СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОЗРАЧНОСТИ, КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТ РАССЕИВАЮЩИХ СРЕД НА ДВУХВОЛНОВОМ ЛАЗЕРЕ
METHOD OF MEASURING TRANSPARENCY, CONCENTRATION OF GASEOUS COMPONENTS OF SCATTERING MEDIA ON TWO-WAVE LASER

Изобретение относится к области контроля загрязнений окружающей среды и может использоваться для измерения прозрачности и компонентного состава (концентрации газовых компонент) рассеивающих сред (атмосферы, дымности выбросов автомобилей, труб промышленных предприятий и т.п.).
Известен измеритель прозрачности атмосферы [1], содержащий два лазера, два приемника излучения, вычислительный блок. Однако эта система не позволяет измерять дымность выбросов автомобилей, концентрацию выбросов из труб промышленных предприятий и т.п. из-за того, что невозможно зарегистрировать сигналы обратного рассеяния из рядом расположенных точек.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ измерения прозрачности рассеивающей среды [2], заключающийся в посылке через исследуемый участок газовой струи навстречу друг другу пучков зондирующего излучения и приеме под углом 90° к направлению зондирования рассеянного излучения. По значению интенсивности излучения определяется прозрачность или дымность участка струи. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений, обусловленная не точным совмещением пучков зондирующего излучения, флуктуациями разностной частоты излучений и не точным знанием длины контролируемого участка среды.
Задача изобретения - повышение точности измерения коэффициента ослабления и расширение функциональных возможностей измерителя. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности одновременно измерять концентрацию газовых компонент в среде, а также в процессе измерений определять длину контролируемого участка среды и учитывать ее значение при расчете прозрачности.
Поставленная задача решается путем того, что в способе измерения прозрачности, концентрации газовых компонент рассеивающих сред на двухволновом лазере [2], заключающемся в посылке через исследуемый участок газовой струи навстречу друг другу пучков зондирующего излучения и приеме от двух граничных точек участка среды под углом 90° к направлению зондирования рассеянного излучения, по значению интенсивности которого определяется прозрачность участка среды, в качестве источника излучения используют двухволновой лазер и осуществляют режим оптоэлектронной рециркуляции последовательно относительно первой и второй граничных точек; длину контролируемой трассы ΔR определяют по разности частот рециркуляции из выражения
1
2
где f, f - частоты рециркуляции относительно первой и второй граничных точек, соответственно, а коэффициент ослабления участка среды определяют из выражения
λ2
0
1
λ2
3
1
λ2
0
2
λ2
3
2
1
2
2
где S(R,R), S(R,R), S(R,R), S(R,R) - интенсивности рассеянного излучения в первой (R) и второй (R) граничных точках на длине волны λ при прямом и обратном походе, соответственно; при этом искомую концентрацию газа определяют из выражения
1
2
λ1
0
1
λ1
3
1
λ1
0
2
λ1
3
2
1
где ΔK - дифференциальный коэффициент поглощения на длинах волн λ и λ, S(R,R), S(R,R), S(R,R), S(R,R) - интенсивности рассеянного излучения в первой и второй граничных точках на длине волны λ при прямом и обратном походе, соответственно.
1
2
Свойства, появляющиеся у заявляемого объекта, это повышение точности измерения коэффициента ослабления, обусловленное тем, что обеспечивается измерение длины контролируемого участка среды и учет ее значения при расчете прозрачности. Так как два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области лазера, обеспечивается совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений. Так как длины волн λ и λ, незначительно различаются, то в отсутствие контролируемой газовой компоненты усреднение полученных результатов обеспечивает повышение точности измерения коэффициента ослабления в  раз по сравнению с прототипом. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности одновременно с измерением коэффициента ослабления измерять концентрацию газовых компонент в контролируемой среде.
Сущность способа поясняется с помощью чертежа, на котором представлена функциональная схема измерителя прозрачности рассеивающей среды на двухволновом лазере. Система содержит: двухволновой лазер 1, блок питания лазера 2, зеркало 3, первый приемник излучения 4, второй приемник излучения 5, блок процессора 6, блок рециркуляции 7.
1
2
1
2
1
2
В качестве источника излучения используется двухволновой полупроводниковый лазерный диод с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой, обеспечивающей генерацию на двух различных оптических длинах волн [3]. Переключение длины волны излучения в импульсе с λ на λ происходит при скачкообразном изменении амплитуды тока накачки в импульсе с I на I. Длительность электрических импульсов и, соответственно, импульсов излучаемого света на разных длинах волн может быть сделана достаточно малой, менее единицы наносекунд. Разность длин волн генерации Δλ=λ-λ достигает значений 10-90 нм. Если использовать терморегулятор и стабилизировать амплитуду тока инжекции, то достигается высокая стабильность разности длин волн генерации.
1
1
λ1
0
1
2
λ1
0
2
λ1
3
1
λ1
3
2
1
1
2
Измеритель работает следующим образом. Через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны λ. Излучение, рассеянное в первой граничной точке R контролируемого участка среды под углом φ, величина которого S(R, R), регистрируется приемником 4 и поступает в процессор 6. Излучение, рассеянное во второй граничной точке R участка среды под углом φ, величина которого S(R, R), регистрируется приемником 5 и поступает в процессор 6. Затем зондирующее излучение отражается от зеркала 3 и осуществляет обратный проход через исследуемую среду. На приемниках 4 и 5 регистрируются значения сигналов S(R,R) и S(R,R), которые записываются в память процессора. На приемники 4 и 5 рассеянное излучение из-за разных длин трасс будет поступать в разные моменты времени, поэтому система цифровой обработки процессора позволяет эффективно разрешить и идентифицировать эти сигналы. Для величин сигналов при прямом проходе среды на длине волны λ, рассеянных под углом φ к направлению посылки в точках R и R можно записать следующие выражения:
λ1
0
1
1
1
φ
1
λ1
0
1
λ1
1
4
S(R,R)=APσ(R)T(R,R)T(R,R),
λ1
0
2
2
1
φ
2
λ1
0
1
λ1
1
2
λ1
2
5
S(R,R)=APσ(R)T(R,R)T(R,R)T(R,R),
1
2
1
1
φ
4
5
0
3
1
2
λ1
i
j
λ1
i
j
j
i
i
j
1
где A, А - аппаратурные константы приемников 4 и 5, соответственно; Р - мощность излучения на длине волны λ при прямом проходе, σ - коэффициент рассеяния под углом φ, R, R - координаты местонахождения приемников 4 и 5, соответственно; R, R - координаты местонахождения соответственно лазера 1 и зеркала 3; R, R - координаты рассеивающих точек; T(R,R)=exp{-ε(R,R)·(R-R)} - прозрачности участков [R,R), i, j=0…5 на длине волны λ.
1
1
2
При обратном проходе среды излучением на длине волны λ, отраженным от зеркала 3, величины сигналов, рассеянных под углом (180°-φ) в точках R и R, имеют вид:
λ1
3
1
1
2
180-φ
1
λ1
2
3
λ1
1
2
λ1
1
4
S(R,R)=APσ(R)T(R,R)T(R,R)T(R,R),
λ1
3
2
2
2
180-φ
2
λ1
2
3
λ1
2
5
S(R,R)=APσ(R)T(R,R)T(R,R),
2
1
где Р - мощность излучения на длине волны λ при обратном проходе.
1
Отношение сигналов, рассеянных в точке R, равно
Последнее можно записать следующим образом:
1
λ1
0
1
λ1
3
1
1
λ1
0
1
2
λ1
2
3
где K=S(R,R)/S(R,R); B=PT(R,R)/PT(R,R);
1
φ
1
180-φ
1
λ1
1
2
λ1
1
2
2
1
C=σ(R)/σ(R); τ(R,R)=ε(R,R)·(R-R).
2
Для сигналов, рассеянных в точке R,
Данное выражение можно записать в следующем виде
2
λ1
0
2
λ1
3
2
2
φ
2
180-φ
2
где K=S(R,R)/S(R,R); C=σ(R)/σ(R).
λ1
Решение системы линейных уравнений (1) и (2) относительно τ равно:
φ
В неоднородных рассеивающих средах для исключения влияния индикатрисы рассеяния σ, как следует из (3), необходимо регистрировать рассеяние под одним и тем же углом в каждой из рассеивающих точек, т.е. под углом π/2. В этом случае выражение (3) принимает вид
Из выражения (4) легко перейти к коэффициенту ослабления:
2
1
λ2
0
1
λ2
3
1
2
λ2
0
2
λ2
3
2
Затем через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны λ. Как и в предыдущих измерениях, при прямом и обратном прохождении т. R, рассеянные излучения величиной S(R,R) и S(R,R) записываются в процессор, а при прохождении т. R рассеянные излучения S(R,R) и S(R,R) также записываются в процессор.
2
Аналогично приведенным выше выкладкам, получаем коэффициент ослабления на длине волны λ:
1
2
Так как длины волн λ и λ различаются незначительно, то вычисление среднего значения коэффициента ослабления в соответствии с выражением
2
1
где ΔP=R-R - длина контролируемой трассы, обеспечит повышение точности измерений в  раз по сравнению с прототипом.
1
λ1
0
1
1
1
1
1
Одновременно с измерением интенсивности рассеянного излучения в системе осуществляется режим оптоэлектронной рециркуляции последовательно относительно первой и второй граничных точек. Это осуществляется следующим образом. Через исследуемую среду лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны λ. Зарегистрировав сигнал S(R, R), рассеянный первой граничной точкой R процессор запускает блок рециркуляции 7, который через блок питания 2 запускает лазер на длине волны λ. Таким образом, в результате замыкания петли оптической обратной связи в системе устанавливается процесс рециркуляции, период τ которой определяется оптической задержкой излучения на дистанции при постоянной электрической задержке в блоке рециркуляции. Период (частота f) рециркуляции относительно первой граничной точки R будет определяться следующим образом
opt1
1
1
0
1
1
4
e
e
где, t=L/c - время задержки излучения на трассе, L - длина трассы, состоящая из участка R…R и участка R…R, c - скорость света в воздухе, t - время электрической задержки. Время электрической задержки t блоке рециркуляции выбирается таким образом, чтобы оно было больше суммарной задержки излучения на всей трассе. Следовательно, все импульсы рассеянного излучения при прямом и обратном проходе трассы будут зарегистрированы приемниками 4, 5, и только после этого лазер посылает на трассу очередной оптический импульс.
λ1
0
2
2
2
2
2
Затем процессор, зарегистрировав сигнал S(R, R), рассеянный второй граничной точкой R, запускает режим рециркуляции относительно точки R. Период (частота f) рециркуляции относительно второй граничной точки R будет определяться следующим образом
opt2
2
2
0
1
1
2
2
5
где, t=L/c - время задержки излучения на трассе, L - длина трассы, состоящая из участка R…R, участка R…R и участка R…R. Из выражений (8, 9) можно найти длину контролируемой трассы ΔR по разности частот рециркуляции
1
2
где f, f - частоты рециркуляции относительно первой и второй граничных точек, соответственно. Полученное значение длины контролируемой трассы ΔR учитывается в (5-7) при расчете оптических характеристик. Если в процессе измерений возникает необходимость изменить границы контролируемого участка среды, то система будет автоматически учитывать изменение длины контролируемой трассы, что значительно расширяет функциональные возможности измерителя.
λ1
1
2
λ2
1
2
1
2
1
2
Если разность измеренных коэффициентов ε(R,R) и ε(R,R) имеет большое значение, то наблюдается зависимость коэффициента ослабления от длины волны, что можно использовать для измерения концентрации газа. Ширина спектральных линий поглощения различных газов составляет величину в доли и единицы нанометров, поэтому для контроля любого газа имеется возможность выбрать длины волн генерации лазера таким образом, чтобы одна длина волны находилась в центре полосы поглощения контролируемого газа, а другая вне полосы поглощения. Для измерения концентрации газа, длины волн генерации двухволнового лазера выбираются таким образом, чтобы длина волны λ находилась в центре полосы поглощения контролируемого газа, а длина волны λ вне полосы поглощения газа. Представим коэффициенты ослабления ε(λ) на длинах волн λ и λ в виде
1
1
2
2
х
1
2
1
2
где K(λ) - коэффициент поглощения исследуемой газовой компоненты на длине волны λ, K(λ) - коэффициент поглощения исследуемой газовой компоненты на длине волны λ, С - концентрация исследуемой газовой компоненты, β(λ), β(λ) - суммарные коэффициенты поглощения и рассеяния на λ, λ всеми другими компонентами, присутствующими в среде.
х
Решение системы уравнений (5, 6) с учетом выражений (11) относительно С будет иметь вид
1
2
Так как длины волн генерации двухволнового лазера выбираются близкими по значению λ≈λ с разницей в единицы нанометров, то , следовательно, искомая концентрация газа будет равна
1
2
где ΔK=K(λ)-K(λ) - дифференциальный коэффициент поглощения, ΔR - длина контролируемой трассы.
х
Как видно из (5-7, 12), выражения для оптических характеристик (τ, ε) и концентрации газа С не содержат ни аппаратурных констант, ни энергий посылаемого излучения, ни параметров, отражающих влияние окружающей среды. Это означает, что отсутствует необходимость калибровки измерительной системы и установки аппаратурных константы ввиду их отсутствия в алгоритмах, которые получены без использования каких-либо допущений или пренебрежений этими константами. Устойчивость системы к изменениям аппаратурных констант означает и устойчивость к загрязнению оптики.
Так как два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области лазера, то обеспечивается совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений, что также дает повышение точности измерения коэффициента ослабления по сравнению с прототипом. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности одновременно с измерением прозрачности измерять концентрацию газовых компонент в контролируемой среде, а также определять длину контролируемого участка среды и учитывать ее значение при расчете прозрачности.
Таким образом, в результате использования в измерителе в качестве источника излучения двухволнового полупроводникового лазера и реализации режима оптоэлектронной рециркуляции достигается повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей системы.
Использованные источники
1. Сергеев Н.М. Измерение прозрачности атмосферы с использованием двухлазеров // Тез. докл. VI Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск, ч.1, 1980. С.123-125.
2. А.с. СССР №1523974, МКИ G01N 21/47. Способ определения прозрачности участка рассеивающей среды / Б.Б.Виленчиц и др. Опубл. 1989 г. Бюл. №43.
3. Патент РБ №1385, МКИ H01S 3/19, Полупроводниковый лазер / А.А.Афоненко, В.К.Кононенко, И.С.Манак. Опубл. 1996.