SK282472B6 - Spôsob určovania koncentrácie plynov s diferenciálnym absorpčným LIDAR-om potláčajúci chyby merania - Google Patents

Abstract

Meranie sa vykonáva tak, že časť laserov je naladená na vlnovú dĺžku lambda-on silno pohlcovanú detegovanou látkou a časť na málo pohlcovanú vlnovú dĺžku lambda-off. Po uskutočnení polovice merania návratových energií sa lasery naladené na lambda-on preladia na lambda-off a lasery naladené na lambda-off sa preladia na lambda-on a meranie sa dokončí. Koncentráciu určíme z geometrického priemeru pomerov návratových energií pre lambda-on ku návratovým energiám pred preladením v ňom lambda-off pred a po.ŕ

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka merania koncentrácií plynných látok v atmosfére pomocou laserového systému pracujúceho technikou DIAL (Differential Absorbtion Lidar) s dvoma alebo viacerými lasermi.

Doterajší stav techniky

Systémy DIAL pracujúce s dvoma, prípadne i viacerými lasermi určujú koncentráciu detegovanej plynnej látky na meracej trase tak, že aspoň jeden z laserov sa naladí na vlnovú dĺžku λοη, ktorá je danou látkou pohlcovaná silno. Zároveň sa aspoň jeden z laserov naladí na vlnovú dĺžku λθυ, ktorá je danou látkou pohlcovaná slabo. Systém vysiela laserové impulzy cez skúmanú atmosféru na terč. Laserové žiarenie, ktoré sa od terča odráža, je zachytávané prijímačom systému a v ňom sa mení na napäťový signál. Koncentráciu meranej plynnej látky je možné určiť z rozdielu v útlme na λοη a λ_ο(Γ (pozri napr. Kilinger, D. K. a kol.: Optical and Laser Remote Sensing. Springer-Verlag, Berlín 1983, 383 s.; Measures, R. M.: Laser Remote Sensing. John Wiley & Sons, New York, 1983, 510 s.; C0₂ Lasers and Applications. P.roc. of SPIE, Vol. 1042, Los Angeles 1989, 139 s.). Jedno úplné meranie sa spravidla skladá z väčšieho počtu individuálnych meraní. Individuálne meranie sa získa vyslaním jedného impulzu z každého lasera (pri impulzných laseroch).

Na výpočet koncentrácie detegovanej látky na meracej trase sa používa pomer:

P - U_on / u_off

Pre amplitúdu U_on návratového signálu na λοη platí:

U_on — x.c.(x., kde: τ - útlm vyvolaný molekulami detegovanej látky na vlnovej dĺžke λ_οη c - konštanta pre daný systém, pre danú vzdialenosť systém DIAL - terč a na útlm na aerosóloch počas merania α - faktor vyjadrujúci vplyv rozloženia energie vo zväzku lasera 1 po ploche terča a zároveň vplyv rozloženia odrazivosti terča po jeho ploche.

Obdobne pre amplitúdu U_Ofj návratového signálu na , λ_ο(Γ platí:

U_Oft = c · β, kde: β - faktor vyjadrujúci vplyv rozloženia energie vo zväzku lasera 2 po ploche terča a zároveň rozloženia odrazivosti terča po jeho ploche p = Uo„ / U_Off = (T.C. a) / (C.β); po úprave

Ρ = τ.(α/β)

Pomer P závisí okrem útlmu detegovanou látkou τ ešte od dosť zložitých faktorov α a β. Tieto faktory negatívne ovplyvňujú meranie i pri vysokých pomeroch signál/šum i pri účinnom potlačení vplyvu atmosférických turbulencií.

Pri justovaní systému DIAL sa často nepodarí presne stotožniť laserové zväzky alebo majú tieto zväzky rozdielnu módovú štruktúru a odrážajúcu objekt nemá na celej odrážajúcej ploche konštantnú obrazivosť. Takýto stav je skôr pravidlom ako výnimkou. Meranie s takýmto systémom je zaťažené chybou, ktorá sa prejaví napr. nameraním určitej koncentrácie meranej látky i v čistej atmosfére. Túto chybu je možné vylúčiť iba častou kalibráciou systému počas merania, čo však spravidla nie je uskutočniteľné. Takýmto spôsobom dôjde k zvýšeniu minimálnej detegovateľnej koncentrácie na úroveň často podstatne vyššiu, ako je úroveň daná šumami a atmosférickými fluktuáciami.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky do značnej miery odstraňuje spôsob určovania koncentrácie plynov s diferenciálnym absorpčným LIDAR-om potláčajúci chyby merania podľa vynálezu. Spôsob merania podľa vynálezu sa od bežného líši tým, že najmenej jeden laser naladený na vlnovú dĺžku λ_οη sa po istom počte individuálnych meraní preladí na λ_0(Γ, zároveň sa laser predtým naladený na λ_οβ· sa preladí na λ_οη a meranie zopakujeme. Úplné meranie sa potom vyhodnotí tak, že vypočítame geometrický priemer pomerov návratových energií zo všetkých nastavení laserov. Z tejto hodnoty potom vypočítame koncentráciu detegovanej látky.

Meranie uskutočnené podľa vynálezu nie je zaťažené chybami vyplývajúcimi z nedokonalého zjustovania zväzkov, rozdielov v módových štruktúrach zväzkov a rozdielov v odrazivosti po ploche terča. Jedinými faktormi, ktoré vnášajú do merania chyby, sú šumy detektora, šumy elektronických obvodov spracovávajúcich signály a atmosférické efekty.

Použitie vynálezu pri meraní s diferenciálnym absorpéným LIDAR-om vedie k zníženiu minimálnej detegovateľnej koncentrácie, znižuje sa citlivosť systému na presné najustovanie, odpadá nutnosť častej kalibrácie systému.

Príklad uskutočnenia vynálezu

Jeden laser naladíme na vlnovú dĺžku λ₀„ silne pohlcovanú detegovanou látkou a jeden laser naladíme na vlnovú dĺžku λ₀Η· málo pohlcovanú detegovanou látkou. Po zmeraní návratových energií pre λ„_η a λ_0(Γ sa laser naladený na, λ™ preladí na λ_οι a naopak s následným zmeraním návratových energií. Koncentráciu určíme z geometrického priemeru pomerov návratových energií pre λοη ku návratovým energiám pre λ_ο(Τ pred prebdením a po ňom Meranie niekoľkokrát zopakujeme a určíme strednú hodnotu.

Priemyselná využiteľnosť vynálezu

Spôsob podľa vynálezu je možné využiť všade tam, kde je potrebné monitorovať ovzdušie, zisťovať prítomnosť škodlivých, toxických, resp. bojových toxických plynných látok a ich koncentráciu pomocou diferenciálnych absorpčných LIDAR-ov na diaľku.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob určovania koncentrácie plynov s diferenciálnym absorpčným LIDAR-om potláčajúcom chyby merania, kde najmenej jeden laser je naladený na vlnovú dĺžku λ_οη silne pohlcovanú detegovanou látkou a najmenej jeden laser je naladený na vlnovú dĺžku Z_off málo pohlcovanú detegovanou látkou, vyznačujúci sa tým, že po zmeraní návratových energií pre λ_οη a λ_ο)τ sa lasery nalade2 né na λ_οη preladia na λ_οη· a naopak s následným zmeraním návratových energií, pričom koncentráciu určime z geometrického priemeru pomerov návratových energií pre λ_ο„ ku návratovým energiám pre X_off pred preladením a po ňom.
2. 2. Spôsob podľa nároku 1 vyznačujúci sa tým, že koncentráciu určíme ako strednú hodnotu najmenej z dvoch geometrických priemerov.

   Koniec dokumentu