SU1515896A1

SU1515896A1 - Способ дистанционного измерени концентрации водорода в атмосфере

Info

Publication number: SU1515896A1
Application number: SU874319570A
Authority: SU
Inventors: С.А. Крикунов; А.Л. Суровегин; И.А. Шабалин
Original assignee: Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского
Priority date: 1987-10-22
Filing date: 1987-10-22
Publication date: 1992-05-30

Abstract

Изобретение относитс к дистанционному лазерному зондироважда. Целью изобретени вл етс увелкчерше дальности зондировани и повьшение точности .. Способ заключаетс в синхронном и соосном облучении атмосферы узконаправленным лазерным иэл чением на четьфех частотах: д х 1 fn ) t- Изобретение относитс к дистанционному лазерному зондированию и может быть использовано дл реп)ени геофизических задач. Целью изобретени вл етс ув личс- ние дальности зондиропанм и попьпислне точности. На чертеже показано устроЛпро, реализующее способ. Устройство содержит излучатель 1, выполненный в виде мощного иепере- страиваемого лазера с частотой v . тшлузаемьт с помо х-ью лазеров. При зтсм разиосп; частот Q ц - Ng ..дают с ч стотам комбинационно- эктипнмх пг рсходо соответственно во- дор . Д и ., Упруго рассе нное tta- излучение с выделенного участка трассы собираетс приемной оптикой лидара на входной щели спектрального прибора, с выхода которого излучени с частотами у , - j Op поступают в систему регистрации, где преобразуютс соответствующие злектрические сигналы Uy, u, u. пропорциональные световым сириалам на этих частотах (Ру гт| РГ ) значени м этих вели- Ч1)н вычисл ют искомую концентрацию g Изобретение обеспечивает дистанцион- регистрацию концентрации водорода в атмосфере при одновременном повы- гаении чувствительности и точности определени и учитьгоает флуктуацию мощности излу ателей и вариацию параметров атмосферы, ответствеи1тьтх за не- рег онансное излучение. I ил. (Л Изл;/чателн 2, 3, 4 представл ют собой перестраиваемые по частоте лазеры с частотг ми YX, Jp, и Vp соответственно . С помощью дихроичных зеркал 5, 6, 7 и поворотной призмы 8 излучение от излучателей 1-4 соосно направл етс в выходной телескоп 9, формирующий узконаправленный пучок, посылаемый синхронно на четырех частотах исследуемую область атмос- фе ры, сл ел 00 ;о СГ)

Description

3I 515896

Рассе миос с атмосфере итиучонме принимаетс приемным трлескопом 0, оптически согласованным с полихрома- Topobf I I , на выходе которого иы чел - , ютс частоты 0 , „ и N . Оптические сигналы на этих частотах регистрируютс и обрабатываютс су(стемой 12 регистрации и обработки оптических сигналов.10

Значени частот -излучений, г вне- рирусмых перестраииаемымн лазерными

источниками определ ютс из соотношений

15

h(, - Jg) - u Е,,

h(, - 5s) &F,

-,. где h - посто нна Планка;

UP, - энерги колебательного пе- 20 рехода водорода;

- энерги колебатального обертона азота.

Частота излучени Vrr, выбираетс между частотами - и- .

Вследствие пьтужденного комбинационного рассе ни на молекулах водорода и азота в поле сильного излучени с частотой 5 , вл ющегос стоксо- вой компонентой, происходит ослабле- 30 ние излучений с частотами и v .

Процесс индуцированного поглощени эллетсп вынужденным комбинационным ослаблением. Его основным преимуществом по сравнению с процессом вынужден-35 ного комбинационного усилени , суть которого состоит в усилении излучени на стоксовой частоте и регистрации этого усилени , вл етс отсутствие на частотах , - t т которых 40 происходит регистраци полезной информации , помех, создаваемых флуоресценцией атмосферы под-воздейстпием мощного излучени с частотой Vg , .

Эта широкополосна флуоресценци 45 атмосферы orpaHjniHBaeT предел обнаружени ее микрокомпонент по спектрам комбинационного рассе ни на уровне концектраций 10-100 части7д на миллион

части) основных компонент,JQ

Креме того, полное сечение процессов вь нужденного комбинационного ос- na6nev:HH и усилени при плотноЛ х мо1цнос:ти лазерного излучени , ости- жимых на трассах длиной до 1 км 55 ( -10 ), превьтает среднее дифференциальное.сечение сионтаичого комбинационного рассе ни в единичном Т€ Лесном угле в видимом диапазо

не спектра более чем в 10 ° раз при ширине спектра лазерного излучени 0,01 см- .

Нормиру мощности сигналов на частотах х и v на мощность сигнала частоты -0 , можно избавитьс от флуктуирующих козф(1)ициентов поглощени и отражени , описьшающих нерезонансные и невынужденные процессы, облегчить речгим работы системы 12 регистрации, затем, вычисл логарифм отношени нормированных сигналов, соответствую- П1ИХ моментам времени t дл начала и конца злемента пространственного разрешени uL на трассе зондировани , можно избавитьс от вариации энергии излучени на стоксовой частоте излучател I ,

Концентрацию водорода определ ют по наведенному дифференциальному поглощению на молекулах водорода и азота по формуле

In

ilL т1

N,(L- |b)

)

где Cy(L),Cr i C(L),Gj, - концентрации и сечени спонтанного комбинационного рассе ни молекул рного водорода и азота в атмосфере на рассто нии L соответственно;

c(t-to)

ь рассто ние от лазерного устройства до объема атмосферы, зондирующего в момент времени t;

t(, - врем посылки излучени в атмосферу; с - скорость света в среде; UL - пространственное разрешение по тр ссе;

N,, Np-сигналы на частотах у и Ок .

Пример определени водорода в атмосфере при фоновой концентрации водорода 0,5 частиц на миллион частиц основных компонент.

Дифференциальное сечение спонтанного комбинационного рассе ни дл Q - ветви колебаний 1,5 при облучении излучением с длиной волны Л 532 им. Дл километрового участка трассы (ЬЬ I км) возможно с учетом дифракционной расходимости создать сечение ла- зерног пучка см на этом участке трассы при мощности излучени

Р

0,01

ГВт и ширине линии генерации . При этом сечение процесса возрастает в 10 , т.е. при фоне- вых концентраци х водорода в атмосфере относительное изменение сигнала

- 2.

на километровой трассе равно 210 , Таким образом, способ обеспечивает

измерение фоновых концентраций моле-

кул рного водорода в атмосфере. Изобретение позвол ет повысить

дальность, точность и чувствительност

-отличающийс тем что, с целью увеличени дальности зондировани и повышени точности, посылку третьего и четвертого импул сов осуществл ют Синхронно с двум первыми импульсами, причем частоту четвертого импульса выбирают из усл ви совпадени разности первой и че вертой частот с колебательным оберт ном молекулы азота и значение треть частоты меньше значени четвертой ч тоты, а концентрацию водорода опред л ют по наведенному дифференциально

при измерении концентрации водорода. Одновременное проведение измерений на 5 поглощен{по на молекулах-водорода и трех частотах позвол ет исключить не- азота по формуле контролируемые изменени плотности мощности излучени при его распространении в атмосфере.

СГгФормула изобретени

5896

лению,

Ю

-отличающийс тем, что, с целью увеличени дальности зондировани и повышени точности, посылку третьего и четвертого импульсов осуществл ют Синхронно с двум первыми импульсами, причем частоту четвертого импульса выбирают из услови совпадени разности первой и четвертой частот с колебательным обертоном молекулы азота и значение третьей частоты меньше значени четвертой частоты , а концентрацию водорода определ ют по наведенному дифференциальному

5 поглощен{по на молекулах-водорода и азота по формуле поглощен{по на молекулах-водорода азота по формуле

Cv(L)(L)

G,

+ )

Способ дистанционного измерени концентрации водорода в атмосфере, включающий облучение исследуемой области атмосферы четырьм импульсами соосного узконаправленного лазерного излучени в спектральном диапазоне прозрачности атмосферы, причем два импульса излучают синхронно с разностью их частот, настроенной на комбинационный резонанс молекулы водорода, а третий импульс отстраивают по частоте от этого резонанса, регистрацию упруго рассе нного назад излучени , преобразование его в электрический сигнал , пропорциональный оптической мощности , нормировку результатов измерени дл первой пары пучков на результаты изменений дл второй пары пучков и определение концентрации водорода с учетом этой нормировки по вынужденному комбинационному ослаб

25

30

1п

N/L-)

где C,(L), G ; C(L), G r - концентрации и сечени спонтанного комбинационного рассе ни молекул рного водорода и йзота в атмосфере на рассто нии L соответственно;

L рассто ние от лазерно

30

35

0

го устройства до объема атмосферы, зондируемого в момент времени t;

t - врем посылки излучени в атмосферу;

с - скорость света в среде;

UL - пространственное разрешение по трассе;

NX и NP - сигналы на частотах к и г I где vx частота второго импульса лазерного излучени ; Nf - частота четвертого импульса.

11

10

Claims

Формула изобретения

Способ дистанционного измерения концентрации водорода в атмосфере, включающий облучение исследуемой об- ^5 ласти атмосферы четырьмя импульсами соосного узконаправленного лазерного излучения в спектральном диапазоне прозрачности атмосферы, причем два импульса излучают синхронно с разностью 30 их частот, настроенной на комбинационный резонанс молекулы водорода, а третий импульс отстраивают по частоте от этого резонанса, регистрацию упруго рассеянного назад излучения, пре- 35 образование его в электрический сигнал, пропорциональный оптической мощности, нормировку результатов измерения для пёрвой пары пучков на результаты изменений для второй пары пуч- 40 ков и определение концентрации водорода с учетом этой нормировки по вынужденному комбинационному ослаб лению, отличающийся тем, что, с целью увеличения дальности зондирования и повышения точности, посылку третьего и четвертого импуль сов осуществляют цинхронно с двумя первыми импульсами, причем частоту четвертого импульса выбирают из условия совпадения разности первой и четвертой частот с колебательным обертоном молекулы азота и значение третьей частоты меньше значения четвертой частоты, а концентрацию водорода определяют по наведенному дифференциальному поглощению на молекулах-водорода и азота по формуле

C_x(L)=C_p(L)

GV

In N,(L *rsp> ' In N_r (L + ~) .1 N/L J

где C_x(L),G_x; C_r(L), (Τ_Γ - концентрации и сечения спонтанного комбинационного рассеяния молекулярного водо рода и азота в атмосфере на расстоя нии L соответственно;

расстояние от лазерного устройства до объема атмосферы, зондируемого в момент времени t;

t₀ - время посылки излучения в атмосферу;

с - скорость света в среде;

fiL - пространственное разрешение по трассе;

N_x и N_r - сигналы на частотах О х и , где Οχ - частота второго импульса лазерного излучения; Ор частота четвертого импульса.