RU134648U1

RU134648U1 - LIDAR SYSTEM FOR REMOTE MEASUREMENT OF CONCENTRATIONS OF POLLUTANTS IN THE ATMOSPHERE

Info

Publication number: RU134648U1
Application number: RU2013132226/28U
Authority: RU
Inventors: Виктор Иванович Жарков; Сергей Михайлович Бобровников; Евгений Владимирович Горлов
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2013-11-20

Abstract

1. Лидарная система для дистанционного измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере, включающая источник лазерного излучения, передающую оптическую систему, посылающую излучение по оптической оси приемного спектрально-оптического устройства, состоящего из приемного телескопа, блока спектральной селекции, выделяющего сигналы СКР атмосферных газов и загрязняющих веществ, а также ослабляющего обратнорассеянное излучение на несмещенной частоте, и многоканального фотоприемника, электрические сигналы с которого поступают в блок обработки данных, где вычисляется концентрация загрязняющего вещества, отличающаяся тем, что между телескопом и дифракционным спектрографом устанавливается дополнительный спектральный фильтр, отсекающий колебательно-вращательные полосы СКР от азота и кислорода.2. Лидарная система для дистанционного измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере по п.1, отличающаяся тем, что для определения концентрации загрязняющих веществ в инспектируемой области атмосферы используются сигналы СКР от первого обертона кислорода или азота.1. Lidar system for remote measurement of concentrations of pollutants in the atmosphere, including a laser source, transmitting an optical system, sending radiation along the optical axis of a receiving spectral-optical device, consisting of a receiving telescope, a spectral selection unit that emits SCR signals of atmospheric gases and pollutants as well as attenuating backscattered radiation at an unbiased frequency, and a multi-channel photodetector, the electrical signals from which are fed into data processing unit, where the concentration of the polluting substance is calculated, characterized in that an additional spectral filter is installed between the telescope and the diffraction spectrograph, which cuts off the vibrational-rotational bands of the Raman spectrometer from nitrogen and oxygen. 2. The lidar system for remote measurement of concentrations of pollutants in the atmosphere according to claim 1, characterized in that for determining the concentration of pollutants in the inspected area of the atmosphere, SCR signals from the first overtone of oxygen or nitrogen are used.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для удаленного измерения концентраций различных атмосферных загрязнений. Может быть использована при решении различных задач экологии атмосферы, в различных производственных и технологических процессах, где существует необходимость дистанционного газоанализа атмосферы.The utility model relates to measuring technique and is intended for remote measurement of concentrations of various atmospheric pollution. It can be used in solving various problems of the ecology of the atmosphere, in various production and technological processes, where there is a need for remote gas analysis of the atmosphere.

Известно устройство для обнаружения атмосферных примесей «ЛОЗА-М2», включающее источник лазерного излучения в видимой области спектра, приемный телескоп и систему регистрации лидарных сигналов (Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Пеннер И.Э., Самойлова СВ. Квантовая Электроника, 2011, Т. 41, №10, С. 945-949.). Недостатком устройства является принципиальное отсутствие возможности идентификации и измерения концентрации загрязняющего вещества в атмосфере вследствие регистрации только сигналов упругого рассеяния.A device for detecting atmospheric impurities "LOZA-M2", including a laser source in the visible region of the spectrum, a receiving telescope and a registration system for lidar signals (Balin Yu.S., Bayrashin G.S., Kohanenko G.P., Penner I. E., Samoilova SV. Quantum Electronics, 2011, T. 41, No. 10, S. 945-949.). The disadvantage of this device is the fundamental lack of identification and measurement of the concentration of a pollutant in the atmosphere due to the registration of only elastic scattering signals.

Известен лидар для контроля состояния атмосферы, использующие метод дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР) (патент РФ №2335786, 2006 г.). Известный лидар включает приемо-передающий зеркальный телескоп, систему формирования и вывода лазерного излучения, блок подстройки частоты излучения, систему синхронизации и систему приема рассеянного, отраженного объектом излучения с матричным фотоприемником. Принцип метод ДПР состоит в измерении лидарного сигнала на двух длинах волн, одна из которых поглощается в исследуемом газе, а вторая лежит вне линии поглощения исследуемого газа. Метод ДПР, в основном, примется для контроля или измерения концентраций одного или нескольких заранее выбранных газов. Использование данного метода в задачах лидарного контроля загрязняющих веществ в атмосфере имеет ряд недостатков. А именно, требует априорной информации об исследуемом загрязняющем веществе; сложность аппаратуры, в следствии использовании нескольких лазерных источников или лазерного источника с возможностью перестройки длины волны излучения; наличие длиной трассы загрязнения (порядка нескольких километров) для реализации достаточной оптической толщи при концентрациях близких к ПДК; не возможность измерения концентрации исследуемого вещества в широком диапазоне концентраций, без дополнительного изменения длины волны зондируемого излучения.Known lidar for monitoring the state of the atmosphere using the method of differential absorption and scattering (DPR) (RF patent No. 2335786, 2006). A well-known lidar includes a transmitting and mirroring telescope, a system for generating and outputting laser radiation, a radiation frequency adjustment unit, a synchronization system, and a system for receiving scattered radiation reflected from an object with a matrix photodetector. The principle of the DPR method is to measure the lidar signal at two wavelengths, one of which is absorbed in the test gas, and the second lies outside the absorption line of the test gas. The DPR method will mainly be used to control or measure the concentrations of one or more pre-selected gases. The use of this method in the tasks of lidar control of pollutants in the atmosphere has several disadvantages. Namely, it requires a priori information about the studied pollutant; the complexity of the equipment, due to the use of several laser sources or a laser source with the possibility of tuning the radiation wavelength; the presence of a pollution path length (of the order of several kilometers) for the realization of a sufficient optical depth at concentrations close to the MPC; it is not possible to measure the concentration of the test substance in a wide range of concentrations, without an additional change in the wavelength of the probed radiation.

Известна лидарная система контроля качества атмосферного воздуха (патент РФ №101836, 2010 г.), использующая метод СКР, и включающая 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. Данная лидарная система регистрирует выделенный, с помощью интерференционного фильтра, участок спектра, соответствующий линиям СКР молекул углеводородов. Недостатком лидарной системы является не возможность идентификации исследуемой молекулы углеводорода, а также отсутствие возможности регистрации остальных химических соединений (не углеводородов).Known is the lidar air quality control system (RF patent No. 101836, 2010), using the SKR method, and including a platform-mounted solid-state laser emitter based on yttrium aluminum garnet with neodymium, a receiving telescope, an optical system for transmitting laser radiation, an information collection unit, and computational management complex. This lidar system registers the selected, using the interference filter, portion of the spectrum corresponding to the Raman lines of hydrocarbon molecules. The disadvantage of the lidar system is not the ability to identify the studied hydrocarbon molecule, as well as the inability to register the remaining chemical compounds (not hydrocarbons).

В качестве прототипа выбрана лидарная системы для дистанционного зондирования химических/биологических веществ (патент US №6,608,677 B1, 2003 г.). Известная система включает источник лазерного излучения, передающую оптическую систему, посылающее излучение по оптической оси приемного телескопа, приемный телескоп, интерференционный фильтр, ослабляющий обратно рассеянное излучение на несмещенной частоте, дифракционный спектрограф, осуществляющий пространственное разложение принимаемого спектра рассеянного излучения, многоканальный фотоприемник на основе ПЗС камеры со стробируемым усилителем яркости, блок обработки данных, где вычисляется концентрация загрязняющего вещества, путем сравнения интенсивностей сигналов СКР от загрязняющего вещества и молекулярного азота.As a prototype, a lidar system for remote sensing of chemical / biological substances was selected (US patent No. 6,608,677 B1, 2003). The known system includes a laser radiation source, a transmitting optical system that sends radiation along the optical axis of a receiving telescope, a receiving telescope, an interference filter that attenuates backscattered radiation at an unbiased frequency, a diffraction spectrograph that performs spatial decomposition of the received scattered radiation spectrum, and a multi-channel photodetector based on a CCD camera with a gated brightness amplifier, a data processing unit where the concentration of a pollutant is calculated, by comparing the intensities of the SCR signals from the pollutant and molecular nitrogen.

Недостатком лидарной системы является низкая достоверность и точность получаемых результатов, поскольку один фотоприемник регистрирует сигналы, соответствующие СКР от загрязняющего вещества, и сигналы, обусловленные СКР от молекул азота и кислорода, интенсивность которых на 4-5 порядка больше, чем от загрязняющих веществ (зависит от сечений СКР различных загрязняющих веществ и их концентраций), что не позволит работать фотоприемнику в его динамическом диапазоне интенсивностей, и приведет к искажению результатов измерений. При этом чувствительность лидарной системы, для экстремально низких концентрациях загрязняющий веществ (единицы ppm), будет ограничена фоновым рассеянным излучением дифракционного спектрометра, обусловленным интенсивными колебательно-вращательными полосами СКР от молекул азота и кислорода.The disadvantage of the lidar system is the low reliability and accuracy of the results, since one photodetector records signals corresponding to SCR from a polluting substance, and signals due to SCR from nitrogen and oxygen molecules, the intensity of which is 4-5 orders of magnitude greater than from pollutants (depends on SCR cross sections of various pollutants and their concentrations), which will not allow the photodetector to work in its dynamic range of intensities, and will lead to a distortion of the measurement results. In this case, the sensitivity of the lidar system, for extremely low concentrations of pollutants (ppm units), will be limited by the background scattered radiation of the diffraction spectrometer, due to the intense vibrational-rotational bands of the Raman spectroscopy from nitrogen and oxygen molecules.

Задачей технического решения является не допустить попадания интенсивных колебательно-вращательных полос СКР от молекул азота и кислорода в дифракционный спектрометр.The objective of the technical solution is to prevent the intense vibrational-rotational bands of the Raman spectroscopy from nitrogen and oxygen molecules from entering the diffraction spectrometer.

Техническое решение позволяет увеличить чувствительность, достоверность и точность СКР-лидарной системы, за счет устранения из принимаемого рассеянного излучения интенсивных колебательно-вращательных полос СКР от молекул азота и кислорода.The technical solution allows to increase the sensitivity, reliability and accuracy of the SCR-lidar system, by eliminating the intense vibrational-rotational bands of the SCR from nitrogen and oxygen molecules from the received scattered radiation.

Поставленная задача решается благодаря тому, что между телескопом и дифракционным спектрографом устанавливается дополнительный спектральный фильтр, отсекающий колебательно-вращательные полосы азота и кислорода. Положение Q-ветви колебательно-вращательной полосы кислорода 1556 см^-1, азота 2331 см^-1, а ширина колебательно-вращательных полос азота и кислорода приблизительно 300 см^-1 (кривая 1 на фиг. 1). Следовательно, дополнительный фильтр должен иметь плохое пропускание для частотных сдвигов в диапазоне от 1400 см^-1 до 1700 см^-1 и от 2180 см^-1 до 2480 см^-1, и хорошее пропускание в остальном диапазоне частотных сдвигов (кривая 2 на фиг. 1).The problem is solved due to the fact that between the telescope and the diffraction spectrograph an additional spectral filter is installed, cutting off the vibrational-rotational bands of nitrogen and oxygen. The position of the Q-branch of the vibrational-rotational band of oxygen is 1556 cm ^-1 , nitrogen 2331 cm ^-1 , and the width of the vibrational-rotational band of nitrogen and oxygen is approximately 300 cm ^-1 (curve 1 in Fig. 1). Therefore, the additional filter should have poor transmission for frequency shifts in the range from 1400 cm ^-1 to 1700 cm ^-1 and from 2180 cm ^-1 to 2480 cm ^-1 , and good transmission in the rest of the frequency shift range (curve 2 in Fig. 1 )

Традиционный метод определения концентрации загрязняющих веществ основан на сравнение интенсивностей сигналов СКР колебательно-вращательных полос азота (или кислорода) и загрязняющих веществ. В полезной модели предполагается для определения концентрации загрязняющих веществ использовать сравнение интенсивностей сигналов СКР первого обертона кислорода (или азота) и загрязняющих веществ. Значение отношения сечений СКР Q-ветвей обертона и основного тона для азота составляет 1,0·10^-3, а для кислорода 3,4·10^-4 (Булдаков М.А., Королев Б.В., Матросов И.И., Попова Т.Н. Оптика и спектроскопия. 1987. Т. 63, №4. С. 775-777.). Очевидно, что интенсивности сигналов от первых обертонов азота или кислорода сравнимы с интенсивностями сигналов от загрязняющих веществ, при их концентрациях порядка сотен ppm (зависит от сечений СКР различных загрязняющих веществ). Таким образом, интенсивности загрязняющих веществ и интенсивности эталонных сигналов, будут находиться в одном динамическом диапазоне фотоприемника.The traditional method for determining the concentration of pollutants is based on a comparison of the intensities of the SCR signals of the vibrational-rotational bands of nitrogen (or oxygen) and pollutants. In the utility model, it is supposed to use a comparison of the intensities of the SCR signals of the first overtone of oxygen (or nitrogen) and pollutants to determine the concentration of pollutants. The value of the ratio of the cross-sectional sections of the SCR of the Q-branches of the overtone and the fundamental tone for nitrogen is 1.0 · 10 ^-3 , and for oxygen 3.4 · 10 ^-4 (Buldakov M.A., Korolev B.V., Matrosov I.I. Popova T.N. Optics and spectroscopy. 1987.V. 63, No. 4. P. 775-777.). Obviously, the intensities of the signals from the first overtones of nitrogen or oxygen are comparable with the intensities of the signals from pollutants, at their concentrations of the order of hundreds of ppm (depending on the cross-sectional sections of various pollutants). Thus, the intensity of pollutants and the intensity of the reference signals will be in the same dynamic range of the photodetector.

Схема предлагаемой лидарной системы приведена на фиг. 2.The proposed lidar system is shown in FIG. 2.

Лидарная система для дистанционного определения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере состоит: 1 - лазер, работающий на длине волны 248,3 нм; 2 - передающая оптическая система; 3 - пары загрязняющего вещества; 4 - приемная оптическая система; 5 - блок спектральной селекции; 6 - многоканальный фотоприемник на основе ПЗС камеры со стробируемым усилителем яркости; 7 - блок обработки данных.The lidar system for remote determination of the concentration of pollutants in the atmosphere consists of: 1 - a laser operating at a wavelength of 248.3 nm; 2 - transmitting optical system; 3 - pairs of pollutant; 4 - receiving optical system; 5 - block spectral selection; 6 - multichannel photodetector based on a CCD camera with a gated brightness amplifier; 7 - data processing unit.

Принцип работы предлагаемой лидарной системы заключается в следующем. Пучок, сформированный в лазере (1), через передающую оптическую систему (2) направляется в инспектируемую область атмосферы. При распространении в атмосфере лазерное излучение испытывает рассеяние, в том числе и СКР. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемную оптическую систему (4) и далее в блок спектральной селекции (5). Блок спектральной селекции (5) состоит из: интерференционного фильтра, предназначенного для спектрального подавления линии несмещенного рассеяния; из дополнительного спектрального фильтра, предназначенного для спектрального подавления колебательно-вращательных полос СКР азота и кислорода, и для спектрального пропускания СКР от загрязняющих веществ и от первого обертона кислорода (азота); и из дифракционного спектрометра, предназначенного для пространственного разложения прошедшего спектра рассеянного излучения. Регистрация спектра СКР прошедшего через блок спектральной селекции происходит с помощью многоканального фотодетектора, на основе ПЗС камеры со стробируемым усилителем яркости (6), электрические сигналы с которого поступают в блок обработки данных (7), в которой концентрация загрязняющего вещества определяется по формуле:The principle of operation of the proposed lidar system is as follows. The beam formed in the laser (1), through the transmitting optical system (2) is sent to the inspected atmosphere. When propagating in the atmosphere, laser radiation undergoes scattering, including Raman scattering. The radiation scattered in the backward direction enters the receiving optical system (4) and then to the spectral selection unit (5). The spectral selection unit (5) consists of: an interference filter designed to spectrally suppress the unbiased scattering line; from an additional spectral filter designed for spectral suppression of vibrational-rotational bands of the SCR of nitrogen and oxygen, and for spectral transmission of the SCR from pollutants and from the first overtone of oxygen (nitrogen); and from a diffraction spectrometer designed to spatially decompose the transmitted scattered radiation spectrum. The Raman spectrum recorded through the spectral selection block is recorded using a multi-channel photodetector based on a CCD camera with a gated brightness amplifier (6), the electrical signals from which enter the data processing unit (7), in which the concentration of the polluting substance is determined by the formula:

,

где Ι_X, I^o - интенсивности сигналов СКР полученных от загрязняющего вещества и от первого обертона кислорода (азота), соответственно, σ_X, σ^o - сечение СКР назад загрязняющего вещества и первого обертона кислорода (азота), соответственно, С - концентрация молекул кислорода (азота) в атмосфере.where Ι _X , I ^o are the intensities of the SCR signals received from the pollutant and from the first overtone of oxygen (nitrogen), respectively, σ _X , σ ^o is the cross-section of the SCR back of the pollutant and the first overtone of oxygen (nitrogen), respectively, C is the concentration of molecules oxygen (nitrogen) in the atmosphere.

Claims

1. Lidar system for remote measurement of concentrations of pollutants in the atmosphere, including a laser source, transmitting an optical system, sending radiation along the optical axis of a receiving spectral-optical device, consisting of a receiving telescope, a spectral selection unit that emits SCR signals of atmospheric gases and pollutants as well as attenuating backscattered radiation at an unbiased frequency, and a multi-channel photodetector, the electrical signals from which are fed into data processing unit, where the concentration of the polluting substance is calculated, characterized in that an additional spectral filter is installed between the telescope and the diffraction spectrograph, which cuts off the vibrational-rotational bands of the SCR from nitrogen and oxygen.

2. The lidar system for remote measurement of concentrations of pollutants in the atmosphere according to claim 1, characterized in that for determining the concentration of pollutants in the inspected area of the atmosphere, SCR signals from the first overtone of oxygen or nitrogen are used.