Дистанционный газоанализ атмосферы с использованием многоволновых ИК-лазеров

Яковлев, Семен Владимирович

Дистанционный газоанализ атмосферы с использованием многоволновых ИК-лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Яковлев, Семен Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Дистанционный газоанализ атмосферы с использованием многоволновых ИК-лазеров»

Автореферат диссертации на тему "Дистанционный газоанализ атмосферы с использованием многоволновых ИК-лазеров"

На правах рукописи

. Яковлев Семен Владимирович

ДИСТАНЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗ АТМОСФЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОВОЛНОВЫХ ИК ЛАЗЕРОВ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 МАЙ 2013 0050595/о

Томск-2013

005059576

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук и Национальном исследовательском Томском государственном университете

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Романовский Олег Анатольевич

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-

математических наук, профессор Матвиенко Геннадий Григорьевич

Официальные оппоненты: Тихомиров Александр Алексеевич

доктор технических наук, профессор, Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск

Николашкин Семен Викторович кандидат физико-математических наук, Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН, г. Якутск

Ведущая организация: Балтийский государственный технический

университет «Военмех» им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург

Защита состоится 24 мая 2013 года в 16 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д003.029.01 в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.

Автореферат разослан « 5-3 » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Загрязнение воздуха многочисленными веществами вызывает в современном мире все возрастающее беспокойство. Сейчас практически все локальные источники загрязнений (промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство) дают вклад в явления регионального и глобального масштаба. Для успешного применения мер, направленных на уменьшение вредных выбросов, необходимо сначала научиться точно контролировать уровень загрязнений и надежно идентифицировать их источник. С этой целью следует непрерывно определять содержание в воздухе нескольких ключевых загрязняющих веществ, т.е. осуществлять их пространственно-временной количественный мониторинг. Следует отметить, что в реальности часто приходится иметь дело с невозможностью прямого отбора проб воздуха с последующим анализом в лаборатории. В этой связи становятся особенно актуальными приборы дистанционного зондирования.

В настоящее время большой интерес вызывают методы количественного газоанализа многокомпонентных смесей с помощью лазеров. Для решения задач дистанционного газоанализа атмосферы можно выделить молекулярные газовые лазеры, которые обладают развитым дискретным спектром очень узких линий генерации при достаточной интенсивности и стабильности излучения, что является безусловным их преимуществом перед другими видами лазеров при мониторинге атмосферы. Появляется вопрос - какой из лазеров является наилучшим и по каким параметрам? Чтобы ответить на этот вопрос, следует рассмотреть преимущества и недостатки основных лазерных источников, которые применяются в лидарных системах в настоящее время. Основными характеристиками являются: чувствительность и селективность детектирования конкретной газовой составляющей атмосферы, диапазон генерации, ширина линии лазерного излучения, число лазерных линий, типичный коэффициент поглощения в атмосфере и др. Следует также отметить, что для целей дистанционного лазерного газоанализа наиболее подходит средняя ИК-область спектра, так как в ней расположены основные колебательно-вращательные полосы большинства малых газовых составляющих атмосферы (МГС).

Развитие лазерной ИК-спектроскопии требует разработки и внедрения в лидарные системы новых источников излучения, способных генерировать это излучение в широком диапазоне длин волн. Немаловажным критерием является и методика, которая применяется при дистанционном газоанализе атмосферы. Среди методов лазерного зондирования атмосферы можно выделить методы, основанные на спектроскопических эффектах взаимодействия лазерного излучения с атмосферой, таких как резонансное поглощение, индуцированная лазером флуоресценция и комбинационное рассеяние.

Наибольшее распространение получил метод дифференциального поглощения (МДП), основанный на эффекте резонансного поглощения газами лазерного излучения. Из перечисленных явлений МДП обладает максимальным сечением взаимодействия, что и определяет его высокую чувствительность при зондировании атмосферы. Суть МДП заключается в том, что информация о концентрациях исследуемого газа вдоль трассы зондирования извлекается из сравнения регистрируемых лазерных эхосигналов в узком участке спектра на двух длинах волн, одна из которых находится в линии (или полосе) поглощения исследуемой газовой компоненты, а вторая расположена в области либо слабого, либо полного отсутствия поглощения. При этом длины волн зондирования должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы спектральными вариациями рассеивающих свойств атмосферы можно было пренебречь.

Современные лидары дифференциального поглощения, как правило, позволяют контролировать лишь несколько газовых компонент атмосферы. Используемые в их составе такие источники излучения, как С02-, 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. В настоящее время лазерное зондирование малых газовых составляющих по МДП принципиально реализовано, однако из-за технической сложности лидаров измерения проводились только периодически.

Одной из важных задач, поставленных в работе, является задача повышения эффективности и информативности каждого измерения, решение которой возможно путем анализа методических аспектов лазерного зондирования газового состава атмосферы.

Целью работы является исследование возможностей применения ИК-источников излучения (СО- и Sr-лазеры) с использованием разработанной программно-алгоритмической системы отбора лазерных линий, пригодных для дистанционного газоанализа атмосферы методом дифференциального поглощения.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- разработка программно-алгоритмической системы отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне спектра на основе метода дифференциального поглощения;

- отбор линий излучения обертонного СО-лазера и Sr-лазера, пригодных для дистанционного газоанализа атмосферы;

- анализ систематических ошибок восстановления концентрации МГС атмосферы при использовании лидарного метода дифференциального поглощения;

- численное моделирование дистанционного газоанализа атмосферы на выбранных линиях излучения СО- и Sr-лазеров для вертикальной трассы при реализации метода дифференциального поглощения;

- эксперименты по лазерному зондированию МГС атмосферы методом дифференциального поглощения на основе экспериментально-теоретического анализа их резонансного поглощения с использованием обертонных частот излучения СО-лазера;

-эксперименты по лазерному зондированию МГС атмосферы с использованием линий излучения Sr-лазера.

Научная новизна

1. Впервые разработана программно-алгоритмическая система отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне на основе метода дифференциального поглощения, которая позволяет проводить оценку эффективности лазерного зондирования атмосферы и вырабатывать требования к спектрально-энергетическим параметрам лидаров.

2. Данная система апробирована для оценки возможностей дистанционного газоанализа атмосферы с помощью обертонного СО-лазера и лазера на парах Sr.

3. С помощью численного моделирования обосновано использование обертонного СО-лазера в лидарах дифференциального поглощения для дистанционного газоанализа атмосферы на тропосферных трассах.

4. На выбранных линиях излучения обертонного СО-лазера проведены модельные лабораторные измерения по дистанционному определению поглощения метана и закиси

азота при различной конфигурации схемы зондирования, в том числе и при использовании искусственной топомишени.

5. Проведены эксперименты по лазерному зондированию газового состава атмосферы с помощью созданного лидара дифференциального поглощения на основе отпаянного стронциевого лазера, с помощью которого на выбранных длинах волн проведены измерения в натурных условиях профилей влажности атмосферы.

Защищаемые положения

1. Разработанная программно-алгоритмическая система отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне на основе метода дифференциального поглощения, позволяет проводить оценку эффективности лазерного зондирования атмосферы и вырабатывать требования к спектрально-энергетическим параметрам лидаров.

2. Проведенное с помощью разработанной программно-алгоритмической системы численное моделирование показало, что при использовании лидара на основе обертонно-го СО-лазера в диапазоне высот 0-5 км при диаметре приемной оптики 0,3 м и пространственном разрешении 1 км уровень лидарных эхосигналов для всех исследуемых газов превышает уровень эквивалентной мощности шума фотоприемника NEP = 10~9 Вт.

3. Модельные лабораторные эксперименты по лазерной диагностике газового состава атмосферы обертонным СО-лазером и Sr-лазером подтвердили результат предварительной оценки эффективности применения метода дифференциального поглощения с учетом требований к спектрально-энергетическим параметрам зондирующего комплекса, рассчитанным разработанной программно-алгоритмической системой.

Научная и практическая значимость работы

Результаты, полученные в ходе выполнения численного моделирования, позволяют повысить информативность дистанционного газоанализа атмосферы по трассовой и лидарным схемам зондирования. Анализ результатов позволяет провести оценку эффективности лазерного зондирования атмосферы и вырабатывать требования к спектрально-энергетическим параметрам лидаров.

Результаты, полученные в ходе выполнения экспериментальной части работы, позволили провести взвешенный сравнительный анализ преимуществ и недостатков использования обертонного СО-лазера и Sr-лазера для спектроскопической дистанционной диагностики МГС атмосферы в сопоставлении с другими лазерными источниками.

Материалы диссертации использовались при выполнении Государственных контрактов № 16.518.11.7067, 14.518.11.7063, 02.740.11.0674, 14.740.11.0204, 11.519.11.6033. Работа поддерживалась грантами РФФИ № 07-05-00765, 09-05-99035-р-офи.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии автора. Разработка программно-алгоритмической системы отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне на основе метода дифференциального поглощения, проводилась автором. Отбор лазерных линий излучения обертонного СО-лазера и Sr-лазера, пригодных для использования в дистанционном газоанализе атмосферы, и численное моделирование проводились автором. Численное моделирование лидарного сигнала при дистанционном газоанализе атмосферы в основном проводилось автором с участием научного руководителя к.ф.-м.н. O.A. Романовского. Экспериментальные измерения проводились соискателем совместно с к.ф.-м.н. A.A. Котковым, к.ф.-м.н. А.Ю. Козловым, к.ф.-м.н. Ю.М. Кли-

мачевым (в лаборатории газовых лазеров ФИАН, Москва, при использовании в качестве источника излучения СО-лазера) и с к.ф.-м.н. С.И. Долгим (в лаборатории дистанционной спектроскопии атмосферы ИОА СО РАН, Томск, при использовании в качестве источника излучения Sr-лазера).

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на V, VI, VII, VIII Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Инноватика» (Томск, 2009, 2010, 2011, 2012), V Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» (Санкт-Петербург, 2009), III Всероссийской молодежной школе-семинаре с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (Москва, 2009), IV Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2009), III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010), Международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2011), XVIII, XIX Международных научных конференциях «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии» (Новороссийск, 2010, 2011), XVI, XVII, XVIII Международных Симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2009, 2011; Иркутск, 2012), XVI, XVII, XVIII, XIX Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2009, 2010, 2011, 2012), XXV International Laser Radar Conference (2010, Russia, Saint Petersburg).

Публикации

Материалы диссертационной работы в полном объеме опубликованы в научной печати в 24 работах, в том числе в 7 статьях в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК, в 20 тезисах докладов и доложены на 19 международных и всероссийских конференциях.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем диссертации 116 страниц, включая 47 рисунков, 22 таблицы и 119 ссылок на литературные источники.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описываются актуальность, состояние проблемы на настоящее время, определена цель работы, поставлены соответствующие задачи, озвучены научные положения, выносимые на защиту и кратко дано описание структуры диссертации.

В первой главе описываются основные спектроскопические эффекты взаимодействия оптического излучения с атмосферой, применяемые при лазерном зондировании. Взаимодействие лазерного излучения с атмосферой характеризуется разными физическими процессами. В настоящее время методы лазерного зондирования основываются на таких физических явлениях, как рэлеевское рассеяние, рассеяние Ми, комбинационное рассеяние, флуоресценция, поглощение, а также дифференциальное поглощение и рассеяние [1].

Представлены способы реализации метода дифференциального поглощения. Первые измерения с использованием метода дифференциального поглощения проводились Счетлэндом [2], применившим температурную «настройку» длины волны рубинового ла-

зера на линии поглощения водяного пара. Предельная высота зондирования достигла 4,3 км. Дальнейшее развитие метода дифференциального поглощения позволило провести измерения профилей концентрации газов Н20, N0, Б02, 03 и др. [3]. На практике зондирование атмосферы с использованием дифференциального поглощения реализуется двумя способами: лидарным и трассовым.

В лидарном МДП в качестве распределенного отражателя используются молекулы и аэрозоль в атмосфере. В данном режиме возможно дистанционное измерение профилей газовых примесей с пространственным разрешением ДЛ, где А Я определяется длительностью лазерного импульса т: АЯ = ст/2.

При реализации трассового МДП регистрируется отраженный или диффузно отраженный от различных топографических объектов сигнал (в качестве топографических мишеней могут служить либо специальные зеркальные отражатели, либо естественные топообъекты: деревья, здания, холмы и т.д.). В данном случае возможно определение с высокой чувствительностью усредненных по длиие трассы зондирования концентраций газовых примесей по отдельным направлениям, соответствующим азимуту топомишеней.

Приведен обзор работ по применению ПК-источников лазерного излучения для газоанализа атмосферы методом дифференциального поглощения [2, 5-14]. Подробно описываются характеристики широкодиапазонного СО-лазера и лазера на парах стронция, длины волн генерации которых предлагается использовать в качестве источников излучения при проектировании и разработке лидарных систем, приводится краткий анализ данных исследуемых лазерных источников применительно к дистанционному зондированию, спектроскопии и другим областям наук, указаны их основные преимущества и недостатки, а также основные спектральные и энергетические характеристики [15-17].

Во второй главе описывается разработанная программно-алгоритмическая система отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ПК-диапазоне на основе метода дифференциального поглощения. В основу системы включены критерии отбора линий поглощения и алгоритм расчета пропускания атмосферы, представленные в блок-схеме на рис. 1.

Разработанную систему отбора можно разделить на две составляющие - поисковую (светло-серые блоки) и расчетную (темно-серые блоки).

Входными данными являются исследуемый газ, пространственное разрешение лидарных измерений, тип трассы зондирования (горизонтальная, вертикальная или наклонная), ширина линии лазерного излучения и другие параметры при необходимости решения конкретной задачи.

В поисковом блоке самым большим по объему используемой памяти является атлас линий поглощения атмосферных газов [18]. Другая часть этого блока - архив линий излучения различных лазеров ПК-диапазона, содержащий параметры линий генерации С02- и СО-лазеров различного изотопного состава, аммиачного лазера и других.

Расчетный блок позволяет решать следующие взаимосвязанные задачи:

- расчет коэффициентов поглощения и спектров пропускания атмосферы;

- численное моделирование лазерного газоанализа атмосферы;

- расчет систематических ошибок восстановления профилей газовых компонент;

- расчет случайных ошибок восстановления профилей МГС атмосферы;

- выработка требований к параметрам лидара дифференциального поглощения.

Результатом работы системы отбора является таблица лазерных линий излучения,

пригодных для зондирования исследуемой газовой компоненты по МДП. В ней приводятся данные о вариантах организации требуемой длины волны как на основной частоте зондирования, так и на референтной. С учетом этих данных на основе результатов чис-

ленного моделирования и оценки ошибок производится выработка требований к лидару, реализующему метод дифференциального поглощения.

Рис. 1. Общая схема работы программно-алгоритмической системы отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне на основе метода дифференциального поглощения

Разработанная система отбора была апробирована для оценки возможностей лазерного зондирования газовых компонент атмосферы с помощью обертонного СО-лазера. Спектральный диапазон, в котором расположены линии генерации СО-лазера, охватывает участки спектра, которые являются наиболее информативными с точки зрения лазерного зондирования как малых газовых составляющих атмосферы, так и газовых компонент, представляющих собой сильные загрязнители, токсины, взрывчатые или наркотические вещества. Излучение СО-лазера на переходах первого колебательного обертона достаточно плотно перекрывают спектральный диапазон 2,5^,2 мкм [15].

Чтобы изучить возможность применения излучения обертонного СО-лазера для дистанционного лазерного газоанализа атмосферы, был рассчитан спектр пропускания атмо-

сферы. Расчет проводился по методу «line-by-line» с использованием данных о спектральных параметрах линий поглощения основных атмосферных газов для приземной трассы зондирования длиной 1 км и стандартной модели атмосферы (лето, средние широты (Н20 -15600 млн ', С02 - 338 млн"1, озон - 30 млрд"1, СН4 - 1,7 млн"1, N20 - 0,3 млн"1, Н2СО -2,5 млрд"1, N02 - 3,7 млрд"')). Вычислеиия проводились для линий излучения обертонного СО-лазера с шагом по частоте 0,001 см"1 в предположении, что ширина линий лазерного излучения 0,01 см"1. Результаты этих расчетов представлены на рис. 2.

3.0 3.2 3.4 3.6 Длина волны, мкм

Рис. 2. Коэффициент пропускания излучения импульсного обертонного СО-лазера, действующего в частотно-селективном режиме, при перестройке длины волны излучения

на трассе длиной 1 км

С помощью разработанной программно-алгоритмической системы отобраны линии излучения обертонного СО-лазера, пригодные для зондирования четырех МГС атмосферы (двуокись азота, закись азота, метан и формальдегид).

Закись азота 1ч120. В диапазон спектра 2,5-4,2 мкм попадает 30 полос 1Ч20. На рис. 3 представлены линии поглощения Ы20 и водяного пара на приземной трассе длиной 1 км в области спектра, в котором проходил отбор длин волн зондирования закиси азота, а также линии лазерного излучения, на которых происходит генерация обертонного СО-лазера в рассматриваемом диапазоне длин волн. Отобраны следующие линии излучения первого обертона СО-лазера, пригодные для зондирования закиси азота: Р(17), Р(18), Я(20) лазерного перехода 34—32 и Р(06) лазерного перехода 35-33.

/»(12) 34-32 1,0

Р(20) 34-32

¡0,6

® 0.4 И

0.2

jyp

Р(04) 35-33

Я(11)35-33

-нго

-NO

3.85 3,86 3,87 Длина волны, мкм

1.0-

0,8 -

х>

a 0,6

0,4-

С 0,2-

о-1

-НО -N,0

3,87

3,88 3,89 Длина волны, мкм

3,90

Рис. 3. Спектры пропускания атмосферы отдельных атмосферных газовых компонент: водяной пар (лето средних широт), 1М20 (1,5 млн"1), и положение линий излучения переходов 34-32, 35-33 первого обертона СО-лазера 9

Метан СН4. Для зондирования метана по МДП можно использовать полосы поглощения в ближней и средней ИК-областях спектра. Среди линий излучения обертонно-го СО-лазера нами были отобраны семь линий, пригодных для зондирования метана на приземной трассе. Отметим, что среди этих линий можно выделить линии Р(09) перехода 28-26 и Р(05) перехода 26-24 первого обертона СО-лазера. Применение для зондирования метана этих линий позволяет определять его фоновое содержание на атмосферных трассах различной протяженности: линию Р(09) можно использовать на трассах 1 км, а более мощную линию поглощения метана Р(05) на коротких трассах длиной до 100 м. Спектры пропускания атмосферы в области выбранных длин волн зондирования метана представлены на рис. 4.

Р(04) 28-26

1.0- п Í

0,8- 1 1

!5 0,6 в

& 2 0,4

0,2-

Р(13)2

Р(05)26-24

Д11) 26-24

3,42

3.43 3,44 3,45

Длин.! волны, мкм

331

3,32 3,33

Длина волны, мкм

Рис. 4. Спектры пропускания атмосферы отдельных атмосферных газовых компонент: водяной пар (лето средних широт), СН4 (1,72 млн*1), и положение линий излучения переходов 28-26, 26-24 первого обертона СО-лазера

Формальдегид Н2СО. Выбор линий излучения для зондирования формальдегида оказался сложной задачей, так как в диапазон излучения обертонного СО-лазера попадают 7 полос поглощения основного изотопа Н2СО (1161 линия). При выборе информативных длин волн зондирования анализировались участки спектра (рис. 5), в которых располагаются наиболее сильные линии поглощения формальдегида. Отобраны 4 линии излучения первого обертона СО-лазера, пригодные для зондирования формальдегида: Р(10), Р(13),Р(18),Р(24) перехода 30-28.

Р(07) 30-28 1,0

Я(24) 30-28

3,55

3,56 3,57

Длина волны, мкм

3,58

3,59

3.60 3,61 3,62 3,63 Длина волны, мкм

Рис. 5. Спектры пропускания атмосферы отдельных атмосферных газовых компонент: водяной пар (лето средних широт), Н2СО (1 млн"1), и положение линий излучения перехода 30-28 первого обертона СО-лазера 10

Двуокись азота N02. В результате отбора длин волн, пригодных для зондирования N02 (рис.6), выбраны 4 линии излучения обертонного СО-лазера: Р(06), Д14), Р(18), Р( 19) перехода 28-26. Следует отметить, что все приведенные линии позволяют работать в условиях атмосферы лета средних широт. Причем для всех перечисленных линий, кроме Р{06), вклад мешающего поглощения водяного пара составляет менее 5%.

/>(14) 28-26 Я20) 28-26

Р(04) 28-26

1,0-,

0.8-

Я(08) 28-26

2 о,б

о &

2 0,4-| с

0,2

3.45

Длина волны, мкм

3,44

3,47 3,48 3,49

Длина волны, мкм

Рис. 6. Спектры пропускания атмосферы отдельных атмосферных газовых компонент: водяной пар (лето средних широт), Ы02 (1 млн-1), и положение линий излучения перехода 28-26

первого обертона СО-лазера

Обобщенный результат отбора лазерных линий излучения, пригодных для зондирования исследуемых в работе газовых компонент по МДП, представлен в табл. 1. В ней указаны центры линий поглощения (в воздухе) атмосферных газов УПОгл> и ближайшие к ним центры линий излучения (в воздухе) СО-лазера Уизл, а также величина отстройки Ду между центрами линий поглощения и излучения. Представлены коэффициенты пропускания Гмгс (концентрация СН4 - 1,7; N20 - 1,5; Н2СО и N02 - 1 млн-1) на приземной трассе 1 км при поглощении только исследуемым газом и коэффициент пропускания мешающих газов, типичных для лета средних широт (Н20 - 15600 млн-1, С02 - 338 млн'1, озон - 30 млрд-1, СН4- 1,7 млн-1, Ы20 - 0,3 млн-1, Н2СО - 2,5 млрд-1, N02 - 3,7 млрд-1).

Таблица I. Линии излучения, наиболее пригодные для зондирования малых газовых составляющих атмосферы обертонным СО-лазером

Газ /-И3.1., МКМ Уизл. > см-1 ^ПОГЛ.) МКМ У|ЮГЛ.) см-1 Ду, см 1 Тмгс *меш .погл.

СН4 3,44030 2906,723 3,44037 2906,664 0,059 0,80 0,93

Ы20 3,87790 2578,715 3,87789 2578,719 0,0042 0,70 0,96

Н2СО 3,56340 2806,309 3,56332 2806,371 0,062 0,60 0,98

N02 3,42820 2916,983 3,42823 2916,956 0,027 0,70 0,80

Проанализировано влияние ширины линии лазерного излучения на погрешность расчета профилей эффективных коэффициентов поглощения, т.е. проведено исследование систематических ошибок, возникающих за счет этого фактора. Приведены рассчитанные профили возникающих из-за неучета ширины линии лазерного излучения при зондировании метана, закиси азота систематических ошибок априорного расчета профиля коэффициента поглощения для пяти моделей атмосферы (тропические широты, лето средних широт, зима средних широт, зима полярных широт и лето полярных широт)

в предположении, что ширина линии лазерного излучения равна 0,01 см"1 (для обертон-ного СО-лазера).

В третьей главе представлены результаты численного моделирования лидарного сигнала при зондировании исследуемых в работе газовых компонент (метан, закись азота, двуокись азота и формальдегид) с помощью обертонного СО-лазера. Входные данные для проведения численного моделирования представлены в табл. 2.

Таблица 2. Входные данные для проведения численного моделирования дистанционного газоанализа атмосферы с помощью обертонного СО-лазера

Параметр лидарной системы Значение параметра

Площадь приемника А„ри^„{0 = 0.3 м) 700 см2 = 7 -10~8 км2

Ширина аппаратной функции 0,01 см"1

Эффективность приемной системы 0,3

Пространственное разрешение ДЛ 1 км

Пиковая мощность лазера 20- 103 Вт

Диапазон перестройки лазера. 2,5-4,2 мкм

Коэффициент обратного аэрозольного рассеяния 2,3 ■ 10"3 км"1

ИЕР фотодетектора 1 ■ 10-9 Вт

В табл. 3 представлены рассчитанные для вертикальных трасс пространственно и спектрально разрешенные лидарные эхосигналы в диапазоне высот 0-5 км в области выбранных длин волн зондирования следующих газовых компонент атмосферы: СН4, Н2СО, N02 и N20. Также в таблице отмечены линии излучения обертонного СО-лазера (on-line) и близлежащие линии излучения данного лазерного источника, которые могут быть использованы в качестве референтных (off-line) для реализации зондирования по методу дифференциального поглощения.

Таблица 3. Лидарные сигналы для пар длин волн, пригодных для зондирования малых газовых составляющих в области генерации обертонных частот излучения СО-лазера

Газ Длина волны, мкм Высота, км

1 1 2 | 3 | 4 | 5

Мощность лидарного сигнала, Вт

СН4 3,4445 off-line 8,99-10'7 1,22-10"7 4,25-10"8 1,29-10"8 4,69-10"9

3,4403 on-line 8,91 -10"7 9,95-10"8 4,01-10"8 9,83-10"9 3,09-10"9

NO2 3,4361 off-line 8,59-10"7 1,23-10~7 4,3 8-10"8 1,35-10~8 4,93-10"9

3,4282 on-line 7,80-10"7' 4,24-10"8 1,61-10"8 5,38-Ю"9 2,10-10"9

n2o 3,8826 off-line 1,13-Ю"6 1,54-10"7 5,27-10"4 1,58-10~8 5,66-10"9

3,8779 on-line 9,93-10"7 9,66-10"8 3,67-Ю"8 1,01-10'8 4,02-10"9

Н2СО 3,5590 off-line 4,47-10"7 6,75-10"8 2,56-10"8 8,49-10"9 3,30-10"9

3,5634 on-line з,зно~7 4,63-10"8 1,64-10'8 5,14-Ю"9 1,90-10"9

Видно, что во всем рассматриваемом диапазоне высот 0-5 км при заданных входных параметрах (представленных в табл. 2) уровень лидарных эхосигналов для всех исследуемых газов превышает уровень эквивалентной мощности шума фотоприемника NEP = Ю-9 Вт.

Чтобы определить возможность применения излучения многоволнового Sr-лазера для дистанционного зондирования МГС атмосферы, были рассчитаны спектры пропускания атмосферы. Расчет проводился по методу «line-by-line» с использованием данных о спектральных параметрах линий поглощения основных атмосферных газов для приземной трассы зондирования длиной 1 км и стандартной модели атмосферы лета средних широт (Н20 - 15600 млн"1, С02 - 338 млн"1, озон - 30 млрд"', СН4 - 1,7 млн"1, N20 -0,3 млн"1, Н2СО - 2,5 млрд"1, N02 - 3,7 млрд"1).

Для отбора линий излучения Sr-лазера, пригодных для зондирования МГС атмосферы по МДП, была применена разработанная программно-алгоритмическая система, подробно изложенная в главе 2.

Результаты этих расчетов представлены в табл. 4. Анализ результатов показал, что аналогично с обертонным СО-лазером часть линий излучения стронциевого лазера проблематично 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.

Таблица 4. Длина волны, волновое число, интенсивность линий излучения Sr-лазера и пропускание на них для 1-км приземной трассы зондирования

Длина волны в воздухе, мкм Длина волны в вакууме, мкм Волновое число в вакууме, см"' Интенсивность излучения лазера, отн. ед. Пропускание на 1-км трассе (водяной пар)

1,0330 1,0332 9677,909 12000 0,99988

1,0914 1,0917 9160,026 10000 0,99964

2,6915 2,6922 3714,387 100000 0

2,9225 2,9233 3420,795 125000 0

3,0110 3,0118 3320,250 140000 0,64634

Сильные линии поглощения водяного пара в области 2,69 и 2,92 мкм перспективны для измерения профилей концентраций влажности атмосферы на атмосферных трассах длиной до 100 м. При этом линии излучения с центрами 1,0330 и 1,0914 мкм можно использовать в качестве референтной частоты (см. табл. 4). Проанализировав результаты, сделали вывод, что использование линий поглощения водяного пара и совпадающих с ними линий генерации Б г-лазера 2,6915 и 2,9225 мкм дает возможность определять фоновые концентрации водяного пара на трассах длиной до 100 м.

На рис. 7 приведены спектр пропускания водяного пара и НСЫ на 1-км приземной трассе и положение линии излучение 8г-лазера в области 3,011 мкм, которая попадает практически точно в центр линии поглощения синильной кислоты НСЫ.

Как показали результаты расчетов, линия излучения стронциевого лазера в области спектра 3,011 мкм может быть использована для обнаружения на трассах длиной 1 км выбросов HCN на уровне 0,1 млн"1.

Длина волны, мк.ч

Рис. 7. Спектр пропускания водяного пара и НСИ на 1-км приземной трассе и положение линий излучения Бг (мощная линия 3,011 мкм) в области линии поглощения НСЫ

В четвертой главе представлены экспериментальные результаты по лазерному зондированию метана и закиси азота в смесях с азотом обертонным СО-лазером. Концентрация исследуемой газовой компоненты в измерительной кювете составляла 1%. Эксперименты проводились на линиях излучения обертонного СО-лазера. Результаты экспериментов показывают хорошее соответствие рассчитанных значений с измеренными, кроме нескольких неинформативных длин волн, где значения существенно расходятся. Это расхождение может быть вызвано влиянием остаточного мешающего поглощения водяного пара в измерительной кювете.

Также представлены экспериментальные результаты по лазерному зондированию той же смеси газов с использованием трассовой схемы МДП, где в качестве отражателя использовалась искусственная топомишень. На данном этапе были измерены поглощение и суммарное ослабление рассеянного от топографической мишени излучения, прошедшего через среду с исследуемым газом, с помощью криогенных фоторезисторов типа «СВОД». Оптическая- схема экспериментов по измерению коэффициента ослабления излучения обертонного СО-лазера в метане и закиси азота представлена на рис. 8.

В кювету при давлении 1 атм напускалась смесь газов: исследуемые газовые составляющие с азотом (Ы20:Ы2, СН4^2) в пропорции 1:24 при концентрации поглощающего газа 4%. Первый калориметр (ОРНЖ ЗА-БН) регистрировал энергию лазерного излучения Е0 до прохождения луча через поглощающую кювету длиной 10 см. После прохождения лазерного луча через кювету часть лазерного излучения направлялась на второй калориметр (ОРШИ. ЗА-5Н)/ИКС (инфракрасный спектрометр) посредством отражения от плоскопараллельной пластины СаР2. Второй калориметр измерял энергию лазерного луча Е, прошедшего через поглощающую кювету. Поглощение излучения рассчитывалось в соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бэра. Другая часть лазерного излучения направлялась на топоцель, расположенную вслед за пластиной СаР2. В качестве топоцели использовался диффузнорассеивающий отражатель с альбедо 0,8. Фоторезистором «СВОД» регистрировались энергия излучения, прошедшего через среду с исследуемым газом, и потерявшаяся часть излучения при отражении от топоцели.

Результаты измерений ослабления для закиси азота и метана представлены на рис. 9.

Не-Ке-Штр

СО—Лазер

Дпфр

решетка

V-

икс;

ОРНШ ЗА-Ш

фотореэигтор

«СВОД»

Ног пощзницая кювета ' ( I =10 см)

.<¡6 20 >

Топоцель

И 250 мм

ОЕШНЗА-Ш

Рис. 8. Схема экспериментальной установки для измерения ослабления рассеянного от топографической мишени излучения, прошедшего через среду с исследуемым газом

0.12

0.08

я 0.04

■е-•е-

& 0.00

I )В

[,..........I Поглощение

ЙЙЙЙ&З Ослабление

к 0.20 п 5

I 0.15-1 я

0.10

3.84 3.86 3.88 3.90 3.92 Длина волны, мкм

0.05

0.00

Расчет

Поглощение

Ослабление

3.33 3.36 3.39 3.42

Длина волны, мкм

3.45

Рис. 9. Расчетные и экспериментальные значения ослабления рассеянного от топографической мишени излучения обертонного СО-лазера на линиях поглощения закиси азота (а) и метана (б)

Видно, что измеренные (поглощение и ослабление) и рассчитанные (поглощение) значения согласуются во всем спектральном интервале, в котором произведены измерения. Некоторые расхождения расчета и измерений поглощения метана можно объяснить влиянием остаточного мешающего поглощения водяного пара в измерительной кювете либо неоднородностью рассеянного излучения. Погрешность измерения величины энергии излучения калориметром ОРНШ ЗА-БН не превышала 5%.

Решена обратная задача восстановления концентраций метана и закиси азота в поглощающей кювете 10 см с помощью обертонного СО-лазера при анализе полученных в ходе выполнения эксперимента коэффициентов поглощения. Результаты восстановления концентрации и сравнение с теоретическими данными приведены в табл. 5 и отображены на рис. 10.

Таблица 5. Обратная задача восстановления концентраций закиси азота и метана при работе на выбранных длинах волн

]м2о

Длина волны, мкм Волн, число, см"1 Энергия импульса излучения, мДж Коэфф. погл. (расчет), см"1 Коэфф. погл. (экспер), см-1 Концентр, (калиброванная смесь), % Концентр. (экспер.), % Погрешность нахождения концентрации, %

3,877 2578,715 1,97 0,1178 0,0953 4 4,2 5

сн4

Длина волны, мкм Волн, число, См"1 Энергия импульса излучения, мДж Коэфф. погл. (расчет), см"1 Коэфф. погл. (экспер), см-' Концентр, (калиброванная смесь), % Концентр. (экспер.), % Погрешность нахождения концентрации, %

3,440 2906,723 17,2 0,0247 0,0078 4 5,1 28

! Калибров, смесь

1 Эксперимент

СН 4 1Ч20

Рис. 10. Восстановление концентраций закиси

—11-•-1- азота и метана при работе на выбранных

0-1-•—-//—•-■--, ----- г г

3 40 3.45 3.85 3.90 длинах волн зондирования излучением

Длина волны, мкм _обертонного СО-лазера

Из таблицы и рисунка видно, что на точность восстановления концентраций большое влияние оказывает точность измерения коэффициентов поглощения исследуемых газовых компонент.

Проведены модельные эксперименты по измерению профилей влажности атмосферы с помощью созданного лидара дифференциального поглощения (рис. 1) на основе отпаянного стронциевого лазера.

В лидаре излучение 8г-азера последовательно на линии Х„„ поглощения и вне линии через диафрагму с помощью выходного зеркала посылается на трассу. В качестве длины волны с сильным поглощением выбрана линия излучения Х„„ = 3,0110 мкм, а в качестве референтной 1,0917 мкм. Требуемая длина волны задается дифракционной решеткой. Длина трассы составляет 11 м (в один конец). Место расположения установки не позволило выбрать измерительную трассу большей длины. На конце трассы расположен зеркальный отражатель. Отраженное излучение собирается телескопом, собранным по схеме Кассегрена, с приемным зеркалом диаметром 0,25 м. В качестве приемника используется фотодиод ФД-38. Часть излучения с помощью пластин из СаР2 отводится на пироприемник для контроля мощности излучения, посылаемого в атмосферу, и моно-хроматор МДР-204 для контроля длины волны выходного излучения.

Рис. 11. Блок-схема лидара (1 - Бг-лазер; 2 - Не-Ые-лазер; 3 - кювета с парами воды; 4 - дифракционная решетка; 5 - выходное зеркало; б - зеркальный отражатель; 7 - приемный телескоп; 8 - фотодиод; 9 - пироприемник; 10 - поворотное зеркало; 11 - подвижное зеркало; 12 - диафрагма; 13 - полупропускающая пластина)

Для контроля результатов измерений влажности использовались два психрометра, расположенные на разных концах измерительной трассы. Был проведен ряд измерений влажности. На рис. 12 представлены результаты тестовых измерений влажности за 19.04.2011.

с; ш

50 -45 -40 -35 -

Т- ' т '

-о—О—о-

-г~ 12

—I— 14

—I—

1в

—I— 18

Время, час.

Рис. 12. Результаты измерений влажности в натурных атмосферных условиях двумя методами с помощью психрометра и лидара (психрометр - треугольники и квадраты, лидар - кружки)

Как видно из рис. 12, данные измерений двумя методами (психрометр и лидар) находятся в удовлетворительном согласии (полученные расхождения не превышают 10%). При этом расхождения в показаниях психрометров на разных концах трассы зондирования объясняются погрешностью этих приборов, которая составляет для измеренной влажности около 5,5%.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработана программно-алгоритмическая система отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне на основе метода дифференциального поглощения, которая позволяет проводить оценку эффективности лазерного зондирования атмосферы и вырабатывать требования к спектрально-энергетическим параметрам лидаров.

2. Данная система апробирована для линий излучения обертонного СО-лазера и Sr-лазера.

3. Рассчитаны спектры пропускания в микроокнах прозрачности атмосферы при использовании в качестве источника излучения обертонного СО-лазера в диапазоне 34 мкм, близ сильных полос поглощения газовых составляющих, исследуемых в работе: метан, закись азота, формальдегид и двуокись азота.

4. В поисковой части разработанной системы на основании четырех критериев отбора найдены линии излучения рассматриваемых в работе лазерных источников, пригодные для дистанционного зондирования исследуемых газовых составляющих.

5. Для пяти атмосферных моделей проведен расчет систематических ошибок влияния ширины линии лазерного излучения на точность расчета профилей эффективных коэффициентов поглощения.

6. Проведенное численное моделирование дистанционного зондирования метана, закиси азота, двуокиси азота и формальдегида подтверждает перспективность применения информативных длин волн обертонного СО-лазера во всем рассматриваемом диапазоне высот 0-5 км. Как показывают результаты моделирования, уровень лидарных эхо-сигналов для всех исследуемых газов превышает уровень эквивалентной мощности шума фотоприемника 10~9Вт, что позволит проводить исследования указанных газовых составляющих на приземных тропосферных трассах.

7. С помощью численного моделирования дистанционного газоанализа атмосферы с использованием линий излучения Sr-лазера показана возможность определения фоновых концентраций водяного пара на коротких трассах 1-100 м с использованием длин волн 2,6915 и 2,9225 мкм в качестве on-line длины волны и с использованием в качестве референтных длин волн 1,0330 и 1,0914 мкм. Показана возможность использования линии излучения стронциевого лазера 3,0110 мкм для дистанционного определения синильной кислоты (HCN) на трассе до 1 км на уровне 0,1 млн-1.

8. Проведенные исследования по измерению поглощения и ослабления линий излучения обертонного СО-лазера в смесях с исследуемыми газами при двух различных конфигурациях схемы проведения эксперимента дают хорошее соответствие рассчитанных значений с измеренными, кроме нескольких неинформативных длин волн. Это расхождение может быть вызвано влиянием остаточного мешающего поглощения водяного пара в измерительной кювете либо неоднородностью рассеянного от топомишени лазерного излучения, прошедшего через среду с исследуемой смесью газов.

9. Для выбранных длин волн зондирования проведены исследования поглощения парами воды излучения Sr-лазера. Измеренные значения хорошо согласуются с расчетными значениями.

10. Проведены эксперименты по измерениям в натурных условиях профилей влажности атмосферы с помощью созданного лидара дифференциального поглощения на основе отпаянного стронциевого лазера. Измерения проводились по трассовой схеме МДП. Измеренные лидарной установкой профили влажности сравнены с профилями влажности, которые фиксировались параллельно двумя психрометрами, расположенными на двух концах трассы, на которой проводились эксперименты.

Основные публикации по теме диссертации

1. Ионин A.A., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Котков A.A., Романовский O.A., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Харченко О.В., Шелестович A.B., Яковлев C.B. Широкодиапазонный СО-лазер в задачах лазерного зондирования малых газовых составляющих атмосферы // Изв. вузов. Физика. 2008. № 11. С. 85-92.

2. Яковлев C.B., Романовский O.A., Харченко О.В. Применение обертонного СО-лазера для газоанализа атмосферы // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2010. № 01. С. 15-18.

3. Ionin A.A., Klimachev Yu.M., Kozlov A.Yu., Kotkov A.A., Romanovskii O.A., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V., Kharchenko O.V., Yakovlev S.V. Wideband CO laser in problems of laser sensing of minor gaseous components in the atmosphere // 25th Int. Laser Radar Conf. St.-Petersburg, Russia, 2010. P. 251-255.

4. Яковлев C.B., Романовский O.A., Харченко O.B. Лидарное зондирование атмосферных газов с помощью лазера, работающего на первом колебательном обертоне молекулы окиси углерода // Междунар. конф. «Лазеры. Измерения. Информация»: Труды конф. Т. 3. Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2011. С. 38-46.

5. Бочковский Д.А., Романовский O.A., Харченко О.В., Яковлев C.B. Возможности лидарного зондирования МГС и метеопараметров атмосферы с помощью многоволнового лазера на парах стронция // Междунар. конф. «Лазеры. Измерения. Информация»: Труды конф. Т. 3. Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2011. С. 47-54.

6. Бочковский Д.А., Васильева A.B., Матвиенко Г.Г., Полунин Ю.П., Романовский O.A., Солдатов А.Н., Харченко О.В., Юдин H.A., Яковлев C.B. Применимость лазера на парах стронция для решения задач лазерного зондирования газового состава атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24. № 7. С. 295-301.

7. Романовский O.A., Харченко О.В., Яковлев C.B. Методические аспекты лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы по методу дифференциального поглощения // Ж. прикл. спектроскопии. 2012. Т. 79, № 5. С. 799-805.

8. Бочковский ДА., Васильева A.B., Долгий С.И., Матвиенко Г.Г., Полунин Ю.П., Романовский O.A., Солдатов А.Н„ Харченко О.В., Юдин H.A., Яковлев C.B. Возможности применения многоволнового стронциевого лазера для дистанционного газоанализа атмосферы // Прикладная физика. 2012. № 4. С. 100-106.

9. Полунин Ю.П., Романовский O.A., Солдатов А.Н., Харченко О.В., Юдин H.A., Яковлев C.B. Многоволновой лазер на самоограниченных переходах стронция в задачах дистанционного газоанализа атмосферы // Изв. вузов. Физика. 2012. № 4. С. 95-102.

10. Ионин A.A., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Котков A.A., Матвиенко Г.Г., Романовский O.A., Харченко О.В., Яковлев C.B. Возможности применения обертонного СО-лазера для дистанционного газоанализа атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 8. С. 702-707.

Список цитируемой литературы

1. Межерис P.M. Лазерное зондирование атмосферы. М.: Мир, 1987. 550 с.

2. Schotland R.M. The detection of the vertical profile of atmospheric gases by means of a ground-based optical radar // Proc. of the 3rd Sympos. on Remote Sensing of the Environment. Michigan, 1964. P. 215-224.

3. Fujii Т., Futuchi Т., Goto N., Nemoto K., Takeuchi N. Dual differential absorption li-dar for the measurement of atmospheric SC>2of the order of parts in 109II Appl. Opt. 2001. V. 40, N. 6. P. 949-956.

4. Васильев Б.И., Маннун У.М. ИК лидары дифференциального поглощения для экологического мониторинга окружающей среды // Квант, электрон. 2006. Т. 36, № 9. С. 801-820.

5. Duarle F.J. Tunable Lasers: Hand Book. New York: Acad. Press, 1995. 476 p.

6. Городничев B.A., Кознщев В.И. Мониторинг загрязнений атмосферы с помощью лидара дифференциального поглощения в инфракрасной области спектра // Оптика атмосф. и океана. 1994. Т. 7, № 10. С. 1410-1414.

7. Menyuk N., Killinger D.K. Atmospheric remote sensing of water vapor, HC1 and CH4 using a continuously tunable Co:MgF2 laser // Appl. Opt. 1987. V. 26, N. 15. P. 3061 3065.

8. Prasad C.R. et. al. Tunable IR differential absorption lidar for remote sensing of chemicals // Proc. SPIE 1998. V. 3757. P. 87-95.

9. Ambrico P.F., Amodeo A. et. al. Tunable Lidar System Based on IR OPA Laser Source//Proc. SPIE 1998. V. 3504. P. 111-118.

10. Agroskin V.Y. et. al. Multifrequency Sounding With DF Laser-Based Lidar System: Preliminary Results // Proc. SPIE 2004. V. 5416. P. 245-252.

11. Philippov P.G. et. al. DIAL infrared lidar for monitoring of main pipelines and gas industry objects // Proc. SPIE 1998. V. 3504. P. 119-127.

12. Geiger A.R. et. al. Mid-infrared multi-wavelength source for lidar applications // Proc. SPIE 1998. V. 3380. P. 63-69.

13. Romanovskii O.A., Kharchenko O.V. Application of airborne lidars based on mid-IR gas lasers for gas analysis of the atmosphere // Proc. SPIE 2004. V. 5743. P. 441^448.

14. Lee S.W. et. al. Concentration measurements of methane source with an OPO-based differential absorption lidar system // Proc. SPIE 1999. V. 3757. P. 96-102.

15. Басов Н.Г., Ионин A.A., Котков А.А. и др. Импульсный лазер на первом колебательном обертоне молекулы СО, действующий в спектральном диапазоне 2,5^1,2 мкм. 2. Частотно-селективный режим // Квант, электрон. 2000. Т. 30, № 10. С. 859-872.

16. Солдатов А.Н. , Филонов A.F. , Полунин Ю.П. , Васильева А.В. Лазерная система «генератор-усилитель» на парах стронция со средней мощностью более 20 Вт // Оптика атмосф. и океана. 2008. Т. 21, № 8. С. 666-668.

17. Vasiljeva A.V., Polunin Yu.P., Soldatov A.N., Romanovskii О.A., Kharchenko O.V., Yudin N.A. The possibilities of a strontium vapor laser using for laser sensing of minor gaseous components of the atmosphere // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2009. V.18, N. 2. P. 108-113.

18. Rothman L.S., Gordon I.E., Barbe A. et. al. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2009. V. 110, N. 9. P. 533- 572.

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 26.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН. 634055, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1. Тел. (382-2) 491-093.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Яковлев, Семен Владимирович, Томск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ ИМ. В. Е. ЗУЕВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

(ИОА СО РАН)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НИ ТГУ)

На правах рукописи 1

04201358878

ЯКОВЛЕВ СЕМЕН ВЛАДИМИРОВИЧ

ДИСТАНЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗ АТМОСФЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

МНОГОВОЛНОВЫХ ИК-ЛАЗЕРОВ

Специальность 01.04.05 - оптика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель к.ф.-м.н., доцент Романовский Олег Анатольевич Научный консультант д.ф.-м.н., профессор Матвиенко Геннадий Григорьевич

Томск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1

ЛИДАРНЫЙ МЕТОД ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ 15

1.1. Основные спектроскопические эффекты взаимодействия оптического излучения с атмосферой, применяемые в лазерном зондировании 17

1.2. Лидарный метод дифференциального поглощения 20

1.3. Анализ применения источников лазерного излучения для газоанализа атмосферы по методу дифференциального поглощения 25

1.3.1. Общий обзор работ по применению ИК-источников лазерного излучения для дистанционного газоанализа атмосферы по методу дифференциального поглощения 25

1.3.2. Широкодиапазонный импульсный СО-лазер в задачах лазерного зондирования атмосферы 33

1.3.3. Исследования режимов работы Бг-лазера в информативных ИК-областях спектра 1 мкм и 3 мкм 40

1.4. Краткие выводы по 1 главе 48

ГЛАВА 2

МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЛАЗЕРНОГО ГАЗОАНАЛИЗА

АТМОСФЕРЫ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ 49

2.1. Система отбора лазерных линий излучения, пригодных для

газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне

на основе метода дифференциального поглощения 49

2.1.1. Требования, предъявляемые к отбору линий поглощения 50

2.1.2. Требования, предъявляемые к расчету пропускания атмосферы 53

2.1.3. Алгоритм работы автоматизированной системы отбора лазерных линий излучения 55

2.2. Результаты поиска линий излучения, наиболее пригодных для зондирования малых газовых составляющих атмосферы обертонным СО-лазером 58

2.3. Критерии потенциальных возможностей лазерного зондирования малых газовых составляющих атмосферы по методу

дифференциального поглощения 71

2.3.1. Источники погрешностей метода дифференциального поглощения 71

2.3.2. Учет влияния ширины линии лазерного излучения на точность определения профилей эффективных коэффициентов поглощения 74

2.4. Краткие выводы по 2 главе 76 ГЛАВА 3

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИСТАНЦИОННОГО ЛАЗЕРНОГО ГАЗОАНАЛИЗА АТМОСФЕРЫ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ 78

3.1. Численное моделирование дистанционного газоанализа

атмосферы с помощью обертонного СО-лазера 78

3.1.1. Характеристики условий численного моделирования 78

3.1.2. Результаты моделирования дистанционного газоанализа

атмосферы с помощью обертонного СО-лазера 79

3.2. Численное моделирование дистанционного газоанализа

атмосферы с помощью Бг-лазера 82

3.2.1.Результаты численного моделирования дистанционного газоанализа

атмосферы с помощью обертонного 8г-лазера 83

3.3. Краткие выводы по 3 главе 86 ГЛАВА 4

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ЛАЗЕРНОМУ ЗОНДИРОВАНИЮ ГАЗОВОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ 87

4.1. Эксперименты по лазерному зондированию газового состава атмосферы обертонным СО-лазером 87

4.2. Эксперименты по лазерному зондированию газового состава атмосферы стронциевым лазером 95

4.2.1. Результаты измерения поглощения излучения стронциевого лазера 95

4.2.2. Эксперименты по лазерному зондированию профилей влажности атмосферы 98

4.3. Краткие выводы по 4 главе 100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 105

ВВЕДЕНИЕ

Загрязнение воздуха многочисленными веществами вызывает в современном мире все возрастающее беспокойство. Сейчас практически все локальные источники загрязнений (промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство) дают вклад в явления регионального и глобального масштаба. Достаточно упомянуть вредное действие загрязнений на человека (токсическое, канцерогенное, мутагенное), токсическое действие на микрофлору почвы и растения, разрушающее действие на здания, памятники архитектуры и искусства, уменьшение прозрачности атмосферы и снижение видимости, потока солнечной радиации, увеличение влажности воздуха, количества туманов. Антропогенные загрязнения являются одной из причин разрушения озона, образования смога, выпадения кислотных дождей, изменения климата. В последние десятилетия на загрязнение атмосферы все более влияет авиационный транспорт (разрушение озонового слоя, образование перистых облаков, специфический климат в зоне крупных аэропортов).

Для успешного применения экономических и других мер, направленных на уменьшение вредных выбросов, необходимо сначала научиться точно контролировать уровень загрязнений и надежно идентифицировать их источник. С этой целью следует непрерывно определять содержание в воздухе нескольких ключевых загрязняющих веществ, т.е. осуществлять их пространственно-временной количественный мониторинг. Отметим, что в реальности часто приходится иметь дело с невозможностью прямого отбора проб воздуха с последующим анализом в лаборатории. В этой связи становятся особенно актуальными приборы дистанционного зондирования. В настоящее время все возрастающий интерес вызывают методы количественного газоанализа многокомпонентных смесей с помощью лазеров. Стоит напомнить, что большинство молекулярных газовых лазеров обладают развитым дискретным спектром очень узких линий генерации при достаточной интенсивности и стабильности излучения, что является безусловным их преимуществом перед другими видами лазеров в дистанционном мониторинге атмосферы. Возникает

естественный вопрос - какой из лазеров является наилучшим и по каким параметрам? Чтобы ответить на этот вопрос, следует рассмотреть преимущества и недостатки основных лазерных источников, которые применяются в лидарных системах в настоящее время. Основными характеристиками являются: чувствительность и селективность детектирования конкретной газовой составляющей атмосферы, диапазон генерации, ширина линии лазерного излучения, число лазерных линий, типичный коэффициент поглощения в атмосфере и др. Развитие лазерной ИК-спектроскопии требует разработки и внедрения в лидарные системы новых источников излучения, способных генерировать это излучение в более широком диапазоне длин волн с малым шагом перестройки частоты.

Немаловажным критерием является и методика, которая применяется при дистанционном газоанализе атмосферы. 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. Данным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют лазерные методы исследования газового состава атмосферы, основанные на использовании таких спектроскопических эффектах 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. Суть метода (в литературе: метод дифференциального поглощения (МДП) или Differential absorption lidar (DIAL)) заключается в том, что информация о концентрациях исследуемого газа вдоль трассы зондирования извлекается из сравнения регистрируемых лазерных эхо-сигналов в узком участке спектра на двух длинах волн, одна из которых находится в линии (или полосе) поглощения исследуемой газовой компоненты,

а вторая расположена в области либо слабого, либо полного отсутствия поглощения. При этом длины волн зондирования должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы спектральными вариациями рассеивающих свойств атмосферы можно было пренебречь. 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]. Профили влажности в работе [2] были измерены до высоты около 4 км. Дальнейшее совершенствование лидарных систем на основе рубинового лазера и применение высокоэффективных алгоритмов обработки лидарных сигналов позволило поднять потолок зондирования профилей влажности до 17 км [3]. Ошибки измерений по МДП впервые были проанализированы Счетлэндом в 1974 году [4], и в дальнейшем анализировались в ряде работ [5-9], но эти исследования либо носили упрощенный характер, либо ограничивались анализом конкретных линий поглощения. В средней инфракрасной области спектра таких исследований не проводилось.

В последующие годы в инфракрасной области спектра проводились измерения профилей водяного пара в области генерации С02-лазера, трасса зондирования при этом в случае прямого детектирования не превышала 2 км [10]. Существенно повышает возможности лидара использование когерентного приема лидарного сигнала [11], но подобные лидары являются в настоящее время уникальными. Измерялись также профили концентрации двуокиси азота [12, 13], двуокиси серы [14], озона [15, 16], закиси азота [17, 18], а также хлороводорода и метана [18].

Современные лидары дифференциального поглощения, как правило, позволяют контролировать лишь несколько газовых компонент атмосферы (см., например, [19]). Используемые в их составе такие источники излучения, как С02-, ББ- (Ш7-) 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 РЖ-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.

В настоящее время лазерное зондирование малых газовых составляющих по МДП принципиально реализовано, однако, из-за технической сложности лидаров измерения проводились только периодически. Одной из важных задач, решаемых в работе, являлась задача повышения эффективности и информативности каждого измерения, решение которой возможно путем анализа методических аспектов лазерного зондирования газового состава атмосферы.

Целью работы является исследование возможностей применения РЖ-источников излучения (СО- и Бг- лазер) с использованием разработанной программно-алгоритмической системы отбора лазерных линий, пригодных для дистанционного газоанализа атмосферы методом дифференциального поглощения.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- разработка программно-алгоритмической системы отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в РЖ-диапазоне спектра на основе метода дифференциального поглощения;

- отбор линий излучения обертонного СО - лазера и Эг - лазера, пригодных для дистанционного газоанализа атмосферы;

- численное моделирование дистанционного газоанализа атмосферы на выбранных линиях излучения СО- и 8г- лазера для вертикальной трассы при реализации метода дифференциального поглощения;

- эксперименты по лазерному зондированию МГС атмосферы с использованием линий излучения Эг- лазера;

Научная новизна:

2. Данная система апробирована для оценки возможностей дистанционного газоанализа атмосферы с помощью обертонного СО-лазера и лазера на парах Бг;

3. Обосновано с помощью численного моделирования использование обертонного СО-лазера в лидарах дифференциального поглощения для дистанционного газоанализа атмосферы на тропосферных трассах;

4. На выбранных линиях излучения обертонного СО-лазера проведены модельные лабораторные измерения по дистанционному определению поглощения метана и закиси азота при различной конфигурации схемы зондирования, в том числе и при использовании искусственной топомишени;

Защищаемые положения:

2. Проведенное с помощью разработанной программно-алгоритмической системы численное моделирование показало, что при использовании лидара на основе обертонного СО - лазера в диапазоне высот 0-5 км при диаметре приемной оптики 0.3 м и пространственном разрешении 1 км уровень лидарных эхо-сигналов для всех исследуемых газов превышает уровень эквивалентной мощности шума фотоприемника КЕР=10"9 Вт.

3. Модельные лабораторные эксперименты по лазерной диагностике газового состава атмосферы обертонным СО - лазером и 8г - лазером подтвердили результат предварительной оценки эффективности применения метода дифференциального поглощения с учетом требований к спектрально-энергетическим параметрам зондирующего комплекса, рассчитанных разработанной программно-алгоритмической системой.

Научная и практическая значимость работы:

Результаты, полученные в ходе выполнения численного моделирования позволяют повысить информативность дистанционного газоанализа атмосферы по трассовой и лидарным схемам зондирования. Анализ результатов позволяет провести оценку эффективности лазерного зондирования атмосферы и вырабатывать требования к спектрально-энергетическим параметрам лидаров.

Результаты, полученные в ходе выполнения экспериментальной части работы, позволили провести взвешенный сравнительный анализ преимуществ и недостатков использования обертонного СО-лазера и Бг-лазера для спектроскопической дистанционной диагностики МГС атмосферы в сопоставлении с другими лазерными источниками.

Материалы диссертации использовались при выполнении Государственных контрактов №№ 16.518.11.7067, 14.518.11.7063, 02.740.11.0674, 14.740.11.0204, 11.519.11.6033. Работа поддерживалась грантами РФФИ №07-05-00765, №09-05-99035-р-офи.

Личный вклад автора:

Все результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии автора. Разработка программно-алгоритмической системы отбора лазерных линий излучения, пригодных для газоанализа атмосферы лидарами, работающими в ИК-диапазоне на основе метода дифференциального поглощения проводилась автором. Отбор лазерных линий излучения обертонного СО-лазера и Sr-лазера, пригодных для использования в дистанционном газоанализе атмосферы и численное моделирование проводились автором. Численное моделирование лидарного сигнала при дистанционном газоанализе атмосферы в основном проводилось автором с участием научного руководителя к.ф.-м.н. Романовского O.A. Экспериментальные измерения проводились соискателем совместно с к.ф.-м.н. Котковым A.A., к.ф.-м.н. Козловым А.Ю., к.ф.-м.н. Климачевым Ю.М. (в лаборатории газовых лазеров ФИАН, Москва, при использовании в качестве источника излучения СО-лазера) и с к.ф.-м.н. Долгим С.И. (в лаборатории дистанцио