СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ В АТМОСФЕРЕ Российский патент 2024 года по МПК G01S17/88 

Изобретение относится к области атмосферных наблюдений и зондирования парниковых газов и может быть использовано для измерения концентрации водяного пара и метана в атмосфере.

Известен способ для дистанционного измерения концентрации метана, углекислого газа, сероводорода и аммиака с использованием метода лазерной диодной спектроскопии с модуляцией длины волны (Stachowiak D., Jaworski P., Krzaczek P., Maj G., Nikodem M. Laser-based monitoring of CH₄, CO₂, NH₃, and H₂S in animal farming-system characterization and initial demonstration // Sensors. 2018. V. 18. 529). Устройство, реализующее способ, содержит три лазерных диода с распределенной обратной связью, генерирующих излучение на длине волны 1574,5 нм для зондирования сероводорода и углекислого газа, 1651 нм для зондирования метана и 1531 нм для зондирования аммиака, соответственно.

Недостатком способа является использование отдельных передающих каналов зондирования для детектирования исследуемых газов в спектральных диапазонах, соответствующих диапазонам работы диодных лазеров, что приводит к усложнению элементного состава устройства и осуществлению газоанализа.

Известен способ ночных измерений концентраций парниковых газов (водяного пара, углекислого газа и метана) с использованием лидарной системы на основе перестраиваемого диодного лазера (Wagner G.A., Plusquellic D.F. Ground-based, integrated path differential absorption LIDAR measurement of CO₂, CH₄, and H₂O near 1.6 mum // Appl. Opt. 2016. V. 55. P. 6292–6310). Изобретение, реализующее способ, включает в себя одномодовый диодный лазер, перестраивающийся от линии поглощения углекислого газа к линии поглощения метана с захватом на крыльях этих линий водяного пара, волоконно-оптический тракт, телескоп Шмидта-Кассегрена для приема обратно рассеянного сигнала как из атмосферы, так и от топографической мишени, фотодетектор.

Недостатком способа является использование источника излучения, перестраиваемого в широкой полосе зондирования от 1585 нм до 1646 нм, и наложение линий поглощения целевых парниковых газов (в частности, водяного пара и метана) при осуществлении зондирования.

Известен способ локальных трассовых измерений фоновой концентрации парникового газа дистанционным активным лидаром на основе диодного лазера и мощного рамановского усилителя оптического излучения на длине волны 1653,73 нм (Григорьевский В.И., Садовников В.П., Элбакидзе А.В. Измерения фоновой концентрации метана дистанционным лидаром на километровых трассах в районе Московской области. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №9).

Недостатком способа является детектирование только одного целевого парникового газа (метана).

Известен способ измерения концентрации парникового газа (Yang H., Bu X., Song Y., Shen Y. Methane concentration measurement method in rain and fog coexisting weather based on TDLAS // Measurement. 2022. 112091). Согласно данному способу лазерный диод генерирует узкополосное излучение с центральной длиной волны 1653,7 нм в виде сигнала синусоидальной пилообразной формы и направляет это излучение через коллиматор в атмосферу. Излучение, пройдя через атмосферу, попадает на приемную часть, состоящую из светофильтра и плоско-выпуклой линзы, которая фокусирует сигнал на чувствительной площадке фотодетектора. Сигнал, принимаемый фотодетектором, содержит информацию о концентрации парникового газа в атмосфере на трассе зондирования.

Недостатком способа является детектирование только одного целевого парникового газа (метана) и неопределенность спектрального положения линии излучения лазерного диода при проведении измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ для дистанционного зондирования парниковых газов (водяного пара, углекислого газа и метана) в атмосфере автономным лазерным устройством дифференциального поглощения (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). Согласно данному способу лазерные диоды генерируют узкополосное излучение с центральными длинами волн 1570 нм и 1652 нм в виде сигналов синусоидальной пилообразной формы и направляют это излучение через коллиматоры в атмосферу в направлении топографической мишени. Отражённые от топографической мишени сигналы собираются приемным телескопом Ньютона и фокусируются на чувствительной площадке фотодетектора. Сигналы, принимаемые фотодетектором, содержат информацию о концентрации парниковых газов в атмосфере на трассе зондирования.

Недостатком способа является уменьшение точности измерений при одновременном зондировании водяного пара и метана в полосе зондирования 1652 нм из-за неоднородности содержания водяного пара на трассе зондирования, что ведет к увеличению погрешности восстановления концентраций целевых исследуемых газов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является дистанционное зондирование водяного пара и метана в ограниченных спектральных диапазонах их линий поглощения с использованием непрерывного узкополосного перестраиваемого лазера.

Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что длина волны зондирующего излучения непрерывного узкополосного лазерного диода (2) модулируется системой управления (1) в спектральном диапазоне от линии поглощения водяного пара к линии поглощения метана путём изменения тока лазерного диода, а демодуляция принятого из атмосферы сигнала обеспечивает регистрацию спектра поглощения в диапазоне зондирования целевых парниковых газов.

Способ осуществляется путем лазерного зондирования окружающей среды в узком спектральном диапазоне, позволяющим отличить зависимости коэффициента поглощения целевых газов. Известно, что у всех молекулярных веществ, в том числе и целевых парниковых газов, существует зависимость коэффициента поглощения от длины волны, поэтому зная эту зависимость, полученную теоретически или эмпирически, и получив обратно рассеянные сигналы из окружающей среды, через которую прошёл свет, можно восстановить концентрацию исследуемого вещества. В нашем случае, излучение непрерывного узкополосного перестраиваемого диодного лазера модулируется системой управления в спектральном диапазоне от линии поглощения водяного пара к линии поглощения метана путём изменения тока лазерного диода по периодическому закону (синусоидальная, треугольная, пилообразная форма) и через волоконно-оптический тракт и коллиматор направляется в атмосферу по горизонтальной трассе, и, отражаясь от топографической мишени попадает на приемную апертуру телескопа Ньютона с вводом через волоконно-оптический тракт на чувствительную площадку фотодетектора, далее преобразуется из оптического сигнала в электрический, демодуляция которого системой управления осуществляет регистрацию спектра поглощения в диапазоне зондирования целевых парниковых газов.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит систему управления (1), непрерывный узкополосный перестраиваемый диодный лазер (2), волоконно-оптический тракт (3), коллиматор (4), телескоп Ньютона (6), фотодетектор (7). В качестве рассеивателя излучения с горизонтальной трассы зондирования выступает топографическая мишень (5).

Устройство работает следующим образом. Система управления (1) формирует импульсы тока модуляции, подающиеся на лазерный диод (2), генерирующий перестраиваемое узкополосное излучение, длина волны которого зависит от тока, направляемое через волоконно-оптический тракт (3) и коллиматор (4) в атмосферу. Рассеянное от топографической мишени (5) излучение собирается приемным телескопом Ньютона (6) и через волоконно-оптический тракт (3) направляется на чувствительную площадку фотодетектора (7). Оптические сигналы, преобразованные с использованием фотодетектора (7) в электрические, направляются в систему управления (1), которая производит регистрацию, демодуляцию и визуализирует эхо-сигналы в спектральном диапазоне зондирования водяного пара на длине волны 1653,5 нм и метана на длине волны 1653,7 нм, соответственно. На фиг. 2 представлен спектр поглощения водяного пара и метана в спектральной области ~ 1653 нм на горизонтальной трассе зондирования 200 м.

Таким образом, данное техническое решение по лазерному зондированию парниковых газов в атмосфере путем модуляции длины волны излучения непрерывного перестраиваемого узкополосного лазерного диода от линии поглощения водяного пара к линии поглощения метана и демодуляции рассеянного от топографической мишени и принятого из атмосферы обратно рассеянного сигнала позволяет осуществить регистрацию спектра поглощения в диапазоне зондирования целевых парниковых газов.

Изобретение относится к области атмосферных наблюдений и зондирования парниковых газов и может быть использовано для измерения концентрации водяного пара и метана в атмосфере. Способ заключается в направлении излучения непрерывного узкополосного перестраиваемого диодного лазера через волоконно-оптический тракт и коллиматор в атмосферу по горизонтальной трассе в направлении топографической мишени, приеме обратно рассеянного от топографической мишени оптического сигнала на приемную апертуру телескопа Ньютона с вводом в волоконно-оптический тракт и преобразовании оптического сигнала в электрический с регистрацией на чувствительной площадке фотодетектора. При этом длина волны зондирующего излучения узкополосного лазерного диода модулируется системой управления в спектральном диапазоне от линии поглощения водяного пара к линии поглощения метана путём изменения тока лазерного диода по периодическому закону (синусоидальная, треугольная, пилообразная форма), а демодуляция принятого сигнала по заданному закону обеспечивает регистрацию непрерывного спектра поглощения в диапазоне зондирования целевых газов. Технический результат заключается в восстановлении интегральных значений концентраций водяного пара и метана из регистрируемых эхо-сигналов в спектральном диапазоне зондирования целевых парниковых газов. 2 ил.

Способ лазерного зондирования водяного пара и метана с использованием непрерывного узкополосного перестраиваемого диодного лазера, заключающийся в направлении излучения через волоконно-оптический тракт и коллиматор в атмосферу по горизонтальной трассе в направлении топографической мишени, приеме обратно рассеянного от топографической мишени оптического сигнала на приемную апертуру телескопа Ньютона с вводом в волоконно-оптический тракт и преобразовании оптического сигнала в электрический с регистрацией на чувствительной площадке фотодетектора и отличающийся тем, что длину волны зондирующего излучения непрерывного узкополосного лазерного диода модулируют системой управления, и обрабатывают информацию в спектральном диапазоне от линии поглощения водяного пара к линии поглощения метана путём изменения тока лазерного диода с последующей демодуляцией принятого сигнала, и регистрируют спектр поглощения в диапазоне зондирования целевых парниковых газов.