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 βn - физический параметр в n-й точке сечения исследуемой среды; L - коэффициент пропорциональности; P
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 Mi 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 Mi 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
Как концентрации N, так и (в значительно меньшей степени) сечения комбинационного рассеяния σкр различных компонент могут сильно различаться. Если для двух молекулярных компонент справедливо N2•σ
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 Mi 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
P
P
Здесь и далее понимается: βn= β
Аналогично при возбуждении точек M1 и M2
P
P
P
P
P
Определение относительного распределения концентрации N по измерениям только сигналов P
β1:β2:β3= P
приведет к значительным погрешностям, которые определяются различным ослаблением сигналов от точек M1, M2, M3 до точки A.
Где β = N•σф, N - концентрация молекул; σф - - 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
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
βn= P
Из (2) и (3) вытекает, что произведение принятых сигналов P
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: β
Отсюда с учетом (11) соотношение между параметрами βn в разных точках
Формула (14) описывает пространственное распределение физического параметра. Параметр βn 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 σф мало по сравнению с сечением упругого рассеяния на частицах σp. 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 σp ≫ σф 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
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
Аналогично для точек M1 и M2
P
P
Относительный профиль распределения концентрации молекул, полученный по традиционной методике, повторяет распределение принятых сигналов Pn:
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
P
P
P
P
P
Согласно предложенному алгоритму
βn= LP
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, λкр= 0,5713 мкм и N2 (комбинационный сдвиг - 2331 см-1, λкр= 0,5762 мкм ; другая возможная пара молекул: SO2 (комбинационный сдвиг - 1151 см-1, λкр= 0,5450 мкм и N2O (комбинационный сдвиг - 1290 см-1; λкр= 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:
βn= LP
Случай, когда λ1= λ2= λ3 реализуется при измерении упругого рассеяния на длине волны зондирующего лазера λ1. В этом случае:
и P
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ | 1999 |
|
RU2167408C2 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА | 2000 |
|
RU2170922C1 |
Способ дистанционного поиска индикаторных веществ проявлений нефтегазовых углеводородов | 2016 |
|
RU2634488C1 |
СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ | 2002 |
|
RU2213982C1 |
СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ | 2013 |
|
RU2539784C2 |
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ВЫБРОСА | 1991 |
|
RU2028007C1 |
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ В ПОТОКЕ ВОДНО-НЕФТЯНОЙ СМЕСИ | 2006 |
|
RU2325631C1 |
Дистанционный способ выделения участков лесных массивов с преобладанием сухих или зеленых лиственных или хвойных деревьев в летнее время с авиационного носителя | 2021 |
|
RU2763507C1 |
ДИСТАНЦИОННЫЙ СПОСОБ КЛАССИФИКАЦИИ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ | 2011 |
|
RU2498275C2 |
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОЗРАЧНОСТИ, КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТ РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД НА ДВУХВОЛНОВОМ ЛАЗЕРЕ | 2011 |
|
RU2480737C1 |
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.
где βn - физический параметр в n-й точке сечения исследуемой среды;
L - коэффициент пропорциональности;
P
P
Способ определения концентраций молекул в газовых средах | 1988 |
|
SU1665285A1 |
Способ измерения атомной флуоресценции и устройство для его осуществления | 1985 |
|
SU1288561A1 |
US 4572667 A, 25.02.1986 | |||
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ЦВЕТОВОЙ ИНДИКАТОР НАПРЯЖЕНИЯ | 0 |
|
SU324583A1 |
Авторы
Даты
2001-05-20—Публикация
1999-06-08—Подача