автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Разработка и исследование узлов двухчастотного NH3-CO2 лидара для получения пространственно-временной картины динамических процессов в атмосфере в диапазоне 9...13,5 мкм

Введение.

Глава-1. Физические процессы, протекающие в атмосфере при использовании лазеров для дистанционных измерений.

1.1 Оптическое взаимодействие лазерного излучения с атмосферой.

1.2. Основные методы лазерного зондирования.

1.3. Теоретическое рассмотрение метода дифференциального поглощения и рассеяния.

1.3.1. Уравнение лидара для рассеяния и определения концентрации поглощающей микрокомпоненты.

1.4. Типы лидаров и их применения.

Глава 2. Принципы работы двухчастотного NH3-C02 лидара в спектральном диапазоне 9. 13,5 мкм.

2.1. Регистрация с помощью двухчастотного NH3-C02 лидара примесей, загрязняющих атмосферу.

2.2. Влияние рассогласования диаграмм направленности опорного и рабочего пучков на точность измерений.

Глава 3. Конструктивные особенности двухчастотного

NH3- С02 лидара.

3.1. Блок-схема двухчастотного NH3-C02 лидара.

3.2. Различные оптические схемы излучателей

NH3- С02 лидаров.

3.2.1. NH3 лазер - основа излучателя лидара.

3.2.2. Схемы с оптическим сведением двух лазерных пучков.

3.2.3. Схема с автосведением двух лазерных пучков.

3.3. Система приема излучения.

3.4. Система управления, регистрации и обработки информации.

3.5. Система наведения на цель.

3.6. Основные технические характеристики

NH3- С02 лидара.

Постоянный контроль содержания в атмосфере вредных веществ является одной из основных задач в проблеме комплексного мониторинга экологического состояния воздушного бассейна Земли. В настоящее время выделяются несколько причин, ухудшающих экологическую обстановку. Среди них -выбросы в атмосферу фреонов (фтор-, хлор- углеродов), разрушающих озоновый слой Земли, образование в результате сжигания мусора диоксинов (веществ, вредно действующих на здоровье человека) и, наконец, попадание в окружающую среду веществ, образующихся в результате уничтожения химического оружия. Оперативное обнаружение источников загрязнения атмосферы на обширной территории представляет собой сложную техническую задачу, которая может быть эффективно решена только с помощью устройств дистанционного контроля химического состава атмосферы. Появление лазеров позволило создать такие устройства наземного, воздушного и космического базирования [1].

Исследования в области применения лазеров для мониторинга атмосферы начались практически с момента их создания [2]. К настоящему времени разработано большое число лазерных систем, так называемых лидаров, в основе действия которых лежат различные механизмы взаимодействия лазерного излучения с газовой средой [3]. Решать проблему мониторинга атмосферы наиболее эффективно позволяют лидары, основанные на принципе абсорбционной спектроскопии [2-4]. Метод абсорбционной спектроскопии предполагает измерение ослабления в атмосфере лазерного излучения (ЛИ) с двумя длинами волн. Одна из длин волн ЛИ должна совпадать с линией поглощения молекулы примеси (сигнальный луч). Излучение с другой длиной волны, отстроенной от линии поглощения молекул (опорный луч), позволяет учесть влияние рассеяния ЛИ в атмосфере. Таким образом, измеряется дифференциальное поглощение ЛИ, несущее информацию о концентрации контролируемой примеси в атмосфере. При этом импульсы ЛИ на сигнальной и контрольной частотах должны посылаться либо одновременно, либо с коротким интервалом времени между ними, не превышающим 0.1 с [2,4]. С помощью компьютерной системы регистрации измеренные спектральные зависимости поглощения примеси сравниваются со «спектральными портретами» молекул, хранящихся в памяти компьютера, и таким образом определяется характер и концентрация примеси.

Наиболее информативным диапазоном спектра для лазерного мониторинга атмосферы является инфракрасный диапазон, в б котором лежат частоты собственных колебаний многоатомных молекул. Для того чтобы содержащиеся в атмосфере водяные пары и углекислый газ не оказывали существенного влияния на процесс распространения ЛИ, его длина волны должна лежать в одном из "окон прозрачности" атмосферы, которые в инфракрасном диапазоне спектра находятся в интервалах длин волн < 2,5 мкм, 3-5 мкм либо 8-14 мкм [2].

В "окно прозрачности" атмосферы попадает излучение С02-лазера, нашедшего широкое применение в качестве источника ЛИ для лидаров [3-4]. Набор колебательно-вращательных переходов молекулы С02 позволяет варьировать длину волны ЛИ в диапазоне 9 -11 мкм. Однако, спектры поглощения большинства молекул лежат в более длинноволновой области спектра (11. 16 мкм), недоступной для излучения С02 лазера. Разработанные в ОКРФ ФИАН лазеры на основе оптической накачки молекул аммиака излучением С02 лазера позволили расширить спектральный диапазон лазерного излучения до 14 мкм, что дает возможность значительно расширить круг диагностируемых веществ. Таким образом, разработка лидарных систем в новых спектральных диапазонах является весьма актуальной задачей, поскольку именно в диапазоне 11. 13,5 мкм находятся спектры поглощения таких вредных для экологии веществ как фреоны, диоксины и т.п. В

49] был предложен (но не реализован) NH3-C02 лидар с 7 принудительной схемой сведения пучков. Однако, такое устройство, как показали наши эксперименты, практически не возможны для реализации.

Целью настоящей работы является изучение возможности применения аммиачного лазера для двухчастотных лидарных систем с далеко разнесенными частотами в спектральной области 9. 13,5 мкм, разработка и исследование отдельных узлов NH3-C02 лидара.

Научная новизна результатов состоит в том, что в них впервые:

1. На основе NH3 лазера с оптической накачкой излучением С02 лазера создан макет двухчастотного лидара в спектральном диапазоне 9. 13,5 мкм, причем у такого прибора нет необходимости в сложном и дорогостоящем спектроанализаторе высокого разрешения для получения спектров поглощения исследуемой примеси.

2. Разработана оптическая схема двухчастотного МН3-С02лидара с автоматическим совмещением опорного и измерительного пучков во всем спектральном диапазоне генерации NH3 лазера.

3. Предложена и исследована упрощенная оптическая схема наведения мобильного варианта лидара на объект, у которой подвижен только один элемент - плоское зеркало.

4. Теоретически рассмотрено влияние рассогласования диаграмм направленности опорного и рабочего лазерных пучков двухчастотного лидара на точность измерения примесей в атмосфере.

Все результаты получены при использовании современных методов проведения экспериментов и теоретических расчетов: спектрального анализа, импульсной осциллографии, фотографии, математического анализа, компьютерных методик и др.

Практическая значимость результатов работы состоит в демонстрации возможности создания и в разработке основных узлов двухчастотного лидара на основе NH3 лазера с накачкой излучением С02 лазера, работающего в спектральном диапазоне 11.13,5 мкм, с помощью которого можно определять источники выбросов в атмосферу таких вредных веществ, как фреоны, диоксины и др.

Положения, выносимые на защиту: 1. На основе импульсного перестраиваемого NH3 лазера с накачкой излучением С02 лазера может быть создан двухчастотный лидар с далеко разнесенными частотами, работающий в спектральном диапазоне 9. 13,5 мкм, причем в качестве опорного излучения лидара используется часть излучения накачки NH3 лазера.

2. Для такого типа лидара нет необходимости использовать сложные и дорогостоящие спектроанализаторы высокого разрешения, поскольку в каждом импульсе присутствуют две далеко разнесенные друг от друга компоненты - неизменная по частоте часть излучения накачки и изменяемая от импульса к импульсу, наперед заданная компонента излучения NH3 лазера.

3. Специальная оптическая схема аммиачного лазера позволяет получить двухчастотный лазерный пучок с пространственно совмещенными компонентами во всем спектральном диапазоне генерации NH3 лазера.

4. Упрощенная схема наведения излучения мобильного варианта лидара на цель, содержащая лишь одно подвижное плоское зеркало, позволяет снизить требования к точности изготовления подвижной системы крепления и юстировке зеркала наведения.

Основные результаты работы опубликованы в [5-8,79-81] и представлялись на следующие конференции: Всероссийское совещание по экологии (Звездный городок, сентябрь 1999 г.), X Международная конференция «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, июнь 2000 г.), XIII Международная конференция Gas Flow & Chemical Lasers and High Power Lasers (GCL/HPL , Флоренция, Италия, сентябрь 2000 г.).

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Экспериментально продемонстрирована возможность (создан макет) использования аммиачного лазера с оптической накачкой излучением С02 лазера для двухчастотного лидара с далеко разнесенными частотами в спектральном диапазоне 9. 13,5 мкм, где находятся линии поглощения таких вредных веществ, как фреоны, диоксины и т.п.

2. Предложена и создана оптическая схема импульсного двухчастотного NH3-C02 лидара, в которой, благодаря далеко разнесенным частотам, отсутствует дорогостоящий спектроанализатор высокого разрешения, что существенно упрощает и удешевляет конструкцию прибора.

3. Получена оценка влияния рассогласования диаграмм направленности опорного и рабочего пучков двухчастотного лидара на точность измерения примесей. Так, для измерения концентрации примеси с относительной ошибкой < 20 % необходимо обеспечить совпадение опорного и сигнального пучков с точностью < 3.10"3.

4. Исследованы различные оптические схемы излучателя лидара на основе аммиачного лазера. Разработана и опробована специальная оптическая схема источника лазерного излучения, в которой зондирующее излучение NH3 лазера и опорное излучение С02 лазера распространяются в одном пучке параллельно друг другу, что устраняет необходимость пространственного сведения этих лучей. Показано, что такая оптическая схема может функционировать во всем спектральном диапазоне перестройки NH3 лазера (11.13,5 мкм).

5. Разработана упрощенная оптическая схема наведения лазерного излучения на объект для мобильного варианта NH3-С02 лидара, в которой подвижным элементом является только одно плоское зеркало. Определено, что в такой системе наведения снижаются требования к точности изготовления механических узлов и юстировки подвижной части системы. Кроме того, такая схема может использоваться для совмещения работы нескольких источников излучения лидара, работающих в различных спектральных диапазонах, что существенно расширяет возможности лидара.

6. Разработаны и созданы компьютерные интерфейс и драйвер системы наведения двухчастотного лидара. Эти элементы позволяют с помощью компьютера наблюдать объект на экране монитора, доставлять лазерное излучение к объекту исследования и получать отраженно - рассеянное излучение от объекта, а также вводить в компьютер исходные данные для последующей обработки.

Проведенные исследования создают основу для промышленного создания мобильного двухчастотного лидара для дистанционной диагностики источников выбросов в атмосферу таких вредных веществ как диоксины, фреоны и некоторых других, спектры поглощения которых находятся в спектральной области 11. 13,5 мкм. Благодаря своему малому весу (до 300 кГ), небольшим размерам (2x1x1,5 м3) и незначительному энергопотреблению (до 2 кВт), этот прибор может быть установлен как стационарно, так и на корабле, автомобиле или на небольшом вертолете.

Заключение.

1. Межерис. Р. "Лазерное дистанционное зондирование", М., Мир, (1987).

2. Laser remote sensing". Trends In Analytical Chemistry, 17, 8-9 (август 09), 491-500, (1998).3. "Lidar atmospheric monitoring". Proc. of Int. Conf. on Lidar Atmospheric Measurements, 16-18 June 1997, Munich, FRG, Bellingham, Wash., USA : SPIE, (1997).

3. Кольяков С. Ф., Малявкин Л. П. Квантовая электроника, 15, №1, 212-217, (1988).

4. Ананьев В.Ю., Васильев Б.И., Лобанов А.Н., Лыткин А.П., Чо Чен Вхан, Ким Жен Сен . Двухчастотный лидар на основе аммиачного лазера. КЭ, 30, №6, 535-539, 2000

5. Васильев Б.И., Лыткин А.П., Чо Чен Вхан. Мобильный двухчастотный аммиачный лидар для дистанционного обнаружения источников загрязнения атмосферы. Лазер информ

6. Васильев Б.И., Чо Чен Вхан. NH3 лазер в качестве источника излучения двухчастотного лидара. КЭ, 30, №12,1113-1114, 2000

7. Васильев Б.И., Чо Чен Вхан. Двухчастотный аммиачный лидар (Конструкция прибора). ПТЭ №1, 5-6, 2001

8. Hake R.G. et al. Dye-laser Observation of the Nighttime Atomic Sodium Layer. Geophysical research, 77, 6389-6848,1972

9. Measures R.M., Pilon G., A Study of Tunable Laser Techniques for Remote Mapping of specific Gaseous Constituents of the Atmosphere, Optoelectronics, 4, 141-153, 1972

10. Wang C.P., application of Laser in Atmospheric Probing, Act Astronaut, I, 105-123, 1974.

11. Hochenbleicher J.G., Kiefer W., BrandmullerJ., A Laboratory Study for Resonance Raman Lidar System, Applied Spectroscopy, 30, 528-531 (1976)

12. Fenner W.R. Hyatt H.A., Kellan J. M. Porto S.P.S. Raman Cross-sections of Some Simple gases, J. Opt. Soc. Am.,63, 73-77 (1973)

13. Smith R.A. Jones F.E. , Chasmar R.P., The Detection and Measurements of Infrared Radiation, Oxford, London, Univ. Press, 1968.

14. Hodgeson J. A.McClenny W. A., Hanst P. L., Air Pollution Monitoring by Advanced Spectroscopic Techniques, Science, 182, 248 258 (1973).

15. Schotland R. M., Some Observation of the Vertical Profile of Water Vapor by a Laser Optical Radar, Proc. 4th Symposium on Remote Sensing of the Environment, 12-14 April 1966, Univ. of Michigan, Ann Arbor, 1966, p.273 283.

16. Ahmed S. A.,, Molecular Air Pollution Monitoring by Dye Laser Measurement for Differential Absorption of Atmospheric Elastic Backscatter Appl. Optics, 12, 901- 903, (I973).

17. Rothe K. W., Brinkman U., Walter H., Applications of Tunable Dye Lasers to Air Pollution Detection; Measurements of Atmospheric N02 Concentration by Differential Absorption, Appl. Phys., 3, 115 119 (1974a).

18. Rothe K. W., Brinkman U., Walter H. Remote Sensing of N02 Emission from a Chemical Factory by the Differential Absorption Technique, Appl. Phys., 4,181 -182, (1974b)

19. Hoell J. М., Jr., Wade W. R., Thompson R. Т., Jr, Remote Sensing of Atmospheric S02 Using the Differential Absorption Lidar Technique, Int. Conf. on Environ. Sens. Assessment, Las Vegas, 14 Sept, 1975.

20. Fredriksson K., Galte В., Nystr.om K., Svanberg S., Lidar System Applied in Atmospheric Pollution Monitoring, AppL Optics, 18, 2998 -3003 (1979)

21. Baumgartner R. A., Byer R. L., Optical Parametric Amplification, IEEE J. Quant. Electr., QE-15, 432, 1979.

22. Fredriksson K., Galle В., Nystrom K., Svanberg. S., Mobile Lidar System for Environmental Probing, Appl. Optics, 20, 4181 4189 (1981)

23. Murray E. R., Hake R. D., Jr, Van der Laan J. E., Hawley J. G., Atmosheric Water Vapor Measurements with a 10 Micrometer DIAL System Appl. Phys, Lett., 28, 542 543 (I976).

24. Weitkamp C., The Distribution of Hydrogen Chloride in the Plume of Incineration Ships: Development of New Measurements Systems, Wastes in the Ocean, Vol. 3, Wiley, 1981.

25. U. Panne. "Laser remote sensing". Trends In Analytical Chemistry, 17, 491-500, (1998).

26. Fiocco G.,Smullin L.D., Detection of Scattering Layers in the Upper Atmosphere (60-140km) by Optical Radar, Nature, 199,12751276,1963.

27. Ligda M.G.H., Proc. Conf. Laser Technol., 1st, San Diego, Calif.,63-72,1963.

28. Granier C., Megie G., Daytime Lidar Measurements of Mesospheric Sodium Layer, Planet.Space Sci., 30, 169-177,1982.

29. Hoge F.E., Swift R.N., Airborne Simultaneous Spectroscopic detection of Laser Indused Water Raman Backscatter and Fluorescence from Chlorophyll-a, and Other Naturally Occurring Pigments,Appl. Optics, 20, 3197-3205, 1981.

30. Богородский В.В., Кропоткин М.А., Шевелева Т.Ю. Методика и техника обнаружения нефтяных загрязнений вод. Л., Гидрометеоиздат, 1975.

31. Зб.Зуев В.Е., Кауль Б.В., Краснов О.А., Самохвалов И.В.Некоторые результаты лазерного зондирования атмосферы индустриального центра. Труды ИВсесоюзного симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск, 1973.

32. Snowman L. Long-path monitiring with tunable gas laser/ NEREM 73, Rec. Boston Mass. 1973 N.Y.

33. Б.И.Васильев, А.З.Грасюк, А.П.Дядькин и др., Мощный эффективный NH3 лазер с оптической накачкой, перестраиваемый в диапазоне 770 - 890 см"1 , Квантовая электроника, 7,116-122,1980.

34. Васильев Б.И., Ястребков А.Б. Известия РАН. Серия физическая. Т.58, №2, с. 202-206.1994

35. Hoge F.E., Swift R.N., Airborne Simultaneous Spectroscopic detection of Laser Indused Water Raman Backscatter and Fluorescence from Chlorophyll-a, and Other Naturally Occurring Pigments,Appl. Optics, 20, 3197-3205, 1981.

36. См., напр., Ахраров M. А., Васильев Б. И., Грасюк А. 3. и др., Труды ФИАН, 106- 3 (1982).

37. Васильев Б. И., Докторская диссертация, ФИАН, Москва, 1997.

38. Амбарцумян Р. В., Васильев Б. И., Грасюк А. 3. и др., Квантовая электроника, 5, 1791 (1978).

39. Аверин В. Г., Ахраров М. А., Баронов Г.С., Васильев Б.И., и др., Квантовая электроника, 10, 346 (1983).

40. Зуев В.В., Зуев В.Е. Лазерный экологический мониторинг газовых компонентов атмосферы. Итоги науки и техники, сер. Метеорология и климатология. М., ВИНИТИ, 20, 187, (1992).

41. Panne U. Trends In Analytical Chemistry, 17, 491, (1998).

42. Васильев Б.И., Ястребков А.Б., Изв. РАН, Сер. Физич., 58, №2, 202 (1994).

43. Ананьев В.Ю., Васильев Б.И., Желтухин А.А., и др., Препринт ФИАН №54, М„ 1998.

44. Баранов В. Ю., Бобков И. В., Дядькин А. П., и др., Препринт ТРИНИТИ № 0043-А, Троицк, 1998.

45. Lohmann, R., Jones, К.С., The Science of the Total Environment, 219 , 53 (1998).

46. Малышев В. И., Введение в экспериментальную спектроскопию. М., "Наука", 1979.

47. Корольков С. Ф., Малявкин Л. П. Квантовая электроника, 15, 212 (1988).

48. Беспамятное Г. П., Кротов Ю. В., Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Л., "Химия", 1985.

49. Stewart R., Bufton J.L. Development of a pulsed 9,5 mkm lidar for regional scale 03 measurement. Opt. Eng., 1980,v.19, N 4, p.503.

50. Randhawa J.S., Van der Laan J.E. Lidar observations during dusty infrared Test -1. Opt. and Quant.Electron., 1980, v. 12, N 2, p. 159.

51. Васильев Б.И., Грасюк A.3., Дядькин А.П. Квант, электроника 1977, 4, № 8.

52. Ахраров М, Васильев Б.И, Грасюк А.З., Ястребков А.Б. КСФ ФИАН, 1983, №2.

53. Altmann J., Kohler S., Lahmann W., Fast Current Amplifier for Background-Limited Operation of Photovoltaic InSb Detectors, J. Physics. 6, Sci. Instrum., 13, 1275 1279 (1980).

54. Keyes R. J., Kingston R. H., A Look at Photon Detectors, Phys. Today, Mar., 48 54 (1972).

55. Карашев Т.Б., Наумкин А.П. Полупроводниковые приемники инфракрасного излучения с внутренним фотоэффектом. Зарубежная радиоэлектроника №№ 11,12 1975.

56. Крикунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники, Москва, Сов. Радио, 1978.

57. Molina M.J., Rowland F.S., Stratospheric Sink for Chlorofluoromethanes: Chlorine Atom Catalyzed Destruction of Ozone, Nature, 249,810-812, 1974.

58. Maugh T.M., Ozone Depletion Would Have Dire Effects, Science, 207, 394-395, 1980.

59. Thrash B.A., The Chemistry of the Stratosphere and its Pollution, Endeavor, New Series, 1, 3-6,1977.

60. Stedman D.H., Measurement Techniques for the Ozone Layer. Research Development, Jan., 22-26, 1976.

61. Revelle R., Carbon Dioxide and World Climate, Scientific American, 247, 35-43, 1982.

62. Varanasi P., Ко F.K., Intensity Measurements in Freon Bands of Atmospheric Interest, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 17,385388, 1977.

63. Hirschfeld Т., Schildkraut E. R., Tannenbaum H., Tannenbaum D., Remote

64. Spectroscopic Analysis of ppm-level Air Pollutants by Raman Spectroscopy, Appl. Phys. Lett., 22, 38 40 (1973).

65. Uthe E. E., Allen R. J., A Digital Real-Time Lidar Data Recording Processing and Display System, Optical and Quantum Electronics, 8, 121 -129 (1975).

66. Hirschfeld Т., Range Independence of Signal in Variable Focus Remote Raman Spectrometry, Appl. Optics, 13, 1435 -1437 (1974).

67. Emmons R. В., Hawkins S. R., Cuff C. F., Infrared Detectors: An Overview, Opt. Eng., 14, 21 30 (1975).

68. Lussier F. M., Choosing and Infrared Detector, Oct. Issue of Laser Focus, 66-71 (1976a)

69. Parker C.A., Photoluminescence of Solutions, Eisevier, New York, 1968.

70. Hirschfeld Т., Klainer S., Remote Raman Spectroscopy as a Pollution Radar, Opticai Spectra, 63 66 (1970).

71. Klainer S. M., Hirschfeld Т., Schildkraut E. R., The Detection of Toxic Contaminants in the Atmosphere Using Single Ended Remote Raman Spectrometric Techniques, The Central States Section on the Combustion Institute, Houston, Texas, 7 8 April, 1970.

72. Васильев Б.И., Чо Чен Вхан. Конструктивные особенности двухчастотного NH3 С02 лидара. Препринт ФИАН, № 42, 2000.

73. Vasiliev B.I., Lytkin А.Р., Cho Cheon Whan. Formation of reference and signal laser beams in a differential absorption lidar. X conference on laser optics. Technical program. St.Petersburg, Russia, 2000.

74. Vasiliev B.I., Lytkin A.P., Cho Cheon Whan. Stadies of two-frequency differential absorption NH3 lidar. The XIII international Symposium on Gas Flow & Chemical Lasers and Power Laser Conference, Florence,1.aly, 2000.iftymm1. РОССПЙС^ АЯ ,,чб/кютЕл?.;