ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ЛИДАР БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для дистанционного контроля концентраций газовых составляющих атмосферы.
Широкое развитие среди систем дистанционного лазерного газоанализа получили лидары дифференциального поглощения (US 201562233768 P от 28.09.2015 г., CN 201910414302 от 17.05.2019 г.), многоканальные лидары с использованием нескольких приёмо-передающих каналов (US 7411196 B2 от 12.08.2008 г.), микроимпульные системы в волоконном исполнении (US 20170212219A1). Лазерные источники подобных систем должны отвечать жёстким требованиям по стабильности ширины и спектрального положения линий излучения относительно линий поглощения исследуемых газов.
К основным недостаткам систем данного типа относят возникновение ошибок измерений вследствие динамического влияния аэрозолей на поглощение и рассеяние лазерного излучения, влияния мешающего поглощения сторонними газами.
Указанные недостатки можно минимизировать путём использования лазерного излучения с типичной для параметрических генераторов света шириной линии, как, например, в системах (Ayrapetyan V.S., Fomin P.A. Laser detection of explosives based on differential absorption and scattering // Opt. Laser Technol. 2018. V. 106. P. 202–208; Veerabuthiran S., Razdan A.K., Jindal M.K., Sharma R.K., Sagar V. Development of 3.0–3.45 nm OPO laser based range resolved and hard-target differential absorption lidar for sensing of atmospheric methane // Opt. Laser Technol. 2015. V.73. P. 1–5). В системе (Gong Y., Bu L., Yang B., Mustafa F. High Repetition Rate Mid-Infrared Differential Absorption Lidar for Atmospheric Pollution Detection // Sensors. 2020. V.20. Iss. 8. P. 1–12) показана возможность использования в сигнальном и опорном каналах излучения с ширинами линий, отличающимися на несколько порядков.
Основной недостаток этих систем состоит в том, что при использовании излучения перестраиваемых широкополосных параметрических генераторов света задействован только один из двух возможных спектральных диапазонов генерации.
Прототипом заявляемой полезной модели является лидарная система (Садовников С.А., Романовский О.А., Суханов А.Я., Харченко О.В., Яковлев С.В. Многокомпонентный лидарный газоанализатор среднего ИК-диапазона // Патент РФ на полезную модель № 181296), включающая в себя систему параметрической генерации лазерного излучения, коллиматор, систему зеркал, направляющих лазерный пучок в атмосферу, приёмный телескоп, конденсор, спектрограф, матричный фотодетектор, блок накопления и обработки сигналов. Пучок излучения на выходе лазера расширяется коллиматором и, отражаясь от двух глухих зеркал, направляется в атмосферу. Излучение, рассеянное из атмосферы в направлении назад, собирается телескопом и посредством конденсора направляется через спектрограф, который производит разложение излучения в спектр, на матричный фотодетектор для преобразования оптических сигналов в электрические. Электрические сигналы направляются в блок накопления и обработки сигналов.
Прототип относится к многокомпонентным лидарным системам среднего ИК-диапазона и позволяет единовременно анализировать несколько газовых составляющих атмосферы. Устройство предназначено для дистанционного контроля концентраций метана, закиси азота и других малых газовых составляющих атмосферы. Применение в составе прототипа быстродействующего матричного фотодетектора в качестве основного приёмника приводит к необходимости использования лазерных систем с высокой частотой повторения импульсов, вследствие необходимости выполнения условия замороженной атмосферы.
К основным недостаткам прототипа можно отнести использование одного приёмо-передающего спектрального канала, при функционировании которого наблюдается динамическое влияние сильных полос поглощения мешающих газов, способствующее росту ошибок восстановления концентраций целевых газов. При этом используемый в системе лазерный источник обеспечивает генерацию излучения на двух длинах волн ИК-диапазона, излучение которых можно применять совместно для получения и коррекции результатов восстановления профилей концентраций газов.
Технической задачей, решаемой представленной полезной моделью, является снижение ошибок измерений концентраций атмосферных газов за счёт одновременного использования двух каналов параметрического генератора света в различных областях одного спектрального диапазона.
Техническая задача решается посредством использования в приёмной части устройства дополнительного канала регистрации излучения, включающего дихроичное зеркало, спектрограф с матричным фотоприёмным устройством, для получения интегральных значений концентраций атмосферных газов вдоль трассы зондирования с целью коррекции пространственно-разрешенных профилей концентраций газов, восстановленных с применением основного канала регистрации.
Как видно из фиг.1 двухканальный лидар ближнего ИК-диапазона содержит расположенные на общей платформе (13) блок накопления и обработки сигналов (12) и оптически связанные параметрический генератор света, перестраиваемый в диапазонах λ=1,8..2,1 мкм и λ=2,12..2,50 мкм (далее лазер (1)), зеркальный коллиматор (2), телескоп (3), полевая диафрагма (4), параболическое зеркало (5), дихроичное зеркало (6), оптические фильтры (7), фокусирующие зеркала (8), фотодетектор (9) и спектрограф (10) с матричным фотоприёмным устройством (11).
Принцип работы предлагаемого устройства состоит в следующем. Пучок излучения на выходе лазера (1) расширяется зеркальным коллиматором (2) и направляется в атмосферу. Лазерное излучение, по мере прохождения толщи атмосферы, претерпевает аэрозольное и молекулярное поглощение и рассеяние. Излучение, рассеянное в направлении назад, собирается телескопом (3), проходит через полевую диафрагму (4), отражается от параболического зеркала (5), разделяется дихроичным зеркалом (6) на два канала, проходит через оптические фильтры (7), попадает на фокусирующие зеркала (8), направляется на фотодетектор (9) и через спектрограф (10), который производит разложение излучения в спектр, на матричный фотодетектор (11) для преобразования оптических сигналов в электрические. Электрические сигналы направляются в блок накопления и обработки сигналов (12). Конструктивное единство устройства обеспечивается креплением функциональных элементов (1)-(12) на общей платформе (13). Оптическая регистрация сигналов со спектральных каналов обеспечивает получение пространственно-разрешенных и интегральных значений концентраций атмосферных газов вдоль трассы зондирования. Перестройка длины волны излучения лазера (1) позволяет проводить дистанционный контроль концентраций водяного пара, углекислого газа и других малых газовых составляющих атмосферы.