BG113445A - A method and a broad-spectrum lidar for the sounding of atmospheric methane - Google Patents
A method and a broad-spectrum lidar for the sounding of atmospheric methane Download PDFInfo
- Publication number
- BG113445A BG113445A BG113445A BG11344521A BG113445A BG 113445 A BG113445 A BG 113445A BG 113445 A BG113445 A BG 113445A BG 11344521 A BG11344521 A BG 11344521A BG 113445 A BG113445 A BG 113445A
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- atmospheric
- lidar
- spectral
- spectrum
- methane
- Prior art date
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 41
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 30
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 17
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000005100 correlation spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
МЕТОД И ШИРОКОСПЕКТЪРЕН ЛИДАР ЗА СОНДИРАНЕ НАMETHOD AND WIDE SPECTRUM LIDAR FOR PROBING THE
АТМОСФЕРНИЯ МЕТАНATMOSPHERIC METHANE
ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАFIELD OF ENGINEERING
Изобретението се отнася до метод и широкоспектърен лидар за сондиране на атмосферния метан, по - специално, до метод и широкоспектърен лидар на диференциална абсорбция, за сондиране на атмосферния метан с мощен, импулсен лазерен диод, с приложение в областта на лидарите за атмосферен, дистанционен мониторинг, в метеорологията, климатологията, екологията, енергетиката, селското стопанство и проучването на находища на енергоизточници.The invention relates to a method and broad-spectrum lidar for probing atmospheric methane, in particular, to a method and broad-spectrum differential absorption lidar for probing atmospheric methane with a powerful, pulsed laser diode, with application in the field of lidars for atmospheric, remote monitoring , in meteorology, climatology, ecology, energy, agriculture and the exploration of energy deposits.
ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАPRIOR ART
Известни са лидари за регистриране атмосферни парникови газове, използващи пренастройваеми лазери с тясна спектрална линия комбиниран с оптичен усилвател по мощнпст (master oscillator - power amplifier), [1-3]. Известни са също точкови газови сензори на основата на лазерни диоди с тясна спектрална линия [4], които са с ниски енергийни параметри неподходящи за лидарни приложения.Lidars are known for recording atmospheric greenhouse gases, using tunable lasers with a narrow spectral line combined with an optical power amplifier (master oscillator - power amplifier), [1-3]. Also known are point gas sensors based on laser diodes with a narrow spectral line [4], which have low energy parameters unsuitable for lidar applications.
Общ недостатък на такива лидари е, че изискват много висока термична и честотна стабилизация, като в редица случаи се използват охлаждащи течности и енергоемки хладилни устройства. Освен това, се налага пренастройка по честота за избор на подходящи абсорбционни линии, както и в случаите на тяхното насищане при по- високи газови концентрации.A common disadvantage of such lidars is that they require very high thermal and frequency stabilization, and in many cases coolants and energy-intensive refrigeration devices are used. In addition, a frequency readjustment is required to select suitable absorption lines, as well as in cases of their saturation at higher gas concentrations.
В предшестващото състовние на техниката [5-6], мощните лазерни диоди се считат за непригодни за спектроскопични приложения и газоанализ поради ниските им кохерентни свойства. Характерната им уширена лазерна линия се модулира от интегрален спектър на регистрирания газ състоящ се от множество абсорбционни линии. Недостатъкът на метода е, че интегралният спектър често е примесен с абсорбционни линии на други атмосферни газове, особено с интензивните спектри на водните пари в близкия и средния инфрачервен диапазон.In the prior art [5-6], powerful laser diodes were considered unsuitable for spectroscopic applications and gas analysis due to their low coherence properties. Their characteristic broadened laser line is modulated by an integral spectrum of the detected gas consisting of multiple absorption lines. The disadvantage of the method is that the integral spectrum is often mixed with absorption lines of other atmospheric gases, especially with the intense spectra of water vapor in the near and mid-infrared range.
-3Предлаганият метод оползотворява спектралните и енергийни свойства на мощните импулсни лазерни диоди за регистрация на атмосферния метан. Основното предимство на метода е, че лидарните параметри са независими от атмосферните условия, такива като налягане, температура и влажност. Също така, паразитното поглъщане от водата напълно се уравновесява в двата спектрални канала.-3 The proposed method utilizes the spectral and energy properties of powerful pulsed laser diodes for the registration of atmospheric methane. The main advantage of the method is that the lidar parameters are independent of atmospheric conditions, such as pressure, temperature and humidity. Also, the parasitic absorption from water is completely balanced in the two spectral channels.
Метод използващ оптимална дължина на вълната 1,667рт в областта на силен абсорбционен спектър на метана разширява съвременните промишлени технологии за лазерни диоди, предлаганото изобретение значително увеличава лидарното трасе. Този спектрален диапазон е благоприятен и заради наличието на високочувствителни, неохлаждаеми фотодетектори.A method using an optimal wavelength of 1.667rt in the region of strong absorption spectrum of methane extends the current industrial laser diode technologies, the proposed invention significantly increases the lidar track. This spectral range is also favorable due to the availability of highly sensitive, uncooled photodetectors.
Широкоспектърният лидар е устойчива на вибрации при мобилни, или въздушнопреносими приложения. Отпада необходимостта от времева задръжка между лазерните импулси на двата спектрални канала, с което се избягват паразитните смущения от електрическата мрежа, атмосферната турболентност и модовия шум.The wide-spectrum lidar is resistant to vibrations in mobile or airborne applications. There is no need for a time delay between the laser pulses of the two spectral channels, which avoids parasitic interference from the power grid, atmospheric turbulence and mode noise.
ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES
По-подробно изобретението се пояснява с приложените фигури, където:The invention is explained in more detail with the attached figures, where:
Фигура 1 представлява оптична схема на широкоспектърен лидар за сондиране на атмосферен метан с два спектрални канала.Figure 1 is an optical schematic of a broad-spectrum lidar for probing atmospheric methane with two spectral channels.
Фигура 2 представлява графика на лазерен мод на широкоспектърен, мощен, импулсен лазерен диод на дължина на вълната 1.667pm:Figure 2 is a laser mode plot of a broad-spectrum, high-power, pulsed laser diode at a wavelength of 1.667pm:
(а) абсорбционен спектър на метан, при лидарно трасе 2km, съставен от: абсорбционен обертон Q - 2v3, с отношение на смесване с атмосферния въздух 10 милионни части (ppm);(a) absorption spectrum of methane, at a lidar track of 2km, composed of: absorption overtone Q - 2v3, with a mixing ratio with atmospheric air of 10 parts per million (ppm);
(b) абсорбционен спектър на водните пари при отношение на смесване 10 gm'3, или 58% относителна влажност при 20°С.(b) absorption spectrum of water vapor at a mixing ratio of 10 gm' 3 , or 58% relative humidity at 20°C.
Фигура 3 представлява графика на спектрална линия на мощен, импулсен лазерен диод:Figure 3 is a spectral line plot of a powerful, pulsed laser diode:
(а) спектър на теснолентов филтър с ширина на линията 4nm на дължина на вълната 1,667рт;(a) spectrum of a narrow-band filter with a line width of 4 nm at a wavelength of 1.667 nm;
(б) спектър на ограничителен филтър, който изолира спектралната област с ширина 4nm на дължина на вълната 1,667pm, пропускащ останалата част от лазерната линия.(b) spectrum of a cutoff filter that isolates the 4nm-wide spectral region at 1.667pm wavelength, passing the rest of the laser line.
-4ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ-4 EXAMPLES OF IMPLEMENTATION
Съгласно едно примерно изпълнение на изобретението, широкоспектърният лидар за регистрация на атмосферния метан се състои от излъчвателна и приемна оптични схеми.According to an exemplary embodiment of the invention, the wide-spectrum lidar for the registration of atmospheric methane consists of emitting and receiving optical circuits.
Излъчвателната оптична схема се състои от мощен импулсен лазерен диод (1), който е разположен във фокусното разстояние на оптична колимираща леща (2).The emitting optical circuit consists of a powerful pulsed laser diode (1), which is located in the focal length of an optical collimating lens (2).
Приемната оптична схема, разположена на паралелна оптична ос с тази на излъчвателната схема, се състои от оптична леща с голяма апертура (3), като на оптичната ос на разстояние от нея полупрозрачно огледало (4) със зададено съотношение на разделяне на лазерния лъч обратно пропорционално на отношението на входящите 0.25 спектрални интензивности, които са , задаващи 2 спектрални канала.The receiving optical circuit, located on an optical axis parallel to that of the emitting circuit, consists of an optical lens with a large aperture (3), and on the optical axis at a distance from it a translucent mirror (4) with a set ratio of splitting the laser beam inversely proportional of the ratio of the incoming 0.25 spectral intensities, which are , setting 2 spectral channels.
Единият спектрален канал включва теснолентов филтър с ширина на линията 4nm на основната дължина на вълната 1.667pm (5), след който на рзстояние във фокуса на лазерното лъчение е разположен регистриращ фотоприемник (6).One spectral channel includes a narrowband filter with a line width of 4nm at the main wavelength of 1.667pm (5), after which a recording photodetector (6) is located at a distance from the focus of the laser radiation.
Другият спектрален канал включва лентов филтър (7) с ширина на линията 15шп на дължина на вълната 1.667рт, като на разстояние от него е разположен ограничителен филтър (8), след който на рзстояние във фокуса на лазерното лъчение е разположен фотоприемник (9).The other spectral channel includes a band-pass filter (7) with a line width of 15 µm at a wavelength of 1.667 rt, and a limiting filter (8) is located at a distance from it, after which a photodetector (9) is located at a distance in the focus of the laser radiation.
При работа с широкоспектърния лидар за сондиране на атмосферния метан се включва излъчвателната оптична схема, състояща се от мощен импулсен лазерен диод (1), който е разположен във фокусното разстояние на оптична колимираща леща (2). Мощният импулсен лазерен диод (1), лъчението на който представлява Гаусов мод (Фиг.2а) на дължина на вълната 1.667рт, модулиран от молекулярен абсорбционен спектър при лидарно трасе 2km, съставен от абсорбционен обертон Q - 2v3 на метанс! при отношение на смесване с атмосферния въздух 10 милионни части (ppm) и (Фиг.2б) от абсорбционен спектър на водните пари при отношение на смесване 10 gm’, или 58% относителна влажност при 20°С.When working with the wide-spectrum lidar for probing atmospheric methane, the emitting optical circuit is turned on, consisting of a powerful pulsed laser diode (1), which is located in the focal length of an optical collimating lens (2). The powerful pulsed laser diode (1), the radiation of which is a Gaussian mode (Fig.2a) at a wavelength of 1.667rt, modulated by a molecular absorption spectrum at a lidar track of 2km, composed of an absorption overtone Q - 2v3 of methane! in relation to mixing with atmospheric air 10 parts per million (ppm) and (Fig.2b) from the absorption spectrum of water vapor in relation to mixing 10 gm', or 58% relative humidity at 20°C.
Лъчът от лазерния диод (1) след отражение от твърда мишена, земната повърхност, или от атмосферата, се регистрира в приемната оптична схема на лидара, при което той се въвежда в два лидарни спектрални канала посредством полупрозрачно огледало (4). Спектралната линия на лазерния диод (1) се разделя при съотношение обратноThe beam from the laser diode (1) after reflection from a solid target, the earth's surface, or from the atmosphere, is registered in the receiving optical scheme of the lidar, where it is introduced into two lidar spectral channels by means of a semi-transparent mirror (4). The spectral line of the laser diode (1) is split at an inverse ratio
-5пропорционално на отношението на входящите спектралните интензивности 0.25 / 0.75 спрямо лазерната линия, за първоначалното изравняване на изходите на двата спектрални канала.-5proportional to the ratio of the input spectral intensities 0.25 / 0.75 to the laser line, for the initial equalization of the outputs of the two spectral channels.
Лъчът на лазерния диод в единият спектрален канал преминава през теснолентовия филтър (5), чийто спектър на изхода е с ширина на линията 4шп на дължина на вълната 1,667рт (Фиг.За), след който се фокусира върху входящата апертура на фотоприемник (6), регистриращ сигнала на абсорбцията от метан.The laser diode beam in one spectral channel passes through the narrow-band filter (5), the output spectrum of which has a line width of 4µm at a wavelength of 1.667rt (Fig. 3a), after which it is focused on the entrance aperture of a photodetector (6). , recording the methane absorption signal.
Другият спектрален канал включва лентов филтър (7) на дължина на вълната 1,667рт с ширина на линията 15шп, който да пропуска цялата спектрална линия на лазерния диод (1), като същевременно ограничава фоновата осветяване от атмосферата, както и ограничителен филтър (8).The other spectral channel includes a bandpass filter (7) at a wavelength of 1.667rt with a line width of 15µm, which passes the entire spectral line of the laser diode (1), while limiting background illumination from the atmosphere, as well as a limiting filter (8).
Спектърът на изхода на ограничителния филтър (8) изолира спектралната област с ширина 4nm на дължина на вълната 1,667pm, като пропуска останалата част на спектралната линия на лазерния диод (1), като пропуска останалата част от нея, след който се фокусира върху входящата апертура на фотоприемник (9), регистриращ сигнала извън абсорбцията от метан.The output spectrum of the cutoff filter (8) isolates the 4nm wide spectral region at a wavelength of 1.667pm, passing the rest of the spectral line of the laser diode (1), passing the rest of it, then focusing on the input aperture of a photodetector (9) registering the signal outside the absorption by methane.
Атмосферната концентрация на метана се определя от съотношението на сигналите на изходите на двата спектрални канала.The atmospheric concentration of methane is determined by the ratio of the signals at the outputs of the two spectral channels.
ПРИЛОЖЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОAPPLICATION OF THE INVENTION
Методът и широкоспектърният лидар за сондиране на атмосферния метан е с приложение в областта на лидарите за атмосферен, дистанционен мониторинг, в метеорологията, климатологията, екологията, енергетиката, селското стопанство и проучването на находища на енергоизточници.The method and wide-spectrum lidar for probing atmospheric methane has application in the field of lidars for atmospheric, remote monitoring, in meteorology, climatology, ecology, energy, agriculture and the exploration of energy sources deposits.
-6ЛИТЕРАТУРА-6 LITERATURE
[1] Н. Riris, K. Numata, S. Li, S. Wu, A. Ramanathan, M. Dawsey, J. Mao, R. Kawa and J. B. Abshire (2012). Airborne measurements of atmospheric methane column abundance using a pulsed integrated-path differential absorption lidar, AppL Optics, 51, 34, 8296- 8305.[1] N. Riris, K. Numata, S. Li, S. Wu, A. Ramanathan, M. Dawsey, J. Mao, R. Kawa and J. B. Abshire (2012). Airborne measurements of atmospheric methane column abundance using a pulsed integrated-path differential absorption lidar, AppL Optics, 51, 34, 8296-8305.
[2] J. L. Machol, T. Ayers, K. T. Schwenz, K. W. Koenig, R. M. Hardesty, C. J. Senff, M. A. Krainak, J. B. Abshire, Η. E. Bravo and S. P. Sandberg (2004). Preliminary measurements with an automated compact differential absorption lidar for profiling water vapor, Appl. Optics, 43, 3110-3121.[2] J. L. Machol, T. Ayers, K. T. Schwenz, K. W. Koenig, R. M. Hardesty, C. J. Senff, M. A. Krainak, J. B. Abshire, Η. E. Bravo and S.P. Sandberg (2004). Preliminary measurements with an automated compact differential absorption lidar for profiling water vapor, Appl. Optics, 43, 3110-3121.
[3} K. S. Repasky, J. A. Shaw, J. L. Carlsten, M. D. Obland, L. S. Meng and D. S. Hoffman (2004). Diode laser transmitter for water vapor DIAL measurements, IGARSS 2004. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 3, 1947-1950.[3} K.S. Repasky, J.A. Shaw, J.L. Carlsten, M.D. Obland, L.S. Meng and D.S. Hoffman (2004). Diode laser transmitter for water vapor DIAL measurements, IGARSS 2004. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 3, 1947-1950.
[4] Quatrevalet, M., Ai, X., Perez-Serrano, A., Adamiec, P., Barbero, J., Fix, A., Tijero, J. M. G., Esquivias, 1., Rarity, J. G., & Ehret, G. (2017). Atmospheric CO2 Sensing with a Random Modulation Continuous Wave Integrated Path Differential Absorption Lidar, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 23(2), 5300311.[4] Quatrevalet, M., Ai, X., Perez-Serrano, A., Adamiec, P., Barbero, J., Fix, A., Tijero, J. M. G., Esquivias, 1., Rarity, J. G., & Ehret , G. (2017). Atmospheric CO2 Sensing with a Random Modulation Continuous Wave Integrated Path Differential Absorption Lidar, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 23(2), 5300311.
[5] S. Penchev, V. Pencheva, S. Naboko (2012). Atmospheric remote sensing hygrometer employing powerful broad-line laser diodes, Compte Rendus de l’Academie Bulgare des Sciences, 56, 669-674.[5] S. Penchev, V. Pencheva, S. Naboko (2012). Atmospheric remote sensing hygrometer employing powerful broad-line laser diodes, Compte Rendus de l'Academie Bulgare des Sciences, 56, 669-674.
[6] B. Thomas, G. David, C. Anselmo, J.-P. Cariou, A. Miffre and P. Rairoux (2013). Remote sensing of atmospheric gases with optical correlation spectroscopy and lidar: first experimental results on water vapor profile measurements, Appl. Physics B, 113, 265-275.[6] B. Thomas, G. David, C. Anselmo, J.-P. Cariou, A. Miffre and P. Rairoux (2013). Remote sensing of atmospheric gases with optical correlation spectroscopy and lidar: first experimental results on water vapor profile measurements, Appl. Physics B, 113, 265-275.
[7] Спектрална база HITRAN’2012 (http://hitran.iao.ru/)[7] Spectral database HITRAN'2012 (http://hitran.iao.ru/)
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG113445A BG113445A (en) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | A method and a broad-spectrum lidar for the sounding of atmospheric methane |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG113445A BG113445A (en) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | A method and a broad-spectrum lidar for the sounding of atmospheric methane |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG113445A true BG113445A (en) | 2023-05-31 |
Family
ID=89033769
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG113445A BG113445A (en) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | A method and a broad-spectrum lidar for the sounding of atmospheric methane |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG113445A (en) |
-
2021
- 2021-11-12 BG BG113445A patent/BG113445A/en unknown
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7397568B2 (en) | Coherent differential absorption lidar (dial) | |
CA2482402C (en) | Semiconductor diode laser spectrometer arrangement and method | |
US6949734B2 (en) | Active remote sensing using a spectral lock-in technique | |
WO2021000359A1 (en) | Dispersion gating-based atmospheric composition measurement laser radar | |
US7570349B2 (en) | Cars/absorption dual mode electro-optic sensor | |
US20060114447A1 (en) | Laser radar apparatus having multiple output wavelengths | |
Chen et al. | Review on multi gas detector using infrared spectral absorption technology | |
CN111398991B (en) | Quantum cascade laser differential absorption laser radar VOCs concentration detection method | |
US20030132389A1 (en) | Method for monitoring and controlling the high temperature reducing combustion atmosphere | |
WO2014162536A1 (en) | Multicomponent laser gas analyzer | |
Viveiros et al. | Ammonia sensing system based on wavelength modulation spectroscopy | |
Castillo et al. | Ambient detection of CH4 and N2O by Quantum Cascade Laser | |
BG113445A (en) | A method and a broad-spectrum lidar for the sounding of atmospheric methane | |
Gao et al. | Detection of ethanol using a tunable interband cascade laser at 3.345 μm | |
RU201025U1 (en) | TWO-CHANNEL LIDAR NEXT IR RANGE | |
CN113340868B (en) | Detection device and detection method for measuring concentration of pollutants in air by single-beam femtosecond laser | |
BG4239U1 (en) | Broad spectrum lidar for atmospheric methane sounding | |
BG67612B1 (en) | METHOD AND BROAD SPECTRUM LIDAR FOR PROBING ATMOSPHERIC METHANE | |
EP1715325B1 (en) | Method and apparatus for the detection of gas | |
JPS63308543A (en) | Scattered light measuring apparatus | |
Song et al. | Performance enhancement of methane detection using a novel self-adaptive mid-infrared absorption spectroscopy technique | |
JPWO2020138133A1 (en) | Light receiving system for meteorological observation riders | |
Wöllenstein et al. | Miniaturized multi channel infrared optical gas sensor system | |
Corrigan et al. | Portable open-path chemical sensor using a quantum cascade laser | |
Dong et al. | Mid-infrared detection of atmospheric CH 4, N 2 O and H 2 O based on a single continuous wave quantum cascade laser |