Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Лидарныи метод дифференциального поглощения 15
1.1. Основные спектроскопические эффекты взаимодействия оптического излучения с атмосферой, применяемые в лазерном зондировании 17
1.2. Лидарный метод дифференциального поглощения 20
1.3. Анализ применения источников лазерного излучения для газоанализа атмосферы по методу дифференциального поглощения
1.3.1. Общий обзор работ по применению ИК-источников лазерного излучения для дистанционного газоанализа атмосферы по методу дифференциального поглощения 25
1.3.2. Широкодиапазонный импульсный СО-лазер в задачах лазерного зондирования атмосферы 33
1.3.3. Исследования режимов работы Sr-лазера в информативных ИК-областях спектра 1 мкм и 3 мкм 40
1.4. Краткие выводы по 1 главе 48
ГЛАВА 2 Методические аспекты лазерного газоанализа атмосферы при реализации метода дифференциального поглощения 49
2.1. Система отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне на основе метода дифференциального поглощения 49
2.1.1. Требования, предъявляемые к отбору линий поглощения 50
2.1.2. Требования, предъявляемые к расчету пропускания атмосферы 53
2.1.3. Алгоритм работы автоматизированной системы отбора лазерных линий излучения з
2.2. Результаты поиска линий излучения, наиболее пригодных для зондирования малых газовых составляющих атмосферы обертонным СО-лазером 58
2.3. Критерии потенциальных возможностей лазерного зондирования малых газовых составляющих атмосферы по методу дифференциального поглощения 71
2.3.1. Источники погрешностей метода дифференциального поглощения 71
2.3.2. Учет влияния ширины линии лазерного излучения на точность определения профилей эффективных коэффициентов поглощения 74
2.4. Краткие выводы по 2 главе 76
ГЛАВА 3 Численное моделирование дистанционного лазерного газоанализа атмосферы при реализации метода дифференциального поглощения 78
3.1. Численное моделирование дистанционного газоанализа атмосферы с помощью обертонного СО-лазера 78
3.1.1. Характеристики условий численного моделирования 78
3.1.2. Результаты моделирования дистанционного газоанализа атмосферы с помощью обертонного СО-лазера 79
3.2. Численное моделирование дистанционного газоанализа атмосферы с помощью Sr-лазера 82
3.2.1.Результаты численного моделирования дистанционного газоанализа атмосферы с помощью обертонного Sr-лазера 83
3.3. Краткие выводы по 3 главе 86
ГЛАВА 4 Результаты экспериментов по лазерному зондированию газового состава атмосферы 87
4.1. Эксперименты по лазерному зондированию газового состава атмосферы обертонным СО-лазером 87
4.2. Эксперименты по лазерному зондированию газового состава атмосферы стронциевым лазером 95
4.2.1. Результаты измерения поглощения излучения стронциевого лазера 95
4.2.2. Эксперименты по лазерному зондированию профилей влажности атмосферы 98
4.3. Краткие выводы по 4 главе 100
Заключение 102
Список литературы
- Лидарный метод дифференциального поглощения
- Требования, предъявляемые к отбору линий поглощения
- Характеристики условий численного моделирования
- Эксперименты по лазерному зондированию профилей влажности атмосферы
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Загрязнение воздуха многочисленными веществами вызывает в современном мире все возрастающее беспокойство. Сейчас практически все локальные источники загрязнений (промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство) дают вклад в явления регионального и глобального масштаба. Для успешного применения мер, направленных на уменьшение вредных выбросов, необходимо сначала научиться точно контролировать уровень загрязнений и надежно идентифицировать их источник. С этой целью следует непрерывно определять содержание в воздухе нескольких ключевых загрязняющих веществ, т.е. осуществлять их пространственно-временной количественный мониторинг. Следует отметить, что в реальности часто приходится иметь дело с невозможностью прямого отбора проб воздуха с последующим анализом в лаборатории. В этой связи становятся особенно актуальными приборы дистанционного зондирования.
В настоящее время большой интерес вызывают методы количественного газоанализа многокомпонентных смесей с помощью лазеров. Для решения задач дистанционного газоанализа атмосферы можно выделить молекулярные газовые лазеры, которые обладают развитым дискретным спектром очень узких линий генерации при достаточной интенсивности и стабильности излучения, что является безусловным их преимуществом перед другими видами лазеров при мониторинге атмосферы. Появляется вопрос - какой из лазеров является наилучшим и по каким параметрам? Чтобы ответить на этот вопрос, следует рассмотреть преимущества и недостатки основных лазерных источников, которые применяются в лидарных системах в настоящее время. Основными характеристиками являются: чувствительность и селективность детектирования конкретной газовой составляющей атмосферы, диапазон генерации, ширина линии лазерного излучения, число лазерных линий, типичный коэффициент поглощения в атмосфере и др. Следует также отметить, что для целей дистанционного лазерного газоанализа наиболее подходит средняя ИК-область спектра, так как в ней расположены основные колебательно- вращательные полосы большинства малых газовых составляющих атмосферы (МГС).
Развитие лазерной ИК-спектроскопии требует разработки и внедрения в лидарные системы новых источников излучения, способных генерировать это излучение в широком диапазоне длин волн. Немаловажным критерием является и методика, которая применяется при дистанционном газоанализе атмосферы. Среди методов лазерного зондирования атмосферы можно выделить методы, основанные на спектроскопических эффектах взаимодействия лазерного излучения с атмосферой, таких как резонансное поглощение, индуцированная лазером флуоресценция и комбинационное рассеяние.
Наибольшее распространение получил метод дифференциального поглощения (МДП), основанный на эффекте резонансного поглощения газами лазерного излучения. Из перечисленных явлений МДП обладает максимальным сечением взаимодействия, что и определяет его высокую чувствительность при зондировании атмосферы. Суть МДП заключается в том, что информация о концентрациях исследуемого газа вдоль трассы зондирования извлекается из сравнения регистрируемых лазерных эхосигналов в узком участке спектра на двух длинах волн, одна из которых находится в линии (или полосе) поглощения исследуемой газовой компоненты, а вторая расположена в области либо слабого, либо полного отсутствия поглощения. При этом длины волн зондирования должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы спектральными вариациями рассеивающих свойств атмосферы можно было пренебречь.
Современные лидары дифференциального поглощения, как правило, позволяют контролировать лишь несколько газовых компонент атмосферы. Используемые в их составе такие источники излучения, как СО2-, DF- (HF-) лазеры имеют ограниченное число спектральных совпадений линий излучения и линий поглощения атмосферных газов. При этом одновременный спектрально-временной анализ многочастотного отклика атмосферы в принципе не возможен из-за необходимости перестройки частоты излучения. В настоящее время лазерное зондирование малых газовых составляющих по МДП принципиально реализовано, однако из-за технической сложности лидаров измерения проводились только периодически.
Одной из важных задач, поставленных в работе, является задача повышения эффективности и информативности каждого измерения, решение которой возможно путем анализа методических аспектов лазерного зондирования газового состава атмосферы.
Целью работы является исследование возможностей применения ИК-источников излучения (СО- и Sr-лазеры) с использованием разработанной программно- алгоритмической системы отбора лазерных линий, пригодных для дистанционного газоанализа атмосферы методом дифференциального поглощения.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
разработка программно-алгоритмической системы отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне спектра на основе метода дифференциального поглощения;
отбор линий излучения обертонного СО-лазера и Sr-лазера, пригодных для дистанционного газоанализа атмосферы;
анализ систематических ошибок восстановления концентрации МГС атмосферы при использовании лидарного метода дифференциального поглощения;
численное моделирование дистанционного газоанализа атмосферы на выбранных линиях излучения СО- и Sr-лазеров для вертикальной трассы при реализации метода дифференциального поглощения;
эксперименты по лазерному зондированию МГС атмосферы методом дифференциального поглощения на основе экспериментально-теоретического анализа их резонансного поглощения с использованием обертонных частот излучения СО-лазера;
эксперименты по лазерному зондированию МГС атмосферы с использованием линий излучения Sr-лазера.
Научная новизна
-
-
Впервые разработана программно-алгоритмическая система отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК- диапазоне на основе метода дифференциального поглощения, которая позволяет проводить оценку эффективности лазерного зондирования атмосферы и вырабатывать требования к спектрально-энергетическим параметрам лидаров.
-
Данная система апробирована для оценки возможностей дистанционного газоанализа атмосферы с помощью обертонного СО-лазера и лазера на парах Sr.
-
С помощью численного моделирования обосновано использование обертонного СО-лазера в лидарах дифференциального поглощения для дистанционного газоанализа атмосферы на тропосферных трассах.
-
На выбранных линиях излучения обертонного СО-лазера проведены модельные лабораторные измерения по дистанционному определению поглощения метана и закиси азота при различной конфигурации схемы зондирования, в том числе и при использовании искусственной топомишени.
5. Проведены эксперименты по лазерному зондированию газового состава атмосферы с помощью созданного лидара дифференциального поглощения на основе отпаянного стронциевого лазера, с помощью которого на выбранных длинах волн проведены измерения в натурных условиях профилей влажности атмосферы.
Защищаемые положения
-
-
-
Разработанная программно-алгоритмическая система отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне на основе метода дифференциального поглощения, позволяет проводить оценку эффективности лазерного зондирования атмосферы и вырабатывать требования к спектрально- энергетическим параметрам лидаров.
-
Проведенное с помощью разработанной программно-алгоритмической системы численное моделирование показало, что при использовании лидара на основе обертонно- го СО-лазера в диапазоне высот 0-5 км при диаметре приемной оптики 0,3 м и пространственном разрешении 1 км уровень лидарных эхосигналов для всех исследуемых газов превышает уровень эквивалентной мощности шума фотоприемника NEP = 10-9 Вт.
-
Модельные лабораторные эксперименты по лазерной диагностике газового состава атмосферы обертонным СО-лазером и Sr-лазером подтвердили результат предварительной оценки эффективности применения метода дифференциального поглощения с учетом требований к спектрально-энергетическим параметрам зондирующего комплекса, рассчитанным разработанной программно-алгоритмической системой.
Научная и практическая значимость работы
Результаты, полученные в ходе выполнения численного моделирования, позволяют повысить информативность дистанционного газоанализа атмосферы по трассовой и лидарным схемам зондирования. Анализ результатов позволяет провести оценку эффективности лазерного зондирования атмосферы и вырабатывать требования к спектрально- энергетическим параметрам лидаров.
Результаты, полученные в ходе выполнения экспериментальной части работы, позволили провести взвешенный сравнительный анализ преимуществ и недостатков использования обертонного СО-лазера и Sr-лазера для спектроскопической дистанционной диагностики МГС атмосферы в сопоставлении с другими лазерными источниками.
Материалы диссертации использовались при выполнении Государственных контрактов № 16.518.11.7067, 14.518.11.7063, 02.740.11.0674, 14.740.11.0204, 11.519.11.6033. Работа поддерживалась грантами РФФИ № 07-05-00765, 09-05-99035-р-офи.
Личный вклад автора
Все результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии автора. Разработка программно-алгоритмической системы отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК- диапазоне на основе метода дифференциального поглощения, проводилась автором. Отбор лазерных линий излучения обертонного СО-лазера и Sr-лазера, пригодных для использования в дистанционном газоанализе атмосферы, и численное моделирование проводились автором. Численное моделирование лидарного сигнала при дистанционном газоанализе атмосферы в основном проводилось автором с участием научного руководителя к.ф.-м.н. О.А. Романовского. Экспериментальные измерения проводились соискателем совместно с к.ф.-м.н. А.А. Котковым, к.ф.-м.н. А.Ю. Козловым, к.ф.-м.н. Ю.М. Кли- мачевым (в лаборатории газовых лазеров ФИАН, Москва, при использовании в качестве источника излучения СО-лазера) и с к.ф.-м.н. С.И. Долгим (в лаборатории дистанционной спектроскопии атмосферы ИОА СО РАН, Томск, при использовании в качестве источника излучения Sr-лазера).
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на V, VI, VII, VIII Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Инноватика» (Томск, 2009, 2010, 2011, 2012), V Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» (Санкт-Петербург, 2009), III Всероссийской молодежной школе-семинаре с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (Москва, 2009), IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2009), III Международной научно- практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010), Международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2011), XVIII, XIX Международных научных конференциях «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии» (Новороссийск, 2010, 2011), XVI, XVII, XVIII Международных Симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2009, 2011; Иркутск, 2012), XVI, XVII, XVIII, XIX Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2009, 2010, 2011, 2012), XXV International Laser Radar Conference (2010, Russia, Saint Petersburg).
Публикации
Материалы диссертационной работы в полном объеме опубликованы в научной печати в 24 работах, в том числе в 7 статьях в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК, в 20 тезисах докладов и доложены на 19 международных и всероссийских конференциях.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации 116 страниц, включая 47 рисунков, 22 таблицы и 119 ссылок на литературные источники.
Лидарный метод дифференциального поглощения
Взаимодействие лазерного излучения с атмосферой характеризуется разными физическими процессами. В настоящее время методы лазерного зондирования основываются на таких физических явлениях, как рэлеевское рассеяние, рассеяние Ми, комбинационное рассеяние, флуоресценция, поглощение, а также дифференциальное поглощение и рассеяние. Описание используемых для лазерного зондирования методов представлено в работе [23]. Дадим характеристику каждому из этих явлений.
Комбинационное рассеяние можно рассматривать как неупругий процесс, при котором лазерное излучение вызывает переход молекулы на виртуальный уровень с последующим мгновенным (Ю-14 с) излучением фотона на длине волны, отличающейся от лазерной. Разность энергий падающего и испущенного фотонов является характеристикой рассеивающей молекулы и обычно соответствует изменению колебательного квантового числа на единицу. Поскольку сечение комбинационного рассеяния невелико, чувствительность этого метода весьма ограничена, что существенно сужает его применение. Наиболее целесообразным представляется применение комбинационного рассеяния для дистанционного исследования газовых выбросов трубами промышленных предприятий, в которых концентрации составляющих компонентов могут быть довольно высокими[23].
В том случае, когда возбуждающая частота близка к частоте разрешенного перехода, сечение рассеяния существенно (по крайней мере, в 10 раз) возрастает (резонансное комбинационное рассеяние). Однако повышение чувствительности при таком резонансном рассеянии не удается реализовать из-за сильного поглощения как падающего, так и рассеянного излучения. Отличительной особенностью этого метода рассеяния является то, что он позволяет определить отношение концентраций любого составляющего и некоторого опорного газа (например, азота) по отношению комбинационных сигналов при условии, что отношение сечений рассеяния известно.
Наиболее перспективным для зондирования атмосферы является метод, использующий рассеяние Ми. Сечения рассеяния Ми также могут быть очень большими, и даже незначительное количество рассеивающих частиц размером порядка длины волны лазерного излучения может дать сигнал рассеянного излучения, полностью перекрывающий сигналы, обусловленные рэлеевским или комбинационным рассеяниям. Поэтому данный метод позволяет зарегистрировать довольно малые концентрации частиц пыли или аэрозолей. В случае резонансного рассеяния сечение процесса может достигать больших значений. Однако затухание возбуждения при столкновениях с более распространенными компонентами атмосферы обычно приводит к тому, что сигнал становится слабым, и вследствие этого наиболее эффективно данный метод может работать для определения малых газовых составляющих в верхних слоях атмосферы[23].
При использовании молекулярной флуоресценции столкновительное затухание возбуждения молекул также оказывает вредное воздействие, приводящее к уменьшению регистрируемого сигнала. Большая ширина спектра, типичная для молекулярной флуоресценции является причиной низкого значения отношения сигнала к шуму. При этом основной вклад в шум дает фоновое излучение. В этом случае возрастание длительности флуоресценции приводит к ухудшению пространственного разрешения[23]. Для того чтобы выделить вклад поглощения интересующей нас молекулы в ослабление лазерного пучка, обычно применяется метод так называемого дифференциального поглощения. По своему значению сечение поглощения обычно существенно превышает как эффективное сечение флуоресценции, так и сечение комбинационного рассеяния. Поэтому метод измерения средней концентрации определенной компоненты, основанный на ослаблении пучка лазерного излучения фиксированной частоты, является очень чувствительным для соответствующей линии поглощения исследуемого вещества.
Метод дифференциального поглощения впервые был предложен и реализован на практике Счетлендом [1] в 1964 г. для лазерного зондирования водяного пара атмосферы. Метод основан на явлении резонансного поглощения лазерного излучения внутри контура линии поглощения исследуемого газа. Концентрация газа вычисляется при использовании сигналов на двух близких длинах волн, одна из которых находится внутри линии поглощения (on-line), а другая - вне ее (off-line). Обозначения данных длин волн - Хоп и Ч АГ- Лидары дифференциального поглощения широко применяются для измерения концентраций малых газовых составляющих атмосферы с порогом чувствительности до 1 ppb (1 млрд"1) [25]. Для зондирования этим методом всех загрязнителей необходимо несколько лазерных источников, перекрывающих широкий спектральный диапазон - от УФ- до ИК-области, что усложняет реализацию такой системы. Причем спектры поглощения большинства молекул, представляющих интерес для дистанционного зондирования, находятся в средней ИК-области спектра. Кроме того, некоторые газы имеют очень узкие линии поглощения, так что для их зондирования методом дифференциального поглощения требуются специфические перестраиваемые лазеры, которые должны иметь достаточно узкую линию излучения и высокую стабильность длины волны генерации. Как правило, при зондировании методом дифференциального поглощения используется бистатическая схема лидара. Однако при соответствующем использовании отражателей или топографических рассеивателей возможна работа более удобного моностатического лидара. Подробнее метод дифференциального поглощения рассмотрен в пункте 1.2.
В последнее время в лидарных системах широко применяется сочетание двух методов: МДП и рамановского [26]. МДП применяется для чувствительного измерения газов и рамановский метод для точного определения профилей аэрозольного рассеяния и ослабления, а также температуры и влажности на трассе зондирования с высоким пространственным разрешением.
Как уже говорилось в пункте 1.1, первые измерения с использованием лидарного метода дифференциального поглощения проводились Счетлэндом, применившим температурную «настройку» длины волны рубинового лазера на линии поглощения водяного пара. Предельная высота зондирования достигла 4,3 км. Дальнейшее развитие метода дифференциального поглощения позволило провести измерения профилей концентрации газов Н20, NO, SO2, 03 и др.[25]. На практике зондирование атмосферы с использованием дифференциального поглощения реализуется двумя способами: лидарным и трассовым.
В лидарном МДП, в качестве распределенного отражателя используются молекулы и аэрозоль в атмосфере. В данном режиме возможно дистанционное измерение профилей газовых примесей с пространственным разрешением nxAR, где AR определяется длительностью лазерного импульса т: AR=cx/2, а п 2. Лидар, основанный на использовании этого метода, называется range-resolved DIAL. Принцип реализации измерений с помощью лидарного МДП показан на рисунке 1.2а.
При реализации трассового МДП регистрируется отраженный или диффузно отраженный от различных топографических объектов сигнал (в качестве топографических мишеней могут служить либо специальные зеркальные отражатели, либо естественные топообъекты: деревья, здания, холмы и т.д.). В данном случае возможно определение с высокой чувствительностью усредненных по длине трассы зондирования концентраций газовых примесей по отдельным направлениям, соответствующим азимуту топомишеней. Принцип реализации измерений с помощью трассового МДП схематически иллюстрируется на рисунке 1.26.
Требования, предъявляемые к отбору линий поглощения
Большое число линий генерации и возможность генерации длин волн, незначительно различающихся по частоте, позволяет использовать СО-лазеры в системах контроля атмосферных загрязнений, работающих по методу дифференциального поглощения [67]. Последнее возможно при наличии двух лазеров с длинами волн, поглощение на которых в исследуемой среде существенно отличается, или одного, попеременно излучающего на соответственных частотах[67].
Применение СО-лазера, работающего в режиме переключения генерации между двумя соседними колебательно-вращательными переходами или с резонатором Якоби, позволяет осуществить измерение оптической плотности таких газов, как окись азота и пары воды [58, 67].
Однако при транспортировке лазерного излучения на большие расстояния, важным фактором становится поглощение излучения в атмосфере. Как уже упоминалось ранее, в среднем ИК-диапазоне спектра вклад в поглощение дают многие составляющие атмосферы: пары воды, углекислый газ, метан и другие. Распространение лазерного излучения с малым поглощением возможно лишь в небольших спектральных интервалах [23], т. е. в «окнах прозрачности» атмосферы. В диапазоне длин волн, соответствующем основным переходам молекулы СО, располагаются относительно узкие «окна прозрачности». Вместе с тем, довольно широкое окно прозрачности атмосферы расположено в спектральной области длин волн 3,3 - 4,0 мкм. В эту область попадают длины волн химического DF-лазера [68].
СО-лазер, действующий на первом колебательном обертоне молекулы СО, т. е. с изменением колебательного квантового числа V на 2, может работать в том же спектральном диапазоне, что и химические DF- и HF- лазеры [69, 70, 71]. Многие частоты обертонного СО-лазера испытывают сильное поглощение (ос 1 м"1). Частоты с сильным поглощением в НгО могут использоваться для нагрева сред, содержащих воду, а также обнаружения сверхмалых концентраций Н20. С другой стороны, линии излучения обертонного СО-лазера с X 3,4 мкм удобны для эффективной передачи энергии через атмосферу. Спектральный диапазон излучения обертонного СО-лазера значительно шире, а плотность линий генерации выше, чем у HF- и DF- лазеров. Доля слабопоглощаемых в атмосфере частот для обертонного СО-лазера высокая и является промежуточной в сравнении с HF- и DF-лазерами. Таким образом, обертонный СО-лазер обладает значительными возможностями для приложений в атмосферной диагностике, причем эти возможности в целом больше, чем у HF-ZDF-лазеров. При этом активная среда СО-лазера гораздо менее токсична, а количество спектральных линий у такого лазера в несколько раз больше, чем у HF-/DF a3epoB.
В работе [72] исследовались возможности обертонного СО-, HF- и DF-лазеров с точки зрения количественной спектроскопии различных атмосферных примесей. Рассчитанные в этих работах количественные параметры спектроскопического газоанализа многокомпонентных смесей (минимально обнаружимые концентрации различных веществ, парциальные селективности, перекрестные чувствительности), убедительно продемонстрировали уникальные возможности обертонного СО-лазера в спектроскопии по сравнению с HF- и DF лазерами.
В спектральной области 2,5-4,2 мкм расположены линии поглощения различных естественных и загрязняющих атмосферных компонент, например, Н20, С02, 03, СН4, N20, N02, NO, S02, HCN, NH3, H2CO, НОСІ, CH3C1, CO, HC1, HF, HBr, HI, OH, C2H2, C2H4, С2Нб, с3н6, C3H8, C6H6, C7H8, CH3OH, C2H5OH, C2H8N2 и др. (см., например [28]) , многие из которых совпадают со спектральными линиями обертонного СО-лазера. Обертонный СО-лазер может действовать на значительном количестве (более 400) спектральных линий [69, 70, 71], которые попадают в этот спектральный диапазон. При этом спектральная ширина линии излучения такого лазера может составлять 100 кГц, при нестабильности Av частоты излучения v менее 30 кГц (Av/ v 3 10"10) [17]. Кроме того, такой лазер может обладать высокими энергетическими характеристиками. Например, эффективность обертонного СО-лазера достигала 16% [73], что сопоставимо с эффективностью широко распространенных СОг-лазеров. Сочетание большого количества линий, высокой стабильности частоты излучения и малой спектральной ширины отдельной линии открывает широкие возможности по применению обертонного СО-лазера в спектроскопии [74-76]. Таким образом, обертонный СО-лазер может найти широкое применение с одной стороны в лазерной спектроскопии, с другой стороны, при транспортировке лазерного излучения на большие расстояния, при дистанционном лазерном зондировании и др.
Возможность детектирования с помощью обертонного СО-лазера различных углеводородов (метан, этилен и др.) при их относительной концентрации на уровне 10"9 (1 ppb) была экспериментально доказана в работе [77]. В работах [78, 79] исследовалась возможность детектирования в атмосфере небольших примесей формальдегида (Н2СО) (минимально обнаружимая
концентрация 2 ppb [78]), а также соотношения изотопов метана СНЦ и СКЦ (минимально обнаружимая концентрация 0,1 ppb [79]). Детектирование малых концентраций органических веществ с помощью обертонного СО-лазера нашло применение в области биологии [80-82]. Например, в [81] изучалось содержание метана и этана в выдохе человека (при их концентрации более 0,5 ppb), а также исследовалась наработка изопрена C5Hs листьями эвкалипта [80] и этана листьями огурца [82]. Кроме того, с помощью обертонного СО-лазера изучалась чувствительность ИК-рецепторов в спектральном диапазоне 2,8-3,5 мкм жуков Melanophila [83].
Характеристики условий численного моделирования
В качестве критериев потенциальных возможностей лазерного зондирования МТС по МДП обычно рассматриваются оценки либо концентрационной чувствительности по значению минимально обнаружимой концентрации исследуемой МГС [1], либо среднеквадратичных отклонений восстанавливаемых профилей концентраций [108-110].
Для оценки точностных характеристик лидара необходимо принимать в рассмотрении все погрешности методического, атмосферного, спектрального и аппаратурного происхождения. В таблице 2.7 приведены основные источники погрешностей МДП [19, 47].
Аппаратурные источники погрешностей МДП связаны как с характеристиками лазерного излучения, так и с параметрами приемной системы. Общей чертой этих погрешностей является то, что целенаправленное изменение параметров лидара позволяет полностью или частично их исключить. Таблица 2.7. Основные источники погрешностей МДП Аппаратурные Атмосферные - конечность ширины линии лазера- нестабильность длины волны лазера- «загрязнение» спектра излучениялазера- нелинейные искажения сигнала вфоторегистраторе - вариация рассеивающих свойстватмосферы . .- доплеровское уширение- температурные вариации- сдвиг линии поглощения- сигналы чисто вращательного КР- поглощение мешающими газами
Погрешности определения концентрации газа при ширине спектра лазера, равной полуширине линии поглощения газа, может достигать 40% и более. Нестабильность частоты лазера может привести к погрешности в определении концентрации газа до 30% при зондировании наземным лидаром. Погрешности, связанные с нелинейным искажением сигнала в фоторегистраторе относятся в основном к лидарным системам, содержащим фотоприемник на основе ФЭУ[111]. Также в работах [112, 113] было рассмотрено влияние аппаратурных искажений лидарных сигналов на точность восстановления профилей исследуемых газов при регистрации лазерных эхо-сигналов в токовом режиме и режиме счета фотонов. Предложены пути минимизации этих ошибок путем использования предварительно измеренных динамических характеристик используемых фотодетекторов и сжатия динамического диапазона изменения лидарного сигнала с помощью управляемых ФЭУ.
Погрешности остальных источников вызваны объективным влиянием самой среды исследования, т.е. атмосферы. Изменение параметров лидара может только частично скорректировать влияние атмосферы, но не избежать его.
На точность восстановления профилей концентраций существенное влияние оказывают пространственные вариации рассеивающих свойств атмосферы, которые определяются неоднородным распределением аэрозольных частиц по трассе зондирования. В работе Гришина и Матвиенко [114] исследовалось высотное распределение статистических характеристик коэффициента обратного рассеяния и было показано, что на достаточно протяженном участке трассы зондирования (больше 0.1 км), встречается несколько неоднородностей, что позволяет говорить о сглаживании возможных флуктуации лидарных сигналов из-за пространственных вариаций аэрозольных характеристик.
Таким образом, в случае выполнения указанных условий (длительность импульса больше 1 мкс) влияние вариаций рассеивающих свойств атмосферы на точность восстановления исследуемых газовых компонент атмосферы можно не учитывать.
Следующим фактором, оказывающим значительное влияние на точность восстановления профилей концентраций исследуемых МТС, являются ошибки задания информации об используемых спектральных параметрах линий поглощения. Значения интенсивности и лоренцевской полуширины представлены в спектральных атласах с ошибками около 10% [28]. В этом случае в качестве верхней оценки ошибки при описании линии поглощения лоренцевским контуром можно использовать значение около 12%[28]. Погрешности, связанные с доплеровским уширением могут достигать 16% [19].
При анализе потенциальных возможностей лидарных систем погрешность восстановления зондируемых МТС атмосферы определяется уровнем случайных ошибок при регистрации лидарных сигналов и величиной систематических ошибок априорного расчета профиля дифференциального коэффициента поглощения. Систематические ошибки при расчете эффективного коэффициента поглощения для лазерного зондирования исследуемых в работе газовых компонент рассмотрены в пункте 2.3.2. Случайные погрешности восстановления горизонтальных и вертикальных профилей концентраций атмосферных газов N(z) в режиме токового сигнала, возникающие за счет шумовых флуктуации в регистрируемых лидарных эхо-сигналах, определяются следующим образом [49]: где K(vuR) - рассчитанные профили коэффициентов поглощения исследуемых газов, a а], и а - относительная дисперсия регистрируемых лидарных сигналов в линии (j=0) и вне линии 0 V поглощения исследуемого газа на расстоянии R (i=l) и R+AR (і=2) от лидара, соответственно. Для токового режима регистрации лидарных сигналов, осуществляемого с помощью полупроводникового фотоприемника, установленного в приемном тракте лидара, величина а равна обратному отношению сигнал/шум и описывается как [23]:
Эксперименты по лазерному зондированию профилей влажности атмосферы
Проведены эксперименты по лазерному зондированию профилей влажности атмосферы с помощью созданного лидара дифференциального поглощения (рисунок 4.10) на основе отпаянного стронциевого лазера [119]. С его помощью на выбранных длинах волн проведены измерения в натурных условиях профилей влажности атмосферы.
В лидаре излучение Sr-лазера последовательно на линии А,оп поглощения и вне линии X,0ff через диафрагму с помощью выходного зеркала посылается на трассу. В качестве длины волны с сильным поглощением выбрана линия излучения ХоП =3.0110 мкм, а в качестве референтной X,off = 1.0917 мкм. Требуемая длина волны задается дифракционной решеткой. Длина трассы составляет 11 м (в один конец). Место расположения установки не позволило выбрать измерительную трассу большей длины. На конце трассы расположен зеркальный отражатель. Отраженное излучение собирается телескопом, собранным по схеме Кассегрена с приемным зеркалом диаметром 0.25 м. В качестве приемника используется фотодиод ФД-38. Часть излучения с помощью пластин из CaF2 отводится на пироприемник для контроля мощности излучения посылаемого в атмосферу и монохроматор МДР 204 для контроля длины волны выходного излучения.
Для контроля результатов измерений влажности использовались два психрометра, расположенные на разных концах измерительной трассы. Были проведены ряд измерений влажности. На рисунке 4.11 представлены результаты тестовых измерений влажности за 19.04.2011.
Как видно из рисунка 4.11, данные измерений двумя методами (психрометр и лидар) находятся в удовлетворительном согласии (полученные расхождения не превышают 10%). При этом расхождения в показаниях психрометров на разных концах трассы зондирования объясняются погрешностью этих приборов, которая составляет для измеренной влажности около 5,5%.
Проведены эксперименты по лазерному зондированию метана и закиси азота в смесях с азотом обертонным СО-лазером. Концентрация исследуемой газовой компоненты составляла в измерительной кювете 1%. Эксперименты проводились на информативных длинах волн зондирования данных газовых компонент, а также на соседних с данными длинами волн линиях излучения обертонного СО-лазера. Результаты экспериментов показывают хорошее соответствие рассчитанных значений с измеренными, кроме нескольких неинформативных длин волн, где значения существенно расходятся. Это расхождение может быть вызвано влиянием остаточного мешающего поглощения водяного пара в измерительной кювете.
Также проведены эксперименты по лазерному зондированию той же смеси газов с использованием трассовой схемы МДП, где в качестве отражателя использовалась искусственная топомишень. Концентрация исследуемой газовой компоненты составляла в измерительной кювете 4%. Результаты экспериментов приведены в табличном и графическом виде. Результаты экспериментов также показывают хорошее соответствие, особенно на информативных длинах волн и также в некоторых случаях есть большие расхождения расчетных и измеренных значений. Это расхождение также может быть вызвано влиянием остаточного мешающего поглощения водяного пара в измерительной кювете, либо неоднородностью рассеянного от топомишени лазерного излучения, прошедшего через среду с исследуемой смесью газов. Решена обратная задача восстановления концентраций исследуемых газовых компонент при анализе полученных в ходе выполнения эксперимента коэффициентов поглощения.
Для найденных длин волн зондирования было проведено модельное исследование поглощения парами воды излучения лазера на парах стронция. Измеренные значения хорошо согласуются с расчетными значениями.
Проведены эксперименты по измерениям в натурных условиях профилей влажности атмосферы. С помощью созданного лидара дифференциального поглощения на основе отпаянного стронциевого лазера. Измерения проводились по трассовой схеме МДП. Измеренные профили влажности лидарной установкой были сравнены с профилями влажности, которые измерялись параллельно с лидарными измерениями двумя психрометрами, расположенными на двух концах трассы, на которой проводились измерения. Результаты, измеренные двумя методами, находятся в хорошем согласии. При этом расхождения в показаниях психрометров на разных концах трассы зондирования можно объяснить погрешностью этих приборов.
Похожие диссертации на Дистанционный газоанализ атмосферы с использованием многоволновых ИК-лазеров
-
-
-
