BG67612B1

BG67612B1 - METHOD AND BROAD SPECTRUM LIDAR FOR PROBING ATMOSPHERIC METHANE

Info

Publication number: BG67612B1
Application number: BG113445
Authority: BG
Inventors: Пенчев Пенчев Стоян; Христова Пенчева Василка; Николова Драйшу Таня
Original assignee: Институт по електроника "Акад. Емил Джаков" - БАН
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2024-03-15

Description

Област на техникатаField of technique

Изобретението се отнася до метод и широкоспектърен лидар за сондиране на атмосферен метан, поспециално 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 atmospheric methane probing, 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 exploration of energy sources.

Предшестващо състояние на техникатаPrior art

Известни са лидари за регистриране на 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 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.

Известни са методи на пряка детекция на отразените лазерни импулси за газоанализ на базата на лазерни диоди в близкия инфрачервен спектрален диапазон - такива като псевдослучайна модулация [4], или корелационна спектроскопия [6].There are known methods of direct detection of reflected laser pulses for gas analysis based on laser diodes in the near infrared spectral range - such as pseudorandom modulation [4] or correlation spectroscopy [6].

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Методът 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 1 μJ 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.The atmospheric methane probing method is based on differential absorption by atmospheric gases by means of laser diodes, in which direct detection of the reflected laser pulses is used by means of a wide-spectrum lidar with powerful, pulsed laser diodes, with pulse energy from 1 μJ 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 включва излъчвателна и приемна оптични схеми. Той 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 отношението на входящите 0.25 спектрални интензивности, които са —, което задава два спектрални канала. Единият спектрален канал 0.75 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.The wide-spectrum lidar for probing atmospheric methane includes emitting and receiving optical circuits. It consists of the emitting optical circuit with a powerful pulsed laser diode, which is located in 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 ratio of the incoming 0.25 spectral intensities, which are — which sets two spectral channels. One spectral channel 0.75 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 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.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.

Методът, използващ оптимална дължина на вълната 1,667 pm 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.The method using the optimal wavelength 1.667 pm 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 presence of highly sensitive, uncooled photodetectors.

Широкоспектърният лидар е устойчив на вибрации при мобилни или въздушно-преносими приложения. Отпада необходимостта от времева задръжка между лазерните импулси на двата спектрални канала, с което се избягват паразитните смущения от електрическата мрежа, атмосферната турбулентност и модовия шум.The wide-spectrum lidar is vibration-resistant 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 electrical network, atmospheric turbulence and mode noise.

Пояснение на приложените фигуриExplanation 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 1,667 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 2ν3, 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 an absorption overtone Q 2ν3, with a mixing ratio with atmospheric air of 10 parts per million (ppm);

(б) 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 μm;(a) spectrum of a 4 nm linewidth narrowband filter at 1.667 μm wavelength;

(б) спектър на ограничителен филтър, който изолира спектралната област с ширина 4 nm на дължина на вълната 1,667 pm, пропускащ останалата част от лазерната линия.(b) spectrum of a cutoff filter that isolates the 4 nm wide spectral region at 1.667 pm wavelength, passing the rest of the laser line.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of implementation of the invention

Съгласно едно примерно изпълнение на изобретението, широкоспектърният лидар за сондиране на атмосферен метан се състои от излъчвателна и приемна оптични схеми.According to an exemplary embodiment of the invention, the wide-spectrum lidar for probing 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 0.25 , отношението на входящите 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 laser beam separation ratio inversely proportional to 0.25, the ratio of the input spectral intensities, which are — specifying 2 spectral channels.

0.750.75

Единият спектрален канал включва теснолентов филтър с ширина на линията 4 nm на основната дължина на вълната 1.667 pm 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 of 1.667 pm 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 pm, 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 pm, 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 атмосферен 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 pm, модулиран от молекулярен абсорбционен спектър при лидарно трасе 2 km, съставен от абсорбционен обертон Q - 2ν3 на метан 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 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 1.667 pm, modulated by a molecular absorption spectrum at a lidar track of 2 km, composed of an absorption overtone Q - 2ν3 of methane 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 двата лидарни спектрални канала посредством полупрозрачното 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 the two lidar spectral channels by means of the 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 единия спектрален канал преминава през теснолентовия филтър 5, чийто спектър на изхода е с ширина на линията 4 nm на дължина на вълната 1,667 pm (Фиг. 3а), след който се фокусира върху входящата апертура на фотоприемника 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 4 nm at a wavelength of 1.667 pm (Fig. 3a), after which it is focused on the input aperture of the photodetector 6, recording the signal of methane absorption.

Другият спектрален канал включва лентовия филтър 7 на дължина на вълната 1,667 μm с ширина на линията 15 nm, който да пропуска цялата спектрална линия на лазерния диод 1, като същевременно ограничава фоновото осветяване от атмосферата, както и ограничителния филтър 8.The other spectral channel includes the bandpass filter 7 at a wavelength of 1.667 μm with a line width of 15 nm, which will pass the entire spectral line of the laser diode 1, while limiting the background illumination from the atmosphere, as well as the limiting filter 8.

Спектърът на изхода на ограничителния филтър 8 изолира спектралната област с ширина 4 nm на дължина на вълната 1,667 μm, 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 фотоприемника 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 nm at a wavelength of 1.667 μm, 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 the 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 изобретениетоApplication of the invention

Методът и широкоспектърният лидар за сондиране на атмосферен 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 broad-spectrum lidar for sounding atmospheric methane has applications in the field of lidars for atmospheric, remote monitoring, in meteorology, climatology, ecology, energy, agriculture, and exploration of energy sources deposits.

Claims

1. A method for probing atmospheric methane based on differential absorption by atmospheric gases by means of laser diodes, characterized in that the reflected laser pulses are directly detected by means of a wide-spectrum lidar with powerful, pulsed laser diodes, with a pulse energy of 1 µJ up to 10 µJ, in which the laser radiation in the receiving optical scheme of the wide-spectrum lidar is split into two spectral channels, one of which has a wavelength of 1.667 µm with a line width of 4 nm and falls in the region of the methane spectrum, and the other spectral channel passes part of the laser line excluding the central spectral region of 4 nm width.

3. A wide-spectrum lidar for probing atmospheric methane, including a emitting and receiving optical circuit, characterized in that it consists of the emitting optical circuit with a powerful pulsed laser diode (1), which is located in the focal distance of an optical collimating lens (2 ) and the receiving optical circuit, located on an optical axis parallel to that of the emitting circuit, which consists of an optical lens with a large aperture (3), and on the optical axis at a distance from it is located a translucent mirror (4) with a separation ratio of the laser beam inversely proportional to the ratio of the input spectral intensities, which are 0.25/0.75, which sets two spectral channels, one spectral channel including a narrow-band filter with a line width of 4 nm at the fundamental wavelength of 1.667 µm (5), after which the distance in the focus of the laser radiation, a recording photodetector (6) is located, and the other spectral channel includes a bandpass filter (7) with a line width of 15 nm at a wavelength of 1,667 µm, 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.