Лидарная система для дистанционного измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере
Полезная модель относится к технике оптических методов измерения физико-химических параметров вещества и предназначено для удаленного обнаружения и идентификации загрязняющих веществ в атмосфере. Технический результат полезной модели заключается в повышении чувствительности, достоверности и точности СКР-лидарной системы. Данный результат достигается за счет устранения из принимаемого рассеянного излучения интенсивных линий СКР от молекул азота и кислорода. А также, за счет использования сигналов СКР от первого обертона кислорода (азота) для определения концентрации загрязняющих веществ в инспектируемой области атмосферы.
Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для удаленного измерения концентраций различных атмосферных загрязнений. Может быть использована при решении различных задач экологии атмосферы, в различных производственных и технологических процессах, где существует необходимость дистанционного газоанализа атмосферы.
Известно устройство для обнаружения атмосферных примесей «ЛОЗА-М2», включающее источник лазерного излучения в видимой области спектра, приемный телескоп и систему регистрации лидарных сигналов (Балин Ю.С., Байрашин Г.С., Коханенко Г.П., Пеннер И.Э., Самойлова СВ. Квантовая Электроника, 2011, Т. 41, 
10, С. 945-949.). Недостатком устройства является принципиальное отсутствие возможности идентификации и измерения концентрации загрязняющего вещества в атмосфере вследствие регистрации только сигналов упругого рассеяния.
Известен лидар для контроля состояния атмосферы, использующие метод дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР) (патент РФ 2335786, 2006 г.). Известный лидар включает приемо-передающий зеркальный телескоп, систему формирования и вывода лазерного излучения, блок подстройки частоты излучения, систему синхронизации и систему приема рассеянного, отраженного объектом излучения с матричным фотоприемником. Принцип метод ДПР состоит в измерении лидарного сигнала на двух длинах волн, одна из которых поглощается в исследуемом газе, а вторая лежит вне линии поглощения исследуемого газа. Метод ДПР, в основном, примется для контроля или измерения концентраций одного или нескольких заранее выбранных газов. Использование данного метода в задачах лидарного контроля загрязняющих веществ в атмосфере имеет ряд недостатков. А именно, требует априорной информации об исследуемом загрязняющем веществе; сложность аппаратуры, в следствии использовании нескольких лазерных источников или лазерного источника с возможностью перестройки длины волны излучения; наличие длиной трассы загрязнения (порядка нескольких километров) для реализации достаточной оптической толщи при концентрациях близких к ПДК; не возможность измерения концентрации исследуемого вещества в широком диапазоне концентраций, без дополнительного изменения длины волны зондируемого излучения.
Известна лидарная система контроля качества атмосферного воздуха (патент РФ 101836, 2010 г.), использующая метод СКР, и включающая установленные на платформе твердотельный лазерный излучатель на алюмоиттриевом гранате с неодимом, приемный телескоп, оптическую систему передачи лазерного излучения, блок сбора информации и вычислительно-управляющий комплекс. Данная лидарная система регистрирует выделенный, с помощью интерференционного фильтра, участок спектра, соответствующий линиям СКР молекул углеводородов. Недостатком лидарной системы является не возможность идентификации исследуемой молекулы углеводорода, а также отсутствие возможности регистрации остальных химических соединений (не углеводородов).
В качестве прототипа выбрана лидарная системы для дистанционного зондирования химических/биологических веществ (патент US 6,608,677 B1, 2003 г.). Известная система включает источник лазерного излучения, передающую оптическую систему, посылающее излучение по оптической оси приемного телескопа, приемный телескоп, интерференционный фильтр, ослабляющий обратно рассеянное излучение на несмещенной частоте, дифракционный спектрограф, осуществляющий пространственное разложение принимаемого спектра рассеянного излучения, многоканальный фотоприемник на основе ПЗС камеры со стробируемым усилителем яркости, блок обработки данных, где вычисляется концентрация загрязняющего вещества, путем сравнения интенсивностей сигналов СКР от загрязняющего вещества и молекулярного азота.
Недостатком лидарной системы является низкая достоверность и точность получаемых результатов, поскольку один фотоприемник регистрирует сигналы, соответствующие СКР от загрязняющего вещества, и сигналы, обусловленные СКР от молекул азота и кислорода, интенсивность которых на 4-5 порядка больше, чем от загрязняющих веществ (зависит от сечений СКР различных загрязняющих веществ и их концентраций), что не позволит работать фотоприемнику в его динамическом диапазоне интенсивностей, и приведет к искажению результатов измерений. При этом чувствительность лидарной системы, для экстремально низких концентрациях загрязняющий веществ (единицы ppm), будет ограничена фоновым рассеянным излучением дифракционного спектрометра, обусловленным интенсивными колебательно-вращательными полосами СКР от молекул азота и кислорода.
Задачей технического решения является не допустить попадания интенсивных колебательно-вращательных полос СКР от молекул азота и кислорода в дифракционный спектрометр.
Техническое решение позволяет увеличить чувствительность, достоверность и точность СКР-лидарной системы, за счет устранения из принимаемого рассеянного излучения интенсивных колебательно-вращательных полос СКР от молекул азота и кислорода.
Поставленная задача решается благодаря тому, что между телескопом и дифракционным спектрографом устанавливается дополнительный спектральный фильтр, отсекающий колебательно-вращательные полосы азота и кислорода. Положение Q-ветви колебательно-вращательной полосы кислорода 1556 см-1, азота 2331 см-1, а ширина колебательно-вращательных полос азота и кислорода приблизительно 300 см-1 (кривая 1 на фиг. 1). Следовательно, дополнительный фильтр должен иметь плохое пропускание для частотных сдвигов в диапазоне от 1400 см-1 до 1700 см-1 и от 2180 см-1 до 2480 см-1, и хорошее пропускание в остальном диапазоне частотных сдвигов (кривая 2 на фиг. 1).
Традиционный метод определения концентрации загрязняющих веществ основан на сравнение интенсивностей сигналов СКР колебательно-вращательных полос азота (или кислорода) и загрязняющих веществ. В полезной модели предполагается для определения концентрации загрязняющих веществ использовать сравнение интенсивностей сигналов СКР первого обертона кислорода (или азота) и загрязняющих веществ. Значение отношения сечений СКР Q-ветвей обертона и основного тона для азота составляет 1,0·10-3, а для кислорода 3,4·10 -4 (Булдаков М.А., Королев Б.В., Матросов И.И., Попова Т.Н. Оптика и спектроскопия. 1987. Т. 63, 4. С. 775-777.). Очевидно, что интенсивности сигналов от первых обертонов азота или кислорода сравнимы с интенсивностями сигналов от загрязняющих веществ, при их концентрациях порядка сотен ppm (зависит от сечений СКР различных загрязняющих веществ). Таким образом, интенсивности загрязняющих веществ и интенсивности эталонных сигналов, будут находиться в одном динамическом диапазоне фотоприемника.
Схема предлагаемой лидарной системы приведена на фиг. 2.
Лидарная система для дистанционного определения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере состоит: 1 - лазер, работающий на длине волны 248,3 нм; 2 - передающая оптическая система; 3 - пары загрязняющего вещества; 4 - приемная оптическая система; 5 - блок спектральной селекции; 6 - многоканальный фотоприемник на основе ПЗС камеры со стробируемым усилителем яркости; 7 - блок обработки данных.
Принцип работы предлагаемой лидарной системы заключается в следующем. Пучок, сформированный в лазере (1), через передающую оптическую систему (2) направляется в инспектируемую область атмосферы. При распространении в атмосфере лазерное излучение испытывает рассеяние, в том числе и СКР. Рассеянное в направлении назад излучение попадает в приемную оптическую систему (4) и далее в блок спектральной селекции (5). Блок спектральной селекции (5) состоит из: интерференционного фильтра, предназначенного для спектрального подавления линии несмещенного рассеяния; из дополнительного спектрального фильтра, предназначенного для спектрального подавления колебательно-вращательных полос СКР азота и кислорода, и для спектрального пропускания СКР от загрязняющих веществ и от первого обертона кислорода (азота); и из дифракционного спектрометра, предназначенного для пространственного разложения прошедшего спектра рассеянного излучения. Регистрация спектра СКР прошедшего через блок спектральной селекции происходит с помощью многоканального фотодетектора, на основе ПЗС камеры со стробируемым усилителем яркости (6), электрические сигналы с которого поступают в блок обработки данных (7), в которой концентрация загрязняющего вещества определяется по формуле:
,
где 
X, Io - интенсивности сигналов СКР полученных от загрязняющего вещества и от первого обертона кислорода (азота), соответственно, 
X, o - сечение СКР назад загрязняющего вещества и первого обертона кислорода (азота), соответственно, С - концентрация молекул кислорода (азота) в атмосфере.
1. Лидарная система для дистанционного измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере, включающая источник лазерного излучения, передающую оптическую систему, посылающую излучение по оптической оси приемного спектрально-оптического устройства, состоящего из приемного телескопа, блока спектральной селекции, выделяющего сигналы СКР атмосферных газов и загрязняющих веществ, а также ослабляющего обратнорассеянное излучение на несмещенной частоте, и многоканального фотоприемника, электрические сигналы с которого поступают в блок обработки данных, где вычисляется концентрация загрязняющего вещества, отличающаяся тем, что между телескопом и дифракционным спектрографом устанавливается дополнительный спектральный фильтр, отсекающий колебательно-вращательные полосы СКР от азота и кислорода.
2. Лидарная система для дистанционного измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере по п.1, отличающаяся тем, что для определения концентрации загрязняющих веществ в инспектируемой области атмосферы используются сигналы СКР от первого обертона кислорода или азота.
