SK352020A3

SK352020A3 - Method for remote detection of gaseous substances in the atmosphere by DIAL system with two lasers and remote detector

Info

Publication number: SK352020A3
Application number: SK352020A
Authority: SK
Inventors: Mgr. Sedláčková Zita; Ing. CSc. Viceník Jiří
Original assignee: SEC Technologies, s.r.o.
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2021-10-13
Also published as: SK289235B6

Abstract

Spôsob diaľkovej detekcie plynných látok v atmosfére systémom DIAL s dvomi lasermi je založený na tom, že laserový zväzok generovaný prvým laserom dopadá na polopriepustné zrkadlo, kde 50 % výkonu laserového zväzku prechádza cez polopriepustné zrkadlo a postupuje cez prvú apertúru smerom k terču a zároveň sa zostávajúcich 50 % výkonu laserového zväzku odráža od polopriepustného zrkadla, dopadá na totálne reflexné zrkadlo, od ktorého sa odráža a je smerované cez druhú apertúru k tomu istému terču. S oneskorením spúšťaný laserový zväzok generovaný druhým laserom dopadá na polopriepustné zrkadlo, kde 50 % výkonu laserového zväzku prechádza cez polopriepustné zrkadlo, dopadá na totálne reflexné zrkadlo, od ktorého sa odráža a je smerované cez druhú apertúru k tomu istému terču a zároveň sa zostávajúcich 50 % výkonu laserového zväzku odráža od polopriepustného zrkadla a postupuje cez prvú apertúru smerom k tomu istému terču. Diaľkový detektor plynných látok v atmosfére systémom DIAL s dvomi lasermi pozostáva z prvého lasera (1) a druhého lasera (2), pričom v priesečníku osí ich laserových zväzkov je umiestnené polopriepustné zrkadlo (3). Za polopriepustným zrkadlom (3) je umiestnené totálne reflexné zrkadlo (5) v priamom smere postupu laserového zväzku generovaného druhým laserom (2) a tiež v odrazenom smere od polopriepustného zrkadla (3) postupu laserového zväzku generovaného prvým laserom (1). V priamom smere od polopriepustného zrkadla (3) postupu 50 % laserového zväzku od prvého lasera (1) a postupu odrazeného 50 % laserového zväzku druhého lasera (2) je umiestnená prvá apertúra (4). V odrazenom smere od totálne reflexného zrkadla (5) postupu 50 % laserového zväzku od prvého lasera (1) a postupu 50 % laserového zväzku od druhého lasera (2) je umiestnená druhá apertúra (6).The method of remote detection of gaseous substances in the atmosphere by a DIAL system with two lasers is based on the laser beam generated by the first laser hitting a semi-transmissive mirror, where 50% of the laser beam power passes through the semi-transmissive mirror and proceeds through the first aperture towards the target. 50% of the power of the laser beam bounces off the semipermeable mirror, impinges on the totally reflecting mirror from which it bounces and is directed through the second aperture to the same target. The delayed laser beam generated by the second laser impinges on the semipermeable mirror, where 50% of the laser beam power passes through the semipermeable mirror, impinges on the total reflective mirror from which it bounces and is directed through the second aperture to the same target and the remaining 50% the power of the laser beam reflects from the semipermeable mirror and proceeds through the first aperture towards the same target. The remote detector of gaseous substances in the atmosphere by the DIAL system with two lasers consists of a first laser (1) and a second laser (2), while a semi-transmissive mirror (3) is placed at the intersection of the axes of their laser beams. Behind the semipermeable mirror (3) there is a totally reflecting mirror (5) in the forward direction of the laser beam generated by the second laser (2) and also in the reflected direction from the semitransparent mirror (3) of the laser beam generated by the first laser (1). The first aperture (4) is located in a direction directly from the semi-transparent mirror (3) of the 50% laser beam process from the first laser (1) and the reflected 50% laser beam process of the second laser (2). A second aperture (6) is located in the reflected direction from the totally reflecting mirror (5) of the 50% laser beam process from the first laser (1) and the 50% laser beam process from the second laser (2).

Description

Oblasť technikyField of technology

Vynález sa týka spôsobu diaľkovej detekcie plynných látok v atmosfére systémom DIAL s dvomi lasermi a konštrukcie diaľkového detektora plynných látok v atmosfére pracujúcich technikou DIAL (Dlfferential Absorption LIDAR) s dvomi lasermi. Vynález spadá do oblasti laserových systémov.The invention relates to a method for the remote detection of gaseous substances in the atmosphere by a DIAL system with two lasers and to the construction of a remote detector of gaseous substances in the atmosphere using the DIAL (Differential Absorption LIDAR) technique with two lasers. The invention belongs to the field of laser systems.

Doterajší stav technikyPrior art

Tzv. „klasické“ usporiadame systému DIAL s dvomi lasermi má jedinú výstupnú apertúra, kde sa laserové zväzky z oboch laserov zlučujú pomocou polopriepustného zrkadla tak, aby boli súosé. Preto sa laserové žiarenie z oboch laserov šíri smerom k terču - objektu, ktoiý zakončuje konkrétnu meraciu trasu, cez totožný objem atmosféry. Zrejmou nevýhodou tohto usporiadania sú 50 % straty energie z laserov vznikajúce pri zlúčení zväzkov (aj keď sa týchto 50 % energie využíva na synchronizáciu systému a na merame odchádzajúcich energií) čo sa negatívne prejaví na dosahu dialkového detektora, lebo jeho dosah poklesne na cca 70 %. Ak náhodne dôjde k zablokovaniu výstupnej apertúry, tak takýto systém DIAL zlyháva.The so-called The "classic" DIAL system with two lasers has a single output aperture, where the laser beams from both lasers are combined using a semi-transparent mirror so that they are coaxial. Therefore, the laser radiation from both lasers propagates towards the target - the object that ends the specific measuring path, through the same volume of the atmosphere. The obvious disadvantage of this arrangement is the 50% energy loss from the lasers arising from the merging of the beams (although this 50% energy is used to synchronize the system and measure the outgoing energies) which has a negative effect on the range of the remote detector, as its range drops to about 70%. . If the output aperture is accidentally blocked, such a DIAL system fails.

Existuje usporiadame systému DIAL s dvomi lasermi a s dvomi výstupnými apertúrami, kde každý laser má samostatnú výstupnú apertúra. Reálne takto fungujú systémy napr. DD-CWA a F4G. V dôsledku toho sa laserové žiarenie z jedného lasera šíri k terču do istej vzdialenosti iným objemom atmosféry ako žiarenie z druhého lasera. Laserové zväzky sa síce postupne prekrývajú, avšak bežne sa na cca 50 % stotožnia až na polovici cesty smerom k terču. Vplyvy optických atmosférických efektov, rozdielny obsah aerosólov a i rozdielne koncentrácie detekovanej látky pre jeden a pre drahý laser v počiatočnej časti meracej trasy môžu zásadne negatívne ovplyvniť minimálnu detekovateľnú koncentráciu. Ak náhodne dôjde ku krátkodobému zablokovaniu jednej z výstupných apertúr takéhoto DIAL-u, tak to môže spôsobiť buď falošnú detekciu, alebo znemožniť detekciu reálneho oblaku látky, ktorá má byť detekovaná.There is a DIAL system with two lasers and two output apertures, where each laser has a separate output aperture. In this way, systems such as DD-CWA and F4G. As a result, the laser radiation from one laser propagates to the target at a distance by a different volume of the atmosphere than the radiation from the other laser. Although the laser beams gradually overlap, they usually identify up to about 50% halfway towards the target. The effects of optical atmospheric effects, different aerosol content and also different concentrations of the detected substance for one and for an expensive laser in the initial part of the measuring path can fundamentally negatively affect the minimum detectable concentration. If one of the output apertures of such a DIAL is accidentally blocked, this may cause either false detection or make it impossible to detect a real cloud of the substance to be detected.

Podstata vynálezuThe essence of the invention

Uvedené nedostatky do značnej miery odstraňuje spôsob diaľkovej detekcie plynných látok v atmosfére systémom DIAL s dvomi lasermi podľa vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že laserový zväzok generovaný prvým laserom dopadá na polopriepustné zrkadlo, kde 50 % výkonu laserového zväzku prechádza cez polopriepustné zrkadlo a postupuje cez prvú apertúra smerom k terču a zároveň sa zostávajúcich 50 % výkonu laserového zväzku odráža od polopriepustného zrkadla, dopadá na totálne reflexné zrkadlo, od ktorého sa odráža a je smerované cez druhú apertúru k tomu istému terču. S oneskorením spúšťaný laserový zväzok generovaný drahým laserom dopadá na polopriepustné zrkadlo, kde 50 % výkonu laserového zväzku prechádza cez polopriepustné zrkadlo, dopadá na totálne reflexné zrkadlo, od ktorého sa odráža a je smerované cez druhú apertúra k tomu istému terču a zároveň sa zostávajúcich 50 % výkonu laserového zväzku odráža od polopriepustného zrkadla a postupuje cez prvú apertúra smerom k tomu istému terču.The method of remote detection of gaseous substances in the atmosphere by the DIAL system with two lasers according to the invention largely eliminates these shortcomings, the essence of which is that the laser beam generated by the first laser impinges on the semi-transparent mirror, where 50% of the laser beam power passes through the semi-transparent mirror through the first aperture towards the target and at the same time the remaining 50% of the laser beam power is reflected from the semipermeable mirror, impinges on the total reflecting mirror from which it is reflected and is directed through the second aperture to the same target. The delayed laser beam generated by the expensive laser hits the semipermeable mirror, where 50% of the laser beam power passes through the semipermeable mirror, impinges on the total reflecting mirror from which it bounces and is directed through the second aperture to the same target and the remaining 50% the power of the laser beam reflects from the semipermeable mirror and proceeds through the first aperture towards the same target.

V podstate dochádza k zlúčeniu laserových zväzkov z oboch laserov pomocou polopriepustného zrkadla, pričom sa zároveň každý zväzok rozdelí na dva, z ktorých každý nesie 50 % energie z prvého a potom i z dru-hého lasera a oba zväzky sú paralelne nasmerované, jeden polopriepustným a drahý totálne reflexným zrkadlom k terču.In essence, the laser beams from both lasers are merged by a semipermeable mirror, each beam being divided into two, each carrying 50% of the energy from the first and then the second laser, and the two beams are directed in parallel, one semipermeable and expensive. totally reflective mirror to the target.

Vyššie uvedený spôsob diaľkovej detekcie plynných látok v atmosfére systémom DIAL s dvomi lasermi je využiteľný v diaľkovom detektore plynných látok v atmosfére podľa vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že pozostáva z prvého lasera a drahého lasera, pričom v priesečníku osí ich laserových zväzkov je umiestnené polopriepustné zrkadlo. Za polopriepustným zrkadlom je umiestnené totálne reflexné zrkadlo v priamom smere postupu laserového zväzku generovaného druhým laserom a tiež v odrazenom smere od polo-priepustného zrkadla postupu laserového zväzku generovaného prvým laserom. V priamom smere od polopriepustného zrkadla postupu 50 % laserového zväzku od prvého lasera a postupu odrazeného 50 % laserového zväzku druhého lasera je umiestnená prvá apertúra. V odrazenom smere od totálne reflexného zrkadla postupu 50 % laserového zväzku od prvého lasera a postupu 50 % laserového zväzku od drahého lasera je umiestnená druhá apertúra.The above method of remote detection of gaseous substances in the atmosphere by the DIAL system with two lasers is usable in the remote detector of gaseous substances in the atmosphere according to the invention, which consists in that it consists of a first laser and an expensive laser. semi-transparent mirror. Behind the semipermeable mirror, a total reflective mirror is arranged in the forward direction of the laser beam generated by the second laser and also in the reflected direction from the semipermeable mirror of the laser beam generated by the first laser. The first aperture is located in the forward direction of the semi-transparent mirror of the 50% laser beam from the first laser and the reflected 50% laser beam of the second laser. A second aperture is located in the reflected direction from the totally reflecting mirror of the 50% laser beam process from the first laser and the 50% laser beam process from the expensive laser.

Výhody spôsobu diaľkovej detekcie plynných látok v atmosfére systémom DIAL s dvomi lasermi a samotnej konštrukcie dialkového detektora plynných látok v atmosfére podľa tohto vynálezu sú zjavné z účinkov, ktorými sa prejavujú navonok. Originalita riešenia spočíva v tom, že zlúčením zväzkov z oboch laserov pomocou polopriepustného zrkadla a zároveň rozdelením každého zväzku na dva, z ktorých každý nesie 50 % energie z prvého, a potom i z druhého lasera, kde oba zväzky sú paralelne nasmerované k terču, nedôjde k 50 % stratám energie laserov a teda ani k poklesu dosahu DIAL-u a laserové žiarenie z oboch laserov prechádza tými istými objemami atmosféry. Takéto usporiadame systému DIAL s dvomi lasermi s rozdelenímThe advantages of the method for remote detection of gaseous substances in the atmosphere by the DIAL system with two lasers and the construction of the remote detector of gaseous substances in the atmosphere according to the invention are evident from the effects which manifest themselves externally. The originality of the solution lies in the fact that by merging beams from both lasers using a semi-transparent mirror and at the same time dividing each beam into two, each carrying 50% of energy from the first and then the second laser, where both beams are directed parallel to the target. 50% of the energy loss of the lasers and thus also the decrease in the range of the DIAL and the laser radiation from both lasers passes through the same volumes of atmosphere. This is how we arrange a DIAL system with two split lasers

SK 35-2020 A3 laserových zväzkov na dva, minimalizuje vonkajšie vplyvy atmosférických efektov na detekciu a zaisťuje maximálny dosah detekcie. Riešenie s dvoma výstupnými apertúrami tu prináša i ďalšie výhody. Jednou výhodou je, že aj pri úplnom zaclonení jednej z apertúr síce klesne dosah systému, ale schopnosť detekcie a citlivosť DIAL-u zostanú zachované. Druhou výhodou je, že rozdelenie laserových zväzkov na dva prinesie zníženie hustoty výkonu vo výstupných apretúrach, a tým zvýšenie bezpečnosti pre zrak, lebo hoci celková energia vychádzajúca z apertúry zostane približne rovnaká, je rozdelená do dvoch impulzov: prvý z prvého lasera, po výraznom oneskorení druhý z druhého lasera.SK 35-2020 A3 laser beams for two, minimizes the external effects of atmospheric effects on detection and ensures maximum detection range. The solution with two output apertures also brings other benefits here. One advantage is that even if one of the apertures is completely blocked, the range of the system will decrease, but the detection capability and sensitivity of DIAL will be maintained. The second advantage is that splitting the laser beams into two will reduce the power density in the output finishes, thus increasing vision safety, because although the total energy coming from the aperture remains approximately the same, it is split into two pulses: the first of the first laser, after a significant delay the second of the second laser.

Prehľad obrázkov na výkresochOverview of figures in the drawings

Spôsob diaľkovej detekcie plynných látok v atmosfére systémom DIAL s dvomi lasermi a diaľkový detektor plynných látok v atmosfére podľa tohto vynálezu je zobrazený na obrázku priloženého výkresu.The method of remote detection of gaseous substances in the atmosphere by a DIAL system with two lasers and a remote detector of gaseous substances in the atmosphere according to the invention is shown in the accompanying drawing.

Príklady uskutočneniaExamples of embodiments

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu vynálezu je opísané riešenie spôsobu diaľkovej detekcie plynných látok v atmosfére systémom DIAL s dvomi lasermi podľa tohto vynálezu. Spôsob diaľkovej detekcie je aplikovaný na diaľkovom detektore plynných látok v atmosfére. Založený je na tom, že laserový zväzok generovaný prvým laserom dopadá na polopriepustné zrkadlo, kde 50 % výkonu laserového zväzku prechádza cez polopriepustné zrkadlo a postupuje cez prvú apertúru smerom k terču a zároveň sa zostávajúcich 50 % výkonu laserového zväzku odráža od polopriepustného zrkadla, dopadá na totálne reflexné zrkadlo, od ktorého sa odráža a je smerované cez druhú apertúru k tomu istému terču. S oneskorením spúšťaný laserový zväzok generovaný druhým laserom dopadá na polopriepustné zrkadlo, kde 50 % výkonu laserového zväzku prechádza cez polopriepustné zrkadlo, dopadá na totálne reflexné zrkadlo, od ktorého sa odráža a je smerované cez druhú apertúru k tomu istému terču a zároveň sa zostávajúcich 50 % výkonu laserového zväzku odráža od polopriepustného zrkadla a postupuje cez prvú apertúru smerom k tomu istému terču.In this example of a specific embodiment of the subject of the invention, a solution of a method for remote detection of gaseous substances in the atmosphere by a DIAL system with two lasers according to the present invention is described. The remote detection method is applied to a remote atmosphere gas detector. It is based on the fact that the laser beam generated by the first laser hits the semi-transparent mirror, where 50% of the laser beam power passes through the semi-transparent mirror and travels through the first aperture towards the target and the remaining 50% of the laser beam power is reflected from the semi-transparent mirror. a total reflecting mirror from which it bounces and is directed through the second aperture to the same target. The delayed laser beam generated by the second laser impinges on the semipermeable mirror, where 50% of the laser beam power passes through the semipermeable mirror, impinges on the total reflective mirror from which it bounces and is directed through the second aperture to the same target and the remaining 50% the power of the laser beam reflects from the semipermeable mirror and proceeds through the first aperture toward the same target.

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia predmetu vynálezu je opísané riešenie diaľkového detektora plynných látok v atmosfére podľa tohto vynálezu, čo je znázornené na obrázku. Pozostáva z prvého lasera 1 a druhého lasera 2, pričom v priesečníku osí ich laserových zväzkov je umiestnené polopriepustné zrkadlo 3. Za polopriepustným zrkadlom 3 je umiestnené totálne reflexné zrkadlo 5 v priamom smere postupu laserového zväzku generovaného druhým laserom 2 a tiež v odrazenom smere od polopriepustného zrkadla 3 postupu laserového zväzku generovaného prvým laserom L V priamom smere od polopriepustného zrkadla 3 postupu 50 % laserového zväzku od prvého lasera 1 a postupu odrazeného 50 % laserového zväzku druhého lasera 2 je umiestnená prvá apertúra 4. V odrazenom smere od totálne reflexného zrkadla 5 postupu 50 % laserového zväzku od prvého lasera 1 a postupu 50 % laserového zväzku od druhého lasera 2 je umiestnená druhá apertúra 6. Zariadenie je doplnené o prijímač 7 odrazených laserových zväzkov.In this example of a specific embodiment of the subject of the invention, a solution of a remote gas detector in the atmosphere according to the invention is described, which is shown in the figure. It consists of a first laser 1 and a second laser 2, a semi-transmissive mirror 3 being arranged at the intersection of the axes of their laser beams. In the mirror 3 of the laser beam generated by the first laser LV in the direct direction from the semi-transmissive mirror 3 of the 50% laser beam from the first laser 1 and the reflected 50% laser beam of the second laser 2, the first aperture 4 is located. % of the laser beam from the first laser 1 and the process 50% of the laser beam from the second laser 2 a second aperture 6 is located. The device is complemented by a receiver 7 of reflected laser beams.

Priemyselná využiteľnosťIndustrial applicability

Spôsob diaľkovej detekcie plynných látok v atmosfére systémom DIAL s dvomi lasermi a diaľkový detektor plynných látok v atmosfére sú využiteľné v aplikáciách laserovej techniky.The method of remote detection of gaseous substances in the atmosphere by the DIAL system with two lasers and the remote detector of gaseous substances in the atmosphere can be used in applications of laser technology.

Claims

PATENT CLAIMS

A method for remote detection of gaseous substances in the atmosphere by a DIAL system with two lasers, characterized in that the laser beam generated by the first laser impinges on a semipermeable mirror, where 50% of the laser beam power passes through the semipermeable mirror and passes through the first aperture the remaining 50% of the power of the laser beam is reflected from the semipermeable mirror, impinges on the total reflecting mirror from which it is reflected and is directed through the second aperture to the same target; the delayed laser beam generated by the second laser impinges on the semipermeable mirror, where 50% of the laser beam power passes through the semipermeable mirror, impinges on the total reflective mirror from which it bounces and is directed through the second aperture to the same target and the remaining 50% the power of the laser beam reflects from the semipermeable mirror and proceeds through the first aperture toward the same target.

A remote detector of gaseous substances in the atmosphere by a DIAL system with two lasers, characterized in that it consists of a first laser (1) and a second laser (2), a semi-transparent mirror (3) being arranged at the intersection of the axes of their laser beams; a total reflective mirror (5) is arranged behind the semipermeable mirror (3) in the forward direction of the laser beam generated by the second laser (2) and also in the reflected direction from the semitransparent mirror (3) of the laser beam generated by the first laser (1); a first aperture (4) is located in a direction directly from the semi-transparent mirror (3) of the 50% laser beam process from the first laser (1) and the reflected 50% laser beam process of the second laser (2); a second aperture (6) is located in the reflected direction from the totally reflecting mirror (5) of the 50% laser beam process from the first laser (1) and the 50% laser beam process from the second laser (2).