Комбинационный лидар Советский патент 1992 года по МПК G01N21/39 

обьектива и измерителя .энергиилазерного излучения, приемную оптическую систему, состоящую из приемного объектива, спектроанализатора и фоторегистрирующего устройстпа с блоком индикации, оход запуска которого связан с выходом измерителя энергии лазерного излучения,

Его недостатком является очень малая чувствительность и низкая избирательность, обусловленные малым поперечным сечением спонтанного комбинационного рассеяния (СКР), что объясняется физической природой СКР, состоящей в рассеянии света на элементарных возбуждениях среды, имеющих равновесный флуктуационный характер. Кроме того; при воздействии лазерного излучения на исследуемый объем происходит возбуждение всего спектра СКР, всех газов, имеющихся в исследуемом объеме. Большое число линий ц спектре СКР, их малая интенсивность делают задачу поиска и выделения спектра СКР исследуемого газа сложной и не всегда выполнимой. Цель изобретения - увеличение чувствительности лидара.

Поставленная цель достигается тем, что в комбинационный лидар, содержащий источник лазерного излучения, передающую оптическую-систему, состоящую из передающего объектива и измерителя энергии лазерного излучения, приемную оптическую систему, состоящую из приемного объектива, спектроанализатора и фоторегистрирующего устройства.с блоком индикации, вход запуска которого связан с выходом из мерителя энергии лазерного излуче1 Ия, дополнительно введены светоделительное устройство, расположенное на выходе источника лазерного излучения на одной с ним оптической оси, анализатор поляризации, вход которого связан со спектроанализатором приемной оптической системы, а выход под ключен к фоторегистрирующему устройству, и вторая передающая система, содержащая последовательно установленные по ходу распространения лазерного излучения кювету с анализируемым газом под давлением ниже 50 атм или и сжиженном состоянии, полосовой фильтр, псляризгтЦионное устройство и оптические связанные с ним второй передающий объектив и второй. измеритель лазерной энергии, выход которого также связан с входом запуска блока индикации фоторегистрирующего устройства приемной оптической системы, при этом обе передающие оптические системы оптически связаны со светодепительным устройством.

Принцип работыданного лидара заключается в том, что лазерное излучение пропускают од1 овременно по двум направлениям, пересекающимся в исследуемом объеме пространства. За счет прохождения части лазерного излучения через кювету, заполненную газом, который подлежит определению в исследуемом объеме, получают стоксову компоненту вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). Зондирование исследуемого объема осуществляют одновременно лазерным излучением и излучением стоксовой компоненты ВКР.

Использование ВКР дазерного излучения в кювете дает автоматически точн.ое выполиеиие условия резонанса:

соп - Шк где соп - частота лазерного излучения, й)с - частота стоксовой компоненты ВКР, (Ук -колебательная частота молекул исследуемого газа. Под воздействием двухчастотного излучения в исследуемом объеме происходит резонансное когерентное возбуждение колебаний молекул исследуемого газа. На этих колебаниях происходит антистоксовое рассеяние лазерного излучения. Сигнал рассеянного антистоксового излучения в 10 раз : превышает сигнал СКР при прочих равных условиях. Крометого, антистоксовое излучение расположено в спектральном ди апазоне, свободном от паразитных эффектов

типа люминесценции. В спектре полученного сигнала содержится лишь антистоксовая компонента, полученная при рассеянии лазерного излучения на колебаниях молекул исследуемого газа. Чтобы избавиться от помех, обусловленных нерезонансным взаимодействием двухчастотного излучений с другими атмосферными газами, используется поляризационный фильтр. При воздействии двухчастотного излучения с разными

направлениями поляризации рассеянное излучение, обусловленное резонансным и нерезонансным взаимодействиями,/имеют также разные направления поляризации.. Применение поляризационного фильтра Дает увеличениечувствительности дополнительно еще в 10 раз.. .

Измерение концентрации исследуемого газа производитс.чИз основании соотношения ..

la KApL: |2 ;icN2&f/-. :.

где 1а - интенсивность антистоксовой компоненты рассеянного излучения, 1л - интенcuBViocTb лазерного излучения, 1с интенсивность стоксовой компоненты ВКР, К - коэффициент, учитывающий nponycKiaние приемной оптической системы и квантовую эффективность фотоприемника, А коэффициент, учитывающий ослабление излучения атмосферой, р - коэффициент отражения отражающей поверхности, L - расстояние от отражающей поверхности до приемной оптической системы, N - плотность молекул исследуемого газа, - коэффициент, определяемый кубической нелинейной восприимчивостью исследуемого газа, S - площадь зеркала приемной оптической системы. На чертеже представлена блок-схема комбинационного лидера. Комбинационный лидар состоит и,з источника 1 лазерного излучения, на выходе которого установлено светоделительное устройство 2, образующее два оптических канала. На одном из выходов светоделительного устройства 2 последовательно установлена кювета 3, заполненная анализируемым газом под давлением не ниже 50 атм, или в сжиженном состоянии, полосовой фильтр 4, выделяющий излучение стоксовой компоненты ВКР, и поляризационное устройство 5. Лидар имеет две передающие оптические системы. Первая расположена на одном из выходов светоделительного устройств.а 2 и включает измеритель энергии лазерного излучения, состоящий из плоскопараллельной пластины 6 и коаксиального фотозлемента 7, а также передающий объектив 8. Вторая передающая оптическая система расположена на выходе поляризационного устрой-, ства 5 и включаеттакже измеритель энергии лазерного излучения, состоящий из плоскопараллельной пластины 9 и коаксиального фотоэлемента 10, и передающий обьектив 11, Оптическая система состоит из приемного объектива 12 испектроанализатора 13. На выходе приемной оптической системы расположен анализатор поляризации 14, фоторегистрирующее устройство с блоком индикации 15. вход запуска которого связан с фотоэлементами 7 и 10 в измерителях энергии лазерного излучения передающих оптических систем. Устройство работает следующим образом. Часть излучения от источника 1 направляется светоделительным устройством 2 в кювету 3. Светоделительное устройство 2 представляет собой полупрозрачное зеркало, делящее лазерный луч на два пучка. Кювета 3 заполнена газом, подлежащим определению в зондируемом объеме, в сжиженном или сжатом по давлении не менее 50 атм состоянии. Термостатирование кюветы 3 осуществляется жиДким азотом. В кювете 3 происходит ВКР лазерного излу чения, стоксовая компонента которого выделяется полосовым фильтром 4. Фильтр 4 представляет собой интерференционный фильтр. Выделенная стоксовая компонента лазерного излучения направляется в поляризационное устройство 5. которое осуществляет поворот плоскости поляризации стоксовой компоненты на 45° относительно лазерного излучения. С выхода поляризационного устройства 5-стоксовое излучение и с выхода светоделительного устройства 2 зондирующее излучение направляются в две передающие оптические системы. В первую передающую оптическую систему направляется зондирующее излучение, а во вторую - стоксовое, которые с помощью передающих объективов 8 и 11 совмещаются в исследуемом объеме, который определяется местом пересечения излучений. При наличии исследуемого газа в этом объеме происходит когерентное антистоксовое комбинационное расйеяние за счет когерентного возбуждения колебаний молекул исследуемого газа под действием двухчастотного излучения. Излучение когерентного антистоксового комбинационного рассеяния отражается или рассеивается отражающей поверхностью и улавливается приемным объективом 12. Спектроанализатор 13 выделяет сигнал из принятого излучения, а анализатор поляризации 14 позволяет отделить сигнал антистоксового рассеяния от сигнала, обусловленного нерезонансным взаимодействием двухчастотного излучения с атмосферой. С анализатора поляризации 14 сигнал поступает на фоторегистрирующее устройство с блоком индикации 15, которое запускается импульсами, поступающими с коаксиальных фотоэлементов 7 и 10. Измерение интенсивности лазерного и стоксового излучения ВКР производится коаксиальными фотоэлементами 7 и 10, на которые отводится часть соответствующего излучения плоскопараллельными пластинами 6 и 9. Для повышения точности измерений и устранения ошибок флуктуационного характера производят измерение по нескольким импульсам. Данный лидар имеет чувствительность, в 10 раз превышающую чувствительность прототипа (при использовании поверхности с коэффициентом отражения, близким к iOO%). Вследствие резкого увеличения иненсивности рассеянного сигнала уменьшатся время наблюдения, значительно величивается сротношение сигнал-шум. ак, относительная концентрация С02 в атосфере Порядка 1:10 может быть измереа за время 10 , т.е. за один импульс. Явное преимущество данного комбинайонного лидара проявляется при установе лидара на борту самолета или скусственного спутника Земли, что позволит с высокой эффективностью и оперативностью производить измерение фоновых концентраций газов с целью обнаружения

мест аварий нефте- и газопроводов, прония отравляющих веществ. иска месторождений полезных ископаемых по локальным скоплениям сопутствующих газов, а также обнаружения мест захороне

КОМБИНАЦИОННЫЙ ЛИДАР. содержащий источник лазерного излучения, передающую оптическую систему, состоящую из передающего объектива и измерителя знергии лазерного излучения, приемную оптическую систему, состоящую из приёмного объектива, спектроанализатора и фоторегистрирующего устройства с блоком индикации, вход запуска которого связан с выходом измерителя знергии лазерного изИзобретение относится к лазерной локации атмосферы и может быть использовано для дистанционного определения парциальной концентрации газовых компонент атмосферы. Известно устройство для определения парциальной концентрации газовых компонент атмосферы, состоящее из источника лазерного излучения, преобразователей частоты, приемно-передающей оптической системы, спектро-анализирующей и фоторегистр и рую щей системы с блоком электронной обработки сигналов. лучения, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности лидара, в него дополнительно введены светоделительное устройство, расположенное на выходе источника лазерного излучения на Одной с ним оптической оси, анализатор поляризации, вход которого связан со спектроанализатором приемной оптической системы, а выход подключен к фрторегистрирующему устройству, и вторая передающая система, содержащая последовательно установленные по ходу распространения лазерного излучения кювету с анализируемым газом под давлением не ниже 50 атм или в сжиженном состоянии, полосовой фильтр, поляризационное устройство и оптически связаньыес ним второй передающий обьектиь и второй измери|СЛ тель лазерной энергии, выход которого также связан с входом запуска блока инди,С кации фоторегистрирующего устройства приемной оптической системы, при этом обе передающие оптические системы оптически связаны со светодетельным устройством. о |00 00 Jis. Недостатком этого устройства является О 00 низкая чувствительность. 8 возбужденном спектре комбинационного рассеяния (СКР) содержатся спектральные компоненты всех газов, имеющихся в зондируемом объеме. Ввиду слабости линий и их большого числа выделение нужной спектральной линии затрудненои не всегда возможно. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является комбинационный лидар, содержащий источник лазерного излучения, передающую оптическую систему, состоящую из передающего