Научная статья на тему 'Моделирование дистанционного газоанализа атмосферы лазерной системой на основе параметрического генератора света'

Моделирование дистанционного газоанализа атмосферы лазерной системой на основе параметрического генератора света Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
184
30
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Область наук
Ключевые слова
АТМОСФЕРА / ГАЗОВЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ АТМОСФЕРЫ / ATMOSPHERE / ЛИДАРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ / LIDAR SOUNDING / ЛИДАР ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ / DIFFERENTIAL ABSORPTION LIDAR / ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ АБСОРБЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ / DIFFERENTIAL OPTICAL ABSORPTION SPECTROSCOPY / НЕЛИНЕЙНЫЕ КРИСТАЛЛЫ / NONLINEAR CRYSTALS / ATMOSPHERIC TRACE GAS

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Романовский Олег Анатольевич, Суханов Александр Яковлевич, Харченко Ольга Викторовна, Яковлев Семен Владимирович, Садовников Сергей Александрович

Введение: лидары дифференциального поглощения и устройства на основе метода дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии являются устоявшимися технологиями экологического мониторинга и успешно используются для газоанализа атмосферы. В лидарных газоаналитических устройствах дифференциального поглощения в качестве источников излучения традиционно применяются высокомощные газовые лазеры с дискретным набором длин волн с шириной линий излучения до 0,01 см-1 и генераторы гармоник, расширяющие рабочие спектральные диапазоны систем. При этом одновременный спектрально-временной анализ многочастотного отклика атмосферы в принципе не возможен из-за необходимости перестройки частоты излучения, ввиду чего контролю концентраций в режиме реального времени поддается жестко ограниченное количество компонент атмосферы. В свою очередь, в активных системах дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии применяются тепловые источники излучения с шириной спектра излучения сотни нанометров, что обеспечивает возможность проведения многокомпонентного спектрально-разрешенного газоанализа атмосферы интегрально по трассе зондирования с использованием зеркальных отражателей. Цель исследования: апробация разработанной методики лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы, совмещающей преимущества методов дифференциального поглощения и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии. Результаты: проведены численные эксперименты для оценки возможностей дистанционного газоанализа атмосферы с помощью лазерной системы с параметрической генерацией света на основе нелинейного кристалла KTi0As04 в диапазоне спектра 3-4 мкм. С помощью разработанной методики лидарного зондирования компонент атмосферы проведен поиск и отбор информативных для газоанализа длин волн. Проведено моделирование лидарных сигналов, анализ которых показал возможность дистанционного контроля HCN и C2H6 на горизонтальных трассах длиной 1 км.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Романовский Олег Анатольевич, Суханов Александр Яковлевич, Харченко Ольга Викторовна, Яковлев Семен Владимирович, Садовников Сергей Александрович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Simulation of Remote Atmospheric Sensing by a Laser System based on Optical Parametric Oscillator

Introduction: Differential absorption lidars and differential optical absorption spectroscopy systems are an established technology for environmental monitoring, successfully used for remote atmospheric sensing. Differential absorption lidars traditionally use high-power gas lasers with a discrete set of wavelengths, having the emission line width of about 0.01 cm-1, and harmonic generators which extend the operating spectral ranges of the systems. Simultaneous spectral and temporal analysis of a multi-frequency response from the atmosphere is not possible due to the necessity of wavelength tuning. For this reason, real-time concentration monitoring is possible only for a strictly limited number of the atmosphere components. In turn, active differential optical absorption spectroscopy systems use thermal radiation sources whose emission spectrum width is about hundreds of nanometers, which provides the possibility of a spectrally resolved integrated-path atmospheric gas analysis using mirror reflectors. Purpose: We test a developed method for lidar sensing of minor gas components of the atmosphere, which combines the advantages of differential absorption and differential optical absorption spectroscopy methods. Results: We have carried out numerical experiments in order to estimate the capability of remote atmospheric sensing using a laser system with parametric light generation in the spectral range 3-4 pm based on a non-linear crystal KTiOAsO4. On the basis of the developed method of lidar remote sensing, we have found and selected certain wavelengths informative for gas analysis. We have also simulated lidar signals whose analysis showed the possibility of remote monitoring of HCN and C2H6 on 1 km long horizontal paths.

Текст научной работы на тему «Моделирование дистанционного газоанализа атмосферы лазерной системой на основе параметрического генератора света»

X МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ

УДК 621.373.826; 551.510.411 с1о1:10.15217/1ззп1684-8853.2017.5.71

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИСТАНЦИОННОГО ГАЗОАНАЛИЗА АТМОСФЕРЫ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМОЙ НА ОСНОВЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА СВЕТА

О. А. Романовский*'6, доктор физ.-мат. наук, профессор

А. Я. Суханова'в, канд. техн. наук

О. В. Харченкоа, канд. физ.-мат. наук

С. В. Яковлева'6, канд. физ.-мат. наук, доцент

С. А. Садовникова, аспирант

аИнститут оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН, Томск, РФ 6Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, РФ Чомский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, РФ

Введение: лидары дифференциального поглощения и устройства на основе метода дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии являются устоявшимися технологиями экологического мониторинга и успешно используются для газоанализа атмосферы. В лидарных газоаналитических устройствах дифференциального поглощения в качестве источников излучения традиционно применяются высокомощные газовые лазеры с дискретным набором длин волн с шириной линий излучения до 0,01 см'1 и генераторы гармоник, расширяющие рабочие спектральные диапазоны систем. При этом одновременный спектрально-временной анализ многочастотного отклика атмосферы в принципе не возможен из-за необходимости перестройки частоты излучения, ввиду чего контролю концентраций в режиме реального времени поддается жестко ограниченное количество компонент атмосферы. В свою очередь, в активных системах дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии применяются тепловые источники излучения с шириной спектра излучения сотни нанометров, что обеспечивает возможность проведения многокомпонентного спектрально-разрешенного газоанализа атмосферы интегрально по трассе зондирования с использованием зеркальных отражателей. Цель исследования: апробация разработанной методики лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы, совмещающей преимущества методов дифференциального поглощения и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии. Результаты: проведены численные эксперименты для оценки возможностейдистанци-онного газоанализа атмосферы с помощью лазерной системы с параметрической генерацией света на основе нелинейного кристалла КТЮАэ04 в диапазоне спектра 3-4 мкм. С помощью разработанной методики лидарного зондирования компонент атмосферы проведен поиск и отбор информативных для газоанализа длин волн. Проведено моделирование лидарных сигналов, анализ которых показал возможность дистанционного контроля НСЫ и С2Н6 на горизонтальных трассах длиной 1 км.

Ключевые слова — атмосфера, лидарное зондирование, лидар дифференциального поглощения, дифференциальная оптическая абсорбционная спектроскопия, газовые составляющие атмосферы, нелинейные кристаллы.

Введение

Развитие лазерных бесконтактных методов диагностики среды (атмосферы, океана) требует разработки лазерных источников излучения, способных генерировать излучение в определенном диапазоне длин волн с малым шагом перестройки по частоте. Современные лидары дифференциального поглощения, как правило, позволяют контролировать лишь несколько газовых компонент атмосферы. Используемые в их составе мощные источники излучения, такие как СО2, БЕ (НЕ) лазеры, имеют ограниченное число спектральных совпадений линий излучения и линий поглощения атмосферных газов [1].

Современные источники лазерного излучения для решения задач лидарного зондирования базируются на использовании широкодиапазонных ИК молекулярных лазеров, а также параметрических преобразователей частоты на основе нелинейных кристаллов, позволяющих путем ге-

нерации обертонов, гармоник, суммарных и разностных частот излучения лазеров перекрыть спектральный диапазон от 2 до 18 мкм. Для перекрытия ближней и средней ИК-областей используется излучение параметрических генераторов света (ПГС) на нелинейных кристаллах [1, 2].

Наземные [3] и самолетные [4] измерения по методу дифференциального поглощения (МДП) использовались для получения вертикальных профилей озона в тропосфере и стратосфере [5, 6], тропосферного водяного пара [7], для картирования сильного загрязнения приземного слоя этаном и М02, определения горизонтального распределения М02 в выбросах дизельного двигателя [8]. Также МДП может быть использован в лидарном зондировании метеорологических параметров атмосферы [9-12].

Однако в стандартном МДП должно выполняться требование монохроматичности лазерного излучения. Широкий спектральный профиль лазерного излучения уменьшает эффективный

коэффициент поглощения, что снижает чувствительность измерений. Наличие аэрозоля в больших количествах также ведет к существенным ошибкам МДП. Наконец, проблема стандартных измерений МДП, использующих только две длины волны, означает, что наличие мешающего поглощения сторонними газами не учитывается, что приводит к ошибкам, вызванным неточностью априорного знания коэффициентов поглощения.

Этих недостатков можно избежать благодаря методу дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (ДОАС) [13-15]. ДОАС позволяет проводить спектрально разрешенные измерения в широкой полосе, что обеспечивает идентификацию нескольких газов даже в случае перекрывания полос поглощения. Еще одним преимуществом метода является независимость от аэрозольного и молекулярного рассеяния благодаря технике фильтрации высоких частот, используемой для получения спектров. Однако возможности метода ДОАС для получения вертикальных профилей ограничены, в настоящее время проведены только усредненные по трассе измерения.

Перспективным путем решения проблемы является методика, сочетающая преимущества обоих методов: пространственного разрешения МДП и идентификацию газов ДОАС. Новый метод использует широкополосное излучение и спектрометр с ПЗС-детектором, что обеспечивает измерение сигналов обратно рассеянного излучения с разрешением как по высоте, так и по длине волны одновременно.

Целью работы является апробация методики лидарного зондирования малых газовых составляющих (МГС) атмосферы, совмещающей МДП и ДОАС в численном эксперименте для оценки возможностей дистанционного газоанализа состава атмосферы с помощью лазерной системы на основе ПГС в диапазоне спектра 3-4 мкм.

Методика лидарного зондирования МГС атмосферы с помощью МДП и ДОАС

Основной принцип действия лидара дифференциального поглощения заключается в том, что часть обратно рассеянного лазерного излучения преобразуется молекулами и аэрозольными частицами при прохождении через атмосферу. Лазерный пучок ослабляется (в соответствии с законом Ламберта — Бера) молекулярным поглощением и молекулярным и аэрозольным рассеянием. Таким образом, сигнал, зарегистрированный детектором, является функцией этого ослабления, доли обратно рассеянных фотонов,

длины пути и мощности лазерного излучения. Сигнал Рк из рассеивающего слоя толщиной Дг можно представить в виде

(г, X) = Р0(X)^ц(Х)0(г)Агр(г, Х)е["2х(г', (1)

где Р0(Х) — мощность лазерного излучения; Лп — площадь приемного телескопа; ^(Х) — эффективность приемо-передающей системы; О(г) — область перекрытия между лазерным лучом и полем зрения приемника; Дг — пространственное разрешение по трассе зондирования; Р(г, X) — объемный коэффициент обратно рассеянного излучения; т(г, X) — объемный коэффициент ослабления.

Метод дифференциального поглощения заключается в определении концентрации атмосферного газа по разнице лидарных сигналов на длинах волн Хоп и ХоЯ с разным молекулярным поглощением. Концентрация исследуемого газа определяется следующим образом:

п(г) =

2ДстаЪз Дг

1п

( Рк (г, Хоп )РК (г + Аг, ХоН) ^

оп >

(2)

где АстаЬз — сечение поглощения.

Это выражение справедливо только в случае, если мешающее поглощение другими газами мало и рассеивающие свойства аэрозольных частиц не изменяются в диапазонах ДХ и Дг.

Недостатки МДП обусловлены неточностью априорного знания коэффициентов поглощения на двух и более длинах волн. Метод ДОАС позволяет избежать их посредством проведения мониторинга пропускания атмосферы с использованием широкополосных источников излучения с полушириной на полувысоте от единиц до сотен нанометров. Молекулярное поглощение (шириной порядка нескольких нанометров) в ДОАС отделяется от рассеяния по закону Ламберта — Бера, которое слабо зависит от длины волны и может быть удалено с помощью высокочастотного фильтра. Кроме того, путем подбора (например, методом наименьших квадратов) рассчитанного молекулярного поглощения к наблюдаемому возможно одновременное измерение нескольких поглощающих газов. Измерение поглощения той или иной газовой составляющей на большом количестве длин волн позволяет решить проблему применения априорной информации, вносящей искажения в результаты экспериментальных исследований содержания газов в атмосфере.

В случае проведения МДП-ДОАС-измерений в первую очередь необходимо найти отношение наблюдаемого спектра (РоЬз) к референтному Рге^, которое определяется из спектра лазерного источника (Р0), полученного одним и тем же детектором. В качестве Рге{ возможно использова-

ние спектра пропускания атмосферы при известном содержании поглощающих газов. Рассчитав отношение (РоЬз/Рге^ и проведя минимизацию выражения (3) путем подгонки переменных коэффициентов, можно вычислить значения концентраций газов, входящих в диапазон зондирования:

( РрЫ (у ,, ^) ^

ргв1 , )

(

= ехр

1

Л

-2Аг £ауУг + 1п(ру-,А) к=0

: I I (V, V ; ) >

ехр

г-1

"Аг X X (ата(v, ^ )ё + ата(v, ^ )

V к=0 ё

а ¡,к =а(у у, 2к); Р ¡,к =Р(у 1, 2ь); ата(v, гк = (%к )Кё К 2* ), (3)

где Ду — разрешающая способность приемника; /(у, ) — аппаратная функция приемника на частоте ; ^азе8 — число учитываемых газов; а(У), гк) — коэффициент ослабления анализируемой среды; Р(У), г) — коэффициент обратного рассеяния, включающий молекулярное и аэрозольное рассеяние в направлении назад; аша(у, г^)ё — профиль объемного коэффициента ослабления лазерного излучения за счет молекулярного поглощения; п^(гк) — концентрация газовой компоненты; К^(у, гк) — коэффициент поглощения соответствующего газа.

Отношение (РоЬз/Рге^ не зависит от спектра излучения лазерного источника или спектральной зависимости принимающей оптики, спектрографа, приемника, что является важным преимуществом МДП-ДОАС-методики. Измеряемая таким образом величина составляет разницу содержания поглощающих газов в референтном случае и в случае реальной атмосферы.

Незначительно изменяющееся рассеяние Р(у) чаще всего удаляется с помощью фильтра высоких частот. Для этого используются различные методы, но самый простой — применение полинома второго или третьего порядка, который подгоняется к разнице в оптической толще, а затем удаляется, оставляя так называемый дифференциальный спектр или дифференциальную оптическую толщу. Необходимо отметить, что именно этот процесс фильтрации позволяет МДП-ДОАС нивелировать проблемы ослабления неизвестным или некорректно учитываемым рассеянием (аэрозольным или рэлеевским), присущим МДП.

Как правило, дифференциальный спектр восстанавливается по нескольким сотням точек, при этом число параметров подгонки составляет не

более шести. Таким образом, уравнение (3) становится переопределенным и успешно решается методом наименьших квадратов. В свою очередь, коэффициенты подгонки варьируются для получения наилучшего совпадения спектра подгонки и наблюдаемого спектра. В общем случае разрешение метода соответствует молекулярному поглощению, при котором выполняется закон Ламберта. В этом случае если известны коэффициенты поглощения, можно определить концентрацию каждого газа. Важным преимуществом МДП-ДОАС по сравнению с МДП является возможность одновременного определения концентрации нескольких газов.

Для обеспечения практического функционирования систем указанного типа предлагается методика планирования и проведения лидарных МДП-ДОАС-измерений (рис. 1), которую можно представить в виде трех частей: 1) поисковой; 2) расчетной; 3) блока обработки экспериментальных результатов лидарного зондирования.

Известно, что выражение для минимально об-наружимых концентраций в экспериментах с использованием дифференциального поглощения при лидарном зондировании имеет следующий вид [16]:

ВД =

1п Р(Уоп, 2) ~ 1п Р(УаМ, 2) 2АК(у)г '

(4)

где Р(уоп, г) и Р(уоЯ, г) — сигналы, регистрируемые фотоприемником с трассы зондирования длиной г на частотах Уоп и уоЯ, расположенные в узком спектральном диапазоне линии поглощения исследуемого газа и в соседнем окне прозрачности; ДК(у) — дифференциальный коэффициент поглощения:

ДВД = К(уоп) - К(чоа),

(5)

где К(уоп) и К(уоЯ) — коэффициенты поглощения в линии и вне линии поглощения.

Для большинства реальных устройств регистрации и цифровой обработки, применяемых в экспериментах, значение разности логарифмов в выражении (4) должно удовлетворять условию [16]

1пР(Уоп, г) - 1пР(уоИ, г) « 0,02.

(6)

С учетом выражения (6) значения минимальных интенсивностей линий поглощения можно определить путем моделирования и сравнения спектров пропускания атмосферы анализируемой газовой компоненты и мешающих составляющих с концентрациями, соответствующими предельно допустимым концентрациям для трассы длиной 10 км [12].

■ Рис. 1. Схема методики планирования и проведения лидарных МДП-ДОАС-измерений

■ Fig. 1. Scheme of planning technique and DIAL-DOAS lidar measurements

Необходимо отметить, что в случае реализации МДП-ДОАС-систем оптимальные интенсивности линий и полос поглощения выбираются исходя из характеристик приемного устройства лидара. Минимальная интенсивность линий поглощения должна соответствовать временному разрешению фотоприемного прибора, величине его суммарных шумов, а также концентрациям исследуемых газовых компонент. Данные критерии определяются спецификой метода, сущность которого заключается в извлечении информации о концентрациях газовых компонент атмосферы посредством нахождения отношения мощностей двух сигналов — опорного (или референтного) и сигнального.

В качестве входных данных выступают параметры трассы зондирования, тип трассы (горизонтальная, вертикальная или наклонная), характеристики источника излучения (ширина линии излучения, мощность) и приемной аппаратуры (спектральное и пространственное разрешение детектируемых сигналов).

Поисковый блок основывается на использовании базы спектроскопических данных [17], метеомоделей [18], априорной информации

о коэффициентах аэрозольного ослабления, обратного рассеяния [19] и молекулярного рассеяния [20].

Расчетная часть алгоритма необходима для решения следующих задач:

— расчета коэффициентов поглощения и спектров пропускания атмосферы методом «line-by-line»;

— моделирования лазерного зондирования с применением статистических моделей распределения атмосферных характеристик;

— моделирования систематических и случайных погрешностей восстановления газовых профилей;

— выработки требований к параметрам ли-дара.

Результаты моделирования и поиска информативных пар длин волн для МДП и диапазонов длин волн для МДП-ДОАС-методик формируются в табличной и графической формах.

Методика применима для реализации систем как с традиционным функционалом МДП- и ДОАС-подходов по отдельности, так и для перспективного объединенного МДП-ДОАС-подхода с применением одной и той же аппаратуры.

Лазерная система с ПГС

для дистанционного зондирования

атмосферы

В работе рассматривается лазерная система, входящая в состав разработанного лидара дифференциального поглощения и обеспечивающая перестраиваемую генерацию наносекундных импульсов излучения в спектральном диапазоне 3-4 мкм.

Лазерная система включает:

— М^АО импульсный лазер Ь^529Б;

— преобразователь излучения с перестройкой длины волны 3-4 мкм;

— шаговые двигатели для управления длиной волны;

— контроллер для управления шаговыми двигателями;

— спектрометр Я100;

— общее основание для лазера и преобразователя с системой заводки излучения накачки в преобразователь.

Основные характеристики лазера накачки и преобразователя излучения представлены в табл. 1 и 2.

■ Таблица 1. Спецификация лазера накачки LQ529B

■ Table 1. Specification of LQ529B pumping laser

Параметр Значение параметра

Частота следования импульсов 10 Гц

Выходная энергия на 1064 нм 350 мДж

Длительность импульса на 1064 нм, Е'ЫМ 10-13 нс

Диаметр луча на 1064 нм <6 мм

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Расходимость на 1064 нм ~1,5 мрад

Стабильность энергии импульсов на 1064 нм ±2,5 %

■ Таблица 2. Спецификация преобразователя

■ Table 2. Specification of radiation converter

Параметр Значение параметра

Диапазон перестройки длины волны 3-4 мкм

Ширина линии излучения 1-5 см-1

Энергия в импульсе, в максимуме перестроечной кривой 7-9 мДж

Частота следования импульсов 10 Гц

Расходимость излучения </=2 мрад

Управление перестройкой длины волны От трех шаговых двигателей

X, мкм

■ Рис. 2. Перестроечные кривые ПГС на кристалле

KTA в спектральном диапазоне 3-4 мкм

■ Fig. 2. Tuning curve of the KTA crystal based optical

parametric oscillator (OPO) in spectral range 3-4 цт

На рис. 2 представлена перестроечная кривая параметрического генератора света на кристалле КТЮАв04 (КТА), полученная с использованием различных измерителей мощности (ОрЫг РЕ10-С и РЕ25-С). Видно, что в диапазоне длин волн 3-4 мкм ПГС на кристалле КТА имеет довольно высокую энергию в импульсе на выходе системы, несмотря на генерацию излучения без продувки резонатора лазера азотом (в максимуме перестроечной кривой ее значения достигают 7-9 мДж).

Разработанная МДП-ДОАС-методика измерений МГС была апробирована для оценки уровня лидарных сигналов с использованием характеристик описанной выше лазерной системы с ПГС на основе нелинейного кристалла КТА. На основе характеристик лазера проведена оценка возможностей зондирования некоторых газовых примесей атмосферы на приземных трассах в исследуемой области спектра.

Результаты моделирования лидарных измерений МГС атмосферы в диапазоне 3—4 мкм

Проведено численное моделирование зондирования некоторых газовых составляющих в атмосфере на приземных горизонтальных тропосферных трассах. При моделировании использовалась стандартная модель атмосферы лета средних широт [19]. Учитывалось мешающее поглощение всех основных атмосферных газовых компонент. Входные данные для проведения численного моделирования представлены в табл. 3.

В табл. 4 приведены информативные длины волн, пригодные для зондирования исследуемых в работе малых газовых составляющих атмосфе-

ры с использованием методики МДП-ДОАС для ширины аппаратной функции, равной 1,5 см-1.

Необходимо отметить, что конструкция лазерной системы предусматривает возможность сужения линии лазерного излучения в широких пределах. Таким образом, в табл. 5 приведены информативные длины волн, пригодные для зондирования исследуемых в работе МГС атмосферы с использованием методики МДП-ДОАС для ширины аппаратной функции, равной 0,1 см-1.

На рис. 3 приведены рассчитанные для горизонтальной тропосферной трассы пространственно и спектрально разрешенные лидарные сигналы для НОМ и С2Н6 в области информативных длин волн МГС атмосферы, представленных в табл. 4.

Из рисунков видно, что в рассматриваемых диапазонах длин горизонтальных трасс 0-1 км уровень лидарных сигналов существенно превышает уровень эквивалентной мощности шума фотоприемника МЕР = 10-12 Вт.

■ Таблица 4. Длины волн, пригодные для зондирования HBr и HCl (AR = 1 км)

■ Table 4. Informative wavelengths chosen for sounding HBr and HCl (AR = 1 km)

Лпогл, мкм (в воздухе) упогл> см 1 (в воздухе) T газа T меш.погл

онлайн офлайн онлайн офлайн онлайн офлайн онлайн офлайн

HBr

3,95946 3,96183 2525,599 2524,088 0,86 0,98 0,99 0,99

3,98725 3,98964 2507,994 2506,493 0,85 0,98 0,99 0,99

4,01615 4,01376 2489,948 2491,429 0,85 0,98 0,99 0,99

4,04617 4,04860 2471,473 2469,993 0,86 0,99 0,99 0,99

4,07744 4,07497 2452,577 2454,008 0,89 0,98 0,99 0,99

HCl

3,48945 3,49431 2865,778 2861,797 0,70 0,97 0,89 0,98

3,51558 3,51778 2844,482 2842,702 0,66 0,85 0,92 0,93

3,54298 3,54155 2822,486 2822,800 0,64 0,84 0,87 0,90

3,57193 3,57038 2799,609 2800,819 0,68 0,85 0,92 0,92

■ Таблица 5. Длины волн, пригодные для зондирования HCN и C2H6 (AR = 0,2 км) ■ Table 5. Informative wavelengths chosen for sounding HCN and C2H6 (AR = 0,2 km)

Лпогл, мкм (в воздухе) упогл> см 1 (в воздухе) T газа T меш.погл

онлайн офлайн онлайн офлайн онлайн офлайн онлайн офлайн

HCN

3,05977 3,05998 3268,214 3267,994 0,72 0,89 0,96 0,96

3,00158 3,00144 3331,574 3331,724 0,62 0,79 0,97 0,96

C2H6

3,33202 3,33228 3001,177 3000,947 0,50 0,93 0,98 0,99

3,33583 3,33560 2997,746 2998,027 0,37 0,86 0,97 0,98

3,36029 3,36108 2975,934 2975,234 0,45 0,92 0,95 0,96

3,35832 3,35852 2977,671 2977,501 0,45 0,79 0,95 0,95

■ Таблица 3. Входные данные для проведения чис-

ленного моделирования лазерного зондирования

■ Table 3. Input data for numerical simulation of laser

sounding

Параметр лидарной системы Значение параметра

Площадь приемника ЛриемнФ = 0,3 м) 7х10-8 км2

Ширина аппаратной функции 0,1; 1,5 см-1

Эффективность приемной системы 0,3

Пространственное разрешение AR 0,2 и 1 км

Максимальная энергия в импульсе 5 мДж

Частота следования импульсов 10 Гц

Длительность импульса 10 нс

Расходимость излучения 2 мрад

Диапазон перестройки лазера 2,9-4 мкм

ЫЕР фотодетектора 1х10-12 Вт

1E-4

1E-5

1E-6

1E-7

3,000 3,001 3,002

X, мкм

1E-9 200 400 600 4800 <?»■> 1000

3,332 3,334 3,336

X, мкм

онлайн

1E-4

1E-5

Ер:

ft 1E-6 1E-7

3,055 3,056 3,057 3,058 3,059 3,060

X, мкм

3,352 3,354 3,356 3,358

X, мкм

Рис. 3. Пространственно и спектрально разрешенные лидарные сигналы горизонтального зондирования HCN (а,

б) и C2H6 (в, г) в области работы ПгС на основе кристалла KTA (ширина аппаратной функции 0,1 см-1) Fig. 3. Spatially and spectrally resolved lidar signals of HCN (а, б) and C2H6 (в, г) horizontal sounding in the region of KTA-based OPO operation (instrumental function width is 0.1 cm-1)

Результаты численного моделирования показывают возможность восстановления лидарного сигнала на горизонтальных трассах 1 км при зондировании излучением ПГС на кристалле КТА в диапазоне 3-4 мкм паров ЫСМ и С2Ы6.

Заключение

Применение разработанной методики лидар-ного зондирования МГС атмосферы, совмещающей МДП и ДОАС, и ее апробация в численном эксперименте подтверждают перспективность использования выбранных информативных длин волн для лидарного зондирования газового состава атмосферы с помощью лазерной системы на основе ПГС в диапазоне спектра 3-4 мкм. Проведенное численное моделирование показывает, что лазер с ПГС на основе нелинейного кристалла КТА является перспективным источником излучения для дистанционного зондирования с использованием методики МДП-ДОАС рассматриваемых в работе МГС атмосферы на приземных тропосферных трассах. Причем кон-

струкция лазерной системы предусматривает возможность сужения линии лазерного излучения в пределах 0,01-0,05 см-1. Возможность такой модернизации, наряду с малым шагом перестройки линии лазерного излучения и наличием в рассматриваемом спектральном диапазоне линий поглощения других газовых составляющих и, в частности, атмосферных загрязнителей, делает рассматриваемый лазерный источник уникальным прибором для создания лидара дифференциального поглощения наземного базирования.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 16-45-700722 в части проведения численного моделирования лидарных измерений МГС атмосферы), финансовой поддержке гранта Президента РФ для поддержки молодых российских ученых (грант № МК-1367.2017.5 в части разработки и апробации методики лидарных МДП-ДОАС-измерений малых газовых составляющих атмосферы) и финансовой поддержке гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ НШ-8199.2016.5.

Литература

1. Васильев Б. И., Маннун У. М. ИК-лидары дифференциального поглощения для экологического мониторинга окружающей среды // Квант. электроника. 2006. Т. 36. № 9. С. 801-820.

2. Mitev V., Babichenko S., Bennes J., Borelli R., Dolfi-Bouteyre A., Fiorani L., Hespel L., Huet T., Palucci A., Pistilli M., Puiu A., Rebane O., Sobolev I. Mid-IR DIAL for High-Resolution Mapping of Explosive Precursors // Proc. SPIE. 2013. Vol. 8894. P. 88940S-88940S-13. doi:10.1117/12.2028374

3. Sunesson J. A., Apituley A., Swart D. P. J. Differential Absorption Lidar System for Routine Monitoring of Tropospheric Ozone // Applied Optics. 1994. Vol. 33. N 30. P. 7045-7058. doi:10.1364/A0.33.007045

4. Browell E. V. Differential Absorption Lidar Sensing of Ozone // Proc. of the IEEE. 1989. Vol. 77. N 3. P. 419-432. doi:10.1109/5.24128

5. McGee T. J., Gross M., Singh U. N., Butler J. J., Kim-vilakani P. E. Improved Stratospheric Ozone Lidar // Optical Engineering. 1995. Vol. 34. N 5. P. 1421-1430. doi:10.1117/12.199883

6. Бурлаков В. Д., Долгий С. И., Невзоров А. А., Невзоров А. В., Романовский О. А., Харченко О. В. Лидарное зондирование озона в верхней тропосфере — нижней стратосфере: методика и результаты измерений // Изв. Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 9. С. 124-132.

7. Higdon N. S., Browell E. V., Ponsardin P., Grossmann B. E., Butler C. F., Chyba T. H., Neale Mayo M., Allen R. J., Heuser A. W., Grant W. B., Ismail S., Mayor S. D., Carter A. F. Airborne Differential Absorption Lidar System for Measurements of Atmospheric Water Vapor and Aerosols // Applied Optics. 1994. Vol. 33. N 27. P. 6422-6438. doi:10.1364/ AO.33.006422

8. Toriumi R., Tai H., Takechi N. Tunable Solid-State Blue Laser Differential Absorption Lidar System for NO2 Monitoring // Optical Engineering. 1996. Vol. 35. N 8. P. 2371-2375. doi:10.1117/1.600617

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9. Харченко О. В. Методика планирования и проведения лидарных измерений профилей метеорологических параметров атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 06. С. 523-528.

10. Матвиенко Г. Г., Романовский О. А., Харченко О. В., Яковлев С. В. Результаты моделирования лидар-ных измерений профилей метеопараметров с помо-

щью обертонного СО-лазера // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 02. С. 123-125.

11. Романовский О. А., Харченко О. В., Яковлев С. В. Применение многоволновых ИК-лазеров для ли-дарных и трассовых измерений метеорологических параметров атмосферы // Изв. высших учебных заведений. Физика. 2014. Т. 57. № 10. С. 74-80.

12. Бобровников С. М., Матвиенко Г. Г., Романовский О. А., Сериков И. Б., Суханов А. Я. Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы. — Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2014. — 510 с.

13. Platt U., Perner D., Patz H. W. Simultaneous Measurement of Atmospheric CH2O, O3, and NO2 by Differential Optical Absorption // J. Geophys. Res. 1979. Vol. 84. N C10. P. 6329-6335. doi:10.1029/JC084iC10p06329

14. Platt U. Air Monitoring by Spectroscopic Techniques // Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS). — N. Y.: John Wiley, 1994. — P. 27-84.

15. Platt U., Stutz J. Differential Optical Absorption Spectroscopy. — Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2008. — 593 p. doi:10.1007/978-3-540-75776-4

16. Hinkley E. D. Laser Monitoring of the Atmosphere. — Springer-Verlag, 1976. — 396 p.

17. Rothman L. S., Gordon I. E., Babikov Y., Barbe A., Chris Benner D., Bernath P. F., Birk M., Bizzocchi L., Boudon V., Brown L. R., Campargue A., Chance K., Cohen E. A., Coudert L. H., Devi V. M., Drouin B. J., Fayt A., Flaud J.-M., Gamache R. R., Harrison J. J., Hartmann J.-M., Hill C., Hodges J. T., Jacquemart D., Jolly A., Lamouroux J., Le Roy R. J., Li G., Long D. A., Lyulin O. M., Mackie C. J., Massie S. T., Mikhai-lenko S., Müller H. S. P., Naumenko O. V., Nikitin A. V., Orphal J., Perevalov V., Perrin A., Polovt-seva E. R., Richard C., Smith M. A. H., Starikova E., Sung K., Tashkun S., Tennyson J., Toon G. C., Tyuterev Vl. G., Wagner G. The HITRAN2012 Molecular Spectroscopic Database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2013. Vol. 130. P. 4-50. doi:10.1016/j.jqsrt.2013.07.002

18. Зуев В. Е., Комаров В. С. Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1986. — 264 с.

19. Креков Г. М., Рахимов Р. Ф. Оптико-локационная модель континентального аэрозоля. — Новосибирск: Наука, 1982. — 199 с.

20. McClatchey R. A., Fenn R. W., Selby J. E. A. Optical Properties of Atmosphere // Report AFCRL-71-0297. — Bedford, Mass., 1971. — 86 p.

UDC 621.373.826; 551.510.411 doi:10.15217/issn1684-8853.2017.5.71

Simulation of Remote Atmospheric Sensing by a Laser System based on Optical Parametric Oscillator

Romanovskii O. A.a>b, Dr. Sc., Phys.-Math., Professor, roa@iao.ru

Sukhanov A. Ya.a,c, PhD, Tech., say@iao.ru

Kharchenko O. V.a, PhD, Phys.-Math., olya@iao.ru

Yakovlev S. V.a>b, PhD, Phys.-Math., Associate Professor, ysv@iao.ru

Sadovnikov S. A.a, Post-Graduate Student, sadsa@iao.ru

aV. E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 1, Academician Zuev Sq., 634021, Tomsk, Russian Federation

bNational Research Tomsk State University, 36, Lenin Av., 634050, Tomsk, Russian Federation

cTomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Lenin Av., 634050, Tomsk, Russian Federation

Introduction: Differential absorption lidars and differential optical absorption spectroscopy systems are an established technology for environmental monitoring, successfully used for remote atmospheric sensing. Differential absorption lidars traditionally use highpower gas lasers with a discrete set of wavelengths, having the emission line width of about 0.01 cm-1, and harmonic generators which extend the operating spectral ranges of the systems. Simultaneous spectral and temporal analysis of a multi-frequency response from the atmosphere is not possible due to the necessity of wavelength tuning. For this reason, real-time concentration monitoring is possible only for a strictly limited number of the atmosphere components. In turn, active differential optical absorption spectroscopy systems use thermal radiation sources whose emission spectrum width is about hundreds of nanometers, which provides the possibility of a spectrally resolved integrated-path atmospheric gas analysis using mirror reflectors. Purpose: We test a developed method for lidar sensing of minor gas components of the atmosphere, which combines the advantages of differential absorption and differential optical absorption spectroscopy methods. Results: We have carried out numerical experiments in order to estimate the capability of remote atmospheric sensing using a laser system with parametric light generation in the spectral range 3-4 pm based on a non-linear crystal KTiOAsO4. On the basis of the developed method of lidar remote sensing, we have found and selected certain wavelengths informative for gas analysis. We have also simulated lidar signals whose analysis showed the possibility of remote monitoring of HCN and C2H6 on 1 km long horizontal paths.

Keywords — Atmosphere, Lidar Sounding, Differential Absorption Lidar, Differential Optical Absorption Spectroscopy, Atmospheric Trace Gas, Non-Linear Crystals.

References

1. Vasilev B. I., Mannun O. M. IR Differential-Absorption Lidars for Ecological Monitoring of the Environment. Quantum Electronics, 2006, vol. 36, no. 9, pp. 801-820. doi:10.1070/QE2006v036n09ABEH006577

2. Mitev V., Babichenko S., Bennes J., Borelli R., Dolfi-Boutey-re A., Fiorani L., Hespel L., Huet T., Palucci A., Pistilli M., Puiu A., Rebane O., Sobolev I. Mid-IR DIAL for High-Resolution Mapping of Explosive Precursors. Proc. SPIE, 2013, vol. 8894, pp. 88940S-88940S-13. doi:10.1117/12.2028374

3. Sunesson J. A., Apituley A., Swart D. P. J. Differential Absorption Lidar System for Routine Monitoring of Tropo-spheric Ozone. Applied Optics, 1994, vol. 33, no. 30, pp. 7045-7058. doi:10.1364/AO.33.007045

4. Browell E. V. Differential Absorption Lidar Sensing of Ozone. Proc. of the IEEE, 1989, vol. 77, no. 3, pp. 419-432. doi:10.1109/5.24128

5. McGee T. J., Gross M., Singh U. N., Butler J. J., Kim-vilakani P. E. Improved Stratospheric Ozone Lidar. Optical Engineering, 1995, vol. 34, no. 5, pp. 1421-1430. doi:10.1117/12.199883

6. Burlakov V. D., Dolgii S. I., Nevzorov A. A., Nevzorov A. V., Romanovskii O. A., Kharchenko O. V. Lidar Sensing of Ozone in the Upper Troposphere — Lower Stratosphere: Technique and Results of Measurements. Izvestiia Tomsk-ogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesur-sov, 2014, vol. 325, no. 2, pp. 127-136 (In Russian).

7. Higdon N. S., Browell E. V., Ponsardin P., Grossmann B. E., Butler C. F., Chyba T. H., Neale Mayo M., Allen R. J., Heuser A. W., Grant W. B., Ismail S., Mayor S. D., Carter A. F. Airborne Differential Absorption Lidar System for Measurements of Atmospheric Water Vapor and Aerosols. Applied Optics, 1994, vol. 33, no. 27, pp. 6422-6438. doi:10.1364/AO.33.006422

8. Toriumi R., Tai H., Takechi N. Tunable Solid-State Blue Laser Differential Absorption Lidar System for NO2 Monitoring. Optical Engineering, 1996, vol. 35, no. 8, pp. 23712375. doi:10.1117/1.600617

9. Kharchenko O. V. The Method for Planning and Carrying out the Lidar Measurements of Profiles of Atmospheric Meteorological Parameters. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics], 2012, vol. 25, no. 06, pp. 523528 (In Russian).

10. Matvienko G. G., Romanovskii O. A., Kharchenko O. V., Ya-kovlev S. V. Simulation of Lidar Measurements of Profiles of Atmospheric Meteorological Parameters using Overtone CO Laser. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics], 2014, vol. 27, no. 02, pp. 123-125 (In Russian).

11. Romanovskii O. A., Kharchenko O. V., Yakovlev S. V. Application of Multiwavelength IR Lasers for Lidar and Path Measurements of the Meteorological Parameters of the Atmosphere. Russian Phisics Jornal, 2015, vol. 57, no. 10, pp. 1380-1387. doi:10.1007/s11182-015-0392-1

12. Bobrovnikov S. M., Matvienko G. G., Romanovskii O. A., Serikov I. B., Sukhanov A. Ya. Lidarnyi spektroskopicheskii gazoanaliz atmosfery [Lidar Spectroscopic Gas Analysis of the Atmosphere]. Tomsk, IOA SO RAN Publ., 2014. 510 p. (In Russian).

13. Platt U., Perner D., Patz H. W. Simultaneous Measurement of Atmospheric CH2O, O3, and NO, by Differential Optical Absorption. J. Geophys. Res., 1979, vol. 84, no. C10, pp. 6329-6335. doi:10.1029/JC084iC10p06329

14. Platt U. Air Monitoring by Spectroscopic Techniques. In: Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS). New York, John Wiley, 1994. Pp. 27-84.

15. Platt U., Stutz J. Differential Optical Absorption Spectros-copy. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2008. 593 p. doi:10.1007/978-3-540-75776-4

16. Hinkley E. D. Laser Monitoring of the Atmosphere. Berlin, Heidelberg, New York, Springer-Verlag, 1976. 396 p.

17. Rothman L. S., Gordon I. E., Babikov Y., Barbe A., Chris Benner D., Bernath P. F., Birk M., Bizzocchi L., Boudon V., Brown L. R., Campargue A., Chance K., Cohen E. A., Cou-dert L. H., Devi V. M., Drouin B. J., Fayt A., Flaud J.-M., Gamache R. R., Harrison J. J., Hartmann J.-M., Hill C., Hodges J. T., Jacquemart D., Jolly A., Lamouroux J., Le Roy R. J., Li G., Long D. A., Lyulin O. M., Mackie C. J., Massie S. T., Mikhailenko S., Müller H. S. P., Naumenko O. V., Nikitin A. V., Orphal J., Perevalov V., Perrin A., Polovtseva E. R., Richard C., Smith M. A. H., Starikova E., Sung K., Tash-kun S., Tennyson J., Toon G. C., Tyuterev Vl. G., Wagner G. The HITRAN2012 Molecular Spectroscopic Database. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2013, vol. 130, pp. 4-50. doi:10.1016/j.jqsrt.2013.07.002

18. Zuev V. E., Komarov V. S. Statisticheskie modeli temper-atury i gazovykh komponent atmosfery [Statistic Models of Temperature and Gas Components of the Atmosphere]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1986. 264 p. (In Russian).

19. Krekov G. M., Rakhimov R. F. Optiko-lokatsionnaia model' kontinental'nogo aerozolia [Optical Location Model of Continental Aerosol]. Novosibirsk, Nauka Publ., 1982. 199 p.

20. McClatchey R. A., Fenn R. W., Selby J. E. A., Volz F. E., Garing J. S. Optical Properties of Atmosphere. Report AFCRL-71-0297. Bedford, Mass., 1971. 86 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.