WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

УДК 621.391.6

Нгуен Тху Кам

МОБИЛЬНЫЙ ДВУХЧАСТОТНЫЙ NH3 – CO2 ЛИДАР ДЛЯ МОНИТОРИНГА АТМОСФЕРЫ В ДИАПАЗОНЕ 9–13,5 МКМ

Специальность 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные
приборы и комплексы

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Долгопрудный – 2007

Диссертация выполнена на кафедре «Общая физика» ГОУ ВПО «Московский физико-технический институт » (государственный университет).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Васильев Борис Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Бужинский Олег Игоревич,

ТРИНИТИ

кандидат технических наук

Куценко Андрей Варфоломеевич,

ФИАН

Ведущая организация: Центральная аэрологическая обсерватория

ГОСГИДРОМЕТ, г. Долгопрудный

Защита диссертации состоится «7» ноября 2007 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.141.19 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ
им. Н.Э. Баумана.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.19.

Автореферат разослан «____» ____________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н. Е.В. Бурый

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В последнее время, как в России, так и за ее пределами все больше внимания уделяется экологическим проблемам. Одним из направлений этой деятельности является постоянная проверка состояния атмосферы Земли. Основными причинами ухудшающими это состояние являются выбросы промышленными предприятиями в атмосферу вредных веществ, таких как фреоны (фтор–, хлор– углеводороды), разрушающие озоновый слой Земли, образующиеся в результате сжигания мусора диоксины (вещества, вредно действующие на здоровье человека) и ряд других веществ. Оперативное обнаружение источников загрязнения атмосферы на обширной территории представляет собой сложную техническую задачу, которая может быть эффективно решена только с помощью мобильных устройств дистанционного контроля химического состава атмосферы. Появление лазеров позволило создать такие устройства наземного, воздушного и космического базирования.

Сразу же с момента создания лазеров начались исследования в области их применения для мониторинга атмосферы. К настоящему времени известно большое число лазерных систем, так называемых лидаров, в основе действия которых лежат различные механизмы взаимодействия лазерного излучения с газовой средой. Решать проблему мониторинга атмосферы наиболее эффективно позволяют лидары, основанные на принципе двухчастотной абсорбционной спектроскопии. Метод двухчастотной абсорбционной спектроскопии предполагает измерение ослабления в атмосфере лазерного излучения с двумя длинами волн. Одна из длин волн – перестраиваемая – должна совпадать с линией поглощения молекулы примеси (сигнальный луч). Излучение с другой неизменяемой длиной волны, отстроенной от линии поглощения молекул (опорный луч), позволяет учесть влияние рассеяния излучения в атмосфере. Измеренное дифференциальное поглощение излучения несет информацию о концентрации контролируемой примеси в атмосфере. Полученные с помощью компьютерной системы регистрации спектральные зависимости поглощения примеси сравниваются со «спектральными портретами» молекул, хранящимися в памяти компьютера, и таким образом определяется характер и концентрация примеси.

Наиболее важным спектральным диапазоном для лазерного мониторинга атмосферы является средний инфракрасный диапазон поскольку в этом диапазоне лежит «окна прозрачности» 8–14 мкм а также в это диапазон попадают излучение и СО2–лазера (9–11 мкм), и NH3 лазера (11–13,3 мкм), которые могут использоваться в качестве источника лазерного излучения лидаров.

Таким образом, разработка мобильных (размещаемых в салоне грузопассажирского автомобиля) двухчастотных лидарных систем в широком спектральном диапазоне 9–13,5 мкм, в котором сосредоточены спектры поглощения многих экологически вредных веществ, является весьма актуальной задачей.

Цели и задачи работы.

Целью настоящей работы является разработка конструкции, расчет оптических элементов и создание основных узлов мобильного двухчастотного NH3–СО2 лидара в спектральной области 9–13,5 мкм, размещаемого в салоне грузопассажирского автомобиля

Для достижения сформулированной цели ставятся следующие основные задачи:

  1. На основе CO2 лазера и NH3 лазера создается эффективная и компактная конфигурация мобильного двухчастотного лидара
  2. Создан импульсный высоковольтный источника для питания электроразрядного CO2 лазера, питающегося от бортовой сети автомобиля
  3. Исследование оптической схемы излучателя мобильного NH3 - CO2 лидара, обеспечивающей плавную и стабильную перестройку в спектральной области 9-13,5 мкм.
  4. Расчет приемной оптики, имеющей высокое разрешение и высокое качественное изображение

Научная новизна.

В диссертации впервые:

  1. Разработана и опробована схема импульсного высоковольтного источника питания электроразрядного CO2 лазера, питающегося от бортовой сети автомобиля.
  2. Предложена и исследована оптическая схема излучателя мобильного NH3–CO2 лидара, перестраиваемого в спектральной области 9–13,5 мкм, в которой имеются только два подвижных элемента, осуществляющие перестройку измерительной частоты лазеров. Изменение частоты опорного излучения производится за счет введения клиновидной просветленной пластинки из Ge. Такая схема делает излучатель более надежным при работе в полевых условиях.
  3. Разработана и рассчитана трехканальная система приемного тракта, состоящая из приемного телескопа Кассегрена и трех фотоприемников, два из которых настроены на определенную длину волны, а третий работает во всем диапазоне 9–13,5 мкм. Эта система позволяет упростить обработку полученных результатов во всем спектральном диапазоне работы лидара.
  4. Теоретически рассмотрены пути увеличения длительности NH3 лазерного излучения лидара до ~ 1мс при возбуждении аммиака излучением непрерывного СО2 лазера при подстройке линии поглощения NH3 под линию излучения СО2 лазера с помощью эффекта Зеемана. Показано, что для достижения этой цели необходимо магнитное поле индукцией ~ 1 Тл.

Основные положение, выносимые на защиту.

  1. Сочетание NH3 и CO2 лазеров позволяет создать мобильный двухчастотный лидар для мониторинга атмосферы в спектральном диапазоне 9–13,5 мкм, размещенный на автомобильном шасси, причем все энергопотребляющие компоненты лидара питаются от бортовой электросети автомобиля.
  2. Специально разработанные электрические схемы высоковольтного импульсного источника питания СО2 лазера, подключенного к бортовой сети автомобиля, обеспечивают энергетический запас в конденсаторной батарее до 500 Дж при напряжении до 100 кВ и частоте повторения импульсов до 0,1 Гц, что позволяет получить лазерное излучение с энергией в импульсе до 15 Дж.
  3. Предложенная оптическая схема излучателя лидара с минимальным количеством подвижных резонаторных элементов, изменяющих частоту генерации лазеров, обеспечивает более надежную работу комплекса.
  4. Разработанная трехканальная оптическая схема приемного тракта позволяет упростить процесс получения и обработки результатов мобильным двухчастотным NH3–CO2 лидаром.

Практическая ценность.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что в ней доказано, что сочетание импульсного электроразрядного CO2 лазера и NH3 лазера с оптической накачкой излучением CO2 лазера позволяет создать мобильный двухчастотный лидарный комплекс в спектральном диапазоне 9-13,5 мкм, который может размещаться в салоне грузопассажирского автомобиля.

Достоверность результатов определяется тем, что все они получены при использовании современных методов проведения экспериментов и теоретических расчетов: спектрального анализа, импульсной осциллографии, математического анализа, компьютерных методик и др.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на следующих международных и всероссийских конференциях:

  1. XLIX научная конференция МФТИ, 24–25 ноября 2006 года;
  2. XLIII всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики и химии университета Дружбы народов им. Патриса Лумумбы, 23–27 апреля 2007 года.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 2 печатные работы, список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводы, литературы и приложения. Объем диссертации 149 страниц текста, включает 60 рисунков, 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи, научная новизна, практическое значение и также даны основные положение, выдвигаемые на защиту

Во первой главе приведен обзорный характер и состоит из трех раздела. В разделе 1.1 рассмотрены процессы, протекающие при взаимодействии лазерного излучения с веществом и основы метода дистанционного зондирования. В разделе 1.2 анализируется лидарное уравнение для рассеяния и определения концентрации поглощающей микрокомпоненты. В разделе 1.3 изложены принцип работы лидаров дифференциального поглощения и рассеяния и также их применения

Во второй главе приведены особенности построения основных компонентов мобильного двухчастотного NH3-CO2 лидара. Эта глава состоит из шести разделов. В разделе 2.1 приведены состав и принцип работы лидара. Как правило, основными элементами мобильного двухчастотного лидара (рис. 1) являются источник двухчастотного лазерного излучения с оптической системой формирования выходного пучка, приемная оптика со спектроанализатором и фотодетекторами, система управления и обработки информации, система наведения устройства на исследуемый объект.

Лазерный пучок определенного спектрального состава направляется на объект исследования. В результате резонансного поглощения лазерного излучения молекулами исследуемого вещества спектральный состав излучения меняется. Эти изменения регистрируются приемным устройством, и с помощью компьютерных технологий путем сопоставления полученных результатов со "спектральными портретами" молекул, хранящимися в памяти компьютера, определяется состав и концентрации обнаруженных веществ.

В разделе 2.2 на основе сочетания CO2 и NH3 лазеров создан излучатель мобильного двухчастотного лидара. В нашей работе использовался импульсный ТЕА СО2–лазер с источником ультрафиолетовой предионизации, который располагался под сетчатым катодом. Активной средой этого лазера являлась смесь углекислого газа, азота и гелия в соотношении 1:1:8 при давлении 0,8 атм. Максимальная энергия излучения лазера достигала 15 Дж. Перестройка частоты генерации осуществлялась дифракционной решеткой (100 штрих/ мм и угол между нормалью к решетке и нормалью к плоскости штриха 300). Поперечное сечение пучка составляло 20 см2. На рис. 2 и рис. 3 приведены его временные и спектральные характеристики

Поскольку лидара построен на автомобильном шасси поэтому для питания ТЕАСО2 лазера необходимо разработать источники питания, питающиеся от внутренней аккумуляторной батареи. Такой источник состоит из двух частей – генератора импульсов напряжения (ГИН) и источника постоянного напряжения (ИПН). На рис. 4 показана схема генератора импульсов напряжения (ГИН), жирными линиями обозначены малоиндуктивные соединения, выполненные в виде металлических шин, обеспечивающих длительность разряда в CO2 кювете ~ 5 мкс.

Для питания ГИНа необходимо ИПН напряжением до 50 кВ. Обычная трансформаторная схема ИПН с питанием от сети 220 В и преобразователем 12/220 представляется неудачной, поскольку она как правило обладает значительной массой, большими размерами и низким КПД. В разработанном нами ИПН в качестве повышающего трансформатора используются две катушки зажигания (КЗ) от автомобиля ВАЗ2108, включенные навстречу друг другу (рис. 5). Коммутатором катушек является транзистор КТ 8231 А1, управляемый генератором импульсов на базе микросхемы КР1006 ВИ1. Как показали наши эксперименты, оптимальная частота управляющего генератора 200Гц. Для увеличения мощности ИПН выходной каскад задублирован. В ИПН регулировка и стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью схемы сравнения части выходного напряжения с определенным изменяемым напряжением на основе микросхемы MAX 903. Питание ИПН осуществляется внутренним необслуживаемым свинцовым аккумулятором 12 В типа CA1270 (12 В, 7 Ач) фирмы Сhee yuen industrial co., ltd.

Рис. 4. Принципиальная схема генератора импульсов напряжения (ГИН).

Рис. 5. Принципиальная схема источника постоянного напряжения

В этом разделе также выполнено рассмотрение различных схем разработанного мощного NH3 лазера с резонансной оптической накачкой, присущих к настоящему времени в мире, на основе анализа их достоинства и недостатка выбрана подходящая схема для создания излучателя лидара. На рис. 6 приведена форма импульса генерации NH3 лазера при давлении 2,5 мм.рт.ст и энергии накачки 3,5 Дж а на рис. 7 показан его спектр излучения.

Для увеличения дальности действия лидара используется формирователь, являющийся обращенной телескопической системой или Кеплера, или Галилея. Использование формирователя позволяет при оптимальной атмосфере увеличить дальнодействие прибора до 8 км при энергиях излучателя ~ 1 Дж.

Рис. 8. Блок управления

В разделе 2.3 на основе рассмотрения различных оптических элементов создана приемная часть, состоящая из трех канала, два из которых используются для выделения опорных частот и третий канал для выделения остального излучения в диапазоне 9-13,5 мкм.

В разделе 2.4 описана система управления и обработки информации. Функции этой системы следующие (рис. 8):

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»