Метод дистанционной диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР в УФ диапазоне длин волн

Жарков, Виктор Иванович

Метод дистанционной диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР в УФ диапазоне длин волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Жарков, Виктор Иванович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Томск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2014 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Метод дистанционной диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР в УФ диапазоне длин волн»

Автореферат диссертации на тему "Метод дистанционной диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР в УФ диапазоне длин волн"

На правах рукописи

Жарков Виктор Иванович

МЕТОД ДИСТАНЦИОННОМ ДИАГНОСТИКИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА СКР В УФ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

15 МАЙ 2ЭМ

005548387

Томск-2014

005548387

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук (ИОА СО РАН).

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Бобровников Сергей Михайлович

Официальные оппоненты:

Катаев Михаил Юрьевич доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники», профессор кафедры автоматизированных систем управления

Прокопьев Владимир Егорович доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники СО РАН, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреж-

дение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН.

Защита состоится 6 июня 2014 г. в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.003.029.01 при Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН по адресу: 634021, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН www.iao.ru.

Автореферат разослан 5 мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

¿А'

Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Своевременный мониторинг экологической обстановки и контроль качества воздуха очень важен в жизни современного общества. В связи с этим большую актуальность приобретают задачи повышения оперативности диагностики окружающей среды.

Особое место при решении проблем мониторинга занимают методы лазерного зондирования атмосферы, позволяющие дистанционно и оперативно получать информацию о пространственно-временном распределении параметров окружающей среды. Применение специальных лазерных локаторов (лида-ров), использующих спектроскопические эффекты взаимодействия излучения с веществом, позволяет проводить дистанционное и скрытное инспектирование пространства в труднодоступных или закрытых областях, осуществлять качественный и количественный контроль содержания токсичных газов в выбросах промышленных предприятий и т.д. Также весьма перспективным направлением использования лидарных методов является дистанционное определение уровня загрязнения поверхностей объектов или подстилающей поверхности.

В основе всех без исключения оптических методов определения химического состава окружающей среды лежат фундаментальные принципы взаимодействия излучения с веществом. Выбор конкретного эффекта взаимодействия при разработке метода осуществляется исходя из условий решаемой задачи.

Эффект спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) позволяет, в принципе, получать информацию о составе и соотношении концентраций многокомпонентной среды, одновременно. Каждая из молекул химического соединения имеет уникальный спектр СКР, что позволяет проводить ее однозначную идентификацию. Частотные сдвиги полос СКР не зависят от длины волны возбуждающего излучения, а определяются энергетической структурой молекулы. Сечение эффекта СКР, в отсутствие электронных резонансов, плавно зависит от частоты. Именно поэтому, условия возбуждения спектров СКР не требуют применения специальных перестраиваемых лазерных источников. При этом длина волны возбуждающего излучения определяет спектральную область расположения спектров СКР, которая может быть выбрана оптимальным образом в зависимости от условий решаемой спектроскопической задачи. Все это делает привлекательным эффект СКР при его применении в качестве физической основы методов дистанционной диагностики окружающей среды и создании специальных лазерно-локационных систем - СКР-лидаров на его основе.

Известные ранее попытки применения СКР-лидаров ограничивались возможностью одновременного мониторинга лишь нескольких компонентов атмосферы за счет аппаратного выделения нескольких дискретных участков в спектрах СКР-лидарных откликов [1-4]. Благодаря прогрессу в области информационных технологий в сочетании с появлением высокочувствительных охлаждаемых матричных фотодетекторов, появилась возможность многоканальной регистрации и идентификации спектров СКР во всей области частотных сдвигов одновременно [5-7].

Не смотря на универсальность СКР-лидарного метода, его применение для обнаружения низких концентраций веществ не всегда возможно в силу малой эффективности взаимодействия. Известно, что абсолютное значение сечения СКР зависит от длины волны возбуждающего излучения как X4. Именно поэтому при создании высокочувствительных систем дистанционного контроля химического состава окружающей среды на базе эффекта СКР стараются использовать коротковолновое излучение. Выбор лазерного источника с длиной волны излучения короче 250 нм кажется достаточно привлекательным, поскольку при этом обеспечивается как высокое сечение взаимодействия (в том числе за счет возможного предрезонансного усиления), так и благоприятное, с точки зрения подавления шума, расположение частотных сдвигов, в «солнечно-слепой» области спектра (200-300 нм). При этом, как показывает анализ литературных данных, вероятность перекрытия спектров СКР и флуоресценции становится существенно меньше, за счет благоприятных особенностей распределения интенсивности полос спектров флуоресценции примесей при возбуждений в ультрафиолетовой (УФ) области. Однако, несмотря на многолетние усилия исследователей, направленные на решение проблемы создания лидарно-го метода, обеспечивающего высокую чувствительность и оперативность, имеющего высокую помехозащищенность и универсальность наталкиваются на трудности как методического, так и технического характера. И как следствие, задачу создания лидарной технологии диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР нельзя считать решенной. Из анализа состояния вопроса, с очевидностью следует необходимость проведения дополнительных специальных научных и технологических экспериментов, с целью создания лидарного метода и лидарной системы нового поколения с использованием особенностей взаимодействия излучения с веществом в УФ диапазоне длин волн.

В этой связи, целью диссертационной работы является разработка СКР-лидарного метода дистанционной диагностики окружающей среды с высокой чувствительностью и помехозащищенностью, и экспериментальное исследование его потенциальных возможностей.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ возможности создания лидарного метода дистанционной диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР при использовании УФ диапазона длин волн;

- разработка математической модели процесса зондирования атмосферы на основе эффекта СКР в УФ облает^ спектра и определение требований к характеристикам лидара;

- создание макета СКР-лидара на базе источника излучения УФ диапазона длин волн;

- экспериментальное исследование помехоустойчивости метода и определение достижимых минимально обнаружимых концентраций паров и следов химических соединений, определяемых с помощью разработанного СКР-лидара.

При решении поставленных задач были выделены основные результаты, получившие обоснования в процессе выполнения диссертации и выдвигаемые в качестве защищаемых положений.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Для корректного измерения низких концентраций (менее 1000 ррш) газовых компонентов зондируемой среды необходимо осуществлять дополнительное спектральное подавление колебательно-вращательных полос СКР на основных составляющих атмосферы (N2 и Ог), а в качестве опорного сигнала использовать их первые обертоны.

2. Комбинационное рассеяние в материале окон кюветы вносит в СКР-лидарный сигнал шумовую компоненту в области частотных сдвигов 100— 1300 см"1, интенсивность которой эквивалентна сигналам СКР на молекулах кислорода в воздухе. Для устранения влияния шума окон кюветы при проведении калибровки метода необходимо осуществлять пространственно-временное разделение шумовой и сигнальной компонент лидарного отклика.

3. Высокая плотность энергии зондирующего импульса эксимерного лазера на среде КгР (более 8 мДж/см2 для тринитротолуола) приводит к снижению эффективности СКР-лидарного метода обнаружения следов на поверхности за счет деградации следа при лазерном воздействии.

Научная новизна работы

Впервые для определения концентрации химических соединений в атмосфере методом СКР предложено использовать в качестве опорного сигнала первый обертон кислорода или азота.

Впервые для исследования возможности метода СКР использовался эк-симерный лазер на среде КгР с узкой линией излучения (5 пм) и с возможностью перестройки в широком спектральном диапазоне (2 нм).

Впервые экспериментально обоснованна чувствительность СКР-лидара в 2 ррш при обнаружении паров загрязняющих веществ в атмосфере с использованием многоканального матричного фотоприемника.

Впервые показано, что использование высокой плотности энергии зондирующего импульса эксимерного лазера на среде КгР приводит к снижению эффективности СКР-лидарного метода обнаружения следов химических веществ на поверхности.

Впервые экспериментально показана возможность дистанционного обнаружения следов тринитротолуола с поверхностной концентрацией 500 нг/см с помощью эффекта СКР при возбуждении излучением с длиной волны 248,3 нм.

Научная и практическая значимость

В процессе исследования был разработан уникальный СКР-лидар, позволяющий проводить дистанционное обнаружение паров химических веществ с концентрациями порядка единиц ррш и следов химических веществ с поверхностными концентрациями порядка единиц мкг/см2.

Выявлены физические факторы, приводящие к снижению чувствительности СКР-лидарного метода, при использовании источника излучения УФ диапазона длин волн и предложены методы борьбы с ними.

Показано, что использование в качестве опорного сигнала первого обертона кислорода или азота позволяет корректно измерять низкие концентрации (менее 1000 ррш) химических веществ в атмосфере методом СКР.

Экспериментально апробирован СКР-лидарный метод дистанционной визуализации следов химических веществ с экстремально низкими поверхностными концентрациями.

Внедрение результатов работы

Результаты работы использованы при выполнении следующих проектов:

1. СЧ НИР (2012-2013 гг.) «Исследование лидарных методов дистанционного обнаружения следов азотосодержащих взрывчатых веществ на одежде и коже человека, поверхности ручной клади и багажа в условиях интенсивного пассажиропотока», заказчик Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН.

2. Проект РФФИ № 13-08-98013 р_сибирь_а (2013-2015 гг.) «Развитие основ новых лазерных технологий для дистанционного контроля состава и оптико-метеорологических параметров атмосферы».

3. Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН (2012-2014 гг.) «Физические основы новых дистанционных методов и технологий обнаружения взрывчатых веществ».

Достоверность результатов работы подтверждается:

- согласованием результатов с экспериментальными данными других авторов, полученных в схожих условиях;

- адекватной калибровкой метода по сигналам СКР на основных составляющих атмосферы;

- совпадением результатов теоретических оценок и значений экспериментальных данных;

- положительными решениями патентных экспертиз предложенных решений.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии автора. Автор диссертации проводил расчет и проектирование узлов и компонентов лидара, осуществлял планирование экспериментов, участвовал в проведении экспериментальных исследований по оценке чувствительности и определении характеристик лидара. Обрабатывал экспериментальные данные и проводил их интерпретацию и анализ. Кроме того, личный вклад автора состоит в разработке математической модели процесса зондирования атмосферы на основе эффекта СКР в УФ области спектра, а также в компьютер-

ном моделировании оптической схемы и определении геометрической функции лидара.

Апробация работы

По материалам диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 6 статей в научных журналах, включенных в перечень ВАК: «Известия вузов. Физика», «Оптика атмосферы и океана». Получено 2 патента иа полезную модель.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 3-ей Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010); 25lh International Laser Radar Conference (Санкт-Петербург, 2010); XVII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011); X International Conference Atomic and Molecular pulsed lasers - AMPL (Томск, 2011); V Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2012); XVIII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Иркутск, 2012); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2012); 26th International Laser Radar Conference (Греция, 2012); XIX Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Барнаул, 2013); 2nd European Conference on Detection of Explosives (2nd EUCDE) (Италия, 2013); 44th International Annual Conference of the Fraunhofer ITC (Германия, 2013); 9 th International High Energy Materials (HEMs) Workshop "Civil and Green Applications of High Energy Materials" (Япония, 2013).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 168 наименований цитируемой литературы. Общий объем диссертации, включая иллюстрации и таблицы, составляет 138 машинописных страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованна актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, указана научная новизна, а также научная и практическая значимость результатов работы, определены личный вклад автора и структура диссертации, представлена апробация и публикации результатов работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассмотрена совокупность эффектов взаимодействия излучения с веществом с точки зрения их возможного практического использования для дистанционной диагностики окружающей среды. Проведен обзор и анализ научно-технической информации по теме дистанционной диагностики окружающей среды. В результате сделан вывод о целесообразности использования для дистанционного обнаружения химических веществ эмиссионных эффектов взаимодействия излучения с веществом (флуоресцен-

ция и СКР), которые позволяют добиваться нужного пространственного разрешения в измерениях и решать задачу определения пространственно-временного распределения концентрации атмосферных примесей. Однако в отличие от флуоресценции только СКР позволяет проводить однозначную адекватную идентификацию химического вещества по спектральному отклику.

Сделан аналитический обзор спектров СКР органических веществ и выявлены их характерные особенности. Показано, что большинство спектров СКР имеют некоторые общие черты. Так, например, в области частотных сдвигов -3000 см"1 наблюдаются полосы валентных колебаний С-Н, СН2- и СНэ-групп, характерные для большинства органических соединений. В то же время, в спектрах СКР имеется достаточно различий, позволяющих провести их надежную идентификацию. Например, уникальные полосы в области частотных сдвигов от 400 до 1600 см"1, обусловленные деформационными и крутильными колебаниями скелета молекулы отражают индивидуальные особенности их структуры.

Далее в главе приведен краткий обзор методов дистанционного газоанализа атмосферы на основе эффекта СКР. Показано, что при минимизации оптических шумов, а также при использовании современной элементной базы, возможно реализовать СКР-лидарный метод с одновременной регистрацией откликов от всех компонентов исследуемого объема с пороговой чувствительностью на уровне единиц ррш.

Во второй главе диссертации рассмотрены факторы, ограничивающие чувствительность и определяющие помехоустойчивость СКР-лидарного метода.

Использование лазерного источника УФ диапазона для возбуждения спектров СКР считается традиционно оправданным в связи с известным эффектом возрастания сечения СКР при уменьшении длины волны возбуждающего излучения. Кроме того, использование возбуждающего излучения УФ диапазона дает возможность проведения измерений в дневное время суток, поскольку спектры СКР будут расположены в, так называемой, «солнечно-слепой» области спектра (200-300 нм) свободной от помехи фона рассеяния солнечного излучения в атмосфере. Тем не менее, при переходе в УФ диапазон возникают трудности связанные с повышенным ослаблением излучения при его распространении в атмосфере за счет поглощения и рассеяния, а также с высокой вероятностью возникновения широкополосной флуоресценции компонентов среды.

Флуоресценция компонентов среды является основным фактором ограничивающим чувствительность метода СКР, поскольку интенсивность флуоресценции на несколько порядков величины больше чем интенсивность эффекта СКР. Основная идея способа выделения сигналов СКР на фоне сигнала флуоресценции заключается в их временном разделении, основанном на разном времени жизни виртуальных и реальных состояний среды. Такое разделение стало возможным благодаря использованию лазерных источников с пикосе-кундной длительностью импульсов и развитию техники скоростной регистрации оптических сигналов. Однако все эти методы позволяют лишь частично подавить, флуоресценцию и не применимы в случае зондирования протяжен-

пых объектов, когда невозможно осуществить пространственно-временное разделение сигналов СКР и флуоресценции.

Другой вариант устранения фона флуоресценции атмосферных примесей состоит в спектральном разделении полос флуоресценции и СКР. Известно, что положение спектров флуоресценции не зависит от длины волны возбуждающего излучения, тогда как частотные сдвиги характеристических полос спектров СКР привязаны к линии возбуждающего излучения, и их положение зависит от выбора его длины волны. Как показывает анализ, надежное разделение спектров флуоресценции и полос СКР возможно при использовании возбуждающего излучения с длиной волны короче 250 нм.

При выборе источника лазерного излучения необходимо также учитывать условия распространения УФ излучения в атмосфере (рисунок 1). Так, например, спектральный диапазон короче 240 нм характеризуется большими потерями за счет ослабления кислородом, что ограничивает дальность действия СКР-лидара до нескольких десятков метров.

Принимая в расчет ограничение на выбор длины волны снизу (240 нм), следует принять, что длину волны возбуждающего излучения СКР-лидара должна попадать в диапазон длин волн 240-250 нм. Наиболее эффективным и мощным источником узкополосного лазерного излучения в этом диапазоне является эксимерный лазер на среде КгР с длиной волны излучения 248,3 им, который и был выбран для практической реализации СКР-лидарного метода.

При обнаружении низких концентраций (менее 1000 ррт) химических веществ в атмосфере методом СКР интенсивности колебательно-вращательных полос СКР на основных составляющих атмосферы (N2 и Ог) будут на 3-6 порядка больше (в зависимости от сечений СКР химических веществ и их концентраций), чем интенсивности полос СКР. При этом рассеяние излучения интенсивных компонент спектра СКР-лидарного отклика на дифракционной решетке спектрографа будет определять уровень фона в выходном спектре, и ограничивать чувствительность лидарной системы (рисунок 2).

Поэтому для корректного измерения низких концентраций химических веществ и увеличения чувствительности СКР-лидара необходимо не допустить

5 5

200 220 240 260 280

Длина волны,нм

Рисунок I - Спектральная зависимость коэффициентов ослабления для приземной атмосферы в «солнечно-слепом» диапазоне длин волн: 1-молекулярное рассеяние; 2-поглощение кислородом; 3-поглощение озоном; 4-суммарный коэффициент ослабления

попадания колебательно-вращательных полос СКР на молекулах азота и кислорода в дифракционный спектрограф.

Суть метода определения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере с помощью эффекта СКР состоит в сравнении интенсивности сигналов СКР на молекулах загрязняющих веществ с интенсивностью опорного сигнала- сигнала колебательно-вращательных полос СКР на молекулах азота (или кислорода). В случае изоляции колебательно-вращательных полос СКР на молекулах азота и кислорода возникает вопрос, сигнал СКР от какой компоненты атмосферы использовать в качестве опорного. Водяной пар и углекислый газ не подходят по причине непостоянства их концентрации в атмосфере; одноатомные газы не имеют откликов СКР; малые фоновые газовые составляющие атмосферы имеют концентрацию ниже, чем пороговая чувствительность метода СКР.

Однако спектр СКР на молекулах азота и кислорода кроме основных колебательно-вращательных полос также содержит и их обертоны. Значение отношения сечений СКР 2-ветвей первого обертона и основного тона для азота составляет 1х10"3, а для кислорода 3,4x10^ [8]. Следовательно, интенсивности сигналов первых обер-Рисунок 2 - Колебательно-вращательные полосы СКР на мо- тонов и азота и кисло-лекулах кислорода и азота воздуха и полоса СКР на молеку- рода будут сравнимы с лах химического вещества (Сх) с концентрацией 1ррш. Пунк- интенсивностями сиг-тарная линия - интенсивность, эквивалентная фону рассеян- ри-р

ного излучения спектрофафа на основе голографической налов на загряз-

дифракционной решетки няющих веществах при

их концентрациях порядка сотен ррт, что позволит фотоприемнику регистрировать сигналы в одном масштабе. В этой связи было предложено в качестве опорного сигнала для измерения низких концентраций химических веществ в атмосфере методом СКР использовать первый обертон колебательно-вращательной полосы СКР на молекулах кислорода или азота [9].

Кроме того было показано, что обертон колебательно-вращательной полосы СКР кислорода может ограничивать чувствительность метода в области частотных сдвигов 3089 см"'. Так, например, при равенстве сечений СКР на молекулах химического соединения и азота чувствительность лидара, в этой области спектра, будет ограниченна значением в 100 ррт.

Частотный сдвиг, см"1

В следующем разделе главы представлена математическая модель процесса зондирования атмосферы на основе эффекта СКР' в УФ области спектра. Разработанная модель позволяет, опираясь на спектроскопическую информацию об объекте обнаружения, параметры среды распространения излучения и параметры приемопередающей аппаратуры, рассчитывать величину ожидаемого лидарного сигнала и оптимизировать характеристики СКР-лидара.

Для локализованного источника паров загрязняющего вещества величина лидарного сигнала в числах фотонов за один лазерный импульс при фокусировке приемопередатчика на расстояние го, описывается модифицированным ли-дарным уравнением:

"> Г

сЮ.

(1)

где щ— число фотонов в лазерном импульсе; А - площадь приемной апертуры; К,,().,) - коэффициент пропускания приемного оптического тракта лидара; ц(Хх) - квантовая эффективность фотодетектора; Хх - длина волны принимаемого излучения, Хо- длина волны зондирующего излучения; с!а(Хх)/сЮ - дифференциальное сечение СКР назад исследуемого компонента; г - расстояние от лидара до рассеивающего слоя; Т(Хо,г) и Т(ХХ1г) - спектральная прозрачность атмосферы для излучения с длиной волны Х0 и Хх соответственно; /1л(Хх,г0,г) - коэффициент обратного рассеяния; С„(г0,г) - концентрация исследуемого вещества; %(го,г) -геометрическая функция лидара.

Выражение (1) с учетом модельных значений пространственно-спектральных распределений параметров атмосферы, концентрации примесей и заданных характеристик лидара составляет основу математической модели процесса зондирования в УФ диапазоне длин волн. С помощью модели был проведен расчет лидарных откликов при зондировании паров некоторых химических соединений (четырех-хлористого углерода, ацетона и двуокиси серы), на которых предполагалось проводить оценку чувствительности СКР-лидара. При этом рассчитывались зависимости времени обнаружения вещества от дальности обнаружения при фокусировке приемопередающей системы лидара в область локализации паров за-

10'

8 Ю1 ■

Й 10'-:

Г-Г-,

1000

Дальность обнаружения г0, м Рисунок 3 - Зависимость времени обнаружения загрязняющих веществ от дальности обнаружения

грязняющего вещества. При этом протяженность облака паров загрязняющих веществ вдоль трассы зондирования принималась равной 10 м (±5 м от плоскости фокусировки приемопередающей системы лидара) с однородной концентрацией 1 ррш (рисунок 3).

Как видно из рисунка 3, времена обнаружения исследуемых загрязняющих веществ существенно отличаются, что объясняется различием их дифференциальных сечений СКР. Также из рисунка видно, что попытка обнаружения загрязняющих веществ на больших дальностях (более 500 м) приводит к нелинейному возрастанию времени измерения и потере оперативности контроля. Это обстоятельство объясняется ослаблением сигналов СКР за счет интенсивного поглощения атмосферным озоном. Результаты расчетов показывают, что увеличение времени накопления сигнала позволяет сохранить предельную чувствительность СКР-лидарного метода при обнаружении загрязняющих компонентов атмосферы на дальностях до 500 м.

Были также проведены исследования влияния дальности фокусировки приемопередающей системы лидара на вид его геометрической функции. Установлено, что на дальностях до 50 м геометрическая функция определяет пространственное разрешение СКР-лидара.

Третья глава посвящена проектированию оптической схемы, определению расчетных параметров аппаратуры СКР-лидара и экспериментальному исследованию возможностей СКР-лидарного метода обнаружения химических соединений. В процессе выполнения экспериментальных работ была исследована помехоустойчивость метода и определены минимально обнаружимые концентрации паров и следов химических соединений для макета СКР-лидара.

При разработке СКР-лидара была выбрана коаксиальная схема. В качестве источника излучения использован эксимерный лазер на среде КгР с узкой линией генерации (5 пм), перестраиваемый в широком спектральном диапазоне (2 нм). Оптическая схема СКР-лидара представлена на рисунке 4.

Телес™ Излучение лазерного

источника через систему зеркал «оптического шарнира» поступает в коллиматор и направляется вдоль оптической оси приемной оптической системы в обследуемое пространство. Рассеянное излучение попадает на апертуру приемного телескопа с диаметром 320 мм, который строит изображение рассеивающего объема на входной щели спектрального прибора. Спектральный прибор представляет собой спектрограф с дифракционной решеткой, построенный по схеме Черни-Тернера. На выходе спектрографа в области локализации спектра установлена стробируемая ПЗС-

=ж Я 1 Фильтр | р | Ы|

"Г а 1 - _ ^^^Оа

.......~ ; а II!

у Эксимерный КгР ла-1ср я

БЬатгоск 811-5001...........

Рисунок 4 - Оптическая схема СКР-лидара

камера с усилителем яркости (Апёог 151аг), позволяющая детектировать сигналы, как в режиме счета фотонов, так и в режиме накопления заряда. Между телескопом и входной щелью установлены интерференционные фильтры, служащих для дополнительного подавления линии несмещенного рассеяния (краевой фильтр) и полос СКР основных компонентов атмосферы Ог и N2 (полосовой фильтр). Оптический шарнир позволяет осуществлять наведение лидара в область обследования.

Оптическая схема лидара проектировалась в САПР ZEMAX. Оптические элементы схемы были изготовлены и собраны на участке холодной обработки стекла ИОА СО РАМ. В результате моделирования было показано, что суммарная аберрация приемной оптической системы лидара не превышает физических размеров пикселя используемого матричного фотоприемника (24x24 мкм).

Испытания СКР-лидара по обнаружению и идентификации загрязняющих веществ в атмосфере проводились в лабораторном помещении при стандартных условиях. Приемопередающая система макета лидара фокусировалась в область пространства на расстояние 6 м, где находился объект исследования, который представлял собой чистую атмосферу или специальную кювету, в которой создавались заданные концентрации различных химических веществ, находящихся в газовой фазе.

На начальном этапе эксперимента проводилась регистрация спектра СКР-лидарного отклика чистого атмосферного воздуха. На рисунке 5 показан спектр СКР на компонентах атмосферного воздуха хорошо вентилируемого лабораторного помещения, зарегистрированный в режиме накопления заряда (накопление осуществлялось по 100 лазерным импульсам). На спектрограмме видны колебательно-вращательные полосы СКР на молекулах кислорода, азота и водяного пара. При переходе к детектированию лидарных откликов в режиме счета фотонов в спектре СКР на компонентах атмосферного воздуха отчетливо видны полосы (267-268 нм и 280-281 нм), соответствующие обертонам кислорода и азота (рисунок 6). При этом сигналы колебательно-вращательных полос основных тонов азота и кислорода находятся в насыщении.

1,5x10*-1,2x10* 9,0x10* 6,0x10* 3,0x10*-

■А,

н,о

«И

обертон Ог

обертон

Длина волны, нм

Рисунок 5 - Спектр СКР на молекулах чистой Рисунок 6 - Спектр СКР на молекулах чис атмосферы, зарегистрированный в режиме на- той атмосферы, зарегистрированный в режи коплсния заряда ме счета фотонов

Как было показано в главе 2, для корректного измерения низких концентраций химических веществ и увеличения чувствительности СКР-лидара, необходимо не допустить попадания колебательно-вращательных полос СКР на молекулах азота и кислорода в спектрограф. Для этого между телескопом и спектрографом был установлен дополнительный полосовой интерференционный фильтр.

При оценке значений минимально-обнаружимой концентрации химических веществ, предполагалось использовать вакуумную кювету, окна которой были изготовлены из высококачественного кварцевого стекла марки КУ-1 для беспрепятственного прохождения через них УФ излучения (250-270 нм) и исключения флуоресценции окон. Длина кюветы составляла 2,5 м.

При проведении пробных экспериментов в кювете, заполненной чистым атмосферным воздухом, оказалось, что окна кюветы вносят в СКР-лидарный отклик шумовую компоненту, интенсивность которой эквивалентна сигналам СКР на молекулах кислорода в воздухе. Перестройка длины волны возбуждающего излучения в области контура усиления KrF лазера (~2нм) показала, что шумовая компонента в лидарном отклике «следует» за длиной волны возбуждающего излучения и является результатом комбинационного рассеяния в материале окон кюветы. Как известно из литературных источников, спектр СКР кварцевого стекла перекрывает область частотных сдвигов 100-1300 см"1. Поэтому при оценке чувствительности или калибровке СКР-лидара с помощью вакуумной кюветы, эта область спектра будет недоступной для измерений и необходимо создавать условия для пространственно-временного разделения шумовой и сигнальной компонент лидарного отклика или использовать кювету без окон.

Для устранения влияния окон кюветы было принято решение, отказаться от отработанной конструкции вакуумной кюветы и использовать для создания пробных концентраций химических соединений контейнер с отверстиями без окон для ввода и вывода излучения. Объем контейнера составлял 50 литров. В геометрическом центре передней и задней стенок контейнера были сделаны отверстия для ввода и вывода излучения. Отверстия снабжены заглушками для изоляции внутреннего объема контейнера от окружающей среды во время подготовки эксперимента и создания необходимой концентрации паров. При этом отношение суммарной площади отверстий к площади внутренней поверхности контейнера составляло 0,4%.

Для приготовления пробной концентрации паров исследуемого вещества, на подогреваемую подложку наносился его раствор. Объем пробной капли раствора вычислялся по формуле:

(2,

где Nx - необходимая концентрация вещества, \i - молекулярная масса исследуемого вещества, и - атомная единица массы равная 1,66-10"27 кг, Vs - объем кюветы, р — плотность испаряемого вещества.

Далее в работе приводится экспериментальная оценка минимально обна-ружимой концентрации химических веществ, находящихся в газовой фазе. В качестве исследуемых образцов использовались следующие вещества: четы-реххлористый углерод (ССЦ), изопропиловый спирт (СзН80), дихлорэтан (С2Н4С12), ацетонитрил (С2Н3М) и ацетон (СзН60). Спектры СКР-лидарных откликов исследуемых веществ регистрировались в режиме счета фотонов при накоплении по 2000 лазерным импульсам. Ширина входной щели спектрографа составляла 250 мкм, что соответствовало спектральному разрешению ~30 см"1. Результаты экспериментальной оценки сведены в таблицу 1. Для проверки достоверности полученных результатов было проведено сравнение полученных значений концентраций со значениями, полученными путем нормировки сигналов СКР на молекулах исследуемых веществ на сигналы СКР на молекулах основных составляющих атмосферы.

Также с целью удостовериться в правильности сделанных выводов об отсутствии в рабочем спектральном диапазоне мешающей флуоресценции исследуемых газовых компонентов был проведен анализ спектров на ее наличие. В результате признаки флуоресценции в зарегистрированных спектрах СКР не были выявлены.

Таблица 1 - Предельные обнаружимые концентрации исследуемых веществ

Вещество Концентрация вещества, создаваемая в кювете (Vs=0,05 м3), мг/м3(ррт) Концентрация вещества, вычисленная по сигналу СКР на молекулах О2, ррт Отношение сигнал/шум (OCIII) Оценка предельной обна-ружимой концентрации при ОСШ=2, мг/м3(ррш)

Ацетон 16(6) 8±3 4 8(3)

Ацетонитрил 16(8) 8±3 8 4(2)

Дихлорэтан 25(6) - 4 12,5(3)

Изопропиловый спирт 16(6) - 3 10,7(4)

Четыреххлорн-стый углерод 64(9) 5±2 9 14,2(2)

Далее в главе представлено описание экспериментальных исследований по оценке чувствительности СКР-лидара при его работе по следам химических веществ на поверхности, удаленной на расстояние 10 м. Приводится методика создания равномерно распределенной по поверхности пробной поверхностной концентрации исследуемого вещества.

В качестве исследуемых веществ использовались химические соединения с низкой летучестью: тринитротолуол (TI1T), тетранитропентаэритрит (ТЭ11), нитрат аммония. Результаты экспериментальной оценки предельной чувствительности СКР-лидара по обнаружению поверхностных концентраций сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Предельные обнаружимые концентрации исследуемых веществ

Вещество Частотный сдвиг характеристической полосы спектра СКР, см"' Концентрация вещества, создаваемая на предметном стекле, мкг/см2 Отношение сигнал/шум (ОСШ) Оценка предельной обнаружимой концентрации при ОСШ=2, мкг/см2

ТНТ 1360 0,5 2 0,5

ТЭН 1310 50 4 25

Нитрат аммония 1060 20 2 20

В ходе проведения экспериментов наблюдалось уменьшение полезного сигнала СКР при повышении плотности энергии лазерного импульса. В качестве причины наблюдаемого эффекта было выдвинуто предположение о происходящей под действием лазерного излучения деградации следа. Для изучения этого эффекта были проведены эксперименты по обнаружению следов ТНТ при использовании излучения с различной плотностью энергии в импульсе. Следы ТНТ с постоянной концентрацией (500 мкг/см2) облучались серией из 1000 лазерных импульсов.

На рисунке 6 показан результат воздействия 1000 лазерных импульсов с плотностью энергии 137 мДж/см2 в импульсе на следы ТНТ. Отсутствие вещества в центре следа свидетельствует о его выносе с поверхности под действием лазерного излучения. При этом за счет деградации следа и последовательного уменьшения поверхностной концентрации, полезный сигнал СКР резко уменьшается при воздействии первых 100 лазерных импульсов (рисунок 7).

Рисунок 6 - Внешний вид следов Рисунок 7 - Динамика сигнала СКР в следах ТНТ

ТНТ после воздействия 1000 лазер- при воздействии лазерным излучением с плотно-

ных импульсов с плотностью энер- стью энергии в импульсе 137 мДж/см2 гии 137 мДж/см2 в импульсе

В работе показано, что эффективность процесса обнаружения следов ТНТ с помощью СКР-лидариого метода зависит от плотности энергии в зондирующем импульсе и снижается при значениях более 8 мДж/см2. Под эффективностью здесь понимается отношение величины принимаемого полезного сигнала к величине суммарной энергии лазерных импульсов, воздействовавших на след.

Установлено, что исследуемый СКР-лидарный метод обнаружения позволяет не только зафиксировать факт наличия следов химических соединений, но и визуализировать области их локализации на поверхности объекта. Подтверждением этого являются результаты экспериментов по дистанционному обследованию поверхностей объектов, содержащих следы ТНТ.

Визуализация результатов обследования объекта проводилась путем последовательного сканирования его поверхности. Скорость обследования объекта определялась быстродействием используемой системы регистрации сигналов и составляла около 0,3 мм /с. На рисунках 8, 9 представлены фотографии образцов со следами ТНТ и соответствующие им данные по дистанционной визуализации результатов измерений.

Рисунок 8 - Внешний вид следов ТНТ с поверхностной концентрацией 50 мкг/см2 (а) и 5 мкг/см2 (б) на предметном стекле (слева) и результат их дистанционной визуализации (справа)

г «

Рисунок 9 — Внешний вид следов ТНТ на предметном стекле (слева) и результат их дистанционной визуализации (справа)

В этой же главе приведен анализ влияния материала подложки на чувствительность СКР-лидарного метода обнаружения следов химических веществ

на поверхности. Установлено, что чувствительность метода зависит от оптических свойств материала подложки. Подложки, не имеющие существенного поглощения для возбуждающего излучения, будут ограничивать чувствительности метода за счет появления интенсивных полос СКР и широкополосной флуоресценции в материале подложки.

В заключении сформулированы выводы и перечислены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Установлено, что в качестве опорного сигнала для определения низких концентрации газовых компонентов в атмосфере методом СКР вместо основного тона колебательно-вращательных полос азота или кислорода необходимо использовать их первые обертоны.

2. Установлено, что СКР-лидарные отклики от первого обертона кислорода ограничивают чувствительность лидара на уровне 100 ррш при обнаружении химических веществ в атмосфере, чьи характеристические полосы спектрально не разделены с полосой первого обертона кислорода 3089 см"1.

3. Проведенное численное моделирование лидарного отклика с помощью разработанной математической модели процесса зондирования атмосферы на основе эффекта СКР в УФ области спектра позволило установить, что при управлении геометрической функцией СКР-лидара его предельная чувствительность будет сохраняться на расстоянии до 500 м.

4. С помощью САПР 2ЕМАХ проведено полное моделирование оптической схемы лидара и показано, что ее аберрации не превышают физического размера пикселя используемого матричного фотоприемника.

5. Экспериментально подтверждено, что при использовании эксимерного лазера на среде КгБ (248,3 нм) для всех исследуемых газовых примесей наблюдалось разделение спектров флуоресценции и частотных сдвигов СКР.

6. Показано, что при обнаружении следов химических веществ на поверхностях с помощью СКР-лидарного метода необходимо учитывать плотность энергии зондирующего излучения в связи с деградацией следа при лазерном воздействии.

7. Экспериментально обоснованна чувствительность СКР-лидарного метода при обнаружении паров химических веществ с концентрациями порядка единиц ррш, и следов химических веществ с поверхностными концентрациями порядка единиц мкг/см2.

8. Экспериментально подтверждена возможность дистанционной визуализации следов ТНТ на расстоянии Юме помощью эффекта СКР со скоростью сканирования 0,3 мм*/с и чувствительностью 5 мкг/см2.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Дистанционное обнаружение паров взрывчатых веществ в атмосфере // Известия вузов. Физика. 2010. № 9/3. С. 32-34.

2. Bobrovnikov S.M., Gorlov E.V., Zharkov V.l., Panchenko Yu.N. Remote detection of explosive vapors in the air // Materials of 25lh International Laser Radar Conference, 5-9 July 2010. St.Petersburg, Russia. P. 110-111.

3. Резнев A.A., Максимов E.M., Передерий A.H., Степанов И.В., Сакович Г.В., Бобровников С.М., Ворожцов А.Б., Горлов Е.В., Жарков В.И., Панченко Ю.Н., Максименко Е.В., Павленко A.A. Патент (Россия) № 123527.Лидарная система для дистанционного обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере, номер заявки: № 2011153625 (от 27 декабря 2011 г.).

4. Панченко Ю.Н., Андреев М.В., Бобровников С.М., Горлов Е.В., Дударев В.В., Иванов Н.Г., Лосев В.Ф.,Павлинский A.B., Пучнкин A.B., Жарков В.И. Узкополосная перестраиваемая лазерная система для лидарного комплекса // Известия вузов. Физика.2012. Т. 55, № 6. С. 13-18.

5. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. СКР-лидар для мониторинга загрязнений окружающей среды // Известия вузов. Физика. 2012. №9/2. С. 279-281.

6. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. Лидар для обнаружения взрывчатых веществ // Известия вузов. Физика.2012. №9/2. С. 276-279.

7. Bobrovnikov S. M., Gorlov E. V., Zharkov V.l. Deep UV Raman lidar gas analyzer for environment monitoring // Materials of 26lh International Laser Radar Conference, 25-29 June 2012. Porto Heli, Greece, P. 215-217.

8. Bobrovnikov S.M., Gorlov E.V., Zharkov V.l., Panchenko Yu.N. Scanning UV lidar for explosives detection // Materials of 26th International Laser Radar Conference, 25-29 June 2012. Porto Heli, Greece, P. 257-260.

9. Бобровников С.M., Горлов Е.В., Жарков В.И. Экспериментальная оценка чувствительности СКР-лидара при использовании среднего УФ диапазона длин волн // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26, № 1. С. 70-74.

10.Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Панченко Ю.Н. Оценка пороговой чувствительности лидарной системы для обнаружения паров нитросо-единений // Известия вузов. Физика.2013. №8/3. С. 275-277.

1 \.Жарков В.И., Бобровников С.М., Горлов Е.В., Патент (Россия) № 134648. Лидарная система для дистанционного измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере, номер заявки: № 2013132226 (от 11 июля 2013 г.)

М.Журавлев A.B., Кихтенко A.B., Тивилева М.И., Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И., Панченко Ю.Н., Ворожцов А.Б., Сакович Г.В. Оценка пороговой чувствительности лидарного детектора взрывчатых веществ // Научно-технический портал МВД России. 2014. № 1. С. 42-49.

Литература, цитируемая в автореферате

1. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Д. Хинкли М.: Мир, 1979.-416 с.

2. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987 - 550 с.

3. Heaps W.S., Burris J. Airborne Raman Lidar // Applied optics. 1996. V. 35, N 36. P. 7128-7135.

4. Алимов C.B., Данилов О.Б., Жевлаков А.П., Кащеев C.B., Косачев Д.В., Мак А.А., Петров С.Б., Устюгов В.И. Авиационный рамановский лидар с ультраспектральным разрешением // Оптический журнал. 2009. Т. 76, № 4. С. 4151.

5. Sharma S.K., MisraA.K., Lucey P.G., Angel S.M., andMckay C.P. Remote Pulsed Raman Spectroscopy of Inorganic and Organic Materials to a Radial Distance of 100 Meters // Applied Spectroscopy. 2006. V. 60, N 8. P. 871-876.

6. Ray M.D., Sedlacek A.J. Ultraviolet mini-Raman lidar for stand-off, in-situ identification of chemical surface contaminants // Review of Scientific Instruments. 2000. V. 71, N 9. P. 3485-3489.

7. Arthur J.S, and Mark D.R. Short-range, Non-contact Detection of Surface Contamination Using Raman Lidar // Proc. SPIE 4577. 2001. P. 95-104.

8. Булдаков M.A., Королев Б.В., Матросов И.И., Попова Т.Н. Полосы обертонов в спектрах КРС азота и кислорода // Оптика и спектроскопия. 1987. Т. 63. № 4. С. 775-777.

9. Жарков В.И., Бобровников С.М., Горлов Е.В., Патент (Россия) № 134648. Ли-дарная система для дистанционного измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере, номер заявки: № 2013132226 (от 11 июля 2013 г.)

Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 28.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН. 634055, г. Томск, пл. Академика Зуева, 1. Тел. 49-10-93.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Жарков, Виктор Иванович, Томск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук

04201459296

Жарков Виктор Иванович

МЕТОД ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА СКР В УФ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Специальность 01.04.05 - оптика

Научный руководитель к.ф.-м.н., доцент Бобровников С.М.

Томск-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1 Дистанционный контроль загрязнения атмосферы 14

1.1 Дистанционная спектроскопия атмосферы 14

1.1.1 Эффект поглощения 16

1.1.2 Эффект флуоресценции 19

1.1.3 Эффект спонтанного комбинационного рассеяния 21

1.2 СКР-лидар как инструмент диагностики газового состава атмосферы 26

2 Анализ возможности применения лидарного метода на основе СКР для дистанционной диагностики молекулярных систем в атмосфере в УФ диапазоне длин волн 29

2.1 Факторы, ограничивающие чувствительность СКР-лидарного метода

и способы их устранения 29

2.1.1 Флуоресценция исследуемых веществ 31

2.1.2 Фоновое излучение 35

2.1.2.1 Фон естественного излучения 36

2.1.2.2 Фон искусственного освещения 38

2.1.3 Ослабление атмосферой 41

2.1.4 Помеха несмещенного рассеяния 43

2.1.5 Спектр возбуждающего излучения 45

2.1.6 Энергетические характеристики лазерного излучения 46

2.1.6.1 Плотность мощности лазерного излучения 46

2.1.6.2 Энергия фотона и плотность энергии лазерного импульса 48

2.1.7 СКР-лидарные отклики от основных газовых составляющих атмосферы 51

2.2 Потенциальные возможности лидара на основе эффекта СКР 55

2.2.1 Уравнение лазерной локации для эффекта СКР 55

2.2.2 Параметры СКР-ли дара 57

2.2.3 Геометрическая функция лидара 63

2.2.4 Сечения СКР 69

2.2.5 Концентрации исследуемых веществ 70

2.2.6 Критерий обнаружения 72

2.2.7 Расчет времени обнаружения 74 3 Экспериментальное исследование СКР-лидарного метода обнаружения химических соединений 79

3.1 Аппаратура лидара 79

3.1.1 Источник излучения 79

3.1.2 Приемный телескоп 81

3.1.3 Блок спектральной селекции 82

3.1.4 Система фотодетектирования 83

3.1.5 Оптическая схема лидара 85

3.1.6 Общая конструкция лидара 87

3.2 Экспериментальное исследование возможностей СКР-лидара при обнаружении паров веществ в атмосфере 89

3.2.1 Схема экспериментов 89

3.2.2 СКР-лидарные отклики чистой атмосферы 90

3.2.3 Методика получения контролируемых концентраций вещества в газовой фазе 94

3.2.3.1 Вакуумная кювета 94

3.2.3.2 Открытая кювета 96

3.2.4 Экспериментальная оценка предельной чувствительности СКР-лидара при обнаружении паров в атмосфере 98

3.3 Экспериментальное исследование возможностей СКР-лидара при обнаружении следов химических соединений на поверхности 104

3.3.1 Методика получения контролируемых концентраций вещества в конденсированной фазе 104

3.3.2 Схема экспериментов 107

3.3.3 Экспериментальная оценка предельной чувствительности СКР-лидара при обнаружении следов 109

3.3.4 Исследование эффективности процесса обнаружения следов 111

3.3.5 Дистанционная визуализация следов химических соединений с помощью эффекта СКР 115

3.3.6 Исследование влияния подложки на чувствительность СКР-лидарного метода обнаружения следов 117 Результаты 121 Список литературы 123

Введение

Особое место при решении проблем мониторинга занимают методы лазерного зондирования атмосферы, позволяющие дистанционно и оперативно получать информацию о пространственно-временном распределении параметров окружающей среды. Применение специальных лазерных локаторов (лидаров), использующих спектроскопические эффекты взаимодействия излучения с веществом, позволяет проводить дистанционное и скрытное инспектирование пространства в труднодоступных или закрытых областях, осуществлять качественный и количественный контроль содержания токсичных газов в выбросах промышленных предприятий и т.д. Также весьма перспективным направлением использования лидарных методов является дистанционное определение уровня загрязнения поверхностей объектов или подстилающей поверхности.

зависит от частоты. Именно поэтому, условия возбуждения спектров СКР не требуют применения специальных перестраиваемых лазерных источников. При этом длина волны возбуждающего излучения определяет спектральную область расположения спектров СКР, которая может быть выбрана оптимальным образом в зависимости от условий решаемой спектроскопической задачи. Все это делает привлекательным эффект СКР при его применении в качестве физической основы методов дистанционной диагностики окружающей среды и создании специальных лазерно-локационных систем - СКР-лидаров на его основе.

Известные ранее попытки применения СКР-лидаров ограничивались возможностью одновременного мониторинга лишь нескольких компонентов атмосферы за счет аппаратного выделения нескольких дискретных участков в спектрах СКР-лид арных откликов [1-4]. Благодаря прогрессу в области информационных технологий в сочетании с появлением высокочувствительных охлаждаемых матричных фотодетекторов, появилась возможность многоканальной регистрации и идентификации спектров СКР во всей области частотных сдвигов одновременно [5-8].

интенсивности полос спектров флуоресценции примесей при возбуждении в УФ области. Однако, несмотря на многолетние усилия исследователей, направленные на решение проблемы создания лидарного метода, обеспечивающего высокую чувствительность и оперативность, имеющего высокую помехозащищенность и универсальность наталкиваются на трудности как методического, так и технического характера. И как следствие, задачу создания лидарной технологии диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР нельзя считать решенной. Из анализа состояния вопроса, с очевидностью следует необходимость проведения дополнительных специальных научных и технологических экспериментов, с целью создания лидарного метода и лидарной системы нового поколения с использованием особенностей взаимодействия излучения с веществом в УФ диапазоне длин волн.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ возможности создания лидарного метода дистанционной диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР при использовании ультрафиолетового (УФ) диапазона длин волн;

- разработка математической модели процесса зондирования атмосферы на основе эффекта СКР в УФ области спектра и определение требований к характеристикам лидара;

- создание макета СКР-лидара на базе источника излучения УФ диапазона длин волн;

Научные положения, выносимые на защиту:

2. Комбинационное рассеяние в материале окон кюветы вносит в СКР-лидарный сигнал шумовую компоненту в области частотных сдвигов 1001300 см"1, интенсивность которой эквивалентна сигналам СКР на молекулах кислорода в воздухе. Для устранения влияния шума окон кюветы при проведении калибровки метода необходимо осуществлять пространственно-временное разделение шумовой и сигнальной компонент лидарного отклика.

3. Высокая плотность энергии зондирующего импульса эксимерного лазера на среде КгБ (более 8 мДж/см , для тринитротолуола) приводит к снижению эффективности СКР-лидарного метода обнаружения следов на поверхности за счет деградации следа при лазерном воздействии.

Научная новизна работы

Впервые для исследования возможности метода СКР использовался эксимерный лазер на среде КгР с узкой линией излучения (5 пм) и с возможностью перестройки в широком спектральном диапазоне (2 нм).

Впервые показано, что использование высокой плотности энергии зондирующего импульса эксимерного лазера на среде КгР приводит к снижению

эффективности СКР-лидарного метода обнаружения следов химических веществ на поверхности.

Впервые экспериментально показана возможность дистанционного обнаружения следов тринитротолуола с поверхностной концентрацией 500 нг/см2 с помощью эффекта СКР при возбуждении излучением с длиной волны 248,3 нм.

Научная и практическая значимость

Внедрение результатов работы

Результаты работы использованы при выполнении следующих проектов: 1. СЧ НИР (2012-2013 гг.) «Исследование лидарных методов дистанционного

обнаружения следов азотосодержащих взрывчатых веществ на одежде и

коже человека, поверхности ручной клади и багажа в условиях

интенсивного пассажиропотока», заказчик Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН.

Достоверность результатов работы подтверждается:

- согласованием результатов с экспериментальными данными других авторов, полученных в схожих условиях;

- адекватной калибровкой метода по сигналам СКР на основных составляющих атмосферы;

- совпадением результатов теоретических оценок и значений экспериментальных данных;

- положительными решениями патентных экспертиз предложенных решений.

Личный вклад автора

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 3-ей Международной научно-практической конференции

J.L

«Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2010); 25 International Laser Radar Conference (Санкт-Петербург, 2010); XVII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2011); X International Conference Atomic and Molecular pulsed lasers - AMPL (Томск, 2011); V Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2012); XVIII Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Иркутск, 2012); Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики»

__iL

(Томск, 2012); 26 International Laser Radar Conference (Греция, 2012); XIX

Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы»

(Барнаул, 2013); 2nd European Conference on Detection of Explosives (2nd EUCDE)

(Италия, 2013); 44 International Annual Conference of the Fraunhofer ITC (Германия, 2013); 9 th International High Energy Materials (HEMs) Workshop "Civil and Green Applications of High Energy Materials" (Япония, 2013).

Структура и объем работы

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, указана научная новизна,

а также научная и практическая значимость результатов работы, определены личный вклад автора и структура диссертации, представлена апробация и публикации результатов работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Во второй главе проведен всесторонний анализ особенностей применения эффекта СКР при разработке лидарного метода. Выявлены факторы, ограничивающие чувствительность и определяющие помехоустойчивость СКР-лидарного метода, при использовании источника излучения в УФ диапазоне длин волн. Предложены технические решения и разработаны методики, позволяющие повысить чувствительность и точность метода.

В следующем разделе главы представлена математическая модель процесса зондир