RU1245072C - Method of laser probing of atmosphere gases - Google Patents

Method of laser probing of atmosphere gases

Info

Publication number
RU1245072C
RU1245072C SU843772775A SU3772775A RU1245072C RU 1245072 C RU1245072 C RU 1245072C SU 843772775 A SU843772775 A SU 843772775A SU 3772775 A SU3772775 A SU 3772775A RU 1245072 C RU1245072 C RU 1245072C
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pulse
laser
wavelength
auxiliary
radiation
Prior art date
Application number
SU843772775A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.В. Зуев
И.И. Ипполитов
Original Assignee
Институт Оптики Атмосферы Со Ан Ссср
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт Оптики Атмосферы Со Ан Ссср filed Critical Институт Оптики Атмосферы Со Ан Ссср
Priority to SU843772775A priority Critical patent/RU1245072C/en
Application granted granted Critical
Publication of RU1245072C publication Critical patent/RU1245072C/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

(7- коэффициент поглощени  невозбужденной молекулы исследуемого газа на резонансном переходе с длиной волны зондирующего импульса;(7 - absorption coefficient of a non-excited molecule of a test gas at a resonant transition with a wavelength of a probe pulse;

Zi и Z2 - статистические веса соответственно нижнего и верхнего энергетических уровней резонансного перехода молекулы исследуемого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса лазерного излучени ;Zi and Z2 are the statistical weights of the lower and upper energy levels of the resonant transition of the studied gas molecule with a wavelength that matches the wavelength of the auxiliary laser pulse;

AR - толщина зондируемого обьема атмосферы;AR is the thickness of the sensed volume of the atmosphere;

Изобретение относитс  к способам лазерного зондировани  атмосферы дл  дистанционного определени  концентрации газовых компонентов воздуха и может использоватьс  в метеорологии и охране окружающей среды дл  оперативного контрол  концентрации вод ного пара и газовых загр знений .The invention relates to methods for laser sensing of the atmosphere for remote determination of the concentration of gas components of air and can be used in meteorology and environmental protection for the operational monitoring of the concentration of water vapor and gas pollution.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности и чувствительности измерени  концентрации атмосферных газов.An object of the invention is to increase the accuracy and sensitivity of measuring atmospheric gas concentrations.

На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 - схема расположени  энергетических уровней молекулы исследуемого газа.In FIG. 1 shows a diagram of a device that implements the method; Fig. 2 is a diagram of the arrangement of energy levels of a molecule of a test gas.

Устройство содержит лазер 1 дл  генерации зондирующего импульса, в качестве которого может использоватьс  перестраиваемый параметрический лазер на CdSe, генерирующий излучение с длинами волн Яз 8,323 мкм в линии поглощени  НгО и А о 8,320 мкм импульса на линии пропускани  Н20 с длительностью импульсов 100 не, лазер 2 - импульсный С02-лазер дл  генерации вспомогательного импульса излучени  с длиной волны Ае ;- 9,214 мкм в линии поглощени  Н20 с д/ ительностью импульсов 100 НС, блок 3 синхронизации лазеров, рефлектор 4. дихроичное.зеркало 5 передающую антенну 6, детектор 7 опорного сигнала , приемную антенну 8, светофильтр 9 на область генерации CdSe-лазера, отсекающий излучение СОз-лазера, детектор 10 ли- дарного эхосигнала, блок 11 обработки лидарных эхосигналов.The device contains a laser 1 for generating a probe pulse, which can be used as a tunable parametric CdSe laser, generating radiation with wavelengths of NaZ 8.323 μm in the absorption line of HgO and A about 8.320 μm pulse on the transmission line of H20 with a pulse duration of 100 ns, laser 2 - a pulsed CO2 laser to generate an auxiliary radiation pulse with a wavelength of Ae; - 9.214 μm in the absorption line H20 with a pulse duration of 100 NS, laser synchronization unit 3, reflector 4. dichroic. mirror 5 transmitting ant Well 6, reference signal detector 7, a receiving antenna 8, 9 on the filter region CdSe-generating laser radiation chopping cos laser detector 10 Li- Darney echo processing unit 11 lidar echoes.

Устройство работает следующим образом .The device operates as follows.

Дл  определени  концентраций вод ного пара Н20 зондирующий импульс излучени  лазера 1 с длиной волны Лз и Длительностью т- 100нс, сформированный передающей антенной 6, направл етс  в заданный объем атмосферы, наход щийс  не рассто нии Я и имеющий толщину ЛЯ. ЭтотIn order to determine the concentration of water vapor H20, the probe pulse of the radiation of laser 1 with a wavelength of L3 and a duration of m-100 ns, formed by the transmitting antenna 6, is sent to a given volume of the atmosphere, which is not at a distance имеющий and having a thickness of A. This

U2 и - регистрируемые мощности обратнорассе нных эхосигналов соответственно с рассто ний R и R + А R от зондирующего импульса, посылаемого без вспомогательного импульса лазерного излучени ;U2 and are the recorded powers of the backscattered echo signals, respectively, from the distances R and R + A R from the probe pulse sent without an auxiliary laser pulse;

Ui и u l-регистрируемые мощности обратнорассе нных эхосигналов соответственно с рассто ний R и R + Д R от зондирующего импульса, посылаемого одновременно со вспомогательным импульсом . 2 ил.Ui and u are the l-recorded powers of backscattered echo signals, respectively, from the distances R and R + Д R from the probe pulse sent simultaneously with the auxiliary pulse. 2 ill.

00

55

00

55

00

55

00

объем расположен в поле зрени  приемной антенны 8. Обратнорассе нное этим объемом излучение фильтруетс  и принимаетс  на длине волны А з . Часть излучени  лазера 1 ответвл етс  на детектор 7 опорного сигнала и используетс  дл  определени  дальности до рассеивающих объемов в атмосфере.the volume is located in the field of view of the receiving antenna 8. The radiation backscattered by this volume is filtered and received at a wavelength of A z. A portion of the laser radiation 1 is coupled to a reference signal detector 7 and is used to determine the range of the scattering volumes in the atmosphere.

Затем через интервал времени, не превышающий 1 мс, после излучени  первого зондирующего импулъса лазера 1 в тот же объем атмосферы, выделенный на фиг.1 волнистой линией, посылают одновременно два импульса излучени : второй зондирующий импульс отлазера 1 и вспомогательный импульс от лазера 2 на длинах волн соответственно АЗ и 8,3 мкм и А в 92 мкм. Обратнорассе нное излучение принимаетс  и фильтруетс  на длине волны Аз . Измер етс  мощность эхосигналов на длине волны А 3 . Мощность второго эхосигнала меньше, чем первого, что обусловлено увеличением поглощени  зондирующего излучени  молекулами вод ного пара НзО из-за селективного характера перераспределени  заселенностей на резонансном переходе с длиной волны А в вспомогательного излучени . Отношение мощностей прин тых сигналов характеризует величину бтно- сительной спектральной прозрачности сло  атмосферы ДЯ, определ ющей искомую концентрацию вод ного пара. Это отношение мощностей прин тых сигналов увеличиваетс  с повышением мощности вспомогательного И1мпульса вплоть до величины мощности, соответствующей насыщению населенности верхнего уровн  резонансного перехода с длиной волны вспомогательного импульса.Then, after a period of time not exceeding 1 ms, after the first probe pulse of laser 1 is emitted, two radiation pulses are simultaneously sent to the same atmosphere highlighted in FIG. 1 by a wave line: a second probe pulse from laser 1 and an auxiliary pulse from laser 2 at lengths waves, respectively, AZ and 8.3 microns and A in 92 microns. Backscattered radiation is received and filtered at an Az wavelength. The power of the echo signals at wavelength A 3 is measured. The power of the second echo signal is lower than that of the first one, which is due to an increase in the absorption of probe radiation by water vapor molecules of HCO due to the selective nature of population redistribution at the resonant transition with wavelength A in the auxiliary radiation. The power ratio of the received signals characterizes the relative spectral transparency of the atmospheric layer of the DN, which determines the desired concentration of water vapor. This ratio of received signal powers increases with increasing power of the auxiliary I1 pulse up to a power value corresponding to saturation of the population of the upper level of the resonance transition with the wavelength of the auxiliary pulse.

Способ основан на свойстве лазерного излучени  возбуждать энергетический уровень молекулы, когда длина волны этого лазерного излучени  совпадает с длиной волны резонансного перехода на этот энергетический уровень, и свойстве молекулыThe method is based on the property of laser radiation to excite the energy level of a molecule, when the wavelength of this laser radiation coincides with the wavelength of the resonant transition to this energy level, and the property of the molecule

увеличивать свою способность поглощать оптическое излучение с длиной волны, равной длине волны резонансного перехода молекулы, нижний энергетический уровень которого находитс  в возбужденном состо-  нии.increase its ability to absorb optical radiation with a wavelength equal to the wavelength of the resonant transition of the molecule, the lower energy level of which is in an excited state.

На фиг.2 стрелками изображены переходы между энергетическими уровн ми исследуемого газа вод ного пара Н20. Переход 12-13 соответствует длине волны Я в вспомогательного импульса лазерного излучени , переход 13-14 - длине волны АЗ зондирующего импульса. Здесь показан также переход 15 с длиной волны Я о дл In Fig. 2, the arrows show the transitions between the energy levels of the test gas of water vapor H20. Transition 12-13 corresponds to the wavelength I in the auxiliary laser pulse, transition 13-14 corresponds to the wavelength AZ of the probe pulse. Shown here also is a transition 15 with a wavelength of I o dl

импульса лазерного излучени  на линииline laser pulse

пропускани  Н20, совпадающей с линией поглощени  мешающего газа S02.passing H20 coinciding with the absorption line of the interfering gas S02.

Длительность t вспомогательного импульса лежит в интервале г t 2 R/c , мощность Р находитс  в пределахThe duration t of the auxiliary pulse lies in the range r t 2 R / c, the power P is in the range

3 S с АЯZ 1 ехр ( - h с/(Я КТ ) А/(ВЯ222)Р (ВЯ2), 3 S with АЯZ 1 exp (- h с / (Я КТ) А / (ВЯ222) Р (ВЯ2),

длина волны расположена в контуре другой линии поглощени  исследуемого газа на резонансном переходе, верхний энергетический уровень которого совпадает с нижним энергетическим уровнем резонансного перехода с длиной волны зондирующего импульса (все обозначени  см. ниже).the wavelength is located in the contour of another absorption line of the test gas at the resonant transition, the upper energy level of which coincides with the lower energy level of the resonant transition with the wavelength of the probe pulse (all notation see below).

Концентраци  р исследуемого газа на рассто нии R определ етс  из соотношени  The concentration of the test gas at a distance R is determined from the ratio

2 + Sc ЛИ А/() 2 + Sc LI A / ()

I ((Ьс7От) г7712- Т - sc 45 A7()I ((bc7Ot) g7712-T - sc 45 A7 ()

, Гп(.) - fn (и,/и,), Rn (.) - fn (u, / u,)

X-..,X - ..,

где г - длительность зондирующего импульса лазерного излучени :where g is the duration of the probe pulse of the laser radiation:

R - рассто ние от зондируемого объема атмосферы;R is the distance from the probed volume of the atmosphere;

с - скорость света;c is the speed of light;

S - площадь поперечного сечени  лазерного пучка дл  вспомогательного импульса лазерного излучени ;S is the cross sectional area of the laser beam for the auxiliary laser pulse;

ДЯ- ширина линии лазерного излучени  вспомогательного импульса;AJ is the laser line width of the auxiliary pulse;

h - посто нна  Планка;h is Planck's constant;

Я -длина волны вспомогательного импульса лазерного излучени ;I is the wavelength of the auxiliary laser pulse;

К - посто нна  Больцмана;K is the constant of Boltzmann;

Т - эбсолютна  температура газа;T is the absolute temperature of the gas;

А и В - веро тности соответственно спонтанного испускани  и поглощени  на резонансном переходе молекулы исследуе5 A and B are the probabilities of spontaneous emission and absorption, respectively, at the resonance transition of the molecule

10 10

55

00

55

О ABOUT

55

00

5 5

00

55

мого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса; а - коэффициент поглощени  невозбужденной молекулы исследуемого газа на резонансном переходе с длиной волны зондирующего импульса;gas with a wavelength coinciding with the wavelength of the auxiliary pulse; a is the absorption coefficient of the unexcited molecule of the test gas at the resonant transition with the wavelength of the probe pulse;

Zi и Z2 - статические веса соответственно нижнего и верхнего энергетических уровней резонансного перехода молекулы исследуемого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса;Zi and Z2 are the static weights of the lower and upper energy levels, respectively, of the resonant transition of the molecule of the gas under study with a wavelength that coincides with the wavelength of the auxiliary pulse;

AR - толщина зондируемого объема атмосферы;AR is the thickness of the sensed volume of the atmosphere;

U2 и и 2 - регистрируемые мощности обратнорассе нных эхосигналов соответственно с рассто ний R и R + ДН от зондирующего импульса лазерного излучени , посылаемого без вспомогательного импульса лазерного излучени ;U2 and and 2 are the recorded powers of backscattered echo signals, respectively, from the distances R and R + ДН from the probing laser pulse sent without an auxiliary laser pulse;

Ui и и 1 - регистрируемые мощности обратнорассе нных эхосигналов соответственно с рассто ний R и R + ДР от зондируемого импульса лазерного излучени , посылаемого одновременно со вспомогательным импульсом лазерного излучени ;Ui and and 1 are the recorded powers of the backscattered echo signals, respectively, from the distances R and R + DR from the probed laser pulse sent simultaneously with the auxiliary laser pulse;

Р - мощность вспомогательного импульса лазерного излучени ;P is the power of the auxiliary laser pulse;

.- безразмерный параметр, принимающий значени  от О до 1 на заданном интервале изменени  длительности вспомогательного импульса лазерного излучени  г, О, 2R/c..- dimensionless parameter, taking values from O to 1 over a given interval of variation of the duration of the auxiliary laser pulse r, O, 2R / c.

Выражение дл  определени  концентрации /э основано на зависимости/э от относительной спектральной прозрачности зондируемой области атмосферы дл  двух зондирующих импульсов и учитывает увеличение коэффициента поглощени  за счет се- лект1 вного возбуждени  молекулы исследуемого газа вспомогательным импульсом . Сдвиг по времени 1 мс между двум  зондирующими импульсами обеспечивает минимизацию вли ни  турбулентности атмосферы.The expression for determining the concentration of / e is based on the dependence of / e on the relative spectral transparency of the probed region of the atmosphere for two probe pulses and takes into account the increase in the absorption coefficient due to the selective excitation of the molecule of the test gas by an auxiliary pulse. A 1 ms time shift between two probe pulses minimizes the effect of atmospheric turbulence.

Длительность вспомогательного импульса выбираетс  в пределахThe duration of the auxiliary pulse is selected within

2 R2 R

т t -р- , а предел мощностиt t -p- and power limit

ограничен насыщением населенности верхнего уровн  резонансного перехода с длиной волны вспомогательного импулъса.It is limited by saturation of the population of the upper level of the resonance transition with the wavelength of the auxiliary pulse.

Способ увеличивает точность и чувствительность определени  концентрации атмосферных газов за счет увеличени  коэффициента поглощени  на длине волны зондирующего импульса путем селективного возбуждени  молекул исследуемого газа вспомогательным импульсом.The method increases the accuracy and sensitivity of determining the concentration of atmospheric gases by increasing the absorption coefficient at the wavelength of the probe pulse by selectively exciting the molecules of the test gas with an auxiliary pulse.

- С- -1- s -1

f4ttf4tt

Редактор Т.КлюкинаEditor T. Klyukina

Составитель А.ГородецкййCompiled by A. Gorodetsky

Техред М.МоргенталКорректор А.ОбручарTehred M. Morgenthal Corrector A. Obruchar

Заказ 1963ТиражП одписноOrder 1963 Circulation unsigned

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушека  наб., 4/5VNIIIPI of the State Committee for Inventions and Discover at the USSR State Committee for Science and Technology 113035, Moscow, Zh-35, Rausheka nab., 4/5

Производственно-издательский кОмбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101Production and Publishing House Patent, Uzhhorod, 101 Gagarin St.

SU843772775A 1984-07-13 1984-07-13 Method of laser probing of atmosphere gases RU1245072C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU843772775A RU1245072C (en) 1984-07-13 1984-07-13 Method of laser probing of atmosphere gases

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU843772775A RU1245072C (en) 1984-07-13 1984-07-13 Method of laser probing of atmosphere gases

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU1245072C true RU1245072C (en) 1993-03-30

Family

ID=21131537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU843772775A RU1245072C (en) 1984-07-13 1984-07-13 Method of laser probing of atmosphere gases

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU1245072C (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Авторское свидетельство СССР 1 753267. кл. G 01 N 21/26, 1978. Авторское свидетельство СССР Nb325579. кл.С 01 W 1/11, 1970. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7921693B2 (en) Photo-acoustic spectrometer apparatus
US4934816A (en) Laser absorption detection enhancing apparatus and method
EP0262140B1 (en) Method and apparatus for determining parameters of gaseous substances
WO2019112459A1 (en) Method for remote measurement of a concentration of gases in the atmosphere
WO1986001295A1 (en) Gas correlation lidar
US3843258A (en) Dual beam absorption type optical spectrometer
Killinger et al. Remote sensing of CO using frequency‐doubled CO2 laser radiation
GB2311852A (en) Remote survey of trace gases
Svanberg Lasers as probes for air and sea
RU1245072C (en) Method of laser probing of atmosphere gases
US4462686A (en) Laser isotope detection and measurement
Armerding et al. In situ measurements of tropospheric OH radicals—a challenge for the experimentalist
KR20050008124A (en) Laser Optical Transmitter, Receiver and LIDAR System for Simultaneously Observation of Atmospheric Ozone and Nonspherical Dust
Rothe et al. Remote sensing using tunable lasers
Collis et al. Laser applications in remote sensing
RU717981C (en) Method of measuring gas composition of atmosphere
Kopica et al. Development of methane detection system
Pappalardo et al. Multiparametric tunable Lidar system based on IR OPO laser sources
Fukuchi et al. Tropospheric profiling of SO2 and O3 by multiwavelength DIAL
SU1515896A1 (en) Method of distant measuring of hydrogen concentration atmosphere
Slaughter et al. A mobile remote sensing laboratory for water vapor, trace gas, aerosol, and wind speed measurements
RU2108565C1 (en) Environment monitoring system
Sedlacek III et al. Augmenting Classical DIAL with Raman-DIAL (RaDIAL)
Fukuchi et al. Simultaneous Raman and Mie-Rayleigh lidar measurement in the lower troposphere
Menzies Laser Spectroscopy Relevant to Stratospheric Photochemistry