Способ дистанционного измерения концентрации водорода в атмосфере Советский патент 1992 года по МПК G01N21/61 

3I 515896

Рассеямиос с атмосфере итиучонме принимается приемным трлескопом 0, оптически согласованным с полихрома- Topobf I I , на выходе которого иы челя- , ются частоты 0 , „ и N . Оптические сигналы на этих частотах регистрируются и обрабатываются су(стемой 12 регистрации и обработки оптических сигналов.10

Значения частот -излучений, г вне- рирусмых перестраииаемымн лазерными

источниками определяются из соотношений

15

h(, - Jg) - u Е,,

h(, - 5s) &F,

-,. где h - постоянная Планка;

UP, - энергия колебательного пе- 20 рехода водорода;

- энергия колебатального обертона азота.

Частота излучения Vrr, выбирается между частотами - и- .

Вследствие пьтужденного комбинационного рассеяния на молекулах водорода и азота в поле сильного излучения с частотой 5 , являющегося стоксо- вой компонентой, происходит ослабле- 30 ние излучений с частотами и v .

Процесс индуцированного поглощения яэллетсп вынужденным комбинационным ослаблением. Его основным преимуществом по сравнению с процессом вынужден-35 ного комбинационного усиления, суть которого состоит в усилении излучения на стоксовой частоте и регистрации этого усиления, является отсутствие на частотах , - t т которых 40 происходит регистрация полезной информации, помех, создаваемых флуоресценцией атмосферы под-воздейстпием мощного излучения с частотой Vg , .

Эта широкополосная флуоресценция 45 атмосферы orpaHjniHBaeT предел обнаружения ее микрокомпонент по спектрам комбинационного рассеяния на уровне концектраций 10-100 части7д на миллион

части) основных компонент,JQ

Креме того, полное сечение процессов вь нужденного комбинационного ос- na6nev:HH и усиления при плотноЛях мо1цнос:ти лазерного излучения, яости- жимых на трассах длиной до 1 км 55 ( -10 ), превьтает среднее дифференциальное.сечение сионтаичого комбинационного рассеяния в единичном Т€ Лесном угле в видимом диапазо

не спектра более чем в 10 ° раз при ширине спектра лазерного излучения 0,01 см- .

Нормируя мощности сигналов на частотах х и v на мощность сигнала частоты -0 , можно избавиться от флуктуирующих козф(1)ициентов поглощения и отражения, описьшающих нерезонансные и невынужденные процессы, облегчить речгим работы системы 12 регистрации, затем, вычисляя логарифм отношения нормированных сигналов, соответствую- П1ИХ моментам времени t для начала и конца злемента пространственного разрешения uL на трассе зондирования, можно избавиться от вариации энергии излучения на стоксовой частоте излучателя I ,

Концентрацию водорода определяют по наведенному дифференциальному поглощению на молекулах водорода и азота по формуле

In

In

ilL т1

N,(L- |b)

)

где Cy(L),Cr i C(L),Gj, - концентрации и сечения спонтанного комбинационного рассеяния молекулярного водорода и азота в атмосфере на расстоянии L соответственно;

c(t-to)

ь расстояние от лазерного устройства до объема атмосферы, зондирующего в момент времени t;

t(, - время посылки излучения в атмосферу; с - скорость света в среде; UL - пространственное разрешение по тряссе;

N,, Np-сигналы на частотах у и Ок .

Пример определения водорода в атмосфере при фоновой концентрации водорода 0,5 частиц на миллион частиц основных компонент.

Дифференциальное сечение спонтанного комбинационного рассеяния для Q - ветви колебаний 1,5 при облучении излучением с длиной волны Л 532 им. Для километрового участка трассы (ЬЬ I км) возможно с учетом дифракционной расходимости создать сечение ла- зерног пучка см на этом участке трассы при мощности излучения

Р

0,01

ГВт и ширине линии генерации . При этом сечение процесса возрастает в 10 , т.е. при фоне- вых концентрациях водорода в атмосфере относительное изменение сигнала

- 2.

на километровой трассе равно 210 , Таким образом, способ обеспечивает

измерение фоновых концентраций моле-

кулярного водорода в атмосфере. Изобретение позволяет повысить

дальность, точность и чувствительност

-отличающийся тем что, с целью увеличения дальности зондирования и повышения точности, посылку третьего и четвертого импул сов осуществляют Синхронно с двумя первыми импульсами, причем частоту четвертого импульса выбирают из усл вия совпадения разности первой и че вертой частот с колебательным оберт ном молекулы азота и значение треть частоты меньше значения четвертой ч тоты, а концентрацию водорода опред ляют по наведенному дифференциально

при измерении концентрации водорода. Одновременное проведение измерений на 5 поглощен{по на молекулах-водорода и трех частотах позволяет исключить не- азота по формуле контролируемые изменения плотности мощности излучения при его распространении в атмосфере.

СГгФормула изобретения

5896

лению,

Ю

-отличающийся тем, что, с целью увеличения дальности зондирования и повышения точности, посылку третьего и четвертого импульсов осуществляют Синхронно с двумя первыми импульсами, причем частоту четвертого импульса выбирают из условия совпадения разности первой и четвертой частот с колебательным обертоном молекулы азота и значение третьей частоты меньше значения четвертой частоты, а концентрацию водорода определяют по наведенному дифференциальному

5 поглощен{по на молекулах-водорода и азота по формуле поглощен{по на молекулах-водорода азота по формуле

Cv(L)(L)

G,

+ )

Изобретение относится к дистанционному лазерному зондироважда. Целью изобретения является увелкчерше дальности зондирования и повьшение точности.. Способ заключается в синхронном и соосном облучении атмосферы узконаправленным лазерным иэл чением на четьфех частотах: д х 1 fn ) t- Изобретение относится к дистанционному лазерному зондированию и может быть использовано для реп)ения геофизических задач. Целью изобретения является ув личс- ние дальности зондиропанмя и попьпислне точности. На чертеже показано устроЛпро, реализующее способ. Устройство содержит излучатель 1, выполненный в виде мощного иепере- страиваемого лазера с частотой v . тшлузаемьт с помо х-ью лазеров. При зтсм разиосп; частот Q ц - Ng ..дают с чястотам комбинационно- эктипнмх пг рсходоя соответственно во- дор . Д и ., Упруго рассеянное tta- излучение с выделенного участка трассы собирается приемной оптикой лидара на входной щели спектрального прибора, с выхода которого излучения с частотами у , - j Op поступают в систему регистрации, где преобразуются я соответствующие злектрические сигналы Uy, u, u. пропорциональные световым сириалам на этих частотах (Ру гт| РГ ) значениям этих вели- Ч1)н вычисляют искомую концентрацию g Изобретение обеспечивает дистанцион- регистрацию концентрации водорода в атмосфере при одновременном повы- гаении чувствительности и точности определения и учитьгоает флуктуацию мощности излу ателей и вариацию параметров атмосферы, ответствеи1тьтх за не- рег онансное излучение. I ил. (Л Изл;/чателн 2, 3, 4 представляют собой перестраиваемые по частоте лазеры с частотгями YX, Jp, и Vp соответственно. С помощью дихроичных зеркал 5, 6, 7 и поворотной призмы 8 излучение от излучателей 1-4 соосно направляется в выходной телескоп 9, формирующий узконаправленный пучок, посылаемый синхронно на четырех частотах исследуемую область атмос- фе ры, сл ел 00 ;о СГ)

Способ дистанционного измерения концентрации водорода в атмосфере, включающий облучение исследуемой области атмосферы четырьмя импульсами соосного узконаправленного лазерного излучения в спектральном диапазоне прозрачности атмосферы, причем два импульса излучают синхронно с разностью их частот, настроенной на комбинационный резонанс молекулы водорода, а третий импульс отстраивают по частоте от этого резонанса, регистрацию упруго рассеянного назад излучения, преобразование его в электрический сигнал, пропорциональный оптической мощности, нормировку результатов измерения для первой пары пучков на результаты изменений для второй пары пучков и определение концентрации водорода с учетом этой нормировки по вынужденному комбинационному ослаб

25

30

1п

N/L-)

где C,(L), G ; C(L), G r - концентрации и сечения спонтанного комбинационного рассеяния молекулярного водорода и йзота в атмосфере на расстоянии L соответственно;

L расстояние от лазерно

30

35

0

го устройства до объема атмосферы, зондируемого в момент времени t;

t - время посылки излучения в атмосферу;

с - скорость света в среде;

UL - пространственное разрешение по трассе;

NX и NP - сигналы на частотах к и г I где vx частота второго импульса лазерного излучения; Nf - частота четвертого импульса.

11

10