Лидарная система для дистанционного обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере

Изобретение относится к технике оптических методов измерения физико-химических параметров вещества и предназначено для удаленного обнаружения паров взрывчатых веществ (ВВ) и других нитросоединений в атмосфере. Технический результат изобретения заключается в повышении оперативности контроля работоспособности лидаров в местах их применения. Данный результат достигается за счет того, что устройство дополнительно снабжено каналом, выделяющим сигналы антистоксового комбинационного рассеяния (КР) атмосферного азота и кислорода. Регистрация системой сигналов антистоксовых компонент КР атмосферного азота и/или кислорода указывает на исправность приемной оптической системы, блока спектральной селекции (монохроматора) и/или системы регистрации сигналов, и лидарная система может проводить проверку инспектируемой области на наличие в ней паров ВВ.

Полезная модель относится к технике оптических методов измерения физико-химических параметров вещества и предназначена для удаленного обнаружения паров взрывчатых веществ (ВВ) и других нитросоединений в атмосфере. Может быть использована в борьбе с незаконным оборотом ВВ, терроризмом и в криминалистике. Полезная модель найдет применение при решении различных задач экологии атмосферы, в различных производственных и технологических процессах для качественного и количественного дистанционного обнаружения загрязнений, содержащих нитрогруппу.

Известно устройство для обнаружения атмосферных примесей «ЛОЗА-3», включающее источник лазерного излучения в видимой области спектра, приемный телескоп и систему регистрации лидарных сигналов (Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Разенков И.А. Проблемно ориентированные измерительно-вычислительные комплексы. Новосибирск: Наука, 1986. С.65-71.). Недостатком устройства является принципиальное отсутствие возможности обнаружения паров нитросоединений в атмосфере вследствие регистрации только сигналов упругого рассеяния.

Известен ультрафиолетовый флуоресцентно-аэрозольный лидар «ФАРАН-М1» для контроля атмосферных аэрозолей биогенного происхождения, включающий твердотельный лазерный источник ультрафиолетового излучения, приемный телескоп, фотоприемные устройства и систему регистрации (Г.Коханенко, М.Макогон. Флуоресцентно-аэрозольный лидар «ФАРАН-М1», Фотоника, 4, 2010, С.50-53.).

Для тестирования лидара в полевых условиях необходимо дополнительно использовать эталонные кюветы или камеры (патент РФ 105459, 2011 г.).

Предложенная малогабаритная аэрозольная камера предназначена для работы с разными растворами, смесями и химическими соединениями, которые не должны напрямую попадать в атмосферу, и обеспечивает возможность контроля работоспособности лидара в полевых условиях. Недостатком аналога является низкая оперативность контроля за счет времени, необходимого для установки камеры, ее наведения в створ лидара и создания стационарного значения концентрации аэрозольной среды в камере.

Для обнаружения паров нитросоединений в атмосфере могут применяться лазерные системы, использующие метод одночастотного лазерного фотолиза с последующим возбуждением флуоресценции N0-фрагментов (Shu J., Bar I., Rosenwaks S. The use of rovibrationally excited NO photofragments as trace nitrocompounds indicators // Appl. Phys. B. 2000. V.70, N 4. P.621-625; Arusi-Parpar Т., Heflinger D., Lavi R. Photodissociation Followed by Laser-Induced Fluorescence at Atmospheric Pressure and 24°C: A unique Scheme for Remote Detection of Explosives // Appl. Opt. 2001. V.40, N 36. P.6677-6681). В данном методе сигнал флуоресценции (в полосах 226 и 237 нм) возникает после возбуждения характеристических NO-фрагментов нитросоединений, находящихся на втором колебательном уровне, длиной волны лазерного излучения 247,86 нм.

В настоящее время подобные лазерные системы (лидары) находят применение в задачах дистанционного обнаружения паров взрывчатых нитросоединений в атмосфере (Бобровников С.М., Горлов Е.В. Лидарный метод обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т.23, 12. С.1055-1061.).

Прототипом лидарной системы для дистанционного обнаружения взрывчатых веществ является лидарная система, содержащая источник излучения с длиной волны 247,86 нм и приемное спектрально-оптическое устройство, состоящее из широкоапертурного телескопа, фотоэлектронного умножителя и спектрального селектора (патент РФ 75242, 2008 г.). Принцип действия устройства состоит в том, что в исследуемую область пространства, где имеется некоторая концентрация паров ВВ, посылается лазерный импульс. Под действием лазерного излучения в процессе фотолиза молекул ВВ образуются NO-фрагменты, часть из которых находится во втором колебательном состоянии. Поскольку частота лазерного излучения настроена на частоту возбуждения флуоресценции NO-фрагментов из второго колебательного состояния, то NO-фрагменты начинают флуоресцировать под действием того же лазерного импульса. Часть оптического сигнала флуоресценции перехватывается приемной оптической системой и после спектральной фильтрации и фотодетектирования выделяется сигнал обнаружения. В качестве источника лазерного излучения используется эксимерный KrF-лазер, работающий на коротковолновом крае спектрального контура усиления (=247,86 нм). Приемное спектрально-оптическое устройство состоит из светосильного телескопа, спектрального селектора (дифракционный двойной монохроматор с высоким пропусканием и шумоподавлением) и фотоэлектронного умножителя.

Одним из основных требований, предъявляемых к системам обнаружения, является их надежность, тем более, если речь идет о работе в полевых условиях, когда невозможно использование каких-либо стационарных вспомогательных устройств проверки работоспособности системы. Недостатком рассматриваемой системы является отсутствие средств контроля ее работоспособности непосредственно в местах использования, что снижает надежность системы и оперативность наблюдений.

Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения оперативности контроля работоспособности лидаров, предназначенных для дистанционного обнаружения паров нитросоединений (в том числе взрывчатых) в атмосфере.

Указанная задача достигается тем, что в известной лидарной системе, включающей источник лазерного излучения с длиной волны 247,86 нм и приемное спектрально-оптическое устройство, состоящее из светосильного телескопа, фотоэлектронного умножителя и спектрального селектора на основе тройного призменного монохроматора, позволяющего выделить сигналы флуоресценции NO-фрагментов взрывчатых веществ, в спектральном оптическом устройстве дополнительно выделяют канал, селектирующий сигналы антистоксового комбинационного рассеяния атмосферного азота и кислорода.

Принимаемые лидарной системой сигналы обратного рассеяния всегда содержат сигналы комбинационного рассеяния (КР) от атмосферного азота и кислорода, вызванного тем же возбуждающим световым полем в среде, что и полезный сигнал (Хинкли Э.Д. Лазерный контроль атмосферы. - М.: Мир, 1979. - 416 с.; Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. - М.: Мир, 1987. - 550 с.).

Частотные сдвиги Q-ветвей колебательно-вращательных спектров КР азота и кислорода относительно частоты возбуждающего лазерного излучения составляют 2329,66 и 1556,26 см^-1 соответственно. В пересчете на длины волн при возбуждающем лазерном излучении ₀=247,86 нм имеем и - стоксовые компоненты, и - антистоксовые компоненты. Видно, что антистоксовые компоненты КР на основных компонентах атмосферы ( и ) лежат вблизи выделяемой полосы флуоресценции NO-фрагментов =237 нм). Поскольку блок спектральной селекции (тройной призменный монохроматор), призванный подавлять шум в виде несмещенного рассеяния на основных компонентах атмосферы (азот, кислород, аэрозоли) при спектральном выделении сигнала, оптимизирован на пропускание излучения только в спектральном интервале вблизи полос флуоресценции NO-фрагментов (226 нм, 237 нм), то антистоксовые компоненты КР азота и кислорода (с длинами волн и ) будут «видны» лидарной системе без

перестройки монохроматора. При этом приемная оптическая система и монохроматор будут иметь одинаковое пропускание как для выделяемой полосы флуоресценции =237 нм, так и для антистоксовых компонент КР азота и кислорода вследствие спектральной близости этих длин волн.

Таким образом, снабжение монохроматора дополнительным каналом, выделяющим сигналы антистоксового КР атмосферного азота и кислорода, позволяет проводить оперативный сквозной контроль работоспособности лидарной системы обнаружения паров ВВ в атмосфере.

Схема предлагаемой лидарной системы приведена на фиг.1.

Лидарная система для дистанционного обнаружения паров ВВ в атмосфере содержит: 1 - лазер, работающий на длине волны 247,86 нм; 2 - передающая оптическая система; 3 - пары взрывчатого вещества; 4 - приемная оптическая система; 5 - монохроматор; 6 - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ); 7 - система обработки данных.

Принцип работы предлагаемой лидарной системы заключается в следующем. Перед началом проверки инспектируемой области (3) на присутствие в ней паров ВВ, лидарная система проходит контроль работоспособности. Контроль осуществляется следующим образом. Пучок, сформированный в лазере (1), через передающую оптическую систему (2) направляется в чистую атмосферу. При распространении в атмосфере лазерное излучение испытывает рассеяние, в том числе и комбинационное. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемную оптическую систему (4) и далее в монохроматор (5), предназначенный для спектрального выделения полос флуоресценции NO-фрагментов паров нитросоединений (=226 нм и 237 нм), сигналов антистоксового КР азота и/или кислорода и подавления рассеянного излучения на несмещенной частоте. В монохроматоре происходит выделение сигналов антистоксового КР азота и/или кислорода и регистрация их с помощью фотоэлектронного умножителя (6), электрические сигналы с которого поступают в систему обработки данных (7). Регистрируемый сигнал указывает на исправность приемной оптической системы, блока спектральной селекции (монохроматора) и/или системы регистрации сигналов, и лидарная система может проводить проверку инспектируемой области на наличие в ней паров ВВ.

Лидарная система для дистанционного обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере, включающая источник лазерного излучения с длиной волны 247,86 нм и приемное спектрально-оптическое устройство, состоящее из светосильного телескопа, фотоэлектронного умножителя и спектрального селектора на основе монохроматора, позволяющего выделить сигналы флуоресценции NO-фрагментов взрывчатых веществ, отличающаяся тем, что монохроматор снабжен дополнительным каналом, выделяющим сигналы антистоксового комбинационного рассеяния атмосферного азота и кислорода.