BG4239U1

BG4239U1 - Широкоспектърен лидар за сондиране на атмосферен метан

Info

Publication number: BG4239U1
Application number: BG005407U
Authority: BG
Inventors: Стоян Пенчев; Василка Пенчева; Таня Драйшу
Original assignee: Институт по електроника "Акад. Емил Джаков" - БАН
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2022-05-16

Abstract

Полезният модел се отнася до широкоспектърен лидар за сондиране на атмосферeн метан, по-специално до широкоспектърен лидар на диференциална абсорбция, за сондиране на атмосферния метан с мощен, импулсен лазерен диод (1), с приложение в областта на лидарите за атмосферен, дистанционен мониторинг, в метеорологията, климатологията, екологията, енергетиката, селското стопанство и проучването на находища на енергоизточници. Широкоспектърният лидар за сондиране на атмосферен метан се състой от излъчвателна и приемна оптични схеми. Излъчвателната оптична схема с мощен импулсен лазерен диод (1), който е разположен във фокусното разстояние на оптична колимираща леща (2). Приемната оптична схема е 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 е разположено полупрозрачно огледало (4). Съотношението на разделяне на лазерния лъч е обратно пропорционално на отношението на входящите спектрални интензивности, което задава два спектрални канала. Единият спектрален канал включва теснолентов филтър с ширина на линията 4 nm на основната дължина на вълната 1.667 микрометра (5), след който на разстояние във фокуса на лазерното лъчение е разположен регистриращ фотоприемник (6). Другият спектрален канал включва лентов филтър (7) с ширина на линията 15 nm на дължина на вълната 1.667 микрометра, като на разстояние от него е разположен ограничителен филтър (8), след който на разстояние във фокуса на лазерното лъчение е разположен фотоприемник (9).

Description

Област на техниката

Полезният модел се отнася до широкоспектърен лидар за сондиране на атмосферния метан, по специално, до широкоспектърен лидар на диференциална абсорбция за сондиране на атмосферния метан, състоящ се от излъчвателна схема с мощен, импулсен лазерен диод и приемна схема с два спектрални канала, с приложение в областта на лидарите за атмосферен, дистанционен мониторинг, в метеорологията, климатологията, екологията, енергетиката, селското стопанство и проучването на находища на енергоизточници.

Предшестващо състояние на техниката

Известни са лидари за регистриране атмосферни парникови газове, използващи пренастройваеми лазери с тясна спектрална линия комбиниран с оптичен усилвател по мощност (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.

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.

В предшестващото състояние 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 широкоспектърния лидар, 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.

Известни са лидари на пряка детекция на отразените лазерни импулси за газоанализ с лазерни диоди в близкия инфрачервен спектрален диапазон и такива на базата на псевдослучайна модулация [4], или корелационна спектроскопия [6].

Не е известен широкоспектърен лидар на диференциална абсорбция за сондиране на атмосферния метан, състоящ се от излъчвателна схема с мощен, импулсен лазерен диод и приемна схема с два спектрални канала.

Техническа същност на полезния модел

Широкоспектърният лидар за сондиране на атмосферен метан е основан на диференциална абсорбция от атмосферните газове посредством лазерни диоди, при който се използва пряка детекция на отразените лазерни импулси посредством широкоспектърен лидар с мощни, импулсни лазерни диоди, с импулсна енергия от l pJ до 10 pJ. Лазерното лъчение в приемната оптична схема на широкоспектърния лидар се разделя на два спектрални канала. Единият от тях е с дължина на вълната 1.667 pm с ширина на линията 4 nm и попада в областта на спектър на метана, а другият спектрален канал пропуска част от лазерната линия, изключваща централната спектрална област с ширина 4 nm.

При сондиране на атмосферния метан, фоновата паразитна абсорбция от атмосферните водни пари, която съвпада с абсорбционните спектри на метана се разграничава, като паразитната абсорбция от атмосферните водни пари се уравновесява в двата спектрални канала на лидара.

Широкоспектърният лидар за сондиране на атмосферен метан се състои от излъчвателната оптична схема с мощен импулсен лазерен диод, който е разположен във фокусното разстояние на оптична колимираща леща. Приемната оптична схема е разположена на паралелна оптична ос с тази на излъчвателната схема. Тя се състои от оптична леща с голяма апертура, като на оптичната ос на разстояние от нея е разположено полупрозрачно огледало. Съотношението на разделяне на лазерния лъч е обратно пропорционално на 0.25 отношението на входящите спектрални интензивности, които са--, което задава два спектрални канала. 0.75

Единият спектрален канал включва теснолентов филтър с ширина на линията 4 nm на основната дължина на вълната 1.667 pm, след който на разстояние във фокуса на лазерното лъчение е разположен регистриращ фотоприемник. Другият спектрален канал включва лентов филтър с ширина на линията 15 nm на дължина на вълната 1.667 pm, като на разстояние от него е разположен ограничителен филтър, след който на разстояние във фокуса на лазерното лъчение е разположен фотоприемник.

Предлаганият широкоспектърен лидар оползотворява спектралните и енергийни свойства на мощните импулсни лазерни диоди за регистрация на атмосферния метан. Основното предимство на широкоспектърният лидар 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.

Широкоспектърният лидар използващ оптимална дължина на вълната 1,667 pm в областта на силен абсорбционен спектър на метана разширява приложението на съвременните промишлени технологии за лазерни диоди. Този спектрален диапазон е благоприятен и заради наличието на високочувствителни, неохлаждаеми фотодетектори.

Предлаганият полезен модел на широкоспектърен лидар значително увеличава лидарното трасе, като сканирането е устойчиво на вибрации при мобилни, или въздушно-преносими приложения. При това, 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.

Пояснения на приложените фигури

По-подробно полезния модел се пояснява с приложените фигури, където:

Фигура 1 представлява оптична схема на широкоспектърен лидар за сондиране на атмосферен метан с два спектрални канала;

Фигура 2 представлява графика на лазерен мод на широкоспектърен, мощен, импулсен лазерен диод на дължина на вълната 1,667 pm:

(а) абсорбционен спектър на метан, при лидарно трасе 2 km, съставен от: абсорбционен обертон Q 2 ν 3, с отношение на смесване с атмосферния въздух 10 милионни части (ppm);

(b) абсорбционен спектър на водните пари при отношение на смесване 10 gm^-3, или 58% относителна влажност при 20°С;

Фигура 3 представлява графика на спектрална линия на мощен, импулсен лазерен диод:

(а) спектър на теснолентов филтър с ширина на линията 4 nm на дължина на вълната 1,667 цш;

(б) спектър на ограничителен филтър, който изолира спектралната област с ширина 4 nm на дължина на вълната 1,667 цш, пропускащ останалата част от лазерната линия.

Примери за изпълнение на полезния модел

Съгласно едно примерно изпълнение на полезния модел, широкоспектърният лидар за регистрация на атмосферния метан се състои от излъчвателна и приемна оптични схеми.

Излъчвателната оптична схема се състои от мощен импулсен лазерен диод 1, който е разположен във фокусното разстояние на оптична колимираща леща 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 0.25 на входящите спектрални интензивности, които са--, задаващи два спектрални канала.

0.75

Единият спектрален канал включва теснолентов филтър с ширина на линията 4 nm на основната дължина на вълната 1.667 цш 5, след който на разстояние във фокуса на лазерното лъчение е разположен регистриращ фотоприемник 6.

Другият спектрален канал включва лентов филтър 7 с ширина на линията 15 nm на дължина на вълната 1.667 цш, като на разстояние от него е разположен ограничителен филтър 8, след който на разстояние във фокуса на лазерното лъчение е разположен фотоприемник 9.

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 1.667 цш, модулиран от молекулярен абсорбционен спектър при лидарно трасе 2 km, съставен от абсорбционен обертон Q - 2 ν 3 на метан d 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^-3, или 58% относителна влажност при 20°С.

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 обратно пропорционално на отношението на входящите спектрални интензивности 0.25 / 0.75 спрямо лазерната линия, за първоначалното изравняване на изходите на двата спектрални канала.

Лъчът на лазерния диод в единият спектрален канал преминава през теснолентовия филтър 5, чийто спектър на изхода е с ширина на линията 4 пш на дължина на вълната 1,667 pm (фиг. 3а), след който се фокусира върху входящата апертура на фотоприемник 6, регистриращ сигнала на абсорбцията от метан.

Другият спектрален канал включва лентов филтър 7 на дължина на вълната 1,667 цт с ширина на линията 15 пш, който да пропуска цялата спектрална линия на лазерния диод 1, като същевременно ограничава фоновото осветяване от атмосферата, както и ограничителен филтър 8.

Спектърът на изхода на ограничителния филтър 8 изолира спектралната област с ширина 4 пш на дължина на вълната 1,667 цш, 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.

Атмосферната концентрация на метана се определя от съотношението на сигналите на изходите на двата спектрални канала.

Приложение на полезния модел

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.

Claims

Претенции

1. Широкоспектърен лидар за сондиране на атмосферен метан, включващ излъчвателна и приемна оптични схеми, характеризиращ се с това, че излъчвателната оптична схема се състои от мощен импулсен лазерен диод (1), който е разположен във фокусното разстояние на оптична колимираща леща (2) и приемна оптична схема, разположена на паралелна оптична ос с тази на излъчвателната схема, състояща се от оптична леща с голяма апертура (3), като на оптичната ос на разстояние от нея е разположено полупрозрачно огледало (4), със съотношение на разделяне на лазерния лъч обратно пропорционално на отношението на входящите

0.25 спектрални интензивности, които са задаващи два спектрални канала, като единият спектрален канал включва теснолентов филтър с ширина на линията 4 пш на основната дължина на вълната 1.667 pm (5), след който на разстояние във фокуса на лазерното лъчение е разположен регистриращ фотоприемник (6), а другият спектрален канал включва лентов филтър (7) с ширина на линията 15 пш на дължина на вълната 1.667 μηι, като на разстояние от него е разположен ограничителен филтър (8), след който на разстояние във фокуса на лазерното лъчение е разположен фотоприемник (9).