Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения в области 1,6 мкм (2 варианта), способ его осуществления и оптоволоконный рамановский усилитель для дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора с длиной волны излучения в области 1,6 мкм Российский патент 2019 года по МПК G01N21/3504 G01J3/42 

Заявляемая группа изобретений относится к области газоанализа, в частности, к аналитическому приборостроению, а именно к оптическим диагностическим приборам, которые устанавливают, преимущественно, на летательных аппаратах, в том числе, беспилотных, служащих для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ (пропана, аммиака, в основном метана), и определения местонахождения и интенсивности утечек из магистральных трубопроводов.

В настоящее время проблема оперативного мониторинга утечек природного газа из магистральных трубопроводов становится все более актуальной. Существующая система внутритрубной дефектоскопии по своей производительности не обеспечивает потребности в необходимых масштабах. Так, например, протяженность газопроводов различного назначения, принадлежащих ОАО «Газпром» и не приспособленных к такой диагностике, составляет 39,9%.

Одним из способов решения существующей проблемы оперативного мониторинга утечек природного газа, в частности, метана, является применение лазерного дистанционного диагностирования.

Известные бортовые газоанализаторы, такие как ДЛС-Пергам (sdelanounas.ru/blogs/54271) или Аэропоиск-3М (ivalur.ru/…/magnetic-sys-control/airsearch-3m) имеют громоздкую конструкцию, для транспортировки которой необходима тяжелая авиационная техника - вертолет или средства малой авиации. Учитывая значительную протяженность магистральных трасс, а также высокую стоимость полетов, использование такой авиационной техники зачастую является экономически нецелесообразным.

В последнее время быстрыми темпами развивается легкая авиационная техника, в том числе, беспилотные летательные аппараты (БПЛА), рассчитанные на долговременные полеты на небольших скоростях и высотах от десятков до сотен метров. Однако из-за небольших габаритов и энерговооруженности БПЛА имеют ограничения по полезной нагрузке, которая по массе, как правило, не должна превышать 5-8 кг, а по энергопотреблению - 15-200 Вт.

Разработка и создание малогабаритного трассового газоанализатора с весовой характеристикой до 8 кг, дальностью обнаружения 100-150 м и обнаружительной способностью на данной трассе 100 ррм по газовому компоненту, преимущественно метану, являются актуальной задачей. При этом, средство диагностики должно обладать температурной и вибрационной устойчивостью. Кроме того, эксплуатация указанных приборов должна отличаться простотой и длительностью в перерывах между техническим обслуживанием. Важным аспектом является быстродействие устройства.

На решение указанных проблем и направлена предлагаемая к защите группа изобретений.

Известно, что для определения концентрации метана, содержащегося в атмосфере, наиболее эффективно используют линии поглощения колебательной полосы ν₃ Q4=3,312 мкм и первого обертона 2ν₃ R4=1,651 мкм. Полная ширина линии поглощения R4, измеренная на полувысоте контура, составляет Δ ν=0,13 см^-1 при давлении окружающего воздуха 1 атм, где Δ ν - ширина линии поглощения. Причем линия R4, соответствующая инфракрасной (ИК) области, выбрана с учетом достаточно симметричного и узкого контура, а также наличия источника излучения в этой области, длина волны которого совпадает с длиной волны данного перехода.

Одной из проблем, возникающих при измерении поглощения диагностического излучения молекулами метана на трассе измерения, являются потери излучения, не связанные с поглощением метана. К таким потерям можно отнести рассеяние аэрозолями, изменение коэффициента отражения рассеивающей поверхности и т.п. Для исключения упомянутых потерь на основе метода дифференциального селективного поглощения (Schotland R.M. The detection of the vertical profile of atmospheric gases by means of a ground-bared optical radar.//Proc. 3rd Symposium on Remote Sensing of Environment, Michigan. Ann, Arbor, USA, 1964. P 215-224; NadezhdinskiA.I. Prohorov AM Modern trends in diode laser spectroscopy // Proc. SPIEV.1724. 1992. p. 2-19) используют одновременное измерение интенсивности поглощения излучения, прошедшего на обследуемой трассе (рассеивающей поверхности) на линии поглощения метана, и вне этой линии (опорной кювете) (Kiyoji Uehara and Hideo Tai. Remote detection of methane with a 1.66 - pm diode laser. Appl. Optics. 1992, Vol. 31, №6.pp.809-814). Измерения проводят путем быстрой перестройки длины волны излучения в области линии поглощения. В случае применения в качестве источника лазерного излучения полупроводникового диода с распределенной обратной связью (например, DFB), такая перестройка выполняется путем быстрого изменения тока питания диода, при этом линия излучения перестраивается от одного крыла (края) линии до другого. Таким образом, приемник рассеянного излучения регистрирует полный контур линии поглощения, при этом ширина линии генерации полупроводникового лазерного диода составляет 10^-4 см^-1 или 3 МГц. Данный способ позволяет исключить все возмущения, связанные с рассеянием, вариациями альбедо земной поверхности и другими потерями интенсивности, не связанными с определяемым газом, в частности, метаном.

После получения информации с обоих каналов (из атмосферы и реперной (опорной) кюветы) осуществляют сравнение полученных результатов путем корреляционной обработки и определяют среднюю концентрацию метана по трассе измерения. Корреляционную обработку выполняют для каждого сканирования отдельно.

Излучение газового анализатора, попадая на точку поверхности трассы обследования рассеивается, при этом часть рассеянного излучения, попадающего в апертуру приемной оптической системы, усиливается входным трактом электронной системы приемника и поступает в систему обработки и записи информации.

Дальность действия и обнаружительная способность дистанционного газоанализатора селективного поглощения определяются спектральной мощностью оптического излучения передатчика и эффективностью (апертурой, отношением сигнал/шум) приемного тракта.

Из уровня техники известны следующие оптические методы определения метана: одночастотный трассового поглощения с LED (light emitted diod - светодиод) малой мощности и широкой полосой излучения; дифференциальный по поглощению с широкополосными LED; дифференциальный узкополосный по поглощению на длине волны 3,39 мкм; дифференциальный узкополосный по поглощению на длине волны 1,65 мкм. Достоинствами дифференциального узкополосного метода являются возможность измерения на протяженных трассах, а также наличие эффективных приемников сигнала. К основным недостаткам можно отнести отсутствие достаточно мощных полупроводниковых лазеров до 30 мВт и, вследствие этого, необходимость применения дополнительных усилителей лазерного излучения (см., например, Природный газ. Метан. Справ. / С.Ю. Пирогов, Л.А. Акулов, М.В. Ведерников и др. СПб: НПО «Профессионал», 2006).

Из уровня техники известны серийно выпускаемые малогабаритные лидарные системы, в большинстве своем, имеющие малый радиус действия - 20-30 метров действия (например, http//:granat-e.ru; www.tokvogas-cs.co.jp/en).

Известны усилители лазерного излучения, например, параметрические (ПУ) - Ахманов С.А., Хохлов Р.В. «Параметрические усилители и генераторы света» УФН 88, стр. 439-460. 1966; полупроводниковые (ППУ) - Дураев В.П. «Лазерная техника и оптоэлектроника», 1992, №№3-4, 40; http//:nolatech.ru.; рамановские волоконные (РВУ) - L.A.Bufetuv* at all. Raman Gain Properties of Optical Fibers with a High Content of Germanium and Standart Optical Fibers Laser Physics, 11, №1, p. 130-133. 2001.

Наилучшими характеристиками по температурной и вибрационной стабильности, простоте и быстроте запуска, обладают рамановские волоконные усилители (РВУ). Данный тип усилителей может быть реализован в виде монолитной сварной конструкции, которая не имеет зон открытого лазерного излучения, благодаря чему снижается чувствительность к запыленности и настройке входных и выходных адаптеров открытого канала, при этом устройство остается температуро- и виброустойчивым. Рамановский усилитель обеспечивает усиление лазерного излучения с общей выходной мощностью до сотен милливатт при мощности входного сигнала всего в единицы милливатт. Известные усилители, построенные по такому принципу, преимущественно используют в системах удаленных цифровых оптоволоконных линий связи.

Однако данные усилители работают на иных длинах волн, отличающихся от длины детектирования, в частности, метана (СН₄) в ИК (инфракрасной) области 1,651 мкм, при этом диапазон перестройки длины волны должен перекрывать пик спектрального поглощения метана (6055-6059 см^-1). В отличие от известных рамановских усилителей цифровых сигналов, применяемых для передачи данных, в случае с газоанализаторами используют аналоговый сигнал (например, патент РФ №2427081 на изобретение «Способ регулирования ООСШ в волоконно-оптической линии передачи данных с использованием рамановского усиления», дата приоритета 08.03.2007 г., заявка РСТ WO 2007/113792, дата публикации заявки 11.10.2007 г.; CN 106159651 на изобретение «Locked-mode fiber laser containing circulation fiber loop», дата приоритета 2015-04-16, дата публикации 2016-11-23).

Преимуществами рамановских волоконных усилителей являются непрерывный режим работы, высокий коэффициент преобразования, возможность беспроблемного интегрирования с задающим генератором и методом дифференциального селективного поглощения газов (ДСПГ), а также надежная защита от пыли и вибрации, благодаря сварной конструкции и незначительному весу.

Известно, что в результате теплового движения происходит изменение молекулярной координаты в твердом теле (А.В. Леонов, О.Е. Наний, В.Н. Трещиков. Усилители на основе вынужденного комбинационного рассеяния в оптических системах связи. Прикладная фотоника, 2014, №1, стр. 26-49). Световая волна распространяется в такой среде, испытывая рассеяние от взаимодействия с поляризуемостью среды и обогащается дополнительными компонентами, вызванными взаимодействием света с колеблющимися молекулами. К собственной частоте излучения добавляются частоты суммарные и разностные с колебаниями молекул среды, так называемые «стоксовы» и «антистоксовы» компоненты соответственно. И, если световая волна имеет значительную мощность, она сама начинает воздействовать на среду, вызывая вынужденные колебания. При посылке в такую среду «затравочного» или «сигнального» излучения на разностной частоте оно будет усиливаться за счет перекачки мощности из излучения мощной световой волны «накачки». На этом и основан принцип действия рамановского волоконного усилителя.

Из уровня техники известен способ оптического определения газового компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа, включающий облучение пробы исследуемого газа с использованием лазерного излучения с различными длинами волн, при котором производят сложение люминесцентного излучения в УФ или видимом диапазоне с лазерным излучением в ближнем ИК-диапазоне для достижения порога интенсивности, при котором возникает эффект вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна с образованием стоксовых составляющих, регистрируют спектральное распределение интенсивности прошедшего через пробу излучения, определяют превышение полученного сигнала над пороговым уровнем шума и сравнивают абсолютные значения полученных пиков и главного максимума, соответствующего лазерному излучению, причем пробу исследуемого газа облучают в камере газоанализатора, заполненной водой, температуру которой поддерживают в диапазоне 80-85°С, при этом присутствие компонента идентифицируют по частоте максимума излучения, полученного в результате вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна, а его концентрацию определяют как логарифм интенсивности стоксовой составляющей, при этом может быть использован, по меньшей мере, один твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой, встроенный в камеру газоанализатора (патент №2626389 на изобретение «Способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа», дата подачи 22.01.2016 г., опубликовано 26.07.2017 г.).

Недостатки таких систем связаны с применением лазерного излучения на разных длинах волн, включая УФ область, которые не обеспечивают необходимые выходные параметры усиления на заданной длине волны излучения. Кроме того, наряду с рабочим процессом вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в среде под действием световой волны возникает паразитное вынужденное рассеяние на акустических волнах или фононах - рассеяние Мальдештама-Брюэллена (ВРМБ) (Govind P. Agrawal, Non-liner Fibre Optics Academic Press INC. Harcourt. Brace Jovanovich Publishers «Stimulated Brillouin Scattering-Chapter 9» 1989). Конструкция громоздка, в том числе, из-за необходимости использования кюветы, заполненной водой, которую, в свою очередь, необходимо постоянно подогревать.

Известен измеритель концентрации метана многоканальный оптоволоконный, характеризующийся тем, что он обеспечивает измерение концентрации метана в воздухе в подключенных к независимым волоконно-оптическим линиям пассивным оптическим сенсорам посредством пропускания через них монохроматического оптического лазерного излучения, длина волны которого изменяется по задаваемому периодическому закону, при этом параметры лазера устанавливаются через обратную связь, организованную путем отвода части излучения посредством оптоволоконного разветвителя и пропускания его через герметично запаянную калибровочную кювету с метаном в составе головного блока устройства, кроме того, прием излучения от независимых сенсоров производится посредством последовательного опроса и анализа сигналов, получаемых от массива фотоприемников, количество которых соответствует количеству измерительных каналов с учетом канала опорного сигнала и канала калиброванной кюветы с метаном (патент №172412 на полезную модель «Измеритель концентрации метана многоканальный оптоволоконный», дата подачи 08.11.2016 г., опубликовано 07.07.2017 г.).

Недостатки данного устройства обусловлены необходимостью размещения в области измерения специальных сенсоров, соединенных с измерительным блоком электрическими или оптоволоконными линиями связи, и, как следствие, невозможностью выполнения работы на расстояниях свыше нескольких метров и, тем более, с дальностью обследования 100-150 метров.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор, содержащий блок лазерного излучателя с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, и блок приема аналитического сигнала, оптически связанный с блоком лазерного излучателя через диффузно отражающий объект, а также блок управления, приема и обработки данных, при этом блок лазерного излучателя содержит оптически последовательно связанные модуль диодного лазера, коллиматор, делитель лазерного излучения на два пучка, один из которых через кювету сравнения оптически связан с детектором сигнала сравнения, а второй пучок через диффузно отражающий объект оптически связан с фокусирующим элементом блока приема аналитического сигнала, при этом на одной с фокусирующим элементом оптической оси последовательно установлены светофильтр, оптический согласующий элемент, а также детектор аналитического сигнала, причем оптический согласующий элемент служит для построения изображения входной апертуры фокусирующего элемента на чувствительном элементе детектора аналитического сигнала, при этом взаимное расположение оптической оси пучка излучения, направляемого на диффузно отражающий объект, и оптической оси фокусирующего элемента обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области объекта в поле зрения детектора аналитического сигнала, а блок управления, приема и обработки данных выполнен в виде трех модулей, а именно: цифрового программируемого модуля, модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей и модуля преобразователей аналоговых сигналов, при этом посредством электрических соединений выход детектора аналитического сигнала соединен с первым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, выход детектора сигнала сравнения соединен со вторым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, а выход модуля диодного лазера соединен с третьим входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, первый выход модуля преобразователей аналоговых сигналов соединен с входом модуля диодного лазера, второй выход модуля преобразователей аналоговых сигналов соединен с первым входом модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей, первый выход модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей соединен с четвертым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, второй выход модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей соединен с первым входом цифрового программируемого модуля, выход которого соединен со вторым входом модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей (патент №2285251 на изобретение «Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор», дата подачи 30.12.2004 г., опубликовано 10.10.2006 г.).

Недостатки прототипа заключаются в малой мощности выходного оптического излучения, необходимого для измерения концентраций газового компонента, например, метана, на расстоянии 100-150 метров. Конструкцию невозможно оптимизировать как по весу, например, до 5 кг, так и по габаритам. Кроме того, известное устройство не обеспечивает снижение шумов, влияющих на значение минимально определяемой концентрации газового компонента, а также уменьшение динамического диапазона, что влияет на точность измерений.

Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений, является повышение чувствительности газоанализатора с обнаружительной способностью 100 ррм по газу, преимущественно метану, на трассе дальностью 100-150 м в ИК-диапазоне, а также повышение эффективности регулирования отношением оптического сигнала к шумам (ООСШ), точности измерения до 0,1 ppm/m, снижение веса до 5 кг и габаритов.

Дополнительными результатами являются повышение пыле- и виброустойчивости.

Указанный результат достигается тем, что оптоволоконный рамановский усилитель для дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора с длиной волны излучения в области 1,6 мкм, включающий оптический световод, согласно изобретению в качестве световода используют высокогерманосиликатное оптическое волокно с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, на входе которого с возможностью ввода лазерного излучения в его сердцевину установлено устройство ввода излучения, связанное с лазерным диодом и лазером накачки, формирующим излучение в диапазоне спектра поглощения определяемого газового компонента и соединенным с одночастотным задающим диодом накачки, а на выходе световода размещено устройство вывода излучения с каналом для отвода остаточного излучения, при этом в качестве лазера накачки используют эрбиево-иттербиевый волоконный лазер.

В качестве устройства ввода и вывода излучения используют мультиплексоры.

Наиболее эффективной длиной волны излучения диода накачки эрбий-иттербиевого лазера накачки с длиной излучения 1539 нм рамановского усилителя, при определении газового компонента в области 1,65 мкм является длина волны генерации 980 нм.

Для достижения усиления в требуемом диапазоне длин волн, в частности для метана с длиной волны λ = 1,65 мкм (1650 нм), и имея в виду, что собственная частота для силикатного волокна составляет 440 см^-1, длина волны генерации лазера накачки должна составлять 1539 (~1540) нм. В этой области длин волн эффективным активным материалом является волокно с добавками из редкоземельных элементов, например, эрбия и иттербия, при этом иттербий эффективно поглощает излучение задающего диода накачки и передает запасенную энергии эрбию, который, в свою очередь, излучает необходимую длину волны.

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения в области 1,6 мкм, включающий блок задающего лазерного излучателя с лазерным диодом, оптически связанный с реперной кюветой и через диффузно рассеивающую поверхность с апертурой блока приема аналитического сигнала, включающего оптическую приемную систему, детектор сравнения, а также блок управления, приема и обработки данных, блок навигации, согласно изобретению дополнительно содержит блок термостабилизации, связанный с лазерным диодом и электрически соединенный с блоком управления, а также блок оптоволоконного рамановского усилителя, в качестве световода для которого используют высокогерманосиликатное оптическое волокно с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, при этом на входе оптоволоконного рамановского усилителя установлено устройство ввода излучения, поступающего от связанного с ним эрбий-иттербиевого лазера накачки, соединенного с одночастотным задающим диодом накачки, и лазерного диода, а на выходе рамановского усилителя размещено устройство вывода излучения с каналом для отвода остаточного излучения, через оптический изолятор связанное с оптической формирующей системой, которая через диффузно рассеивающую поверхность соединена с оптической приемной системой, к которой последовательно подключены фотодетектор, усилитель аналитического сигнала, блок обработки данных, электрически соединенный с задающим диодом накачки, блоком управления, блоком навигации и блоком записи и хранения информации.

Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения 1,6 мкм по второму варианту дополнительно содержит акустооптическую систему, установленную между оптическим изолятором и оптической формирующей системой.

В качестве фотодетектора может быть применен, например, InGaAs фотодиод, а в качестве усилителя сигнала - малошумящий широкополосный трансимпедансный усилитель.

Способ дистанционного количественного обнаружения газового компонента с помощью дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора с длиной волны излучения в области 1,6 мкм, устанавливаемого на беспилотном летательном аппарате, заключающийся в формировании оптического лазерного излучения с длиной волны излучения, изменяющейся в области полосы поглощения детектируемой молекулы газового компонента, разделении его на два пучка, один из которых направляется на обследование диффузно рассеивающей поверхности для поглощения излучения определяемым газовым компонентом, а другой - в реперную кювету с эталонным содержанием детектируемого газового компонента, регистрации сигналов, поступающих от обоих пучков после отражения в блок управления, и их сравнении путем корреляционной обработки, согласно изобретению пучок лазерного излучения, направляемый на диффузно рассеивающую поверхность, усиливается благодаря проходу через оптоволоконный рамановский усилитель с высокогерманосиликатным оптическим световодом, выполненным с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, и подаче на вход рамановского усилителя дополнительного лазерного излучения с длиной волны генерации в области поглощения определяемого газового компонента от лазера накачки, выполненного из эрбиево-иттербиевого волокна, при этом лазерное излучение вводят в сердцевину световода рамановского усилителя, а после отражения от диффузно рассеивающей поверхности часть излучения попадает в оптическую приемную систему блока приема аналитического сигнала, регистрируется фотодетектором, с которого сигнал поступает в усилитель, а затем в систему обработки сигнала и блок управления для корреляционной обработки данных.

Изобретение поясняется чертежами, где

Фиг. 1 - принципиальная схема дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора по первому варианту.

Фиг. 2 - принципиальная схема дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора по второму варианту.

Заявляемый дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения в области 1,6 мкм устанавливают на борту беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

Газоанализатор содержит блок лазерного излучателя, включающий задающий генератор в виде одночастотного лазерного диода 1, настроенного на формирование заданной длины излучения, например, на длину волны излучения метана в ИК области, λ_зг =1,65 мкм (1650 нм), и выполненного с возможностью быстрой перестройки длины волны излучения вблизи этой области. Метод регистрации всего контура линии поглощения, в отличие от двухчастотного позволяет на порядок повысить обнаружительную способность диагностической аппаратуры за счет возможности выделения формы линии из зашумленного сигнала путем его корреляционной обработки. Схемное решение газоанализатора на основе одночастотного задающего генератора 1 предусматривает разделение лазерного излучения от лазерного диода на два пучка, один из которых через ответвитель 2 отводится на опорный канал, состоящий из реперной кюветы 3, заполненной смесью газового компонента, например, метана и воздуха при атмосферном давлении, другой - направляется на объект обследования, и проходя через ответвитель 2, оптический изолятор 20, устройство ввода излучения 4, в качестве которого применяют сплавной спектрально селективный входной мультиплексор (WDM), поступает на вход световода (на чертеже не показан) рамановского оптоволоконного усилителя 5 (РВУ), который необходим для увеличения дальности действия и чувствительности газоанализатора. Одновременно с излучением от задающего лазерного диода 1 на входной мультиплексор 4 для усиления лазерного излучения подается дополнительное излучение от лазера накачки 6, в качестве рабочего волокна для которого применяют эрбий-иттербиевое волокно (позиция не присвоена).

Оптический изолятор 20 также служит для предотвращения попадания отражений от мощного излучения лазера накачки 6 от возможных элементов схемы в задающий генератор и паразитной генерации типа вынужденного рассеивания Мандельштама-Брюэллена и, следовательно, для повышения точности измерений. На выходе рамановского усилителя 5 установлено устройство вывода излучения в виде мультиплексора 7, аналогичного входному 4, с каналом для вывода остаточного излучения накачки (на чертеже не показан). Выходной мультиплексор связан с оконечным оптическим изолятором 8, предотвращающим попадание в РВУ излучения, отраженного от оптической формирующей системы (выходной оптики) 9, предназначенной для формирования и направления излучения на диффузно рассеивающую поверхность, например, поверхность земли или магистральный трубопровод. После попадания на сканируемый объект и рассеяния часть излучения попадает в апертуру оптической приемной (собирающей) системы 10, в качестве которой используют линзы Френеля. Затем отраженный сигнал проходит, по меньшей мере, через один линейный фотодетектор 11, и соединенный с ним усилитель сигнала 12, который, в свою очередь, подключен к блоку обработки данных 13, связанного с блоком записи и хранения данных 14, в который поступают данные от установленных на борту БПЛА блока навигации GPS, датчиков параметров БПЛА, осуществляющего питание всей электрической схемы газоанализатора блока аккумуляторов, представленных на фиг. 1, 2 в виде блока 15. В качестве фотодетектора может быть использован, например, InGaAs фотодиод, а в качестве усилителя сигнала - малошумящий широкополосный трансимпедансный усилитель.

Система обработки данных 13 через блок управления 16 задающим генератором 1 соединена с системой термостабилизации 17 и задающим генератором 1, при этом система термостабилизации, обеспечивающая удержание температуры в рабочем диапазоне, что способствует более точным измерениям, закреплена на задающем генераторе посредством слоя термопасты (на чертеже не показана).

Кроме этого, блок управления 16 электрически связан с лазерным диодом накачки 18, который, в свою очередь, соединен с эрбиево-иттербиевым лазером накачки 6.

К блоку управления 16 электрически присоединена реперная кювета 3.

Как вариант, газоанализатор может содержать акустооптическую систему сканирования 19 (акустооптический дефлектор), необходимую для пространственной подстройки пучка выходного излучения для удержания заданной траектории на диффузно рассеивающей поверхности. В качестве акустооптической системы может быть применен, например, кристалл парателлурита, размещенный между оптическим изолятором 9 и выходной оптикой 10.

Для расчета концентрации определяемого газового компонента были приняты следующие математические соотношения.

Концентрация исследуемого газа определяется по формуле:

где α - коэффициент совпадения кросс - и авто - корреляционных функций аналитической трассы и реперного канала (кюветы).

p_r,a - концентрация и - длина реперной ячейки и аналитической трассы.

Для обеспечения заявленной дальности обнаружения утечек газа, 100-200 м, необходимая мощность передатчика Р_пер может быть определена следующим образом

где

Р_пр - мощность принимаемого излучения;

P_пер, - мощность излучения передатчика;

D - дальность до рассеивающей поверхности.

ρ₀ - эффективная площадь рассеяния

Θ_пер - расходимость излучения передатчика;

S_пр - площадь приемной апертуры;

τ_пер, τ_пр, τ_атм - пропускание передатчика, приемника, и атмосферы.

Для требуемой дальности обнаружения газа (100-200 м) пропускание атмосферы было принято равным ~ 1, при этом пропускание или эффективность приемника в области спектра, 1650 нм (1,65 мкм), как правило, составляет 0,1-0,2, а пропускание передающей оптической системы (спектральный фильтр 2) - 0,5.

С учетом указанных данных и для определения требуемой мощности излучателя (передатчика) для заданных показателей были приняты следующие значения параметров: D=100 м; r₀=0,25 м²; Θ_пер=3×10^-3; S_пр=0,02 м²; t_пер=0,5; t_пр=0,2; t_атм=1.

Эффективная мощность шума электронной части приемной аппаратуры по входу (трансимпедансный усилитель с полосой 100 кГц) Р_ш=2×10^-9 Вт.

Для уверенного приема при минимальном накоплении входного сигнала отношение сигнал/шум должно быть Р_пр/Р_ш=10².

Таким образом, мощность входного сигнала на приемнике при дальности, например, 100 м должна составлять Р_пр=2×10^-7 Вт.

Подставив полученные значения в формулу (2), требуемая мощность излучения должна быть равна: Р_пер=0,3 Вт, а с учетом обеспечения запаса по потерям Р_пер=0,4 Вт, при этом излучение должно иметь ширину линии ~ 30 МГц.

Для достижения высокого коэффициента преобразования в качестве рабочего волокна для рамановского усилителя был выбран высокогерманосиликатный световод с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, длиной 450 м, имеющий широкий максимум усиления при стоксовом сдвиге 13 ТГц (~ 110 нм). Высокая эффективность преобразования в высокогерманосиликатном световоде обусловлена повышенным коэффициентом преломления сердцевины световода и в силу этого ее малым оптическим размером. Так, например, в стандартном световоде эффективный размер сердцевины составляет 5-7 мкм, а в высокогерманосиликатном всего 2,0-3,0 мкм, оптимальным является размер сердцевины волокна 3,0 мкм. Таким образом, плотность мощности в высокогерманосиликатном световоде в 4 раза больше, чем в стандартном при одной и той же входной мощности.

С целью получения эффективного усиления на концах активного эрбиево-иттербиевого (Er-Yb) волокна длиной 3,5 м размещены зеркала в виде Брегговских дифракционных решеток (на чертеже не показаны), выполненных с помощью эксимерного лазера, при этом концевая решетка имеет коэффициент отражения 98%, выходная решетка - 20%. Спектральная характеристика коэффициента отражения решеток имеет ширину 3,0 нм по полувысоте.

В качестве задающего диода накачки применен полупроводниковый лазерный диод с центральной длиной волны излучения 980 нм и максимальной выходной мощностью 30 Вт. Накачку выполняют непосредственно «в оболочку» активного волокна, что повышает эффективность усиления.

В качестве фотодетектора может быть применен, например, InGaAs фотодиод Хамамацу с площадкой 2×2 мм.

Исходя из зависимости выходной мощности лазерного излучения от тока лазерного диода накачки на 0,98 мкм (980 нм) и графика спектра выходного излучения при различных значениях тока лазерного задающего диода накачки, измеренная оптическая эффективность лазера накачки составила 23%.

Проведенные исследования позволили получить усилитель для дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора газового компонента, преимущественно метана, со следующими выходными характеристиками, а именно, мощность излучения составила 500 мВт при токе накачки 9 А, что значительно превышает требуемые параметры. При этом было осуществлено частичное подавление генерации вынужденного рассеяния Мандельштама-Брюэллена, благодаря чему рост усиления излучения возможен во всем диапазоне рабочих токов накачки и задающего генератора.

Осуществление изобретения.

Излучение одночастотного задающего генератора длиной волны 1,6 мкм по оптоволокну последовательно проходит через ответвитель, после чего делится на два пучка, один из которых поступает в реперную кювету с измеряемыми газовым компонентом определенной концентрации, другой - через оптический изолятор в устройство ввода (мультиплексор), в который также подается излучение длиной волны 1539 нм от лазера накачки, который, в свою очередь, накачивается мощным диодом с длиной волны излучения 0,98 мкм (980 нм). Суммарное лазерное излучение вводится в сердцевину оптоволокна рамановского усилителя, в качестве которого используют высокогерманосиликатное волокно с содержанием оксида германия не менее 28%. Затем излучение проходит через оптический изолятор и оптическую формирующую систему (выходную оптику) и попадает на аналитическую трассу - диффузно рассеивающую поверхность. Как вариант, излучение после оптического изолятора дополнительно может проходить через акустооптическую систему сканирования, служащую для удержания пучка излучения на заданной траектории движения по трассе измерений. После рассеяния часть излучения, попадающая в угол наблюдения, а именно в апертуру блока приема аналитического сигнала (оптической собирающей системы), направляется в фотодетектор и затем усилитель сигнала. После чего полученный сигнал обрабатывается в блоке обработке данных, при этом определяется концентрация газа, например, метана, в зоне обследования и одновременно с данными о координате точки наблюдения поступает в блок управления, где сравнивается с результатами, которые были получены в тестовой реперной кювете.

Были проведены тестовые трассовые измерения чувствительности дистанционного газоанализатора при дальности 100 м. В качестве диффузно рассеивающей поверхности использовали лист строительной фанеры размером 100×100×1,2 см с коэффициентом диффузного рассеяния 35%. При фоновой концентрации метана ~2 ррм общая концентрация по трассе измерений (200 м) составляет 400 ррм. В помещении, в котором проводились измерения, фоновая концентрация фактически составила 2,4 ррм/м.

Примеры конкретного выполнения.

Пример №1

При проведении испытаний в качестве тестовой кюветы была применена кювета длиной 250 мм, заполненная при атмосферном давлении смесью метана с концентрацией 500 ppm и азота и обеспечивающая тестовую концентрацию 100 ppm/м. Длина трассы до рассеивающей мишени составляла 100 м. Измерения проведены с накоплением сигнала по 80 сканированиям задающего генератора. Начальный уровень соответствует наличию тестовой кюветы. После удаления кюветы выявлено понижение уровня сигнала. Соотношение сигнала/шум составило 2:1. При значении среднего сигнала 4,56 дисперсия величины концентрации составила 0,371. Таким образом, на трассе 100 м осуществлено детектирование метана с концентрацией 100 ppm.

Пример №2

В канал излучателя была помещена тестовая кювета длиной 650 мм, наполненная смесью метана с концентрацией 615 ррм и азота при атмосферном давлении. Кювета обеспечивает тестовую концентрацию, соответствующую общей концентрации фонового метана на трассе 100 м, 400 ррм.

Получены результаты измерений по 60 точкам сканирования. Начальный уровень соответствует наличию тестовой кюветы на трассе измерений. После удаления кюветы наблюдается понижение уровня сигнала. Соотношение сигнала/шум составляет 2:1. Дисперсия величины концентрации составила 0,371 при значении среднего сигнала 4,84, что соответствует сумме фоновой концентрации и тестовой кюветы в расчете на 1 метр трассы измерений. Из полученных результатов следует ограничение детектирующей способности на уровне 400 ррм при накоплении сигнала по 60 сканам линии поглощения.

Заявляемая группа изобретений обеспечивает возможность для имеющегося отношения сигнал/шум детектировать метан в объеме диаметром 1 м и содержанием газа (метана) 400 ррм или диаметром 4 м и концентрацией 100 ррм.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и касается дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора с длиной волны излучения в области 1,6 мкм. Газоанализатор включает в себя блок задающего лазерного излучателя с лазерным диодом, реперную кювету, оптическую приемную систему, детектор сравнения, блок навигации, блок термостабилизации, фотодетектор, усилитель аналитического сигнала, блок обработки данных, блок записи и хранения информации и блок оптоволоконного рамановского усилителя. В качестве световода для рамановского усилителя используют высокогерманосиликатное оптическое волокно с повышенным содержанием оксида германия. На входе рамановского усилителя установлено устройство ввода излучения, поступающего от эрбий-иттербиевого лазера накачки и лазерного диода. На выходе рамановского усилителя размещено устройство вывода излучения с каналом для отвода остаточного излучения, через оптический изолятор связанное с оптической формирующей системой. Технический результат заключается в повышении чувствительности и точности измерений. 4 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения в области 1,6 мкм, включающий блок задающего лазерного излучателя с лазерным диодом, оптически связанный с реперной кюветой и через диффузно рассеивающую поверхность с апертурой блока приема аналитического сигнала, включающего оптическую приемную систему, детектор сравнения, блок навигации, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок термостабилизации, связанный с лазерным диодом и электрически соединенный с блоком управления, а также блок оптоволоконного рамановского усилителя, в качестве световода для которого используют высокогерманосиликатное оптическое волокно с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, при этом на входе оптоволоконного рамановского усилителя установлено устройство ввода излучения, поступающего от связанного с ним эрбий-иттербиевого лазера накачки, соединенного с одночастотным задающим диодом накачки, и лазерного диода, а на выходе рамановского усилителя размещено устройство вывода излучения с каналом для отвода остаточного излучения, через оптический изолятор связанное с оптической формирующей системой, которая через диффузно рассеивающую поверхность соединена с оптической приемной системой, к которой последовательно подключены фотодетектор, усилитель аналитического сигнала, блок обработки данных, электрически соединенный с задающим диодом накачки, блоком управления, блоком навигации и блоком записи и хранения информации.

2. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения в области 1,6 мкм, включающий блок задающего лазерного излучателя с лазерным диодом, оптически связанный с реперной кюветой и через диффузно рассеивающую поверхность с апертурой блока приема аналитического сигнала, включающего оптическую приемную систему, детектор сравнения, блок навигации, отличающийся тем, что дополнительно содержит блок термостабилизации, связанный с лазерным диодом и электрически соединенный с блоком управления, блок оптоволоконного рамановского усилителя, в качестве световода для которого используют высокогерманосиликатное оптическое волокно с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, при этом на входе оптоволоконного рамановского усилителя установлено устройство ввода излучения, поступающего от связанного с ним эрбий-иттербиевого лазера накачки, соединенного с одночастотным задающим диодом накачки, и лазерного диода, а на выходе рамановского усилителя размещено устройство вывода излучения с каналом для отвода остаточного излучения, через оптический изолятор связанное с акустооптической системой сканирования и оптической формирующей системой, которая через диффузно рассеивающую поверхность соединена с оптической приемной системой, к которой последовательно подключены фотодетектор, усилитель аналитического сигнала, блок обработки данных, электрически соединенный с задающим диодом накачки, блоком управления, блоком навигации и блоком записи и хранения информации.

3. Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения в области 1,6 мкм по пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве фотодетектора применен InGaAs фотодиод, а в качестве усилителя сигнала - малошумящий широкополосный трансимпедансный усилитель.

4. Способ дистанционного количественного обнаружения газового компонента с помощью дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора с длиной волны излучения в области 1,6 мкм, устанавливаемого на беспилотном летательном аппарате, заключающийся в формировании оптического лазерного излучения на длине волны 1,65 мкм, изменяющейся в области полосы поглощения детектируемой молекулы газового компонента, разделении его на два пучка, один из которых направляется на обследование диффузно рассеивающей поверхности для поглощения излучения определяемым газовым компонентом, а другой - в реперную кювету с эталонным содержанием детектируемого газового компонента, регистрации сигналов, поступающих от обоих пучков после отражения в блок управления, и их сравнении путем корреляционной обработки, отличающийся тем, что пучок лазерного излучения, направляемый на диффузно рассеивающую поверхность, усиливается в оптоволоконном рамановском усилителе с высокогерманосиликатным оптическим световодом, выполненным с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, и подаче на вход рамановского усилителя дополнительного лазерного излучения с длиной волны генерации в области поглощения определяемого газового компонента от лазера накачки, выполненного из эрбиево-иттербиевого волокна, при этом лазерное излучение вводят в сердцевину световода рамановского усилителя, а после отражения от диффузно рассеивающей поверхности часть излучения попадает в оптическую приемную систему блока приема аналитического сигнала, регистрируется фотодетектором, с которого сигнал поступает в усилитель, а затем в систему обработки сигнала и блок управления для корреляционной обработки данных.

5. Оптоволоконный рамановский усилитель для дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора с длиной волны излучения в области 1,6 мкм по п. 1 или 2, включающий оптический световод, отличающийся тем, что в качестве оптического световода используют высокогерманосиликатное оптическое волокно с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, на входе которого с возможностью ввода лазерного излучения в его сердцевину установлено устройство ввода излучения, связанное с лазерным диодом и лазером накачки, формирующим излучение в диапазоне спектра поглощения определяемого газового компонента и соединенным с одночастотным задающим диодом накачки, а на выходе световода размещено устройство вывода излучения с каналом для отвода остаточного излучения, при этом в качестве лазера накачки используют эрбиево-иттербиевый волоконный лазер.

6. Способ дистанционного количественного обнаружения газового компонента по п. 4, отличающийся тем, что предназначен для детектирования молекул метана.