Комбинационный лидар

 

КОМБИНАЦИОННЫЙ ЛИДАР. содержащий источник лазерного излучения, передающую оптическую систему, состоящую из передающего объектива и измерителя знергии лазерного излучения, приемную оптическую систему, состоящую из приёмного объектива, спектроанализатора и фоторегистрирующего устройства с блоком индикации, вход запуска которого связан с выходом измерителя знергии лазерного изИзобретение относится к лазерной локации атмосферы и может быть использовано для дистанционного определения парциальной концентрации газовых компонент атмосферы. Известно устройство для определения парциальной концентрации газовых компонент атмосферы, состоящее из источника лазерного излучения, преобразователей частоты , приемно-передающей оптической системы, спектро-анализирующей и фоторегистр и рую щей системы с блоком электронной обработки сигналов. лучения, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности лидара , в него дополнительно введены светоделительное устройство, расположенное на выходе источника лазерного излучения на Одной с ним оптической оси, анализатор поляризации, вход которого связан со спектроанализатором приемной оптической системы , а выход подключен к фрторегистрирующему устройству, и вторая передающая система, содержащая последовательно установленные по ходу распространения лазерного излучения кювету с анализируемым газом под давлением не ниже 50 атм или в сжиженном состоянии, полосовой фильтр, поляризационное устройство и оптически связаньыес ним второй передающий обьектиь и второй измери|СЛ тель лазерной энергии, выход которого также связан с входом запуска блока инди ,С кации фоторегистрирующего устройства приемной оптической системы, при этом обе передающие оптические системы оптически связаны со светодетельным устройством . о |00 00 Jis. Недостатком этого устройства является О 00 низкая чувствительность. 8 возбужденном спектре комбинационного рассеяния (СКР) содержатся спектральные компоненты всех газов, имеющихся в зондируемом объеме. Ввиду слабости линий и их большого числа выделение нужной спектральной линии затрудненои не всегда возможно. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является комбинационный лидар, содержащий источник лазерного излучения, передающую оптическую систему, состоящую из передающего

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 N 21/39

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

1(fQ) !

Со

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3436711/25 (22) 13;05;82 (46) 15;09.92. Бюл. N 34 (?1) Институт оптики атмосферы Томского филиала CO АН СССР (72) lO.Ä. Копытин и С.В, Лазарев (53):536.35 (088.8) (56) Захаров В.M. и др. Метеорологическая лазерная локации. Л.: Гидрометеоиздат, 1977, с. 50-56.

Вайнер Ю.Г. и др, Лидар комбинационного рассеяния для анализа промышленных загрязнений атмосферы. — Квантовая электроника, 1979, 6, МЗ, с. 494 — 499 (прототип). (54)(57) КОМБИНАЦИОННЫЙ ЛИДАР, содержащий источник лазерного излучения, передающую оптическую систему, состоящую из передающего объектива и измерите ля энергии лазерного излучения, приемную оптическую систему, состоящую иэ прием. ного объектива, спектроанализатора и фоторегистрирующего устройства с блоком индикации, вход запуска которого связан с выходом измерителя энергии лазерного изИзобретение относится к лазерной локации атмосферы и может быть использовано для дистанционного определения парциальной концентрации газовых компонент атмосферы.

Известно устройство для определения парциальной концентрации газовых компонент атмосферы. состоящее из источника лазерного излучения. преобразователей частоты, приемно-передающей оптической системы, спектра-анализирующей и фоторегистрирующей системы с блоком электронной обработки сигналов, Я2„„ t088468 А1 лучения. о т л и ч а ю щ и й.с я тем, что, с целью увеличения чувствительности лидара, в него дополнительно введены светоделительное устройство, расположенное на выходе источника лазерного излучения на одной с ним оптической оси. анализатор поляризации, вход которого связан со спектроанализатором приемной оптической си- стемы, а выход подключен к фоторегистрирующему устройству, и вторая передающая система. содержащая последовательно установленные по ходу распространения лазерного излучения кювету с анализируемым газом под давлением не ни- . же 50 атм или в сжиженнам состоянии, полосовой фильтр, поляризационное устройство и оптически связанныес ним второй передающий объектив и второй измеритель лазерной энергии, выход которого также связан с входом запуска блока индикации фоторегистрирующега устройства приемной оптической системы, при этом обе передающие оптические системы оптически связаны со светодетельным устройством.

Недостатком этого устройства является низкая чувствительность. В возбужденном спектре комбинационного рассеяния (СКР) содержатся спектральные компоненты всех газов, имеющихся в зондируемом объеме, Ввиду слабости линий и их большого числа выделение нужной спектральной линии за-. труднено и не всегда возможно.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является комбинационный лидар, содержащий источник лазерного излучения; передающую оптическую систему. состоящую из передающего

10884б8 объектива и измерителя энергии лазерного излучения, приемную оптическую систему, состоящую из приемного объектива, спектраанализатора и фоторегистриру ощего устройства с блоком индикации, вход запуска которого связан с. выходом измерителя энергии лазерного излучения, Его недостаткам является очень малая чувствительность и низкая избирательность, обусловленные малым поперечным сечением спонтанного комбинационного рассеяния (СКР), что объясняется физической природой СКР, состоящей в рассеянии света на элементарных возбуждениях среды, имеющих равновесный флуктуационный характер. Кроме тога; при воздействии лазерного излучения на исследуемый объем происходит возбу>кдение всего спектра

СКР, всех газов, име ащихся в исследуемом объеме. Большое число линий в спектре

СКР, их малая интенсивность делают задачу поиска и выделения спектра СКР исследуемого газа сложной и не всегда гыполнимой, Цель изобретения — увеличение чувствительности лидара.

Поставленная цель достигается тем, чта в комбинационный лидар, содержащий источник лазерного излучения, передающую оптическую. систему, состоящую из передающего объектива и измерителя энергии лазерного излучения, приемную оптическую систему, состоящую >из приемного объектива, спектроанализатара и фоторегистрирующего устройства с блоком индикации, вход запуска которого связан с выходом из"мерителя энергии лазерного излуче ия, дополнительно введены светоделительное устройство, располо>кенное на выходе источника лазерного излучения на одной с ним оптической оси, анализатор поляризации, вход которого связан со спектроанализаторам приемной оптической системы, а выход подключен к фоторегистрирующему устройству, и вторая передакицая система, содержащая последовательно установленные по ходу распространения лазерного излучения кювету с анализируемым газом пад давлением не ни>ке 50 атм или в сжиженном состоянии, паласовой фильтр, поляриэационнае устройство и оптические связанные с ним второй передающий объектив и второй измеритель лазерной энергии, выход которого также связан с входом запуска блока индикации фоторегистрирующего устройства приемной оптической системы, при этом обе передающие оптические системы оптически связаны со светоделительным устройством.

Принцип работы данного лидара заключается в том, что лазерное излучение пропу10

cKBIoT одновременно по двум направлениям, пересекающимся в исследуемом объеме пространства. За счет прохождения части лазерного излучения через кювету, заполненную газом, который подлежит определению в исследуемом объеме, получают стоксову компоненту вынужденного комбинационнаго рассеяния (ВКР). Зондирование исследуемого объема осуществляют одновременно лазерным излучением и излучением стоксовой компоненты ВКР.

Использование ВКР лазерного излучения в кювете дает автоматически точное выполнение условия резонанса: а — Nc =сд где а> — частота лазерного излучения, й>,. — частота стоксовой компонентьi ВКР, о, — колебательная частота молекул исследуемого газа. Под воздействием двухчастатного излучения в исследуе20 мом объеме происходит резонансное когерентное возбуждение колебаний молекул исследуемого газа. На этих колебаниях происходит антистоксовое рассеяние лазерного излучения, Сигнал рассеянного ан25 тистоксового излучения в 10 раэ превышает сигнал СКР при прочих равных условиях. Кроме того, антистоксовое излучение расположено в спектральном диапазоне, свободном от паразитных эффектов 0 типа люминесценции. В спектре полученного сигнала содержится лишь антистоксавая компонента, полученная при рассеянии лазерного излучения на колебаниях молекул исследуемого газа. Чтобы избавиться от hoмех, обусловленных нереэонансным взаимодействием двухчастотного излучений с другими атмосферными газами, используется поляризационный фильтр, При воздействии двухчастатного излучения с разными направлениями поляризации рассеянное излучение, обусловленное резонансным и нереэонансным взаимодействиями,: имеют также разные направления поляризации..

Применение поляризационного фильтра да 5 ет увеличение чувствительности дополнительно еще в 10 раз.

Измерение концентрации исследуемого газа производится на основании соотношения

I, = VA p L" I . Р S g>l где lg — интенсивнастb антистоксавой компоненты рассеянного излучения, 4 — интенсивность лазерного излучения, 1, интенсивность стаксовай компоненты ВКР, К вЂ” коэффициент, учитывающий пропускание приемной апти:еской системы и квантовую эффективность фотоприемника, А— коэффициент, учитывающий ослабление излучения атмосферой, р — коэффициент ат1088468

40

55 ражения отражающей поверхности, L — расстояние от отражающей поверхности до приемной оптической системы, N — плотность молекул исследуемого газа, 1 — коэффициент, определяемый кубической 5 нелинейной восприимчивостью исследуемого газа, $ — площадь зеркала приемной оптической системы.

Ка чертеже представлена блок-схема комбинационного лидера. Комбинацион- 10 ный лидар состоит из источника 1 лазерного излучения, на выходе которого установлено светоделительное устройство 2, образующее два оптических канала.. На одном из выходов светоделительного устройства 2 15 последовательно установлена кювета 3, заполненная анализируемым газом под давлением не виже 50 атм, или в сжиженном состоянии, полосовой фильтр 4, выделяющий излучение стоксовой компоненты ВКР, 20 и поляризационное устройство 5. Лидар имеет две передающие оптические системы. Первая расположена на одном из выходов светоделительного устройства.2 и включает измеритель энергии лазерного из- 25 лучения, состоящий из плоскопараллельной пластины 6 и коаксиального фотоэлемента

7, а также передающий объектив 8. Вторая передающая оптическая система расположена на выходе поляризационного устрой- 30 ства 5 и включает также измеритель энергии лазерного излучения, состоящий из плоскопараллельной пластины 9 и коаксиального . фотоэлемента 10, и передающий объектив

11. Приемная оптическая система состоит из приемного объектива 12 и спектроанализатора 13. Ка выходе приемной оптической системы расположен анализатор поляризации 14, фоторегистрирующае устройство с блоком индикации 15. вход запуска котороro связан с фотоэлементами 7 и 10 в измерителях энергии лазерного излучения передающих оптических систем, Устройство работает следующим обраэом. 45

Часть излучения от источника 1 направляется светоделительным устройством 2 в кювету 3. Светоделительное устройство 2 . представляет собой полупрозрачное зеркало, делящее лазерный луч на два пучка. Кювета 3 заполнена газом, подлежащим определению в зондируемом объеме, в сжиженном или сжатом по давлении не менее

50 атм состоянии. Термостатирование кюветы 3 осуществляется жидким азотом. В кювете 3 происходит ВКР лазерного излучения. стоксовая компонента которого выделяется паласовым фильтром 4. Фильтр 4 представляет собой интерференционный фильтр. Выделенная стоксовая компонента лазерного излучения направляется s поляризационное устройство 5, которое осуществляет поворот плоскости поляризации стоксовой компоненты на 45 относительно лазерного излучения. С выхода поляриэационного устройства 5-стоксовое излучение и с выхода светоделительного устройства 2— зондирующее излучение направляются в две передающие оптические системы, В первую передающую оптическую систему направляетСя зондирующее излучение, а во вторую — стоксовое, которые с помощью передающих объективов 8 и 11 совмещаются

-в исследуемом объеме, который определяется местом пересечения излучений. При наличии исследуемого газа в этом объеме происходит когерентное антистоксовое комбинационное рассеяние за счет когерентного возбуждения колебаний молекул исследуемого газа под действием двухчастотного излучения, Излучение когерентного антистоксового комбинационного рассеяния отражается или рассеивается отражающей поверхностью и улавливается приемным объективом 12. Спектроанализа тор .13 выделяет сигнал из принятого излучения, а анализатор поляризации 14 позволяет отделить сигнал антистоксового рассеяния от сигнала, обусловленного нерезонансным взаимодействием двухчастотного излучения с атмосферой. С анализатора поляризации 14 сигнал поступает на фоторегистрирующее устройство с блоком индикации 15, которое запускается импульсами, поступающими с коаксиальных фотоэлементов 7 и 10. Измерение интенсивности лазерного и стоксового излучения ВКР производится коаксиальными фотоэлементами

7 и 10, на которые отводится часть соответствующего излучения плоскопараллельными пластинами 6 и 9. Для повышения точности измерений и устранения ошибок флуктуационного характера производят из-. мерение по нескольким импульсам.

Данный лидар имеет чувствительность, в 10 раз превышающую чувствительность прототипа (при использовании поверхности с коэффициентом отражения, близким к 00 Р. Вследствие резкого увеличения .интенсивности рассеянного сигнала уменьшается время наблюдения, значительно увеличивается соотношение сигнал-шум.

Так, относительная концентрация С02 в атмосфере порядка 1:10 может быть измерена за время 10, т.е, за один импульс.

Явное преимущество данного комбинационного лидара проявляется при установке лидара на борту самолета или искусственного спутника Земли, что позво. 1088468

Техред М.Моргентал Корректор Н.Кешеля:

Редактор E.Ãèðèíñêàÿ

Заказ 406.1 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 лит с высокой эффективностью и оперативностью производить измерение фоновых концентраций газов с целью обнаружения мест аварий нефте- и газопроводов, происка месторождений полезных ископаемых по локальным скоплениям сопутствующих газов, а также обнаружения мест захоронения отравляющих веществ.