BG4239U1 - Broad spectrum lidar for atmospheric methane sounding - Google Patents
Broad spectrum lidar for atmospheric methane sounding Download PDFInfo
- Publication number
- BG4239U1 BG4239U1 BG005407U BG540721U BG4239U1 BG 4239 U1 BG4239 U1 BG 4239U1 BG 005407 U BG005407 U BG 005407U BG 540721 U BG540721 U BG 540721U BG 4239 U1 BG4239 U1 BG 4239U1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- lidar
- spectral
- optical
- distance
- atmospheric
- Prior art date
Links
Landscapes
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Област на техникатаField of technique
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.The utility model relates to a broad-spectrum lidar for atmospheric methane probing, in particular, a broad-spectrum differential absorption lidar for atmospheric methane probing, consisting of a high-power, pulsed laser diode emitting circuit and a dual spectral channel receiving circuit, 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 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.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, frequency retuning is required to select suitable absorption lines, as well as in cases of their saturation at higher gas concentrations.
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.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 broad-spectrum lidar is that the integral spectrum is often mixed with absorption lines of other atmospheric gases, especially the intense spectra of water vapor in the near and mid-infrared range.
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].Lidars of direct detection of reflected laser pulses for gas analysis with laser diodes in the near-infrared spectral range and those based on pseudorandom modulation [4] or correlation spectroscopy [6] are known.
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.A broad-spectrum differential absorption lidar for probing atmospheric methane, consisting of a powerful, pulsed laser diode emitting circuit and a receiving circuit with two spectral channels, is not known.
Техническа същност на полезния моделTechnical nature of the utility model
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.Broad-spectrum lidar for probing atmospheric methane is based on differential absorption by atmospheric gases by means of laser diodes, which uses direct detection of reflected laser pulses by means of broad-spectrum lidar with powerful, pulsed laser diodes, with pulse energies from 1 pJ to 10 pJ. The laser radiation in the receiving optical scheme of the wide-spectrum lidar is divided into two spectral channels. One of them has a wavelength of 1.667 pm with a line width of 4 nm and falls in the spectral region of methane, and the other spectral channel passes a part of the laser line excluding the central spectral region with a width of 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.When probing atmospheric methane, the background spurious absorption from atmospheric water vapor that coincides with the methane absorption spectra is distinguished by balancing the spurious absorption from atmospheric water vapor in the two spectral channels of the lidar.
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. 0.75The broad-spectrum lidar for probing atmospheric methane consists of the emitting optical circuit with a powerful pulsed laser diode, which is located at the focal length of an optical collimating lens. The receiving optical circuit is located on a parallel optical axis with that of the emitting circuit. It consists of an optical lens with a large aperture, and a translucent mirror is located on the optical axis at a distance from it. The splitting ratio of the laser beam is inversely proportional to the 0.25 ratio of the input spectral intensities, which are -- which sets two spectral channels. 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.One spectral channel includes a narrowband filter with a line width of 4 nm at the fundamental wavelength of 1.667 pm, after which a recording photodetector is located at a distance from the focus of the laser radiation. The other spectral channel includes a bandpass filter with a line width of 15 nm at a wavelength of 1.667 pm, with a limiting filter located at a distance from it, after which a photodetector is located at a distance at the focus of the laser radiation.
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.The proposed broad-spectrum lidar exploits the spectral and energy properties of powerful pulsed laser diodes for the registration of atmospheric methane. The main advantage of wide-spectrum lidar is that 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.
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.Broad-spectrum lidar using an optimal wavelength of 1.667 pm in the strong absorption spectrum region of methane expands the application of modern industrial laser diode technologies. This spectral range is also favorable due to the availability of highly sensitive, uncooled photodetectors.
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.The proposed utility model of wide-spectrum lidar significantly increases the lidar track, with vibration-resistant scanning in mobile or airborne applications. At the same time, the need for a time delay between the laser pulses of the two spectral channels is eliminated, which avoids parasitic interference from the electrical network, atmospheric turbulence and mode noise.
Пояснения на приложените фигуриExplanations of the attached figures
По-подробно полезния модел се пояснява с приложените фигури, където:The useful model 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 1,667 pm:Figure 2 is a laser mode plot of a broad-spectrum, high-power, pulsed laser diode at a wavelength of 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);(a) absorption spectrum of methane, at a lidar track of 2 km, composed of: absorption overtone Q 2 ν 3, 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 4 nm на дължина на вълната 1,667 цш;(a) spectrum of a 4 nm linewidth narrowband filter at a wavelength of 1.667 tsh;
(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.(b) spectrum of a cutoff filter that isolates the 4 nm wide spectral region at 1.667 tsh wavelength, passing the rest of the laser line.
Примери за изпълнение на полезния моделExamples of implementation of the utility model
Съгласно едно примерно изпълнение на полезния модел, широкоспектърният лидар за регистрация на атмосферния метан се състои от излъчвателна и приемна оптични схеми.According to an exemplary embodiment of the utility model, the wide-spectrum lidar for recording atmospheric methane consists of a transmitting and receiving optical circuit.
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 0.25 на входящите спектрални интензивности, които са--, задаващи два 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 to the ratio 0.25 of the input spectral intensities which are-- specifying two spectral channels.
0.750.75
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.One spectral channel includes a narrow-band filter with a line width of 4 nm at the main wavelength 1.667 tsh 5, after which a recording photodetector 6 is located at a distance in the focus of the laser radiation.
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.The other spectral channel includes a bandpass filter 7 with a line width of 15 nm at a wavelength of 1.667 tsh, 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 1.667 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.When working with the broad-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 1.667 Tsh modulated by a molecular absorption spectrum at a lidar track of 2 km, composed of an absorption overtone Q - 2 ν 3 of methane d at a mixing ratio with atmospheric air of 10 parts per million (ppm) and (Fig. 2b) from the absorption spectrum of water vapor at a mixing ratio of 10 gm -3 , 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 обратно пропорционално на отношението на входящите спектрални интензивности 0.25 / 0.75 спрямо лазерната линия, за първоначалното изравняване на изходите на двата спектрални канала.The 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 circuit of the lidar, where it is introduced into two lidar spectral channels by means of a translucent mirror 4. The spectral line of the laser diode 1 is divided at a ratio inversely proportional 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 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.The laser diode beam in one spectral channel passes through the narrowband filter 5, the output spectrum of which has a line width of 4 ps at a wavelength of 1.667 pm (Fig. 3a), after which it is focused on the input aperture of a photodetector 6, which registers the signal of methane absorption.
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.The other spectral channel includes a bandpass filter 7 at a wavelength of 1.667 µm with a line width of 15 ps, which passes the entire spectral line of the laser diode 1, while limiting the background illumination from the atmosphere, as well as a limiting filter 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.The spectrum of the output of the limiting filter 8 isolates the spectral region with a width of 4 psh at a wavelength of 1.667 tsh, passing the rest of the spectral line of the laser diode 1, passing the rest of it, after which it is focused on the input aperture of a photodetector 9 , recording the signal outside the methane absorption.
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 полезния моделApplication of the utility model
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 wide-spectrum atmospheric methane sounding lidar has applications in the field of atmospheric remote monitoring lidars, meteorology, climatology, ecology, energy, agriculture, and exploration of energy sources.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG005407U BG4239U1 (en) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | Broad spectrum lidar for atmospheric methane sounding |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG005407U BG4239U1 (en) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | Broad spectrum lidar for atmospheric methane sounding |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG4239U1 true BG4239U1 (en) | 2022-05-16 |
Family
ID=85238896
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG005407U BG4239U1 (en) | 2021-11-12 | 2021-11-12 | Broad spectrum lidar for atmospheric methane sounding |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG4239U1 (en) |
-
2021
- 2021-11-12 BG BG005407U patent/BG4239U1/en unknown
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7397568B2 (en) | Coherent differential absorption lidar (dial) | |
EP1570293B1 (en) | Laser radar apparatus having multiple output wavelenghts | |
WO2021000359A1 (en) | Dispersion gating-based atmospheric composition measurement laser radar | |
CN110749872A (en) | Coherent differential absorption laser radar and method for detecting gas concentration | |
EP1618355B1 (en) | Active remote sensing using a spectral lock-in technique | |
US7570349B2 (en) | Cars/absorption dual mode electro-optic sensor | |
US10794998B2 (en) | Diode laser based high spectral resolution lidar | |
US20140016134A1 (en) | Miniaturized laser heterodyne radiometer for carbon dioxide, methane and carbon monoxide measurements in the atmospheric column | |
CN111398991B (en) | Quantum cascade laser differential absorption laser radar VOCs concentration detection method | |
IL260362B2 (en) | Apparatus and method for increasing dynamic range of a particle sensor | |
CN112799099A (en) | Near-infrared all-fiber water vapor differential absorption laser radar | |
BG4239U1 (en) | Broad spectrum lidar for atmospheric methane sounding | |
BG67612B1 (en) | METHOD AND BROAD SPECTRUM LIDAR FOR PROBING ATMOSPHERIC METHANE | |
BG113445A (en) | A method and a broad-spectrum lidar for the sounding of atmospheric methane | |
CN112904308B (en) | Laser radar system and method for detecting cloud phase state and cloud water content | |
CN211627368U (en) | Gas concentration remote sensing detection device based on coherent detection method | |
Hangauer et al. | Simultaneous ranging and remote sensing utilizing chirped laser dispersion spectroscopy | |
Song et al. | Performance enhancement of methane detection using a novel self-adaptive mid-infrared absorption spectroscopy technique | |
Wöllenstein et al. | Miniaturized multi channel infrared optical gas sensor system | |
CN117451665A (en) | Multiple gas detection device based on cavity ring-down spectroscopy | |
SU1515896A1 (en) | Method of distant measuring of hydrogen concentration atmosphere | |
Dherbecourt et al. | DIAL Lidars for safety and security applications | |
Phillips et al. | Standoff 250 m Open-path Detection of Chemical Plumes Using a Broadband Swept-ECQCL | |
Patil et al. | Towards Minimal Noise Infrared Absorption Based Gas Sensing | |
Yann et al. | High spectral resolution lidar using spherical Fabry-Perot to measure aerosol and atmospheric molecular density |