Способ лазерного зондирования атмосферных газов

(51)5 ЕНТНОЕ ОСУДАРСТВЕННО ВЕДОМСТВО ССС ГОСПАТЕНТ СССР ЕТЕНИ и длини в поглощения сном перех уровень кото гетическим у для эондиру цию исследу муле 7 ВРЭ 1)- Ь (и /и) Ь (0 /О мобъема . Зл 1я лао им-. а;ственно ения на следуеющей с пульса; газа на елах М 21 ехр х ющийнения импул ОПИСАНИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт оптики атмосферыСССР(56) Авторское свидетельство СССРИ. 753267, кл, 6 01 й 21/26, 1978.Авторское свидетельство СССРМ 325579, кл, 6 01 ЧЧ 1/11, 1970,(54 К 57) СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРНЫХ ГАЗОВ, состоящий. в направлении в заданную область атмосферы зондирующего импульса лазерного излучения наносекундной длительности с длиной волны, находящейся в линии резонансного поглощения исследуемого газа, спектральной фильтрации обратнорассеянного эхосигнала, измерении его мощности, определении дальности до рассеивающей области атмосферы и определении относительной спектральной прозрачности этой области; о т л и ч а ю щи й с я тем;что, с целью повышения точности и чувствительности измерения концентрации атмосферных газов, направляют через интервал времени не более 1 мс второй зондирующий импульс лазера с такими же характеристиками и одновременно с одним из двух зондирующих импульсов направляют вспомогательный импульс лазерного излучения с длительностью в интервале тт), мощностью в пре- с олны в контуре другои линии исследуемого газа на резонаноде, верхний энергетический рого совпадает с нижним энерровнем реЗонансного перехода ющего импульса, а концентраемого газа определяют по фор 2 + Яс Ь л А/(ВРФ)"( ехр (Ьс 77 У Ц/2 - 1 - басф ы сгде т - длительность зондирующегпульса лазерного излучения;В - расстояние до зондируемогоатмосферы;с - скорость света;3 - площадь поперечного сечени.зерного пучка для вспомогательногопульса;ЛА- шиз рина линии лазерного иельного импульса;нная Планка;волны вспомогательн ния вспомогатй - постояА - длинаог пульса;К - постоянная Бал ьцмана;Т - абсолютная температура газА и В - вероятности соответ спонтанного испускания и поглощ резонансном переходе молекулы ис мого газа с длиной волны, совпада длиной волны вспомогательного имр-концентрация исследуемого расстоянии й;Р - мощность вспомогательного и пульса;8- безразмерный параметр, принимаэначения от 0 до 1 в интервале измедлительности вспомогательногоьса от тдо 2 й/с:1245072 Ог и О г - регистрируемые мощности1обратнорассеянных эхосигналов соответственно е расстояний Й и Й + Ь В от зондирующего импульса, посылаемого без вспомогательного импульса лазерного излучения;01 и О 1 - регистрируемые мощности об 1ратнорассеянных эхосигналов соответственно с расстояний В и Й + Л Й от зондирующего импульса, посылаемого одновременно со вспомогательным импульсом,2 ил,о - коэффициент поглощения невозбужденной молекулы исследуемого газа на резонансном переходе с длиной волны зондирующего импульса;Е 1 и Ег - статистические веса соответственно нижнего и верхнего энергетических уровней резонансного перехода молекулы исследуемого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса лазерного излучения;ЛЙ - толщина эондируемого обьема ат.- мосферы; объем расположен в поле зрения приемной антенны 8, Обратнорассеянное этим объемом излучение фильтруется и принимается на длине волны А з, Часть излучения лазера 1 ответвляется на детектор 7 опорного сигнала и используется для определения дальности до рассеивающих объемов в атмосфере.Затем через интервал времени, не превышающий 1 мс, после излучения первого Изобретение относится к способам лазерного зондирования атмосферы для дистанционного определения концентрации газовых компонентов воздуха и может использоваться в метеорологии и охране окружающей среды для оперативного контроля концентрации водяного пара и газовых загрязнений.Целью изобретения является повышение точности и чувствительности измерения 5 10 концентрации атмосферных газов. зондирующего импульса лазера 1 в тот жеНа фиг,1 изображена схема устройства, объем атмосферы, выделенный на фиг.1 волреализующего способ; на фиг.2 - схема рас- нистой линией, посылают одновременно положения энергетических уровней мдлеку- два импульса излучения: второй зондируюлы исследуемого газа. 15 щий импульс от лазера 1. и вспомогательныйУстройство содержит лазер 1 для гене- импульс от лазера 2 надлинах волн соответрации зондирующего импульса, в качествественно Лз 8,3 мкм и А в = 9,2 мкм, которого может использоваться перестраи- Обратнорассеянное излучение принимаетваемый параметрический лазер на С 63 е, ге- . ся и фильтруется на длине волны А з, Изнерирующий излучение с длинами волн3 20 меряется мощность эхосигналов на длине =8,323 мкм в линии поглощения НгО и Ао= волны Аз, Мощность второго эхосигнала 8,320 мкм импульса на линии пропускания меньше, чем первого, что обусловлено уве- НгО с длительностью импульсов 100 нс, ла- личением поглощения зондирующего излузер 2 - импульсный СОг-лазер для генера- чения молекулами водяного пара НгО из-за ции вспомогательного импульса излучения 25 селективного характера перераспределес длиной волны 18:= 9,214 мкм в линии ния заселенностей на резонансном перехопоглощения.НгО с д 4 ительностью импуль- де с длиной волны Ав вспомогательного сов 100 нс, блок 3 синхронизации лазеров, излучения. Отношение мощностей принярефлектор 4, дихроичное зеркало 5; переда- тых сигналов характеризует величину отноющую антенну 6,детектор 7 опорного сиг сительной спектральной прозрачности слоя нала, приемную антенну 8, светофильтр 9 на атмосферы Ь В, определяющей искомую конобласть генерации С 63 е-лазера, отсекаю- центрацию водяного пара. Это отношение щий излучение СОг-лазера, детектор 10 ли- мощностей принятых сигналов увеличиваетдарного эхосигнала, блок 11 обработи ся с повышением мощности вспомогательнолидарных эхосигналов, 35 го импульса вплоть до величины мощности,Устройство работает следующим абра- соответствующей насыщению населенностиверхнего уровня резонансного перехода сдля определения концентраций водя- длиной волны вспомогательного импульса, ного пара НгО зондирующий импульс иэлу- Способ основан на свойстве лазерного чения лазера 1 с Длиной волны Лз и 40 излучения возбуждать энергетический уродлительностью тнс, сформированный вень молекулы, когда длина волны этого лапередающейэнтеннойб,направляетсявэа- эерного излучения совпадает с длиной данный обьем атмосферы, находящийся нв волны резонансного перехода на этот энер- расстоянииВиимеющийтолщинуЛВ.Этот гетический уровень, и свойстве молекулы(п 1 П) - 8 п (Ц 1 йа)зав 40 где т - длительность зондирующего имд пульса лазерного излучения;чий - расстояние от зондируемого объема 45 сатмосферы;с - скорость света;3 - площадь поперечного сечения лазерного пучка для вспомогательного импульса лазерного излучения; 50 огЬЛ - ширина линии лазерного излучения вспомогательного импульса;Ь - постоянная Планка;Л - длина волны вспомогательного импульса лазерного излучения; 55К - постоянная Больцмана;Т - абсолютная температура газа;А и В - вероятности соответственно спонтанного испускания и поглощения на резонансном переходе молекулы исследуеувеличивать свою способность поглощатьоптическое излучение с длиной волны, равной длине волны резонансного переходамолекулы, нижний энергетический уровенькоторого находится в возбужденном состоянии.На фиг.2 стрелками изображены переходы между энергетическими уровнями исследуемого газа водяного пара Н 20.Переход 12 - 13 соответствует длине волны 10вспомогательного импульса лазерногоизлучения, переход 13 - 14 - длине волныЛз зондирующего импульса, Здесь показантакже переход 15 с длиной волны Л о дляимпульса лазерного излучения на линии "5пропускания Н 20, совпадающей с линиейпоглощения мешающего газа 502,Длительность 1 вспомогательного импульса лежит в интервале т( = 2 Я/с 1,мощность Р находится в пределах 20 3 5 С ЛЛ 7 1 Ехр ( - г) С/(Л К 1 ) А/(ВЛ е 2) 5 Р 3 Я с ЛЛА/ ВЛ ), 25 длина волны расположена в контуре другой линии поглощения исследуемого газа на резонансном переходе, верхний энергетический уровень которого совпадает с нижним 30 энергетическим уровнем резонансного перехода с длиной волны зондирующего импульса (все обозначения см, ниже).Концентрация р исследуемого газа на расстоянии Я определяется из соотношения 35 2 + 5 с Ьа А/(ВРа 1)Г (1+О б ехр (пс/Ф КТ) Е,П - 1 - 5 с 1 А 7(ЬРР) мого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса;ц - коэффициент поглощения невозбужденной молекулы исследуемого газа на резонансном переходе с длиной волны зондирующего импульса;Е 1 и 72 - статические веса соответственно нижнего и верхнего энергетических уровней резонансного перехода молекулы исследуемого газа с длиной волны, совпадающей с длиной волны вспомогательного импульса;ЛЯ - толщина зондируемого объема атмосферы;О 2 и О 2 - регистрируемые мощности обратнорассея нных эхосигналов соответственно с расстояний Я и Я + Ь Я от зондирующего импульса лазерного излучения, посылаемого без вспомогательного импульса лазерного излучения;1О 1 и О 1 - регистрируемые мощности обратнорассеянных эхосигналов соответственно с расстояний Я и Я+ ЛЯ от зондируемого импульса лазерного излучения, посылаемого одновременно со вспомогательным импульсом лазерного излучения;Р - мощность вспомогательного импульса лазерного излучения;е. - безразмерный параметр, принимающий значения от 0 до 1 на заданном интервале изменения длительности вспомогательного импульса лазерного излучения х, О, 2 Я/с 1.Выражение для определения концентрации р основано на зависимости р от относительной спектральной прозрачности эондируемой области атмосферы для двух зондирующих импульсов и учитывает увеличение коэффициента поглощения за счет селективного возбуждения молекулы исследуемого газа вспомогательным импульсом. Сдвиг по времени1 мс между вумя зондирующими импульсами обеспевает минимизацию влияния турбулентнои атмосферы.Длительность вспомогательного имульса выбирается в пределах2 й1 - , а вер)(ний предел мощностисраничен насыщением населенности верхго уровня резонансного перехода с длий волны вспомогательного импульса,Способ увеличивает точность и чувствильность определения концентрации атосферных газов за счет увеличения эффициента поглощения на длине волны ндирующего импульса путем селективновозбуждения молекул исследуемого газа помогательным импульсом.1245072 Составитель А,ГородецкийРедактор Т.Клюкина Техред М.Моргентал Корректор А.Обручар иэводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гага 01 Заказ 1963 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по 113035, Москва, ЖПодписноеретениям и открытиям при ГКНТ СССРувлекая наб., 4