Моделирование дистанционного газоанализа атмосферы лазерной системой на основе параметрического генератора света


https://doi.org/10.15217/issn1684-8853.2017.5.71

Полный текст:


Аннотация

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.

Об авторах

Олег Анатольевич Романовский
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университет
Россия


Александр Яковлевич Суханов
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Россия


Ольга Викторовна Харченко
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН
Россия


Семен Владимирович Яковлев
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университет
Россия


Сергей Александрович Садовников
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН
Россия


Список литературы

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/AO.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., Kimvilakani 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

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 лидарных 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 лидарных 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., 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., 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.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Романовский О.А., Суханов А.Я., Харченко О.В., Яковлев С.В., Садовников С.А. Моделирование дистанционного газоанализа атмосферы лазерной системой на основе параметрического генератора света. Информационно-управляющие системы. 2017;90(5):71-79. https://doi.org/10.15217/issn1684-8853.2017.5.71

For citation: Romanovskii O.A., Sukhanov A.Y., Kharchenko O.V., Yakovlev S.V., Sadovnikov S.A. Simulation of Remote Atmospheric Sensing by a Laser System based on Optical Parametric Oscillator. Information and Control Systems. 2017;90(5):71-79. (In Russ.) https://doi.org/10.15217/issn1684-8853.2017.5.71

Просмотров: 25


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1684-8853 (Print)
ISSN 2541-8610 (Online)