SU1088468A1 - Комбинационный лидар - Google Patents

Abstract

КОМБИНАЦИОННЫЙ ЛИДАР. содержащий источник лазерного излучени , передающую оптическую систему, состо щую из передающего объектива и измерител  знергии лазерного излучени , приемную оптическую систему, состо щую из приёмного объектива, спектроанализатора и фоторегистрирующего устройства с блоком индикации, вход запуска которого св зан с выходом измерител  знергии лазерного изИзобретение относитс  к лазерной локации атмосферы и может быть использовано дл  дистанционного определени  парциальной концентрации газовых компонент атмосферы. Известно устройство дл  определени  парциальной концентрации газовых компонент атмосферы, состо щее из источника лазерного излучени , преобразователей частоты , приемно-передающей оптической системы, спектро-анализирующей и фоторегистр и рую щей системы с блоком электронной обработки сигналов. лучени , отличающийс  тем, что, с целью увеличени  чувствительности лидара , в него дополнительно введены светоделительное устройство, расположенное на выходе источника лазерного излучени  на Одной с ним оптической оси, анализатор пол ризации, вход которого св зан со спектроанализатором приемной оптической системы , а выход подключен к фрторегистрирующему устройству, и втора  передающа  система, содержаща  последовательно установленные по ходу распространени  лазерного излучени  кювету с анализируемым газом под давлением не ниже 50 атм или в сжиженном состо нии, полосовой фильтр, пол ризационное устройство и оптически св заньыес ним второй передающий обьектиь и второй измери|СЛ тель лазерной энергии, выход которого также св зан с входом запуска блока инди ,С кации фоторегистрирующего устройства приемной оптической системы, при этом обе передающие оптические системы оптически св заны со светодетельным устройством . о |00 00 Jis. Недостатком этого устройства  вл етс  О 00 низка  чувствительность. 8 возбужденном спектре комбинационного рассе ни  (СКР) содержатс  спектральные компоненты всех газов, имеющихс  в зондируемом объеме. Ввиду слабости линий и их большого числа выделение нужной спектральной линии затрудненои не всегда возможно. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому  вл етс  комбинационный лидар, содержащий источник лазерного излучени , передающую оптическую систему, состо щую из передающего

Description

обьектива и измерител  .энергиилазерного излучени , приемную оптическую систему, состо щую из приемного объектива, спектроанализатора и фоторегистрирующего устройстпа с блоком индикации, оход запуска которого св зан с выходом измерител  энергии лазерного излучени ,

Его недостатком  вл етс  очень мала  чувствительность и низка  избирательность , обусловленные малым поперечным сечением спонтанного комбинационного рассе ни  (СКР), что объ сн етс  физической природой СКР, состо щей в рассе нии света на элементарных возбуждени х среды , имеющих равновесный флуктуационный характер. Кроме того; при воздействии лазерного излучени  на исследуемый объем происходит возбуждение всего спектра СКР, всех газов, имеющихс  в исследуемом объеме. Большое число линий ц спектре СКР, их мала  интенсивность делают задачу поиска и выделени  спектра СКР исследуемого газа сложной и не всегда выполнимой. Цель изобретени  - увеличение чувствительности лидара.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в комбинационный лидар, содержащий источник лазерного излучени , передающую оптическую-систему, состо щую из передающего объектива и измерител  энергии лазерного излучени , приемную оптическую систему, состо щую из приемного объектива , спектроанализатора и фоторегистрирующего устройства.с блоком индикации, вход запуска которого св зан с выходом из мерител  энергии лазерного излуче1 И , дополнительно введены светоделительное устройство, расположенное на выходе источника лазерного излучени  на одной с ним оптической оси, анализатор пол ризации , вход которого св зан со спектроанализатором приемной оптической системы, а выход под ключен к фоторегистрирующему устройству, и втора  передающа  система, содержаща  последовательно установленные по ходу распространени  лазерного излучени  кювету с анализируемым газом под давлением ниже 50 атм или и сжиженном состо нии, полосовой фильтр, псл ризгтЦионное устройство и оптические св занные с ним второй передающий объектив и второй. измеритель лазерной энергии, выход которого также св зан с входом запуска блока индикации фоторегистрирующего устройства приемной оптической системы, при этом обе передающие оптические системы оптически св заны со светодепительным устройством .

Принцип работыданного лидара заключаетс  в том, что лазерное излучение пропускают од1 овременно по двум направлени м , пересекающимс  в исследуемом объеме пространства. За счет прохождени  части лазерного излучени  через кювету, заполненную газом, который подлежит определению в исследуемом объеме, получают стоксову компоненту вынужденного комбинационного рассе ни  (ВКР). Зондирование исследуемого объема осуществл ют одновременно лазерным излучением и излучением стоксовой компоненты ВКР.

Использование ВКР дазерного излучени  в кювете дает автоматически точн.ое выполиеиие услови  резонанса:

соп - Шк где соп - частота лазерного излучени , й)с - частота стоксовой компоненты ВКР, (Ук -колебательна  частота молекул исследуемого газа. Под воздействием двухчастотного излучени  в исследуемом объеме происходит резонансное когерентное возбуждение колебаний молекул исследуемого газа. На этих колебани х происходит антистоксовое рассе ние лазерного излучени . Сигнал рассе нного антистоксового излучени  в 10 раз : превышает сигнал СКР при прочих равных услови х. Крометого, антистоксовое излучение расположено в спектральном ди апазоне , свободном от паразитных эффектов

типа люминесценции. В спектре полученного сигнала содержитс  лишь антистоксова  компонента, полученна  при рассе нии лазерного излучени  на колебани х молекул исследуемого газа. Чтобы избавитьс  от помех , обусловленных нерезонансным взаимодействием двухчастотного излучений с другими атмосферными газами, используетс  пол ризационный фильтр. При воздействии двухчастотного излучени  с разными

направлени ми пол ризации рассе нное излучение, обусловленное резонансным и нерезонансным взаимодействи ми,/имеют также разные направлени  пол ризации.. Применение пол ризационного фильтра Дает увеличениечувствительности дополнительно еще в 10 раз.. .

Измерение концентрации исследуемого газа производитс.чИз основании соотношени  ..

la KApL: |2 ;icN2&f/-. :.

где 1а - интенсивность антистоксовой компоненты рассе нного излучени , 1л - интенcuBViocTb лазерного излучени , 1с интенсивность стоксовой компоненты ВКР, К - коэффициент, учитывающий nponycKiaние приемной оптической системы и квантовую эффективность фотоприемника, А коэффициент , учитывающий ослабление излучени  атмосферой, р - коэффициент отражени  отражающей поверхности, L - рассто ние от отражающей поверхности до приемной оптической системы, N - плотность молекул исследуемого газа, - коэффициент , определ емый кубической нелинейной восприимчивостью исследуемого газа, S - площадь зеркала приемной оптической системы. На чертеже представлена блок-схема комбинационного лидера. Комбинационный лидар состоит и,з источника 1 лазерного излучени , на выходе которого установлено светоделительное устройство 2, образующее два оптических канала. На одном из выходов светоделительного устройства 2 последовательно установлена кювета 3, заполненна  анализируемым газом под давлением не ниже 50 атм, или в сжиженном состо нии, полосовой фильтр 4, выдел ющий излучение стоксовой компоненты ВКР, и пол ризационное устройство 5. Лидар имеет две передающие оптические системы . Перва  расположена на одном из выходов светоделительного устройств.а 2 и включает измеритель энергии лазерного излучени , состо щий из плоскопараллельной пластины 6 и коаксиального фотозлемента 7, а также передающий объектив 8. Втора  передающа  оптическа  система расположена на выходе пол ризационного устрой-, ства 5 и включаеттакже измеритель энергии лазерного излучени , состо щий из плоскопараллельной пластины 9 и коаксиального фотоэлемента 10, и передающий обьектив 11, Оптическа  система состоит из приемного объектива 12 испектроанализатора 13. На выходе приемной оптической системы расположен анализатор пол ризации 14, фоторегистрирующее устройство с блоком индикации 15. вход запуска которого св зан с фотоэлементами 7 и 10 в измерител х энергии лазерного излучени  передающих оптических систем. Устройство работает следующим образом . Часть излучени  от источника 1 направл етс  светоделительным устройством 2 в кювету 3. Светоделительное устройство 2 представл ет собой полупрозрачное зеркало , дел щее лазерный луч на два пучка. Кювета 3 заполнена газом, подлежащим определению в зондируемом объеме, в сжиженном или сжатом по давлении не менее 50 атм состо нии. Термостатирование кюветы 3 осуществл етс  жиДким азотом. В кювете 3 происходит ВКР лазерного излу чени , стоксова  компонента которого выдел етс  полосовым фильтром 4. Фильтр 4 представл ет собой интерференционный фильтр. Выделенна  стоксова  компонента лазерного излучени  направл етс  в пол ризационное устройство 5. которое осуществл ет поворот плоскости пол ризации стоксовой компоненты на 45° относительно лазерного излучени . С выхода пол ризационного устройства 5-стоксовое излучение и с выхода светоделительного устройства 2 зондирующее излучение направл ютс  в две передающие оптические системы. В первую передающую оптическую систему направл етс  зондирующее излучение, а во вторую - стоксовое, которые с помощью передающих объективов 8 и 11 совмещаютс  в исследуемом объеме, который определ етс  местом пересечени  излучений. При наличии исследуемого газа в этом объеме происходит когерентное антистоксовое комбинационное расйе ние за счет когерентного возбуждени  колебаний молекул исследуемого газа под действием двухчастотного излучени . Излучение когерентного антистоксового комбинационного рассе ни  отражаетс  или рассеиваетс  отражающей поверхностью и улавливаетс  приемным объективом 12. Спектроанализатор 13 выдел ет сигнал из прин того излучени , а анализатор пол ризации 14 позвол ет отделить сигнал антистоксового рассе ни  от сигнала, обусловленного нерезонансным взаимодействием двухчастотного излучени  с атмосферой. С анализатора пол ризации 14 сигнал поступает на фоторегистрирующее устройство с блоком индикации 15, которое запускаетс  импульсами, поступающими с коаксиальных фотоэлементов 7 и 10. Измерение интенсивности лазерного и стоксового излучени  ВКР производитс  коаксиальными фотоэлементами 7 и 10, на которые отводитс  часть соответствующего излучени  плоскопараллельными пластинами 6 и 9. Дл  повышени  точности измерений и устранени  ошибок флуктуационного характера производ т измерение по нескольким импульсам. Данный лидар имеет чувствительность, в 10 раз превышающую чувствительность прототипа (при использовании поверхности с коэффициентом отражени , близким к iOO%). Вследствие резкого увеличени  иненсивности рассе нного сигнала уменьшатс  врем  наблюдени , значительно величиваетс  сротношение сигнал-шум. ак, относительна  концентраци  С02 в атосфере Пор дка 1:10 может быть измереа за врем  10 , т.е. за один импульс. Явное преимущество данного комбинайонного лидара про вл етс  при установе лидара на борту самолета или скусственного спутника Земли, что позволит с высокой эффективностью и оперативностью производить измерение фоновых концентраций газов с целью обнаружени 

мест аварий нефте- и газопроводов, прони  отравл ющих веществ. иска месторождений полезных ископаемых по локальным скоплени м сопутствующих газов, а также обнаружени  мест захороне

Claims (1)

1. КОМБИНАЦИОННЫЙ ЛИДАР, содержащий источник лазерного излучения, передающую оптическую систему, состоящую из передающего объектива и измерителя энергии лазерного излучения, приемную оптическую систему, состоящую из приёмного объектива, спектроанализатора и фоторегистрирующего устройства с блоком индикации, вход запуска которого связан с выходом измерителя энергии лазерного из-