RU101836U1

RU101836U1 - LIDAR ATMOSPHERIC AIR QUALITY CONTROL SYSTEM

Info

Publication number: RU101836U1
Application number: RU2010136508/28U
Authority: RU
Inventors: Эмиль Кемалович Аблязов; Валерий Геннадьевич Шеманин
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Лидарная система контроля качества атмосферного воздуха, содержащая установленные на платформе твердотельный лазерный излучатель на алюмоиттриевом гранате с неодимом, приемный телескоп, оптическую систему передачи лазерного излучения, блок сбора информации и вычислительно-управляющий комплекс, отличающаяся тем, что оптическая система передачи лазерного излучения дополнительно содержит преломляющую призму, направляющую лазерное излучение в исследуемую область пространства, приемный телескоп выполнен в виде телескопа типа Ньютона со сферическим зеркалом и линзовым объективом, а блок сбора информации содержит интерференционный светофильтр для выделения участка спектра комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами с линиями молекул углеводородов, фотоэлектрический умножитель, масштабный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и плату сбора данных. A lidar atmospheric air quality control system comprising a platform-mounted solid-state laser emitter based on yttrium aluminum garnet with neodymium, a receiving telescope, an optical laser transmission system, an information collection unit and a computer-control complex, characterized in that the optical laser transmission system further comprises refractive a prism directing laser radiation into the studied region of space, the receiving telescope is made in the form of a Newton type telescope with a spherical mirror and a lens, and the information collection unit contains an interference filter to isolate a portion of the Raman spectrum of the studied molecules with lines of hydrocarbon molecules, a photovoltaic multiplier, a scale amplifier, an analog-to-digital converter, and a data acquisition board.

Description

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для дистанционного контроля загрязнения атмосферы над исследуемой областью пространства, обеспечивает непрерывный автоматизированный контроль уровней предельно-допустимых концентраций загрязняющих веществ над исследуемой областью пространства.The utility model relates to analytical instrumentation and can be used for remote monitoring of atmospheric pollution over the studied area of space, provides continuous automated control of the levels of maximum permissible concentrations of pollutants over the studied area of space.

Известна лидарная система контроля загрязнения атмосферы (патент RU №2022251). Система содержит устройство для многокомпонентного анализа воздуха, построенное по схеме лидара дифференциального поглощения и включающее лазерный излучатель, оптическую приемную антенну, спектроанализатор, фотоприемное устройство.Known lidar air pollution control system (patent RU No. 2022251). The system comprises a device for multicomponent air analysis constructed according to the differential absorption lidar scheme and including a laser emitter, an optical receiving antenna, a spectrum analyzer, and a photodetector.

Недостатком этой системы является низкое временное и пространственное разрешение, присущее всем лидарам дифференциального поглощения, и кроме того сложная оптическая схема системы.The disadvantage of this system is the low temporal and spatial resolution inherent in all lidars of differential absorption, and in addition, the complex optical design of the system.

В случае контроля качества атмосферного воздуха над промышленным предприятием использование такой системы не позволяет получить необходимое пространственное разрешение для контроля молекул предельных углеводородов над исследуемой областью пространства.In the case of atmospheric air quality control over an industrial enterprise, the use of such a system does not allow obtaining the necessary spatial resolution for controlling saturated hydrocarbon molecules over the studied area of space.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является мобильный лидарный комплекс для дистанционного контроля состояния атмосферы (полезная модель RU №43657), взятым нами за прототип, который содержит твердотельный лазер, два TEA CО2 лазера, телескоп, двухкоординатный зеркальный сканер, оптические системы передачи излучения, приемную спектральную систему, систему синхронизации, блок сопряжении, вычислительно-управляющий комплекс. Данный мобильный комплекс предназначен для определения уровня загрязнения атмосферы большим количеством загрязняющих веществ, что является избыточными и нецелесообразным для решения локальных задач, а именно определения уровней предельно-допустимых концентраций молекул предельных углеводородов, характерных для промышленных объектов, ввиду сложности самого комплекса.The closest in technical essence and the achieved effect is a mobile lidar complex for remote monitoring of the atmosphere (utility model RU No. 43657), taken as a prototype, which contains a solid-state laser, two TEA CO2 lasers, a telescope, a two-coordinate mirror scanner, and optical transmission systems , receiving spectral system, synchronization system, conjugation unit, computer control complex. This mobile complex is designed to determine the level of atmospheric pollution with a large amount of pollutants, which is redundant and inappropriate for solving local problems, namely, determining the levels of maximum permissible concentrations of saturated hydrocarbon molecules characteristic of industrial facilities, due to the complexity of the complex itself.

Задачей предлагаемой полезной модели является расширение арсенала средств для контроля качества атмосферного воздуха над промышленным предприятием.The objective of the proposed utility model is to expand the arsenal of tools for monitoring air quality over an industrial enterprise.

Техническим результатом является упрощение конструкции лидарной системы контроля качества атмосферного воздуха за счет использования принципа комбинационного рассеяния света, что позволяет использовать только один лазер для определения степени загрязнения атмосферного воздуха молекулами предельных углеводородов в атмосфере над промышленной зоной.The technical result is to simplify the design of the lidar air quality control system by using the principle of Raman scattering of light, which allows the use of only one laser to determine the degree of air pollution by molecules of saturated hydrocarbons in the atmosphere above the industrial zone.

Лидарная система контроля качества атмосферного воздуха построена на принципе комбинационного рассеяния света. Технический результат в предложенной лидарной системе достигается за счет платформы с установленными на ней твердотельным лазерным излучателем на алюмоиттриевом гранате с неодимом, работающий в режиме третьей гармоники на длине волны 355 нм, оптической системы передачи лазерного излучения, приемного телескопа, блока сбора информации и вычислительно-управляющего комплекса. Оптическая система передачи лазерного излучения дополнительно содержит преломляющую призму, направляющая лазерное излучение в исследуемую область пространства. Приемный телескоп выполнен в виде телескопа типа Ньютона со сферическим зеркалом и линзовым объективом, а блок сбора информации содержит интерференционный светофильтр для выделения участка спектра комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами с линиями молекул углеводородов, фотоэлектрический умножитель, масштабный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и плату сбора данных.The lidar air quality control system is based on the principle of Raman scattering. The technical result in the proposed lidar system is achieved through a platform with a solid-state laser emitter based on yttrium aluminum garnet with neodymium, operating in the third harmonic mode at a wavelength of 355 nm, an optical laser transmission system, a receiving telescope, an information collection unit, and a control computer complex. The optical system for transmitting laser radiation further comprises a refractive prism directing the laser radiation into the studied region of space. The receiving telescope is made in the form of a Newton-type telescope with a spherical mirror and a lens, and the data collection unit contains an interference filter to isolate a portion of the Raman spectrum of light by the studied molecules with lines of hydrocarbon molecules, a photovoltaic multiplier, a scale amplifier, an analog-to-digital converter, and a data acquisition board .

Так как над промышленным предприятием основными загрязняющими веществами являются молекулы предельных углеводородов, то нам нецелесообразно использовать сложное оборудование для многокомпонентного анализа воздушного пространства над исследуемой областью, а достаточно использовать простую в исполнении лидарную систему для определения степени загрязнения атмосферного воздуха только молекулами предельных углеводородов.Since molecules of saturated hydrocarbons are the main pollutants over an industrial enterprise, it is impractical for us to use sophisticated equipment for multicomponent analysis of airspace over the studied area, but it is enough to use a simple-to-use lidar system to determine the degree of atmospheric air pollution only with saturated hydrocarbon molecules.

На фигуре 1 представлена оптическая схема лидарной система контроля качества атмосферного воздуха. Лидарная система включает в себя приемный телескоп типа Ньютона со сферическим зеркалом 1 диаметром 0,4 м, линзовый объектив 2, интерференционный светофильтр 3 с максимумом пропускания на длине волны комбинационного рассеяния света, фотоэлектрический умножитель 4, преломляющая лазерное излучение призма 5, 6 - твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом, 7 - контролируемая область пространства, 8 - вычислительно-управляющий комплекс, 9 - масштабный усилитель, 10 - аналого-цифровой преобразователь, 11 - плата сбора данных.The figure 1 presents the optical scheme of the lidar air quality control system. The lidar system includes a Newton type receiving telescope with a spherical mirror 1 with a diameter of 0.4 m, a lens 2, an interference filter 3 with a maximum transmission at a wavelength of Raman scattering, a photomultiplier 4, a laser prism 5, 6 that refracts the laser radiation, a solid-state laser on aluminum-yttrium garnet with neodymium, 7 — controlled area of space, 8 — computer-control complex, 9 — large-scale amplifier, 10 — analog-to-digital converter, 11 — data acquisition board.

Принцип лазерного дистанционного зондирования методом комбинационного рассеяния света заключается в регистрации лазерного излучения, комбинационно рассеянного молекулами предельных углеводородов в направлении 180° с частотным сдвигом, характерным именно для этих молекул и определяемым их колебательными полосами.The principle of laser remote sensing using the Raman scattering method is to register laser radiation combinationally scattered by saturated hydrocarbon molecules in the direction of 180 ° with a frequency shift characteristic of these molecules and determined by their vibrational bands.

Система работает следующим образом: импульс твердотельного лазерного излучателя 6 на алюмоиттриевом гранате с неодимом, работающий в режиме третьей гармоники на длине волны 355 нм, направляется в исследуемую область пространства 7 над промышленной зоной. Часть лазерного излучения используется для создания опорного сигнала, который задает начало отсчета времени, а его амплитуда - энергию лазерного импульса. Рассеянное назад излучение комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами собирается телескопом типа Ньютона 1, фокусируется через линзовый объектив 2, проходя сквозь интерференционный светофильтр 3 на фотокатод ФЭУ-79 4. Импульс напряжения с ФЭУ-79 подается на вход масштабного усилителя 9, затем при помощи аналого-цифрового преобразователя 10 через плату сбора данных 11, сигнал поступает на вычислительно-управляющий комплекс, где информация обрабатывается стандартным программным обеспечением и формируется сигнал для передачи его по каналам связи (Internet, wi-fi и т.д.).The system works as follows: the pulse of a solid-state laser emitter 6 on yttrium aluminum garnet with neodymium, operating in the third harmonic mode at a wavelength of 355 nm, is sent to the investigated area of space 7 above the industrial zone. Part of the laser radiation is used to create a reference signal that sets the time reference, and its amplitude is the energy of the laser pulse. The backscattered light of Raman scattering of light by the molecules under study is collected by a Newton type 1 telescope, focused through a lens 2, passing through an interference filter 3 to a photocathode ФЭУ-79 4. A voltage pulse from a photomultiplier-79 is fed to the input of a scaled amplifier 9, then using an analog- digital converter 10 through the data acquisition board 11, the signal is fed to a computer-control complex, where the information is processed by standard software and a signal is generated for transmitting it Communications channels (Internet, wi-fi, etc.).

Для сопоставления достоверности измерений в нашей ситуации, были рассчитаны и даны оценки мощности регистрируемого излучения комбинационного рассеяния света молекулами предельных углеводородов по лидарному уравнению для комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами.To compare the reliability of the measurements in our situation, the power of the recorded radiation of Raman light scattering by molecules of saturated hydrocarbons was calculated and estimated using the lidar equation for Raman light scattering by the molecules under study.

Полученные результаты подтверждают, что для заданной концентрации N_a и энергии комбинационного рассеяния, равной энергии 10 фотонов, оптимальным вариантом для обнаружения предельных углеводородов на расстояниях до 6 км является длина волны лазерного излучения: λ_L=355 нм, которая позволяют использовать минимально возможное при энергии импульса лазера 1 мДж время измерения.The obtained results confirm that for a given concentration of N _a and Raman energy equal to 10 photons, the optimal option for the detection of saturated hydrocarbons at distances up to 6 km is the laser wavelength: λ _L = 355 nm, which allows using the minimum possible at energy laser pulse 1 mJ measurement time.

По всей трассе зондирования с увеличением расстояния от 0,01 до 2 км время измерения увеличивается примерно на 4 порядка. Если за установленное время с расстояния R=2,0 км, при заданном числе импульсов, посылаемых в атмосферу, ФЭУ регистрирует больше, чем 10 фотонов, мы можем сказать о превышении на этом расстоянии концентрации молекул над заданным уровнем. Кроме того, полученные значения времени измерения удовлетворяют требованию по быстродействию лидара.Over the entire sensing path, with increasing distance from 0.01 to 2 km, the measurement time increases by about 4 orders of magnitude. If for a specified time from a distance of R = 2.0 km, for a given number of pulses sent to the atmosphere, the PMT detects more than 10 photons, we can say that the concentration of molecules exceeds this level at a given distance. In addition, the obtained values of the measurement time satisfy the requirement for the speed of the lidar.

Метод обеспечивает высокую точность измерений, в качестве источников загрязнений выступают молекулы предельных углеводородов.The method provides high accuracy of measurements; saturated hydrocarbon molecules act as sources of pollution.

Лидар в режиме секторного обзора, который обеспечивается за счет поворота платформы, устанавливают в промышленной зоне на доминирующее по высоте строение. Лидарная система контроля качества атмосферного воздуха предназначена для непрерывного контроля содержания газообразных предельных углеводородов в исследуемой области пространства. В случае обнаружения аварийного выброса или превышения уровня предельно-допустимых концентраций, в режиме реального времени происходит обработка результатов в вычислительно-управляющем комплексе и передача сигнала по каналам связи.The lidar in the sector review mode, which is provided by turning the platform, is installed in the industrial zone on the building that dominates in height. The lidar air quality control system is designed for continuous monitoring of the content of gaseous saturated hydrocarbons in the studied area of space. In case of detection of an accidental outlier or exceeding the level of maximum permissible concentrations, the results are processed in real time in the computer-control complex and the signal is transmitted through communication channels.

Claims

A lidar atmospheric air quality control system comprising a platform-mounted solid-state laser emitter based on yttrium aluminum garnet with neodymium, a receiving telescope, an optical laser transmission system, an information collection unit and a computer-control complex, characterized in that the optical laser transmission system further comprises refractive a prism directing laser radiation into the studied region of space, the receiving telescope is made in the form of a Newton type telescope with a spherical mirror and a lens, and the data collection unit contains an interference filter to isolate a portion of the Raman spectrum of the studied molecules with lines of hydrocarbon molecules, a photovoltaic multiplier, a scale amplifier, an analog-to-digital converter, and a data acquisition board.