Способ дистанционного контроля газовой среды — SU 1814054 (original) (raw)
союз соВетскихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1814054 Г 4 21/61,(5)5 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ТЕЛЬСТВ АВТОРСКОМУ С импульсного лазерного излучения с двумя частотами, одна иэ которых совпадает с линией поглощения газа, концентрацию которого измеряют, а другая не совпадает, и по отношению интенсивностей прошедшего через среду или рассеянного ею излучения на указанных частотах определяют концентрацию исследуемого газа, причем частоту излучения, не совпадающую с линией поглощения, выбирают такой, чтобы она отличалась от первой на значение частоты комбинационно активного перехода непоглощающей компоненты газовой смеси; интенсивность излучения на частоте, не совпадающей с линией поглощения, д быть достаточной для возбуждения пр са вынужденного комбинационного ра ния, но не выше, чем интенсив оптического пробоя в среде, а инте ос е маре ние тропосфер ости/ Под ред : Наука, 1987, с 2. Лазерный . Э.Д, Хинкли тмосферы/ По, 1979,(54) СПОСОБ ДИ РОЛЯ ГАЗОВОЙ С (57) Использован контрЬля газового ров атмосферы в экологического м изобретения: осущ центрации поглощ ненты в газовой ННОГО КОНТолжна оцес- ссеяность нсивдистанционного и метеопараметметеорологии и нга. Сущность измерение конгазовой компопутем посылки ность иэлуч линией пог порог резо измеряемо обам ла- испольнтроля в атмослогии.дальнос линией погл онента газовой , по отношени его или рассеян занных частотаию исследуем реды, частоту из с линией погло ейся от другой ационно-актив глощающей газ тенсивность изл совпадае мого комп совпадаепрошедш ния на ук центрац газовой с дающую отличающ ты комбин гой непо среды. ин тем, что оля газоние имгазовойкоторых ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Институт оптики атмСССР(56) 1. Лазерное зондирови подстилающей поверхВ,Е. Зуева. - Новосибирс78-90. онтроль - М,: Мир СТАН ЦИ РЕДЫ ие: для состава задачах онитори ествляю ающей среде Изобретение относится к спос зерного газоаналиэа и может быть эовано для дистанционного ко газового состава и метеопараметро феры в задачах метеорологии и экоЦель изобретения - увеличение сти зондирования,Поставленная цель достигается по способу дистанционного контр вой среды, включающему облуче пульсным лазерным излучением среды на двух частотах, одна из ия на частоте, совпадающей сФщения, не должка превышатьнсных нелинейных эффектов вазовой компоненте.ееаЪ ощения исследуесреды, а другая не ю интенсивностей ного назад излучех определяют коного компонента лучения, не совпащения, выбирают на величину часто- ного перехода друовой компоненты учения на частоте,1814054 5 10 15 20 мощность для обеих излучений может быть55 обеспечена в соответствии с требованиями,не совпадающей с линией поглощения, выбирают достаточной для возбуждения процесса вынужденного комбинационного рассеяния, но не выше, чем интенсивность оптического пробоя среды, а интенсивность на частоте, совпадающей с линией поглощения, выбирают ниже порога резонансных нелинейных эффектов в измеряемой газовой компоненте.Физическим механизмом, обеспечивающим увеличение дальности зондирования, является перекачка энергии из пучка излучения с частотой вг в пучок с частотой в 1, которые взаимодействуют между собой в процессе резонансного комбинационнрго рассеяния в непоглощающей газовой компоненте среды, Изменение интенсивности излучения с частотой в и соответствующей напряженности электромагнитного импульса й обусловлено двумя факторами: резонансным поглощением в эондируемом газе и перекачкой энергии из волны с частотой вг,Этот процесс описывается системой уравнений: где ег - напряженность электрического поля импульса с частотой вг;Е - координата распространения;.д - коэффициент усиления волны с частотой в зэ счет перекачки энергии в процессе комбинационного рассеяния;аи аг - коэффициенты ослабления излучения на частотах в и вг соответственно,Кэк и по известному способу, концентрация измеряемого газа восстанавливается по измеренным интенсивностям прошедшего или рассеянного назад излучения, но в отличие от известного, по способу интенсивности излучений на частотах в и вг входящие в формулу для определения концентрации исследуемого газа в объеме с координатой 7 определяются иэ системц уравнений (1),Для зондирования малых газовых примесей в атмосфере при умеренных значениях интенсивности излучения (Вг 10 - 10 Вт/см ) взаимодействие волн на часто 8 2тах в и вг является слаболинейным. В этом случае из (1) можно получить явную зависимость связи между интенсивностями волн на частотах в и вг в точке 2 через их значения в точке 7=0 и параметры зондируемой среды: 30 35 40 45 50 1 й 1 Д/11(О)= - т + --- (1-еу(2)п(гав/12(ОИ= - у т - Р -Г - -д-у у. (1-е ),где 112(0)=11,2(Е=О); т =а 1У (аг а ) /4 = д 12(0)/ а 1. Если в качестве комбинационно-активной среды используется газ с известным распределением концентрации по трассе зондирования (например, равномерноперемешанная компонента воэдуха - азот или кислород), то (2) может быть решена относительно а по измеренным 1(7), 12 Д, 1(0), 12=0. Даже для слабонелинейного взаимодействия и 0,1 - 0,5) при ут 1 увеличение дальности зондирования на частотев при наличии перекачки энергии из волны с частотОй вг по сравнению со случаем независимого распространения волны в 1 определяется выражением при у 1 и,и 0,4 - 0,5 увеличение дальности зондирования составит 1,5 раза,Выход за рамки случая слабонелинейного взаимодействия приведет к еще большему проникновению зондирующего излучения вглубь исследуемой среды. При реализации предлагаемого способа за счет подкачки энергии в зондирующий луч обеспечивается увеличение отношения сигнал/шум, что дает повышение точности измерений, по сравнению с прототипом, при прочих равных условиях,Пример конкретной реализации способа для дистанционного контроля ИОг в воздухе или в смеси с азотом. В качестве излучателя с частотой йа может быть использован лазер на иттрийалюминиевом гранате с преобразователем излучения во вторую гармонику. При этом на частоте 2-й гармоники (в 2) может быть обеспечена пиковая мощность до 20 МВт/см, Часть энергии этого излучения используется для накачки импульсного лазера на красителе, генерирующего частоту в, настраиваемую таким образом, чтобы обеспечить одновременно совпадение с резонансной линией поглощения в НОг и условие вг - в 1 = вЩ=2329,92 см, Пиковая сформулированными в тексте.Использование 2-й гармоники импульсного излучения лазера нэ гранате в качестве излучателя с частотой и 2 и как источника накачки лазера, генерирукицего частоту оИ,1814054 пИО 2 = а 1/ОйО 2,где ойо 2 - сечение поглощения в расчете на одну молекулу й 02 на частоте в 1.Процедура аналогична той, что и в прототипе, и не приводит к уменьшению точности предлагаемого способа, тогда как предельная дальность зондирования может ,быть увеличена в 1,5 раза и более.Таким образом, способ может быть реализован на базе серийно выпускаемых лаСоставитель С, СоколоваТехред М.Моргентал Корректор С. Юско Редактор Л, Волкова Заказ 1826 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 обеспечивает синхронность импульсов излучения во времени, Совмещение зондирующего пучка и пучка подкачки обеспечивается системой зеркал, а оптическая схема лидара может быть полностью аналогична схеме, реализованной в прототипе. Полученные.таким образом пучки излучения с частотами а 1, са отвечающие всем условиям по заявляемому способу, посылают в газовую среду, состоящую из смеси М 02 и воздуха. При этом излучение на частоте са не поглощается ни одной из компонент воздуха, а излучение в 1 поглощается только.й 02. Далее регистрируют интенсивности обеих излучений на входе в атмосферный канал и на противоположном. конце трассы, по измеренным интенсивностям 1 Щ 3 1(0). 2 Д, 12(0) из уравнений (2) определяют а 1, а по его значению восстанавливают среднюю по трассе концентрацию й 02, используя фор- мулу зеров, надежно апробированной в натурных условиях техники зондирования по методу дифференциального поглощения и не усложнена по сравнению с прототипом, 5 Формула изобретения Способ дистанционного контроля газовой среды, включающий облучение импульсным лазерным излучением газовой среды 10 на двух частотах, эдна из которых совпадаетс линией поглощения исследуемого компонента газовой среды, а другая не совпадает,по отношению интенсивностей прошедшего или рассеянного назад излучения на 15 указанных частотах определяют концентрацию исследуемого компонента газовой среды,отличающийсятем,что,сцелью увеличения дальности зондирования, частоту излучения, не совпадающую с линией по глощения, выбирают отличающейся отдругой частоты на величину частоты комбинационно-активного перехода другой не- поглощающей газовой компоненты среды, интенсивность излучения на частоте, не сов падающей с линией поглощения, выбираютдостаточной для возбуждения процесса вынужденного комбинационного рассеяния, но не выше, чем интенсивность оптического пробоя среды, а интенсивность на частоте, 30 совпадающей с линией поглощения, выбирают ниже порога резонансных нелинейных . эффектов в измеряемой газовой компоненте.