Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Тема: Измерение концентраций загрязняющих веществ в атмосфере лазерным газоанализатором на комбинационном рассеянии света





Продолжительность 2 час

Комбинационное рассеяние света молекулами атмосферных газов [32] имеет следующие преимущества для использования в такой системе:

- каждая молекула имеет свои полосы комбинационного рассеяния;

- интенсивность сигнала комбинационного рассеяния прямо пропорциональна концентрации молекул, на которых произошло рассеяние, и не зависит от других молекул. Поэтому можно проводить прямые измерения концентрации загрязняющих веществ относительно азота без калибровки;

- узкая спектральная ширина и смещение обратного сигнала комбинационного рассеяния позволяет выделить его на фоне солнечной засветки и упруго рассеянного лазерного излучения именно по спектру;

- для одновременного получения спектров комбинационного рассеяния всех молекул, находящихся в зондируемой области, можно обойтись одним лазер с одной длиной волны.

Устройство такой системы с газоанализатором на комбинационном рассеянии света подобно описано в выше.

Методика лазерных дистанционных измерений концентраций загрязняющих веществ в атмосфере состоит в следующем. Результат одного измерения представляет собой распределение мощностей сигналов обратного рассеяния для выбранных веществ (на выбранной длине волны) по расстоянию R вдоль лазерного луча с шагом 7,5 м. Одно значение этого распределения – суммарная мощность обратного рассеяния на всех молекулах, находящихся внутри измерительного объема. Сам измерительный объем представляет собой усеченный конус, основания которого равны полю зрения приемного телескопа с учетом дифракционной расходимости, а высота – шагу 7,5 м. Это распределение записывается в буферное запоминающее устройство, а затем анализируется микропроцессором. Обработка результатов проводится на ПК с помощью специального программного обеспечения, в котором предусмотрено вычитание фона, представляющего собой главным образом молекулярное рассеяние в ближней зоне и который аппроксимируется функцией 1/R2, где R – расстояние зондирования. Рассчитанные значения фона вычитаются из исходного распределения. Для каждого значения мощности, скорректированной на фон, программное обеспечение решает уравнение лазерного зондирования для комбинационного pассеяния типа [32, 53, 60]:

  (3.5)

где: P (, R) – мощность сигнала комбинационного pассеяния на фотоприемнике на длине волны , приходящего с расстояния R; PL – мощность лазера и – его длина волны; K 1 – постоянная лидара; R = – шаг по расстоянию; с – скорость света, а tL – время одного измерения. Его минимальное значение определяется длительностью лазерного импульса; A0 – площадь приемного телескопа; T ( L, R), T (, R) – пропускание атмосферы соответственно на длине волны лазерного излучения и сигнала комбинационного pассеяния; – дифференциальное сечение комбинационного pассеяния исследуемой молекулы на длине волны лазера; Na – концентрация молекул.

В результате решения (3.5) получается распределение коэффициента комбинационного рассеяния в направлении назад вдоль расстояния зондирования R, который является функцией концентрации загрязняющих веществ. Эта функция подлежит калибровке и метрологической аттестации.

Наибольший вклад в суммарную погрешность измерения концентрации определяемого компонента с помощью газоанализатора на комбинационном рассеянии света вносят составляющие, связанные с определением относительного пропускания или прозрачности атмосферы на длинах волн лазера и комбинационного рассеяния Т(lL, R) и T (l, R). Эти составляющие возникают из-за неконтролируемых изменений прозрачности атмосферы по трассе зондирования, поэтому их оценка не может быть корректно проведена без использования каких-либо предположений о наличии атмосферного аэрозоля, влияющего на изменение прозрачности нижних слоев атмосферы.

Для градуировки таких газоанализаторов оптимальным представляется метод с использованием атмосферного азота или кислорода [32, 59]. Градуировка основывается на общности процессов комбинационного рассеяния света для всех молекул, составляющих атмосферу, а также на постоянстве парциальных давлений азота и кислорода. Поэтому во всех работах по комбинационному рассеянию сигналы от молекул в направлении назад нормируются по сигналам комбинационного рассеяния от молекул азота или кислорода. Такой метод дает непосредственное измерение относительной концентрации исследуемых молекул и устраняет влияние колебаний и нестабильности, как выходной энергии лазера, так и пропускания атмосферы (включая дымовой шлейф) [32, 59]. Поэтому в системе используются два фотоприемных канала: первый – для сигнала комбинационного рассеяния молекулы азота, второй – для сигнала комбинационного рассеяния от исследуемой молекулы.

Исходя из этого, совместное решение уравнений типа (3.5) для азота и исследуемой молекулы дает уравнение следующего типа [59]:

  Nа =   (3.6)

где Nа – концентрация измеряемого компонента; Разот (l, R) – мощность на фотоприемнике сигнала КР молекулами азота на длине волны , приходящего с расстояния R; Nазота – концентрация азота; k – постоянная, равная отношению .

При обеспечении такой калибровки газоанализатора учитываются не сами сечения комбинационного рассеяния, а их отношения к сечениям комбинационного рассеяния основных компонентов атмосферы. Калибровка лазера, необходимая для определения величин, входящих в уравнения (1) и (2), осуществлялась на экспериментальном стенде, оптическая схема которого показана на рисунке 3.6.

 


 

 

Рисунок 3.6 – Схема экспериментальной установки для калибровки лазера

 

Детальные исследования метрологических характеристик газоанализаторов на комбинационном рассеянии света [64] позволили заключить, что систематические погрешности измерений концентраций газовых молекул в атмосфере не превысят 25%.

Для целей исследования объектом зондирования были выбраны оксиды азота NOx и диоксид серы SO2, концентрации которых нормируются приложением VI Конвенции МАРПОЛ 73/78. Характеристика исследуемых молекул приведена в таблице 3.1, где предельно-допустимые концентрации (ПДК) взяты из [64], а значения частот собственных колебаний молекул – из [51].

 

Таблица 3.1 – Краткая характеристика исследуемых молекул

Наименование токсичного вещества ПДК, мг/м3 Молярная масса, г/моль Частота собственных колебаний молекул n0, см-1 ПДК, см-3
Диоксид азота (NO2) 0,085     1.1 × 1012
Оксид азота (NO) 0,4     8.0 × 1012
Диоксид серы (SO2) 0,5     4.7 × 1012

 

Сделаем оценку возможностей лазерных систем комбинационного рассеяния света для обнаружения молекул указанных загрязняющих веществ с заданной концентрацией в атмосфере над морским портовым комплексом.

Мощность регистрируемого излучения комбинационного рассеяния в направлении назад определяется уравнением лазерного зондирования типа (3.5). Численное решение такого уравнения для колебательного комбинационного рассеяния на выбранных молекулах и для различных условий зондирования позволит сделать выбор длины волны лазерного излучения для получения максимальной мощности комбинационного рассеяния на фотоприемнике лидара. Для зондирования были выбраны следующие длины волн лазерного излучения:

266, 355 и 532 нм – четвертая, третья и вторая гармоники YAG: Nd лазера;

347 нм – вторая гармоника рубинового лазера;

308 нм – эксимерный лазер на XeCl2;

510 и 578 нм – лазер на парах меди;

289 нм – его вторая гармоника и 271 нм – суммарная частота.

По значениям собственных частот колебаний исследуемых молекул рассчитаны длины волн полос комбинационного рассеяния для выбранных длин волн лазерного излучения. Их значения приведены в таблице 3.2.

Следуя рекомендациям [32], дифференциальные сечения колебательного комбинационного рассеяния в направлении назад для каждой молекулы и длины волны лазера определялись по известному значению сечения для длины волны излучения азотного лазера L = 337 нм [35, 38, 65]. Полученные значения дифференциальных сечений приведены в таблице 3.2.

Так как фоновое излучение Солнца оказывает сильное влияние на регистрируемую лидаром мощность КР, то, зная спектр фонового излучения Sb по формуле (3.7) были выполнены расчеты фоновой мощности на фотоприемнике :

, (3.7)

где = А0 /R2 – телесный угол поля зрения приемного телескопа;

А0 – площадь приемного телескопа;

– спектральная ширина приемного тракта, равная 1 нм.

Решение уравнений (3.5) и (3.6) для молекул исследуемых загрязняющих веществ, а также выражения (3.7) – для фонового излучения Солнца, представлены в виде графических зависимостей на рисунках 3.7 и 3.8.

Значения коэффициента ослабления k(l,R) для всех длин волн лазерного излучения [35, 65, 66] и комбинационного рассеяния исследуемых молекул, относительных величин спектральной чувствительности фотокатодов ФЭУ [67, 68] и спектральной яркости солнечного излучения [32, 59, 69] для всех длин волн и исследуемых молекул представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.2 – Значения длин волн излучения медного лазера, длин волн полос комбинационного рассеяния и дифференциальных сечений комбинационного рассеяния исследуемых молекул

Молекулы Диоксид серы SO2 Диоксид азота NO2 Оксид азота NO
n, см-1      
l0, нм lкр, нм (ds/dW)× 1030, см2/ср lкр, нм (ds/dW)× 1030, см2/ср lкр, нм (ds/dW)× 1030, см2/ср
578,2 619,0 0,9 626,0 2,6 648,0 0,08
510,6 542,0 1,4 547,0 4,35 564,0 0,13
289,1 299,0 13,8 300,0 42,2 306,0 1,3
271,2 280,0 17,9 281,0 54,6 286,0 1,6
  566,7 1,2 572,2 3,7 591,0 0,108
  274,4 19,3 275,7 58,8 280,0 1,72
  370,1 6,1 372,5 18,5 380,3 0,54
  361,4 6,7 363,7 20,3 371,2 0,60
  319,3 10,7 321,1 32,7 326,9 0,96

 

 

Остальные сомножители в уравнении (3.5) принимались равными [70]: = 8,7∙10-30 см2/ср, Na = 1019-3, K 1 = 0,495; А0 = 0,008 м2. Пиковая мощность лазерного излучения PL изменяется в зависимости от типа лазера и его возможностей в пределах 0,1 – 1 МВт. Расчеты по уравнению (3.5) были выполнены для следующих расстояний R: 0.1, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0 и 6.0 км.

Диапазон расстояний зондирования выбирался из учета возможностей газоанализатора на комбинационном рассеянии света при определении наиболее вероятных концентраций молекул загрязняющих веществ в атмосфере над объектом морского транспорта. Порядок концентраций определяется предельно-допустимыми концентрациями (ПДК) этих молекул из таблицы 3.1 и составляет ~1011 см-3 и выше.

 

 

Таблица 3.3 – Значения коэффициента ослабления, относительных величин спектральной чувствительности фотокатодов ФЭУ и спектральной яркости солнечного излучения для всех длин волн и исследуемых молекул

Излучатель l, нм k, км-1 xр (l) Sb, Вт/м2 ср нм
  578,2 0,16 - -
Лазер 510,6 0,17 - -
  289,1 0,53 - -
  271,2 0,70 - -
    0,16 - -
    0,785 - -
    0,31 - -
    0,30 - -
    0,45 - -
    0,16 0,51 13,8 × 10-1
NO2 300,0 0,47 0,31 6,0 × 10-5
  281,0 0,58 0,20 3,8 × 10-5
  572,2 0,16 0,59 17,0 × 10-1
  275,7 0,65 0,14 3,4 × 10-5
  372,5 0,26 0,75 9,0 × 10-3
  363,7 0,32 0,68 8,4 × 10-4
  321,1 0,33 0,36 7,6 × 10-5
  648,0 0,156 0,36 10,4 × 10-1
  564,0 0,18 0,57 16,0 × 10-1
NO 306,0 0,44 0,32 6,0 × 10-5
  286,0 0,55 0,23 8,3 × 10-5
  591,0 0,15 0,53 16,0 × 10-1
  280,0 0,61 0,20 3,8 × 10-5
  380,3 0,26 0,77 10,0 × 10-3
  371,2 0,28 0,69 9,0 × 10-3
  326,9 0,33 0,36 7,6 × 10-5
  619,0 0,16 0,48 13,8 × 10-1
  542,0 0,19 0,596 15,5 × 10-1
SO2 299,0 0,48 0,305 8,6 × 10-5
  280,0 0,58 0,196 3,8 × 10-5
  566,7 0,15 0,59 16,0 × 10-1
  274,4 0,65 0,12 3,3 × 10-5
  370,1 0,28 0,69 10,1 × 10-3
  361,4 0,32 0,68 8,4 × 10-4
  319,3 0,33 0,36 7,6 × 10-5
  695,0 0,15 0,17 8,9 × 10-1
  599,0 0,16 0,53 15,5 × 10-1

Из анализа результатов следует, что для всех молекул загрязняющих веществ оптимальными длинами волн для зондирования без учета фона во всем диапазоне расстояний являются третья гармоника YAG: Nd лазера 355 нм и вторая гармоника рубинового лазера 347 нм. Несколько меньшие мощности до 1.0 – 3.5 км наблюдаются для четвертой гармоники YAG: Nd лазера 266 нм и свыше 1.0 – 3.5 км - для второй гармоники YAG: Nd лазера 532 нм.

При учете фоновых мощностей в условиях дневного зондирования оптимальные варианты длин волн лазерного излучения существенно меняются. Здесь концентрацию исследуемых молекул порядка Na = 1019-3 можно обнаружить только с использованием следующих длин волн лазерного излучения lL: 266, 289, 271, 308, 347 и 355 нм. Причем наилучшие результаты наблюдаются в основном для lL = 266 нм, реже для 271 нм. Это видно из рисунков 3.7 и 3.8.

Как указывалось выше, все расчеты выполнены для концентрации исследуемых молекул Na = 1019-3. ПДК же рассматриваемых веществ из таблицы 3.1 установлены для приземного слоя – 2 м относительно поверхности земли. На уровне источников выбросов (высоты труб морских судов) концентрации молекул в заранее заданном измерительном объеме имеют много большие значения и составляют ~ 100, 1000 ПДК и больше. Но, несмотря на это, диапазон измеряемых концентраций в условиях яркого солнечного дня, все-таки ограничен. Это связано с тем, что сигналы комбинационного рассеяния имеют низкий уровень интенсивности по сравнению с фоном, но, в то же время, высоки требования к точности их регистрации.

Итак, оптимальный режим работы такой лазерной системы в условиях дневного зондирования обеспечивается с использованием медного или YAG: Nd лазеров. При этом исследуемые вещества можно зарегистрировать на следующих расстояниях от излучателя: диоксид серы SO2 до 2,0 км; диоксид азота NO2 – 3,0 км; оксид азота NO – 1,1 км.

 

Рисунок 3.7 – График зависимости логарифма мощности комбинационного рассеяния для молекул NO с концентрацией в атмосфере Na = 1019-3 от расстояния зондирования. Для сравнения приведен уровень фона Ф.

 

Рисунок 3.8 – График зависимости логарифма мощности комбинационного рассеяния для молекул SO2 с концентрацией в атмосфере Na = 1019-3 от расстояния зондирования. Для сравнения приведен уровень фона Ф.


ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 6, 7

 

Тема: Методика выбора оптимального варианта лидара дифференциального поглощения и рассеяния

Продолжительность 4 час

С целью разработки методики выбора оптимального варианта лидара дифференциального поглощения и рассеяния, были проведены исследования, загрязняющим веществом в которых являлись молекулы йода, которые могут служить индикатором радиоактивного загрязнения атмосферы, в том числе и выбросами от судовых технических средств.

В работе [71] делается вывод о том, что для изучения радиоактивных изотопов йода можно использовать 53I127. В публикации [72] детально рассмотрены изотопы йода и вопросы радиоактивного загрязнения, связанные с ним. Спектральным характеристикам йода уделено мало внимания. Поэтому обратим внимание на эти характеристики йода, так как наиболее совершенные дистанционные методы обнаружения йода связаны с ними.

Длины волн изотопов йода в атласе [73] определены в шестом знаке без указания интенсивности и идентификации. Поэтому информация в нем недостаточна для тех, кто занимается стабилизацией частоты лазеров по поглощению в йоде, ибо речь идет о стабильности и воспроизводимости в девятом-одиннадцатом знаках. Поскольку стабилизация частоты обычно идет по сверхтонким компонентам линии поглощения, положение центра линии желательно знать, по крайней мере, в восьмом знаке. Кроме того, поскольку достижение предельной воспроизводимости частоты лазера может быть обусловлено наличием слабых линий, необходимо увеличить диапазон квантовых чисел, для которых ведется расчет линий поглощения [71].

Результаты выполненных ранее исследований в [37, 53, 58, 74] позволили предположить, что для обнаружения концентраций Nа молекулярного йода порядка 1011 см–3 и ниже в атмосфере наиболее предпочтительным будет использование систем дифференциального поглощения. Это объясняется тем, что сечение поглощения имеет наибольшее значение по сравнению с эффективным (с учетом тушения) сечением флуоресценции и сечением упругого рассеяния [32]. В связи с этим на основе ослабления лазерного излучения с соответствующим подбором длины волны излучения можно создать чувствительный метод измерения концентрации йода в атмосфере. Рассмотрим эксперимент на второй гармонике YAG: Nd лазера [58], поскольку λL = 532 нм попадает в полосу поглощения исследуемых молекул I2[71]. Как отмечалось выше в главе 3 (подраздел 3.2), вариант лидара дифференциального поглощения подразумевает использование двухволнового излучателя: одна длина волны лазерного излучения попадает в центр полосы поглощения йода, а другая – вне этой полосы. Лазерное излучение вне полосы поглощения йода необходимо иметь на длине волны большей 589,5 нм, соответствующей максимуму полосы флуоресценции молекул I2 [71]. В качестве такого излучения можно использовать, например, основную гармонику YAG: Nd лазера на длине волны 1064 нм. Из формулы (3.4) подраздела 3.2 следует, что при известном значении сечения резонансного поглощения σа, можно достаточно эффективно использовать зависимость ДП- коэффициента X от Na в дистанционных измерениях концентраций газовых молекул в атмосфере. Поэтому для оценки эффективности метода дифференциального поглощения для зондирования атмосферы был изготовлен лабораторный лидар дифференциального поглощения и исследованы зависимости коэффициента дифференциального поглощения от концентрации или парциального давления йода в специальной кювете.

В лабораторном лидаре дифференциального поглощения, оптическая схема которого приведена на рисунке 3.9, излучение YAG: Nd лазера 1 с импульсами длительностью 10 не и энергиями 25 мДж на длине волны 532 нм и 40 мДж – на длине волны 1064 нм направлялось в специальную вакуумную кювету 4 с окнами под углом Брюстера. Интенсивность прошедшего сквозь кювету с йодом излучения на длине волны 532 нм ослаблялось за счет поглощения в йоде [58, 75] и через интерференционный светофильтр 6 направлялось на фотоумножитель 7 ФЭУ-79. Одновременно интенсивность лазерного излучения на длине волны 1064 нм, также прошедшего сквозь кювету 4 с йодом, измерялась через интерференционного светофильтра 8 фотоумножителем 9 и служила в качестве опорного сигнала в дифференциальной схеме измерения.

 

Рисунок 3.9 – Оптическая схема экспериментального лидара дифференциального поглощения: 1 – лазер; 2,3 – плоскопараллельные пластины; 4 – кювета;

5 – полупрозрачное зеркало; 10 – термостат; 6, 8,11,13 – интерференционные

светофильтры; 7, 9 – фотоумножители, 12,14 – фотодиоды

 

Стеклянными пластинами 2 и 3 лазерное излучение на обеих длинах волн через светофильтры 11 и 13 направлялось на фотодиоды 12 и 14 типа ФД-24К для контроля энергии лазерных импульсов и синхронизации работы лидара. Импульсы напряжений с двух фотоумножителей 7, 9 и фотодиодов 12 и 14 U0... U3 вводились в измерительную систему и записывались в ПК.

Далее были выполнены калибровочные эксперименты для измерения коэффициента передачи двух фотоприемных модулей на фотодиодах ФД-24К. Для этой цели ослабленное калиброванными нейтральными светофильтрами излучение лазера на длинах волн 1064 и 532 нм направлялось на соответствующий фотодиод. Энергия лазерного импульса контролировалась с помощью измерителя мощности ИМО-2М. Подбором коэффициентов усилителей на выходах фотодиодов были установлены коэффициенты передачи модулей Кф = 4.5 ± 0.5 мДж/В. Затем были выполнены калибровочные эксперименты для измерения коэффициента передачи двух фотоприемных модулей на фотоумножителях ФЭУ-79. Для этой цели ослабленное калиброванными нейтральными светофильтрами излучение лазера на длинах волн 1064 и 532 нм направлялось на соответствующий ФЭУ. Энергия лазерного импульса так же контролировалась с помощью измерителя мощности ИМО-2М. Подбором коэффициентов усилителей на выходах ФЭУ были установлены коэффициенты передачи модулей Кф = 0.42 ± 0.06 мкДж/В. Полученные результаты позволили перейти от напряжений к энергиям импульсов, а затем к ДП - коэффициенту X, значения которого представлены в таблице 3.4. Концентрация или парциальное давление I2 в кювете изменялось нагреванием отростка кюветы 4 от 25 до 85 0С в термостате 10. Длина кюветы составляла 10 см. Относительная погрешность измерений составила не более 11%. С точностью измерений результаты для расстояний зондирования от 1 до 8 м совпали с данными работы [58].

 

Таблица 3.4 – Измеренные значения сигналов дифференциального поглощения на длинах волн 1064 и 532 нм, энергий импульсов, рассчитанных значений концентраций молекул йода и ДП- коэффициента.

N10-15, см-3 Uo, В U1, B U2, B U3, B ΔU3, B Ео, мДж Е1, мДж Е2, мДж Ез, мДж ΔЕ0, мДж X
7,42 10,0 4,4 5,1 2,6 0,2       11,7 0,9 0,508
14,8 5,1 2,9     0,588
18,2 4,4 3,1   13,8 0,625
23,9 5,1 3,5     0,694
27,5 5,1 3,8     0,726
32,4 4,4 4,0     0,820

График зависимости ДП- коэффициента X от концентрации молекул йода для расстояния 4 м приведен на рисунке 3.10.

 

Рисунок 3.10 – График зависимости ДП- коэффициента Х от концентрации молекул йода Na в единицах 1015 см-3 для расстояния зондирования 4 м.

 

Обработка этого графика согласно [58] по уравнению (3.4) позволила рассчитать сечение поглощения молекул йода на длине волны 532 нм. Оно оказалось равным σа = (1,88 ± 0,37) 10-18 см2.

Таким образом, обработка результатов измерений позволила получить сечение поглощения молекул йода на длине волны 532 нм в диапазоне концентраций от 7,42 1015 см-3 до 3,24 1016 см-3 в хорошем согласии с данными работы [32]. Этот результат можно использовать при дистанционных измерениях концентраций молекулярного йода в атмосфере.

Рассмотрим вывод уравнения лазерного зондирования для дифференциального поглощения и рассеяния с целью выбора оптимального варианта лидара дифференциального поглощения и рассеяния для зондирования радионуклидов в атмосфере. Уравнение лазерного зондирования для упругого молекулярного рассеяния в направлении назад запишем согласно [32] в виде:

(3.8)

где – мощность сигнала обратного рассеяния на фотоприемнике на длине волны приходящая с расстояния R;

– мощность лазера и его длина волны;

– постоянная лидара;

А0 – площадь приемного телескопа;

– пропускание атмосферы на длине волны лазерного излучения и сигнала обратного рассеяния;

–коэффициент отражения топографической мишени или суммарный коэффициент упругого рассеяния Ми и молекулярного рассеяния Рэлея.

Информация о концентрации йода содержится в сомножителе , который в общем случае может быть представлен в виде:

, (3.9)

где коэффициент ослабления в атмосфере определяется соотношением вида [32, 57]:

, (3.10)

здесь первое слагаемое является коэффициентом ослабления атмосферы на длине волны лазерного излучения за вычетом исследуемых изотопов, а второе – произведение их концентрации на сечение резонансного поглощения этих изотопов.

Далее, следуя идее метода дифференциального поглощения и рассеяния [57], возьмем два лидарных уравнения типа (3.8) для двух длин волн лазерного излучения и , причем вторая длина волны находится вне полосы поглощения йода, и разделим одно на другое. В результате деления получим уравнение для самого общего случая дифференциального поглощения и рассеяния в предположении о различии всех сомножителей, зависящих от длины волны, как и в [34, 37]:

. (3.11)

Выполним численное решение уравнения лазерного зондирования для дифференциального поглощения и рассеяния (3.11) с целью выбора оптимального варианта лидара дифференциального поглощения и рассеяния для зондирования молекулярного йода в атмосфере. Проанализируем сначала уравнение (3.8) при зондировании молекул I2 в атмосфере без учета фоновой засветки или ночного зондирования. Для этого определим значения величин, входящих в это уравнение (3.8). При дистанционном зондировании молекулярного йода в атмосфере эффективно применение двух лазеров [75]: второй гармоники YAG: Nd лазера 532 нм и лазера на парах меди с длинами волн 510,6 и 578,2 нм. Все три линии попадают в полосу поглощения исследуемых молекул I2[62]. В первом случае в качестве опорного излучения можно использовать основную гармонику YAG: Nd лазера на длине волны 1064 нм. Во втором случае такое излучение можно получить, например, с помощью преобразователя на вынужденном комбинационном рассеянии (ВКР) в сжатом водороде с эффективностью преобразования (50%) [37]. Первая Стоксова компонента будет иметь длины волн 648.3 и 761.4 нм соответственно для длин волн 510.6 и 578.2 нм медного лазера. Следовательно, для экспериментальной реализации такого лидара с медным лазером могут быть рассмотрены два варианта 510 и 648 нм и 578 и 761 нм (одна длина волны – рабочая, а на другой выполнено ВКР-преобразование).

Следуя описанной в [37, 75] процедуре предположим, что пиковые мощности лазерного импульса равны PL = 100 кВт, причем отношение мощностей лазерного излучения на двух выбранных длинах волн равно величине, обратной отношению значений спектральной чувствительности фотоприемников на этих же длинах волн. Измеренное сечение резонансного поглощения молекулярного йода равно σа = 1,88 10-18 см2, коэффициенты отражения топографических мишеней оценены по данным [76] и взяты для уголкового отражателя – 0.3, матовой поверхности – 0.15, суммарный коэффициент рассеяния в атмосфере взят из [32, 37] и равен 10-7. Площадь приемного телескопа А0 = 0,008 м2, постоянная К2 = 0.4 для длины волны 1064 нм. Пропускание атмосферы рассчитывалось по уравнению (3.8) по значениям коэффициента ослабления k (λ, R),взятым из [36], и для интересующих нас длин волн представлены в первом столбце таблицы 3.5. Значения спектральной чувствительности фотокатода ФЭУ для выбранных длин волн лазерного излучения так же приведены в таблице 3.5.

Результаты расчетов представлены в таблице 3.6 и на рисунке 3.11. Из графиков рисунка 3.11 следует, что мощности сигналов дифференциального поглощения и рассеяния практически одинаковы и для всех случаев прослеживается одинаковая картина: с увеличением расстояния зондирования до 0,1 км мощность дифференциального поглощения и рассеяния снижается на порядок, далее до 1,0 км – на два порядка, а до 5,0 км – еще на два порядка.

Таблица 3.5 – Значения коэффициентов ослабления в атмосфере, относительной спектральной чувствительности ФЭУ, рассчитанные для длин волн лазера на парах меди и YAG: Nd лазера

Излучатель λ, нм , км-1
Лазер на парах меди
, нм   0,16 0,59
  0,17 0,81
, нм   0,35 0,35
  0,15 0,38
YAG: Nd-лазер
, нм   0,16 0,70
, нм   0,12 0,64

 

Далее согласно [34] сделаем оценки солнечного фона по значениям спектральной яркости фона , которые взяты из работы [32], и сведены во втором столбце таблицы 3.7. Используя эти значения , были рассчитаны значения фоновой мощности на фотоприемнике .

 

Таблица 3.6 – Результаты расчетов мощности сигнала дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР) молекул I2 для лазера мощностью 100 кВт, интегральной по трассе концентрации молекул Na = 105 - 1014 см-3, дистанций зондирования 0,01... 5,0 км и различных рассеивающих мишеней

R, м ρ , нм Мощность сигнала ДПР, Вт
1014 1011 108 105
             
  0,15   0,11250002 0,2820356 0,282295 0,282295
  0,15441829 0,387124 0,38748 0,38748
  0,13347459 0,3346185 0,334926 0,334927
0,3   0,22500003 0,5640712 0,56459 0,56459
  0,30883657 0,774248 0,77496 0,774961
  0,26694919 0,6692371 0,669852 0,669853
10-7   7,5 10-8 1,8802 10-7 1,882 10-7 1,882 10-7
  1,02946 10-7 2,5808 10-7 2,583 10-7 2,583 10-7
  8,89831 10-8 2,2308 10-7 2,233 10-7 2,233 10-7
  0,15   2,77132 10-7 0,0027177 0,002743 0,002743
  3,79709 10-7 0,0037236 0,003758 0,003758
  3,28801 10-7 0,0032244 0,003254 0,003254
0,3   5,54264 10-7 0,0054354 0,005486 0,005486
  7,59418 10-7 0,0074472 0,007516 0,007516
  6,57601 10-7 0,0064488 0,006508 0,006508
10-7   1,85 10-13 1,8118 10-9 1,829 10-9 1,829 10-9
  2,53 10-13 2,4824 10-9 2,505 10-9 2,505 10-9
  2,19 10-13 2,1496 10-9 2,169 10-9 2,169 10-9
  0,15     1,8757 10-5 2,056 10-5 2,056 10-5
    2,5241 10-5 2,767 10-5 2,767 10-5
    2,2254 10-5 2,44 10-5 2,44 10-5
0,3     3,7514 10-5 4,113 10-5 4,113 10-5
    5,0483 10-5 5,534 10-5 5,535 10-5
    4,4508 10-5 4,879 10-5 4,88 10-5
10-7     1,25 10-11 1,371 10-11 1,371 10-11
    1,68 10-11 1,845 10-11 1,845 10-11
    1,48 10-11 1,626 10-11 1,627 10-11
  0,15     1,4438 10-7 2,286 10-7 2,287 10-7
    1,7935 10-7 2,84 10-7 2,841 10-7
    1,713 10-7 2,712 10-7 2,713 10-7
0,3     2,8876 10-7 4,572 10-7 4,574 10-7
    3,5871 10-7 5,68 10-7 5,682 10-7
    3,426 10-7 5,424 10-7 5,427 10-7
10-7     9,62 10-14 1,52 10-13 1,52 10-13
    1,20 10-13






Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.