СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИДАРНЫХ СИСТЕМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ
ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ 15
1.1. Общие требования к лазерным источникам для мобильных
лидарных систем. 15
1.2 Применение электроразрядных эксимсрных лазеров при
зондировании прозрачных сред 17
1.2.1. Основные особенности эксимерных лазеров 17
1.2.2. Функции электроразрядных эксимерных лазеров в лидарных
системах различных типов 18
1.3. Лидары с фиксированной рабочей длиной волны 19
1.3.1. Лидары для измерений аэрозолей 19
1.3.2. Лидары для измерений влажности на основе СКР-метода 20
1.3.3. Океанические лидарные системы (ОЬБ) для измерений
в приповерхностном слое воды 21
1.3.4 Лидары для изучения водного слоя методом обратного рассеяния 25
1 4. Лидары с плавной перестройкой рабочей длины волны 25
1.4.1. ОЬ8-лидары для измерений нефтяных пленок и фитопланктона
методом «спектральных образов» 25
1.4.2. Флуоресцентные лидары для измерений атомов (ионов) в
верхней атмосфере 26
1.5. Лидары использующие метод дифференциального поглощения
(131АЬ) 30
1.5.1. Лидары для зондирования атмосферного озона 32
1.5.2. Лидары для измерений параметров атмосферных газов 36
1.5.3. Лидары для зондирования газообразных примесей в атмосфере 40
ГЛАВА 2. ЛАЗЕРНАЯ АППАРАТУРА МОБИЛЬНОЙ
ЛИДАРНОЙ СИСТЕМЫ (МЛС) 42
2
2.1. Элсктроразрядный ХеС1-лазер 43
2.1.1. Базовая модель лазера 44
2.1.2. Модификация резонатора 48
2.1.3. Оптимизация режимов разряда эксимерного лазера. 49
2.1.4. Подготовка разрядной камеры и ресурсные испытания 52
2.2. Узкополосный лазер на красителях 54
2.3 Блок удвоения частоты 56
ГЛАВА 3. БАЗА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ВЫБОРА
ПАРАМЕТРОВ ЛИДАРА 58
3.1. Цель разработки 58
3.2. Лидарное уравнение 58
3.3. Выбор основных атмосферных загрязнителей для мониторинга с
помощью МЛС 60
3.4. Предельно-допустимые концентрации веществ-загрязнителей в
атмосфере. Сечения рассеяния и поглощения для зондирующего излучения 61
3.5. Модель «чистой» атмосферы 70
3.6. Выбор основных технических характеристик узлов и элементов
лидарной системы 71
3.7. Алгоритмы оценки сигналов и соотношений сигнал/шум 73
3.8. Возможности применения лидарной системы в различных
экологических ситуациях 77
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ МОБИЛЬНОЙ
ЛИДАРНОЙ СИСТЕМЫ 81
4.1. Концепция подхода к разработке мобильной лидарной системы 81
4.2. Компоновка лидарного модуля и его оптическая схема 81
4.3. Основные подсистемы МЛС 85
4.3.1. Телескоп и сканирующее зеркало 85
4.3.2. Свстоприемная аппаратура 89
4.3.3. Подсистема управления, регистрации и сбора данных 90
4.3.4. Транспортное средство 94
3
Г ЛАВА 5. ДИСТАНЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ДИОКСИДА СЕРЫ 96
5.1. «Традиционное» применение лидарного зондирования 802 в
атмосфере 96
5.2. Лидарныс измерения, моделирующие применение МЛС в
чрезвычайных ситуациях 97
5 2.1. Особенности лидарного зондирования при значительных
локальных выбросах диоксида серы 97
5.2.2. Требования к параметрам моделирующего объекта 98
5.2 3 Установка для генерации диоксида серы 99
5.2.4 Результаты модельных измерений концентрации диоксида серы 99
ГЛАВА 6. МОДЕЛЬНЫЕ ДИСТАНЦИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
АТОМАРНОЙ РТУТИ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ 108
6.1. Возможные аварийные ситуации приводящие к выбросу паров
ртути в атмосферу 108
6 2. Установка для генерации ртутных паров и схема экспериментов 109
6.3. Результаты дистанционного измерения содержания атомарной
ртути в атмосфере 110
ГЛАВА 7. РАСШИРЕНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
ЛИДАРНОГО МОДУЛЯ. АНАЛИЗ И РЕКОМЕНДАЦИИ 114
7.1. Рассматриваемые схемы применения мобильного лидарного модуля (МЛМ) на основе эксимерного лазера в лидарных
системах для научных и экологических исследований 114
7.2. Применение оптического тракта МЛМ для измерений
фоновой солнечной радиации в УФ-области спектра 120
7.2.1. Актуальность проведения измерений яркости неба в УФ-области спектра 120
7.2.2, Схема измерений фонового свечения неба 121
7.2 3. Результаты измерений 122
7.2.4. Выводы и рекомендации 127
4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
Одной из наиболее важных современных проблем в мире является быстрое ухудшение экологических условий. Поэтому проблема мониторироваиия газообразных загрязнений в атмосфере представляется особо актуальной задачей. Для Российской Федерации и других стран СНГ деятельность в этой области обусловлена значительным содержанием загрязнений в атмосфере над промышленными и городскими районами, а также высокой вероятностью промышленных аварий, сопровождающихся выбросами токсичных веществ.
Эффективными, но сравнительно редкими системами оперативного контроля окружающей среды, служат лидарные системы Лазерная аппаратура является определяющей частью любой лидарной системы Эта аппаратура определяет круг решаемых задач и должна удовлетворять набору требований предъявляемых при эксплуат ации в полевых условиях.
Одним из наиболее значительных достижений современной электрофизики явилось создание электроразрядных эксимерных лазеров. Эксимерные лазеры, для которых рабочей средой служат галогениды инертных газов, были созданы в 1975г, в том же году была получена генерация в электроразрядных KjtF - лазерах [1-4] Затем в публикациях 1977 года были описаны импульсно-периодические лазеры с частотами повторения 100 Гц и 200 Гц [5,6], но при низких средних мощностях излучения. Современные электроразрядные эксимерные лазеры обладающие высокой импульсной мощностью и частотой повторения широко применяются при создании лидарных систем как в качестве самостоятельных источников зондирующего излучения, так и для оптической накачки лазеров на красителях. В ряде случаев, таких как изучение озонового слоя, эксимерные лазеры являются практически единственным источником зондирующего излучения. Эксимерные лазеры накачки обеспечивают возможность получать плавно перестраиваемое в широком спектральном диапазоне излучение при импульснопериодическом режиме работы. Поэтому одним из наиболее эффективных способов использования эксимерного лазера является его применение в лидарах дифференциального поглощения (DIAL - Differential Absorption Lidar) предназначенных для мониторинга техногенных газообразных примесей. Однако, такие системы являются технически сложными и дорогостоящими - цена
6
зарубежных лидарных систем колеблется от 1млн. до 1.5млн долларов США. Оптимизация электрофизических характеристик эксимерных лазеров и создание на их основе мобильных DIAL-систем с использованием отечественных (в том числе космических) технологий является актуальной проблемой Гак, в 1988 году впервые в мире в ИАЭ им. И.В.Курчатова совместно с КБ “Салют” и СКБ All Эстонии был создан элсктроразрядный эксимерный лазер для космических исследований [7].
В настоящее время в Российской Федерации, несмотря на ухудшающуюся экологическую обстановку и высокую вероятность промышленных аварий, не хватает средств дистанционного оперативного контроля окружающей среды. Поэтому создание мобильных лидарных систем для контроля окружающей среды является актуальной задачей на современном этапе. При этом, использование эксимерного электроразрядного лазера в качестве основного лазера накачки, значительно расширяют возможности лидарной системы. В настоящей работе основной функцией созданной мобильной лидарной системы является её широкое применение для мониторирования газообразных токсических продуктов в атмосфере над промышленными и городскими зонами. Также важной особенностью является применение разработанной лидарной системы в условиях чрезвычайных ситуаций. Другой составляющей является возможность модифицировать созданную DIAL-систему в специализированную аппаратуру для эколог ических и научных измерений
Как правило, существующие мобильные лидары представляют собой «передвижные лаборатории», то есть размещение аппаратуры лабораторного типа внутри автофургона, являющегося неотъемлемой частью лидара. Такая конфигурация лидаров накладывает ряд ограничений на их применение, а также на возможность их модификации для решения других задач.
Новым подходом в данной работе явилось создание автономного лидариого модуля на основе компактного электроразрядного эксимерного лазера [8J. Модуль включает в себя источник зондирующего излучения, оптическую систему с устройством сканирования и светоприемную аппаратуру. Модуль создан как автономная система в составе лидара, смонтированная на жесткой ферме в виде моноблока, который может быть доставлен к месту измерений различными транспортными средствами. При этом применялись отдельные узлы и
7
элементы, которые были первоначально спроектированы для работы в жестких условиях эксплуатации в космосе и прошли испытания в соответствии с требованиями национальных космических стандартов. Гибкость лидарной конфигурации, основанная на использовании автономного лидарного модуля, дает возможность трансформировать ее в специализированную систему, например, для геофизических и научных исследований. Автономный лидарный модуль входящий в состав 01АЬ-лидара делает особенно актуальным сё применение при пожарах, промышленных авариях и т.д. [9], что было продемонстрировано на примере ртути и диоксида серы в модельных экспериментах. Благодаря гибкости конфигурации лидарной системы и набору её характеристик, она может найти применение для различных экологических и научных исследований не только в РФ, но также и в других странах.
Целью работы являлась разработка концепции ШАГ-лидара на основе электроразрядного эксимерного лазера, позволившая создать комиакгную мобильную систему, способную проводить мониторинг газообразных атмосферных примесей не только в нормальных условиях, но и в чрезвычайных ситуациях. При этом конструкция и составные части системы должны обеспечивать возможность трансформировать лидар в аппаратуру для различных экологических и научных исследований. Также целью работы было проведение модельных экспериментов (на примере ртути и диоксида серы) демонстрирующих перспективность использования созданной лидарой системы в условиях промышленных аварий и пожаров, сопровождающихся выбросами токсичных веществ в атмосферу.
Диссертация состоит из семи глав.
ХдавдД является обзором современных лидарных систем, применяемых для мониторинга окружающей среды и в научных исследованиях таких как физика атмосферы, вулканология, океанография и т.д. Рассмотрена роль электроразрядных эксимерных лазеров в лидарных системах различного типа. Классификация лидарных систем дана в соответствии с типом используемой диагностической методики, применяемой лазерной аппаратуры и объекта исследований.
Проведен анализ общих требований, которым должен удовлетворять источник зондирующего излучения, предназначенный для использования в мобильных лидарных системах в полевых условиях.
8
Рассмотрен набор характеристик современных электроразрядных эксимерных лазеров позволяющих широко использовать эти лазеры при диагностике различных прозрачных сред таких как газы, плазма, жидкости. Показано что эксимерные лазеры обладают рядом свойств, делающих их особо удобными при использовании в лидарных системах для дистанционного зондирования атмосферы и приповерхностного слоя морской воды.
Рассматриваются также лидары с фиксированной рабочей длиной волны (твердотельные лазеры и эксимерные лазеры) и лидары с плавной перестройкой рабочей длины волны. Все рассматриваемые лидары с плавной перестройкой рабочей длины волны являются флуоресцентными лидарами со следующей конфигурацией: эксимерный лазер накачки - лазер на красителях.
Рассматриваются лидарные измерения, при которых используегся методика дифференциального поглощения. Используется одновременное или попеременное зондирование на двух близких длинах волн. Одна из них (л^) - настроена на линию (полосу) поглощения, опорная (“reference”) длина волны A.OJr расположена в участке спектра, где отсутствует пог лощение исследуемым веществом. В лидарах для зондирования стратосферного и тропосферного озона в качестве Хоп используют УФ-излучение электроразрядного эксимерного лазера, а для генерации излучения на X0fr применяют вынужденное комбинационное рассеяние на газовой кювете. Представленные в обзоре материалы показывают, что электроразрядные эксимерные лазеры широко применяются в лидарных системах как в качестве непосредственного источника зондирующего излучения, так и для оптической накачки устройств перестраиваемых по длинам волн.
Глава 2 содержит описание лазерной аппаратуры, входящей в состав мобильной лидарной системы. Основным лазерным устройством является электроразрядный ХеСІ-лазер (A,l * 308 нм). За базовую модель был принят эксимерный лазер прототипом которого являлся элетроразрядный эксимерный лазер «Сезон» созданный для космического лидара. В конструкцию базовой модели был внесен ряд изменений с целью увеличения энергии излучения, оптимизации частоты повторения лазерных импульсов, длительности и формы импульса, ресурса газовой смеси. Дано описание узкополосного лазера на красителях и блока удвоения частоты на нелинейных кристаллах ВВО.
9
Приведено описание конструкции базовой модели эксимерного лазера. Даны результаты стендовых исследований проведенных с целью оптимизации параметров лазерного излучения путем выбора методики подготовки разрядной камеры, режима газового разряда, формы импульса и различных типов зеркал резонатора, специально изготовленных для этого лидара. Рассматривается конструкция узкополосного, плавно перестраиваемого по длинам волн лазера на красителях. С целью использования техники DIAL была применена
дифракционная решётка состоящая из двух отдельных частей, настроенных на и A.0ff соответственно.
Дано краткое описание блока удвоения частоты излучения. Поскольку зондирование ряда распространённых токсичных примесей в атмосфере, например NO, Hg и т. п. производится в спектральном диапазоне 200 < X < 300 нм, использована генерация второй гармоники в нелинейных кристаллах ВВО.
Выходная энергия моноимпульса зондирующего излучения для рабочих длин волн составляла 2.5-3.0 мДж при спектральной ширине линии равной — 2 пм.
Глава 3 содержит описание базы исходных данных которые были
использованы для выбора конфигурации (в соответствии с разработанной концепцией лидара) и основных технических характеристик MJIC. Требование к предельной чувствительности системы формулировалось в следующем виде. При зондировании на расстояниях не менее R=1 км, разрешении AR2-10 м и нормальном состоянии атмосферы содержание загрязнителя равное отечественным нормам ПДК (предельно допустимая концентрация) должно быть зарегистрировано при соотношении сигнал/шум не менее единицы. В качестве основных объектов исследования в ходе полевых испытаний МЛС были выбраны такие
высокотоксичные загрязнители как атомарная ртуть и диоксид серы.
Одновременно, зондирование этих веществ является одним из наиболее сложных в техническом отношении случаев применения методики DIAL, так как рабочие длины волн лежат в УФ -области спектра вблизи Х25А нм для ртути и АЗ00 нм для диоксида серы. При этом требуется высокая стабильность длины волны и узкополосность (ДХь » 1*2 пм в случае зондирования ртути). Для вычисления сигналов, регистрируемых фотодетектором числа фотоэлектронов Npc использовано лидарное уравнение для моностатической схемы измерений и
10
короткого (Д1ь< 2ДЯ/с) зондирующего импульса. Для энергии импульса эксимерного лазера накачки в расчётах было использовано среднее значение (Есхс-200мДж) из диапазона энергий аналогичных ХеС1 - лазеров. Для эффективности преобразования этого излучения в лазере на красителях взято типичное значение, равное -10%, а для эффективности удвоения в нелинейном кристалле ВВО - 17%. Поскольку планировалось применение разрабатываемой) модуля в различных лидарных системах, то в качестве фотодетектора был выбран ФЭУ, чувствительный в широком спектральном диапазоне (кварцевое окно, мульгищелочной фотокатод со спектральной характеристикой С-8). Показано, что хотя некоторые технические характеристики отличаются от расчётных, однако, их комбинация, определяющая чувствительность регистрации загрязнителей, имеет практически то же самое значение.
Г лава 4 посвящена описанию конструкции лидарной системы. Эта глава содержит описание основных подсистем МЛС, их компоновку и особенности эксплуатации аппаратуры.
Приведена оптическая схема лидара. Изложена концепция разработки рассматриваемой МЛС. Типичный подход к созданию МЛС, заключается в использовании идеи “передвижной лаборатории”, то есть в укреплении корпуса автофургона и в размещении внутри него аппаратуры лабораторного типа В настоящей работе применен опыт разработки бортовой аппаратуры для космических исследований и создан автономный лидарный модуль защищённый от атмосферных воздействий, который может быть доставлен к месту проведения измерений различными транспортными средствами.
Описана компоновка основных узлов; главная особенность конструкции заключается в том, что лазерная аппаратура, оптические элементы, фото детекторы и узлы управления поворотом сканирующего зеркала объединены в отдельный блок (“мобильный лидарный модуль” МЛМ) несущей конструкцией которого является жесткая ферма. Ферма обеспечивает стабильность союстировки оптических узлов и элементов и позволяет проводить такелажные работы, а также закрепление на транспортном средстве. Модуль может быть использован в составе МЛС, либо доставлен к месту измерения различными транспортными средствами. Вес модуля составляет ~650 кг.
11
- Київ+380960830922