Лидары и надиры в изучении атмосферы (стр. 3 из 4)
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 Рл — мощность возбуждающего излучения лазера; tи — длительность импульса; пк — число рабочих импульсов; k1 — общий коэффициент пропускания оптики; Т0 и Тс коэффициенты потерь излучения при его однократном прохождении через атмосферу в области возбуждающей и смещенной линии соответственно; Апу — коэффициент, суммарно учитывающий параметры приемно-усилительной системы; Афп — эффективная площадь приемника; k2 —коэффициент, учитывающий перекрывание возбуждающего и возвращенного пучков; N (R) — плотность атмосферы; sс — сечение рассеяния в обратном направлении; R— расстояние (высота).
Одним из основных требований к исследованию спектров КР является возможность измерения отношений Jq / J0и (Jq / 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 (Tconst) 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(Н2О) 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 (Рп = 1 Вт). В результате многократных записей интегральной интенсивности полосы 3400 см-1 жидкой воды и линии 992 см-1 бензола получено sЖ(Н2О) = (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.
