WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 1998, том 68, № 1 02;07;12 Параметры зондирования молекулярного водорода в атмосфере на наклонных трассах лидаром с YAG : Nd лазером © Г.В. Лактюшкин, В.Е. Привалов, В.Г. Шеманин Балтийский государственный технический университет, 198005 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 16 декабря 1996 г.) Проведено численное решение лидарного уравнения для обратного колебательного рассеяния молекулами водорода излучения неодимового лазера и его гармоник. Исследовались наклонные трассы в атмосфере с целью выбора длины волны изучателя для обнаружения минимальной концентрации водорода.

Излучение YAG : Nd лазера и особенно его второй, Дифференциальное сечение обратного колебательного третьей и четвертой гармоник широко используется в комбинационного рассеяния, следуя [1] и заменяя циклисистемах дистанционного зондирования [1] и позволяет ческую частоту на длину волны, можно определить получить импульсы длительностью 10 ns с энергией по формуле от 1 до 100 ms при частоте следования до 50 Hz.

164b2gj d j Излучение третьей и четвертой гармоник такого лазера = d 4 1 - exp(-hc/kT ) можно использовать для дистанционного зондирования j молекулярного водорода в атмосфере лидаром комбина7 ционного рассеяния [1]. Поэтому представляет интерес a2 + 2, (3) j j 45 численное решение лидарного уравнения для обратного (рассеяния назад) колебательного комбинационного расгде bj — амплитуда нулевых колебаний j-й моды; gj — сеяния молекул H2 для YAG : Nd лазера для наклонных степень ее вырождения; 3aj и j — след и анизотропия трасс в атмосфере с дальностью от 6 km и с высотой тензора производной поляризуемости молекулы по норот 6 km с целью выбора длины волны излучателя лидара мальной координате gj; T — колебательная температура комбинационного рассеяния для обнаружения минимальмолекул; k, h — соответственно постоянные Больцмана но возможной концентрации водорода.

и Планка; c — скорость света.

Лидарное уравнение для обратного комбинационного Оставляя только зависимость от, формулу (3) можрассеяния запишем, как и в [2], в виде но переписать в виде P(, R) =P0(0)KRA2T(0)T () d = A/4, (4) d j d NaiR-2, (1) d где постоянная A определена по известному значению сечения молекулы H2 для длины волны излучения азотного где P(, R) — мощность сигнала комбинационного раслазера 0 = 337.1 nm, (d/d)j = 8.7 · 10-30 cm3/sr, сеяния на фотоприемнике на длине волны, приходящая приведенному в последней строке табл. 1, и равно с расстояния R; P0(0) —мощность лазера и его длина 1.13065 · 10-17 cm2 · nm4.

волны; K — постоянная лидара; R — шаг по расстоянию; A2 —площадь приемного телескопа; T (0), T() — Таблица 1. Значения дифференциальных сечений, длин волн пропускание атмосферы соответственно на длине волполос комбинационного рассеяния молекул водорода, коэфны лазерного излучения и сигнала обратного комбифициентов ослабления атмосферы, относительной спектральнационного рассеяния; (d/d) — дифференциальное ной чувствительности фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) сечение колебательного комбинационного рассеяния иси спектральной яркости фонового излучения Солнца, рассчиследуемой молекулы; Na —концентрация молекул; R — танные для длин волн второй, третьей и четвертой гармоник расстояние до точки зондирования.

YAG : Nd лазера и длин волн полос комбинационного рассеяния Длины волн полос комбинационного рассеяния иссле- ( = 4161 cm-1) дуемых молекул H2 для различных длин волн лазерного d ·1030, Sb · 103, излучения были рассчитаны по формуле, nm d k, km-1 KR, nmk, km-1 p() cm/sr w/m·sr RH = 1 -, (2) 532 1.40 0.16 683.2 0.145 0.25 7.355 7.07 0.31 416.5 0.21 0.52 12.266 22.41 0.785 299.1 0.45 0.30 6.где — частота собственных колебаний H2, иприведены 337.1 8.7 392.в четвертом столбце табл. 1.

Параметры зондирования молекулярного водорода в атмосфере на наклонных трассах... Таблица 2. Результаты расчетов мощности обратного комби- ны в третьем и пятом столбцах табл. 1. Изменение коэфнационного рассеяния молекулы H2 для длин волн гармоник фициента ослабления с высотой H учтено в соответствии YAG : Nd лазера с энергией импульса 100 mJ, дистанцией зонс данными [4], которые аппроксимировались функцией дирования 1–6 km, высотой 1–6 km и концентрацией молекул вида 1020 cm-3) k(H) =k(0) exp(-0.79H). (7) R, km Используя приведенные выше параметры, мы провели 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 численные расчеты мощности обратного комбинационного рассеяния по уравнению (1) для выбранных длин H, km, nm P, nW волн и энергии лазерного импульса E0 = 100 mJ в 0.0 683.2 7696 1426 469.7 195.5 92.79 47.диапазоне расстояний зондирования от 1.0 до 60 km 416.5 65900 9888 2643.0 891.1 342.30 142.и изменения высоты также от 1.0 до 6.0 km с целью 299.1 58060 4224 545.6 88.5 16.77 3.поиска оптимальной длины волны для обнаружения 1.0 683.2 1931 358 117.9 49.05 23.28 11.минимальной концентрации молекул водорода. Резуль416.5 16530 2481 663.1 223.60 85.89 35.таты расчетов для выбранных длин волн приведены в 299.1 14570 1060 136.9 22.21 4.21 0.табл. 2. Из нее следует, что увеличение угла наклона 2.0 683.2 1031 191.1 62.9 26.19 12.43 6.трассы зондирования (или высоты) ведет к снижению 416.5 8828 1325.0 354.1 119.40 45.86 19.мощности комбинационного рассеяния, но меньшему по 299.1 7779 565.9 73.1 11.86 2.25 0.сравнению с зондированием на горизонтальной трассе 3.0 683.2 776 143.7 47.33 19.70 9.35 4.без изменения спектральной зависимости сомножителей, 416.5 6640 996.3 266.30 89.79 34.49 14.входящих в лидарное уравнение (1). С увеличени299.1 5851 425.6 54.98 8.92 1.69 0.ем расстояния мощность комбинационного рассеяния уменьшается почти на 4 порядка в диапазоне 1–6 km, 4.0 683.2 682 126.3 41.59 17.31 8.22 4.416.5 5835 875.5 234.00 78.91 30.31 12.64 а при увеличении высоты до 6 km это уменьшение 299.1 5141 374.0 48.31 7.84 1.48 0.составляет лишь 14 раз. Это различие объясняется сильным влиянием поглощения лазерного излучения в 5.0 683.2 643 119.1 39.22 16.32 7.75 4.416.5 5502 825.6 220.70 74.41 28.59 11.299.1 4848 352.7 45.56 7.39 1.40 0.Таблица 3. Результаты расчетов минимально детектируемой 6.0 683.2 626 116.0 38.19 15.90 7.54 3.лидаром мощности для длин волн полос комбинационного 416.5 5358 803.9 214.90 72.46 27.83 11.рассеяния молекул водорода, дистанцией зондирования 1–6 km, 299.1 4721 343.4 44.36 7.20 1.36 0.и высот 1–6 km R, km 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.Полученные значения сечений для выбранных длин H, km, nm Pm, fW волн лазера приведены во втором столбце табл. 1. Далее, для конкретного случая нашего лидара K1 сомножитель 0.0 683.2 81.52 17.74 6.85 3.35 1.86 1.() зависит от спектральной чувствительности фото416.5 248.09 50.32 18.15 8.28 4.29 2.катода фотоэлектронного умножителя как 299.1 54.55 8.70 2.46 0.88 0.36 0.1.0 683.2 40.81 8.89 3.43 1.68 0.93 0.K1 = K2(). (5) 416.5 124.39 25.21 9.09 4.14 2.13 1.Остальные сомножители в уравнении (1) имеют сле299.1 27.36 4.36 1.24 0.42 0.18 0.дующие значения: R = 7.5 m для времени измерения 2.0 683.2 29.83 6.50 2.50 1.23 0.68 0.td = 50, A2 = 0.008 m2, K2 = 0.495 для длины 416.5 91.0 18.39 6.64 3.03 1.57 0.волны 532 nm (результат измерений), энергия лазерно299.1 20.0 3.19 0.90 0.32 0.13 0.го импульса E0 = 100 mJ, рассстояние зондирования 3.0 683.2 25.89 5.63 2.18 1.06 0.59 0.R = 1, 2, 3, 4, 5 и 6 km, высота H = 2, 3, 4, 5 и 6 km, 416.5 78.74 16.09 5.76 2.62 1.36 0.значения спектральной чувствительности фотокатодов 299.1 17.36 2.76 0.76 0.28 0.11 0.ФЭУ-79 и ФЭУ-140 (ФЭУ-124) в ультрафиолетовой 4.0 683.2 24.30 5.28 2.04 1.00 0.55 0.области взяты из [3] и их относительные величины све416.5 73.53 15.02 5.41 2.47 1.27 0.дены в шестой столбец табл. 1. Пропускание атмосферы 299.1 16.26 2.59 0.73 0.27 0.10 0.рассчитывалось, как и в [1], по формуле 5.0 683.2 23.56 5.11 1.98 0.97 0.54 0.R 416.5 71.69 14.56 5.24 2.39 1.26 0.T(, R) =exp - k()dR (6) 299.1 15.73 2.52 0.71 0.26 0.10 0.6.0 683.2 23.27 5.07 1.95 0.96 0.53 0.416.5 70.77 14.33 5.11 2.36 1.22 0.по значениям коэффициента ослабления k, которые взя299.1 15.56 2.48 0.70 0.25 0.10 0.ты из [4], и для интересующих нас длин волн представлеЖурнал технической физики, 1998, том 68, № 22 Г.В. Лактюшкин, В.Е. Привалов, В.Г. Шеманин Таблица 4. Результаты расчетов минимально обнаружимых уравнению концентраций молекул H2 лидаром для длин волн гармоник YAG : Nd лазера, дистанций зондирования 1–6 km и высот Pb(, R) =Sb()T (, R)K2()A2(R) (8) 1–6 km ((R) — телесный угол поля зрения приемного телеR, km скопа, — спектральная ширина приемного тракта), H,, 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.аналогичному [7], рассчитали значения фоновой мощkm nm NA, cm-3 ности Pb(, R) для нашего случая. Считая, как и в [1], минимально допустимым отношение сигнала к шуму 0.0 683.2 1.11015 1.21015 1.51015 1.71015 2.11015 2.(S/N) равным 1.5, определим минимально детектируе416.5 3.8014 5.1014 6.9014 9.3014 1.31015 1.мую лидаром мощность Pm согласно уравнению 299.1 9.41013 2.11014 4.51014 9.91014 2.2015 4.1.0 683.2 2.11015 2.51015 2.91015 3.41015 4.01015 4.Pm =(S/N)Pb(, R). (9) 416.5 7.51014 1.01015 1.41015 1.91015 2.51015 3.299.1 2.01014 4.11014 9.11014 1.91015 4.31015 9.Полученные результаты расчетов представлены в 2.0 683.2 2.91015 3.41015 4.01015 4.71015 5.51015 6.41015 табл. 3. Сравнение этих результатов с данными табл. 416.5 1.01014 1.41015 1.91015 2.51015 3.01015 4.позволяет заключить, что наибольшее превышение мощ299.1 2.61014 5.61014 1.21015 2.71015 5.81015 1.ности комбинационного рассеяния над фоновой получено для длины волны 266 и 355 nm для всего диа3.0 683.2 3.31015 3.91015 4.61015 5.41015 6.31015 7.пазона расстояний и высот. Причем лазер мощностью 416.5 1.21015 1.61015 2.21015 2.91015 3.91015 4.10 MW на этих длинах волн позволит зарегистрировать 299.1 3.01014 6.51014 1.41015 3.11015 6.51015 1.концентрацию молекул H2, значения которых приведены 4.0 683.2 3.51015 4.21015 4.91015 5.81015 6.71015 8.в табл. 4. Следует отметить, что значения минимально 416.5 1.31015 1.71015 2.31015 3.11015 4.21015 5.обнаружимых концентраций возрастают для всех длин 299.1 3.21014 6.91014 1.51015 3.41015 6.81015 1.волн в 3–4 раза с изменением высоты от 0 до 6 km, в 5.0 683.2 3.71015 4.31015 5.11015 5.91015 7.01015 8.2.2 раза для 523 nm, в 4.5 раза для 355 nm и 44.7 раза 416.5 1.31015 1.81015 2.41015 3.21015 4.41015 5.для 266 nm в выбранном диапазоне расстояний 1–6 km.

299.1 3.21014 7.11014 1.61015 3.51015 7.11015 1.Минимальное значение концентрации 0.4 · 1013 cm6.0 683.2 3.71015 4.41015 5.11015 6.01015 7.31015 8.позволяет получить излучение четвертой гармоники на 416.5 1.31015 1.81015 2.41015 3.31015 4.41015 5.расстоянии 1 km.

299.1 3.31014 7.21014 1.61015 3.51015 7.41015 1.Таким образом, полученные результаты показывают возможность оптимального выбора длины волны лазерного излучения для зондирования молекулярного водорода требуемой концентарции в атмосфере на заданном приземном слое атмосферы. Анализ этих результатов расстоянии на наклонных трассах с учетом фоновых показывает, что оптимальным является использование условий.

в такой системе лазера, работающего на третьей гармонике с длиной волны 355 nm, которая позволяет получить максимальное значение мощности обратного Список литературы комбинационного рассеяния для исследуемых молекул в [1] Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.:

этом диапазоне расстояний и высот.

Мир, 1987. 550 с.

Однако эти расчеты выполнены для случая отсутствия [2] Иванов Е.К., Колбенков В.А., Конопелько Л.А., Растофоновой засветки или для точного зондирования, Так как скуев В.В. // Измерительная техника. 1986. № 5. С. 56–57.

фоновое излучение Солнца оказывает сильное влияние [3] Справочник по лазерам / Под ред. А.М. Прохорова. Т. II.

на регистрируемую лидаром мощность комбинационМ.: Сов. радио, 1978. С. 182.

ного рассеяния, то были выполнены расчеты фоновой [4] Справочник по лазерам / Под ред. А.М. Прохорова. Т. I. М.:

мощности на фотоприемнике Pb(, R) и рассмотрено Сов. радио, 1978. С. 382.

влияние фоновой засветки на потенциальные возможно- [5] Camagni P. // Lidar Applications to Aerosols and Particles.

Optical Remote Sensing of Air Pollution. Lectures of a Course.

сти лидара. Значение спектральной яркости солнечного Ispra (Italy), 1983. P. 205–253.

излучения для различных времен года, времени суток и [6] Rosen H., Robish P., Chamberlain O. // Appl. Opt. 1975.

метеоусловий взяты из работы [5]. Как самые тяжелые Vol. 14. N 8. P. 2703–2706.

для работы лидара были выбраны условия яркого сол[7] Inaba H., Kobayasi T. // Opto-Electronics. 1972. Vol. 4. N 2.

нечного дня, и с использованием данных [1,6,7] (из-за неP. 101–123.

определенности положения оси телескопа относительно направления на Солнце) было построено спектральное распределение фонового излучения S0(), значения которого для выбранных длин волн приведены в последнем столбце табл. 1. Используя эти значения S0(), по Журнал технической физики, 1998, том 68, №




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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.