Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор лидарных систем, применяемых для мониторинга окружающей среды и в научных исследованиях 15
1.1. Общие требования к лазерным источникам для мобильных лидарных систем. 15
1.2 Применение электроразрядных эксимерных лазеров при зондировании прозрачных сред 17
1.2.1. Основные особенности эксимерных лазеров 17
1.2.2. Функции электроразрядных эксимерных лазеров в лидарных системах различных типов 18
1.3. Лидары с фиксированной рабочей длиной волны 19
1.3.1. Лидары для измерений аэрозолей 19
1.3.2. Лидары для измерений влажности на основе СКР-метода 20
1.3.3. Океанические лидарные системы (OLS) для измерений в приповерхностном слое воды 21
1.3.4. Лидары для изучения водного слоя методом обратного рассеяния 25
1.4. Лидары с плавной перестройкой рабочей длины волны 25
1.4.1. OLS-лидары для измерений нефтяных пленок и фитопланктона методом «спектральных образов» 25
1.4.2. Флуоресцентные лидары для измерений атомов (ионов) в верхней атмосфере 26
1.5. Лидары использующие метод дифференциального поглощения (DIAL) 30
1.5.1. Лидары для зондирования атмосферного озона 32
1.5.2. Лидары для измерений параметров атмосферных газов 36
1.5.3. Лидары для зондирования газообразных примесей в атмосфере 40
Глава 2. Лазерная аппаратура мобильной лидарной системы (МЛС) 42
2.1. Электроразрядный XeCl-лазер 43
2.1.1. Базовая модель лазера 44
2.1.2. Модификация резонатора 48
2.1.3. Оптимизация режимов разряда эксимерного лазера. 49
2.1.4. Подготовка разрядной камеры и ресурсные испытания 52
2.2. Узкополосный лазер на красителях 54
2.3 Блок удвоения частоты 56
Глава 3. База исходных данных для выбора параметров лидара 58
3.1. Цель разработки 58
3.2. Лидарное уравнение 58
3.3. Выбор основных атмосферных загрязнителей для мониторинга с помощью МЛС 60
3.4. Предельно-допустимые концентрации веществ-загрязнителей в атмосфере. Сечения рассеяния и поглощения для зондирующего излучения 61
3.5. Модель «чистой» атмосферы 70
3.6. Выбор основных технических характеристик узлов и элементов лидарной системы 71
3.7. Алгоритмы оценки сигналов и соотношений сигнал/шум 73
3.8. Возможности применения лидарной системы в различных экологических ситуациях 77
Глава 4. Особенности конструкции мобильной лидарной системы 81
4.1. Концепция подхода к разработке мобильной лидарной системы 81
4.2. Компоновка лидарного модуля и его оптическая схема 81
4.3. Основные подсистемы МЛС 85
4.3.1. Телескоп и сканирующее зеркало 85
4.3.2. Светоприемная аппаратура 89
4.3.3. Подсистема управления, регистрации и сбора данных 90
4.3.4. Транспортное средство 94
Глава 5. Дистанционные измерения диоксида серы 96
5.1. «Традиционное» применение лидарного зондирования SO2 в атмосфере 96
5.2. Лидарные измерения, моделирующие применение МЛС в чрезвычайных ситуациях 97
5.2.1. Особенности лидарного зондирования при значительных локальных выбросах диоксида серы 97
5.2.2. Требования к параметрам моделирующего объекта 98
5.2.3. Установка для генерации диоксида серы 99
5.2.4. Результаты модельных измерений концентрации диоксида серы 99
Глава 6. Модельные дистанционные измерения атомарной ртути в атмосферном воздухе 108
6.1. Возможные аварийные ситуации приводящие к выбросу паров ртути в атмосферу 108
6.2. Установка для генерации ртутных паров и схема экспериментов 109
6.3. Результаты дистанционного измерения содержания атомарной ртути в атмосфере 110
Глава 7. Расширение диагностических возможностей лидарного модуля. Анализ и рекомендации 114
7.1. Рассматриваемые схемы применения мобильного лидарного модуля (МЛМ) на основе эксимерного лазера в лидарных системах для научных и экологических исследований 114
7.2. Применение оптического тракта МЛМ для измерений фоновой солнечной радиации в УФ-области спектра 120
7.2.1. Актуальность проведения измерений яркости неба в УФ-области спектра 120
7.2.2. Схема измерений фонового свечения неба 121
7.2.3. Результаты измерений 122
7.2.4. Выводы и рекомендации 127
Заключение
Литература
- Океанические лидарные системы (OLS) для измерений в приповерхностном слое воды
- Алгоритмы оценки сигналов и соотношений сигнал/шум
- Результаты модельных измерений концентрации диоксида серы
- Рассматриваемые схемы применения мобильного лидарного модуля (МЛМ) на основе эксимерного лазера в лидарных системах для научных и экологических исследований
Введение к работе
Актуальность работы. Мокиторирование газообразных загрязнений в атмосфере является проблемой первоочередной важности в современном мире из-за быстрого ухудшения экологических условий. Для Российской Федерации и других стран СНГ деятельность в этой области обусловлена значительным содержанием загрязнений в атмосфере над промышленными и городскими районами, а также высокой вероятностью промышленных аварий, сопровождающихся выбросами токсичных веществ.
Эффективными, но сравнительно редкими системами оперативного контроля окружающей среды, служат лидарные системы. Лазерная аппаратура является определяющей частью любой лидарной системы. Эта аппаратура определяет круг решаемых задач и должна удовлетворять набору требований предъявляемых при эксплуатации в полевых условиях.
Одним из наиболее значительных достижений ' современной электрофизики явилось создание электроразрядных эксимерных лазеров, которые широко применяются при создании лидарных систем как з качестве самостоятельных источников зондирующего излучения, так и для оптической накачки лазеров на красителях. В ряде случаев, таких как изучение озонового слоя, эксимерные лазеры являются практически единственным источником зондирующего излучения. Одним из наиболее эффективных способов использования эксимсрного лазера является его применение в лидерах дифференциального поглощения (DIAL- Differential Absorption Lidar) предназначенных для мониторинга техногенных газообразных примесей. Однако, такие системы являются технически сложными и цорогостсящтш -дам зарубежных лидарных систем колеблется or 1млн. до 1.5млн долларов США. Оптимизация электрофизических характеристик эксимерных лазеров и 'создание на их осіюве мобильных DIAL-систем с использованием отечественных (в том числе космических) технологий является актуальной проблемой Нсследование перспептийности применения разработанной
лидарнои системы в условиях чрезвычайных ситуаций, является важной
составляющей диссертационной работы. Другой составляющей
диссертационной работы, обеспечивающей её "актуальность, является
возможность модифицировать созданную DIAL-систему в
специализированную аппаратуру для экологических и научных измерений.
Целью работы являлась разработка концепции DIAL-лидара на основе электроразрядного эксимерного лазера, позволившая создать компактную мобильную систему, способную проводить мониторинг газообразных атмосферных примесей не только в нормальных условиях, но и в чрезвычайных ситуациях. При этом конструкция и составные части системы должны обеспечивать возможность трансформировать лидар в аппаратуру для различных экологических и научных исследований. Также целью работы было проведение модельных экспериментов (на примере ртути и диоксида серы) демонстрирующих перспективность использования созданной лидарой системы в условиях промышленных аварий и пожаров, сопровождающихся выбросами токсичных веществ в атмосферу.
Новизна работы. Типичный подход к созданию существующих мобильных лидаров заключается в использовании идеи «передвижной лаборатории», то есть размещение аппаратуры лабораторного типа внутри автофургона, являющегося неотъемлемой частью лидара. Такая конфигурация лидаров накладывает ряд ограничений на их применение, а также на возможность их модификации для решения других задач.
Новым подходом в данной работе явилось создание автономного лидарного модуля на основе компактного электроразрядного эксимерного лазера. Модуль включает в себя источник зондирующего излучения, оптическую систему с устройством сканирования и светоприемную аппаратуру. Модуль был создан как автономная система в составе лидара, смонтированная на жесткой ферме в виде моноблока, который может быть доставлен к месту измерений различными транспортными средствами. При этом применялись отдельные узлы и элементы, которые были первоначально
спроектированы для работы в жестких условиях эксплуатации в космосе и прошли испытания в соответствии с требованиями националмък космических -стандартов. Гибкость лидарной конфигурации дает возможность трансформировать ее в специализированную систему, например, для геофизических и научных исследований.
Практическая ценность работы. В настоящее время в Росийской Федерации, не смотря на ухудшающуюся экологическую обстановку и высокую вероятность промышленных аварий, не хватает средств дистанционного оперативного контроля окружающей среды. Созданная мобильная лидарная система может найти широкое применение для монкторцрования газообразных токсичтатя продуктов в атмосфере няд промышленными и городскими зошми. Автономный лидарный модуль входящий в состав DIAL-лидара делает особенно актуальным её применение в зоне чрезвычайных ситуаций(при пожарах, промышленных авариях и т.д.). Благодаря гибкости конфигурации лидарной системы и набору, *ев характеристик, она может найти применение для различных экологических и научных исследований не только в РФ, но также и в других странах.
Шд92кши?аіщ»вдшьцла-2аішгіь
-
Разработка концепции лидара и методический подход к определению основных проектных параметров мобильной лидарнной системы (в том числе определение необходимых характеристик лазерной аппаратуры, приемной оптической системы, светоприемной аппаратуры, а также эксплуатационных характеристик, к которым относятся габариты, масса, энергопотребление, время развёртывания в рабочее состояние и др.).
-
Мобильный лидарный модуль на основе олектроразрядного эксимерного лазера для дистанционного определения загрязнений атмосферы газообразными примесями.
3 Конструктивные особенности мобильного лидарного модуля, позволяющие решить вопросы минимизации гаСзрнтов, массы и энергопотребления с сохранением необходимой жесткосги конструкции а совокупносги с
требуемыми для таких оптических систем возможностями союстировхи
оптических агрегатов и элементов, з также обеспечение необходимых
кинематических параметров подвижных частей. 4. Результаты модельных экспериментов (на примере ртути и диоксида серы) демонстрирующих перспективность использования созданной лидарой системы в условиях промышленных аварий и пожаров, сопровождающихся выбросами токсичных веществ в атмосферу. 5 Методика оценки реальных диагностических возможностей созданной
лидарной системы. Сравнение проектных и реальных технических
характеристик.
Апробация результатов работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах ИЯС РНЦ «Курчатовский Институт», Международной конференции по экологическому мониторингу окружающей среды ( Даллас, США, 1996 г.), Международных европейских симпозиумах по контролю за окружающей средой (Мюнхен, Германия, 1997 г., Таллинн, Эстония, 1997 г.), Международном симпозиуме по мониторированию атмосферы и системам регистрации (Бостон, США, 1998 г.), Международном семинаре (Шпиц, Швейцария, 1999 г.). Презентация работы состоялась в г.г. Милан, Лечо, Бари, Италия, 1999 г.. Мобильная лидарная система получила Диплом на Международной выставке «Человек, Город и Окружающая Среда», Москва, 1998 г. и Премию имени ЇІВ.Курчатова за лучшую работу 1998 г. в области инженерных разработок Курчатовского института (Основная премия).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Содержание работы изложено, на 135 страницах текста, включает 53 рисунка и 11 таблиц.
Океанические лидарные системы (OLS) для измерений в приповерхностном слое воды
Флуоресцентные лидары для морских исследований (OLS - Oceanographic Lidar System) применяются, в основном, для решения двух групп задач: (і) дистанционный экологический мониторинг приповерхностного слоя акватории (наличие техногенных загрязнений сырой нефтью и нефтепродуктами, оценки толщины и поперечных размеров пятен, определение типа загрязнителя; (и) детектирование фитопланктона используя флуоресценцию его пигментов - в основном - хлорофилла а.
В свою очередь, последний из этих методических подходов может быть использован как в биологических исследованиях (оценка биомассы планктона), так и при проведении гидрографических исследований; в этом случае пигменты фитопланктона служат маркерами, дистанционная регистрация которых флуоресцентными методами позволяет исследовать гидрографические процессы (течения, внутренние волны и т.п.).
Используемая диагностическая техника, схемы постановки экспериментов, методы интерпретации данных определяются в случае применения OLS характерными особенностями спектров флуоресценции природных водоёмов. Образец спектра флуоресценции сравнительно чистой морской воды, взятый из работы [29] показан на рис. 1.3. Прежде всего, следует в этом спектре отметить присутствие пика "неупругого рассеяния" (несмещённая компонента на длине волны возбуждения, то есть А,ЕХ = 308 нм) связанная с рассеянием на молекулах воды и гидрозолях. Пик на А344 нм связан с эффектом спонтанного комбинационного рассеяния (СКР); при возбуждении XeCl-лазером и сдвиге первой стоксовой компоненты равном 3400 см"1 этот пик имеет максимум Хскр « 344 нм. Наличие пика СКР может осложнить регистрацию флуоресцентного излучения в той области спектра флуоресценции на которую этот пик накладывается, что следует учитывать при выборе длины волны возбуждения. С другой стороны, СКР-излучение удобно использовать в качестве "внутреннего репера" при калибровке интенсивности регистрируемых спектров [30]. Это излучение можно использовать для дистанционного измерения плёнок нефти и нефтепродуктов [29, 30] на поверхности воды; типичный диапазон толщин плёнок при таких измерениях составляет -0.1-10 мкм [29]. Технические характеристики флуоресцентных лидаров (FLS) приведены в табл. 1.2. см. [31].
Широкая бесструктурная полоса флуоресценции с максимумом на 420 нм связана с присутствием в природной воде (особенно в прибрежных районах) растворённых органических веществ (РОВ). Максимум пика флуоресценции хлорофилла а (основного пигмента фитопланктона) приходится на длину волны 685 нм. Спектры излучения различных сортов сырой нефти при возбуждении излучением ХЕХ = 308 нм имеют вид, подобный показанному на рис. 1.4 ([29]); выделение вклада этого широкополосного излучения из регистрируемого спектра флуоресценции морской воды оказаться довольно затруднительным. Таким образом, эксимерный XeCl-лазер может быть применён в качестве излучателя океанического лидара при зондировании приповерхностного слоя воды. Экологический мониторинг морской поверхности требует использование более сложной методики зондирования, описание которой дано в п. 1.4.1. Если задача ограничивается изучением распределения фитопланктона на водной поверхности, то можно использовать другую лидарную систему, также основанную на применении излучателя с фиксированной длиной волны, например, проводить возбуждение флуоресценции второй гармоникой Ш:УАО-лазера. Такой подход был применен при создании бортовой лидарной системы Airborn Oceanic Lidar (NASA) -см. [32].
Лидары с фиксированной рабочей частотой применяются в океанологических исследованиях, как правило, в самолётном (вертолётном) варианте для использование селективного возбуждения флуоресценции природных и антропогенных веществ в приповерхностном слое воды.
Детальное описание работы, в которой с помощью самолётного лидара решались, в основном, гидрографические задачи, дано в работе [26]. Источником зондирующего излучения служил Nd:YAG лазер с удвоением частоты (A-L = 532 нм). Система AOL (Airborne Oceanographic Lidar) была установлена на самолёте NASA Р-ЗА; с её помощью проводилось зондирование океана, в основном, в области шельфа. Сигналы обратного рассеяния демонстрируют, например, термическую стратификацию; разделение на слои с различными отражательными свойствами хорошо заметны на полученных лидарных профилях.
Алгоритмы оценки сигналов и соотношений сигнал/шум
Анализ адекватности выбора характеристик лидара поставленной задаче производится по следующей схеме. Предполагается, что на расстоянии R расположен интервал AR (AR « R) содержащий исследуемый загрязнитель со средней концентрацией n(R), а остальные участки трассы этого загрязнителя не содержат. Информация о n(R) определяется разностью числа фотоэлектронов, полученных при зондировании на длинах волн Х.оп и /W, то есть сигнал S равен А/УРЕ=Л РЕ(А,0Й )-ЛГРЕ(Х,ОП)- Для оценок сигналов используют соотношение (3.2), учитывая, что в нашем случае поглощение исследуемым веществом мало по сравнению с единицей: NPE(Xon)/NPE{X0ff) = 1 - AAWMAff) «1 - 2xnAaxAR, (3.5) следовательно, S 2 nAo AR N?E(Kfd- (3.6)
Источником шумов в данной схеме анализа считаются флуктуации тока фотокатода. Поскольку используется разность двух сопоставимых по величине сигналов, то шум %JY « [ 2ЛГРЕ(АОЙ)3 , а соотношение сигнал/шум можно оценить по формуле: S/JY [2N?E(koif)]m xnAaxAR. (3.7)
Улучшить соотношение S/ yV можно применяя серии зондирующих импульсов, так как S/ yV fti}12 где fh - число используемых пар импульсов. Практические ограничения на достижение требуемых значений S/ /V накладывают: (і) - ресурс работы активной среды лазера на красителях ( 105 импульсов); (іі) - число серий (направлений зондирования) необходимых для получения 2D- или ЗБ-распределений концентрации загрязнителя в исследуемом районе. Число таких .серий для получения распределения должно составлять 10 - 20, то-есть величина f)b в серии практически не должна превышать значения в несколько тысяч пар импульсов.
Оценки отношения сигнал/шум по схеме, рассмотренной выше, основаны на использовании соотношения (3.7). Для вычисления входящей в это выражение величины ЛРЕ( ОЙ) перепишем соотношение (3.1) в виде: Nm(AoS) = №m(Aoff)-a!C-AR-7 l-K. (3-8) Здесь Ок = пъ тк , вычисляемое для 7=288 К; значение ґі берется из табл. 3.5; К - эффективность регистрации для приемной системы. Обозначения технических параметров и их численные значения даны выше. Величина К оценивается в соответствии с выражением: К = Сі-гА-г6-г9-кт-ц, (3.9) где Q - телесный угол, вычисленный при R = 1 км и диаметре зеркала телескопа 0р = 0.4 м. Численное значение D равно 1.26 10" ср.
Используя значения параметров, содержащиеся в приведенных выше таблицах 3.3 - 3.5, получим для X « 254 нм значение получаемого на фотокатоде числа электронов М Е(А,0Я) = 584 ф.э.
Для ртути при лидарных измерениях естественно выбрать в качестве концентрации атомов п наименьшее из значений ПДК, приведенных в табл. 3.1, а именно ПДК СС (п = 300 нг/м3). Величина Асг в этом случае равна a(A,on) . Сечение (даваемое в практически удобном виде) равно ат = 9.2-10"6 м2/нг. Интервал AR выбран равным 10 м. Величина п Д т AR, входящая в формулу (3.6), при перечисленных выше значениях параметров равна 2.76-10"2, а отношение сигнал/шум составляет S/ /V 1 (точнее -0.94). Для получения отношения S/ yV = 10 достаточно использовать всего по 100 импульсов излучателя на каждой из двух рабочих длин волн.
Таким образом, выбранные технические характеристики разрабатываемого лидара позволяют ( при отсутствии внешних источников шума) проводить измерения концентрации ртути с пространственным разрешением AR=10 м при значении п равном ПДК СС. Соответственно диагностические возможности создаваемой DIAL-системы удовлетворяют требованиям, сформулированным на стадии разработки предложений по проекту.
При полевых измерениях концентрации диоксида серы пространственное разрешение AR = 10 м требуется прежде всего в таких ситуациях как мониторирование выбросов промышленных предприятий, например, шлейфов ТЭЦ, работающих на серосодержащем органическом топливе. Практика применения DIAL-систем в таких ситуациях показывает, что концентрацию! SCb непосредственно в шлейфах может составлять величину 1мг/м3 (см. рис.3.8, взятый из работы [66]). Это значение является близким к величине ПДК MP для диоксида серы, то есть п = 0.5 мг/м (см. табл. 3.1). Эта величина заметно превышает использованное выше значение концентрации ртути, но следует отметить, что параметр Аа для SCb значительно ниже. Поэтому в данном случае величина поглощения п Аа AR = 4.9 10"3, что меньше чем величина того же параметра для рассмотренного выше случая ртути.
Число регистрируемых при 2 = /t0ff фотоэлектронов М Е(Л Й), напротив, в случае SCh больше, что обусловлено, в первую очередь, более высоким пропусканием атмосферы Ут, в принятой модели (см. табл. 3.3 и 3.4). Оценка, проведенная с использованием формулы (3.8) даёт Afa Aoff) = 1450 фотоэлектронов; статистический шум на фотокатоде составляет в данном случае tJY 54 ф.э. при использовании пары зондирующих импульсов. Значения величины сигнал/шум как функции от числа пар импульсов даны в табл. 3.6. Проведенные оценки демонстрируют доступность измерений концентрации диоксида серы при плотностях порядка ПДК MP в том числе и при получении пространственных карт загрязнения и проведении оценок выброса SO2 в атмосферу конкретным источником загрязнения.
Результаты модельных измерений концентрации диоксида серы
После однопроходных измерений генератор размещался на крыше здания. Одна из первых серий лазерных измерений выполненных методом DIAL приведена на рис. 5.2. Измерения были проведены при практически полном отсутствии ветра.
При сопоставлении полученного значения n(r) dr с данными, приведенными на рис. 5.1., следует учесть, что приведенные на рис. 5.2. значения являются результатом усреднения по интервалу At=36 сек.
Работа системы регистрации, использующей оцифровку сигналов фотоумножителя с помощью АЦП, проверялась независимо следующим образом. Сигналы с выхода фотоумножителя подавались на широкополосный осциллограф (f„ 50 МГц) с экрана которого производилась съемка сигналов обратного рассеяния с помощью видеокамеры. После этого записанные сигналы вводились в ЭВМ. Обработка данных производилась независимо от программ обработки, которые используются в штатной системе сбора и обработки информации. Полученные точки для параметра n(r)dr показаны на рис. 5.3. Для сопоставления на этот рисунок нанесена кривая M(R) с предыдущего рисунка.
Следующая серия измерений иллюстрирует влияние ветра на характер распределения концентрации диоксида серы вдоль линии зондирования. Ветер не менял направления и имел заметную компоненту скорости вдоль оси трубы. Скорость ветра в течение экспериментов увеличивалась и достигла стационарного значения. Сигналы обратного рассеяния на ON И XOFF (результат усреднения по 100 импульсам, получены в ходе эксперимента, которому был присвоен #5 - см. рис. 5.4.(а,б) очень хорошо совпали с данными, полученными в ходе следующего эксперимента (#6). Для сравнения показаны кривые рэлеевского рассеяния (рис. 5.5.). Видно, что энергии лазерного излучения Еоп и E0fr выровнены с хорошей точностью. В начальной стадии измерений (при малой скорости ветра) были получены сигналы обратного рассеяния на длинах волн А,оп и A,0ff (рис. 5.6.(а,б -"#2"). Более заметное поглощение в эксперименте #2 по сравнению с соответствующими кривыми рис. 5.4. (эксперимент #5) можно видеть еще до детальной обработки этих сигналов. Результаты соответствующих оценок распределений вдоль линии наблюдения величин n(r) (r)dr и п(г) для диоксида серы приведены на рис. 5.7. Другие проведенные в этот день результаты занимают промежуточное положения между данными экспериментов #2 и #5 (6).
Как показывают приведенные рисунки 5.2. и 5.7., разработанная лидарная система, использующая при измерениях принцип дифференциального поглощения, позволяет надежно фиксировать локальные концентрации диоксида серы, превышающие значение ПДМ РЗ, а также регистрировать концентрации S02, приближающиеся по величине к значению ПДК MP, т.е. к значению концентрации диоксида серы n(SCb) = 0.5 мг/м3. При обработке регистрируемых сигналов обратного рассеяния, использовалась программа, требующая пониженной частоты повторения зондирующих лазерных импульсов (fi»6 Гц). При штатной частоте работы лазерной системы (fL«25 Гц) используемые серии зондирующих импульсов, то есть 50 и 100 пар on/off, могут быть реализованы за 4 и 8 секунд соответственно и, таким образом вполне удовлетворяют требованиям, предъявляемым к проведению почти «on-line» измерениям атмосферного загрязнителя.
Рассматриваемые схемы применения мобильного лидарного модуля (МЛМ) на основе эксимерного лазера в лидарных системах для научных и экологических исследований
Прежде всего, требуется ответить на нередко задаваемый вопрос о возможности мониторинга разработанным лидаром газообразных атмосферных загрязнителей, отличных от "контрольных" веществ, т.е. от SO2 и Hg . Переход к другим газообразным примесям сводится с технической точки зрения к следующим операциям: а) замена раствора органического красителя в лазере, б) смена интерференционного фильтра. Кроме того, в программе обработки заменяется значение параметра AO"=GON- 7OFF- Следует отметить, что "контрольные" загрязнители выбраны, в частности, исходя из соображения, что их регистрация является одним из наиболее технически сложных случаев применения методики DIAL. Для сравнения можно рассмотреть, например, регистрацию основного загрязнителя атмосферы над Московским регионом, а именно - оксида азота, источником которого являются транспортные средства. Поскольку резкий рост автотранспорта в Москве и других крупных городах РФ продолжается, то задача мониторинга окислов азота в условиях мегаполиса является крайне актуальной. В частности, именно транспортные средства являются (при неблагоприятных метеорологических условиях) основным источником выбросов загрязнителей в атмосферу, приводящих к образованию фотохимического смога.
Для дистанционного зондирования NCh с помощью методики DIAL используют спектральную область 440-460 нм ([45,72]). Так, в работе [45] значения / ON и OFF составляли 458.2 и 456.8 нм, а в [72] они равнялись 448.1 и 453.6 нм соответственно. Для этого спектрального диапазона существуют эффективные органические красители, например, кумарины. В работе [72] в качестве активной среды был применен раствор красителя кумарин-2. В данном случае не требуется применять удвоение частоты для получения рабочих длин волн, что позволяет использовать более высокие энергии зондирующего импульса. Следует отметить, что в работе [72] для проведения измерений методом DIAL в качестве источника накачки лазера на красителях был использован эксимерный лазер фирмы Lambda Physik (модель EMG 201 VSC) с частотой повторения импульсов равной 80 Гц. В этой работе была также продемонстрирована возможность одновременной регистрации концентраций NCh и N0 по схеме, показанной на рис. 7.1. Рабочая длина волны Х448.1 нм выбрана в качестве А,оп при зондировании NCh. Её" вторая гармоника А,224.05 нм служит X,0fr при регистрации NO. Аналогично длина волны А,453.6 нм служит A,0ff для NCh, а вторая гармоника ( 226.8 нм) является Хоп при регистрации NO. Состав аппаратуры созданного МЛМ позволяет проводить зондирование окислов азота в соответствии с описанной схемой, но необходимо добавить второй канал регистрации световых сигналов рассеяния.
Следует отметить одну конструктивную особенность разработанного МЛМ описанную в 4 главе. Традиционным подходом к разработке мобильных лидаров является фактически оборудование мобильной лаборатории (укрепление стен и пола автофургона, размещение аппаратуры на вибрационно-изолированных оптических скамьях и т.п. - см., например, [66]). В противоположность этому подходу, при конструировании МЛМ был использован иной принцип: основная аппаратура (лазеры, блок ГВГ, телескоп, сканирующее зеркало, оптические фильтры, фотоумножитель) объединена в жесткий модуль "излучатель/приемник". Этот модуль может быть демонтирован из автофургона за несколько минут и затем перенесен на другое транспортное средство, либо установлен на временной измерительной позиции. Лидарные измерения могут быть выполнены с использованием подсистем управления, питания и регистрации отличными от соответствующих штатных подсистем лидара. Это обстоятельство следует иметь в виду при рассмотрении описываемых ниже возможных вариантов модификации лидаров.
Ряд научных задач, можно решать с помощью лидарной системы использующей разработанный модуль "излучатель/приемник". К числу их относится исследования атмосферной ртути, связанными с различными геофизическими процессами (геотермальными, сейсмическими, вулканическими и др. - см. [90-98]). Особый интерес представляет, в частности, проблема мониторинга активных вулканов как для предсказания извержений, так и для оценки вклада вулканической ртути в общий баланс Hg в атмосфере Земли; интерес представляет также оценка отношения поступающих в атмосферу выбросов Hg/S02 (см. [99-101]).
Лидар, использующий спонтанное комбинационное рассеяние (СКР) зондирующего излучения на газообразных примесях и атмосферных газах, является одним из возможных вариантов системы, создаваемой на базе МЛМ. Наиболее распространено дистанционное измерение концентрации атмосферных водяных паров (см., например, [27,28]) В этом случае источником зондирующего излучения служит обычно эксимерный лазер на KrF (А248 нм), что позволяет работать в "солнечно-слепой" области УФ-диапазона. Рассеяние на парах воды дает излучение на длине волны 273 нм; сигнал СКР на атмосферном азоте (Х263 нм) используется для абсолютной калибровки системы регистрации.
В данном случае модификация разработанного МЛМ заключается в следующем. Применяемый в МЛМ эксимерный лазер оптической накачки использует ХеС1 в качестве активной среды (А,ехс 308нм), однако камера эксимерного лазера допускает работу с различными активными средами, в том числе возможно применение газовой смеси, разряд в которой создает эксимерные молекулы KrF. В детекторной части лидара необходимо использовать два фотоумножителя с интерференционными фильтрами на Х263 нм и Х,273 нм. Соответственно АЦП должен иметь два независимых канала регистрации. Ввиду близости длин волн СКР азота и воды вместо интерференционных фильтров может оказаться целесообразным применить малогабаритные монохроматоры или полихроматор. Изменения в оптической схеме связаны с необходимостью вывода пучка излучения, генерируемого эксимерным лазером, на кварцевую призму, направляющую пучок на сканирующее зеркало. В рассматриваемом случае стоимость модификации в рамановский лидар весьма мала по сравнению со стоимостью МЛМ. Кроме того, технически несложно вернуться к прежней конфигурации лидара, т.е. к использованию методики дифференциального поглощения.
Флуоресцентные пидоры представляют собой широкий класс устройств; отдельные флуоресцентные лидарные системы (ФЛС) могут заметно отличаться своими подсистемами регистрации и обработки сигналов, а также решаемыми конкретной системой задачами. Однако, конфигурация излучателей в основном однотипна: импульсно-периодический лазер оптической накачки, плавно перестраиваемый по длинам волн лазер на красителях; если требуется работать в УФ-области спектра, излучатель имеет в своем составе блок удвоения частоты.
При лидарных измерениях тропосферных атомов флуоресценция не играет существенной роли, так как доминируют безызлучательные переходы при соударениях с молекулами атмосферы. Однако, в верхней атмосфере наблюдение флуоресценции атомов и ряда однозарядных ионов служит эффективным методом изучения естественных примесей на больших высотах. Продемонстрирована также возможность применять ФЛС для зондирования искусственных облаков, создаваемых в верхней атмосфере с помощью ракетных химических выбросов (см., например, [7,38,42,43], где описаны эксперименты по зондированию бариевых облаков).
Следует отметить, что при зондировании искусственных облаков в верхней атмосфере в качестве электроразрядного лазера накачки был применён ХеС1-лазер, «Сезон» впервые описанный в работе [7]. Внешний вид этого лазера показан на рис. 1.6 и 1.7. Этот лазер послужил прототипом эксимерного лазера ЭЛИ-94, ставшего, в свою очередь, базовой моделью для лазера накачки в составе МЛС.
Наиболее важной естественной примесью исследуемой с помощью ФЛС являются мезосферные атомы натрия; натриевый слой располагается в диапазоне высот 80-100 км. Обзор экспериментов по зондированию верхней атмосфере с помощью ФЛС содержатся в работе [38]. Важным требованием к ФЛС для зондирования атомов является малая спектральная ширина линии зондирующего излучения. Поскольку это условие выполнено для разработанного МЛМ, то это лидар может быть применен в качестве ФЛС для детектирования атомов в верхней атмосфере. Более того, возможность зондировать объект попеременно на А,оп и A,0ff расширяет возможность исследования искусственных облаков, так как при использовании химических выбросов может образовываться большое количество аэрозолей.
Другую группу флуоресцентных лидаров представляют собой системы для морских исследований; для них принят термин OLS (Oceanographic Lidar System). Они применяются, в основном, для решения двух групп проблем: а) дистанционный мониторинг приповерхностного слоя акватории с целью определить наличие загрязнений сырой нефтью и нефтепродуктами; б) детектирование фитопланктона используя флуоресценцию его пигментов, в основном - хлорофилла а [102]. Во время экспедиции, описанной в этой работе, в качестве XeCl-лазера накачки применялась несколько упрощенная модель описанного выше эксимерного лазера «Сезон». Реальные спектры флуоресценции морской воды имеют сложную природу и располагаются в широком спектральном диапазоне. Это означает, что подсистема регистрации применяемая в OLS должна реализовать разложение в спектр, многоканальное детектирование флуоресцентного излучения, а также иметь отличное от МЛС программное обеспечение. С другой стороны, возможность излучателя МЛМ осуществлять перестройку излучения в широком спектральном диапазоне, позволяет применять его для реализации наиболее эффективного метода идентификации загрязнителей в приповерхностном слое воды. Методика многоволнового зондирования заключается в следующем. При каждом значении Хт длины волны излучателя (из некоторого фиксированного набора ) измеряют полный спектр флуоресценции. Результаты измерений можно представить в виде матрицы, в которой парам А,т, A-FLU ставится в соответствие определенное значение интенсивности флуоресцентного излучения 1(А,т, A-FLU)- Данные могут быть также представлены в виде набора линий равной интенсивности в системе координат A,T/A,FLU- По таким наборам ("подписям") можно идентифицировать загрязняющие вещества (см., например, [33,34,103-105]). Такой вариант методики получил название TLS-метода (Total Luminescence Spectroscopy). Такие лидары располагают обычно на борту НИС.
Описанные выше диагностические возможности МЛМ и пути модификации этого лидара не исчерпывают всех вариантов его использования, но дают достаточно полное представления о возможных путях применения созданного МЛМ.
