RU2167408C2

RU2167408C2 - Способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды

Info

Publication number: RU2167408C2
Application number: RU99112637/28A
Authority: RU
Inventors: Р.Р. Агишев; Р.К. Сагдиев
Original assignee: Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2001-05-20

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения состоит в том, что способ включает зондирование исследуемой области среды электромагнитным излучением с фиксированной длиной волны, измерение интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на второй длине волны и прием сигнала взаимодействия из заданного количества точек исследуемой области среды. Зондирование среды осуществляют в прямом и обратном направлениях и измеряют интенсивность сигналов взаимодействия на третьей длине волны для обоих направлений зондирования. Осуществляют зондирование среды на первой длине волны в поперечном направлении в плоскости, нормальной к плоскости, образованной зондирующей и приемными оптическими осями. Технический результат: повышение точности определения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике для диагностики атмосферы.

Известен способ определения физических параметров газовой среды путем облучения ее пучком излучения и последующего выделения и регистрации сигнала, обусловленного взаимодействием зондирующего пучка и исследуемой среды (а.с. СССР N 1288561, МКИ кл. G 01 N 21/64, 1984). Недостатком способа является низкая точность определения в условиях оптической неоднородности исследуемой среды.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды, заключающийся в облучении его пучком излучения, выделении сигнала, обусловленного взаимодействием зондирующего пучка и исследуемой среды, и регистрации пространственного распределения этого сигнала (а.с. СССР N 1665285, МКИ кл. G 01 N 21/64, 1991). Оптическое излучение просвечивает объект исследования, результатом взаимодействия излучения и исследуемой среды могут быть лазерно-индуцированная флуоресценция, комбинационное рассеяние, также являющиеся излучением. Выделение сигнала, обусловленного этим взаимодействием для разных областей воздушной среды, позволяет зарегистрировать его пространственное распределение.

Недостатком этого способа является низкая точность определения в условиях неоднородности объекта измерений, поскольку неравномерность оптической плотности воздушной среды при зондировании разных точек выбранного сечения непосредственно влияет на результат измерения.

Решаемая техническая задача - повышение точности определения пространственного распределения физических параметров газовой среды.

Решаемая техническая задача в способе определения пространственного распределения физических параметров газовой среды, заключающемся в зондировании электромагнитным излучением с фиксированной длиной волны исследуемой области среды, измерении интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на второй длине волны, направление приема сигналов взаимодействия выбирают под углом к оси зондирования, проведении приема сигнала взаимодействия из заданного количества точек исследуемой области среды, достигается тем, что зондирование среды осуществляют в прямом и обратном направлениях, измеряют интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны для обоих направлений зондирования, осуществляют зондирование среды на первой длине волны в поперечном направлении в плоскости, нормальной к плоскости, образованной зондирующей и приемными оптическими осями при сохранении прежних направлений приема, и измерении интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны, пространственное распределение физических параметров среды определяют по формуле:

где β_n - физический параметр в n-й точке сечения исследуемой среды; L - коэффициент пропорциональности; P

\binom{п}{n}

^р(λ₂) - интенсивность сигнала из n-й точки среды на второй длине волны λ₂ при зондировании в прямом направлении; P

\binom{п}{n}

^р(λ₃) и P

\binom{о}{n}

^бр(λ₃) - интенсивности сигнала из n-й точки среды на третьей длине волны λ₃ в прямом и обратном направлениях соответственно,

интенсивность сигнала из n-й точки сечения исследуемой среды на третьей длине волны λ₃ при зондировании в плоскости, ортогональной к плоскости основного измерения, образованной оптической осью основного зондирования и приемной оптической осью.

Возможен прием сигналов взаимодействия излучения со средой на длине волны λ₃, равной длине волны зондирующего излучения λ₁.
Возможен прием сигналов взаимодействия излучения со средой на длинах волн λ₂ и λ₃, равных длине волны зондирующего излучения λ₁.
На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит: блок 1 управления, блоки передающей оптики 2 и 3 с диаграммами направленности, расположенными вдоль одной оптической оси АВ; формирователь 4 плоского "веерообразного" пучка с диаграммой направленности, охватывающей все исследуемые точки среды в поперечном направлении в плоскости, ортогональной плоскости, образованной осью зондирования АВ и приемными оптическими осями; линии (каналы) передачи зондирующего излучения 5, 6 и 7; оптический коммутатор 8; излучатель 9 с источником накачки; исследуемую среду 10, приемный объектив 11; блок оптических фильтров 12, включающий селективный элемент 13 на длину волны излучения λ₂, обусловленного полезным эффектом взаимодействия зондирующего пучка и объекта исследования, селективный элемент 14 на длину волны λ₃ другого взаимодействия и блок замены селективных элементов 15; координатно-чувствительное фотоприемное устройство 16 с блоком предварительной обработки; вычислитель 17.

Излучатель 9 электрически соединен с блоком 1 управления и оптически связан через оптический коммутатор 8 с линиями передачи светового излучения 5, 6 и 7 и блоками передающей оптики 2, 3 и формирователем веерообразного пучка 4. Диаграммы направленности блоков передающей оптики 2 и 3 расположены вдоль одной оптической оси, на которой измеряется пространственное распределение физического параметра, например концентрации молекул объекта 10. Координатно-чувствительное фотоприемное устройство 16 служит для приема сигналов взаимодействия излучения с исследуемой средой.

Координатно-чувствительное фотоприемное устройство 16, селективные элементы 13 и 14 оптически связаны с приемным объективом 11. Блок 1 управления соединен с управляющими входами излучателя 9, снабженного источником накачки, оптического коммутатора 8, управляющим входом координатно-чувствительного фотоприемного устройства 16, блоком 15 замены селективных элементов, управляющим входом вычислителя 17. Выходы координатно- чувствительного фотоприемного устройства 16 связаны с информационными входами вычислителя 17.

Способ осуществляют с помощью устройства следующим образом.

Блок 1 управления запускает лазер 9 с источником накачки. Импульс зондирующего излучения на длине волны λ₁, пройдя через оптический коммутатор 8, линию передачи светового излучения 5 и блок передающей оптики 2, направляется из точки А в подлежащую исследованию область 10 газовой среды. При взаимодействии излучения со средой могут иметь место явления лазерно-индуцированной флуоресценции, комбинационного рассеяния, поглощения и другие. Результат взаимодействия несет в себе информацию о таких параметрах исследуемой среды, как концентрация частиц, их скорость, давление и т.д., и также является излучением. Часть этого излучения воздушной среды, являющегося результатом взаимодействия, например из точки M₁ собирается объективом 11, выделяется селективным элементом 13 (например, интерференционным фильтром) на длине волны λ₂ и регистрируется координатно-чувствительным фотоприемным устройством 16. После этого по сигналу с блока управления 1 система 15 поворота блока селективных элементов устанавливает перед блоком 16 селективный элемент 14 на длину волны λ₃. Прием излучения из той же точки M₁ ведется на длине волны λ₃.
Далее блок управления 1 при помощи оптического коммутатора 8 переключает излучение лазера 9 на линию передачи светового излучения 6. Зондирующее излучение через блок передающей оптики 3 направляется в исследуемую область 10 из точки В. Координатно-чувствительное фотоприемное устройство 16 регистрирует сигнал на длине волны λ₃ из той же точки M₁, но направление облучения среды противоположно рассмотренному ранее. Далее блок управления 1 переключает излучение при помощи оптического коммутатора 8 на линию передачи излучения 7, при помощи передающей оптики формируется луч просвечивающий исследуемые точки пространства в поперечном направлении в плоскости, нормальной к плоскости, образованной зондирующей и приемными оптическими осями. Прием излучения ведется из той же точки M₁ на длине волны λ₃. Сигналы с выхода координатно-чувствительного фотоприемного устройства 16 подаются на вычислитель 17 для определения искомой характеристики в точке M₁ объекта исследования.

После этого по сигналу с блока 1 координатно-чувствительное фотоприемное устройство 16 перестраивается на прием излучения из новой точки исследуемой области воздушной среды, например из точки М₂, затем из точки М₃ и т.д. Число точек в данном случае определяется количеством фотоэлементов в координатно-чувствительном фотоприемном устройстве (например, число исследуемых точек равно 10). При выполнении условия малости расстояния между точками M₁ и M₂ и между M₂ и М₃ по сравнению с расстояниями M₁C, М₂С и М₃С можно считать угол Φ постоянным для всех точек М₁, М₂ и М₃ (см. чертеж).

В результате снимается пространственное распределение физического параметра (например, концентрации молекул какого-либо газа) в выбранном сечении среды.

Оптический коммутатор 8 может быть реализован на основе механического дефлектора дискретного отклонения с системой поворотных зеркал либо электрооптического дефлектора. "Веерообразный" пучок излучения может быть получен путем сканирования лазерного луча в выбранной плоскости зондирования при помощи дефлектора непрерывного отклонения.

Покажем, что предлагаемый способ позволяет достичь поставленной решаемой технической задачи - повысить точность измерения пространственного распределения физических параметров исследуемой среды.

При определении пространственного распределения физических параметров исследуемой среды (например, концентрации газа) по результатам измерения интенсивности сигналов взаимодействия зондирующего излучения с исследуемой средой, как это делается в прототипе, значительной оказывается погрешность, вносимая различным ослаблением сигналов в направлении измерения пространственного распределения от точек M_i до точки А и до точки С. Пренебрежение этой погрешностью может сильно исказить измеряемое распределение.

Рассмотрим возможность повышения точности измерений на примере комбинационного рассеяния и флуоресценции.

Особенностью метода комбинационного рассеяния является то, что длина волны лазерного излучения не связана жесткими требованиями резонанса частоты излучения лазера с частотами переходов атомов и молекул. Это позволяет использовать один источник накачки для одновременной регистрации большого числа молекулярных примесей, выделяя рассеянные стоксовые (иногда - антистоковые) компоненты на различных частотах ω

\binom{c}{i}

= ω_I-ω

\binom{м}{i}

(ω

\binom{а}{i}

^с= ω₁+ω

\binom{м}{i}

- для антистоксовых), где ω₁ - частота лазерного излучения; ω

\binom{м}{i}

- частота, соответствующая колебательному кванту молекулы i-й примеси.

Как концентрации N, так и (в значительно меньшей степени) сечения комбинационного рассеяния σ^кр различных компонент могут сильно различаться. Если для двух молекулярных компонент справедливо N₂•σ

\binom{к}{2}

^р≪ N₃•σ

\binom{к}{3}

^р, то принимаемый на длине волны λ₂ сигнал комбинационного рассеяния, соответствующий частоте ω

\binom{c}{2}

= ω₁-ω

\binom{м}{2}

, может быть во много раз меньше, чем сигнал комбинационного рассеяния, принятый на длине волны λ₃, соответствующей частоте ω

\binom{c}{3}

= ω₁-ω

\binom{м}{3}

. В силу этого относительная погрешность измерений на λ₃ оказывается значительно ниже, чем на λ₂.
Поэтому если для измерений пространственного распределения физического параметра исследуемой среды по результатам измерений интенсивности сигнала комбинационного рассеяния на длине волны λ₂ суметь ввести корректирующие коэффициенты, устраняющие влияние различного ослабления сигналов от точек М_i в направлении измерения пространственного распределения, которые получены по результатам более точных измерений интенсивности комбинационного рассеяния на длине волны λ₃, то можно повысить точность измерений пространственного распределения первой компоненты. При этом длины волн λ₂ и λ₃ должны отличаться незначительно, чтобы не проявилась возможная спектральная изменчивость оптической плотности исследуемой среды. В то же время спектральное разрешение измерительной аппаратуры должно обеспечивать возможность уверенного раздельного измерения сигналов на этих длинах волн.

Приводить количественные соотношения для комбинационного рассеяния не будем - рассмотрим их ниже на примере флуоресценции. Однако следует иметь в виду, что они полностью применимы для комбинационного рассеяния, в случае которого λ₁,λ₂,λ₃ - различны, тогда как для флуоресценции удобно принять λ₃= λ₁.
Метод лазерной флуоресценции основан на регистрации спонтанного излучения молекул и атомов примеси, подвергнутых действию излучения, длина волны которого находится в резонансе с одним из разрешенных переходов с переводом молекул в возбужденное состояние. При этом релаксация в основное состояние происходит излучательно.

Пусть методом лазерно-индуцированной флуоресценции измеряется относительный профиль распределения концентрации исследуемых молекул в точках M₁, M₂, М₃ (см. чертеж), расположенных на одной прямой; длина волны зондирующего излучения λ₁, длина волны флуоресценции λ₂.
Прозрачности среды от приемника излучения (от точки С) до точек M₁, М₂, М₃ равны соответственно T(CM₁), Т(СМ₂), Т(СМ₃).

При приеме излучения из точки M₁, три сигнала флуоресценции P

\binom{п}{1}

^р(λ₂), рассеянный сигнал P

\binom{п}{1}

^р(λ₁) при облучении среды в прямом направлении, а также рассеянный сигнал P

\binom{о}{1}

^бр(λ₁) при облучении среды в обратном направлении (см. Приложение, формулы (7п) и (8п)) равны соответственно:
P

\binom{п}{1}

^р(λ₂) = k•T(CM₁)•T(M₁A)•β₁ (1)
P

\binom{п}{1}

^р(λ₁) = k•T(CM₁)•T(M₁A)•β

\binom{0}{1}

•i(Φ) (2)

Здесь и далее понимается: β_n= β

\binom{ф}{n}

(для комбинационного рассеяния - β

\binom{к}{n}

^р1 - характеризует основное взаимодействие; β

\binom{0}{n}

= β

\binom{p}{n}

(для комбинационного рассеяния - β

\binom{к}{n}

^р2) - вспомогательное.

Аналогично при приеме сигналов из точек M₁ и М₂
P

\binom{п}{2}

^р(λ₂) = k•T(CM₂)•T(M₁M₂)•T(M₁A)•β₂ (4)
P

\binom{п}{2}

^р(λ₁) = k•T(CM₂)•T(M₁M₂)•T(M₁A)•β

\binom{0}{2}

•i(Φ) (5)

P

\binom{о}{3}

^бр(λ₁) = k•T(CM₃)•T(M₃B)•β

\binom{0}{3}

•i(π-Φ) (9)
Определение относительного распределения концентрации N по измерениям только сигналов P

\binom{п}{1}

^р(λ₂),P

\binom{п}{2}

^р(λ₂),P

\binom{п}{3}

^р(λ₂) приведет к значительным погрешностям, которые определяются различным ослаблением сигналов от точек M₁, М₂, М₃ до точки А и точки С.

β₁:β₂:β₃= P

\binom{п}{1}

^р(λ₂):P

\binom{п}{2}

^р(λ₂):P

\binom{п}{3}

^р(λ₂) (10)
Где β = N•σ^ф, N - концентрация молекул; σ^ф - сечение флуоресценции. Чем больше отличаются обычно не учитываемые оптические плотности между точками M₁, М₂, М₃ и точкой A (T(M₁A), Т(М₂А), Т(М₃А)) и точкой С (T(CM₁), Т(СМ₂), Т(СМ₃)), тем ниже точность измерения пространственного распределения по результатам измерения величин P

\binom{п}{n}

^р(λ₂), n = 1, 2, 3,...

Формула (10) характеризует пространственное распределение физических параметров исследуемой среды, например концентрации какой-либо молекулярной компоненты, получаемое прототипом и другими традиционными методами.

Из (1) и (2), (4) и (5), (7) и (8) следует:
β_n= P

\binom{п}{n}

^р(λ₂)•β

\binom{0}{n}

•i(Φ)/P

\binom{п}{п}

^р(λ₁), n = 1,2,3,... (11)
Из (2) и (3) вытекает, что произведение принятых сигналов P

\binom{п}{n}

^р(λ₁) и P

\binom{о}{n}

^бр(λ₁) равно:

Аналогичные выражения можно получить из (5) и (6), (8) и (9).

В общем виде:

Здесь: Т(АВ) - прозрачность среды на всем участке зондирования от точки А до точки В.

Из (12) получаем:

Из (13) с учетом (11)

Для устранения влияния ослаблений среды T(CM₁), Т(СМ₂), Т(СМ₃) нами производится зондирование среды в плоскости, ортогональной плоскости основного измерения, образованной зондирующей (АВ) и приемными (СМ_i) оптическими осями.

Будем считать, что прозрачности среды (см. чертеж) от точки D излучателя до точек M₁, M₂, М₃ (T(DM₁), T(DM₂), T(DM₃)) отличаются незначительно и равны Т.

При приеме излучения из точек M₁, М₂, М₃ сигнал флуоресценции

на λ = λ₁:

Откуда

Из (14) и (16) получаем:

(17)
Делая допущение, что β

\binom{0}{1}

= β

\binom{0}{2}

= β

\binom{0}{3}

вдоль исследуемого направления, получаем соотношение между параметрами β_n в разных точках

Формула (18) описывает пространственное распределение физического параметра. Параметр β_n в произвольной n-й точке сечения:

L - коэффициент пропорциональности. Выражение (19) сразу дает профиль концентрации, поскольку N = β/σ.
Прием и регистрация, кроме флуоресценции, рассеянных сигналов на длине волны λ₁ зондирующего излучения позволяют значительно повысить точность измерения. Хотя λ₁≠ λ₂, но это отличие незначительно, так что оптические характеристики (в частности, прозрачность) близки с высокой точностью. В то же время сечение флуоресценции σ^ф мало по сравнению с сечением упругого рассеяния на частицах. При изучении воздушной среды различные частицы, находящиеся в исследуемом сечении, способны весьма существенно ослабить (за счет рассеяния и поглощения) возбужденный лазером сигнал флуоресценции. Поэтому в силу σ ≫ σ ^ф измерение на λ = λ₁ рассеянных сигналов от облучения среды с двух сторон, а так же зондирование среды в плоскости, ортогональной плоскости основного измерения, образованной зондирующей (АВ) и приемными (СМ_i) оптическими осями, позволяет получить более высокую точность измерения соотношения прозрачностей участков между исследуемыми точками сечения, так как значительно возрастает по сравнению с флуоресценцией отношение сигнал/шум.

Ход приведенных выше рассуждений и окончательные формулы справедливы и для определения распределения физических параметров среды методом комбинационного рассеяния, которое регистрируется на λ₂ и λ₃. Если, как отмечалось ранее, неравенство N₁•σ

\binom{к}{1}

^р ≪ N₂•σ

\binom{к}{2}

^р выполняется довольно сильно, то точность измерения физического параметра (например, концентрации молекул N) в условиях неоднородной среды может быть существенно повышена. Для количественного описания пространственного распределения, измеренного методом комбинационного рассеяния, в формуле (19) под P

\binom{п}{n}

^р(λ₂) следует понимать интенсивность принятого сигнала на λ₂, а под

интенсивности сигналов на λ₃, полученных при облучении среды в прямом, обратном направлениях и в поперечном направлении в плоскости, ортогональной плоскости основного измерения.

Поэтому в данном случае

Оценим выигрыш в точности измерений по предлагаемому способу на примере использования эффекта комбинационного рассеяния. Пусть концентрация измеряемых молекул в точках M₁, M₂, М₃, а значит и параметры β₁,β₂,β₃ относятся как 1: 1: 1. Предположим, что излучение ослабляется средой, и прозрачность среды Т между точками M₁ и М₂, а также между точками М₂ и М₃ одинакова и равна, например, 0,8. T(M₁M₂) = T(M₂М₃) = 0,8. Ослабление излучения на пути М₁А и М₃В (соответственно Т(М₁А) и Т(М₃В)) учитывать не будем, так как при измерении относительного профиля пространственного распределения T(M₁A) и Т(М₃В) сокращаются. Прозрачности среды от приемника излучения (точка С) до точек M₁, М₂, М₃ равны соответственно T(CM₁) = 0,9; Т(СМ₂) = 0,8; Т(СМ₃) = 0,7.

Без учета аппаратурных и геометрических констант, влияние которых легко учесть, сигнал комбинационного рассеяния на λ = λ₂ из точки М₁ при облучении среды в прямом направлении из точки А
P

\binom{п}{1}

^р(λ₂) = 1•T(CM₁) = 0,9
Аналогично

Относительный профиль распределения концентрации молекул, полученный по традиционной методике, повторяет распределение принятых сигналов Р^пр _n

Как видно, это распределение сильно искажено по сравнению с исходным 1: 1:1.

Согласно предлагаемому способу измеряются и сигналы комбинационного рассеяния на длине волны χ₃ из тех же точек M₁, М₂, М₃ при облучении среды в прямом направлении (от точки А), в обратном (от точки В), а также зондирование среды в плоскости, ортогональной плоскости основного измерения, образованной зондирующей (АВ) и приемными (CM_i) оптическими осями:
P

\binom{п}{1}

^р(λ₃) = 0,9;

P

\binom{п}{2}

^р(λ₃) = 1•T(M₁M₂)•T(CM₂) = 0,64;

Согласно предложенному алгоритму

Поэтому

Таким образом, исходное распределение восстановлено правильно. Предлагаемый способ определения пространственного распределения физического параметра устраняет погрешность традиционных методов, связанную с ослаблением излучения в исследуемой среде.

Изобретение можно проиллюстрировать следующими примерами, в которых использован принцип комбинационного рассеяния: зондирующий лазер - аргоновый: λ₁ - 0,5145 мкм, молекулы с близкими комбинационными сдвигами - СО (комбинационный сдвиг - 2145 см^-1, λ_кр= 0,5713 мкм) и N₂ (комбинационный сдвиг - 2331 см ^-1, λ_кр= 0,5762 мкм); другая возможная пара молекул: SO₂ (комбинационный сдвиг - 1151 см^-1, λ_кр= 0,5450 мкм) и N₂O (комбинационный сдвиг - 1290 см^-1, λ_кр- 0,5486 мкм).

Случай, когда длины волн λ₁,λ₂ и λ₃ различны, отвечает использованию метода комбинационного рассеяния для измерения пространственного распределения физических параметров.

Случай, когда λ₃= λ₁ соответствует использованию лазерно-индуцированной флуоресценции:,

Случай, когда λ₁= λ₂= λ₃ реализуется при измерении упругого рассеяния на длине волны зондирующего лазера λ₁. В этом случае

и β_n= L•(P

\binom{о}{n}

^бр(λ₁)P

\binom{п}{n}

^р(λ₁))^1/2/P

\binom{⊥}{n}

(λ₁).$

Claims

1. Способ определения пространственного распределения физических параметров газовой среды путем зондирования электромагнитным излучением с фиксированной длиной волны исследуемой области среды, измерения интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на второй длине волны, направление приема сигналов взаимодействия выбирают под определенным углом к направлению зондирования, проведения приема сигналов взаимодействия из заданного количества точек исследуемой области среды, отличающийся тем, что осуществляют зондирование среды в прямом и обратном направлениях, измеряют интенсивности сигналов взаимодействия излучения со средой на третьей длине волны для обоих направлений зондирования, осуществляют зондирование среды на первой длине волны в поперечном направлении в плоскости, нормальной к плоскости, образованной зондирующей и приемными оптическими осями при сохранении прежних направлений приема и измерении интенсивностей сигналов на третьей длине волны, пространственное распределение физических параметров среды определяют по формуле

\binom{п}{n}

^р(λ₂) - интенсивность измеренного сигнала из n-й точки на второй длине волны λ₂ при зондировании в прямом направлении;
P

\binom{п}{n}

^р(λ₃) и P

\binom{о}{n}

^бр(λ₃) - интенсивности измеренного сигнала из n-й точки на третьей длине волны λ₃ в прямом и обратном направлениях соответственно;
P

\binom{┴}{n}

(λ₃) - интенсивность измеренного сигнала в n-й точке сечения исследуемой среды на второй длине волны λ₃ при зондировании в поперечном направлении в плоскости, нормальной к плоскости, образованной зондирующей и приемными оптическими осями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что принимают сигналы взаимодействия излучения со средой на длине волны λ_3, равной длине волны зондирующего излучения λ_1.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что принимают сигналы взаимодействия излучения со средой на длинах волн λ₂ и λ_3, равных длине волны зондирующего излучения λ₁.