Способ мониторинга атмосферных примесей

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ЕТЕНИ НИЕ И П исследований иеры и.: Гид мель- перепаром по атв, ч.1,истанционные измемов, молекул и мелковых частиц дляля атмосферы. Сущрмируют неизотропуемом районе и таком танционов, моле- частиц и кого коне точноия и лоесей и ений ее пиальная способа. чников 1З,распоГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) Лазерное зондирование атмосфкосмоса. /Под ред, В.М. Захарова, Лрометеоиздат, 1988, с,180 - 184.Самохвалов И,В. Соснин А,В, Хницкий Г.С. Поглощение излучениястраиваемого СО 2-лазера водяныматмосферы. Всесоюзное совещаниемосферной оптике, Тезисы докладоТомск, 1976, с.100 - 101.(54) СПОСОБ МОНИТОРИНГА АТМОСНЫХ ПРИМЕСЕЙ(57) Использование: д рения содержания ато дисперсных пыле экологического контро ность изобретения: фо ный пучок в контролир Изобретение относится к дис ным измерениям содержания атом кул и мелкодисперсных пылевых может применяться для экологичес троля атмосферы,Цель изобретения - повышен сти определения общего содержа кальной концентрации прим обеспечение возможности изме двухмерного распределения. На чертеже показана принци схема устройства для реализации Излучатель, состоящий из исто света, объектива 2, формирователя(51)5 6 01 М 21/59 его направлении, что часть его энергии после взаимодействия с составляющими атмосферы и примесями попадает на приемную часть монитора, фокусируют излучение, выделяют спектральные линии контролируемой примеси и определяют ее концентрации по характеристикам линий, Формирование неизотропного пучка наземного излучателя производят в зоне и на высоте над поверхностью, подлежащих контролю, путем преобразования в световой пучок, веерообразно расходящийся в горизонтальной плоскости, Выделение спектральных линий осуществляют из линейно поляризованной части рассеянного излучения стангенциальным распределением направлений поляризации вокруг излучателя, с устранением вклада фонового излучения путем вычитаний тангенциально и радиально поляризованных потоков, а концентрацию примесей определяют по поляризованным эмиссионным линиям в спектре рассеяния веерообразного излучения, 2 з.п. ф-лы, 1 ил,я на высоте 50 - 100 м (т.е, выше боль- а прилежащих наземных сооружеормирует веерообразный световой доль земной поверхности в зоне 4 ия, Излучение 5, рассеянное на приаэрозолях и на молекулах воздуха, ируется измерительным устройстразованным объективом 7, полярино-пространственным фильтром 8, и 9, спектральным устройством 10, гмой 11 и приемником 12 излучения, выделение отдельных участков изоия осуществляют или с помощью диили использованием матричного лагаетс шинств ний) и ф пучок в рассеян месях, регистр вом, об зацион линзам диафра причем бражен афрагм(х +х +1); приемника, а для калибровки измерительного устройства используется сферический излучатель 6.Вместо варианта формирования веерообразного пучка при помощи конического Мцмала можно применить другой - кольцевой источник света в виде газоразрядной лампы в фокусе тороидально-параболического рефлектора,Рассеянное излучение 5 при измерении излучения из верхней полусферы, преимущественно из направления, близкого к вертикальному, имеет вид гало. При измерении излучения 5 нет необходимости осуществлять сверхточное совмещение оптического измерительного устройства с вертикалью, как это требуется при измерении излучения неизотропных излучателей с остронаправленной диаграммой излучения таких, как, например, лазерный локатор.Назначение пространственно-поляризационного фильтра 8 заключается в выдено Е- - , Е-у - и радиально ЕА, Е 5 поляризованных со ставляющих излучения устройством, поочередно вводящим в световой пучок один из прозрачных дисков. Первый диск состоит из набора секторных поляроидов, направление поляризации которых является радиальным, а во втором диске направление поляризации выбирается тангенциальным. Такое устройство может быть названо "еж - улитка".Второй вариант выполнения пространственно-поляризационного фильтра основан на зависимости коэффициентов пропускания и отражения тонкого равнотолщинного зазора в диэлектрике от поля ризации падающего излучения параллельно и перпендикулярно плоскости падения, При выполнении условия полного внутреннего отражения сова ) Ф, а = 90- 0 - угол при вершине конуса., 0 - угол падения, на 4 зазоре имеет место нарушенное полное лении тангенциаль внутреннее отражение и равенство прошедшего и отраженного излучения в каждойполяризации при выборе толщины зазора равной 5 Для 3 и Р-поляризации, эквивалентные для конических границ раздела тангенциальному и радиальным направлениям, где 2 и залпа псоза - 1 (и - 1)(п сов а - зп а)= 1,2 ;а агссов (1/и);Л- длина волны излучения Таким образом, при зазоре д з ортогональная поляризация в основном отражается, а при д р проходитчерез зазор. Поэтому при модуляции по расстоянию вдоль оси на (д э - д р) /з и а естественный свет оказывается поочередно поляризованным во внешней части радиально, а во внутренней тангенциально и вычитается при синхронном детектировании, а поляризованный свет модулирован. Преимуществом такой модуляции рассеянного излучения является непосредственное измерение разности компонент РЛ и РЛгбыстродеиствие микроп ривода, модулирующего зазор на величину1 мкм, по сравнению с приводом смены ортогональных поляроидов, что повышает точность аналогично другим модуляционнным системам.Выбор диаметра б диафрагмы 11 осуществляют из условия согласования диаметра О зоны рассеяния с фокусным расстоянием объектива 7; где й - расстояние между и измерительным устройством.Рассмотрим формирование сигнала на длине волны резонансного рассеяния Л 1. Поток излучения, падающий от источника на исследуемый объем, претерпевает рассеяние трех видов - релеевское, аэрозольное и резонансное рассеяние на излучаемых примесях. Освещенность на входе приемного устройства связана с интенсивностью излучения на выходе из рассеивающей среды: есову л 9/4где у - угол между направлением лучей и нормалью к апертуре приемной системы; реп, 1 Ц, 1 ЯР,Ц - интенсивности излучения, испытавшего релеевское, аэрозольное и резонансное рассеяние соответственно; В и тЛ 1( К ) - расстояние и оптическая толщина слоя между исследуемым объемом и приемником; д- линейный угол поля зрения приемного устройства.При малой оптической толщине исследуемой примеси в рассеивающей среде вокруг источника резонансная составляющая в направлении приемника излучения 1 я 1 полностью поляризована: 1 А 1 =1 Ъ, 15 где 11 - тангенциально поляризованная составляющая. НормируяХ 1 на интенсивность излучения 1 Л 1, падающего на исследуемый объем, имеем на единицу дли ны при радиусерассеивающей среды1 Ъ- 4 лй, а у (ф),1 Л 125где Мп - концентрация резонансно рассеивающих частиц (атомов, молекул); а- поперечное сечение резонансного рассеяния;у(1) - коэффициент, связанный с перераспределением излучения по направлениям рассеяния (ф=к/2).В нижних слоях тропосферы поперечное сечение аопределяется с учетом девозбуждения за счет соударений примеси с 35молекулами воздуха,Приведем физические соотношения,описывающие поток излучения, связанныйс резонансным рассеянием, При анализепримеси, поглощающей из основного состояния и имеющей концентрацию Мп (см ),-зсилу осциллятора т на частоте м = С/Л(Л 1 -длина волны спектральной линии примеси, с = 3 10 см/с - скорость света) и10эйнштейновский коэффициент радиационного перехода А 21, от зоны в среднем равномерного загрязнения диаметромО = В б/Р, или О = 2 сти, ти - длительностьимпульса света от источника излучения,возникает плотность В Л 1 потока излучения в эмиссионной линии с тангенциальным распределением поляризации;55И и М, ддАг 1ВЛ 1 =001884 КВ Е (А 21+п 1 ОЧ )1где Л - интенсивность источника излучения, а сумма в знаменателе учитывает ударное девозбуждение возбужденного уровня столкновениями атомов (молекул) примесей с основными составляющими атмосферы, характеризуемыми концентрацией пь скоростью ч и сечением (7 дезактивации; 1 - индекс составляющей, а связь поперечного сечения а и с другими параметрами дается выражением1 Аг 1 ал - Определение энергетических констант измерительного устройства и оптической толщины вертикального слоя атмосферы между уровнем источника излучения и измерительным устройством осуществляется с помощью сферического излучателя 6, имеющего изотропную индикатрису излучения в верхнюю полусферу.Потоки излучения Е, создаваемые на длине волны поглощения примеси Л 1(Л 1 =Л 1) или вне полосы поглощения Л (Л= Л 2 )и регистрируемые приемником в пределах угла д линейного поля зрения приемного устройства под зенитным угломф1 Д 1, - гпту (Л),+ +1 Г е(Л) . п 1 гр(Л) хд/2 х," у ( д )1 д с до где 1 Я - яркость излучателя 6; д - угол, под которым излучатель 6 виден из измерительного устройства; у(д ) - индикатриса1 рассеяния; д - угол рассеяния; т, (Л 1 )1 о полная бугеровская толща и толща рассеяния соответственно; п 1 - воздушная масса. Первое слагаемое в правой части выражает прямой поток излучения от излучателя 6, ослабленный слоем атмосферы, а второе слагаемое - поток рассеянного излучения. Эти потоки пространственно разделены в плоскости полевой диафрагмы приемника и могут быть измерены раздельно, если дд например, с помощью матричного приемника или другого метода пространственного разделения изображений.г, =тЛ 1 - тЛ 2,гЛ 1 =тдкЛ 1 , ТЛ 2 =тдкЛ 2 д кЛ 1 - ц кЛгЛовК а ер = агс зес а макс,По результатам измерений потоков Еи разделения прямого и рассеянного потоков при различных, например трех - четырех, воздушных массах можно определить толщу т(Ь) и значение ЕЯ при а = 0; Эта операция осуществляется, например, решением системы уравнений для прямого потока Е М (ф)для различных а при 1 а2 или 1а 3 и именения разложения экспоненты е ( ) в ряд по воздушной массе а или построением за,гвисимости п Е Й = 1 ( а ),и ее экстраполяцией на воздушную массу а = О, По углу наклона этой зависимости кЛ 1 и кЛ 2 для длин валн Л 1 и Л 2 и вЕличинам и ЕЯ, при гл = 0 определяют оптическую толщину при- меси значения е Йдля Л 1 и Л 2, равныесветовому потоку от сферического излучателя 6, иобщее содержание примеси где К - коэффициент поглощения примеси,а локальную концентрацию Мп примеси определяют по формуле с и тЛ 2Л 1 гп Л 2и - е и е 3 еЛ 2где Сп - коэффициент, определяемый индикатрисой рассеяния света, С = 0,0376,Для обеспечения сферической индикатрисы излучателя 6 в верхнюю полусферу размер нижней нерабочей зоны ограничивается углом среза где айзакс - максимальное значение воздушной массы.Формирование пространственных размеров зоны рассеяния может осуществляться либо с помощью выбора диаметра диафрагмы 11 и фокусного расстояния Еобъектива 7, либо использованием импульсного режима работы источника 1 света и 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 стробированием работы приемника 12 излучения, Для этого необходимо согласование длительности импульса света, времени Ь распространения света через зону рассеяния и времени работы приемника Ь. Время распространения тр = О/2 С. При выборе Ь = тр и ограничении времени работы тп = ь радиус эффективной зоны рассеяния равен О, Уменьшение размера зоны приема излучения обеспечивается введением задержки включения приемника относительно начала импульса источника.Приведем энергетический расчет устройства; Источник излучения - импульсная лампа И ФП-2 со средней мощностью 6000 Вт, Для области спектра 760 - 770 нм КПД лампы 1 = 3 10 ср нм . В приемном устройстве применен фотоумножитель ФЭУ - 62 с характеристикой фотокатода С 1 и пороговой чувствительностью 0 пер = 6,8 10 ВтГц-1(Эффективность спектрального устройства, выделяющего, например, линию поглощения 766 нм атомов калия, равна 0,1,Диаметр объектива 0,3 м, расстояние от излучателя до приемника 1 км. Концентрация атомов калия Ил=2 1010 смПримем, что 1% от общего числа атомов находится в парообразном состоянии.При частоте вспышек лампы 1 Гц отношение сигнал/шум на приемнике равно 15 и при фиксированной диафрагме уменьшается с расстоянием медленнее (обратно пропорционально), чем в других способах, характеризуемых уменьшением сигнала обратно пропорционально квадрату расстояния. Для увеличения расстояния между приемником и излучателем можно использовать лазерный источник, Для лампы- вспышки повышение эффективности источника можно получить, если использовать внутри светового объема атомы исследуемой примеси, например, в виде паров. В этом случае световая отдача в линии примеси возрастает,формула изобретения 1, Способ мониторинга атмосферных примесей, заключающийся в формировании от источника излучения светового пучка двух длин волн, облучении этим пучком исследуемого объема атмосферы, регистрации на двух длинах волн световых потоков Е Х 1, Е Х 2 прошедших исследуемый объем, и определении по этим потокам локальной концентрации примесей в исследуемом объеме и их общего содержания, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения общего содержания и локальной концентрации примесей и обеспечения возможности измерений ее двуА 1,г 20 и (хк+ ХИ+ 25гд 2 и 3 паЗ и соз аЗ2 2 нент с тан- ределением венно для комподиальным распяризации;ль преломления 1 = 1,2 соответст генциальным и ра направления пол 35 п - показатека; электрит 9 кЛ 1 т 9 кЛ 2И иК1 где К - к а локаль ределяю Лг )еМг са зонансног мый индимерного распределения, световой пучок формируют со сферической диаграммой направленностии, дополнительно формируют световой пучок на аналогичных длинах волн и спектрального состава, расходящийся веерообразно в атмосфере вокруг источника излучения, дополнительно собирают излучение, рассеянное под прямым углом к плоскости веерообразного пучка, формируют иэображение зоны рассеяния, выделяют локальные участки изображения, для каждого локального участка выделяют компоненты рассеянного светового потока с тангенциальным ЕА 1, Е 12 и радиальным Е 1, Е 52 распределением направления поляризации, где А 1,12 - длина волны поглощения примеси и длина волны сравнения соответственно, измеряют разность этих компонент ЕД,1 =Е 11 - Е 11, ЕА 2=ЕЪ ЕАг затем дополнительно измеряют прошедшие через исследуемый объем световые потоки Е 21 , Е 2источника излучения со сферической диаграммой направленности, по крайней мере для двух других углов ф) к исходному направлению светового пучка и по этим потокам и первоначально измеренным потокам Еф 1, ЕХгдля каждой длины волны определяют зависимость 1 иЕЯ,= фп), где а - воздушная масса, определяют углы наклона этой зависимости кЛ 1, /СЛ 2 и величины 1 и ЕЯ при гп = О, причем, содержание примесей Ии определяют по формуле эффициент поглощения примеси,ую концентрацию Ми примеси оппо формуле где а п - поперечное сечение ррассеяния частиц примеси;Сп - коэффициент, определкатрисой рассеяния света; О - диаметр локального участка зонырассеяния,2, Способ по п 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точности опре деления локальной концентрации примесей иобеспечения возможности измерения ее двумерного распределения, компоненты рассеянного светового потока с тангенциальным Е 11, Е 32 и радиальным Е Х 1, Е Хграспределением направлений поляризации выделяют путем направления светового пучка с длинами волн 11,2 на два диэлектрика с зазором между ними, причем компоненту Е 11, Е 12 15 выделяют в проходящем, а компонентуЕ Д 1, Е 2 в отраженном свете, при этом толщину зазора д к выбирают по формуле(и - 1)(и соз аЗ Зп аЗ) аз - угол наклона воздушного зазора кнаправлению светового пучка.3, Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я40 тем, что, с целью повышения точности определения локальной концентрации примесей иобеспечения возможности измерения ее двумерного распределения, веерообразный световой поток формируют импульсным, а45 локальные участки изображения выделяютпутем выбора длительности импульса светового потока ти, которую определяют из соотношения:ти = О/2 с,50 где с - скорость света,1800325 ставитель А.Городецкийхред М.Моргентал Корректор С.Лисина едак роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 1159 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5