МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ ЛИДАРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР СРЕДНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для многокомпонентного дистанционного контроля концентраций газовых составляющих приземного слоя атмосферы и загрязняющих молекулярных выбросов промышленных предприятий.
Широкое развитие среди систем дистанционного лазерного газоанализа получили лидары дифференциального поглощения (US 8121798 В2 от 21.02.2012 г.), многоканальные лидары с использованием нескольких приемопередающих каналов (US 5157257 А от 20.10.1992 г., US 7411196 В2 от 12.08.2008 г.), устройства с использованием частотных гребенок (US 8541744 от 24.09.2013 г.). Лазерные источники подобных систем должны отвечать самым жестким требованиям по стабильности ширины и спектрального положения линий излучения относительно линий поглощения исследуемых газов.
Основные недостатки систем данного типа состоят в возникновении ошибок измерений вследствие динамического влияния аэрозолей на поглощение и рассеяние лазерного излучения, в неполноценном учете мешающего поглощения излучения сторонними газами и в необходимости использования нескольких источников излучения.
Указанных недостатков лишены широкополосные многокомпонентные газоанализаторы применяющие метод дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (Lambert-Girard S., Allard M., Piche M., Babin F. Differential optical absorption spectroscopy lidar for mid-infrared gaseous measurements // Applied Optics. 2015. V. 54. №7. PP. 1647-1656) и лидары на базе фемтосекундных и волоконных генераторов суперконтинуума (Kasparian J., Rodriguez М.,  G., Yu J., Salmon E., Wille H., Bourayou R., Frey S.,  Y.-B., Mysyrowicz A., Sauerbrey R., Wolf J.-P.,  L. White-Light Filaments for Atmospheric Analysis // Science. 2003. V. 301. №5629. PP. 61-64; Jiang X., Joly N.Y., Finger M.A., Babic F., Wong G.K., Travers J.C., Russell P.S. J. Deep-ultraviolet to mid-infrared supercontinuum generated in solid-core ZBLAN photonic crystal fibre // Nature Photonics. 2015. V. 9. №2. PP. 133-139).
Основной недостаток первых состоит в невозможности получения пространственно-разрешенной информации о концентрациях газовых составляющих атмосферы без применения нескольких приемо-передающих каналов, вторых - в снижении эффективности поглощения излучения малыми газовыми составляющими и невозможности детектирования предельно-малых концентраций загрязнителей атмосферы.
Наиболее близким к заявляемому устройству является лидар (Mitev V., Babichenko S., Bennes J., Borelli R., Dolfi-Bouteyre A., Fiorani L., Hespel L., Huet Т., Palucci A., Pistilli M., Puiu A., Rebane O., Sobolev I. Mid-IR DIAL for high-resolution mapping of explosive precursors // Proceedings of SPIE. 2013. V. 8894. PP. 8894S-1-8894S-13), содержащий систему параметрической генерации лазерного излучения, систему зеркал формирующих лазерный пучок, приемный телескоп, интерференционный фильтр, фотовольтаический фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь и блок управления. Лазерное излучение направляется на систему зеркал после прохождения которой коллимированный пучок выходит в атмосферу. По мере прохождения трассы зондирования лазерное излучение рассеивается в направлении назад аэрозольными составляющими атмосферы и, попадая на приемное зеркало телескопа, фокусируется на приемной площади фотоприемника предварительно проходя через интерференционный фильтр. Прототип относится к лидарам дифференциального поглощения среднего ИК-диапазона и позволяет единовременно анализировать одну газовую составляющую атмосферы. Применение в составе прототипа широкополосного излучения параметрического генератора света приводит к повышению погрешностей измерения вызванных поглощением мешающих газовых компонент. Устройство предназначено для обнаружения паров ацетона и нитрометана с целью обнаружения территорий несанкционированного производства взрывчатых веществ.
К основным недостаткам прототипа относится невозможность единовременного детектирования концентраций нескольких газовых составляющих, погрешность измерений, вызванная использованием широкополосного излучения, невозможность полноценного учета влияния поглощения мешающих газовых составляющих.
Технической задачей, решаемой представленной полезной моделью, является создание многокомпонентного лидарного газоанализатора среднего ИК-диапазона, обеспечивающего получение пространственно- и спектрально-разрешенной информации о распределении нескольких газовых составляющих и загрязнителей атмосферы одновременно.
Техническая задача решается посредством применения спектрографа и быстродействующего матричного фотодетектора, с возможностью функционирования в режиме накопления и циклического переноса заряда (Чунтонов Г.А. Накопление и циклический перенос заряда на ПЗС: Поиск быстрой переменности магнитного поля звезды γ Equ // Астрофизический бюллетень. 2013. Т. 68. №4. С. 485-489), позволяющих объединить преимущества метода дифференциального поглощения и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии высокого разрешения.
Как видно из фиг. 1 многокомпонентный лидарный газоанализатор среднего ИК-диапазона содержит расположенные на общей платформе блок накопления и обработки сигналов и оптически связанные параметрический генератор света, перестраиваемый в диапазоне λ=2,8…4,1 мкм (далее лазер), коллиматор, два глухих зеркала, телескоп, конденсор, спектрограф с набором фильтров и системой компенсации астигматизма и быстродействующий матричный фотодетектор.
Принцип работы предлагаемого устройства состоит в следующем. Пучок излучения на выходе лазера (1) расширяется коллиматором (2) и, отражаясь от двух глухих зеркал (3), направляется в атмосферу. Лазерное излучение, по мере прохождения толщи атмосферы, претерпевает аэрозольное и молекулярное поглощение и рассеяние. Излучение, рассеянное в направлении назад, собирается телескопом (4) и посредством конденсора (5) направляется через спектрограф (6), который производит разложение излучения в спектр, на матричный фотодетектор (7) для преобразования оптических сигналов в электрические. Электрические сигналы направляются в блок накопления и обработки сигналов (8). Конструктивное единство устройства обеспечивается креплением функциональных элементов (1)-(8) на общей платформе (9). Оптическая регистрация отдельных сигналов осуществляется на временных промежутках до 1 мкс. Значения концентраций газов входящих в диапазон зондирования вычисляются из соотношения первого (референтного) и последующих (сигнальных) спектров. Перестройка длины волны излучения лазера (1) позволяет проводить дистанционный контроль концентраций метана, закиси азота и других малых газовых составляющих атмосферы.