^p. При исследовании среды различные частицы, находящиеся в исследуемом сечении, способны весьма существенно ослабить (за счет рассеяния и поглощения) возбужденный лазером сигнал флуоресценции. Поэтому в силу σ^p ≫ σ^ф измерение на λ = λ₁ рассеянных сигналов при зондировании среды с двух сторон позволяет получить более высокую точность измерения соотношения прозрачностей участков между исследуемыми точками сечения, так как значительно возрастает по сравнению с флуоресценцией отношение сигнал/шум.

Ход приведенных выше рассуждений и окончательные формулы справедливы и для определения распределения физических параметров среды методом комбинационного рассеяния, которое регистрируется на λ₂ и λ₃. Если, как отмечалось ранее, неравенство N₂σ^к₂^р ≪ N₃·σ^к₃^р выполняется довольно сильно, то точность измерения физического параметра (например, концентрации молекул N) в условиях неоднородной среды может быть существенно повышена. Для количественного описания пространственного распределения, измеренного методом комбинационного рассеяния, в формуле (15) под P^п_n^р(λ₂) следует понимать интенсивность принятого сигнала на λ₂, а под P^о_n^бр(λ₃) и P^п_n^р(λ₃) интенсивности сигналов на λ₂, полученных при облучении среды в прямом и обратном направлении соответственно.

Поэтому в этом случае

Оценим выигрыш в точности измерений по предлагаемому способу на примере использования эффекта комбинационного рассеяния. Пусть концентрация измеряемых молекул в точках M₁, M₂, M₃, а значит, и параметры β₁,β₂,β₃, относятся как 1:1:1. Предположим, что излучение ослабляется средой, и прозрачность среды T между точками M₁ и M₂, а также между точками M₂ и M₃ одинакова и равна, например, 0,8 : T(M₁M₂) = T(M₂M₃) = 0,8. Ослабление излучения на пути M₁A и M₃B (соответственно T(M₁A) и T(M₃B)) учитывать не будем, так как при измерении относительного профиля пространственного распределения T(M₁A) и T(M₃B) сокращаются.

Без учета аппаратурных и геометрических констант, влияние которых легко учесть, сигнал комбинационного рассеяния на λ = λ₂ из точки M₁ при облучении в прямом направлении (из точки A) будет:
P^п₁^р(λ₂) = 1
Аналогично для точек M₁ и M₂
P^п_n^р(λ₂) = 1·T(M₁M₂) = 1·0,8 = 0,8
P^п₃^р(λ₂) = 1·T(M₁M₂)·T(M₂M₃) = 0,64.
Относительный профиль распределения концентрации молекул, полученный по традиционной методике, повторяет распределение принятых сигналов P_n:

Как видно, это распределение сильно искажено по сравнению с исходным 1: 1:1.

Согласно предлагаемому способу измеряются и сигналы комбинационного рассеяния на длине волны λ₃ из тех же точек M₁, M₂, M₃ при облучении среды в прямом направлении (от точки A) и в обратном (от точки B);
P^п₁^р(λ₃) = 1;
P^о₁^бр(λ₃) = 1·T(M₁M₂)·T(M₂M₃) = 0,64;
P^п₂^р(λ₃) = 1·T(M₁M₂) = 0,8;
P^о₂^бр(λ₃) = 1·T(M₂M₃) = 0,8;
P^п₃^р(λ₃) = 1·T(M₁M₂)·T(M₂M₃) = 0,64.
P^о₃^бр(λ₃) = 1
Согласно предложенному алгоритму
β_n= LP^п_n^р(λ₂)(P^о_n^бр(λ₃)/P^п_n^р(λ₃))^1/2;
Поэтому

Таким образом, исходное распределение восстановлено правильно. Предлагаемый способ определения пространственного распределение физического параметра устраняет погрешность традиционных методов, связанную с ослаблением излучения в исследуемой среде.

Изобретение можно проиллюстрировать следующими примерами, в которых использован принцип комбинационного рассеяния: зондирующий лазер - аргоновый: λ₁= 0,5145 мкм, молекулы с близкими комбинационными сдвигами - CO (комбинационный сдвиг - 2145 см^-1, λ_кр= 0,5713 мкм и N₂ (комбинационный сдвиг - 2331 см^-1, λ_кр= 0,5762 мкм ; другая возможная пара молекул: SO₂ (комбинационный сдвиг - 1151 см^-1, λ_кр= 0,5450 мкм и N₂O (комбинационный сдвиг - 1290 см^-1; λ_кр= 0,5486 мкм.

Случай, когда длины волн λ₁,λ₂ и λ₃ различны, отвечает использованию метода комбинационного рассеяния для измерения пространственного распределения физических параметров.

Случаи, когда λ₃= λ₁ соответствует использованию лазерно-индуцированной флуоресценции:
β_n= LP^п_n^р(λ₂)(P^о_n^бр(λ₁)/P^п_n^р(λ₁))^1/2;
Случай, когда λ₁= λ₂= λ₃ реализуется при измерении упругого рассеяния на длине волны зондирующего лазера λ₁. В этом случае:
и P^п_n^р(λ₁) = P^п_n^р(λ₃) и β_n= L·(P^о_n^бр(λ₁)P^п_n^р(λ₁))^1/2;M

Формула изобретения

1. Способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды путем зондирования электромагнитным излучением с фиксированной длиной волны исследуемой области среды, измерения интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на второй длине волны, направление приема сигналов взаимодействия выбирают под определенным углом к направлению зондирования, проведения приема сигнала взаимодействия из заданного количества точек исследуемой области среды, отличающийся тем, что осуществляют зондирование среды в прямом и обратном направлениях, измеряют интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны для обоих направлений зондирования пространственное распределение физических параметров среды определяют по формуле

где β_n - физический параметр в n-й точке сечения исследуемой среды;
L - коэффициент пропорциональности;
P^п_n^р(λ₂) - интенсивность измеренного сигнала из n-й точки на второй длине волны λ₂ при зондировании в прямом направлении;
P^п_n^р(λ₃) и P^о_n^бр(λ₃) - интенсивности измеренного сигнала из n-й точки на третьей длине волны λ₃ в прямом и обратном направлениях соответственно.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что принимают сигналы взаимодействия излучения со средой на длине волны λ_3, равной длине волны зондирующего излучения λ₁.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что принимают сигналы взаимодействия излучения со средой на длинах волн λ₂ и λ_3, равных длине волны зондирующего излучения λ₁.

РИСУНКИ

Рисунок 1