СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ЛИДАРНЫХ СИГНАЛОВ МЕТОДОМ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ НА МОЛЕКУЛАХ УГЛЕВОДОРОДОВ, ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ

THE SYSTEM OF REGISTRATION OF LIDAR SIGNALS OF THE RAMAN SCATTERING ON THE MOLECULES OF HYDROCARBONS, PROBLEMS AND SOLUTIONS

Dmitry Popov

postgraduate, Siberian Federal University,

 Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

Приведена актуальность разработки методов и алгоритмов для дистанционного зондирования атмосферы с целью определения утечек углеводородного сырья в приземном слое. Проведен анализ основных методов лазерного зондирования. Рассмотрен метод комбинационного рассеяния, указаны его достоинства, а так же недостатки, которые следует учитывать при разработке системы зондирования. Предложены направления по исследованию и оптимизации системы.

ABSTRACT

Given the urgency of development of methods and algorithms for remote sensing of the atmosphere with the aim of identifying leaks of hydrocarbons in the surface layer. The analysis of the aim methods of laser sensing. The method of Raman scattering, indicated its advantages and disadvantages that should be considered when designing sensing systems. Proposed directions for research and system optimization.

Ключевые слова: лидар; дистанционное зондирование; дифференциальное поглощение; комбинационное рассеяние.

Keywords: lidar; remote sensing; differential absorption; Raman scattering.

Среди известных методов дистанционного зондирования земной поверхности, направленных на поиск и обнаружение залежей нефти и природного газа, одним из наиболее перспективных следует считать аэрокосмические исследования, основанные на использовании технологий радиолокационного и лазерного зондирования [1]. Тенденции развития перспективных направлений геофизических исследований земной поверхности определяют новые требования к точности и оперативности информации необходимой для локализации предполагаемых мест залежей нефти и газа. Несмотря  на недостатки методов лазерного зондирования атмосферы решающим фактором их применения, является  мобильность и  возможность проведения авиационного и космического зондирования. Успехи микроэлектроники, достигнутые в последнее время в развитии сигнальных процессоров и аналоговых средств обработки сигнала с высокими техническими характеристиками, открывают новые возможности в автоматизации лазерных исследований [2].

Таким образом, актуальным является разработка методик и алгоритмов для дистанционного авиационного зондирования атмосферы, а так же микроэлектронных систем управления и исполнительной аппаратуры для обнаружения поверхностных утечек углеводородов.

Наиболее распространены методы дифференциального поглощения и спонтанного комбинационного рассеяния.

Сущность метода дифференциального поглощения заключается в следующем: вдоль трассы лидара посылаются два чередующихся лазерных сигнала с близкими длинами волн. При этом один из сигналов находится на частоте линии поглощения углеводородного сырья, а другой находится вне её. Благодаря тому, что сигналы имеют близкие длины волн, коэффициенты рассеивания на молекулах атмосферных газов и аэрозолях, а так же коэффициенты отражения для них будут одинаковы. Таким образом, сравнение принятых сигналов даёт меру интегрального содержания метана вдоль оптического пути [3]. Этот метод хорош для определения концентрации одного вещества. Для определения нескольких веществ необходимо для каждого вещества использовать свою пару лазеров, что существенно усложняет систему управления лазерными установками и систему обработки сигналов. 

Концентрация газа в методе комбинационного рассеяния рассчитывается по отношению сигнала от исследуемого газа к реперному сигналу от газа, концентрация которого известна (принято использовать атмосферный азот или кислород). Поперечное сечение одной молекулы так же известно (вычислено или измерено в лабораториях), а сигнал обратного рассеяния определяется его произведением на содержание молекул в единице объема воздуха. Каждый газ из-за различной частоты внутримолекулярных колебаний характеризуется своими частотами, сдвинутыми от основной частоты падающего лазерного излучения. Поэтому в спектре рассеянного излучения наблюдаются две системы линий, лежащих симметрично по обе стороны частоты возбуждения. Длинноволновая линия значительно интенсивнее коротковолновой, которую для измерений обычно не используют. К достоинствам метода стоит отнести то, что при зондировании требуется только один лазер, при этом нет необходимости в подборе частоты под исследуемый газ.

Одной из проблем зондирования методом комбинационного рассеяния является маленькая мощность сигнала. Из-за этого возникает ограничение по расстоянию, на котором возможно принять полезный сигнал. Сложности с регистрацией сигналов на интересующих частотных интервалах связаны с проблемами изготовления высокоточных оптических фильтров, при помощи которых имеется возможность фильтрации паразитной засветки от самих источников лазерного излучения.

Как правило, для подобного зондирования используется лазер инфракрасного или видимого диапазона. Что, в свою очередь накладывает ограничения на время проведения экспериментов. Из-за сильной засветки солнечным излучением в дневное время проводить исследования невозможно. Решение означенной проблемы будет найдено при использовании лазеров ультрафиолетового диапазона от 200 до 300 нм. Применение подобных лазеров обусловлено тем, что в пределах земной атмосферы нет составляющих  из означенной области спектра в виду защиты земли озоновым слоем, который поглощает УФ излучение с данными длинами волн. Поэтому, можно использовать лазер с длинной волны 266 нм или 263 нм. Т.к. в этой области нет мешающих составляющих от солнечного излучения. Таким образом, измерения можно проводить в любое время суток.

Наиболее важную роль при организации лидарного зондирования играют электромеханические системы прима сигнала. Из-за слабости комбинационного рассеяния, необходим мощный телескоп, так как полученный сигнал зависит от оптической силы телескопа и расстояния до него. К сожалению, в большинстве телескопов используются стекла отсеивающие ультрафиолетовые лучи. Ввиду сложности изготовления, стоимость ультрафиолетовых телескопов значительно выше, чем стоимость телескопов видимого и инфракрасного диапазонов.

Еще одной проблемой является изготовление высокоточных оптических фильтров, которые будут пропускать полезный сигнал и фильтровать «засветку» от зондирующего лазера при том, что линии спектра находятся очень близко. Так же необходимо отсекать отражение от растительности т.к. попадание ультрафиолета на листья вызывает сильную люминесценцию, излучение которого может перебить весь полезный сигнал. Для отсечки этого шума вводят еще один вспомогательный лазерный луч для измерения расстояния до земли (до верхней границы растительности). Как только появляется мешающая составляющая люминесценции, она тут же отсекается.

Также важным моментом является необходимость использования высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей и фотоэлектронных умножителей, которые бы могли работать в наносекундном диапазоне, так как для точного измерения необходимо использовать минимально возможные импульсы лазерного излучения.

Функциональная схема лидара за последние годы мало претерпела изменений. Основные усилия разработчиков были направлены на повышение надежности, точности технических средств и снижения их стоимости с целью перевода лидаров из статуса научного оборудования в средство измерения для систем дистанционного зондирования, а также мониторинга загрязненности атмосферы. Основной частью комплекса является приемо-передающая система, включающая источники лазерного излучения и поворотные зеркала, модулятор лазерного излучения, а также блоки управления лазерами и модулятором. Прием рассеянного атмосферой сигнала осуществляется приемным телескопом, выделение полезного сигнала на указанных длинах волн происходит на спектрометре (высокоточном оптическом фильтре), усиление сигналов происходит фотоэлектронным умножителем, оцифровку аналогового сигнала производит блок обработки при помощи высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя.

Интерпретация результатов лазерного зондирования состоит из двух  этапов  и относится к классу обратных задач, то есть задач, связанных с определением параметров какого-либо объекта по данным измерений  реакции этого объекта на физические величины. В атмосферной оптике к классу обратных задач относятся  методы,  связанные  с определением оптических и микрофизических характеристик по измеренному  результату  взаимодействия  аэрозольных   частиц   с электромагнитным излучением. Первым и во многом определяющим этапом в извлечении количественной информации о состоянии атмосферы из результатов лазерного  зондирования  является решение  лидарного  уравнения  относительно оптических параметров среды. Пространственное изменение оптических параметров на трассе зондирования связано с величиной обратного рассеяния (отраженного сигнала) уравнением [4]:

где R – расстояние до рассеивающего объема;

с – скорость света;

τ – длительность лазерного импульса;

 - мощность рассеянного излучения, полученная за время ;

 - мощность лазера;

 - эффективность приемника (калибровочная константа);

λ – длина волны лазерного излучения;

 - объемный коэффициент обратного рассеяния атмосферы;

А – эффективная площадь приемника;

 - объемный коэффициент ослабления (экстинкции) атмосферы.

Коэффициент  можно представить в виде суммы членов описывающих молекулярное () и аэрозольное () ослабление. Следует отметить, что коэффициент молекулярного ослабления включает в себя поглощение за счет исследуемого газа , где  – концентрация исследуемого газа, а  – его сечение поглощения. Коэффициент  также можно представить в виде суммы членов определяющих молекулярное () и аэрозольное () рассеяние.

Таким образом, обозначены основные моменты лидарного зондирования атмосферы методом комбинационного рассеяния, которые следует учитывать при разработке системы зондирования, а так же предложены направления по исследованию и оптимизации системы.

Список литературы:

1. Межерис, Р. Лазерное дистанционное зондирование: Пер. с англ. – М.: Мир, 1987. – 550 с.
2. Heba S. Marey, Sattelite Remote Sensing of Air Quality in the Oul Sands Region / Marey S. Heba, Hashisho Zaher // University of Alberta – 2014.  – 112 c.
3. Зуев, В.Е.  Дистанционное оптическое зондирование атмосферы : учеб. пособие / В.Е. Зуев, В.В. Зуев. – Санкт-Петербург : Гидрометеоиздат, 1992. – 232 с.
4. Бубличенко,  И. А.  Оптика и спектроскопия / И. А.  Бубличенко // Приборы и техника эксперимента. -  1990. - № 5. – С. 11-26.