Способ дистанционного контроля газовой среды

 

Использование: для дистанционного контроля газового состава и метеопараметров атмосферы в задачах метеорологии и экологического мониторинга. Сущность изобретения: осуществляют измерение концентрации поглощающей газовой компоненты в газовой среде путем посылки импульсного лазерного излучения с двумя частотами, одна из которых совпадает с линией поглощения газа, концентрацию которого измеряют, а другая не совпадает, и по отношению интенсивностей прошедшего через среду или рассеянного ею излучения на указанных частотах определяют концентрацию исследуемого газа, причем частоту излучения, не совпадающую с линией поглощения , выбирают такой, чтобы она отличалась от первой на значение частоты комбинационно активного перехода непоглощающей компоненты газовой смеси; интенсивность излучения на частоте, не совпадающей с линией поглощения, должна быть достаточной для возбуждения процесса.вынужденного комбинационного рассеяния , но не выше, чем интенсивность оптического пробоя в среде, а интенсивность излучения на частоте, совпадающей с линией поглощения, не должна превышать порог резонансных нелинейных эффектов в измеряемой газовой компоненте. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1814054 А1 (я)л G 01 N 21/61, 21/39

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4936393/25 (22) 16.05,91 (46) 07.05.93. Б.юл. 1Ф 17 (71) Институт оптики атмосферы СО АН

СССР (72) Ю.В. Кистенев, Ю,Н, Пономарев и И.А. Шевчук (56) 1. Лазерное зондирование тропосферы и подстилающей поверхности/ Под ред.

В.Е. Зуева. — Новосибирск; Наука, 1987, с.

78-90.

2. Лазерный контроль атмосферы/ Под ред. Э.Д. Хинкли, — М,: Мир, 1979. (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ГАЗОВОЙ СPЕДЫ (57) Использование: для дистанционного контрЬля газового состава и метеопараметров атмосферы в задачах метеорологии и экологического мониторинга. Сущность изобретения: осуществляют измерение концентрации поглощающей газовой компоненты в газовой среде путем посылки

Изобретение относится к способам лазерного газоаналиэа и может быть использовано для дистанционного контроля газового состава и метеопараметров атмосферы в задачах метеорологии и экологии.

Цель изобретения — увеличение дальности зондирования, Поставленная цель достигается тем, что по способу дистанционного контроля газовой среды, включающему облучение импульсным лазерным излучением газовой среды на двух частотах, одна из которых импульсного лазерного излучения с двумя частотами, одна из которых совпадает с линией поглощения газа, концентрацию которого измеряют, а другая не совпадает, и по отношению интенсивностей прошедшего через среду или рассеянного ею излучения на указанных частотах определяют концентрацию исследуемого газа, причем частоту излучения, не совпадающую с линией поглощения, выбирают такой, чтобы она отличалась от первой на значение частоты комбинационно активного перехода непоглощающей компоненты газовой смеси; интенсивность излучения на частоте, не совпадающей с линией поглощения, должна быть достаточной для возбуждения процесса вынужденного комбинационного рассеяния, но не выше, чем интенсивность оптического пробоя в среде, а интенсивность излучения на частоте, совпадающей с линией поглощения, не должка превышать порог резонансных нелинейных эффектов в измеряемой газовой компоненте. совпадает с линией поглощения исследуемого компонента газовой среды, а другая не совпадает, по отношению интенсивностей прошедшего или рассеянного назад излучения на указанных частотах определяют концентрацию исследуемого компонента газовой среды, частоту излучения, не совпадающую с линией поглощения, выбирают отличающейся от другой на величину частоты комбинационно-активного перехода другой непоглощающей газовой компоненты среды, интенсивность излучения на частоте, 1814054 (И /1)) - 1+ у

25 мощность для обеих излучений может быть

55 обеспечена в соответствии с требованиями, не совпадающей с линией поглощения, выбирают достаточной для возбуждения процесса вынужденного комбинационного рассеяния, но не выше, чем интенсивность оптического пробоя среды, а интенсивность на частоте, совпадающей с линией поглощения, выбирают ниже порога резонансных нелинейных эффектов в измеряемой газовой компоненте.

Физическим механизмом, обеспечивающим увеличение дальности зондирования, является перекачка энергии из пучка излучения с частотой вг в пучок с частотой со>, которые взаимодействуют между собой в процессе резонансного комбинационнрго рассеяния в непоглощающей газовой компоненте среды. Изменение интенсивности излучения с частотой (o> и соответствующей напряженности электромагнитного импульса о обусловлено двумя факторами: резонансным поглощением в эондируемом газе и перекачкой энергии из волны с частотой вг, Этот процесс описывается системой уравнений: где ег — напряженность электрического поля импульса с частотой (()г;

2 — координата распространения;.

g — коэффициент усиления волны с частотой а за счет перекачки энергии в процессе комбинационного рассеяния; а и аг — коэффициенты ослабления излучения на частотах со> и аг соответственно.

Кэк и по известному способу, концентрация измеряемого газа восстанавливается по измеренным интенсивностям прошедшего или рассеянного назад излучения, но в отличие от известного, по способу интенсивности излучений на частотах в и вг входящие в формулу для определения концентрации исследуемого газа в объеме с координатой Z определяются иэ системы уравнений (1), Для зондирования малых газовых примесей в атмосфере при умеренных значениях интенсивности излучения (и)г 10 — 10 Вт/см ) взаимодействие волн на часто8 г тах в и аг является слаболинейным. В этом случае из (1) можно получить явную зависимость связи между интенсивностями волн на частотах o)1 и вг в точке Z через их значения в точке Z=O и параметры зондируемой среды:

50 (о(11(2)/11(0))= — t + —— (- (1-е ) у (2)

1п(1г(2)/1г(0))= — у т —,и -Г 7-0- - —,- (1-; ), где 11,2(0)=11.2(Z=O); т =а) Z; у =- (аг/а }, p = g Iг(0)/ ai. Если в качестве комбинационно-активной среды используется газ с известным распределением концентрации по трассе зондирования (например, равномерноперемешанная компонента воэдуха— азот или кислород), то (2) может быть peweна относительно a> no измеренным Ii(Z), 1г(2), 11(0), Iг=0. Даже для слабонелинейного взаимодействия (и 0,1 — 0,5) при ут»1 увеличение дальности зондирования на частотесо при наличии перекачки энергии из волны с частотой аг по сравнению со случаем независимого распространения волны со1 определяется выражением при у< 1 и,и 0,4 — 0,5 увеличение дальности зондирования составит 1,5 раза.

Выход за рамки случая слабонелинейного взаимодействия приведет к еще большему проникновению зондирующего излучения вглубь исследуемой среды. При реализации предлагаемого способа за счет подкачки энергии в зондирующий луч обеспечивается увеличение отношения сигнал/шум, что дает повышение точности измерений, по сравнению с прототипом, при прочих равных условиях, Пример конкретной реализации способа для дистанционного контроля N0z в воздухе или в смеси с азотом. В качестве излучателя с частотой а может быть использован лазер на иттрийалюминиевом гранате с преобразователем излучения во вторую гармонику. При этом на частоте 2-й гармоники (аг) может быть обеспечена пиковая мощность до 20 МВт/см, Часть энергии этого излучения используется для накачки импульсного лазера на красителе, генерирующего частоту o)<, настраиваемую таким образом, чтобы обеспечить одновременно совпадение с резонансной линией поглощения в НОг и условие AJAR-o)1 = off/=2329,92 см . Пиковая сформулированными в тексте.

Использование 2-й гармоники импульсного излучения лазера нэ гранате в качестве излучателя с частотой м и как источника накачки лазера, генерирую(цего «эстоту ю), 1814054 прог = а1/вечор, где о чу — сечение поглощения в расчете на одну молекулу йО на частоте â .

Процедура аналогична той, что и в прототипе, и не приводит к уменьшению точности предлагаемого способа, тогда как предельная дальность зондирования может .быть увеличена в 1,5 раза и более.

Таким образом, способ может быть реализован на базе серийно выпускаемых лаСоставитель С. Соколова

Техред М.Моргентал Корректор С. Юско

Редактор Л. Волкова

Заказ 1826 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно издательский комбинат "Патент", г; Ужгород, ул.Гагарина. 101 обеспечивает синхронность импульсов излучения во времени. Совмещение зондирующего пучка и пучка подкачки обеспечивается системой зеркал, а оптическая схема лидара может быть полностью аналогична схеме, реализованной в прототипе. Полученные.таким образом пучки излучения с частотами

ì, са отвечающие всем условиям по заявляемому способу, посылают в газовую среду, состоящую из смеси МО и воздуха. При этом излучение на частоте сщ не поглощается ни одной из компонент воздуха, а излучение а поглощается только.МОИ. Далее регистрируют интенсивности обеих излучений на входе в атмосферный канал и на противоположном. конце трассы, по измеренным интенсивностям l >(Z), l 1(0). I2(Z), 12(0) из уравнений (2) определяют а1, à по его значению восстанавливают среднюю по трассе концентрацию NOz, используя формулу зеров, надежно апробированной в натурных условиях техники зондирования по методу дифференциального поглощения и не усложнена по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Способ дистанционного контроля газовой среды, включающий облучение импульсным лазерным излучением газовой среды

t0 на двух частотах, эдна из которых совпадает с линией поглощения исследуемого компонента газовой среды, а другая не совпадает, . по отношению интенсивностей прошедшего или рассеянного назад излучения на

15 указанных частотах определяют концентрацию исследуемого компонента газовой среды, отличающийся тем, что, с целью увеличения дальности зондирования, частоту излучения, не совпадающую с линией по20 глощения, выбирают отличающейся от другой частоты на величину частоты комбинационно-активного перехода другой непоглощающей газовой компоненты среды, интенсивность излучения на частоте, не сов25 падающей с линией поглощения, выбирают достаточной для возбуждения процесса вынужденного комбинационного рассеяния, но не выше, чем интенсивность оптического пробоя среды, а интенсивность на частоте, 30 совпадающей с линией поглощения, выбирают ниже порога резонансных нелинейных . эффектов в измеряемой газовой компоненте.