Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор ик лидаров дифференциального поглощения 10
1.1. Введение 10
1.2. Принцип работы лидараДП 19
1.2.1. Лидарное уравнение 22
1.2.2. Расчет концентрации газа методом МДП 26
1.2.3. Чувствительность метода МДП 28
1.2.4. Источник ошибок метода МДП 29
1.3. Лидары ближней ИК области спектра 31
1.4. Лидары средней ИК области спектра 36
1.4.1. He-Ne лидары 36
1.4.2. DF лидары 39
1.4.3. С02 лидары 41
1.4.4. NH3 лидары 55
ГЛАВА2 Основные характеристики лазерного излучателя NH3-C02 лидара 57
2.1. TEA С02 лазер 57
2.1.1. Описание разработанного TEA С02 лазера 58
2.1.2. Спектр генерации разработанного TEA СО2 лазера 62
2.1.3. Расходимость пучка разработанного TEA СО2 лазера 63
2.2. Аммиачный лазер 64
2.2.1. Обзор аммиачных лазеров 64
2.2.2. Принцип работы аммиачного лазера 71
2.2.3. Описание разработанного аммиачного лазера 77
2.2.4. Спектр генерации разработанного аммиачного лазера 77
2.2.5. Расходимость пучка разработанного аммиачного лазера 80
2.3. Двухчастотный излучатель для NH3-CO2 лидара 81
2.4. Выводы 83
Глава3 Моделирование оптических параметров атмосферного аэрозоля
В спектральном диапазоне 9-13,5 МКМ 84
3.1. Характеристики атмосферных аэрозолей 85
3.1.1. Распределение аэрозоля по размерам 86
3.1.2. Комплексный показатель преломления аэрозоля 88
3.2. Основные формулы расчета 90
3.3. Результаты и обсуждение 94
3.4. Выводы 101
ГЛАВА4 Исследование параметров nh3-c02 лидара 102
4.1. Описание лидара 102
4.2. Список детектируемых газов NH3-CO2 лидаром 108
4.3. Дальность действия лидара 113
4.4. Чувствительность лидара 121
4.5. Выводы 128
Заключение 129
Список литературы
- Расчет концентрации газа методом МДП
- Спектр генерации разработанного TEA СО2 лазера
- Распределение аэрозоля по размерам
- Список детектируемых газов NH3-CO2 лидаром
Введение к работе
Актуальность темы.
С увеличением антропогенного влияния на природу становится весьма актуальной проблема мониторинга окружающей среды. Наибольший интерес представляет контроль состояния атмосферы, поскольку через атмосферу происходит перенос основного количества загрязнений.
Одним из наиболее эффективных и необходимых инструментов зондирования атмосферы является лидар. Необходимость использования лидара состоит в том, что он позволяет измерять как параметры атмосферы, так и содержание газовых компонентов и также аэрозольных частиц в атмосфере с высоким пространственным и временным разрешением. Главным преимуществом лидарных методов зондирования является возможность оперативного мониторинга атмосферы по широкому спектру параметров с построением карт распределения измеряемых величин. Важной особенностью лидарных методов является также то, что проведение лидарных измерений не требует установки дополнительного оборудования перед проведением сеанса измерений.
Для лидарного зондирования, как правило, используется четыре типа лазеров: твердотельные (типичные представители - лазер на рубине, Nd:YAG, александрит, титан сапфир); газовые (СО2, ХеС1, N2); жидкостные (родамин 6G, кумарин, крезил фиолетовый); полупроводниковые (GaAs, GaAsP, InAs). В последнее время возник интерес к перестраиваемым лазерным диодам. Особенная привлекательность в них малые габариты и высокий КПД. Однако недостаточно высокая мощность и сравнительно широкая линия генерации, присущая им, ограничивают их использование, особенно при зондировании протяженных трасс.
Идеальный лазер для этих целей должен обладать высокой пиковой мощностью, узкой спектральной шириной и короткой длительностью импульса при малой угловой расходимости светового пучка, а также сравнительно высокой частотой повторения импульсов. Всем этим требованием в полной мере удовлетворяет электроразрядный СОг-лазер. Кроме того, привлекательность СОг-лазеров для создания на их основе лидаров обусловлена рядом принципиально важных преимуществ. Во-первых, они перестраиваются по спектру в среднем ИК диапазоне, где большое количество газов л имеет характерные (легко узнаваемые) полосы и линии поглощения. Во-вторых, спектр генерации ССЬ-лазеров попадает в окно прозрачности атмосферы 8-14 мкм.
Однако спектр излучения типичных ССЬ-лазеров - ограничен набором отдельных линий генерации (около 80) обычных (традиционных) колебательно-вращательных полос 001-100 (020) в диапазоне 9,2-10,8 мкм, что существенно сужает круг решаемых задач при их использовании во многих приложениях, связанных с резонансным воздействием излучения на вещества, в том числе и для трассового ф газоанализа, значительно сокращая список детектируемых газов. Поэтому крайне важно расширить спектр генерации СОг-лазеров предназначенных для лидарного зондирования.
Наиболее перспективным способом расширения спектра генерации СОг-лазера является создание молекулярных газовых лазеров с резонансной оптической накачкой излучением ССЬ-лазера (NH3, CF4, С2Н2 и т.д.). Среди всех лазеров этого типа аммиачный лазер, накачка которого происходит с помощью линии 9R(30) TEA СО2 лазера, является наиболее подходящим для лидарного зондирования. Во-первых, его % спектр излучения, дискретно перекрывающий спектральный диапазон 11-13,5 мкм (около 33 линии), попадает в окно прозрачности атмосферы 8-14 мкм. К тому же в этот диапазон попадают полосы и линии поглощения многих газов и загрязнителей, недоступных для зондирования с помощью СО2 лазера. Во-вторых, этот лазер обладает высоким КПД, который может достичь величин вплоть до 30% и также малой расходимостью благодаря тому, что его накачка осуществляется резонансным оптическим способом. В-третьих, ширина линии генерации - достаточно узка (2—5х 10-см-1), что улучает точность измерений методом дифференциального поглощения. Эти обстоятельства стимулировали постановку и проведение исследований, являющихся предметом настоящей работы.
Цель диссертационной работы.
Целью настоящей работы является всестороннее теоретическое и экспериментальное исследование особенностей лидара дифференциального поглощения (ДП), работающего в режиме прямого детектирования, на основе лазерного комплекса, содержащего TEA СО2 и аммиачный лазеры, направленное на создание лидарной системы для мониторинга окружающей среды в спектральном диапазоне 9-13,5 мкм. Основные задачи решаемые, при выполнении диссертационной работы:
Исследование основных характеристик NH3-N2 лазера с резонансной оптической накачкой излучением TEA С02 лазера, направленное на повышение КПД и сопоставление этих параметров с необходимыми параметрами лидарного зондирования.
Разработка и анализ оптических схем лазерного излучателя NH3-CO2 лидара дифференциального поглощения.
Теоретические исследование возможностей NH3-CO2 лидара дифференциального поглощения для зондирования типичных загрязнителей таких, как фреоны, диоксины и ядовитые вещества.
Изучение влияния различных факторов на параметры NH3-CO2 лидара дифференциального поглощения. Оценка дальности действия лидара и его чувствительности в разных условиях зондирования.
Научная новизна работы.
Предложена и реализована оригинальная оптическая схема двухчастотного излучателя NH3-CO2 лидара дифференциального поглощения. Благодаря сочетанию двух лазеров NH3-N2 и TEA СО2 предложенная схема позволяла перекрывать спектральный диапазон 9-13,5 мкм и решать проблему пространственно-временного совмещения лазерных пучков необходимых для зондирования.
Впервые проведено теоретическое исследование конкретных параметров лидара дифференциального поглощения на основе NH3-N2 лазерного излучателя: дальность действия лидара, его чувствительность и база спектральных данных, в которой содержатся все возможные спектры поглощения детектируемых газов на линиях аммиачного и TEA СО2 лазеров.
Выполнено моделирование оптических характеристик атмосферного аэрозоля на линиях аммиачного лазера в спектральном диапазоне 11-13,5 мкм и изучено их влияние на параметры предложенного NH3-CO2 лидара ДП.
Основные положения, выносимые на защиту.
Лидар дифференциального поглощения на основе TEA СО2 и аммиачного лазеров является очень эффективным для чувствительного зондирования многих газовых загрязнителей таких, как фреоны, диоксины и некоторые ядовитые вещества.
Предложенная оптическая схема двухчастотного излучателя NH3-CO2 лидара дифференциального поглощения удовлетворяет всем требованием лидарного зондирования и решает известные проблемы предыдущих лидаров такого типа (проблема пространственно-временного совмещения лазерных пучков необходимых для зондирования).
Характеристики NH3-CO2 лидара в приземном слое на линиях генерации аммиачного лазера и на линиях TEA СО2 лазера около 10,6 мкм (полоса 001-100) - соизмеримы, но в три раза меньше тех на линиях TEA СО2 лазера около 9,6 мкм (полоса 00 1-020). С увеличением атмосферной влажности до величин 90-95% характеристики NH3-CO2 лидара на линиях генерации аммиачного лазера улучаются и достигают характеристик на линиях TEA СО2 лазера около 9,6 мкм (полоса 001—020).
Дальность действия предложенного NH3-CO2 лидара меняется от 270 м до 8,3 км в зависимости от линии генерации лазера, состояния атмосферы и типа КРТ детектора (HgCdTe детектор, охлаждаемый жидким азотом или нет), причем максимальная дальность наблюдается в субарктической зимней атмосфере и минимальная в тропической атмосфере.
Измерение концентрации фреона-11 порядка 50 млрд-1 с помощью NH3-CO2 лидара можно провести на расстояниях от 2,5 до 5 км с пространственным разрешением равным 150 м.
Практическая ценность работы.
В настоящей работе впервые исследованы возможность и перспективность использования аммиачного лазера в лидарных системах. Впервые исследованы параметры лидара дифференциального поглощения в очень привлекательном спектральном диапазоне (11-13,5 мкм). К тому же предложенная и реализованная новая оптическая схема двухчастотного излучателя NH3-CO2 лидара позволяет использовать линии генерации двух лазеров NH3 и СОг для зондирования атмосферы в спектральном диапазоне 11-13,5 и 9-11 мкм, соответственно, и эффективно решать проблему пространственно-временного совмещения двух лазерных пучков, необходимых для зондирования методом ДП.
В результате диссертационной работы предложена экономичная лидарная система очень перспективная для зондирования многих опасных загрязнителей таких, как фреоны, диоксины и ряд ядовитых веществ.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием известных алгоритмов с оценками погрешностей численных решений, современным уровнем использовавшегося диагностического и измерительного оборудования, сравнением результатов, представленных в диссертационной работе, с ранее полученными данными.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы регулярно докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры общей физик МФТИ, а также на следующих конференциях: XLVIII научная конференция Московского физико-технического института "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук". —Долгопрудный. 26-27 ноября 2005 г.
International Conference on Laser and Electro-Optic, International Quantum Electronics and Laser Science Conference (CLEO/QEL-2006), Session Stand-off-sensing, Long Beach, California, USA, May 21-26,2006. XII International Conference on Laser Optics (LO'2006), Session High Power Gas Laser, St. Petersburg, Russia, June 26-30,2006.
Публикации
Содержание диссертационной работы отражено в Л работах [104, ПО, 152, 212— 216]. Из них 4 - опубликованы в центральных научных рецензируемых журналах, 3 - в тематических сборниках статей и сборниках тезисов и докладов и одно учебное пособие для студентов МФТИ по специальности "физика лазерных и ионно-плазменных технологий" (направление "Прикладные физика и математика").
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа содержит 150 страниц текста, 27 таблиц и иллюстрирована 59 рисунками. Список литературы содержит 216 наименования.
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, научная новизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту.
Первая глава диссертации носит обзорный характер и состоит из двух частей. В первой части (раздел 1.1 и 1.2) изложены основные принципы работы лидара дифференциального поглощения [1, 2]: лидарное уравнение, расчет концентрации исследуемого газа с использованием метода дифференциального поглощения (МДП), чувствительность метода МДП и источники его ошибок. Во вторую часть включен обзор ИК лидаров дифференциального поглощения, наиболее перспективных и известных для лидарного зондирования атмосферы: лидары ближней ИК области спектра (раздел 1.3) и лидары средней ИК области спектра (раздел 1.4): He-Ne, DF, СОг и NH3 лидары.
Во второй главе приведены результаты исследования основных характеристик разработанного лазерного излучателя лидара (TEA СО2 и NH3 лазеры), которые представляют интерес для лидарного зондирования (спектр генерации, ширина линии генерации, расходимость лазерного пучка, форма лазерного импульса). В этой главе обсуждаются оптические схемы лазерного излучателя лидара с автоматическим совмещением (временным и пространственным) лазерных пучков необходимых для зондирования методом ДП.
Третья глава посвящена оптическими параметрами атмосферных аэрозолей в спектральном диапазоне 9-13,5 мкм в приземном слое атмосферы. Особое внимание уделено коэффициентам обратного аэрозольного рассеяния и лидарному отношению, величины которых были оценены с использованием теории Ми. Изучено влияние различных параметров, таких как тип аэрозоля (городской, континентальный, морской), его распределение по размерам и влажность атмосферы, на эти параметры и определен интервал их величин. ^ Четвертая глава посвящена исследованию особенностей NH3-CO2 лидара ДП и его основных параметров с помощью разработанной программы моделирования, в которой были использованы все известные алгоритмы расчета лидаров и универсальные базы спектральных данных.
В заключении сформулированы в краткой форме основные результаты диссертационной работы. В конце работы помещены список цитируемой литературы и приложения, в которых приводится полный список детектируемых веществ созданной * базы спектральных данных.
Расчет концентрации газа методом МДП
Используя лидарное уравнение (1.1) для упругого рассеяния на длинах волн Я,оп и A,0ff, из отношения сигналов (Роп и P0jf) отраженной мощности на двух длинах волн можно получить следующее выражение для концентрации исследуемых молекул [1,2] где Ponoff - коэффициент обратного рассеяния атмосферы на двух длинах волн, aon 0ff коэффициент ослабления (экстинкции) атмосферы на двух длинах волн, До -коэффициент дифференциального поглощения: A T = a(Aon)-a(Aoff)=aon (T0ff (1.10) где o"(Xi)i=on,off эффективное сечение поглощения на линии поглощения (on) и вне её (off), соответственно. Для случая приземной трассы зондирования с(Х) хорошо описывается с помощью лоренцевского контура [1,2]: где S, уь - интенсивность и полуширина линии поглощения на частоте v, соответственно, которые для колебательно-вращательных линий при давлении Р и температуре Т имеют следующий вид [58,59]: где Yi, So - лоренцевская полуширина и интенсивность, определенные при температуре
Т=Т0 и давлении Р = Ро, Е" - энергия нижнего состояния, h, с, к - физические константы (h - постоянная Планка, с - скорость света, к - постоянная Больцмана), m, п -параметры температурной зависимости полуширины и интенсивности, соответственно. Значение параметра п для различных газов может изменяется от 0,5 до 1, параметр т=1 для линейных молекул и т=1,5 для нелинейных молекул. Следует отметить, что выражение (1.П) для коэффициента поглощения задано в приближении монохроматичности лазерного излучения, которое с достаточной точностью может использоваться для расчета ослабления в приземном слое атмосферы для лазерных источников с шириной линии излучения меньшей 0,05 см-1. В противном случае необходимо производить расчет о(Х) с учетом формы контура линии лазерного излучения [1,2].
Формула (1.9) показывает возможность восстановления непрерывного профиля N(R) при непрерывной записи лидарных сигналов. Однако на практике, как правило, лидарные сигналы регистрируются в виде дискретного цифрового массива данных, получаемых через равные промежутки времени At, что соответствует пространственному разрешению AR=c At/2. Тогда из (1.12) для сигналов принятых от атмосферных объектов, удаленных по трассе зондирования на расстояние R и R+AR, следует известное выражение для средней концентрации исследуемого газа в указанном интервале расстояний:
Выбор двух длин волн производится таким образом, чтобы коэффициенты обратного рассеяния и ослабления атмосферы р и а не зависили от длины волны. Поэтому спектральный интервал между двумя длинами волн должен быть так мал, чтобы можно было пренебречь слагаемыми В и ЕА в отношении (1.14-а). Тогда выражение концентрации упрощается, и получаем
Чувствительность метода МДП характеризуется минимальными значениями концентрации атмосферного газа Nmin, которые могут быть обнаружены с минимально реализуемым на практике уровнем погрешности измерений оптических сигналов. Детальное исследование чувствительности МДП можно найти в ссылках [1, 2, 3, 60]. Для оценки чувствительности метода лидарного МДП удобно пользоваться формулой, предложенной в [3], и( Ь Ао--М SNR(R) где SNR - отношение сигнал-шум на расстоянии R от лидара.
Для повышения чувствительности при заданном пространственном разрешении AR следует выбирать наиболее интенсивные линии поглощения исследуемого газа с максимальными значениями коэффициента дифференциального поглощения Аст. Это приемлемо только для МДП на длинных трассах. Для лидарного МДП ситуация другая, поскольку погрешности измерений лидарных сигналов, как правило, существенно изменяются по трассе зондирования, а следовательно вдоль нее изменяется и чувствительность лидара. В этом случае выбор наиболее интенсивных линий поглощения газа может наоборот привести к снижению чувствительности в объеме AR, удаленном на расстояние R от точки расположения лидара.
Из формулы (1.16) видно так же, что при больших отношениях сигнал-шум Nmin ограничивается систематической ошибкой лидара 5s, типичная величина которой составляет 10-20 % [61].
Чувствительность МДП в значительной степени зависит от ширины линии зондирующего лазерного излучения. С увеличением ширины линии, чувствительность МДП снижается [1, 2]. На практике следует выбрать линию поглощения, для которой отношение Аа/АХ наиболее максимально [42], где АХ= Хоп- X0ff.
Источники ошибок метода ДП Подробный анализ ошибок из данных лазерного зондирования влажности методом МДП был выполнен основоположником этого метода Счетлэндом в работе [62]. Он показал, что основными источниками погрешностей являются ошибки измерений, погрешности априорного расчета коэффициентов поглощения и изменчивость атмосферы. При этом Счетлэнд рассматривал идеализированный случай, когда ширина линии лазерного излучения полагалась пренебрежимо малой. На практике аппаратурная функция спектрального распределения мощности лазерного излучения оказывает значительное влияние на регистрируемые данные лазерного зондирования и в ряде случаев вынуждает учитывать целую гамму источников погрешностей восстановления лидарных данных. Впервые учет такого рода ошибок представлен в работах [59, 61]. В таблице 1.3 изложены основные источники погрешностей представленные в тех работах.
Спектр генерации разработанного TEA СО2 лазера
Основной задачей системы возбуждения лазера является формирование устойчивого однородного разряда. Появление даже небольших неоднородностей (типа стримера) приводит к снижению энергетических характеристик излучения и к увеличению расходимости лазерного пучка. Система возбуждения лазера, схема которой показана на рис. 2.1а, состоит из регулируемого высоковольтного источника постоянного тока (70 кВ, 2кВт), ГИНа и системы предварительной ионизации (предыонизации). ГИН состоит из высоковольтного коммутатора, накопительного конденсатора и обостряющего конденсатора. В качестве высоковольтного коммутатора применялся управляемый разрядник Р, заполненный азотом под давления 1 атм. Накопительный конденсатор С„ представляет собой набор малоиндуктивных ( 10 нГ) конденсаторов типа КНК-50-0,1 (или КНЧ-50-0,1), общая емкость которого составляет 200 нФ. Обостряющий конденсатор С0б представляет собой набор малоиндуктивных ( 10 нГ) конденсаторов типа КВИ-3-680-20 или КВИ-3-1000-16, общая емкость которого составляет 13 нФ. Предыонизация производится с помощью вспомогательного искрового разряда вне объема основного промежутка разряда. Для достижения однородной подсветки вспомогательные разряды равномерно распределяются сбоку вдоль разрядного промежутка с помощью системы дискретных электродов как показано на рис. 2.16. Данная система возбуждения позволяет формировать однородный объемный разряд в широком диапазоне концентрации газовых компонентов (СОг, N2, Не) и давления (0,6-1,2 атм). Изменение режима возбуждения происходит за счет изменения напряжения накопителя ГИН лазера и состава газовой смеси, а также иногда величины обостряющей емкости.
Измерение энергии излучения проведены с помощью калориметра ИМО-2Н, а временная форма импульса регистрировалась с помощью быстродействующего Ge детектора (Photon Drag) имевшего постоянную времени 1 не. Запись осциллограммы временной формы импульса лазера произведена цифровым запоминающим осциллографом Tektronix TDS 3032. На рис. 2.2. представлена временная форма импульса разработанного TEA СО2 лазера при следующих условиях: напряжение накопителя 36 кВ, смесь 1:1:8, давление 0,8 атм. Из рисунка видно, что импульс имеет лидирующий пик длительностью 50 не и сравнительно продолжительный "хвост" на спаде импульса до 1,5-2 мкс. Форма импульса является типичной для таких лазеров, где пик импульса обусловлен эффектом "включения усиления" (Gain Switch) активной среды, а его "хвост" связан с резонансной передачей энергии от молекул азота N2 (V=l) на уровень 00 1 молекул СОг (верхний лазерный уровень СОг лазера). Общая энергия импульса лазера составляет Еимп = 13 Дж на линии 10Р(20) (А, = 10,591 мкм), причем на долю пика включения усиления в начальном временном интервале 100 не приходилось энергия 9 Дж или 70% от полной энергии импульса. Энергия накачки составляет 130 Дж, что соответствует КПД 10 %. На линии 9R(30), используемой для накачки аммиачного лазера, энергия импульса составляет 6,7 Дж.
Перестройка длины волны лазера производилась при угловом перемещении дифракционной решетки. Для ее плавного поворота разработан специальный оптико-механический узел на основе шагового двигателя ШДА-2ФКА, который позволяет производить угловые перемещения дифракционной решетки с шагом 2 угловых секунды, т.е. для переключения между соседними линиями нужно 8 шагов.
В разработанном TEA СО2 лазере получена генерация на 85 линиях переходов 001-100 и 001-020 молекулы 12С1602, в том числе в диапазоне 9R(40)-9R(2), 9Р(2 -9Р(44), 10R(44)-10R(2) и 10Р(2)-10Р(44), который соответствует длинам волн X = 9,17-10,86 мкм. На рис. 2.3. представлены экспериментально снятые зависимости энергии импульсов лазера от длины волны на разных ветвях при следующих условиях: газовая смесь C02:N2:He =1:1:8, общее давление 0,9 атм, напряжение накопителя 36 кВ.
Расходимость лазерного пучка обычно принято измерять по размеру сфокусированного пятна излучения. В этом случае расходимость излучения определяется по известной формуле [198]: 2вь=-у (2-1) где 20L- полная расходимость пучка, d - диаметр пятна сфокусированного излучения в области перетяжки,/- фокусное расстояние оптического элемента, который производит фокусировку.
Измерение угла расходимости лазерного пучка проведено с использованием сферического отражающего зеркала диаметром 0 100 мм с фокусным расстоянием/= 1500±10 мм. При установке фокусирующего зеркала на расстоянии 3 м от лазера, где пучок заполнял большую часть зеркала, в области перетяжки на термобумаге зафиксированы практически квадратные отпечатки излучения лазера диаметром 16 мм, что соответствует расходимости 20L = 11 мрад. Следует отметить, что расходимость излучения по обеим координатам одинаковая благодаря использованию двух круглых диафрагм диаметром 40 мм внутри резонатора вблизи зеркала и решетки.
Для более точного измерения расходимости пучка измерялась энергия излучения, прошедшего через диафрагму в фокусе линзы, как функция размера этой диафрагмы. Значение расходимости определяется из соотношения (2.1). На рис. 2.4 представлены результаты измерения расходимости этим способом. Линза имела фокусное расстояние 20 см. Оказалась, что 70 % энергии TEA СО2 лазера распространяется в угле 12,5 мрад. % Сравнение расходимости лазерного пучка с дифракционной расходимости (2,44 X / d = 0,65 мрад), показывает, что разработанный TEA СО2 лазер излучает в многомодовом режиме лазерный пучок размером 40 40 мм. Отметим, что сравнение одномодовых и многомодовых зондирующих пучков при прямом детектировании, проведенное в работе [121], показало, что вариации лидарных сигналов меньше в случае использования многомодового излучения вследствие большого числа спекловых пятен на апертуре приемника лидара.
Распределение аэрозоля по размерам
В ИК области спектра на длинах волн 1 мкм атмосферный аэрозоль, в отличие от молекул атмосферы, играет доминирующую роль в рассеянии лазерного излучения, что является очень важным для лидарного зондирования. Основными оптическими параметрами аэрозоля являются объемный коэффициент рассеяния, коэффициент ослабления и индикатриса рассеяния. С помощью этих параметров можно рассчитать два важных параметров аэрозоля: коэффициента обратного аэрозольного рассеяния атмосферы и лидарного отношения. Коэффициент обратного аэрозольного рассеяния атмосферы сильно влияет на характеристики лидара дифференциального поглощения, а именно на отношение сигнал/шум (лидарное уравнение 1.1) и на точность измерения концентрации исследуемого газа (формула 1.146), особенно в областях неоднородностей аэрозольного распределения [1, 2, 42]. Величина же лидарного отношения является важным априорным значением для решения лидарного уравнения и определения профиля аэрозольного ослабления.
Профиль коэффициента обратного аэрозольного рассеяния атмосферы (Х) на линиях СОг лазера был исследован в работах [106, 204-208], причем исследования были затруднены большой неопределенностью экспериментальных данных и изменчивостью структуры аэрозолей. В работе [207] было показано, что fiK на длине волны 10,6 мкм меняется от Ю-6 м-1 ср-1 (в планетарном пограничном слое) до 10_и м-1 ср"1 (в стратосфере), однако в свободной тропосфере наблюдаются значения ftK, достигающие очень маленьких величин вплоть до 10 10 м-1 ср-1 и даже Ю-12 м-1 ср-1.
Экспериментальные исследования в работе [106] показали, что $к на линиях СОг лазера меняется от 4x10"8 м-1 ср-1 до 2x10-7 м-1 ср-1. Исследования проводились в пустынном климате на горизонтальной трассе на уровне моря. Измерения на 19 линиях в спектральном интервале от 9,2 до 10,7 мкм показали, что рл имеет два максимума: первый на линии 10R20 (10,247 мкм) и второй на линии 9Р40 (9,733 мкм).
В настоящей главе представлены основные результаты расчета коэффициента обратного аэрозольного рассеяния Дг, а также лидарного отношения в приземном слое атмосферы на линиях аммиачного и TEA СО2 лазеров. Расчеты проводились на основе теории Ми [19, 198, 209] для трёх типов аэрозолей (городского, морского и континентального) при разных величинах относительной влажности от 20% до 95%. Материалы данной главы опубликованы в работах [213,216].
Кроме газов, в атмосфере всегда присутствует аэрозоль - твердые и жидкие мельчайшие частицы веществ, взвешенные в воздухе, включая частицы пыли, тумана, дымки, облаков, кристаллы льда т.п. Диапазон размеров этих аэрозольных частиц составляет несколько порядков величин (рис. 3.1) [2].
Аэрозоли играют существенную роль в процессах формирования радиационного поля в атмосфере, процессах погодообразования и различных физико-химических превращений, связанных с загрязнениями атмосферы продуктами деятельности человека. Как известно, образование атмосферного аэрозоля предполагает одновременное существование двух процессов [20, 210]: внедрение частиц вещества извне и их генерацию внутри атмосферы из газовой фазы за счет коагуляции или конденсации паров. Важнейшей характеристикой микроструктуры аэрозоля является функция распределения частиц по размерам, их форма и показатель преломления. Естественные аэрозоли имеют форму, близкую к сфере (мало отличаются от частиц Ми), и подразделяются в зависимости от размера на три группы: мелкодисперсные (0,002-0,1 мкм), среднедисперсные (0,1-1 мкм) и грубодисперсные ( 1 мкм) частицы. Аэрозоли индустриального происхождения могут иметь форму, отличающуюся от сферической. Их размеры варьируются в диапазоне 0,1-1 мкм.
В связи с интенсивным развитием промышленности и транспорта становится весьма актуальным вопрос о вкладе аэрозоля индустриального происхождения в общее содержание атмосферного аэрозоля. По мощности выделения в атмосферу и проявляющемуся все чаще и чаще вредному влиянию на растительный и животный мир, в том числе и на человека, аэрозоли промышленного происхождения являются одной из наиболее важных компонент загрязнения воздушного бассейна.
Как известно [20, 210], атмосферные аэрозоли чрезвычайно изменчивы во времени и пространстве, поэтому не существует какой-либо одной функции распределения, которая мола бы адекватно описать все возможные типы аэрозольных частиц, встречающихся в атмосфере. Однако, трёхмодовое логнормалыюе распределение f(r) по всей вероятности, способно аппроксимировать распределения по размерам атмосферных частиц наиболее важных типов [210]
Список детектируемых газов NH3-CO2 лидаром
Предложенный лидар является биаксиальным лидаром ДП, блок-схема которого представлена на рис 4.1. Лазерный источник 1 является двухчастотным излучателем, описанным в главе 2 (2.5). Выходной коллиматор 2 формирует зондирующий пучок с заданной апертурой и расходимостью. Приемный телескоп 3 собирает оптические эхо-сигналы и фокусирует их на блок детектирования 4. В блоке детектирования 4 идёт спектральное разделение эхосигналов с помощью дихроических зеркал: ДЗ-1 отражает излучение с длиной волны Х=Ю,6 мкм и пропускает все остальные излучения, ДЗ-2 отражает излучение с длиной волны ,=9,22 мкм и пропускает все остальные излучения. Для детектирования всех длин волн спектрального диапазона 9-13,5 мкм используются три детектора: Di предназначен для детектирования линии 10R(20) СОг-лазера, D2 для детектирования линии 9R(30) СС -лазера и D3 для детектирования линий аммиачного лазера.
Угол поля зрения приемника лидара, который определяется диаметром диафрагмы ДФ (в блоке детектирования 4) и фокусным расстоянием телескопа 3 обычно превышает расходимость зондирующих лазерных пучков в 1,5 раза.
В качестве приемника лазерного излучения в 4 используются КРТ детекторы, параметры которых представлены в таб. 4.1. Детекторы представляют собой неохлаждаемые фотодиоды КРТ, оптимизированные для детектирования на разных длинах волн (производство компании VIGO System S.A.). На рис. 4.2. показаны спектральные кривые обнаружительной способности этих детекторов. Следует отметить, что типичные КРТ детекторы обычно имеют более высокую обнаружительную способность D порядка 5х 1010 см Гц0 5 Вт-1 (ФГУП НПО Орион) и даже 2x1011 см Гц0,5 Вт-1 (компания "Brimrose Corporation of America"), но эти детекторы работают с охлаждением жидким азотом, что является не очень практичным для мобильных лидаров.
Оси приемника и передатчика лидара разнесены на некоторое расстояние do (параллакс или база лидара), что уменьшает динамический диапазон лидара. При этом эффективная площадь приемника определяется геометрическим фактором лидара, который изменяется в пределах 0-1 [1, 2]. Для расчета функции геометрического фактора (ФГФ) лидара (формула 1.7) мы использовали алгоритмы, изложенные в работе [51]. На рисунке 4.3. показаны результаты расчета ФГФ лидара. Видно, что мертвая зона лидара растёт от Z = 5 до Z = 50 с увеличением поля зрения лидара от 10 мрад до 1 мрад, соответственно. ФГФ лидара была рассчитана для каждой величины поля зрения и двух величин апертуры телескопа А = 5 и А = 20. Видно, что для поля зрения 5 мрад, мертвая зона равна 10 или 40 в зависимости от величины апертуры телескопа А = 5 или А = 20 соответственно. В этом случае зона полного перекрытия лидара составляет 100 и 55, соответственно. Рисунок 4.3 соответствует рис. 7.11 в [2] страница 299.
В таб. 4.2. приведены исходные параметры рассматриваемого лидара, которые использовались в наших расчетах.
В разделе 1.4.3. был дан обзор СОг лидаров, где были приведены основные газы, детектированные им. Анализ имеющихся спектральных данных показал, что спектр генерации аммиачного лазера (11-13,5 мкм) очень привлекателен для зондирования многих важных веществ, таких как фтор- и хлорсодержащих соединений в том числе фреонов, углеводородов, оксидов азота NxOy (х 2, у 5), фторидов фосфора, аммиака, кислот HCN, HNO3, H2SO4, Н3РО4, оксидов углерода СОх (х 2), оксидов серы SOx (х 3), фосфорорганические соединения [35, 36], чрезвычайно токсичных диоксинов [201, 202] и отравляющих веществ [203, 142].
В таблице 4.3 приведены известные фреоны, спектральный диапазон, в котором имеется полоса поглощения, оптимальная линия аммиачного лазера для зондирования соответствующего фреона и сечения поглощения фреона на этой длине волны [35]. Следует отметить, что все спектры поглощения были рассчитаны на основе спектральных данных HITRAN-2000 [35] в нормальных условиях при температуре 296 К и давлении 1 атм. На рис. 4.4-4.1 приведены спектры поглощения двух типичных фреонов (фреона-11 и фреона-12) на линиях TEA СО2 лазера и аммиачного лазера. Оба фреона были зондированы с помощью СОг лидара [98] работающего на линиях полосы 10 мкм (фреон-12) и полосы 9 мкм (фреон-11). Величины сечения поглощения фреона-12 (рис. 4.6 и 4.7) таковы, что для зондирования этого фреона с высокой чувствительностью целесообразно использовать СОг лазер, однако для зондирования этого фреона на больших расстояниях лучше использовать аммиачный лазер. В случае фреона-11 (как видно из рис. 4.4 и 4.5) целесообразно использовать аммиачный лазер для зондирования этого фреона с высокой чувствительностью и СОг лазер для зондирования на больших расстояниях.
В работе [142] представлены спектры поглощения 22 ядовитых и отравляющих веществ, типа зарин, зоман, табун, V-газы и др. Спектры этих веществ подтверждают все выше сказанное относительно фреона-11 и фреона-12, т.е. аммиачный и СОг лазеры дополняют друг друга при зондировании многих веществ с высокой чувствительностью и/или на больших расстояниях.
В последнее время соединения дибензо-л-диоксинового ряда (DD), называемые также диоксинами, привлекли внимание специалистов в области химии и экологии [201, 202] из-за того, что у некоторых полихлоразамещенных дибензо-«-диоксинов (PCDD) установлена высокая токсичность. Особое внимание уделяется наиболее токсичной, среди известных диоксинов, молекуле 2,3,7,8-тетрахлордибензо-и-диоксина (fiCDD), спектр поглощения которой представлен на рис. 4.8. Из спектра видно, что в спектральный диапазон 9-13,5 мкм попадают четыре сильные полосы поглощения (отмеченные стрелками), две из которых, попадают в область генерации СОг лазера и две в область генерации аммиачного лазера.
В приложениях 1 и 2 приведен полный список детектируемых газов, спектр поглощения которых вычислен на линиях TEA СОг и NH3 лазеров, соответственно, с использованием базы данных HITRAN-2000 [35].
