Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Лидарные спектроскопические методы зондирования атмосферы 22
1.1. Основные спектроскопические эффекты взаимодействия оптического излучения, применяемые в лидарном зондировании 22
1.2. Лидарный метод дифференциального поглощения
1.2.1. Физические основы и математический формализм лидарного метода дифференциального поглощения 29
1.2.2. Анализ применения источников лазерного излучения для газоанализа атмосферы по методу дифференциального поглощения 32
1.2.3. Критерии потенциальных возможностей лидарного зондирования
малых газовых составляющих атмосферы по МДП и характеристики
условий численного моделирования 40
1.3. Физические основы лидарного зондирования метеорологических параметров атмосферы методом дифференциального поглощения 44
1.4. Лидарное зондирования газового состава атмосферы
с помощью DIAL и DOAS 46
1.5 Краткие выводы по 1 главе 50
ГЛАВА 2 Основные требования к характеристикам лидаров дифференциального поглощения 51
2.1. Анализ систематических ошибок лидарного метода дифференциального поглощения 51
2.1.1. Влияние вариаций метеопараметров атмосферы на точность априорного расчета коэффициента поглощения 54
2.1.2. Учет сдвига центров линий поглощения атмосферных газов давлением воздуха 58
2.1.3. Другие источники ошибок априорного расчета эффективного коэффициента поглощения 61
2.2. Методика поиска информативных длин волн для зондирования газовых составляющих атмосферы 62
2.2.1. Критерии отбора линий поглощения 62
2.2.2. Алгоритм расчета пропускания атмосферы 67
2.2.3. Общая схема работы автоматизированной системы поиска 69
2.2.4. Пример работы системы поиска информативных длин волн 72
2.3. Результаты поиска информативных длин волн для зондирования газовых составляющих атмосферы 74
2.3.1. Информативные микроокна прозрачности для зондирования газовых компонент в диапазоне спектра 4.5 - 5.5 мкм 74
2.3.2. Результаты поиска в области нетрадиционных полос излучения С02 лазера 77
2.3.3. Результаты поиска в области суммарных и разностных частот Излучения СО и С02 лазеров 80
2.4. Экспериментальная проверка результативности работы методики поиска 85
2.4.1. Трассовый газоанализатор на основе СО и С02 лазеров с преобразователями частоты излучения 85
2.4.2. Результаты измерений фоновых концентраций малых газовых компонент в горной местности 88
2.4.3. Измерения газового состава атмосферы на преобразованных чстотах излучения в пригородной и загрязненной зонах промышленного центра 90
2.5 Краткие выводы но 2 главе 97
ГЛАВА 3 Численное моделирование лидарного зондирования газовых составляющих и метеопараметров атмосферы методом дифференциального поглощения 99
3.1. Возможности лидарного зондирования водяного пара и угарного газа в средней ИК области спектра 99
3.2. Численное моделирование зондирования стратосферных и тропосферных профилей влажности в области спектра 3 мкм 103
3.3. Возможности определения выбросов окислов азота при бортовом базировании лидара 109
3.4. Применение вертолетного лидара на основе TEA СО2 лазера для обнаружения утечек метана и аммиака 111
3.5. Использование DF лазера в лидаре бортового базирования для Обнаружения аэрозольных и газовых выбросов 128
3.6. Результаты численного моделирования возможности обнаружения аномальных концентраций СН4 и С -ів в приземном слое атмосферы спутниковым лидаром 138
3.7 Краткие выводы по 3 главе 145
ГЛАВА 4 Лидарные методы зондирования метеопараметров атмосферы и их аппаратурная реализация 147
4.1. Метеорологический лидар МЕЛ - 01 148
4.2. Численное моделирование лидарного зондирования метеопараметров атмосферы в области спектра 2 мкм 158
4.3. Применение лазера на парах стронция для решения задач лидарного зондирования газового состава и метеопараметров атмосферы 163
4.3.1. Исследование режимов работы Sr лазера в полосах излучения в области спектра 1 и 3 мкм 163
4.3.2. Отпаянный лазер на парах стронция 169
4.3.3. Выбор длин волн зондирования газовых компонент атмосферы 171
4.3.4. Исследование поглощения парами воды излучения лазера на парах стронция 174
4.4. Краткие выводы по 4 главе 177
ГЛАВА 5. Лазерное зондирование атмосферных газов с помощью широко диапазонных источников лазерного излучения 179
5.1. Возможности преобразования частоты излучения фемтосекундных лазеров 180
5.2. Возможности применения преобразователей частоты излучения фемтосекундных лазерных импульсов в широкополосном лидарном зондировании атмосферы 183
5.3. Газоанализ атмосферы с помощью СО2 лазеров с различной шириной линии лазерного излучения 187
5.4. Широкодиапазонный СО - лазер в задачах лазерного зондирования малых газовых составляющих атмосферы 191
5.4.1. Компактный щелевой СО - лазер 191
5.4.2. Результаты поиска информативных длин волн зондирования 195
5.4.3. Численное моделирование лидарного зондирования МГС атмосферы 204
5.4.4. Измерения сечений поглощения метана обертонным СО лазером на выбранных линиях поглощения 209
5.5. Краткие выводы по 5 главе 214
Заключение 216
Литература
- Физические основы и математический формализм лидарного метода дифференциального поглощения
- Влияние вариаций метеопараметров атмосферы на точность априорного расчета коэффициента поглощения
- Применение вертолетного лидара на основе TEA СО2 лазера для обнаружения утечек метана и аммиака
- Применение лазера на парах стронция для решения задач лидарного зондирования газового состава и метеопараметров атмосферы
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в научных исследованиях прослеживается ярко выраженная тенденция интеграции знаний из различных областей науки, биологии и физики в частности. Применение лидарных спектроскопических методов зондирования для решения проблемы контроля состояния окружающей среды дает ряд несомненных преимуществ в получении бесконтактным способом необходимых данных для изучения газового состава и физических параметров атмосферы.
Малые газовые составляющие атмосферы (МГС), к числу которых относятся водяной пар, углекислый газ, озон, окислы азота и серы, угарный газ и целый ряд других, являются оптически активными компонентами атмосферы и оказывают существенное воздействие на протекание таких процессов, как погодообразование, загрязнение воздушного бассейна индустриальными выбросами, трансформация солнечного излучения, распространение оптических волн. В связи с этим возникает проблема разработки соответствующих приборов и методов анализа газового состава атмосферы, при этом наиболее интенсивно в последнее время развиваются дистанционные методы, которые, в отличие от стандартных контактных методов газоанализа, обеспечивают возможность получения данных с высокой оперативностью и в значительных пространственных масштабах.
Указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют лазерные методы исследования газового состава атмосферы, основанные на использовании таких спектроскопических эффектов взаимодействия лазерного излучения с атмосферой, как резонансное поглощение, комбинационное рассеяние и флуоресценция.
Максимальным сечением взаимодействия из перечисленных явлений обладает резонансное поглощение лазерного излучения атмосферными газами, что и определяет высокую чувствительность метода зондирования, использующего это явление.
Метод дифференциального поглощения был предложен Счетлэндом в 1964 г. [1]. Первые измерения вертикальных профилей влажности по методу дифференциального поглощения (МДП) были осуществлены Счетлэндом с использованием селективных линий поглощения водяного пара в области генерации рубинового лазера, при этом с помощью температурной перестройки длина волны рубинового лазера настраивалась на центр линии поглощения водяного пара 694.38 нм [1]. Дальнейшее совершенствование лидарных систем на основе рубинового лазера и применение высокоэффективных алгоритмов обработки лидарных сигналов позволило поднять потолок зондирования профилей влажности до 17 км [2].
В инфракрасной области спектра проводились измерения профилей газовых компонент атмосферы на горизонтальных трассах в области генерации СО2 лазера [3]. Существенно повышает возможности лидара использование когерентного приема лидарного сигнала, но подобные лидары являются в настоящее время уникальными. Измерялись также профили концентрации двуокиси азота, двуокиси серы, озона, закиси азота, а также хлороводорода и метана.
Таким образом, в настоящее время лазерное зондирование МГС по МДП принципиально реализовано [4], однако, из-за технической сложности лидаров измерения проводились только периодически. В связи с этим ставится задача повышения эффективности и информативности каждого измерения, решение которой возможно путем анализа методических аспектов зондирования газового состава атмосферы.
Разработка эффективных параметрических преобразователей частоты на основе нелинейных кристаллов, позволяющих путем генерации гармоник, суммарных и разностных частот излучения ИК молекулярных лазеров перекрыть спектральный диапазон от 2 до 18 мкм, являющийся наиболее информативным с точки зрения лазерного газоанализа по МДП, ставит проблему поиска линий поглощения, оптимальных для лазерного зондирования МГС. Такой поиск проводился, например, в [5], но без привязки к конкретным лазерным источникам. Результаты трассовых измерений концентраций МГС атмосферы приведены в ряде работ [6-11], в том числе с применением преобразователей частоты [10-11], однако, в упомянутых работах одновременно проводились измерения обычно только одного или двух газов. Применения преобразователей частоты совместно со средствами автоматизации позволяет существенно расширить список газов, измеряемых практически одновременно.
Ошибки измерений по МДП впервые были проанализированы Счетлэндом в 1974 году [12], и в дальнейшем анализировались в ряде работ [13-14], но эти исследования либо носили упрощенный характер, либо ограничивались анализом конкретных линий поглощения. В средней инфракрасной области спектра таких исследований не проводилось.
В настоящее время активно развиваются лидарные системы бортового базирования, в которых реализуется метод дифференциального поглощения. Эти системы благодаря своей большой мобильности дают возможность проведения детальных масштабных исследований малых газовых компонент атмосферы. В связи с этим активно проводятся исследования возможностей зондирования газов и метеопараметров атмосферы [15], однако, в большинстве работ авторы ограничивались вполне конкретными, заранее заданными параметрами лидаров и линий поглощения атмосферных газов, а также условиями и схемами зондирования. В средней ИК области спектра таких исследований практически не проводилось.
Развитие методов измерения профилей основных метеорологических элементов (температура, влажность, давление, скорость и направление ветра) без запуска шаров-зондов представляет значительный практический интерес. Лазерное зондирование атмосферы предлагает ряд методов дистанционного определения метеорологических параметров, основанных на взаимодействии лазерного излучения с естественными атмосферными полями. Однако для обеспечения полноты измерения всех метеоэлементов в одной лидарной системе необходимо сочетание различных лазерных методов. На практике в метеорологических лидарах имеется возможность реализации как двухчастотного, так и трехчастотного метода дифференциального поглощения для зондирования метеопараметров.
Необходимость соблюдения требований международных стандартов здравоохранения к лидарам, предназначенным для контроля окружающей среды, в том числе метеорологических параметров атмосферы, приводит к целесообразности
использования источников лазерного излучения, функционирующих в безопасной для глаз области спектра, в частности лазерная техника в последнее время предлагает к использованию новые перспективные активные среды на основе Тт, Ho:YAG, Tm,Ho,Cr:YAG, Tm,Ho:GdV04, с генерацией в области длин волн 2 мкм. В связи с этим представляет определенный интерес исследование возможностей лидарного зондирования метеорологических параметров атмосферы по методу дифференциального поглощения в области спектра 2 мкм.
Спектральная область излучения многоволнового лазера на самоограниченных переходах стронция весьма привлекательна для дистанционного газоанализа, поскольку она совпадает, во-первых, с окном прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн 1 - 4.5 мкм, во-вторых, с полосами поглощения целого ряда естественных и загрязняющих компонент атмосферы и, в-третьих, чувствительность фотоприемников на основе InSb имеет в этой области спектра рекордные значения. Стронциевый лазер, таким образом, является перспективным устройством для различных применений в дистанционном лазерном зондировании, спектроскопическом газоанализе, медицине и т.д., где он способен конкурировать с известными полупроводниковыми, химическими HF/DF лазерами и преобразованными и обертонными частотами СО и СО2 лазеров.
О возможности использования в трассовом анализаторе влажности одной из линий стронциевого лазера (Я=6,456 мкм) сообщалось в работе [16]. Измеренный коэффициент ослабления оказался слишком большим для исследования атмосферного водяного пара на трассах порядка сотен метров (при прохождении трассы ~100 метров остается всего лишь 2*10~4% посланной мощности). Однако была показана возможность осуществления контроля влажности атмосферы только на коротких (1-10 м) трассах. Представляется актуальным исследование возможностей применения многоволнового лазера на самоограниченных переходах Sri и SrII для лазерного дистанционного зондирования методом дифференциального поглощения газовых составляющих и метеорологических параметров атмосферы.
Современные лидары дифференциального поглощения, как правило, позволяют контролировать лишь несколько газовых компонент атмосферы [4]. Используемые в их составе мощные источники излучения, такие 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. Этого недостатка лишены ИК Фурье-газоанализаторы, однако, из-за отсутствия мощных широкополосных источников когерентного излучения, в их составе используются маломощные тепловые источники излучения. Они позволяют проводить лишь интегральные измерения с длиной измерительных трасс до нескольких сот метров с использованием специальных отражателей.
Из всех лидарных методов, использующихся в газоанализе, наибольшим сечением взаимодействия обладает метод дифференциального поглощения, однако в стандартном МДП должно выполняться требование монохроматичности лазерного излучения. Широкий спектральный профиль лазерного излучения уменьшает эффективный коэффициент поглощения, что снижает чувствительность измерений.
Наличие аэрозоля в больших количествах также ведёт к существенным ошибкам МДП.
Наконец, проблема стандартных измерений МДП (особенно тропосферного озона), использующих только две длины волны, означает, что наличие мешающего поглощения (сторонними газами, например, диоксидом азота) не учитывается, что приводит к ошибкам, вызванным неточностью априорного знания коэффициентов поглощения.
Этих недостатков позволяет избежать метод дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (ДОАС) [17]. ДОАС позволяет проводить спектрально разрешенные измерения в широкой полосе, что обеспечивает идентификацию нескольких газов даже в случае перекрывания полос поглощения. Ещё одним преимуществом метода является независимость от аэрозольного и молекулярного рассеяния благодаря технике фильтрации высоких частот, используемой для получения спектров. Однако возможности метода ДОАС для получения вертикальных профилей ограничены, в настоящее время проведены только усреднённые по трассе измерения.
Перспективным путем решения проблемы является метод, сочетающий
преимущества обоих методов - пространственное разрешение МДП и
идентификацию газов ДОАС [18]. Новый метод использует широкополосное излучение и спектрометр с матричным фотодиодом, что обеспечивает измерение сигналов обратно рассеянного излучения с разрешением, как по высоте, так и по длине волны одновременно.
Спектральная область излучения обертонного СО-лазера в области 2.5 - 4.2 мкм весьма привлекательна для дистанционного газоанализа атмосферы, поскольку она совпадает, во-первых, с окном прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн 3.3 - 4.2 мкм, во-вторых, с полосами поглощения целого ряда естественных и загрязняющих компонент атмосферы, в том числе токсинов, взрывчатых и наркотических веществ, и, в-третьих, чувствительность фотоприемников на основе InSb имеет в этой области спектра рекордно высокие значения. Обертонный СО лазер, таким образом, является перспективным устройством для различных применений в дистанционном лазерном зондировании, спектроскопическом газоанализе, медицине и т.д. В ряде работ [19-21] было продемонстрировано, что CO-лазер, действующий на основных колебательных переходах, можно с успехом применять при детектировании десятков различных веществ. Однако гораздо больше веществ имеют резонансные линии поглощения в том спектральном диапазоне, который соответствует обертонным колебательным переходам молекулы CO. Например, в работе [21] было показано, что излучение обертонного CO-лазера наилучшим образом подходит для анализа многокомпонентных газовых смесей.
Как показали экспериментальные исследования, такой лазер может излучать более 1000 спектральных линий, из них ~400 линий на обертонных переходах [22, 23], причем расстояние между линиями составляет в среднем 1.5 см-1 для основных и 4 см-1 для обертонных переходов. При таком широком спектральном диапазоне и при столь плотном расположении линий лазерного излучения значительно возрастает количество совпадений между линиями лазерного излучения и линиями поглощения различных газов, что позволяет обнаруживать малые газовые составляющие (МГС)
атмосферы даже в тех случаях, в которых спектры поглощения искомых газов частично совпадают с мешающими газами. В связи с этим является актуальным исследование возможностей применения обертонного СО-лазера для дистанционного газоанализа атмосферы методом дифференциального поглощения (МДП) МГС атмосферы.
Целью диссертационной работы является исследование возможностей повышения эффективности лидарных измерений параметров молекулярной атмосферы с использованием метода дифференциального поглощения в различных схемах зондирования, диапазонах спектра, атмосферных и экологических ситуациях на основе численных методов моделирования и экспериментальных исследований.
В соответствии с этим ставились следующие задачи:
1. Разработать методику поиска и определить информативные длины волн для
лазерного газоанализа по МДП с использованием основных и преобразованных
частот излучения СО2 и СО лазеров, а также нетрадиционных полос излучения СО2
лазеров.
2. Исследовать источники ошибок восстановления профилей концентраций
атмосферных газов и способы их минимизации.
3. Провести экспериментальную проверку в различных атмосферных условиях
информативности выбранных длин волн для зондирования фоновых и надфоновых
концентраций малых газовых составляющих атмосферы.
4. Проанализировать возможности лидарного зондирования малых газовых
составляющих атмосферы с помощью лидаров наземного и бортового базирования.
5. Провести численное моделирование зондирования профилей влажности и
температуры атмосферы методом дифференциального поглощения в ближней ИК
области спектра с помощью метеорологического лидара МЕЛ - 01.
-
Проанализировать возможности определения высотных профилей метеорологических параметров атмосферы с помощью лидарной системы дифференциального поглощения, функционирующей в безопасной для глаз области спектра 2 мкм.
-
Исследовать возможности применения многоволнового лазера на самоограниченных переходах SrI и SrII для лазерного дистанционного зондирования метеорологических параметров и МГС атмосферы.
-
Проанализировать перспективы использования широкополосного излучения фемтосекундных лазеров для лидарного зондирования атмосферы.
-
Провести лазерное дистанционное зондирование МГС атмосферы на основе сравнительного экспериментально-теоретического анализа их резонансного поглощения в многокомпонентных газовых смесях с помощью широкодиапазонного молекулярного CO лазера, действующего на обертонных (длина волны 2.5-4.2 мкм) колебательных переходах.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Методика поиска, разработанная на базе предложенных критериев отбора линий поглощения и линий излучения ИК молекулярных лазеров, позволяет определять информативные длины волн для лазерного зондирования по МДП фоновых и надфоновых концентраций малых газовых составляющих атмосферы.
Эффективность методики подтверждена натурными измерениями усредненных по трассе концентраций угарного газа, окиси и закиси азота в различных атмосферных и экологических ситуациях вплоть до их фоновых уровней.
-
Лидар на основе генератора второй гармоники излучения импульсных СО2 лазеров с энергией излучения до 0.1 Дж и частотой повторения до 100 Гц обеспечивает дистанционное зондирование вертикального распределения Н20 и СО в приграничном слое атмосферы при наземном базировании лидара и выше пограничного слоя при самолетном базировании с пространственным разрешением 250 м.
-
Сильные линии поглощения водяного пара с центрами 2.69 и 2.92 мкм перспективны для измерения профилей концентраций влажности атмосферы с помощью созданного лидара на основе Sr лазера на приземных атмосферных трассах протяженностью от 1 до 100 м., а линия излучения стронциевого лазера с центром 3.011 мкм - на трассах длиной до 3 км с пространственным разрешением 200 м.
-
Использование СО2 лазеров с различной шириной линии лазерного излучения при одночастотной схеме зондирования позволяет определять в области генерации первой гармоники фоновые концентрации углекислого газа, аммиака и водяного пара, а при зондировании на второй гармонике одновременно определять фоновые концентрации угарного газа и водяного пара, а также при зондировании СО и NO избежать влияния мешающего поглощения водяного пара.
-
Определенные на основе численного моделирования и тестовых экспериментов информативные длины волн зондирования МГС атмосферы в спектральном диапазоне генерации обертонных полос излучения СО лазера дают возможность измерять концентрации следующих газов: N2O, NO2, H2CO, CH4.
Научная новизна представленных автором диссертации результатов исследований состоит в том, что:
-
Впервые дана количественная оценка влияния сдвига центра линии поглощения угарного газа давлением воздуха на точность определения высотного профиля коэффициента поглощения;
-
Впервые разработана оригинальная методика поиска информативных длин волн для лазерного газоанализа по МДП. Определены информативные длины волн зондирования МГС в области нетрадиционных частот излучения СО2 лазера, суммарных и разностных частот СО и СО2 лазеров;
-
На выбранных с помощью разработанной методики поиска длинах волн зондирования проведены одновременные комплексные измерения ряда газовых компонент, в том числе угарного газа, закиси и окиси азота в различных атмосферных и экологических ситуациях;
-
Проанализированы возможности лазерного зондирования профилей концентраций Н2О и СО на преобразованных частотах излучения ИК молекулярных лазеров с помощью лидаров наземного и бортового базирования;
5. Проведен анализ применимости перестраиваемого ТЕА СО2 лазера с
преобразователями частоты излучения в лидаре бортового базирования для дистанционного определения выбросов метана и аммиака различной интенсивности из трубопроводов на расстояниях до 1 км;
-
Обосновано с помощью численного моделирования использование DF бортового лидара дифференциального поглощения для контроля газового состава атмосферы;
-
Численное моделирование зондирования температуры на выбранных длинах волн выявило преимущество двухчастотной методики в области спектра 0.76 мкм, где ошибки практически не выходят за пределы 0.5 К. В летних условиях средних широт и в тропиках трехчастотный метод с использованием линий поглощения 0.72 мкм конкурентноспособен с двухчастотным методом зондирования раздельно температуры и влажности;
-
Впервые проанализированы возможности определения высотных профилей метеорологических параметров атмосферы с помощью лидарной системы дифференциального поглощения, функционирующей в безопасной для глаз области спектра 2 мкм;
-
Проведены численное моделирование и тестовые эксперименты по лидарному зондированию метеопарапаметров атмосферы с помощью созданного лидара дифференциального поглощения на основе отпаянного стронциевого лазера;
-
Проведённое численное моделирование лидарного зондирования показало перспективность использования сверхширокополосных нелинейно-оптических преобразователей частоты излучения фемтосекундных импульсов для целей лидарного зондирования атмосферы;
-
Предложено использовать СО2 лазеры с различной шириной линии лазерного излучения при одночастотной схеме зондирования для определения концентраций МГС атмосферы;
-
Проведено численное моделирование на выбранных в результате поиска информативных длинах волн стационарного и мобильного лидарного зондирования МГС атмосферы с использованием широкодиапазонного СО лазера на вертикальных тропосферных приземных трассах, при этом учитывалось мешающее поглощение всех основных атмосферных газовых компонент;
-
Проведены тестовые эксперименты по лазерному зондированию газового состава атмосферы на выбранных информативных длинах волн в области генерации обертонного СО лазера. Линейным и оптико-акустическим методами экспериментально исследовано поглощение излучения перестраиваемого широкодиапазонного СО лазера в смесях N2O и CH4 с азотом.
Достоверность результатов и выводов подтверждается:
- корректным учетом возможных методических и экспериментальных ошибок;
использованием в качестве приемников оптических сертифицированных датчиков, а в качестве компонент регистрирующего оборудования -метрологически поверенных приборов;
статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и соответствием аналогичным результатам, полученным другими исследователями;
совпадением результатов, полученных в настоящей работе с использованием независимых экспериментальных методик, совпадением результатов, полученных в настоящей работе с результатами других работ, для частных случаев совпадения условий экспериментов;
применением в расчетах оптико - метеорологических моделей атмосферы, обоснованных и подтвержденных экспериментальными исследованиями в реальной атмосфере;
согласием результатов численного моделирования с экспериментальными данными и результатами соответствующих теоретических исследований других авторов;
экспериментальными исследованиями содержания МГС в атмосфере, проведенными в различных атмосферных и экологических ситуациях и согласующимися с результатами других авторов.
Научная и практическая значимость и ценность работы
Приведенные в диссертации результаты позволяют повысить информативность лазерного зондирования МГС по трассовой схеме и дают основания для поиска оптимальных условий зондирования профилей МГС в реальной атмосфере. Они могут быть использованы для анализа потенциальных возможностей при проектировании новых лидарных систем дифференциального поглощения.
Полученные в диссертационной работе результаты использованы в Институте оптики атмосферы СО РАН при создании многоцелевого мобильного газоанализатора “Трал”, метеорологического лидара «МЕЛ-01», хоздоговорных работ и используются при разработке новых типов газоанализаторов и лидарных систем на базе стационарных крупногабаритных телескопов. Они могут быть также использованы при разработке перспективных лидарных систем самолетного и космического базирования.
Материалы, представленные в диссертации использовались при выполнении Государственных контрактов №№ 02.518.11.7088, 02.518.11.7153, 16.518.11.7067, 14.518.11.7063, 02.740.11.0674, 14.740.11.0204, 11.519.11.6033, 11.519.11.5009. Работа поддерживалась грантами РФФИ №07-05-00765, № 08-05-08170, № 09-05-99035-р-офи, № 11-05-08081, № 11-02-98019-р_сибирь_а.
Личный вклад соискателя
Диссертационная работа явилась результатом более чем 25-летних исследований автора, выполненных им в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.
Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены при непосредственном участии соискателя. Участие Матвиенко Геннадия Григорьевича
заключалось в методической постановке темы исследований, участии в проведении расчетов и экспериментов и обсуждении их результатов. Разработка газоанализатора и экспериментальные измерения проводились Андреевым Ю.М., Гейко П.П. совместно с соискателем. Участие Зуева В.В. состояло в постановке задачи и обсуждении результатов при оценке систематических ошибок лидарного зондирования в видимой области спектра и численном моделировании лидарного зондирования газовых компонент и метеопараметров атмосферы в ближней и средней ИК области спектра. Разработка методики, поиск информативных длин волн зондирования и численное моделирование проводились соискателем. Численное моделирование лидарного зондирования газового состава атмосферы в средней ИК области спектра проводилось соискателем совместно с Харченко О.В. и Пташником И.В. Экспериментальные измерения сечений поглощения с помощью СО лазера проводились соискателем совместно с Котковым А.А., Козловым А.Ю. и Климачевым Ю.М. Измерения с помощью стронциевого лазера проводились соискателем совместно с Солдатовым А.Н., Полуниным Ю.П. и Юдиным Н.А.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Plenary Meeting of COSPAR, Toulouse, France, 1986, III Международной конференции по лазерным наукам (Атлантик-сити, США, 1987, III National Conference With International Participation “Laers and Its Applications”, Plovdiv, Bulgaria, 1988, Советско-болгарских семинарах «Лазерные методы и средства измерения и контроля параметров окружающей среды» (София, НРБ, 1985, Москва, 1987, София, 1989), 10 Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск, 1989, XIII Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988), 4 Всесоюзном семинаре “Применение лазеров в науке и технике”, Тольятти, 1991, на 8, 9, 10, 11 Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск 1984, Туапсе, 1986, Томск, 1988, 1992 гг.); на 1 - 18 Межреспубликанских и Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск - 1994, 1995, 1997, 1999, 2000, 2002, 2003, 2004, 2005 гг., Иркутск -2001г., 2012, Красноярск - 2008г., Томск -2009, 2011; VII, X, XV Симпозиумах по спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения (Красноярск, 1987, Омск, 1992, Нижний Новгород, 2006 г.г.); XV, XXV International Laser Radar Conference (1990, 2010, Russia).
Публикации
Основные результаты изложены в 28 рецензируемых статьях из списка ВАК в центральной и зарубежной печати, в том числе 2 статьи без соавторов, также материалы диссертации представлены в 85 докладах на Межреспубликанских и региональных конференциях и совещаниях, в 90 докладах на Международных конференциях. Перечень наиболее значимых публикаций по теме диссертации приведён в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Её содержание изложено на 241 странице, включая 84 рисунка, 37 таблиц и 225 ссылок на литературные источники.
Физические основы и математический формализм лидарного метода дифференциального поглощения
В случае резонансного рассеяния сечение процесса имеет большое значение. Однако затухание возбуждений при столкновениях с более распространенными компонентами атмосферы обычно приводит к тому, что сигнал становится слабым; вследствие этого наиболее эффективно данный метод может работать для определения малых составляющих в верхних слоях атмосферы.
При использовании молекулярной флуоресценции столкновительное затухание возбуждения молекул таюке оказывает вредное действие, приводящее к уменьшению регистрируемого сигнала. Широкополосная природа молекулярной флуоресценции является причиной низкого значения отношения сигнала к шуму; при этом основной вклад в шум дает фоновое излучение. Возрастание продолжительности флуоресценции приводит к ухудшению пространственного разрешения.
Комбинационное рассеяние можно рассматривать как неупругий процесс, при котором лазерное излучение вызывает переход молекулы на виртуальный уровень с последующим мгновенным (КГ1 с) излучением 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 величина сечения комбинационного рассеяния незначительна, чувствительность этого метода весьма ограничена, что существенно сужает его применение. Наиболее вероятным представляется применение комбинационного рассеяния для дистанционного исследования газовых выбросов трубами промышленных предприятий, в которых концентрации составляющих компонентов могут быть довольно высокими.
В тех случаях, когда возбуждающая частота близка к частоте разрешенного перехода, сечение рассеяния может существенно возрасти (по крайней мере, в 103 раз). Оно будет иметь вид резонансного комбинационного рассеяния. Однако в этом случае 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 тот факт, что он позволяет определить отношение концентраций любой составляющей к некоторому опорному газу (например, азоту) по отношению комбинационных сигналов при условии того, что отношение сечений известно.
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.
Для того чтобы выделить вклад поглощения интересующей нас молекулы в ослабление лазерного пучка, обычно применяется метод так называемого дифференциального поглощения (см. рис. 1.2, заимствованный из обзора Васильева Б.И. [13]). В этом случае используется две частоты: одна в центре полосы поглощения интересующей нас молекулы, а другая - на крыле этой линии. Спектры поглощения большинства молекул, представляющих интерес для дистанционного зондирования, находятся в ИК-области спектра и соответствуют колебательно-вращательным переходам. Как правило, в этом случае используется бистатическая схема лидара. Однако при соответствующем использовании отражателей или топографических рассеивателей возможна работа более удобного моностатического лидара. К сожалению, низкое пространственное разрешение и малая чувствительность ИК-детекторов ограничивают область применения таких устройств. Высокие чувствительность и пространственное разрешение могут быть получены при сочетании дифференциального поглощения с рассеянием.
Впервые этот метод был предложен для дистанционного определения содержания водяного пара в атмосфере. Он базируется на сравнении двух обратно рассеянных лазерных сигналов: одного - на частоте линии поглощения интересующей молекулы, а другого - на крыле линии. В этом случае пространственное разрешение и сильные сигналы на используемых частотах обуславливаются большими сечениями рассеяний Ми, а отношение сигналов дает требуемую оценку дифференциального поглощения. Благодаря этому метод ДПР обладает наилучшей чувствительностью при зондировании определенных молекулярных составляющих с больших расстояний.
Значительный прогресс в области лидаров связан с использованием рамановского метода, при помощи которого регистрируются сигналы упругого (на длине волны исходного излучения) и пеупругого рассеяния (на длине волны КР исследуемого газа). Концентрация газа рассчитывается в этом методе из отношения к реперному сигналу от газа, концентрация которого известна (принято использовать атмосферный азот или кислород). Главное преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет легко идентифицировать исследуемые газы, в отличие от МДП.
Рамановский метод широко используется для измерения концентрации газов, таких, как НгО, СН4, ССЬ, несмотря на низкую по сравнению с методом МДП чувствительность. Он характиризуется высоким пространственным разрешением (вплоть до 1 м) и не требует сложных перестраиваемых лазеров, а также широко используется для измерения температуры в стратосфере, тропосфере и в планетарном пограничном слое.
Рамановский метод можно расширить и использовать для измерения содержания жидкой воды в атмосфере и для определения размера частиц в облаках. Знание процентного содержания жидкой воды является исключительно важным для понимания условий образования аэрозолей и облаков, а также для изучения процессов конденсации в условиях городских загрязнений. К преимуществам рамановского метода относится возможность точного определения профиля аэрозольного ослабления и рассеяния и, следовательно, расчета лидарного отношения. Благодаря достаточному сдвигу по частоте между исходной линией и линией КР газа, в рамановском лидаре легко производится отделение рамановских сигналов от упругих традиционными фильтрами. Существенным недостатком этого метода является малое значение сечения КР, т. е. низкая чувствительность, и малое отношение сигнала к шуму при малых концентрациях газа.
Влияние вариаций метеопараметров атмосферы на точность априорного расчета коэффициента поглощения
При работе по двухчастотному МДП "полезным" является эффект поглощения только одним исследуемым газом, влияние же поглощения сторонними газами будет приводить к систематическим ошибкам. Этот эффект, часто называемый мешающим поглощением, необходимо учитывать при выборе линий поглощения, информативных для газоанализа.
Исходя из условия (2.4), возможны два варианта отбора линий поглощения по принципу наименьшего влияния на результаты измерений мешающего поглощения: либо по малости мешающего поглощения, когда суммарное пропускание по всем сторонним газам не должно быть больше 0.99 для данной трассы зондирования, либо по равенству его как в, так и вне линии поглощения при условии, что суммарное пропускание по всем присутствующим в атмосфере газам не будет меньшим 0.01.
Для работы по МДП требуется наличие в узком спектральном интервале как достаточно мощной линии поглощения исследуемого газа, так и окна прозрачности А2, в котором зондируемая компонента атмосферы либо не поглощает лазерное излучение, либо поглощает достаточно слабо по сравнению с длиной волны Aj.
Узость спектрального диапазона между двумя длинами волн зондирования обусловлена прежде всего влиянием на ослабление лазерного излучения аэрозолей атмосферы. Анализ кривых спектрального хода коэффициентов аэрозольного ослабления, приведенных в аэрозольной модели Крекова и Рахимова [102], показал, что выбор двух длин волн зондирования Aj и А2 следует производить на расстоянии между ними по спектру, не большим 5 см"1. В этом случае ошибка из-за неучета спектральной изменчивости аэрозольных характеристик не превысит один процент. Наконец, возникает вопрос о критериях выбора вариантов организации требуемой частоты линии лазерного излучения, в достаточной степени совпадающей с центром линии поглощения исследуемого газа.
В силу того, что вопрос о выборе величины несовпадения центров линий излучения и поглощения является многопараметрической задачей, то есть: Av =f(v, п, S, у, Т, Р), (2.9) не удается найти такое значение Av , которое предусматривало бы любые спектральные и атмосферные ситуации с учетом выполнения требования о достаточности величины дифференциального коэффициента поглощения AK(v) .
В связи с этим Av, с нашей точки зрения, следует выбирать, исходя из конкретных условий зондирования. Первый шаг - расчет для данных условий пропускания Туъ центре выбранной линии поглощения, затем с шагом 0.01 см"1 в обе стороны от центра рассчитывается пропускание на смещенных частотах v, , причем каждый раз проверяется условие выполнение условия концентрационной чувствительности. Две точки спектра пропускания в обе стороны от центра линии поглощения, и являются границами спектрального интервала Av , в пределах которого следует искать комбинированные лазерные частоты.
Нам представляется целесообразным ввести ряд ограничений на выбор комбинированной частоты. На первом этапе следует выбирать первые, либо вторые гармоники линий лазерного излучения, имеющих достаточную интенсивность (для С02 лазеров линии с номерами от 8 до 40 [127]) в пределах заранее определенного интервала Av. В случае невыполнения жестких требований первого этапа начинается второй этап поиска, в котором принимаются также к рассмотрению и суммарные либо разностные частоты, образованные с помощью двух лазерных источников достаточной мощности и одинакового изотопного состава. В случае невыполнения ограничений второго этапа снимаются все описанные выше ограничения, кроме ширины спектрального интервала Av.
При выборе длины волны Я-2 в окне прозрачности ситуация упрощается, так как поиск следует производить в более широком спектральном диапазоне 5 см"1, а пропускание следует рассчитывать только в области выбранных синтезированных частот и каждый раз проверять на предмет равенства мешающего поглощения на выбранной длине волны Я/ и в окне прозрачности Я2.
Таким образом, в зависимости от технического уровня и возможностей используемого лазера и преобразователя частоты излучения, а также от выполнения условия достаточной концентрационной чувствительности задаются ограничения на выбор требуемой комбинированной частоты. 2.2.2. Алгоритм расчета пропускания атмосферы
Для того чтобы определить информативные для зондирования линии поглощения, необходимо достаточно точно и быстро рассчитать пропускание атмосферы для заданной точки спектра. Из множества существующих методов расчета наиболее точным является метод полинейного счета, учитывающий тонкую структуру спектра и не имеющий ограничений на спектральное разрешение. Наиболее универсальной является методика, используемая в автоматизированной системе расчета пропускания атмосферы "LARA" [128]. Однако, эта система имеет один существенный недостаток - .неоправданно большое, с нашей точки зрения, время счета, особенно это касается самого простого случая - расчета пропускания для монохроматичных источников лазерного излучения, работающих в условиях приземного слоя атмосферы.
При расчете по методу "линия за линией" основной величиной, определяющей точность расчета пропускания, является ширина спектрального диапазона Av, в пределах которого производится расчет коэффициента поглощения с учетом всех находящихся в нем линий поглощения.
Как было показано в п. 2.2.1. , длины волн Л/ и Л2 , на которых осуществляется зондирование, должны находиться друг от друга на расстоянии не более 5 см"1. Следовательно, линия поглощения, находящаяся на удаленном от рассчитываемой точки спектра пропускания Т(Лі) расстоянии, только в том случае не играет при расчете существенной роли, если в пределах указанного 5 см"1 спектрального диапазона между Я; и Я2 учет этой линии не дает изменения в пропускании более одного процента, то есть: Т(Лі)/Т(Я2) 0.99. (2.10) Исходя из этого критерия и известных данных об интенсивностях линий поглощения для различных газов и диапазонов спектра [56], попытаемся определить участок спектра Av , в пределах которого следует учитывать вклад всех линий поглощения. Пропускание для точки спектра v с учетом линии поглощения, находящейся на расстоянии Av по спектру, может быть записано для лоренцевского контура следующим образом:
С помощью введенного параметра а удается оценить величину Av . Результаты такой оценки приведены на рис. 2.6. По оси абцисс отложены значения параметра а , который может изменяться в широких пределах, по оси ординат - значение величины спектрального интервала Av, в пределах которого выполняется условие (1.23) для различных значений расстояний между V/ и v2 в см"1, соответствующих Л; и Я2 (кривая 1 -1 Vj-v2 I = 5 см"1; кривая 2-2 см"1; кривая 3-1 см"1). Из рисунка видно, что при увеличении расстояния между V/ и v2 значения Av существенно возрастают.
Графические зависимости, приведенные на рис. 2.6, в табличном виде заложены в программу вычисления пропускания [129, 147] и позволяют автоматически определять значение спектрального интервала Av, в пределах которого выполняется условие (2.10), и, следовательно, с заданной точностью рассчитывается пропускание.
Значения параметра а, большие 10, могут встречаться только в мощных полосах поглощения водяного пара и углекислого газа или поблизости от них, и, если потребовать выполнения условия (2.9) при расчете пропускания, придется затрачивать огромное количество машинного времени.
Применение вертолетного лидара на основе TEA СО2 лазера для обнаружения утечек метана и аммиака
В ИЛФ СО РАН (г.Новосибирск) разрабатывается быстроперестраиваемый импульсно-периодический мини-ТЕА С02 лазер для работы совместно с генератором третьей гармоники в составе лидара дифференциального поглощения воздушного базирования для дистанционного обнаружения утечек метана из трубопроводов. Лазер излучает короткие оптические импульсы в спектральном диапазоне 9,2 - 10,8 мкм с частотой следования импульсов и переключения длин волн до 400 Гц. Энергия лазерных импульсов на сильных линиях достигает 50 мДж, пиковая мощность излучения около 500 кВт.
Разработка мини-ТЕА С02 лазера ведется на основе экспериментальных результатов, полученных в ИЛФ СО РАН при исследовании и- оптимизации параметров излучения мощного TEA С02 лазера с энергией импульсов излучения 1-9 Дж. Этот лазер был изготовлен для использования в наземном мобильном лидаре дифференциального поглощения для мониторинга атмосферы в радиусе 10 - 15 км.
Оригинальной частью разработки мини-ТЕА С02 лазера является оптимизированный газодинамический контур быстрой поперечной прокачки газовой смеси через разрядный промежуток, позволяющий мини-ТЕА С02 лазеру работать с высокой частотой повторения импульсов излучения. Быстрая прокачка газовой смеси обеспечивается эффективным диаметральным вентилятором. В лазере используется газовая смесь C02:N2:He:H2 в различных пропорциях при общем давлении смеси вблизи атмосферного и выше.
Селективный резонатор мини-ТЕА С02 лазера подобно описанному в [180] имеет Г-образную структуру, куда входят неподвижная дифракционная решетка, выходное полупрозрачное зеркало и вращающееся многогранное зеркало, которое отклоняет оптический пучок на дифракционную решетку под разными углами падения и переключает длины волны излучения лазера в диапазоне 9,2 - 10,8 мкм со скоростью переключения до 400 Гц. При больших скоростях вращения переключающего зеркала происходит обрезание "хвоста" импульса излучения лазера из-за механической разыостировки резонатора, что приводит к уменьшению длительности лазерного импульса.
Конструктивно бортовой лидар будет выполнен в виде двух блоков. В оптическом блоке размерами около 500x600x700 мм будут смонтированы излучатель мини TEA СО2 лазера, генератор третьей гармоники и приемопередатчик лидара. Приемник лидара содержит телескоп Ньютона апертурой 200 мм, детектор InAs с микрохолодильником и сменные спектральные фильтры. Электронный блок лидара содержит импульсный источник питания лазера, контрольную электронику и охладитель. Электрическое питание производится от источника +27В, энергопотребление около 1 кВт.
Излучение мини-ТЕА С02 лазера преобразуется в третью гармонику с помощью нелинейных оптических кристаллов AgGaSe2 или ZnGeP2 с эффективностью 5 - 10%. В итоге в атмосферу посылается лазерный пучок с расходимостью 20t = 3 мрад, имеющий следующие спектральные и энергетические параметры [181]:
Метео-модель: стандартная модель для лета средних широт (модель ИОА) [100] с фоновым содержанием метана и паров воды (как основного мешающего газа) в приземном слое 1,5 ррм и 1.5x104 ррм соответственно. В процессе моделирования содержание метана в моделируемом облаке выброса диаметром м около газопровода варьировалось от фонового (1,5 ррм), до близкого к взрывоопасному (15000 ррм).
Из таблицы видно, что к рассмотрению предлагаются четыре оптимальных пары длин волн, две из которых находятся в 10R ветви генерации СОг лазера, а две - в 9Р ветви. При этом они являются одними из самых мощных линий генерации (номера линий от 12 до 20). В таблице приведены также значения дифференциальных эффективных коэффициентов поглощения для выбранных пар длин волн. Их значения отличаются более чем на порядок, что связано с необходимостью детектирования большого динамического диапазона возможных значений концентрации метана при выбросе из трубопровода. При моделировании
Из таблицы 3.4 видно таюке, что для использования любой из двух пар длин волн (в 10R- или в 9Р- ветви) достаточно ширины оптического фильтра 20-30 см"1 (20-30 нм).
На рисунках 3.10 - 3.13 представлены спектры поглощения метана и мешающих газовых компонент, а таюке положение третьих гармоник выбранных оптимальных пар. Как можно видеть из рисунков, поглощение за счет сторонних газов на выбранных длинах волн мало по сравнению с эффективным дифференциальным коэффициентом поглощения метана.
Анализ ошибок зондирования. Проведенный анализ ожидаемых ошибок зондирования выбросов метана на оптимальных парах длин волн приведен в таблицах 3.5 и 3.6. В первом столбце таблиц указана концентрация .метана в 100 м облаке выброса, во втором - оптимальная пара длин волн зондирования, в третьем - значение эффективного дифференциального коэффициента поглощения для данного значения концентрации в зоне выброса, в четвертой - пропускание на выбранной паре длин волн, в пятой - суммарная ошибка определения содержания метана за счет всех факторов. В столбцах 6-8 приведены соответственно: сигнальная ошибка, ошибка за счет мешающих газов и за счет погрешности расчета коэффициента поглощения.
Как видно из таблиц, выбранные оптимальные пары длин волн, использующие линий поглощения различной интенсивности позволяют идентифицировать выбросы метана во всем диапазоне от 1,5 до 15000 ррм. При этом суммарный уровень ошибок не превышает двадцать процентов при концентрации метана в зоне выброса более 15-20 ррм. В случае зондирования фоновой концентрации ошибки для пары 3 9Р(20) - 3 9Р(18) могут составлять десятки процентов. В связи с этим необходимо использовать либо пару 3 10R(20) - 3 10R(18), либо более мощные линии поглощения СН4, например, линию с центром 3018,16 см"1, совпадающую с третьей гармоникой линии излучения 9Р(14) С130162 лазера.
Применение лазера на парах стронция для решения задач лидарного зондирования газового состава и метеопараметров атмосферы
Излучение стронциевого лазера перекрывает спектральный диапазон 1 - 6.2 мкм, являющийся информативным с точки зрения лазерного газоанализа атмосферы.
Чтобы изучить возможность применения излучения многоволнового Sr лазера для дистанционного лазерного зондирования МГС атмосферы нами были рассчитаны спектры пропускания атмосферы. Расчет проводился по методу "line by line" с использованием данных о спектральных параметрах линий поглощения основных атмосферных газов [134] для приземной трассы зондирования длиной 1 км и стандартной модели атмосферы (лето, средние широты [100-101]).
Для поиска информативных длин волн зондирования МГС атмосферы по МДП в диапазоне генерации излучения стронциевого лазера нами была применена методика [158], разработанная на базе обоснованных критериев отбора линий и ускоренного алгоритма расчета.
Результаты этих расчетов представлены в таблице 4.8. Анализ результатов показал, что часть линий излучения стронциевого лазера весьма сложно использовать при трассовом газоанализе атмосферы из-за сильного мешающего поглощения излучения водяным паром. Но наряду с линиями, которые полностью поглощаются на трассе длиной 1 км, в спектре Sr лазера имеются линии, которые попадают в «микроокна» прозрачности атмосферы и могут быть использованы при дистанционном зондировании по методу дифференциального поглощения.
На рис. 4.15 представлены спектры пропускания атмосферы на трассах длиной 1-10-100 м и положение линий излучения Sr лазера в области спектра 2.69 (а) и 2.92 (б) мкм. При этом линии излучения с центрами 1.033 и 1.0914 мкм можно использовать в качестве референтной частоты (см. табл. 4.8). Из рис. 4.15 видно, использование сильных линий водяного пара и совпадающих с ними линиями генерации стронциевого лазера дает возможность определять фоновые концентрации водяного пара на трассах длиной до 100 м. Использование линии излучения стронциевого лазера с центром 3.011 мкм возможно на трассах длиной до 3 км.
В работе [78] измерялся коэффициент поглощения парами воды излучения стронциевого лазера с длиной волны генерации X = 6.45 мкм. Измеренный коэффициент поглощения оказался слишком большим для исследования атмосферного водяного пара на трассах порядка сотен метров (при прохождении трассы 100 метров остается всего лишь 2 10"4 % посланной мощности), при этом была показана возможность осуществления контроля влажности атмосферы на сверхкоротких (до 1 м) трассах. Кроме того, был разработан и изготовлен лабораторный макет малогабаритного малоинерционного измерителя влажности на основе лазера на парах стронция.
Возможность создания измерителя влажности на более протяженных трассах на основе лазера на парах стронция, генерирующего в области 1-3 мкм, было обоснованно в работе [79]. В области длин волн 1 - 3 мкм стронциевый лазер имеет 5 атомных линий генерации с длиной волны Л,=2.60, 2.69, 2.92, 3.01, 3.06 мкм и 2 ионные линии - А, = 1.03, 1.09 мкм в области 1 мкм (Таблица 6). В связи с этим определенный интерес представляло проведение модельного (лабораторного) исследования поглощения парами воды излучения ЛПС в указанной области в температурном диапазоне от 20 до 70С в аналитической кювете длиной 40 см. В таблице 4.9 представлены длины волны Sr лазера и пропускание на них для 1 км и 40 см приземной трассы зондирования при температуре 20С.
Для измерения коэффициента поглощения парами воды излучения лазера на парах стронция на отдельных генерационных компонентах в области 1-3 мкм было предложено использовать селектор длин волн на основе дифракционной решетки с числом штрихов на мм - 300. Схема лабораторной экспериментальной установки, приведенная на рис. 4.16, включает: активный элемент Sr-лазера (АЭ), поворотные зеркала (ПЗ-1 и ПЗ-2), дифракционную решетку (ДР), закрепленную на поворотном столике, аналитическую кювету с парами воды (АК), блок питания встроенного нагревателя (БП), датчик температуры (ДТ), измерители мощности (РМ), котировочный лазер (ЮЛ) и монохроматор МДР-23. Выходная суммарная мощность лазера на парах стронция в ходе эксперимента составляла 600-800 мВт.
Схема лабораторной экспериментальной установки для измерения поглощения Оптическая схема селектора на основе ДР рассчитывалась таким образом, чтобы была возможность полного пространственного разрешения наиболее близких длин волн (3.01 и 3.06 мкм) в соответствии с выбранной геометрией схемы экспериментальной установки. Поэтому базовым углом падения для Х.=3.06 мкм был выбран угол а = 35. Это полностью фиксирует углы дифракции для остальных генерационных компонент. Для заданной геометрии оптической схемы были рассчитаны необходимые углы падения луча на дифракционную решетку (углы установки ДР) для селекции нужной длины волны. Излучение ЛПС под заданным углом падает на дифракционную решетку, от которой в выбранном направлении (-1 порядок дифракции) дифрагирует набор монохроматических пучков, один из которых (выбранный) после отражения от поворотного зеркала проходит через аналитическую кювету с парами воды.
Аналитическая кювета состоит из кварцевой трубки, и нагревательного элемента, заключенных в теплоизолирующий кожух. Сверху в отверстие трубки помещен зонд датчика температуры, служащий для контроля температуры. Входное и выходное отверстия кюветы открыты. Температура внутри кюветы регулируется нагревателем и контролируется датчиком температуры. Далее излучение направляется на входную щель монохроматора, который использовался для контроля настройки углового положения дифракционной решетки. Средняя мощность излучения до и после кюветы контролировалась измерителем мощности (РМ).
