Содержание к диссертации
Введение
1 Зондирование молекулярного водорода 10
1.1 Измерение концентрации молекул водорода 10
1.2 Экспериментальные исследования зависимости мощности КР от расстояния зондирования на лабораторной установке КР-лидара 11
1.3 Численное моделирование лидарного уравнения для зондирования молекулярного водорода в атмосфере методом КР 17
1.4 Дифференциальное поглощение и рассеяние молекулярного водорода. Численное моделирование 30
1.5 Зондирование молекулярного водорода КР- лидаром в режиме счета фотонов 38
1.6 Выводы к главе 1 42
2 Лидарные измерения концентрации молекулярного йода на флуоресцентном лидаре 44
2.1. Параметры молекулярного йода 44
2.2 Экспериментальные измерения на лабораторном ФЛ-лидаре 45
2.3 Численное моделирование лидарного уравнения для флуоресценции 49
2.4 Численное моделирование лидарного уравнения для зондирования молекулярного йода в атмосфере методом КР 53
2.5 Дифференциальное поглощение лазерного излучения молекулами йода 58
2.5.1 Измерение концентраций молекул йода лидаром дифференциального поглощения 58
2.5.2 Лабораторные измерения ДП- лидаром 60
2.5.3 Дифференциальное поглощение и рассеяние молекулярного йода. Численное моделирование 62
Выводы к главе 2 69
Лазерная система управления качеством атмосферного воздуха 71
1 Применение методов лазерного дистанционного зондирования для экологического мониторинга 71
2 Применение КР- лидара в системе управления качеством атмосферного воздуха 15
3 Молекулы загрязняющих веществ и их параметры 79
4 Численное моделирование лидарного уравнения для зондирования молекул ЗВ методом КР 81
5 Зондирование молекул загрязняющих веществ КР- лидаром в режиме счета фотонов 96
6 Зондирование из космоса загрязняющих веществ в приземном слое с концентрациями ~ 10 см" и выше в режиме счета фотонов 101
7 Пороговый режим работы ЛСУКАВ. Система предупреждения аварийных выбросов в атмосферу 106
8 Выводы к главе 3 108
Реконструкция лидарного спектра комбинационного рассеяния молекул загрязняющих веществ 110
1 Постановка задачи 110
2 Компьютерная реконструкция лидарного спектра КР смеси молекул метана и его дейтерозамещенных аналогов в газовой фазе 111
3 Компьютерная реконструкция лидарного спектра КР рассеяния молекул предельных углеводородов в газовой фазе 117
4 Выводы к главе 4 126
Заключение 127
Список использованных источников 13 0
- Численное моделирование лидарного уравнения для зондирования молекулярного водорода в атмосфере методом КР
- Численное моделирование лидарного уравнения для зондирования молекулярного йода в атмосфере методом КР
- Зондирование молекул загрязняющих веществ КР- лидаром в режиме счета фотонов
- Компьютерная реконструкция лидарного спектра КР смеси молекул метана и его дейтерозамещенных аналогов в газовой фазе
Введение к работе
Многокомпонентные газовые смеси и потоки широко распространены в
природе и играют важную роль во многих современных технологиях.
Аэрокосмическая техника и двигателестроение, атомная энергетика и
метеорология, химические технологии и охрана окружающей среды, а также
многие другие области используют законы газодинамики таких смесей. При
исследовании многокомпонентных газовых смесей и потоков важную роль
играют экспериментальные методы, так как информация, полученная опытным
'ф путем, в большинстве случаев является необходимой в качестве исходных
данных для проведения дальнейших исследований параметров газовых смесей . или их более детального изучения.
Из всего многообразия методов и измерительных систем для
исследования газовых смесей в условиях рассеяния в свободной атмосфере
были выбраны лидары различных типов, реализующие комбинационное
рассеяние света (КР), флуоресценцию (ФЛ) и дифференциальное поглощение и
рассеяние (ДПР) лазерного излучения газовыми молекулами. Эти методы
сегодня являются наиболее перспективными, так как применимость
стандартных методов для измерения концентраций молекул в газовых смесях
^. оперативно и на больших расстояниях представляется проблематичной.
Эффективное использование методов лидарных измерений для
исследования газовых смесей требует тщательной оценки потенциальных
возможностей таких лидаров, диапазона их применения в дистанционном
контроле конкретных газовых составляющих и влияния условий эксплуатации
на режимы работы лидаров. Главная задача - это правильный выбор
технической реализации оптимального метода измерения параметров газовой
ґ смеси для каждой конкретной задачи. Для этого также необходимы тщательные
исследования регистрируемых сигналов лидаром, так как в этом случае можно уменьшить погрешность измерений концентраций и повысить их достоверность.
Целью настоящей диссертации являются теоретические и экспериментальные исследования лидарных методов измерения концентраций молекул в газовых смесях.
Для этого решаются следующие задачи: -экспериментальные исследования параметров газовых молекул в измерительном объеме лидаром комбинационного рассеяния; -проведение экспериментальных исследований параметров газовых молекул лидаром дифференциального поглощения и рассеяния; -экспериментальные исследования молекул на флуоресцентном лидаре; -численное моделирование лидарного уравнения для комбинационного рассеяния, флуоресценции и дифференциального поглощения и рассеяния для построения оптимальной системы лазерного зондирования этих молекул; -анализ полученных результатов и их оценка,
-анализ возможности применения лидара комбинационного рассеяния для экологического мониторинга на промышленном объекте.
Настоящая работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников.
В первой главе приведены результаты исследования на лабораторном лидаре комбинационного рассеяния молекул водорода и измерено дифференциальное сечение молекулы Н2 на длине волны зондирования. Численное моделирование лидарного уравнения для КР и ДПР водорода позволило определить оптимальные длины волн лазерного излучения для зондирования молекул Н2 в атмосфере.
Во второй главе получены результаты экспериментальных исследований молекулярного йода на лабораторном ФЛ- лидаре и ДПР- лидаре. Результаты представлены измеренными величинами дифференциального сечения флуоресценции и сечения поглощения молекулы І2 на длине волны излучения 532 им. Выполнены численные расчеты значений мощности лидарного сигнала ДПР- , ФЛ- и КР- лидара по лидарным уравнениям для различных длин волн лазерного излучения и широкого диапазона расстояний.
В третьей главе предложен вариант лазерной системы управления
качеством атмосферного воздуха над промышленным районом на основе КР-
'щ лидара и выполнено численное моделирование лидарного уравнения для
молекул наиболее распространенных загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Рассмотрен вариант измерений концентрации зондируемого газа в атмосфере КР- лидаром из космоса в приземном слое атмосферы, работающим в режиме счета фотонов.
В четвертой главе рассмотрена компьютерная реконструкция спектра КР исследуемых молекул, по результатам которой можно измерять интенсивность изолированных линий в спектре КР этих молекул и таким образом определять концентрацию молекул в газовой смеси с более высокой точностью.
В заключении приводятся основные результаты работы.
^. В диссертационной работе получены следующие основные результаты,
представляемые к защите:
1 Измерено дифференциальное сечение комбинационного рассеяния для
молекулы водорода на длине волны лазерного излучения 532 нм на
лабораторном лидаре комбинационного рассеяния, значение которого является
постоянной величиной для исследуемой молекулы на этой длине волны.
2 Измерено дифференциальное сечение флуоресценции для молекулы
ґ йода при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм на
лабораторном флуоресцентном лидаре. Это значение дифференциального сечения флуоресценции является постоянной величиной для этой молекулы на длине волны 532 нм. Измерено сечение поглощения для молекулы йода на лабораторном лидаре дифференциального поглощения на длинах волн лазера 532 и 1064 нм, причем последняя использовалась в качестве опорной. Полученное значение сечения поглощения является постоянной величиной для этой молекулы на выбранных длинах волн.
3 Предложен вариант лидарной системы для экологического мониторинга на основании результатов выполненных экспериментов и численного решения лидарного уравнения для комбинационного рассеяния света, флуоресценции, дифференциального поглощения и рассеяния и реконструкции лидарных спектров комбинационного рассеяния исследуемых молекул.
Основные результаты настоящей работы докладывались на:
Международном Аэрозольном Симпозиуме IAS-3 (Москва, 1996 г.);
Научно-технической конференции «Лазерная технология и средства ее реализации-97» (Санкт-Петербург, 1997 г.);
Конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2000, 2001, 2002, 2003 и 2004 гг.);
Конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, в 2000,2001,2002, 2003,2004 и 2005 гг.);
Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (Санкт-Петербург, Екатеринбург, Красноярск, Москва 2001, 2002, 2003, 2004 гг.);
Второй региональной научно-технической конференции «Проблемы технической коммерческой эксплуатации транспорта» (Новороссийск, 14-16 июня, 2001 г.);
Седьмая всероссийская научно-практическая конференция «Техносферная безопасность» (Ростов-на-Дону, 2002 г.);
Международных конференциях «Прикладная оптика» (Санкт-Петербург, в 2002, 2004 гг.)
Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Кабардино-Балкария, Эльбрус, 2001 г.)
и опубликованы в работах [11,22,42,43, 62, 67, 78, 90].
Основная часть исследований была выполнена совместно с к.т.н. Шеманиным В.Г., к.ф.-м.н. Чартием П.В. под руководством д.ф.-м.н., проф. Привалова В.Е.
Соавторы публикаций, выполненных коллективно, принимали активное участие в проведении, как самих экспериментов, так и в обсуждении полученных результатов.
Особую благодарность автор выражает генеральному директору НПО «Стромэкология» Чукардину В.Е. за предоставленнуго возможность проведения экспериментов на лабораторной базе предприятия.
Численное моделирование лидарного уравнения для зондирования молекулярного водорода в атмосфере методом КР
Широкое применение лидаров дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР) в инфракрасном (ИК) диапазоне для зондирования газовых молекул в атмосфере позволяет сделать предположение о возможности их использования для дистанционного зондирования молекулярного водорода в атмосфере [27]. В ДПР- лидаре предполагается использование двух лазерных пучков, ослабление которых определяется по сигналам обратного рассеяния: одного - в максимуме линии поглощения молекулы, а второго - вне этой полосы. Информация о распределении концентрации исследуемых молекул в атмосфере извлекается из сравнения регистрируемых лидарных сигналов на этих двух длинах волн в достаточно узком спектральном интервале.
Поэтому для зондирования молекулярного Н2 в атмосфере численное решение лидарного уравнения для ДПР представляет особый интерес. Лидарное уравнение для упругого обратного рассеяния запишем, как и в [28, 29], в виде где Р(ХД) - мощность сигнала обратного рассеяния на фотоприемнике на длине волны Я І, приходящая с расстояния R , Т(Яі, R) - пропускание атмосферы на длине волны лазерного излучения и сигнала обратного рассеяния, р - коэффициент отражения топографической мишени или суммарный коэффициент упругого рассеяния Ми и молекулярного рассеяния Рэлея. Вся информация о концентрации молекул водорода содержится в сомножителе T(XL, R), который в общем случае может быть представлен в виде (8), где коэффициент ослабления k(XL, К) определяется соотношением вида [2] здесь первое слагаемое является коэффициентом ослабления атмосферы на длине волны лазерного излучения за вычетом молекул водорода, а второе -произведение концентрации молекул Н2 на сечение резонансного поглощения этих молекул. Далее, следуя идее метода ДПР [2], возьмем два лидарных уравнения типа (10) для двух длин волн лазерного излучения XL0 и, Хи причем вторая длина волны находится вне полосы поглощения Н2 и разделим одно на другое. В результате деления получим уравнение для самого общего случая ДПР в предположении о различии всех сомножителей, зависящих от длины волны Подставляя в выражение (12) соотношения для коэффициентов ослабления для обеих длин волн типа (11), перепишем окончательно уравнение ДПР в виде
Определим значения величин, входящих в уравнение (13), в нашем случае. Длина волны максимума ИК полосы для исследуемых молекул Н2 равна 2.4 мкм [30]. Согласно [19] чисто колебательный переход в молекуле водорода запрещен, а разрешены вращательные с изменением числа] на +-1. Однако в [31] отмечается, что запрещенные переходы в результате действия внешних возмущений могут стать разрешенными - индуцированными - за счет деформации двухатомных молекул при столкновениях в атмосфере. Приведенные в [31] данные по индуцированному давлением поглощению молекул азота для атмосферных условий в области основного колебания 4 мкм позволяют оценить сечение поглощения для азота при давлении 1 атм -10" см . Это минимальное значение, которое не учитывает интенсивность лазерного излучения, которая в нашем случае не меньше 1 МВт/см . Результаты исследования поглощения молекулами водорода лазерного ИК излучения в области 10.6 мкм в [32], кроме самого факта поглощения ИК молекулами водорода, позволяют оценить сечение поглощения (увеличение на 5 порядков на 1 МВт мощности) 10" см . Индуцированный электрическим полем (до 120000 В/см ) спектр ИК поглощения молекулы водорода исследован в [33] методами внутрирезонаторной спектроскопии. Поэтому в данной работе и рассматривается случай индуцированного внешним возмущением поглощения (давление и мощное лазерное излучение) в области 2.4 мкм.
Кроме того, можно экспериментально реализовать ситуацию, в которой регистрируется сумма вращательных полос подбором соответствующей полосы пропускания монохроматора лидара.
Длина волны вне этой полосы была взята равной 2.1 мкм, чтобы попасть в область прозрачности атмосферы [20]. Для экспериментальной реализации такого лидара могут быть применены импульсные твердотельные лазеры на активных элементах YAG: Сг: Ег и YAG: Сг: Но [34, 35].
Остальные сомножители в уравнении (10) имеют следующие значения: -А0 =0.008 м2, - К2 = 0.4 для длины волны 1064 нм, - пиковые мощности лазерного импульса PL- 1, 10 и 100 кВт, -расстояние зондирования R = 0.01, 0.1, 0.5, 1.0,2.0,3.0,4.0, 5.0, 6.0,7.0, 8.0, 9.0 и 10.0 км, - концентрации исследуемых молекул 1010 - 1016 см "3, - значения спектральной чувствительности лавинного фотодиода ЛФД-2 на выбранных длинах волн взяты из [13] и равны, соответственно, 0.1 и 0.05 от максимального значения на длине волны 1.4 мкм, - значения коэффициента ослабления кА- (Я К) взяты из [20], и для интересующих нас длин волн равны 0.0314 и 0.035 км 1 соответственно, - сечение резонансного поглощения молекул водорода взято из [2] и равно а0 =0.8 10"8см2, - коэффициенты отражения топографических мишеней оценены по данным [28] и взяты для уголкового отражателя - 0.3 и матовой поверхности - 0.15, а суммарный коэффициент рассеяния в атмосфере взят по данным [2] равным кг7.
Численное моделирование лидарного уравнения для зондирования молекулярного йода в атмосфере методом КР
Это показано на рисунке 12. Здесь оптимальными длинами волн лазерного излучения являются четвертая гармоника YAG; Nd лазера 266 нм, вторая гармоника лазера на парах меди 289 нм и его суммарная частота 271 нм. Причем до 2 км наилучшие результаты обнаруживаются при зондировании 12 лазером с длиной волны 266 нм, после 2 км оптимальным вариантом становится использование медного лазера с Лі = 289 нм. Для 271 нм мощность сигнала КР с расстоянием снижается значительно резче, примерно на 7 порядков.
Следует помнить, что высокая частота следования импульсов медного лазера дает возможность без потери пространственного разрешения повысить мощность КР в режиме накопления сигнала по п импульсам в п раз. При частоте следования 20 кГц и времени одного измерения 50 не можно получить со всей трассы 7.5 м 1000 значений. Дальнейшее повышение чувствительности лидара может быть достигнуто увеличением диаметра приемного телескопа, но это ведет к резкому увеличению массы и габаритов лидарной системы.
Таким образом, полученные результаты показывают возможность оптимального выбора длины волны лазерного излучения для зондирования молекулярного Йода в атмосфере на заданном расстоянии методом КР. Причем, даже в самых тяжелых фоновых условиях можно выбрать такую длину волны лазера, которая позволит зарегистрировать требуемую концентрацию исследуемых молекул.
По результатам выполненных ранее исследований различных типов лидаров [3,27,29,37,42,52], предназначенных для зондирования молекулярных составляющих атмосферы, можно предположить, что для обнаружения концентраций молекулярного йода порядка Л 10 см"3 и ниже в атмосфере наиболее предпочтительным будет использование лидара дифференциального поглощения (ДП). Это объясняется тем, что сечение поглощения значительно превышает как эффективное (с учетом тушения) сечение флуоресценции, так и сечение КР [2]. В связи с этим на основе ослабления лазерного излучения с соответствующим образом подобранной частотой можно создать чувствительный метод определения средней концентрации молекулярного йода и его изотопов в атмосфере (см. главу 1).
Рассмотрим случай с применением второй гармоники YAG: Nd лазера [42], поскольку Xi = 532 нм попадает в полосу поглощения исследуемых молекул 12 [39, 41]. Как было описано ранее вариант ДП- лидара подразумевает использование двухволнового излучателя: одна длина волны лазерного излучения попадает в центр полосы поглощения молекулы, а другая - на крыле этой полосы. Лазерное излучение вне полосы поглощения молекул йода необходимо иметь на длине волны большей 589.5 нм, соответствующей максимуму полосы флуоресценции молекул І2 [40,42]. В качестве такого излучения можно использовать, например, основную гармонику YAG: Nd лазера на длине волны 1064нм.
В общем случае основные параметры, определяющие сигнал ДП, описываются лидарным коэффициентом [58] где Х ДП- лидарный коэффициент; Go - сечение резонансного поглощения; Na - концентрация молекул; AR - толщина поглощающего слоя.
Из формулы (21) видно, что при известном значении сечения резонансного поглощения Од, можно достаточно эффективно использовать зависимость Хот Na в дистанционных измерениях концентраций молекулярных составляющих атмосферы. Поэтому и в подтверждение теоретических исследований эффективности метода ДПР для зондирования атмосферы, собран лабораторный макет ДП- лидара и исследованы зависимости ДП- лидарного коэффициента дифференциального поглощения от парциального давления йода или его концентрации в специальной кювете.
В лабораторном макете ДП лидара (рисунок 13) излучение YAG: Nd лазера 1 с импульсами длительностью 10 не и энергиями 25 мДж на длине волны 532 нм и 40 мДж - на длине волны 1064 нм направлялось в специальную вакуумную кювету 4 с окнами под углом Брюстера. Интенсивность прошедшего сквозь кювету с йодом излучения на длине волны 532 нм ослаблялось за счет поглощения в йоде [59] и через интерференционный светофильтр 6 направлялось на фотодиод 7 типа ФД - 24К. Одновременно измерялась интенсивность лазерного излучения на длине волны 1064 нм, также прошедшего сквозь кювету с йодом, и служащего в качестве опорного сигнала в дифференциальной схеме измерения. Импульсы напряжений с четырех одинаковых фотодиодов 7,9, 12 и 14 Uo U3 вводились в измерительную систему и далее записывались в ПК.
Далее были выполнены калибровочные эксперименты для измерения коэффициента передачи четырех фотоприемных модулей на ФД-24К. Для этой цели ослабленное калиброванными нейтральными светофильтрами излучение лазера на длинах волн 1064 и 532 нм направлялось на соответствующий фотодиод. Энергия лазерного импульса контролировалась с помощью измерителя ИМО-2М. Подбором коэффициентов усилителей на выходах фотодиодов были установлены коэффициенты передачи Кф = 4.52 + 0.47 мДж/В. Полученные результаты, представленные в таблице 20, позволили перейти от напряжений к энергиям импульсов, а затем к ДП лидарному коэффициенту X, значения которого также представлены в таблице 20.
Зондирование молекул загрязняющих веществ КР- лидаром в режиме счета фотонов
Для исследований объектом зондирования были выбраны самые распространенные токсичные вещества, загрязняющие атмосферу: оксид углерода СО, диоксид серы SO2, оксиды азота NOx, углеводороды CnHm. Диоксид серы S02 составляет более 95% всех техногенных выбросов серосодержащих веществ в атмосферу.
Присутствие оксидов серы в атмосфере оказывает негативное влияние на жизнедеятельность живых организмов: диоксид серы взаимодействует с кислородом воздуха с образованием SO3 и в конечном счете H2SO4. Наиболее благоприятные условия протекания этой реакции находятся в пределах озонового слоя атмосферы, где в процессе распада молекул озона на О и 02 генерируется атомный кислород. В результате в стратосфере на высоте порядка 18 км присутствует слой с высокой концентрацией SO3.
Техногенные выбросы азота в воздушную среду в основном включают оксид азота NO и его диоксид N02. Оксиды азота активно участвуют в фотохимических реакциях, продуцируя озон и азотную кислоту.
В результате обильного поступления в атмосферу диоксида серы и оксидов азота в отдельных регионах выпадают осадки, кислотность которых в 10 - 1000 раз превышает нормальную. Это приводит к деградации лесов, отсутствию плодородия у почв, к гибели не только водных организмов, но и животных и птиц, питающихся рыбой или насекомыми. К числу глобальных загрязнений биосферы следует отнести ее загрязнение углеводородами.
Почти не представляя опасности как самостоятельные загрязняющие вещества воздушной среды, углеводороды обусловливают мощность и плотность фотохимического смога. При этом в результате фотохимических реакций углеводороды образуют весьма токсичные продукты: альдегиды, кетоны и др. Метан и другие низшие алканы, такие, как этан, пропан, накапливаясь в атмосфере, влекут за собой постепенное повышение среднегодовой температуры, что является следствием «парникового эффекта».
Углеводороды - важнейшие компоненты нефти, природного газа, продуктов их переработки, широко используемые как топливо, сырье для получения многих химических продуктов и др.
Особый класс углеводородов составляют бензол и его производные, исторически получившие название ароматических соединений. Ароматические соединения поступают в атмосферу в результате выбросов и отходов промышленных предприятий, коксохимических заводов, некоторых химических заводов, выхлопов двигателей внутреннего сгорания, продуктов сжигания различных видов топлива. Особое внимание, уделяемое ароматическим соединениям, в значительной степени вызвано их канцерогенными свойствами.
Динамичное развитие нефтяной отрасли стимулирует создание новых методов и средств измерения для оперативного контроля загрязнений в атмосферном воздухе от нефтяных выбросов. В частности, выбросы углеводородов от нефтяных источников могут включать серосодержащие углеводороды, предельно допустимые концентрации (ПДК) которых на несколько порядков ниже ПДК для предельных углеводородов.
Учитывая, что критическим ингредиентом выбросов ЗВ является то вещество, для которого отношение концентрации в выбросе к ПДК (относительная концентрация) будет максимальным, серосодержащие углеводороды, входящие в состав выбросов, могут стать определяющими, поэтому их контроль особенно необходим.
Попробуем оценить потенциальные возможности лидарной системы для обнаружения рассмотренных выше молекул загрязняющих веществ с заданной концентрацией в атмосфере над промышленным районом.
Мощность регистрируемого излучения КР в направлении назад определяется лидарным уравнением (4). Численное решение лидарного уравнения колебательного КР для выбранных молекул и различных условий зондирования позволит сделать выбор длины волны лазерного излучения для получения максимальной мощности КР на фотоприемнике лидара. Для зондирования выбраны следующие длины волн лазерного излучения: 266, 355 и 532 нм - четвертая, третья и вторая гармоники YAG: Nd лазера, 347 нм - вторая гармоника рубинового лазера, 308 нм - эксимерный лазер на ХеС12. 510 и 578 нм - лазер на парах меди, 289 нм - его вторая гармоника и 271 нм - суммарная частота. По значениям собственных частот колебаний исследуемых молекул рассчитаны длины волн полос КР по уравнению (2), см. п. 1.2, для выбранных длин волн лазерного излучения. Их значения приведены в таблице 25. Дифференциальные сечения колебательного КР в направлении назад, следуя [2], для каждой молекулы и длины волны лазера определялись по известному значению сечения для длины волны излучения азотного лазера Xi = 337 нм [66-68]. Полученные значения дифференциальных сечений приведены в таблице 25.
Значения коэффициента ослабления k(X,R) для всех длин волн лазерного излучения [20, 65-69] и КР исследуемых молекул, относительных величин спектральной чувствительности фотокатодов ФЭУ [13, 14] и спектральной яркости солнечного излучения [2, 24, 25] для всех длин волн и исследуемых молекул представлены в таблице 26.
Компьютерная реконструкция лидарного спектра КР смеси молекул метана и его дейтерозамещенных аналогов в газовой фазе
Если задать время измерения, например, 1 секунду, то можно решать обратную задачу, то есть при заданном числе импульсов, посылаемых в атмосферу, определять концентрацию загрязняющих веществ по количеству регистрируемых фотонов с расстояния R (п. 1.5, рисунок 7).
В другом варианте зондирования можно задать пороговый режим регистрации фотонов, количество которых определяется концентрацией, являющейся в данном случае стандартной, фоновой или допустимой. Здесь регистрируемое отклонение от заданной концентрации характеризует реальное состояние и качество воздуха над исследуемым районом. Соответственно разработанная автоматизированная лазерная система со специальным программным обеспечением может обнаружить и ликвидировать причины возникновения этого превышения, таким образом, предотвращая аварийные ситуации и другие неблагоприятные последствия. В случаях, когда флуктуации концентрации зондируемого газа достаточно малы фотоприемники, работающие в режиме счета фотонов, имеют наибольшую эффективность в регистрации обратных сигналов. Это подтверждается расчетами.
Таким образом, результаты моделирования показывают возможность выбора оптимальной длины волны лазерного излучения для зондирования в режиме счета отдельных фотонов загрязняющих веществ в атмосфере с концентрациями, близкими к предельно допустимым значениям, и регистрации превышения концентрации над заданным уровнем в диапазоне расстояний 0,01 - 6,0 км.
Новым направлением в глобальном экологическом мониторинге является зондирование аварийных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу лидаром космического базирования. Несмотря на то, что эта проблема обсуждалась еще в [2], к настоящему времени удалось реализовать лишь аэрозольный лидар космического базирования [73]. Из возможных вариантов рассматривались также лидары дифференциального поглощения и флуоресцентный лидар [2]. Поэтому особый интерес представляет теоретическая оценка потенциальных возможностей лидара комбинационного рассеяния для обнаружения из космоса загрязняющих веществ, находящихся в приземном слое атмосферы с концентрациями молекул на уровне предельно-допустимых (10 см" ) и выше [64].
Рассмотрим численное моделирование лидарного уравнения для КР (15), дневного вертикального зондирования молекул метана (СН4) в приземном слое атмосферы с высоты от 100 до 600 км из космоса в режиме счета фотонов.
Для расчетов выбраны длины волн излучения полупроводниковых, лазеров: 419, 670, 850 и второй гармоники YAG: Nd лазера 532 нм с частотой повторения лазерных импульсов 1 МГц; пиковой мощностью лазерного импульса длительностью 10 не 1МВт и эффективной площадью приемного телескопа лидара 1,0 м2. Необходимые для расчетов параметры молекул метана приведены в таблице 29.
Дифференциальные сечения для длин волн полос КР рассчитаны по известным значениям сечения для Xi = 337 нм [74-77]. Величины спектральной чувствительности фотокатодов ФЭУ для длин волн полос КР исследуемой молекулы взяты из [15]. Пропускание атмосферы рассчитывалось по формуле (7) по значениям коэффициента ослабления k(X,R) [14, 20]. Следует заметить, что изменение коэффициента ослабления в атмосфере с высотой Н для длин волн лазерного излучения и КР молекул метана учтено в соответствии с данными [4], которые аппроксимировались функцией вида
На рисунке 34 построен график зависимости пропускания атмосферы от высоты. Как видно из рисунка, только на первых 20 км от поверхности Земли пропускание толщи атмосферы зависит от высоты, причем для длины волны КР эта зависимость слабее, чем для длины волны лазерного излучения. Остальные параметры в лидарном уравнении имели те же значения, что и в п. 3.4.
Результаты расчетов по уравнению (15) для всех высот и длин волн представлены на рисунках 35 - 37.
Как следует из рисунка 35, наименьшее время измерения наблюдается для длины волны 419 нм. При зондировании с высоты 600 км на этой длине волны время измерения составило 3552 с, а на длине волны 850 нм оно возросло до 3 107 с, что совершенно неприемлимо для нашей экспериментальной задачи. Результаты численного решения лидарного уравнения для КР при зондировании молекул метана в режиме счета отдельных фотонов с высоты Н от 600 км и до 100 км для частоты следования лазерных импульсов 1МГц с пиковой мощностью 1 МВт и концентрации метана равной 10 см можно представить в виде таблицы 30.Рисунок 36 подтверждает, что снижение частоты следования лазерных импульсов с 1 МГц до 10 кГц приводит к пропорциональному увеличению времени измерения на 2 порядка. Увеличение пиковой мощности лазера до 100 МВт для всех длин волн, как видно на рисунке 37, приводит к снижению времени измерения на 2 порядка: наименьшее значение для длины волны 419 нм и для высоты 100 км -со 100 с до 1 с, а для 600 км - с 3552 с до 36 с.
