DD267111A1

DD267111A1 - ACTIVE MONOSTATIC LASER REMOTE CONDENSATION METHOD FOR MEASURING TRACE GAS CONCENTRATIONS IN THE ATMOSPHAERE

Info

Publication number: DD267111A1
Application number: DD31103787A
Authority: DD
Inventors: Gerd Sonnemann; Goetz Von Cossart; Bernd Schaening
Original assignee: Adw Der Ddr Heinrich Hertz Ins
Priority date: 1987-12-23
Filing date: 1987-12-23
Publication date: 1989-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fernsondierungsverfahren zur Messung von Spurengaskonzentrationen fuer die Umweltueberwachung bzw. zur Ueberwachung elektrischer Grossanlagen bezueglich Funkenentladung. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, ein Verfahren vorzuschlagen, das mit nur einer Wellenlaenge den Nachweis geringster Spurengaskonzentrationen, wie z. B. Ozon, in der Atmosphaere erlaubt. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass ein leistungsstarker Laserimpuls auf einer Wellenlaenge gesendet und durch Photodissoziation eines Spurengases eine Chemilumineszenzstrahlung angeregt wird, die in der Atmosphaere nur gering absorbiert wird.The invention relates to a remote sounding method for measuring trace gas concentrations for environmental monitoring or for monitoring large electrical systems with regard to spark discharge. The aim and object of the invention are to propose a method that with only one wavelength the detection of lowest trace gas concentrations, such. As ozone, allowed in the atmosphere. According to the invention, the object is achieved in that a powerful laser pulse is transmitted on a wavelength and by photodissociation of a trace gas a chemiluminescence radiation is excited, which is only slightly absorbed in the atmosphere.

Description

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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein aktives monostatisches Laser-Fernsondierungsverfahren zum Nachweis von Ozon oder andorer Sourengasbestandteile. Sie ist auf dem Gebiet der Umweltüberwachung und der Überwachung elektrischer Großanlagen bezüglich elektrischer Funkenontladungen einsetzbar.The invention relates to an active monostatic laser remote sensing method for the detection of ozone or other sour gas constituents. It can be used in the field of environmental monitoring and the monitoring of large electrical systems with respect to electrical spark discharges.

Characterization of bekannton technical solutions

Die relative Menge von Spurenstoffen in der Tropo- und Stratosphäre als untere Schichten der Atmosphäre, die zu messen sind, variiert zwischen 1(r^e(ppm), wie z.B. für Ozon, und 10"⁹(ppb) bis 10~'²(ppt) für die meisten chemisch aktiven Stoffe. Dies erfordert eine spezielle Meßtechnik. Für Ozon gibt es eine große Anzahl von Meßmöglichkeiten, die auf unterschiedlichen physikalischen und chemischen Prinzipien beruhen. Dio im Umweltschutz gebräuchlichen Verfahren nutzen die elektrische Leitfähigkeitsör.dorung bestimmter Stoffe beim Kontakt mit Ozon, der Freisetzung von Jod aus Kaliumiodid, welches einen Elektronentransport gostattot, oder der Erzeugung von Chemilumineszenz bei der Berührung von Ozon mit verschiedenen Farbstoffen wie Rhodamin. Es überwiegen aber spektroskopische Methoden, die bei Nutzung einer extei non Strahlungsquelle als passive bzw. mit einer internen, kontrollierbaren Strahlungsquelle (z.B. Laser) als aktive oder UDAR-Vorfahren bezeichnet werden (LIDAR: Light Detection and Ranging).The relative amount of tropospheric and stratospheric trace substances as lower layers of the atmosphere to be measured varies between 1 (r ^e (ppm), such as for ozone, and 10 " ⁹ (ppb) to 10 -2 ' ^). For ozone, there are a large number of measuring possibilities, which are based on different physical and chemical principles The methods commonly used in environmental protection use the electrical conductivity of certain substances in contact with Ozone, the release of iodine from potassium iodide, which gostattot an electron transport, or the generation of chemiluminescence in the contact of ozone with various dyes such as rhodamine, but outweigh spectroscopic methods using an extei non radiation source as passive or with an internal , controllable radiation source (eg laser) are referred to as active or UDAR ancestors (LIDAR: Light Detection and Ranging).

Verwendet man einen Laser als Strahlungsquelle, so gestattet deren räumliche Kohärenz, die Strahlungsenergie eng gebündelt über große Entfernungen zu transportieren. Läuft ein Lichtstrahl durch die Atmosphäre, so wird seine Leistung gemäß dem Beer-Lambert-Gesetz geschwächt. Zur Extinktion tragen mehrere physikalische Prozesse bei, die für die Fernsondierung atmosphärische Spurengase genutzt werden.If one uses a laser as a radiation source, its spatial coherence allows the radiation energy to be transported tightly bundled over long distances. If a ray of light passes through the atmosphere, its performance is weakened according to the Beer-Lambert law. Extinction contributes to several physical processes that are used for remote sensing of atmospheric trace gases.

Bei der Absorption tragen verschiedene Wechselwirkungsprozesse wie Ionisation, Dissoziation u. a., zur Absorption von Strahlung bei. Die Energie eines einfallenden Photons muß gerade einen möglichen Übergang eines Moleküls oder Atoms der Atmosphäre in einen höheren angeregten Zustand entsprochen, um absorbiert zu werden. Spurengase, wie .7. B. Ozon oder Schwefeldioxid absorbieren Strahlung im ultravhlelton Bereich. Im infraroten Bereich findet man Absorptionsbanden der „normalen" atmosphärischen Bestandteile (HjO, CO₁CO:, N₂O, CH₄ u.a.) und der als Luftverunreinigung eingebrachten Schadgase wie ζ. Β. SO₂, NO, NO₂.During absorption, various interaction processes such as ionization, dissociation, etc. contribute to the absorption of radiation. The energy of an incident photon has just met a possible transition of a molecule or atom of the atmosphere to a higher excited state to be absorbed. Trace gases, such as .7. For example, ozone or sulfur dioxide absorb radiation in the ultraviolet range. In the infrared range one finds absorption bands of the "normal" atmospheric components (HjO, CO ₁ CO :, N ₂ O, CH _4, etc.) and the pollutants introduced as air pollution, such as ζ, ₂ , SO ₂ , NO, NO ₂ .

Bei der elastischen Streuung wird durch Streuung an Atomen und Molekülen (Rayleigh-Streuung) oder an Aerosolen (Mie-Streuung) ein geringer Anteil der einfallenden Photonen ohne Änderung der Frequenz in alle Richtungen ausgesandt, Diese Streuprozesse schränken die Verlängerung des Absorptionsweges ein.In the case of elastic scattering, scattering of atoms and molecules (Rayleigh scattering) or of aerosols (Mie scattering) emits a small fraction of the incident photons in all directions without changing the frequency. These scattering processes limit the extension of the absorption path.

Bei der unelastischen !Streuung werden bei der Raman-Streuung durch gleichzeitigen Energieaustausch mit streuenden Molekülen in der Frequenz verschobene Photonen in die verschiedenen Richtungen ausgesandt. Bei der Fluoreszenz dagegen wird ein Photon absorbiert und je nach der Lebensdauer des angeregten Zustander, geht das Molekül oder Atom wieder in einen niedrigeren Zustand über und sendet wieder ein Photon aus, das gegenüber dem einfallenden Photon in dor Frequenz verschobon sein kann. Die Lasersondierung mittels Raman-Streuung ist begrenzt auf die Messung hoher Konzentrationen lokaler Quollen (Schornsteine) und von Wasserdampf in der Grenzschicht. Mittels Laser induzierter Fluoreszenz sind u.a. Hydroxylradikale ·η dor Troposphäre vom Flugzeug und in der Stratosphäre von einem Ballon aus gemessen wordon (US-Pat. 3820897). Die Messung der Absorption über einen langen Weg, wobei die Schwächung des Lichtstrahls zwischen Sender und Empfänger gemessen wird, liefort nur die über die Meßstrecke integrierte Konzentration. Sei Verwendung eines Retroreflektors könnenIn inelastic scattering, scattered photons are emitted in different directions during Raman scattering by simultaneous energy exchange with scattering molecules. In fluorescence, on the other hand, a photon is absorbed and, depending on the lifetime of the excited state, the molecule or atom reverts to a lower state and emits again a photon which can be shifted in frequency relative to the incident photon. Laser probing by means of Raman scattering is limited to the measurement of high concentrations of local swells (chimneys) and of water vapor in the boundary layer. Laser-induced fluorescence includes i.a. Hydroxyl radicals · η dor troposphere measured from the aircraft and in the stratosphere from a balloon wordon (US Patent 3,820,897). Measuring the absorption over a long distance, whereby the attenuation of the light beam between the transmitter and the receiver is measured, only the concentration integrated over the measuring path is sufficient. Be able to use a retroreflector

Sender und Empfänger auf derselben Seito ar geordnet sein, und bei vielen sich kreuzenden Meßstrecken durch ein betrachtetes Gebiet erhält man eine zweidimensional© Konzontrationsvertoilung.Transmitter and receiver on the same Seito ar ordered, and at many intersecting Meßstrecken by a considered area to obtain a two-dimensional © Konzontrationsvertoilung.

Das Verfahren der differentiellen Absorptiun und Streuung (Differential Absorption Laser, DIAL-technique) nutzt die Mie- und Raylight-Streuung aus. Das Grundprinzip besteht in der Emission von zwei Laserimpulsen auf zwei verschiedenen Wellenlängen, die eine differential^ Absorption in bezug auf das zu untersuchende Spurengan haben. Durch eine Zeitanalyse der rückgrstreuton Signale erhält man direkt eine räumliche Verteilung der Spurongaskonzentration (DE-OS 3023649).The Differential Absorption Laser (DIAL) technique exploits the Mie and Raylight scattering. The basic principle is the emission of two laser pulses at two different wavelengths, which have a differential absorption with respect to the trace organ to be examined. By a time analysis of rückgrstreuton signals to obtain a spatial distribution of Spurongaskonzentration directly (DE-OS 3023649).

Die Raman-Streuung läßt sich nicht zur Ozonbestimmung einsetzen, ebensowenig die Rosonanzfloureszonz. Das einzig aktive monostatische Laser-Fernsondierungsverfahren zur Ozonbüstimmung ist is DIAL-Verfahren. Seine Empfindlichkeit bei vorgegebener räumlicher Auflösung ist prinzipiell begrenzt, da sie vom E. ,ekt der differontiellen Absorption abhängt. Geringo Schwankungen in der Frequenz der gesendeten Laserimpulse stellt clio Messung der Spurengaskonzentration in Frage.The Raman scattering can not be used for ozone determination, nor the Rosonanzfloureszonz. The only active monostatic laser remote sounding method for ozone tuning is the DIAL method. Its sensitivity at a given spatial resolution is in principle limited since it depends on the E., ect of the differential absorption. Geringo fluctuations in the frequency of the transmitted laser pulses makes clio measurement of trace gas concentration in question.

Object of the invention

Das Zi?! der Erfindung besteht darin, ein Verfahren vorzuschlagen, welches im Vorgleich zum DIAL-Vertahren mit Laserimpulsen auf nu. iner vorgegebenen Wellenlänge arbeitet und die Nachteile des DIAL-Verfahrons vermeidet.The zi?! The invention consists in proposing a method which, in comparison to the DIAL method with laser pulses on nu. operates within the given wavelength and avoids the disadvantages of the DIAL method.

Presentation of the essence of lirflnduno

Der Erfindung liegt die Aufg Jbo unter Verwendung einer Strahlungsquelle, vorzugsweise eines Layers, und eines optischen Empfangssystems zugrunde, ein Verfahren zum Messen von Spurengaskonzenirationen in der Atmosphäre, z. B. Ozon, zu entwickeln, bei dom die meßbare Spurengaskonzentration nicht begrenzt ist durcn den Effekt der differentiellen Absorption.The invention is based on the Aufg Jbo using a radiation source, preferably a layer, and an optical receiving system, a method for measuring trace gas concentrations in the atmosphere, for. As in ozone, the measurable trace gas concentration is not limited by the effect of differential absorption.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auf der Grundlage des Prinzips der Absorption von Resonanzstrahlung durch das Spurengas dadurch yelöst, daß ein leistungsstarker Lasorimpuls auf einer Wellenlänge gesendet wird, die abhängig vom Spurengaa ist.According to the invention, this object is achieved on the basis of the principle of absorption of resonance radiation by the trace gas by transmitting a high-power Lasor pulse at a wavelength which is dependent on the track gaa.

Durch Photodissoziation eines Spurengases, z. B. Ozon, wird eine Chemilumineszenzstrahlung angeregt, die in der Atmosphäre vernachlässigbar absorbiert wird und deren Intensität der Spurengaskonzentration entspricht.By photodissociation of a trace gas, z. As ozone, a chemiluminescent radiation is excited, which is negligibly absorbed in the atmosphere and whose intensity corresponds to the trace gas concentration.

Die bei der Photodissoziation angeregten Teilchen unterliegen der Stoßdeaktivierung, sie werden thermalisiert, sie können spezifisch chemisch roagieren und mit einer charakteristischen Zeitverzögerung durch spontane Emission Strahlung aussenden.The particles excited by photodissociation are subject to shock deactivation, they are thermalized, they can specifically roast chemically and emit radiation with a characteristic time delay through spontaneous emission.

Diese unyorichtoto Strahlung kann über ein optisches Empfangssystem empfangen werden, ihre Intensität stellt das Maß für die Spurongaskonzentration dar.This unyorichtoto radiation can be received via an optical receiving system, its intensity represents the measure of the Spurongaskonzentration.

Aus dor Impulslaufzeit könnon auf die Entfernung geschlossen und somit Dichtestrukturen entlang des Lichtweges erfaßt werden. Sowohl dia Ableitung der Konzentration als auch die Ortsfestlegung bedürfen der mathematischen Analyse des gesamten Wechselwirkungsprozesses. Die Dateninversion, d, h. die Berechnung der Spurengaskonzentration aus den Meßwerten, ist gegenüber anderen Methoden anspruchsvoller und verlangt einen höheren numerischen Aufwand.From the pulse travel time can be closed on the distance and thus density structures are detected along the light path. Both the derivation of the concentration and the location fix require the mathematical analysis of the entire interaction process. The data inversion, d, h. the calculation of the trace gas concentration from the measured values is more demanding than other methods and requires a higher numerical effort.

Bei der Strahlungsdissoziation von Ozon entstehen mit Wellenlängen des dissoziierenden Lichtes unterhalt 310nm unterschiedlich angeregte Dissoziationsprodukto. Benutzt werden hierbei Jone, die zu metastabilen Zuständen führen. Diese sind durch O₂(a¹ Δ g), O₂ (¹ Σ J) und O (¹D) gegeben.In the radiation dissociation of ozone with wavelengths of dissociating light, 310nm produces differently excited dissociation products. It uses jones that lead to metastable states. These are given by O ₂ (a ¹ Δg), O ₂ ( ¹ Σ J) and O ( ¹ D).

Die spontan emittierten Wellenlängen für die angegebenen Dissoziationsprodukto sind 1,27pm, 761,9nm und 630 nm.The spontaneously emitted wavelengths for the indicated dissociation products are 1.27pm, 761.9nm and 630nm.

embodiment

Die Erfindung soll anhand eines Beispiels und einer Zeichnung näher erläutert worden.The invention will be explained in more detail with reference to an example and a drawing.

Die Fig. zeigt den verfahrungsgemäßen Verlauf dos gesendeten I aserstrahlbündels einschließlich des Gesichtsfeldes für die zu messende Chemilumirieszenzstrahlung. Durch einen energiestarken Laser wird über einen Spiegel ein Impulsstrahlungsbündel 3 in koaxialer Richtung und im Abstand 5 zum Empfangsteleskop 1 mit dem Gesichtfeld 2 ausgesendet, das in der Atmosphäre die Photodissoziation des zu messenden Spurongases anregt Die spontan emittierton Wellenlängen, z. B. des Ozons, werden durch das Gerichtsfeld 2 des Empfangstoleskopes 1, z. B. Newtonteloskop, losammolt und die Photonen über ein Echellespektrometor, wolches die gleichzeitige Analyse mehrerer Wellenlängen ermöglicht, einem Photomultiplior zugeleitet. Die Zählung der Photoelektronen und Zuordnung zu verschiedenen Höhonintervallen erfolgt mittels eines Mikrorechners. Der Abstand 5 vom Lasorstrahlungsbündol 3 zum Empfangsteleskop 1 bestimmt dio minimale Höhe der Überlappung des Laserstrahlungsbündels 3 mit dem Gesichtsfeld des Teloskopes 2 und damit dio Höhe in der Atmosphäre, nus welcher die ersten Photonen empfangen werden können.The FIGURE shows the course of the transmitted ion beam, including the field of view for the chemiluminescent radiation to be measured. By a high-energy laser is emitted via a mirror impulse radiation beam 3 in the coaxial direction and at a distance 5 to the receiving telescope 1 with the field 2, which excites in the atmosphere, the photodissociation of the measured trace gas the spontaneously emittedon wavelengths, z. As the ozone, are by the court field 2 of the receiving tuples 1, z. B. Newtonteloskop, losammolt and the photons via a Echellespektrometor, wolches the simultaneous analysis of several wavelengths allows, fed to a photomultiplier. The counting of the photoelectrons and assignment to different Höhonintervallen done by means of a microcomputer. The distance 5 from the Lasorstrahlungsbündol 3 to the receiving telescope 1 determines the minimum height of the overlap of the laser beam 3 with the field of view of the telescope 2 and thus dio altitude in the atmosphere, nus which the first photons can be received.

Claims

An active monostatic remote laser scanning method for measuring trace gas concentrations in the atmosphere based on the principle of absorption of resonant radiation by the trace gas, characterized by emitting a high power laser pulse at a wavelength of the trace gas to be measured and photodissociation of the trace gas Chemilumineszenzstrahlung is excited, which is little absorbed during their propagation in the atmosphere and whose intensity corresponds to the trace gas concentration.

An active monostatic remote laser probing method according to claim 1, characterized in that the trace gas to be measured is ozone and the wavelength is below 310nm, the excited dissociation product Jkt O ( ¹ D) emitting radiation spontaneously at a wavelength of 630nm.

An active monostatic remote laser scanning method according to claims 1 and 2, characterized in that the excited dissociation product is O ₂ ( ¹ Σ g ~) emitting spontaneously at a wavelength of 761.9 nm of radiation.

An active monostatic laser remote sensing method according to claims 1 and 2, characterized in that the excited dissociation product is O ₂ (a ¹ Δ g) which emits radiation spontaneously at a wavelength of 1.27 μm.