Способ лазерного зондирования атмосферных газов Советский патент 1993 года по МПК G01N21/39 

(7- коэффициент поглощения невозбужденной молекулы исследуемого газа на резонансном переходе с длиной волны зондирующего импульса;

Zi и Z2 - статистические веса соответственно нижнего и верхнего энергетических уровней резонансного перехода молекулы исследуемого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса лазерного излучения;

AR - толщина зондируемого обьема атмосферы;

Изобретение относится к способам лазерного зондирования атмосферы для дистанционного определения концентрации газовых компонентов воздуха и может использоваться в метеорологии и охране окружающей среды для оперативного контроля концентрации водяного пара и газовых загрязнений.

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности измерения концентрации атмосферных газов.

На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 - схема расположения энергетических уровней молекулы исследуемого газа.

Устройство содержит лазер 1 для генерации зондирующего импульса, в качестве которого может использоваться перестраиваемый параметрический лазер на CdSe, генерирующий излучение с длинами волн Яз 8,323 мкм в линии поглощения НгО и А о 8,320 мкм импульса на линии пропускания Н20 с длительностью импульсов 100 не, лазер 2 - импульсный С02-лазер для генерации вспомогательного импульса излучения с длиной волны Ае ;- 9,214 мкм в линии поглощения Н20 с д/ ительностью импульсов 100 НС, блок 3 синхронизации лазеров, рефлектор 4. дихроичное.зеркало 5 передающую антенну 6, детектор 7 опорного сигнала, приемную антенну 8, светофильтр 9 на область генерации CdSe-лазера, отсекающий излучение СОз-лазера, детектор 10 ли- дарного эхосигнала, блок 11 обработки лидарных эхосигналов.

Устройство работает следующим образом.

Для определения концентраций водяного пара Н20 зондирующий импульс излучения лазера 1 с длиной волны Лз и Длительностью т- 100нс, сформированный передающей антенной 6, направляется в заданный объем атмосферы, находящийся не расстоянии Я и имеющий толщину ЛЯ. Этот

U2 и - регистрируемые мощности обратнорассеянных эхосигналов соответственно с расстояний R и R + А R от зондирующего импульса, посылаемого без вспомогательного импульса лазерного излучения;

Ui и u l-регистрируемые мощности обратнорассеянных эхосигналов соответственно с расстояний R и R + Д R от зондирующего импульса, посылаемого одновременно со вспомогательным импульсом. 2 ил.

0

5

0

5

0

5

0

объем расположен в поле зрения приемной антенны 8. Обратнорассеянное этим объемом излучение фильтруется и принимается на длине волны А з . Часть излучения лазера 1 ответвляется на детектор 7 опорного сигнала и используется для определения дальности до рассеивающих объемов в атмосфере.

Затем через интервал времени, не превышающий 1 мс, после излучения первого зондирующего импулъса лазера 1 в тот же объем атмосферы, выделенный на фиг.1 волнистой линией, посылают одновременно два импульса излучения: второй зондирующий импульс отлазера 1 и вспомогательный импульс от лазера 2 на длинах волн соответственно АЗ и 8,3 мкм и А в 92 мкм. Обратнорассеянное излучение принимается и фильтруется на длине волны Аз . Измеряется мощность эхосигналов на длине волны А 3 . Мощность второго эхосигнала меньше, чем первого, что обусловлено увеличением поглощения зондирующего излучения молекулами водяного пара НзО из-за селективного характера перераспределения заселенностей на резонансном переходе с длиной волны А в вспомогательного излучения. Отношение мощностей принятых сигналов характеризует величину бтно- сительной спектральной прозрачности слоя атмосферы ДЯ, определяющей искомую концентрацию водяного пара. Это отношение мощностей принятых сигналов увеличивается с повышением мощности вспомогательного И1мпульса вплоть до величины мощности, соответствующей насыщению населенности верхнего уровня резонансного перехода с длиной волны вспомогательного импульса.

Способ основан на свойстве лазерного излучения возбуждать энергетический уровень молекулы, когда длина волны этого лазерного излучения совпадает с длиной волны резонансного перехода на этот энергетический уровень, и свойстве молекулы

увеличивать свою способность поглощать оптическое излучение с длиной волны, равной длине волны резонансного перехода молекулы, нижний энергетический уровень которого находится в возбужденном состо- янии.

На фиг.2 стрелками изображены переходы между энергетическими уровнями исследуемого газа водяного пара Н20. Переход 12-13 соответствует длине волны Я в вспомогательного импульса лазерного излучения, переход 13-14 - длине волны АЗ зондирующего импульса. Здесь показан также переход 15 с длиной волны Я о для

импульса лазерного излучения на линии

пропускания Н20, совпадающей с линией поглощения мешающего газа S02.

Длительность t вспомогательного импульса лежит в интервале г t 2 R/c , мощность Р находится в пределах

3 S с АЯZ 1 ехр ( - h с/(Я КТ ) А/(ВЯ222)Р (ВЯ2),

длина волны расположена в контуре другой линии поглощения исследуемого газа на резонансном переходе, верхний энергетический уровень которого совпадает с нижним энергетическим уровнем резонансного перехода с длиной волны зондирующего импульса (все обозначения см. ниже).

Концентрация р исследуемого газа на расстоянии R определяется из соотношения

2 + Sc ЛИ А/()

I ((Ьс7От) г7712- Т - sc 45 A7()

, Гп(.) - fn (и,/и,)

X-..,

где г - длительность зондирующего импульса лазерного излучения:

R - расстояние от зондируемого объема атмосферы;

с - скорость света;

S - площадь поперечного сечения лазерного пучка для вспомогательного импульса лазерного излучения;

ДЯ- ширина линии лазерного излучения вспомогательного импульса;

h - постоянная Планка;

Я -длина волны вспомогательного импульса лазерного излучения;

К - постоянная Больцмана;

Т - эбсолютная температура газа;

А и В - вероятности соответственно спонтанного испускания и поглощения на резонансном переходе молекулы исследуе5

10

5

0

5

О

5

0

5

0

5

мого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса; а - коэффициент поглощения невозбужденной молекулы исследуемого газа на резонансном переходе с длиной волны зондирующего импульса;

Zi и Z2 - статические веса соответственно нижнего и верхнего энергетических уровней резонансного перехода молекулы исследуемого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса;

AR - толщина зондируемого объема атмосферы;

U2 и и 2 - регистрируемые мощности обратнорассеянных эхосигналов соответственно с расстояний R и R + ДН от зондирующего импульса лазерного излучения, посылаемого без вспомогательного импульса лазерного излучения;

Ui и и 1 - регистрируемые мощности обратнорассеянных эхосигналов соответственно с расстояний R и R + ДР от зондируемого импульса лазерного излучения, посылаемого одновременно со вспомогательным импульсом лазерного излучения;

Р - мощность вспомогательного импульса лазерного излучения;

.- безразмерный параметр, принимающий значения от О до 1 на заданном интервале изменения длительности вспомогательного импульса лазерного излучения г, О, 2R/c.

Выражение для определения концентрации /э основано на зависимости/э от относительной спектральной прозрачности зондируемой области атмосферы для двух зондирующих импульсов и учитывает увеличение коэффициента поглощения за счет се- лект1 вного возбуждения молекулы исследуемого газа вспомогательным импульсом. Сдвиг по времени 1 мс между двумя зондирующими импульсами обеспечивает минимизацию влияния турбулентности атмосферы.

Длительность вспомогательного импульса выбирается в пределах

2 R

т t -р- , а предел мощности

ограничен насыщением населенности верхнего уровня резонансного перехода с длиной волны вспомогательного импулъса.

Способ увеличивает точность и чувствительность определения концентрации атмосферных газов за счет увеличения коэффициента поглощения на длине волны зондирующего импульса путем селективного возбуждения молекул исследуемого газа вспомогательным импульсом.

- С- -1

f4tt

Редактор Т.Клюкина

Составитель А.Городецкйй

Техред М.МоргенталКорректор А.Обручар

Заказ 1963ТиражП одписно

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушекая наб., 4/5

Производственно-издательский кОмбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101