СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА Российский патент 2001 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к измерительной технике для диагностики атмосферы, в частности для определения концентрации газов.

Известен способ оптической локации с модуляцией интенсивности излучения лазера периодическим сигналом с линейной частотной модуляцией [1]. Определение расстояния до цели осуществляется путем измерения частоты биений между принятым эхо-сигналом и сигналом гетеродина. Недостатком способа является отсутствие способности определения концентрации газа в исследуемой среде.

Известен способ дифференциального поглощения и рассеяния [2], при котором осуществляется зондирование атмосферы импульсным излучением на двух близких длинах волн и определяется пространственное распределение исследуемого газа. Недостатком этого способа является необходимость использования мощных импульсных лазеров, которые дороги, громоздки, генерируют мощные импульсные помехи, требуют водяного охлаждения.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения концентрации газа в атмосфере [3], заключающийся в облучении исследуемой области пространства пучком излучения с частотной модуляцией излучения гармоническим сигналом в пределах линии поглощения исследуемого газа, гетеродинном приеме эхо-сигнала, определении концентрации исследуемого газа по интенсивности принятого сигнала. Недостатком этого способа является отсутствие пространственного разрешения определения концентрации газа по дальности.

Решаемая техническая задача - обеспечение разрешающей способности по дальности при измерении концентрации газа и повышение точности измерений.

Решение технической задачи в способе определения пространственного распределения концентрации газа, заключающемся в зондировании исследуемой области среды оптическим излучением с длиной волны в пределах контура поглощения газа, гетеродинном приеме эхо-сигнала, достигается тем, что осуществляют частотную модуляцию несущей частоты оптического излучения сигналом с линейным изменением частоты поднесущей, причем девиацию несущей частоты оптического излучения выбирают в пределах контура поглощения газа, из принятого эхо-сигнала выделяют сигнал низкочастотных биений с проведением его квадратичной частотной компенсации, измеряют калибровочную характеристику зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений, определяют расстояние до исследуемых точек путем измерения частот биений, измеряют амплитуды спектральных составляющих сигнала низкочастотных биений, определяют пространственное распределение концентрации газа вдоль пути до исследуемых точек согласно выражению:

где N - концентрация газа; R - расстояние до исследуемой точки; Δ R - пространственное разрешение измерений по дальности; Ф(R) - калибровочная характеристика зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений; σ - сечение поглощения анализируемого газа.

Возможно также осуществление гетеродинного приема эхо-сигнала на удвоенной частоте модуляции, а также на частоте модуляции и проведение нормировки сигналов, принятых на удвоенной частоте, на сигналы, принятые на одинарной частоте.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, реализующего способ по пункту 1 формулы изобретения.

На фиг. 2 изображена блок-схема устройства, реализующего способ по пункту 2 формулы изобретения.

На фиг. 3 показано взаимодействие частотно-модулированного излучения с контуром поглощения анализируемого газа.

На фиг. 4 показана зависимость функции F(τ,Δv,γ_L) от параметра девиации частоты b = γ_L/Δv.
На фиг. 5 показана калибровочная характеристика зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений Ф(τ,Δv,γ_L).
На фиг. 6 показан спектр сигнала на выходе смесителя.

На фиг. 7 показан спектр поглощения аммиака в области 1.52 мкм.

Устройство, реализующее способ по пункту 1 формулы, изображено на фиг. 1 и содержит модулирующий генератор 1, частотный модулятор 2, излучатель 3 с источником накачки, передающую оптику 4, исследуемую среду 5, приемную оптику 6, фотодетектор 7, первый смеситель 8, первый фильтр низких частот 9, первый частотный компенсатор 10, анализатор спектра 11, вычислитель 12.

Первый выход модулирующего генератора 1 электрически соединен со входом частотного модулятора 2, второй выход модулирующего генератора 1 электрически соединен с первым входом первого смесителя 8. Выход частотного модулятора электрически соединен с управляющим входом излучателя 3. Излучатель 3 оптически связан с передающей оптикой 4. Диаграмма направленности передающей оптики 4 направлена на исследуемую среду 5. Диаграмма направленности приемной оптики 6 расположена вдоль диаграммы направленности передающей оптики 4, охватывая исследуемую среду 5. Вход фотодетектора 7 оптически связан с приемной оптикой 6. Выход фотодетектора 7 электрически связан со вторым входом первого смесителя 8. Выход первого смесителя 8 электрически связан со входом первого фильтра низких частот 9, выход которого электрически соединен с первым частотным компенсатором 10, имеющим амплитудно-частотную характеристику с квадратичной зависимостью коэффициента передачи от частоты. Выход первого частотного компенсатора 10 электрически связан со входом анализатора спектра 11, выход которого электрически соединен со входом вычислителя 12.

Устройство, реализующее способ по пункту 2 формулы, изображено на фиг. 2 и содержит модулирующий генератор 1, частотный модулятор 2, излучатель 3 с источником накачки, передающую оптику 4, исследуемую среду 5, приемную оптику 6, фотодетектор 7, умножитель частоты 13, первый смеситель 8, второй смеситель 14, первый фильтр низких частот 9, второй фильтр низких частот 15, первый частотный компенсатор 10, второй частотный компенсатор 16, анализатор спектра 11, вычислитель 12.

Первый выход модулирующего генератора 1 электрически соединен со входом частотного модулятора 2; второй выход модулирующего генератора 1 электрически соединен со входом умножителя частоты 13; третий выход модулирующего генератора 1 электрически соединен с первым входом первого смесителя 8. Выход частотного модулятора электрически соединен с управляющим входом излучателя 3. Излучатель 3 оптически связан с передающей оптикой 4. Диаграмма направленности передающей оптики 4 направлена на исследуемую среду 5. Диаграмма направленности приемной оптики 6 расположена вдоль диаграммы направленности передающей оптики 4, охватывая исследуемую среду 5. Вход фотодетектора 7 оптически связан с приемной оптикой 6. Выход фотодетектора 7 электрически связан со вторыми входами первого смесителя 8 и второго смесителя 14. Выходы первого смесителя 8 и второго смесителя 14 электрически связаны соответственно с входами первого фильтра низких частот 9 и второго фильтра низких частот 15, выходы которых электрически соединены соответственно с первым частотным компенсатором 10 и вторым частотным компенсатором 16, имеющими амплитудно-частотные характеристики с квадратичной зависимостью коэффициента передачи от частоты. Выходы первого частотного компенсатора 10 и второго частотного компенсатора 16 электрически связаны со входами анализатора спектра 11, выход которого электрически соединен со входом вычислителя 12.

Способ по пункту 1 осуществляют с помощью устройства, показанного на фиг. 1, следующим образом.

Модулирующий генератор 1 вырабатывает сигнал с линейной частотной модуляцией, который подается на частотный модулятор 2. Выходной сигнал частотного модулятора 2 управляет частотой излучателя 3. Это вызывает частотную модуляцию несущей частоты оптического излучения сигналом с линейным изменением частоты поднесущей. Девиацию несущей частоты оптического излучения выбирают в пределах контура поглощения газа.

Далее осуществляется зондирование исследуемой области среды путем направления оптического луча излучателя 3 с помощью коллимирующей передающей оптики 4 в исследуемую среду 5. Зондирующее излучение испытывает селективное поглощение исследуемым газом на трассе зондирования и неселективное ослабление атмосферным аэрозолем на той же трассе. После частичного поглощения анализируемым газом часть излучения, рассеянного атмосферным аэрозолем в обратном направлении, собирается приемной оптикой 6 и с помощью фотодетектора 7 преобразуется в электрический сигнал. В первом смесителе 8 происходит нелинейное взаимодействие сигнала с выхода фотодетектора 7 с сигналом модулирующего генератора 1. Взаимодействие сигналов в первом смесителе 8 приводит к появлению на его выходе сигнала низкочастотных биений. Амплитуды гармонических составляющих этого сигнала зависят от концентрации исследуемого газа на участках, последовательно расположенных вдоль исследуемой трассы, а частота гармонических составляющих пропорциональна текущему расстоянию до указанных участков. Сигнал с выхода первого смесителя 8 поступает на первый фильтр низких частот 9, который выделяет сигнал низкочастотных биений. Сигнал с выхода первого фильтра низких частот 9 поступает на первый частотный компенсатор 10, осуществляющий компенсацию квадратичного ослабления принимаемых сигналов, вызванного изменением текущего расстояния до последовательно расположенных участков в пределах исследуемой атмосферной трассы. Выходной сигнал первого частотного компенсатора 10 поступает на вход анализатора спектра 11, в котором производится разложение сигнала низкочастотных биений на отдельные спектральные составляющие. В вычислителе 12 определяются амплитуды гармонических составляющих сигналов с выхода анализатора спектра 11. На этапе калибровки системы измеряется и заносится в память вычислителя 12 калибровочная характеристика зависимости определения концентрации газа от амплитуд сигнала низкочастотных биений. При проведении измерений вычислитель 12 определяет расстояние до исследуемых точек путем измерения частот биений, измеряет амплитуды спектральных составляющих сигнала низкочастотных биений и определяет пространственное распределение концентрации газа вдоль пути до исследуемых точек согласно выражению:

где N - концентрация газа; R - расстояние до исследуемой точки; Δ R - пространственное разрешение измерений по дальности; Ф(R) - калибровочная характеристика зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений; σ - сечение поглощения анализируемого газа.

Пространственное разрешение измерений по дальности Δ R определяется параметрами аппаратуры, реализующей способ; сечение поглощения анализируемого газа σ находится из справочной литературы или измеряется заранее.

Способ по пункту 2 осуществляют с помощью устройства фиг. 2 следующим образом.

Модулирующий генератор 1 вырабатывает сигнал с линейной частотной модуляцией, который подается на частотный модулятор 2. Выходной сигнал частотного модулятора 2 управляет частотой излучателя 3. Это вызывает частотную модуляцию несущей частоты оптического излучения сигналом с линейным изменением частоты поднесущей. Девиацию несущей частоты оптического излучения выбирают в пределах контура поглощения газа.

Далее осуществляется зондирование исследуемой области среды путем направления оптического луча излучателя 3 с помощью коллимирующей передающей оптики 4 в исследуемую среду 5. Зондирующее излучение испытывает селективное поглощение исследуемым газом на трассе зондирования и неселективное ослабление атмосферным аэрозолем на той же трассе. После частичного поглощения анализируемым газом часть излучения, рассеянного атмосферным аэрозолем в обратном направлении, собирается приемной оптикой 6 и с помощью фотодетектора 7 преобразуется в электрический сигнал. Во втором смесителе 14 происходит нелинейное взаимодействие сигнала с выхода фотодетектора 7 с сигналом с выхода умножителя частоты 13 на удвоенной частоте модулирующего генератора 1. Взаимодействие сигналов во втором смесителе 14 приводит к появлению на его выходе сигнала низкочастотных биений. Амплитуды гармонических составляющих этого сигнала зависят от концентрации исследуемого газа и от концентрации рассеивающего аэрозоля на участках, последовательно расположенных вдоль исследуемой трассы, и параметров аппаратуры, а частота гармонических составляющих пропорциональна текущему расстоянию до указанных участков. В первом смесителе 8 происходит нелинейное взаимодействие сигнала с выхода фотодетектора 7 с сигналом с выхода модулирующего генератора 1 на его одинарной частоте. Взаимодействие сигналов в первом смесителе 8 приводит к появлению на его выходе сигнала низкочастотных биений. Амплитуды гармонических составляющих этого сигнала зависят от концентрации рассеивающего аэрозоля на участках, последовательно расположенных вдоль исследуемой трассы, и параметров аппаратуры, а частота гармонических составляющих пропорциональна текущему расстоянию до указанных участков. Сигналы с выходов первого смесителя 8 и второго смесителя 14 поступают соответственно на первый фильтр низких частот 9 и второй фильтр низких частот 15, которые выделяют сигналы низкочастотных биений. Сигналы с выходов первого фильтра низких частот 9 и второго фильтра низких частот 15 поступают соответственно на первый частотный компенсатор 10 и второй частотный компенсатор 16, осуществляющие компенсацию квадратичного ослабления принимаемых сигналов, вызванного изменением текущего расстояния до последовательно расположенных участков в пределах исследуемой атмосферной трассы. Выходные сигналы первого частотного компенсатора 10 и второго частотного компенсатора 16 поступают на входы анализатора спектра 11, в котором производится разложение сигналов низкочастотных биений на отдельные спектральные составляющие для каждого канала отдельно. В вычислителе 12 определяются амплитуды гармонических составляющих сигналов с выхода анализатора спектра 11, осуществляется нормировка сигналов канала удвоенной частоты по сигналам канала одинарной частоты для соответствующих дальностей. На этапе калибровки системы измеряется и заносится в память вычислителя 12 калибровочная характеристика зависимости определения концентрации газа от амплитуд сигнала низкочастотных биений. При проведении измерений вычислитель 12 определяет расстояние до исследуемых точек путем измерения частот биений, измеряет амплитуды спектральных составляющих сигнала низкочастотных биений и определяет пространственное распределение концентрации газа вдоль пути до исследуемых точек согласно выражению:

где N - концентрация газа; R - расстояние до исследуемой точки; Δ R - пространственное разрешение измерений по дальности; Ф(R) - калибровочная характеристика зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений; σ - сечение поглощения анализируемого газа.

Покажем, что предлагаемый способ позволяет достичь решения поставленной технической задачи - обеспечить разрешающую способность по дальности при измерении концентрации газа вдоль трассы.

В подаваемых материалах заявки речь идет о способе и устройстве для определения пространственного распределения концентрации газа на открытой трассе с помощью измерительной оптико-электронной системы на базе частотно-модулированного лазерного излучателя (например, лазерного диода) со сканированием линии поглощения анализируемого газа, которое обеспечивается частотной модуляцией оптической несущей зондирующего излучения управляющим сигналом с линейной частотной модуляцией поднесущей частоты.

Коэффициент пропускания (прозрачность) атмосферы при частотной модуляции лазерного излучения в пределах контура поглощения сигналом с линейной частотной модуляцией поднесущей и при лоренцевской форме контура линии поглощения описывается формулой (см. (6п) приложение 1):
Τ = exp{-2•τ/([a+b•cos(w_нt+β•t²/2)]²+1) (1)
Здесь

оптическая толщина пути, проходимого излучением;
a = (v₀-v_лаз0)/γ_L (3)
относительная расстройка частоты излучателя v_лаз0 по отношению к центру контура поглощения газа v₀;
b = Δv/γ_L (4)
характеризует отношение девиации несущей излучателя Δv к полуширине контура поглощения γ_L; w_н - начальная частота поднесущей колебаний с линейной частотной модуляцией; β = 2W/T_m - скорость изменения частоты поднесущей; W - девиация частоты поднесущей; T_m - период модуляции линейной частотной модуляции; t - текущее время.

Мощность принимаемого при лазерном зондировании эхо-сигнала обратного аэрозольного рассеяния в приближении однократного рассеяния с учетом эффекта поглощения газом представляют в виде [2]

где P₀ - излученная мощность; k - эффективность оптической системы; T - коэффициент пропускания (прозрачность) среды; A - площадь приемного объектива; G(R) - геометрический фактор; ε (R) - объемный коэффициент обратного рассеяния; Δ R - пространственное разрешение измерений по дальности. Коэффициент пропускания среды можно представить в виде произведения T = T_H•T_L, где T_H - коэффициент неселективного пропускания, обусловленного всеми компонентами атмосферы кроме исследуемого газа; T_L - коэффициент селективного пропускания газа, описываемого лоренцевским контуром согласно (2п, приложение 1).

Для получения аналитического выражения, определяющего распределение концентрации исследуемого газа по дальности N(R) разложим текущее значение коэффициента пропускания T_L (1) в ряд Тейлора относительно функции x = cos(w_нt + β •t²/2). Ограничимся четырьмя членами ряда, что обеспечивает относительную погрешность оценки в пределах 10% при изменении параметра b от 0 до 0.9. В результате получим:
(6)
здесь T_Ln - (n = 0, 1 ... 4) - коэффициенты разложения в ряд Тейлора, зависящие от параметров a, b и τ.

В отличие от импульсного зондирования, при котором расстояние R от измерительной системы до исследуемой точки вычисляется по временной задержке принятого сигнала с момента излучения импульса, при использовании линейной частотной модуляции измеряется приращение частоты поднесущей Δ w за время распространения сигнала до исследуемой точки и обратно [8, стр. 184-189]. Изменение частоты эхо-сигнала будет происходить с запаздыванием на время распространения сигнала τ₃= 2R/c, где c - скорость света.

Измерение приращения частоты поднесущей излучателя Δw_R за время τ₃ осуществляется посредством измерения частот сигнала низкочастотных биений поднесущих излученного w_изл и эхо-сигналов w_прм. Частоту Δw_R принято называть дальномерной частотой, которая равна [8, стр 188].

Δw_R= 2•β•R/c (7)
Здесь β = 2W/T_m - определяется параметрами управляющего сигнала. Дальномерная частота Δw_R прямо пропорциональна расстоянию до исследуемой точки R и однозначно определяет это расстояние.

Взаимодействие частотно-модулированного излучения с контуром поглощения газа изображено на фиг. 3, на которой 1 - форма контура поглощения газа; 2 - зависимость частоты излучения лазера от времени; 3 - зависимость мощности эхо-сигнала P(t) от времени после взаимодействия с газом.

Взаимодействие частотно-модулированного излучения с газом приводит к появлению амплитудной модуляции мощности излучения принимаемого эхо-сигнала. Глубина модуляции такого эхо-сигнала пропорциональна концентрации газа, а огибающая амплитудно-модулированного колебания подчиняется закону колебаний с линейным изменением частоты. При настройке центральной частоты лазера v_лаз0 на центр контура поглощения газа v₀ (a = 0) используются оба склона этого контура, поэтому за время одного периода управляющего сигнала с линейной частотной модуляцией принимаемый эхо-сигнал взаимодействия изменяется в два раза чаще, чем до взаимодействия. Начальная частота амплитудно-модулированного эхо-сигнала после взаимодействия излучения с газом будет равна 2w_н, а девиация частоты 2W.

В принятом эхо-сигнале присутствуют две амплитудно-модулированные составляющие. Первая составляющая - упомянутый выше амплитудно-модулированный сигнал с удвоенной частотой, обусловленный взаимодействием зондирующего излучения с исследуемым газом. Вторая составляющая обусловлена тем, что при управлении малым переменным током частотой генерации лазерного диода частотной модуляции сопутствует паразитная амплитудная. Так, согласно результатам [9] при модуляции частоты лазерного диода в пределах линии поглощения кислорода коэффициент модуляции паразитной амплитудной модуляции составляет M ≈ 10^-2. Такой амплитудно-модулированный сигнал на частотах модуляции (без удвоения) испытывает лишь неселективное взаимодействие с исследуемой средой.

Обычно в частотной дальнометрии для выделения сигнала низкочастотных биений, заключающего в себе информацию о распределении концентрации газа в анализируемом интервале дальностей R, в приемном тракте аппаратуры производится смешение принятого сигнала с опорным сигналом, модулирующим излучение лазера. Для выделения спектра низкочастотных биений сигнал с линейной частотной модуляцией гетеродина U_гет должен обладать той же центральной частотой и девиацией, что и принятый сигнал. При произвольной настройке центральной частоты лазера v_лаз0 в пределах контура поглощения (например, |a|≅1) сигнал на выходе смесителя для составляющей эхо-сигнала на удвоенной частоте, на которой происходит взаимодействие излучения с анализируемым газом, будет иметь вид:

где k₁ - аппаратурная константа. Полное выражение, в котором подробно расписаны компоненты U_нч и U_вч, слишком громоздко и приводятся в приложении 2.

Из выражения (8) видно, что сигнал на выходе смесителя представляет собой смесь сигнала низкочастотных биений U_нч(a,b,N)•cos(2•β•τ_з•t+Φ), частота которого зависит от дальности до исследуемой точки в соответствии с (7), и сигналов с линейной частотной модуляцией вида с центральными частотами от w₀ до 6w₀ при девиации частоты от W до 6W. Здесь Φ - начальная фаза колебаний; U_нч(a, b, N) и U_вч ⁿ(a,b,N) - амплитуды колебаний, зависящие от параметров настройки лазера a, b из (3) и (4) и концентрации N.

После прохождения сигнала вида (8) через низкочастотный фильтр на выходе последнего выделится сигнал низкочастотных биений

где k₁ - аппаратурная константа.

Раскрывая выражения для коэффициентов разложения T_L2(a,b, τ ) и T_L4(a,b, τ ) при точной настройке лазера на центр контура (a = 0), получим сигнал низкочастотных биений в виде:

Из этого выражения следует, что принятый сигнал зависит не только от концентрации газа, но и от оптических характеристик атмосферы, параметров измерительной аппаратуры и прочее, что значительно усложняет извлечение информации о концентрации выбранного газа по результатам измерений. Для устранения влияния мешающих параметров можно использовать упоминавшуюся составляющую эхо-сигнала на частоте модуляции излучателя, испытавшую неселективное взаимодействие зондирующего излучения с исследуемой средой. При гетеродинном приеме этого сигнала на смеситель подается сигнал на частоте модуляции лазера (без удвоения). Сигнал биений на выходе смесителя будет иметь вид:

где k₂ - аппаратурная константа.

Откуда сигнал на выходе фильтра низких частот будет

Разделив (10) на (12) или, другими словами, проведя для дальности R нормировку сигнала (10) на сигнал (12) и полагая, что можно обеспечить k₁ = k₂, получим выражение, зависящее только от концентрации исследуемого газа:

В формуле (13) переменная F по-прежнему остается функцией расстояния R, т.к. R входит в τ согласно (2), а для однородной среды еще проще
τ(R) = N•R•σ₀.
Таким образом, мы получили функцию F(τ,Δv,γ_L,R), зависящую от полуширины контура поглощения γ_L, девиации несущей частоты оптического излучения лазерного диода Δv, оптической толщи пути τ, проходимого лазерным лучом. Хотя функция F зависит от τ,Δv,γ_L, но для выбранной девиации частоты Δv и известной полуширине контура поглощения γ_L нас интересует лишь зависимость F = f( τ ). Вычисление τ производится по калибровочной характеристике зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений, являющейся обратной функцией по отношению к функции F(τ,Δv,γ_L,R), т. е. τ = Ф(Δv,γ_L,R) = F^-1(Δv,γ_L,R). Калибровочная характеристика зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений Ф(Δv,γ_L) строится на этапе калибровки прибора.

Полагая, что концентрация газа постоянна внутри малого интервала дальности Δ R, т. е. N(R; Δ R) = const, можно представить (2) в виде: τ(R+ΔR)-τ(R) = N(R;ΔR)σ•ΔR. Таким образом, можно извлечь значение концентрации газа N(R, Δ R), усредненное по разрешаемому интервалу дальности Δ R:

Учитывая, что атмосферный аэрозоль, рассеивающий зондирующее излучение, распределен вдоль всей трассы зондирования, сигнал на выходе фильтра низких частот состоит не из одной гармоники, соответствующей дальности R, а из спектра дальномерных частот, отвечающих всему анализируемому интервалу дальностей.

Тогда на основе проанализированного спектра дальномерных частот вычислитель 12 будет производить расчет пространственного распределения концентрации газа по какому-либо из известных методов восстановления [10, стр. 45-50] , например методом последовательных слоев, интегрального накопления и др.

Особенности технической реализации способа и устройства.

Нами было произведено численное моделирование описанной системы дистанционного мониторинга. В модель закладывалась форма контура поглощения газа, а также зондирующий сигнал с линейной частотной модуляцией длины волны. Моделировалось взаимодействие зондирующего излучения с контуром поглощения газа, прием эхо-сигналов от нескольких разноудаленных участков трассы прохождения луча и гетеродинирование принятого сигнала. После этого с помощью быстрого преобразования Фурье исследовался спектр сигнала на выходе смесителя. В модель закладывались отсчеты сигнала с линейной частотной модуляцией длительностью 4 периода линейного изменения частоты, что является достаточным для проявления периодичности сигнала в спектре и может соответствовать реальным условиям измерений. Длительность периода линейного изменения частоты выбиралась равной T_m = 0,1 мсек при начальной частоте колебаний w_н = 1 МГц и девиации поднесущей частоты W = 1,5 МГц. Численное моделирование проводилось с использованием программного пакета Mathcad 7.

На фиг. 4 приводится зависимости функции F(τ,Δv,γ_L) от относительной девиации b = Δv/γ_L при постоянном значении τ = 0.5, полученные в результате численного моделирования по упомянутой методике и аналитически согласно выражению (13).

Вид калибровочной характеристики зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений Ф(τ,Δv,γ_L) при настройке длины волны лазера на центр контура поглощения (т.е. при a = 0) приведен на фиг. 5. Из фиг. 5 видно, что для каждого значения b существует критическое значение τ, выше которого однозначное определение концентрации газа без привлечения дополнительной информации невозможно. Для b = 0.9 критическое значение τ составляет 0.9; для b = 0.5 такое τ = 0.5. В общем случае, когда форму контура нельзя точно описать функцией Лоренца,
калибровочная характеристика определяется экспериментально для анализируемого газа.

На фиг. 6 показан полный спектр и низкочастотная часть спектра сигнала на выходе смесителя при отражении зондирующего излучения от двух участков трассы на расстояниях 164 м и 476 м для случая, когда частота лазера v_лаз0 настроена на v₀.

При выборе длительности периода линейного изменения частоты T_m = 0,1 мсек и девиации поднесущей частоты W = 1,5 МГц получаем, что дальномерные частоты для расстояний 164 м и 476 м согласно (10) должны быть

Δ w_R2 = 4•2•1,5•10⁶ Гц•476 м/(0,1•10^-3 с•3•10⁸ м/с) = 190,4 кГц.

Как видно, формы спектров на фиг. 6, полученные в результате моделирования, подтверждают наличие в спектре сигнала на выходе смесителя составляющих низкочастотных биений U_нч(a,b,N)•cos(2•β•τ_з•t+Φ), частоты которых зависят от дальности до исследуемой точки Δw_R= 4β•R/c и сигналов с линейной частотной модуляцией вида как было показано в (8). Проводя спектральный анализ принятых сигналов ЧМ-ЛД лидара, можно выделять сигналы, несущие информацию об измеряемой концентрации газа с разноудаленных слоев трассы.

В качестве излучателя в устройстве, реализующем способ, может использоваться, например, перестраиваемый лазерный диод, работающий в одномодовом режиме.

Частота излучения диодного лазера может управляться изменением температуры лазерного кристалла и тока накачки. Типичное значение изменения частоты генерации лазера от тока для InGaAsP лазера составляет величину δ v/δI ≈ 1.1 ГГц/мА; изменение частоты лазера от температуры δ v/ δ T₂ ≈ 11 ГГц/К [5]. Наложение малого переменного тока на постоянный ток инжекции лазера при постоянной температуре кристалла лазера позволяет осуществить частотную модуляцию излучения лазера в пределах линии поглощения исследуемого газа.

Полуширина контура линии поглощения γ_L для различных газов при нормальных атмосферных условиях колеблется от 3 ГГц (NH₃ в области 1,5 мкм) до 30 ГГц (CO в области 4.7 мкм) [2]. Учитывая, что ширина линии генерации современных диодных лазеров Г_лаз имеет величину от 300 кГц до 100 МГц [5], можно заключить, что конечное значение ширины линии генерации лазера не влияет на форму измеренного контура линии поглощения газа, так как γ_L≫Г_лаз.
В частности, нами был исследован спектр поглощения аммиака в области 1520 нм. При измерениях использовался InGaAsP лазер с распределенной обратной связью с пороговым током 63 мА при температуре 20^oC, позволяющий производить плавную перестройку длины волны в диапазоне 8 нм. Сканирование спектра поглощения аммиака при помощи лазерного диода показано на фиг. 7. По оси ординат на фиг. 7 отложен коэффициент поглощения, определяемый как П = 1 - T. Измерения проведены при нормальных атмосферных условиях, соответствующих условиям измерения на открытой трассе. Сканирование спектра осуществлялось при перестройке температуры лазерного диода от 7 до 25^oC. Для зондирования можно выбрать частоту излучения лазера v_лаз0 = 6580,6 см^-1 и девиацию частоты излучения Δ v_лаз ≈ 0,4 см^-1.

Приложение 1
Взаимодействие частотно-модулированного излучения с контуром поглощения газа
Среди трех наиболее распространенных моделей уширения спектральной линии газа - радиационного, доплеровского и уширения давлением - условиям измерений на открытых трассах в приземных слоях атмосферы на высотах до 20 км и при давлениях от 1 до 0.05 атм соответствуют переходы, уширенные давлением. В этом случае контур линии является приблизительно лоренцевским с сечением поглощения, представимым в виде [2]:
σ(v) = (S/π)•γ_L/[(v-v₀)²+γ2L

Коэффициент пропускания атмосферы на двойном пути между излучателем и исследуемой точкой внутри спектральной линии с лоренцовским контуром определяется выражением

где R - расстояние до анализируемой точки; α_L - показатель поглощения; r - текущее значение расстояния при интегрировании. Показатель поглощения α_L для лоренцевского контура поглощения газа определяется выражением:

где N - концентрация поглощающих молекул.

При модуляции несущей частоты излучателя v сигналом с линейной частотной модуляцией поднесущей текущее значение частоты излучателя будет равно [4, стр 107-108]:
v = v_лаз0+Δv•cos(w_н+β•t²/2), (4п)
где w_н - начальная частота поднесущей колебаний с линейной частотной модуляцией; β = 2W/T_m - скорость изменения частоты поднесущей; W - девиация частоты поднесущей, T_m - период модуляции линейного изменения частоты; v_изл0 - центральная частота излучателя; Δv - девиация частоты оптической несущей излучателя; t - текущее время.

При эффективной настройке на контур поглощения исследуемого газа центральная частота излучателя v_изл0 должна быть близка к частоте центра линии поглощения v₀ (фиг. 1п), а девиация частоты несущей Δv должна задаваться значением полуширины контура линии поглощения γ_L. Поэтому текущее значение частоты будет
v = v₀+a•γ_L+b•γ_L•cos(w_нt+β•t²/2), (5п)
где - относительная расстройка частоты излучателя по отношению к центру контура поглощения газа; характеризует отношение девиации несущей излучателя Δv к полуширине контура поглощения γ_L.
Перепишем соотношение (2п) для коэффициента пропускания атмосферы с учетом (3п) - (5п)
T = exp{-2•τ/([a+b•cos(w_нt+β•t²/2)]²+1)} (6п)
Здесь

- оптическая толщина пути, проходимого лазерным лучом.

Приложение 2
Напряжение на выходе смесителя

Приложение 3. (См. в конце описания).

Литература
1. Волохатюк В.А. Вопросы оптической локации. М., Советское радио, 1971, стр. 184-185.

2. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Д.Хинкли. М.: Мир, 1979, стр 124-127.

3. Лазерная спектроскопия атомов и молекул / Под ред. Г.Вальтера. М.: Мир, 1979, стр. 187-190.

4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М., "Сов. радио", 1977, стр 107-108.

5. Физика полупроводниковых лазеров: Пер. с японск. / Под ред. Х.Такумы. - М.: Мир, 1989, стр 47-66.

6. Белоцерковский Г. Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. М., Советское радио, 1975, стр 75-79.

7. Дж. Реди. Промышленное применение лазеров. - М.: Мир, 1981, стр. 301.

8. Виницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. - М.: Советское Радио, 1961.

9. Goldstem N., Alder-Golden S. - Applied Optics, 1993, vol. 32, N 30, pp. 5849-5855.

10. Агишев Р.Р. Защита от фоновой помехи в оптико-электронных системах контроля атмосферы. - М.: Машиностроение, 1994.

Изобретение относится к измерительной технике для диагностики атмосферы, в частности для определения концентрации газов. Технический результат изобретения - обеспечение разрешающей способности по дальности при измерении концентрации газа и повышение точности измерений. Сущность изобретения: способ определения пространственного распределения концентрации газа путем зондирования исследуемой области среды оптическим излучением с длиной волны в пределах контура поглощения газа, гетеродинного приема эхо-сигнала, осуществления частотой модуляции несущей частоты оптического излучения сигналом с линейным изменением частоты поднесущей, причем девиацию несущей частоты оптического излучения выбирают в пределах контура поглощения газа, из принятого эхо-сигнала выделяют сигнал низкочастотных биений с проведением его квадратичной частотой компенсации, измеряют калибровочную характеристику зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений, определяют расстояние до исследуемых точек путем измерения частот биений, измеряют амплитуды спектральных составляющих сигнала низкочастотных биений, определяют пространственное распределение концентрации газа вдоль пути до исследуемых точек согласно приведенной формуле. 1 з.п.ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Способ определения пространственного распределения концентрации газа путем зондирования исследуемой области среды оптическим излучением с длиной волны в пределах контура поглощения газа, гетеродинного приема эхо-сигнала, отличающийся тем, что осуществляют частотную модуляцию несущей частоты оптического излучения сигналом с линейным изменением частоты поднесущей, причем девиацию несущей частоты оптического излучения выбирают в пределах контура поглощения газа, из принятого эхо-сигнала выделяют сигнал низкочастотных биений с проведением его квадратичной частотой компенсации, измеряют калибровочную характеристику зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений, определяют расстояние до исследуемых точек путем измерения частот биений, измеряют амплитуды спектральных составляющих сигнала низкочастотных биений, определяют пространственное распределение концентрации газа вдоль пути до исследуемых точек согласно выражению:

где N - концентрация газа;
R - расстояние до исследуемой точки;
ΔR - пространственное разрешение измерений по дальности;
Ф(R) - калибровочная характеристика зависимости определения концентрации газа от амплитуды сигнала низкочастотных биений;
σ - сечение поглощения анализируемого газа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гетеродинный прием эхо-сигнала осуществляют на удвоенной частоте модуляции, а так же на частоте модуляции, проводят нормировку сигналов принятых на удвоенной частоте на сигналы, принятые на однородной частоте.