Способ дистанционного измерения концентрации водорода в атмосфере

. нЦел альина дставляют со 3емыеХ 5 И пион етение относитерному эондироольэонано дляадач,Излучатели бой перестраи ры с частотам ниюможетщения геофзиму л частот саэ быть нсческих ответ- зеркал ственно С помощь 5, 6, 7 и поворот чене от излучате пранляетея н вь 5 хо формирующй узкон посылаемый сихро тотах н исследуем дихрончных й призмы 8 с лче - П 5 Е Е я ун тения явл Целью изобредальност зондности.На чертеже пок лурованя лей 1-4 соосно надой телескоп 9, вй йетеоно уст апранленный пуча реализующее спос Устройство со нно на четыреую область ат чассержит излуцател е мощного епер выполненный н ни страинаемого лаэ еры,с частотой ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ Гкнт СССР 30.05.92, Вол, 143195702522.10,87Институт гхимии им, ВС.А.КрикунА.Шабалин536.35(088.8)Оюуоп 8 А. СоЬегепговсору 11 вдп 8 1 аееЛоцгпа 1 оГ фапСцп1978, 115 3, рр.192торское свидетельс95784, кл. С 01 И 2(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗИЕРЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДОРОДА В АТ 110 СФЕРЕ (57) Изобретение относится к дист ционному лазерному зондированию, изобретения является увеличение д ности зондирования и повыщение то ности, Способ заключается в сияр ном и соосном облучении атмосферь конаправленным лазерным излучаяе четырех частотах: )з, 1, ).ЗЦ 15 1 58 чохт.аемьтмпомг ь 1 е лазеров, Призтсм .,азо тк частотх 1 н 1 5 асоп дают частотам комбинационнозктип 1 я,х переколов соответственно водо 15;5 д 5 и азс,",5 Упруга рассеянное назад злучече с выделенного участ"ка грассы собирается приемной оптикойидара на входной щели спектральногоприбора, с выхода которого излученияс частотами )х, 4, 1 поступают всистему регистрации, где преобраэуютя я соотнетстнующие электрическиесигналы ц и, и,. пропорциональныесветовнм сигналам на этих частотах(Р, Р Рг ). По значениям этих вели"чн нычсляют искомую концентрациюИзобретение обеспечивает дистанционную регистрацик 5 концентрации водорода в атмосфере при одновременном повыщении чувствительности и точности определения и учитывает флуктуацню мощности излучателей и вариацию параметров атмосферы, ответственных эа нерезонансное злучение, 1 ил.1515896 Рассеянное н атмосфере ццучс ццепринимается приемным телескопом О,оптически согласованным с цолихроматором 11, ца выходе которого выделяются частоты 1, 1и, 0 птические сигналы ца этих частотах регистрируются и обрабатынаютгя системой 12регистрации и обработки оптическихсигналов,Значения частот излучений, генерируемых перестрацваемыми лазернымиисточниками определяются из соотцошеций 10 1 - 1,)ЬР., 1(г в) 1 Вггде Ь - постоянная Планка;а Е - энергия колебательцого пеМрехода водорода;ЬЕг - энергия колебательного обер.тона азота.Частота излучения , выбирается между частотами 1 и 1.25Вследствие вынужденного комбинационного рассеяния на молекулах водорода и азота в поле сильного излучения с частотой ь, являющегося стоксо" вой компонентой, происходит ослабле- З 0 ние излучений с частотами 1 ц 1 г .Процесс индуцированного поглощения является вынужденным комбинационным ослаблением, Рго основным преимуществом по сравнению с процессом вынужден 5 ного комбинационного усиления уть которого состоит в усилении излучения на стоксовой частоте и регистрации этого усиления, лнляется отсутствие на частотах 1, 1,на которых 40 происходит регистрация попезцой информации, помех, создаваемых флуоресценцией атмосферы под воздействием мощного излучения с частотой 1 эЭта широкополосная флуоресценция 45 атмосферы ограничивает предел обнару- кения ее микрокомпонент по спектрам комбинационного рассеяния на уровне концентраций 10-100 частиц ца миллион частию основных компонент. 50Крсме того, полное сечение процессов вынужденного комбинационного ослабления и усиления при плотностях мощности лазерного излучения, постижимых на трассах длиной до 1 км 55 (10 Вт см ), превышает среднееч -7,дифференциальное. сечение спонтанного комбинационного рассеяния в единичном телесном угле в видимом диапаэо не спектра более чем в 10 ю раэ пришцрцце спектра лазерного излучения0,0 смПормцруя мощности сигналов на частотах 1 и ч, на мощность сигналачастоты 1 , можно избавиться от флуктуирующих коэффициентов поглощения иотражения, описывающих нереэонансныеи невыцуждецные процессы облегчитьрежим работы системы 12 регистрации,затем, вычисляя логарифм отношениянормированных сигналов, соответствующих моментам временидля начала иконца элемента пространственного разрешения уЬ на трассе зондирования,можно избавиться от вариации энергииизлучения ца стоксовой частоте иэлуча.теля 1,Концентрацию водорода определяютцо наведенному дифференциальному поглощению ца молекулах водорода и азотапо формуле Я (т.+ - ) Ы. М (Ь- - ) Ы.1 п С (1,) =С (1.)6 1 п где С(Ь),б, Сг(1),бг " концентрации и сечения спонтанного комбинационного рассеяния молекулярного водорода и азота в атмосфере на расстоянии Ь соответственно;с И-С)-- расстояние от лаэерно 2го устройства до объема атмосферы,зондирующего в момент времени й;время посылки излучения в атмосферу; с - скорость света в среде;6 1, - пространственное разрешениепо трассе;Я, И- сигналы иа частотахи ,Пример определения водорода в атмосфере при фоновой концентрации нодорода "0,5 частиц на миллион частицосновных компонент,Дифференциальное сечение спонтанного комбинационного рассеяния для- ветви колебаний Нб =1,510см /ср при облучении излучением с длиной волны Я 532 нм, Для километрового участка трассы ( ВЬ1 км) возможно с учетом дифракциоиной расходимости создать сечение лазерного пучка 8 ф 1 см на этом участ- йке трассы при мощности излучения Р фф 1 ГВт и ширине линии генерации 0,01 см , При этом сечение процессаювозрастает в 10 раз, т,е, при фоновых концентрациях водорода в атмосфере относительное изменение сигнала на километровой трассе равно 2 10Таким образом, способ обеспечивает измерение фоновых концентраций моле кулярного водорода в атмосфере.Иэабретение позволяет повысить дальность, точность и чувствительность при измерении концентрации водорода, Одновременное проведение измерений на 5 трех частотах поэволяет исключить неконтролируемые изменения плотности мощности излучения при его распространении в атмосфере. Формула изобретения лениюо т л и ч в ю щ и й с я тем,что, с целью увеличения дальностизондирования и повышения точности,посылку третьего и четвертого импульсов осуществляют синхронно с двумяпервыми импульсами, причем частотучетвертого импульса выбирают иэ условия совпадения разности первой и четвертой частот с колебательным обертоном молекулы азота и значение третьейчастоты меньше значения четвертой частоты, а концентрацию водорода определяют по наведенному дифференциальномупоглощению на молекулах-водорода иазота по формулеСпособ дистанционного измерения концентрации водорода в атмосфере, включающий облучение исследуемой области атмосферы четырьмя импульсами соосного узконаправленного лазерного излучения в спектральном диапазоне прозрачности атмосферы, причем два импульса излучают синхронно с разностью З 0 их частот, настроенной на комбинационный резонанс молекулы водорода, а третий импульс отстраивают по частоте от этого резонанса, регистрацию упруго рассеянного назад излучения, пре образование его в электрический сигнал, пропорциональный оптической мощности, нормировку результатов измерения для первой пары пучков на результаты измерений для второй пары пуч ков и определение концентрации водорода с учетом этой нормировки повынужденному комбинационному ослаб 1 п(Ь где С(1,), 6, С;(1) г - концентрации и сечения спонтанного комбинвциеонного рассеяния молекулярного водорода и азота в атмосфере на расстоянии Ь соответственно;сс-С 1Ь=- - ф" - расстояние от лаэерно 2го устройства до объема атмосферы,эондируемого в момент времени й;е - время посылки излучения воатмосФерус - скорость света в среде;ДЬ - пространственное разрешениепо трассе;И и И - сигналы на частотах1 игде 1 - частота второгоимпульса лазерного излучения; 4 гчастота четвертого импульса,1515896 Составитель А, Городецкийедактор В,Трубченко Те:,ред А.Кравчук Тира Подпис бретениаи и открыткамеуюская наб., д, 4/5 ГКНТ СССР ш жшма аюаащюювааЮщВВВвиеюЮроиэводственно-издательский комбинат "Пвтент", г. Ужгород, ул. Гага 101 Закл ч 2443ВНИИПИ Госуд ственного коиите "а по 11303 5, Моск в 1, Ж