Способ дистанционного измерения концентрации водорода в атмосфере

Способ дистанционного измерения концентрации водорода в атмосфере

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к дистанционному лазерному зондироважда. Целью изобретения является увелкчерше дальности зондирования и повьшение точности .. Способ заключается в синхронном и соосном облучении атмосферы узконаправленным лазерным иэл чением на четьфех частотах: д х 1 fn ) t- Изобретение относится к дистанционному лазерному зондированию и может быть использовано для реп)ения геофизических задач. Целью изобретения является ув личсние дальности зондиропанмя и попьпислне точности. На чертеже показано устроЛпро, реализующее способ. Устройство содержит излучатель 1, выполненный в виде мощного иеперестраиваемого лазера с частотой v . тшлузаемьт с помо х-ью лазеров. При зтсм разиосп; частот Q ц - Ng ..дают с чястотам комбинационноэктипнмх пг рсходоя соответственно водор . Д и ., Упруго рассеянное tta- излучение с выделенного участка трассы собирается приемной оптикой лидара на входной щели спектрального прибора, с выхода которого излучения с частотами у , - j Op поступают в систему регистрации, где преобразуются я соответствующие злектрические сигналы Uy, u, u. пропорциональные световым сириалам на этих частотах (Ру гт| РГ ) значениям этих вели- Ч1)н вычисляют искомую концентрацию g Изобретение обеспечивает дистанционрегистрацию концентрации водорода в атмосфере при одновременном повыгаении чувствительности и точности определения и учитьгоает флуктуацию мощности излу ателей и вариацию параметров атмосферы, ответствеи1тьтх за нерег онансное излучение. I ил. (Л Изл;/чателн 2, 3, 4 представляют собой перестраиваемые по частоте лазеры с частотгями YX, Jp, и Vp соответственно . С помощью дихроичных зеркал 5, 6, 7 и поворотной призмы 8 излучение от излучателей 1-4 соосно направляется в выходной телескоп 9, формирующий узконаправленный пучок, посылаемый синхронно на четырех частотах исследуемую область атмосфе ры, сл ел 00 ;о СГ)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,„,@-- <;, 01 N 1/;1

ОПИСАНИЕ HSGBPET".НКЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТРЛЬСТРУ (46) 30.05.92, 1ю.. 1 70 (21) 4319570! ? 5 (22) 22.10,87 (7!) Институт геохимии и аналит .,а "кой химии им. В.И,Вернадско| " (72) С.А.Крикунов, А.Л,С ровегин и И.А.Шабалин (53) 536.35(088.8) (56) Owyong А. Coherent Raman (;sin

Spectroscopy Using Laser Sources, IEEE Journal of Quantum Electronics

gE14, 1978, 11 3, рр.192"203.

Авторское свидетельство СССР

И 1095784, кл. С 01 N 21/39, 1984, (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО И31|ЕРЕНИЯ

КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРОДА В АТМОСФЕРЕ (57) Изобретение относится к дистанционному лазерному зондированию, Целью изобретения является увеличение дальности зондирования и повйшение точности, Способ эаключаеTcs в синхронном и соосном облучении атмосферы узконаправленным лазерным излучением на четырех частотах: )в, 1 „,,„, ),, Изобретение относится к диста»пионному лазерному зондированию и может быть использовано для решения геофизических задач, Целью изобретения являетсл ун л»че— ние дальности зондирования и повьппе»ие точности.

На чертеже показано устройстео> реализующее способ, Устройство содержит излучатель 1, выполненный в виде мощного »еперестраинаемого лазера с частотой ) .

„,ЯЦ„„15 f 5896 полу.аемьм i помо ° ью лазеров. При | лтсм;:аз||о-т|; частот „- 1 н 1„- со»п дают пс-ашотами комбинационно.|ктнпи|к переколол c(ответственно водо1, ..д" || а::;с,", ., Упруга рассеянное наэа | «злучечие с выделенного участ" ка грассы собирается приемной оптикой лидара на входной щели спектрального прибора, с выхода которого излучения с частотами )>, 4,„, 1„ поступают в систему регистрации, где преобраэуют«я я соответствующие электрические сигналы u, u u пропорциональные светоьым си| налам на этих частотах (Р„, P„,, P„ ). По значениям этих вели" ч»н вычисляют искомую концентрацию Я

Изобретение обеспечивает дистанционную регистрацию концентрации водорода в атмосфере при одновременном повы-, шенин чувствительности и точности определения и учитывает флуктуацню мощности излучателей н вариацию параметров атмосферы, ответственных эа иере."онансное излучение. 1 ил. Сл

В аий

Сп

QO

CO

Излучатели 2, 3, 4 представляют со- бой перестраиваемые по частоте лазеры с частотами 9||, 1„, и „ соответс1венно. С помощью дихроичных зеркал

6, 7 и поворотной призмы 8 излучение от излучателей 1-4 соосно направляется в выходной телескоп 9, формирующий узконаправленный пучок, посылаемый синхронно на четырех частотах в исследуемую область атмосферы, 1515896

Рассеянное н атмосфере извучс ние принимается приемным телескопом I О, оптически согласованным с полихроматором 11, на выходе которого выделяются частоты 1„, 1 „„ ), 0птические сигналы на этих частотах регистрируются и обрабатынаютея системой 12 регистрации и обработки оптических сигналов, Значения частот .излучений, генерируемых перестраиваемыми лазерными источниками определяются из соотноше-! ний

1(1„- 4з) -- Ь Е„, 1 (г в) F ° где h - постоянная Планка; а Š— энергия колебательного пе- 20 Х рехода водорода; бEf — энергия колебательного обертона азота.

Частота излучения,„ выбирается между частотами 1» и1„.

Вследствие вынужденного комбинационного рассеяния на молекулах водорода и азота в поле сильного излучения с частотой ь, являющегося стоксовой компонентой, происходит ослабление излучений с частотами 1„ н „ .

Процесс индуцированного поглощения является вынужденным комбннацион IbIM ослаблением, Его основным преимуществом по сравнению с процессом вынужден.g5 ного комбинационного усиления„ уть которого состоит в усилении излучения на стоксовой частоте и регистрации этого усиления, лнляется отсутствие на частотах », 1 „, „,, на которых 40 происходит регистрация попезной информации, помех, создаваемых флуоресценцией атмосферы под-воздействием мощного излучения с частотой 0э

Эта широкополосная флуоресценция 45 атмосферы ограничивает предел обнарукения ее микрокомпонент по спектрам комбинационного рассеяния на уровне концентраций 10-100 частиц на миллион частию основных компонент. 50

Крсме того, полное сечение процессов вынужденного комбинационного ослабления и усиления при плотноР ях мощности лазерного излучения, постижимых иа трассах длиной до 1 км 55 (10 Втв см ), превьппает среднее ч -2. дифференциальное. сечение спонтанного комбинационного рассеяния в единичном телесном угле в видимом диапаэоне спектра более чем в 10 о раэ при ширине спектра лазерного излучения

0,01 см

Пормируя мощности сигналов на частотах 1„ и 1, на мощность сигнала частоты 1, можно избавиться от флуктуирующих коэффициентов поглощения и отражения, описывающих нереэонансные и невынужденные процессы облегчить режим работы системы 12 регистрации, затем, вычисляя логарифм отношения нормированных сигналов, соответствующих моментам времени t для начала и конца элемента пространственного разрешения gL на трассе зондирования, можно избавиться от вариации энергии излучения на стоксовой частоте излучателя 1, Концентрацию водорода определяют но наведенному дифференциальному поглощению на молекулах водорода и азота по Формуле

N (L+ — ) bL

» 2

N (Ь- — ) bL

) Ь

N (L+ — ) 2

11Ь

N (L- — ) г

1п

Сх(Ь)=С„(Ь) -—

5Ä

1п де C „(L) (э „ С,. (1) 6,, " концентрации и сечения спонтанного комбинационного рассеяния молекулярного водорода и азота в атмосфере на расстоянин L соответственно; с(т-to) — — расстояние от лаэерно2 го устройства до объема атмосферы, зондирующего в момент времени t время посылки излучения в атмосферу; с — скорость света в среде;

1у1. — пространственное разрешение по трассе;

N» N>- сигналы на частотах » и „ .

Пример определения водорода в атмосфере при фоновой концентрации нодорода 0,5 частиц на миллион частиц основных компонент.

Дифференциальное сечение спонтанного комбинационного рассеяния для — ветви колебаний Н б» =1,5 i

»I0 см /ср при облучении излучением с длиной волны Я 532 нм. Для километрового участка трассы (hL

I км) возможно с учетом дифракционной расходимости создать сечение лазерного пучка S I см на этом участй, 1515896 в„(ь+ - ) 6L

1п

N (Ь- — )

6L

20 (1

С„(Ь) CÄ(L)

2

hL ке трассы при мощности излучения

P l ГВт и ширине линии генерации

0,01 см, При этом сечение процесса ю возрастает в 10 раз, т,е, при фоновых концентрациях водорода в атмосфере относительное изменение сигнала

-7 на километровой трассе равно 2 ° 1О

Таким образом, способ обеспечивает измерение фоновых концентраций моле- 10 кулярного водорода в атмосфере.

Иэабретение позволяет повысить дальность, точность и чувствительность при измерении концентрации водорода.

Одновременное проведение измерений íà 15 трех частотах поэволяет исключить неконтролируемые изменения плотности мощности излучения при его распространении в атмосфере.

Формула изобретения пению, .о т л и ч в ю шийся тем, что, с целью увеличения дальности зондирования и повышения точности, посылку третьего и четвертого импульсов осуществляют синхронно с двумя первыми импульсами, причем частоту четвертого импульса выбирают иэ условия совпадения разности первой и четвертой частот с колебательным обертоном молекулы азота и значение третьей частоты меньше значения четвертой частоты, а концентрацию водорода определяют по наведенному дифференциальному поглощению на молекулах-водорода и азота по формуле

Способ дистанционного измерения концентрации водорода в атмосфере, включающий облучение исследуемой области атмосферы четырьмя импульсами соосного узконаправленного лазерного излучения в спектральном диапазоне прозрачности атмосферы, причем два импульса излучают синхронно с разностью З0 их частот, настроенной на комбинационный резонанс молекулы водорода, а третий импульс отстраивают по частоте от этого резонанса, регистрацию упруго рассеянного назад излучения, пре- 35 образование его в электрический сигнал, пропорциональный оптической мощности, нормировку результатов измерения для первой пары пучков на результаты изме рений для второй пары пуч- 40 ков и определение концентрации водорода с учетом этой нормировки по вынужденному комбинационному ослаб1п

2 где С„(?.), G„, Сг(L), Q - концентрации и сечения спонтанного комбинвциI онного рассеяния молекулярного водорода и азота в атмосфере на расстоянии Ь соответственно; с(t-t ) — - расстояние от лаэерно2 го устройства до объема атмосферы, эондируемого в момент времени t; — время посылки излучения в о атмосферу; с — скорость света в среде;

6L — пространственное разрешение по трассе;

И„ и N„ - сигналы на частотах

1 и 1, где 4» — частота второго импульса лазерного излучения; 4г частота четвертого импульса, )515896

Составитель А,Городецкий

Редактор В,Трубченко Те:,ред А.Кравчук Корректор О.Кравцова

Зака а 244 3 Тирам Подписное

ВНИИПИ Государственного коиите "а по изобретениями и открыткам при ГКНТ СССР

113035, Моска, Ж-35, Реушская наб., д, 4/5

»»»

Проиэводственно-надательскнй кои бинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101