Введение

1. Спонтанное комбинационное рассеяние

2. Принцип работы лидара и характеристики лидарного метода с использованием спонтанного комбинационного рассеяния

Принцип работы лидаров состоит в следующем: и атмосферу посылается, как правило, дополнительно коллимированный лазерный пучок и ведется наблюдение за светом, рассеянным в обратном направлении. При этом спектральное смещение сигнала СКР обеспечивает избирательность метода и делает, результаты определений независимыми от состояния атмосферы (наличия в ней частиц аэрозоля, флуктуации температуры). В этом заключается решающее достоинство лидара, основанного на явлении СКР (комбинационного лидара).

Типичный прибор состоит из импульсного лазера, способного генерировать мощные моноимпульсы или последовательность импульсов (что важно для осуществления непрерывного слежения за атмосферой и повышения чувствительности метода); телескопа, расширяющего возбуждающий световой пучок, а значит, и уменьшающего его расходимость; телескопа, собирающего рассеянное излучение на входной щели спектрального аппарата или на блоке подобранных узкополосных и отсекающих интерференционных фильтров; системы приема, регистрации и обработки информации. Установка монтируется стационарно в помещении либо в кузове автомашины.

Различают моностатические и бистатические лидарные системы. Моностатические системы основаны преимущественно на использовании рассеяния (лидар на КР, резонансных эффектах, дифференциальном поглощений рассеянного излучения), их лазерный источник и приемный телескоп расположены рядом. Бистатические (разнесенные) системы характеризуются тем, что имеют либо раздольно расположенные лазерный передатчик и приемный телескоп, либо лазер и телескоп, расположенные в одном месте, но разнесенные на некоторое расстояние. Схема бистатического комбинационного лидара показана на рис. 5. Основное уравнение комбинационного лидара для мощности возвращенного сигнала записывается следующим образом:

где Р_л — мощность возбуждающего излучения лазера; t_и — длительность импульса; п_к — число рабочих импульсов; k₁ — общий коэффициент пропускания оптики; Т₀ и Т_с коэффициенты потерь излучения при его однократном прохождении через атмосферу в области возбуждающей и смещенной линии соответственно; А_пу — коэффициент, суммарно учитывающий параметры приемно-усилительной системы; А_фп — эффективная площадь приемника; k₂ —коэффициент, учитывающий перекрывание возбуждающего и возвращенного пучков; N (R) — плотность атмосферы; s_с — сечение рассеяния в обратном направлении; R— расстояние (высота).

Одним из основных требований к исследованию спектров КР является возможность измерения отношений J_q / J₀ и (J_q / J₀ )⁰ . Относительная интенсивность рэлеевского рассеяния составляет 10^-3 – 10^-4 отинтенсивности возбуждающего излучения, в то время как интенсивность спектров КР в 10^-3 —10^-4 раз слабее. Следовательно, по сравнению с ЛДА для излучения спектров КР требуются более интенсивные лазерные источники света преимущественно с длиной волны излучения в видимой и ультрафиолетовой области спектра, так как интенсивность линии КР пропорциональна l^-4 . Для выделения в спектре КР нужных линий используется монохроматор с очень высокой избирательностью, чтобы максимально ослабить сигнал от сравнительно интенсивной линии, обусловленной рэлэевским рассеянием, и паразитного рассеяния внутри прибора. Простой монохроматор ослабляет этот свет до уровня 10^-4 , а двойной – до уровня 10^-10 – 10^-12 . Возможно также использование интерференционных фильтров с узкой полосой пропускания.

Рис. 5. Схема (а) и внешний вид (б) типичного лидара: 1 – импульсный рубиновый лазер; 2 – кристалл — удвоитель частоты; 3 – фотодиод для измерения импульса; 4 – полупрозрачное зеркало; 5 – зеркало приемного телескопа; 6 – диафрагма; 7 – осветительная оптика; 8 – двойной монохроматор с ФЭУ, усилительной и регистрирующей системами.

2.1 Преимущества и недостатки схемы лазерных локаторов, основанных на КР

1. В отличие от методов резонансного рассеяния не требуется применения определенной частоты лазерного излучения. Поэтому можно работать на частоте, слабо поглощаемой в атмосферных газах, хотя для повышения чувствительности предпочтительнее работать на более коротких длинах волн.

2. Обеспечивается исследование газовых компонент атмосферы с высоким разрешением по дальности. Длина волны может перестраиваться для наблюдений изолированных комбинационных спектров отдельных молекулярных соединений. Это обусловлено правилами отбора, которые существенно отличаются от правил отбора для обычных спектров излучения и поглощения.

3. Схема не ограничена определенными типами молекул. Она может применяться для обнаружения почти всех химических соединений, содержащихся в атмосфере, Для изучения соединений, спектр которых заранее неизвестен, желательно, чтобы детектирование всех частот комбинационного спектра осуществлялось одновременно либо как можно быстрее.

4. Полностью устраняется неопределенность в данных обратного рассеяния, в случае, когда частота рассеянного сигнала равна частоте излучения лазера. Схема позволяет установить вид рассеяния; принимаемого сигнала (рэлеевское или рассеяние на частицах). В результате обеспечиваются независимые измерения профиля аэрозоля и профилей плотности газовых компонент атмосферы.

5. Рассеянные сигналы всегда содержат комбинационное эхо от основных атмосферных газов (N₂ и О₂ ), поэтому абсолютною молекулярную плотность любого соединения легко получить, сравнивая интенсивности рассеянных сигналов, принятых из одной и той же области атмосферы.

Недостатки схемы

Основным недостатком является невысокая чувствительность при больших дальностях. Это обусловлено тем, что поперечное сечение КР на три порядка меньше рэлеевского. Следовательно, необходимы лазеры с высокой'мощностью излучения в более коротковолновом диапазоне длин воли.

2.2 Измерение концентрации и температуры газов

С помощью СКР исследовано несколько газов промышленной чистоты. Давление, а следовательно, и плотность (T_const ) изменялись по величине на три порядка. В качестве источника возбуждающего излучения использовался рубиновый лазер типа TRG модели 104А с модулированной добротностью (l = 694,3 нм). Энергия импульса излучения была 1 кДж при длительности около 10 нс (по полуширине), что соответствовало пиковой мощности 100 МВт. Излучение было линейно поляризовано в вертикальной плоскости. В экспериментах использовался спектрограф модели М-401. Регистрация спектров КР на выходе спектрографа осуществлялась с помощью высокочувствительного ФЭУ (модель RCA № 031000) и высокоскоростного осциллографа. Ширина входной щели спектрографа регулировалась в пределах 25 – 100 мкм.

На рис. 6 приведены результаты измерения интенсивностей линии КР в чистых газах. Для выделения комбинационных линий в спектре рассеянного света использовались два узкополосных фильтра. Для СО₂ , имеющего четыре стоксовы компоненты, спектрограф регистрирует общую интенсивность колебательно-вращательных полос на длинах волн 768,3 и 769,6 нм. Проводились также раздельные измерения интенсивности на полосах 710,2 и 762,3 нм, которая составляла 8,1 × 10^-8 Вт при интенсивности возбуждающего излучения 75 МВт. Измеренная и расчетная интенсивности линий в диапазоне изменения плотности газа на 2,5 порядка хорошо согласуются. Погрешность измерений понижается при более высоких давлениях газа и увеличивается до 15—20 % при низких. Нижний предел измеренного давления для N₂ составил 1,3 кПa, что выше, чем для О₂ и СО₂ (0,4 - 0,53 кПа). Это объясняется тем, что эффективное сечение света для N₂ меньше, чем для О₂ и СО₂ . При низком давлении интенсивность рассеянного света находится в пределах шума ФЭУ и не может быть измерена. Графики, приведенные на рис. 6, можно рассматривать как калибровочные и использовать их для определения парциальных концентраций веществ в различных газовых смесях, состав которых заранее известен.

Параметры КР молекул многих веществ либо не известны, либо измерены неточно. Типичным примером является вода, содержание которой в атмосфере и профиль ее распределения являются важнейшими параметрами формирования погодных условий. В связи с важностью константы s(Н₂ О) проведен цикл измерений поперечного сечения колебания молекулы воды в жидкой и газообразной фазах с максимальным учетом возможных погрешностей. В качестве эталонных линий использовались линии КР газообразного азота 2331 см^-1 и жидкого бензола 992 см^-1 , сечения которых определены точно. Спектр КР возбуждался аргоновым лазером (Р_п = 1 Вт). В результате многократных записей интегральной интенсивности полосы 3400 см^-1 жидкой воды и линии 992 см^-1 бензола получено s^Ж (Н₂ О) = (9 ± 2) × 10^-30 см² × ср^-1 мол^-1 . В туманах и спектре КР в области полосы v₁ из-за сильной водородной связи наблюдается широкая полоса со сравнительно острым пиком на частоте 3652 см^-1 . При соответствующей обработке такой полосы можно определить содержание воды в жидкой и парообразной фазах. При измерении сечения КР линии 3052см^-1 парообразной воды использовались те же эталонные линии. Поперечное сечение уменьшается почти в шесть раз при переходе из жидкой фазы в газообразную. Аналогичная картина наблюдается и для многих органических веществ, но их поперечное сечение при переходе в пар уменьшается в 2—3 раза.

Рис. 6. Интенсивность стоксовой компоненты КР О₂ (1), N₂ (2) и СО₂ (3), измеренная в воздухе, при комнатной температуре с помощью спектрографа, фильтрами, Р = 0,21; 28 кПа, Р = 13,3 – 106, 4 кПа;

Проведены лабораторные измерения количественных характеристик КР от границы раздела воздух — вода с целью изучения загрязненности воды и выяснения возможностей исследования больших по площади водных акваторий с помощью лидара, устанавливаемого на борту самолета или спутника. КР паров воды зависит от энергии падающего фотона (в качестве эталона использовался N₂ ).

На рис. 7 приведены поперечные сечения для смеси паров улеводородов, входящих в состав нефти, которые в 115 раз больше поперечного сечения КР для азота.

Рис. 7. Спектр КР смеси паров углеводородов, входящих в состав нефти (l = 532 нм)

На границе раздела спектр КР очень близок к спектру от объема жидкости. Исследовано тепловое «загрязнение» (тепловая страфикация) искусственного образца морской воды. Интенсивность, положение и форма основного максимума в спектре КР в морской воде являются функцией температуры. Этот результат аналогичен измерениям в чистой воде. Наличие ионов растворенного вещества в воде не изменяет температурной зависимости спектра. Спектры рассеяния на границе раздела воздух — вода (чистая) и воздух — нефть на поверхности воды приведены на рис. 8. Проведено дистанционное определение концентрации примесей в воде методом лазерной спектроскопии с калибровкой по КР

Рис. 8. Спектр КР (v₀ = 17 500 см^-1 ):

1 — от границы раздела воздух — нефтяная пленка на поверхности воды; 2 — от границы раздела воздух — чистая вода; l_возб = 532 нм.

2.3 Применение комбинационных лидаров для исследования атмосферы и ее загрязнений

При исследовании с помощью комбинационного лидара паров воды (l = 347,1 нм) спектральным прибором является двойной монохроматор. найдено распределение паров воды в атмосфере на высоте до 2 км. Тенденция к возбуждению спектров коротковолновым излучением получила дальнейшее развитие. Так, с помощью лидара на второй гармоники излучения рубинового лазера с пространственным разрешением около 100 м измерено распределение водяных паров в атмосфере.

Использование для возбуждения четвертой гармоники лазера на неодимовом стекле или на кристалле иттрий-алюминиевого гранита (l = 266,0 нм) позволяет применить резонансные методики, так как излучение с такой l не очень сильно поглощается низкими слоями атмосферы и попадает в спектральную область с ничтожно малой светимостью неба. Поэтому становятся доступными круглосуточные наблюдения, что чрезвычайно важно на практике. Создана соответствующая аппаратура, пороговая концентрационная чувствительность которой на высоте 2, 3 км равна 0,005 и 0,05 млн^-1 соответственно, что определяется почти резонансными условиями возбуждения спектров. Наибольшего успеха удалось достичь в индикации O₂ и SO₂ . Однако лидар оказался гораздо менее чувствительным по отношению к другим компонентам (таким, как пары воды и углекислота).

Исследовала проблема качественной и количественной диагностики загрязнений в атмосфере. Ряд экспериментов проведен и условиях, моделирующих реальные, что позволило осуществить практический вариант лидара, предназначенного для индикации продуктов сгорания топлива. Установка была оснащена рубиновым лазером с удвоителем частоты.

В дальнейшем источниками возбуждения служили излучение с азотного лазера и второй гармоники лазера на кристалле Nd³⁺ YAG(l = 532,0 нм). Последняя система положена в основу промышленного образца прибора. Разработанные лидары были использованы для проведения физических исследований атмосферы и, в частности, для измерения концентрации посторонних веществ. Удалось отождествить в дыму и выхлопных газах автомобиля повышенное содержание СО₂ , и СО (0,11 и 0,43 %), а также SО₂ , С₂ Н₄ , Н₂ СО, NО, Н₂ , С₃ Н₄ , СН₄ , паров воды (рис. 9).

Рис. 9. Спектры СКР чистой атмосферы (а), дыма, образующегося при сгорании масла (б), и выхлопных газов автомобиля (в): l_возб = 337 нм.

Исследована проблема дистанционного определения загрязняющих веществ в атмосфере. Изучено около 200 веществ в жидком и газообразном состояниях с целью получения отправных данных, необходимых для конструирования полевого экземпляра аппаратуры. Объекты исследования выносились на расстояние примерно от 100 м до 1 км. Свет собирался небольшим конденсором. В некоторых случаях вещества распылялись в атмосфере в виде облака. Весь комплекс предварительных исследований положен в основу разработки варианта лидара для проведения дистанционных измерений в дневное время в чистой и загрязненной атмосфере в условиях хорошей видимости и в тумане. Измерялось содержание в атмосфере Н₂ О, СО₂ , SO₂ и паров углеводородов на высоте до 800 метров (разрешение 10 м), время накопления 50 с. Для первых трех компонент концентрационная чувствительность равна 300 млн^-1 , а для паров углеводородов — 17 млн^-1 . Комбинационный лидар по чувствительности превосходит приборы такого назначения более чем на 2 порядка.

На рис. 10, а показан спектр обратного рассеяния для нефтяных дымов, измеренный с помощью комбинационного лазерного локатора. Нефтяное топливо сжигалось в камере. Дым, проходящий через вытяжную трубу в атмосферу, был настолько разрежен, что едва различался глазом. Интенсивные пики наблюдались на длинах волн, соответствующих молекулам SO₂ , С₂ Н₂ , Н₂ СО, NО, СО, Н₂ , СН₄ , а также молекулам основных компонент атмосферы СО₂ , О₂ , N₂ . Последние три молекулы представляют удобные опорные точки для методов комбинационной лазерной локации. Довольно широкая спектральная полоса с центром на длине волны 38000 нм может быть отнесена к молекуле жидкой воды, что соответствует лабораторным измерениям. На рис.10, б представлен комбинационный спектр выхлопных автомобильных газов. Выхлопные газы отводились через трубу в атмосферу. Кроме полос, соответствующих обычным, в газах присутствуют молекулы С₂ Н₄ , NO, CO. Поскольку спектры Н₂ СО, H₂ S и СН₄ перекрываются, наличие их в газах нельзя считать доказанным. В указанных экспериментах время интегрирования составляет 5 с. Время наблюдений, необходимое для того, чтобы выполнить полное сканирование в интервале длины волны 500 нм, равно 40 мин. Для измерений центрального пика комбинационной полосы любой молекулы достаточно 10 с.

Рис. 10. Экспериментально найденный спектр КР нефтяного дыма (а) и выхлопных газов автомобиля (б)

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  427  428  429   ..

 

Вид взаимодействия	Соотношение частот	ds / dW, см3 /ср	Выявленные компоненты
Рассеяние Ми	nр	10-26 (аэрозоля)	Частицы аэрозоля
Рэлеевское рассеяние	nр	10-26	Атомы и молекулы
Комбинационное рассеяние	nр	10-29	То же
Испускание (флуоресценция)	nр	10-29	То же
Поглощение	nр	10-20	То же