УСТРОЙСТВО ЗОНДИРОВАНИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ Российский патент 2024 года по МПК G01S17/88 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения концентрации метана в атмосфере.

Из уровня техники известен дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор (RU 2714527 C1, 18.02.2020). Данное устройство предназначено для измерения концентрации выхлопных газов движущихся автомобилей в режиме реального времени, а именно таких как СО, СО₂, NO и СН₄. Газоанализатор содержит систему анализа ближнего ИК-диапазона, состоящую из двух лазерных блоков, и систему анализа среднего ИК-диапазона, состоящую из лазерного блока среднего ИК-диапазона. Принцип работы устройства состоит в том, что на длинах волн генерации из различных диапазонов поочерёдно производится модуляция лазерного излучения для перекрытия линий поглощения целевых газов. С помощью реперного сигнала фотоприёмника производится настройка диодного лазера в заданный диапазон длин волн. В дальнейшем реперный канал применяется для вычисления концентрации с исследуемой трассы и проведения дополнительной температурной стабилизации циклов сканирования тока накачки диодного лазера по линии поглощения газа в реперной кювете. Для передачи зондирующего излучения в атмосферу применяются два сканатора, на каждый из спектральных диапазонов. Сбор отражённого от исследуемых объектов излучения производится с помощью приёмного зеркала.

К основным недостаткам устройства можно отнести использование большого количества передающих каналов, приводящих к излишней технической сложности системы и существенным затруднениям при необходимости её воспроизведения.

Из уровня техники известен способ и устройство для автономного дистанционного определения концентрации атмосферных газовых составляющих (RU 2736178 C1, 12.11.2020). Данный способ основан на методике абсорбционной модуляционной лазерной спектроскопии. Суть его состоит в том, что излучение лазерного источника света модулируется гармонической функцией с частотой f, а рассеянное от удаленной поверхности излучение детектируется с применением синхронного усилителя. Концентрация исследуемой газовой составляющей вычисляется по отношению составляющих регистрируемого сигнала на частотах f и 2f, для повышения отношения сигнал/шум системы используется квадратурное детектирование регистрируемого сигнала, при этом с применением частоты 3f обеспечивается стабилизация длины волны генерации по линии поглощения исследуемого газа. Вычисление расстояния до топоцели производится по набегу фазы регистрируемого сигнала.

К недостаткам данного устройства можно отнести разнесённость передающего и приёмного тракта устройства, которая может приводить к частичному перекрытию полей зрения лазерного пучка и приёмного телескопа, и необходимости проведения трудоёмкой процедуры юстировки устройства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является автономный лазерный прибор дифференциального поглощения для дистанционного зондирования парниковых газов в атмосфере (Siozos P., Psyllakis G., Samartzis P.C., Velegrakis M. Autonomous Differential Absorption Laser Device for Remote Sensing of Atmospheric Greenhouse Gases // Remote Sensing. 2022. V. 14. N 3. P. 460). Данное устройство предназначено для измерения концентрации водяного пара, углекислого газа и метана в атмосфере.

Устройство работает следующим образом: с применением генератора сигналов на драйверы двух лазерных диодов подаются модуляционные сигналы, обеспечивающие генерацию перестраиваемого по длине волны узкополосного излучения. Генерируемые лазерные сигналы, с использованием волоконных коллиматоров, направляются к топоцели, претерпевая амплитудную модуляцию с использованием оптического чоппера. Отражённый от топоцели сигнал собирается телескопом Ньютона и, проходя через полосовой фильтр, предназначенный для снижения фоновой засветки, направляется на InGaAs фотодиод. Электрические сигналы с фотодиода и оптического чоппера направляются в синхронный усилитель и далее, в систему сбора данных для накопления в памяти персонального компьютера.

Основной недостаток устройства состоит в применении оптически разнесённых коллиматоров и приёмного телескопа. Данный недостаток приводит к необходимости проведения трудоёмкой процедуры юстировки взаимного положения приёмного и передающего трактов для обеспечения полного перекрытия лазерных пучков и поля зрения телескопа.

Цель изобретения – создание устойчивой к разъюстировке лидарной системы трассового типа для зондирования концентрации метана в атмосфере.

Техническим результатом заявляемого изобретения является оптическая схема устройства, устойчивая к разъюстировке и позволяющая производить измерение концентрации метана в атмосфере.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что для создания оптической системы применяется полностью волоконная схема. Применение волоконно-оптических элементов обеспечивает полное согласование приёмного и передающего трактов без необходимости дополнительных процедур юстировки. А именно устройство включает приёмопередающий коллиматор применяющийся как для вывода излучения в атмосферу, так и для сбора рассеянного от топоцели излучения.

Устройство включает (фиг. 1) общую платформу (1), на которой расположены программируемая логическая интегральная схема – ПЛИС (2), драйвер лазерного диода (3), лазерный диод (4), разветвитель (5), измеритель длины волны (6), циркулятор (7), коллиматоры (8, 10, 12), интерференционный фильтр (11), лавинный фотодиод (13) и трансимпедансный усилитель (14). В качестве рассеивателя излучения с трассы зондирования выступает топоцель (9).

Устройство функционирует следующим образом: с использованием ПЛИС (2) формируются параметры задающих импульсов пилообразной формы, которые подаются на драйвер лазерного диода (3). Лазерный диод (4) генерирует перестраиваемое узкополосное излучение, покрывающее спектральный диапазон, в котором располагается линия поглощения целевого газа. Для контроля длины волны генерации малая часть излучения с применением разветвителя (5) отводится к измерителю длины волны (6). Основная часть излучения, проходя через циркулятор (7), с использованием коллиматора (8) направляется в атмосферу к топоцели (9). Рассеянное от топоцели (9) излучение собирается коллиматором (8), заводится в волокно и перенаправляется циркулятором (7) к коллиматору (10). Коллиматор (10) обеспечивает вывод из волокна параллельного пучка, собранного из атмосферы излучения, в направлении интерференционного фильтра (11), предназначенного для снижения уровня фоновой засветки. Далее, с применением коллиматора (12) излучение заводится в волокно и направляется на чувствительную площадку лавинного фотодетектора (13). Преобразованные с применением фотодетектора (13) сигналы направляются в трансимпедансный усилитель (14), после чего усиленные сигналы оцифровываются с применением ПЛИС (2). Полностью волоконное исполнение устройства и применение приемопередающего коллиматора обеспечивает устойчивость к разъюстировке, а именно – устойчивость к рассогласованию взаимного перекрытия поля зрения устройства и пятна лазерного излучения на топоцели.

Использование: изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения концентрации метана в атмосфере. Сущность: устройство содержит общую платформу, на которой расположены программируемая логическая интегральная схема, драйвер лазерного диода, лазерный диод, разветвитель, измеритель длины волны, циркулятор, коллиматоры, интерференционный фильтр, лавинный фотодиод и трансимпедансный усилитель. Технический результат: создание оптической схемы, устойчивой к разъюстировке и позволяющей производить измерение концентрации метана в атмосфере. 1 ил.

Устройство для зондирования концентрации метана в атмосфере, включающее программируемую логическую интегральную схему, генерирующую задающие импульсы, подающиеся на драйвер лазерного диода, обеспечивающие лазерным диодом генерацию перестраиваемого излучения, проходящего через циркулятор, выводящегося коллиматором в направлении топоцели и собирающегося коллиматором от топоцели рассеянного излучения, перенаправляющегося циркулятором в направлении коллиматора, обеспечивающего вывод из волокна параллельного пучка собранного из атмосферы излучения, направляющегося через интерференционный фильтр к собирающему коллиматору, который заводит излучение в волокно и направляет его к лавинному фотодиоду, после которого электрические сигналы усиливаются трансимпедансным усилителем, оцифровываются программируемой логической интегральной схемой, отличающееся тем, что устройство включает приёмопередающий коллиматор как для вывода излучения в атмосферу, так и для сбора рассеянного от топоцели излучения.