Способ мониторинга атмосферных примесей Советский патент 1993 года по МПК G01N21/59 

Изобретение относится к дистанционным измерениям содержания атомов, молекул и мелкодисперсных пылевых частиц и может применяться для экологического контроля атмосферы.

Цель изобретения - повышение точности определения общего содержания и локальной концентрации примесей и обеспечение возможности измерений ее двухмерного распределения.

На чертеже показана принципиальная схема устройства для реализации способа.

Излучатель, состоящий из источников 1 света, объектива 2, формирователя 3, располагается на высоте 50-100м (т.е. выше большинства прилежащих наземных сооружений) и формирует веерообразный световой пучок вдоль земной поверхности в зоне 4 рассеяния. Излучение 5, рассеянное на примесях, аэрозолях и на молекулах воздуха, регистрируется измерительным устройством, образованным объективом 7, поляри- зационно-пространственным фильтром 8, линзами 9, спектральным устройством 10, диафрагмой 11 и приемником 12 излучения, причем выделение отдельных участков изображения осуществляют или с помощью диафрагм, или использованием матричного

00

о о

Сл

ю

СП

приемника, а для калибровки измерительного устройства используется сферический излучатель 6.

Вместо варианта формирования веерообразного пучка при помощи конического зёрдала можно применить другой - кольцевой источник света в виде газоразрядной лампы в фокусе тороидально-параболического рефлектора.

Рассеянное излучение 5 при измерении излучения из верхней полусферы, преимущественно из направления, близкого к вертикальному, имеет вид гало. При измерении излучения 5 нет необходимости осуществлять сверхточное совмещение оптического измерительного устройства с вертикалью, как это требуется при измерении излучения неизотропных излучателей с остронаправленной диаграммой излучения таких, как, например, лазерный локатор.

Назначение пространственно-поляризационного фильтра 8 заключается в выделении тангенциально Е -ч-, Е -ч-и

Л 1А 2

радиально Ел1,ЕЙ2 поляризованных составляющих излучения устройством, поочередно вводящим в световой пучок один из прозрачных дисков. Первый диск состоит из набора секторных поляроидов, направление поляризации которых является радиальным, а во втором диске направление поляризации выбирается тангенциальным. Такое устройство может быть названо еж- улитка.

Второй вариант выполнения пространственно-поляризационного фильтра основан на зависимости коэффициентов пропускания и отражения тонкого равно- толщинного зазора в диэлектрике от поляризации падающего излучения параллельно и перпендикулярно плоскости падения. При выполнении условия полного внутреннего

отражения cosa Vn , а 90 ° - в - угол при вершине конуса., в- угол падения, на зазоре имеет место нарушенное полное внутреннее отражение и равенство прошедшего и отраженного излучения в каждой поляризации при выборе толщины зазора равной

5S 2лVn2 cos2a- 1

Jn(xi + + 1 );

2 л Vn2 cos2 a - 1

Jn(x2 + + 1 );

Для S и Р-поляризации,эквивалентные для конических границ раздела тангенциальному и радиальным направлениям, где

I

XI

2 n sing n2cos2o:- 1 (n2-1)(n2cos2a-sin2«) -1

10

1-1,2;

а arccos (1/n);

Я-длина волны излучения.

Таким образом, при зазоре б s ортогональная поляризация в основном отражается, а при б р проходит через зазор. Поэтому при модуляции по расстоянию вдоль оси на (бs - 3 р) /sin а естественный свет оказывается поочередно поляризованным во внешней части радиально, а во внутренней тангенциально и вычитается при синхронном детектировании, а поляризованный свет модулирован. Преимуществом такой модуляции рассеянного излучения является

25

непосредственное измерение разности компонент FAiHFA2

FAi EAi-EAi:

FA2 EA2-EA2,

быстродействие микропривода, модулирующего зазор на величину 1 мкм, по сравнению с приводом смены ортогональных поляроидов, что повышает точность аналогично другим модуляционнным системам.

Выбор диаметра d диафрагмы 11 осуществляют из условия согласования диаметра

D зоны рассеяния с фокусным расстоянием объектива 7:

fl dR/F1,

где R - расстояние между излучателем и измерительным устройством.

Рассмотрим формирование сигнала на длине волны резонансного рассеяния А 1. Поток излучения, падающий от источника на

исследуемый объем, претерпевает рассеяние трех видов - релеевское, аэрозольное и резонансное рассеяние на излучаемых примесях. Освещенность на входе приемного устройства связана с интенсивностью излучения на выходе из рассеивающей среды:

EAi(i f+iJRp + )x

Использование: дистанционные измерения содержания атомов, молекул и мелкодисперсных пылевых частиц для экологического контроля атмосферы. Сущность изобретения: формируют неизотропный пучок в контролируемом районе и таком его направлении, что часть его энергии после взаимодействия с составляющими атмосферы и примесями попадает на приемную часть монитора, фокусируют излучение, выделяют спектральные линии контролируемой примеси и определяют ее концентрации по характеристикам линий. Формирование неизотропного пучка наземного излучателя производят в зоне и на высоте над поверхностью, подлежащих контролю, путем преобразования в световой пучок, веерообразно расходящийся в горизонтальной плоскости. Выделение спектральных линий осуществляют из линейно поляризованной части рассеянного излучения стангенциальным распределением направлений поляризации вокруг излучателя, с устранением вклада фонового излучения путем вычитаний тангенциально и радиально поляризованных потоков, а концентрацию примесей определяют по поляризованным эмиссионным линиям в спектре рассеяния веерообразного излучения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил. СП

х е -uU(R) Cosy-л:02/4,

где у- угол между направлением лучей и нормалью к апертуре приемной системы;

рел, I Я , I Я|р . I Я|3 интенсивности излучения, испытавшего релеевское, аэрозольное и резонансное рассеяние соответственно; R и тАч ( R )- расстояние и оптическая толщина слоя между исследуемым объемом и приемником; в- линейный угол поля зрения приемного устройства.

При малой оптической толщине исследуемой примеси в рассеивающей среде вокруг источника резонансная составляющая в направлении приемника излучения

IJtf3 полностью поляризована: IJlf3 l/ti, где I Xi тангенциально поляризованная составляющая. Нормируя IAi на интенсивность излучения IAi , падающего на исследуемый объем, имеем на единицу длины при радиусе I рассеивающей среды

4lL 4jrNn 1/1

Ctn

y Wгде Nn - концентрация резонансно рассеивающих частиц (атомов, молекул); ап- поперечное сечение резонансного рассеяния;

yx(V) коэффициент, связанный с перераспределением излучения по направлениям рассеяния («л/2).

В нижних слоях тропосферы поперечное сечение а п определяется с учетом де- возбуждения за счет соударений примеси с молекулами воздуха.

Приведем физические соотношения, описывающие поток излучения, связанный с резонансным рассеянием. При анализе примеси, поглощающей из основного состояния и имеющей концентрацию Nn (), силу осциллятора f на частоте v с/А (А 1 - длина волны спектральной линии примеси, с З Ю10 см/с - скорость света) и эйнштейновский коэффициент радиационного перехода А21, от зоны в среднем равномерного загрязнения диаметром

D R d/F 1, или D 2ctM, 1и - длительность импульса света от источника излучения, возникает плотность BAi потока излучения в эмиссионной линии с тангенциальным распределением поляризации:

BAi 0,0188

f Nn lln -d0A21

AJtRf 1 (A21 (7jVi ) i

интенсивность источника излучения, а сумма в знаменателе учитывает ударное девозбуждение возбужденного уровня столкновениями атомов (молекул) примесей

с основными составляющими атмосферы, характеризуемыми концентрацией т, скоростью vi и сечением а дезактивации; i - индекс составляющей, а связь поперечного сечения а п с другими параметрами дается

выражением

an

f A21

A21 +2/ n iffi vi

Определение энергетических констант измерительного устройства и оптической толщины вертикального слоя атмосферы между уровнем источника излучения и изме- 0 рительным устройством осуществляется с помощью сферического излучателя 6, имеющего изотропную индикатрису излучения в верхнюю полусферу.

Потоки излучения Ej(Ј), создаваемые на длине волны поглощения примеси A i (A i А 1 ) или вне полосы поглощения А (A i А 2 )и регистрируемые приемником в пределах угла в линейного поля зрения Q приемного устройства под зенитным уг- ломЈ

Ej,(t) lVe

jr02

+

+ IP -е -mrfr(A0 -ттр(А|)Х

в/2

х/ ytO sinfl dfl ,

о

где %( - яркость излучателя 6; 0U - угол, под которым излучатель 6 виден из измерительного устройства; у ( в ) - индикатриса

рассеяния; в -угол рассеяния; т , (А| ) - полная бугеровская толща и толща рассеяния соответственно; m - воздушная масса. Первое слагаемое в правой части выражает прямой поток излучения от излучателя 6, ослабленный слоем атмосферы, а второе слагаемое - поток рассеянного излучения. Эти потоки пространственно разделены в плоскости полевой диафрагмы приемника и могут быть измерены раздельно, если Оц«0,, например, с помощью матричного приемника или другого метода пространственного разделения изображений.

По результатам измерений потоков E/li (Ј)и разделения прямого и рассеянного потоков при различных, например трех- четырех, воздушных массах можно

определить толщу Г (Ai ) и значение Е Я| при m 0; Эта операция осуществляется, например, решением системы уравнений

для прямого потока Е/(Ј)для различных m при 1 т 2 или 1 т 3 применения

разложения экспоненты е тГ в ряд по воздушной массе m или построением зависимости In Е % f ( m ) ,и ее экстраполяцией на воздушную массу m 0. По углу наклона этой зависимости кAI и /сА2 Для

длин волн А 1 и Я 2 и величинам In E Я при m 0 определяют оптическую толщину примеси

Т п tA.- Т,2

rAi tg/cAi; г Яг tg /cA2 ;

значения ЕЯ для AI и А2 , равные световому потоку от сферического излучателя 6, и общее содержание примеси

tg/cAi -tg/cAa Wn-----Ј----,

где К - коэффициент поглощения примеси, а локальную концентрацию Nn примеси определяют по формуле

Лг

(ifEAi

7n N ЕАГ

где Сп - коэффициент, определяемый индикатрисой рассеяния света, Сп 0,0376.

Для обеспечения сферической индикатрисы излучателя 6 в верхнюю полусферу размер нижней нерабочей зоны ограничивается углом среза

ее ср arc sec m макс,

где тмакс-максимальное значение воздушной массы.

Формирование пространственных размеров зоны рассеяния может осуществляться либо с помощью выбора диаметра диафрагмы 11 и фокусного расстояния F объектива 7, либо использованием импульсного режима работы источника 1 света и

стробированием работы приемника 12 излучения. Для этого необходимо согласование длительности импульса света, времени tn распространения света через зону рассеяния и времени работы приемника tn. Время распространения tp D/2C. При выборе tn tp и ограничении времени работы tn tn радиус эффективной зоны рассеяния равен D. Уменьшение размера зоны приема излучения обеспечивается введением задержки включения приемника относительно начала импульса источника.

Приведем энергетический расчет устройства. Источник излучения - импульсная лампа

ИФП-1200-2 со средней мощностью 6000 Вт. Для области спектра 760-770 нм КПД лампы h ср-нм 1. В приемном устройстве применен фотоумножитель ФЭУ-62 с характеристикой фотокатода Ci и пороговой чувствительностью # пор 6,8-10 .

Эффективность спектрального устройства, выделяющего, например, линию поглощения 766 нм атомов калия, равна 0,1, Диаметр объектива 0,3 м, расстояние от

излучателя до приемника 1 км. Концентрация атомов калия Nn 2-Ю10 . Примем, что 1 % от общего числа атомов находится в парообразном состоянии.

При частоте вспышек лампы 1 Гц отношение сигнал/шум на приемнике равно 15 и при фиксированной диафрагме уменьшается с расстоянием медленнее (обратно пропорционально), чем в других способах, характеризуемых уменьшением сигнала обратно пропорционально квадрату расстояния. Для увеличения расстояния между приемником и излучателем можно использовать лазерный источник. Для лампы- вспышки повышение эффективности

источника можно получить, если использовать внутри светового объема атомы исследуемой примеси, например, в виде паров. В этом случае световая отдача в линии примеси возрастает,

Формула изобретения

, ЕЙ2 1 прошедших исследуемый объем, и определении по этим потокам локаль- ной концентрации примесей в исследуемом объеме и их общего содержания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения общего содержания и локальной концентрации примесей и обеспечения возможности измерений ее двумерного распределения, световой пучок формируют со сферической диаграммой направленности, дополнительно формируют световой пучок на аналогичных длинах волн и спектрального состава, расходящийся веерообразно в атмосфере вокруг источника излучения, дополнительно собирают излучение, рассеянное под прямым углом к плоскости веерообразного пучка, формируют изображение зоны рассеяния, выделяют локальные участки изображения, для каждого локального участка выделяют компоненты рассеянного светового потока с тангенциальным E/li EU2 и радиальным EAi . распределением направления поляризации, где Я 1, Я 2 - длина волны поглощения примеси и длина волны сравнения соответственно, измеряют разность этих компонент FAi EXi -EAi, РЯ2 ЕА2-ЕА2, затем дополнительно измеряют прошедшие через исследуемый объем световые потоки ЕЙ1 (Ј) (Ј) источника излучения со сферической диаграммой направленности, по крайней мере для двух других углов (Ј) к исходному направлению светового пучка и по этим потокам и перво- начально измеренным потокам

Ё/1| , ЁЙ2ДЛЯ каждой длины волны определяют зависимость 1пЁД f(m), где m - воздушная масса, определяют углы наклона этой зависимости /cAi , Kfa и величины

In ЕЯ при m 0, причем, содержание примесей Wn определяют по формуле

Wn

tg/cAi К

где К- коэффициент поглощения примеси, а локальную концентрацию Nn примеси определяют по формуле

« тгй- С- - --Ј-).

CtnD

Е&

где (Хп - поперечное сечение резонансного рассеяния частиц примеси;

Сп - коэффициент, определяемый индикатрисой рассеяния света;

D - диаметр локального участка зоны рассеяния.

Е AI , Е 2 и радиальным Е Д/| , Е распределением направлений поляризации выделяют путем направления светового пучка с длинами волн Я 1,2 на два диэлектрика с зазором

между ними, причем компоненту EAi , EU2 выделяют в проходящем, а компоненту Е AI , Е %i B отраженном свете, при этом толщину зазора д k выбирают по формуле

Я 1,2

2яЛ|2соз2оз 1

V

ln(xk+ Xl + 1 ,

где

Xk

V 2 n sin аз n2cos2«3 -1

(п2-1)(п2соз2аз-51п2аз)

k 1,2 соответственно для компонент с тангенциальным и радиальным распределением направления поляризации;

п - показатель преломления диэлектрика;

аз - угол наклона воздушного зазора к направлению светового пучка.

тем, что, с целью повышения точности определения локальной концентрации примесей и обеспечения возможности измерения ее двумерного распределения,веерообразный световой поток формируют импульсным, а

локальные участки изображения выделяют путем выбора длительности импульса светового потока 1И, которую определяют из соотношения:

т.и 0/2с,/

где с - скорость света.