Принципиальные схемы использования лидаров для определения степени загрязнения воздуха
К Г Э У | МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» |
Г.
Практическое занятие
Принципиальные схемы использования лидаров для определения степени загрязнения воздуха
Практическое занятие № 7
Принципиальные схемы использования лидаров для определения степени загрязнения воздуха
Продолжительность практического занятия – 2 часа.
Цель практического занятия – изучение схем лидаров и возможностей их использования для определения загрязненности атмосферного воздуха.
1. Лазерное зондирование
Лазерное зондирование – метод дистанционного зондирования, основанный на принципе спектрометрического анализа. Метод позволяет определить полную концентрацию аэрозольных частиц без установления рода и свойств рассеивающих частиц.
Лазерное зондирование производится с помощью специальных приборов – лазерных локаторов, которые были названы лидарами. Радиус действия лидаров составляет 10-35 км.
Лазерное зондирование может выполняться как с неподвижных, так и с движущихся объектов – автомобилей, кораблей, самолетов, вертолетов, космических аппаратов. Со станции в атмосферу посылается короткий световой импульс лазера. Расшифровка излучения показывает концентрацию загрязняющих газов, твердых и жидких частиц в воздухе и т. д.
Высота зондирования зависит от цели исследования. Если определяется уровень загрязненности воздуха над городом, то достаточно замерить объём в 2-3 км, так как вредные вещества сконцентрированы именно на этой высоте. Когда же определяется состояние озонового слоя Земли, то расстояние составит до 30 км в высоту.
2. Принцип действия лидара
Принцип действия лидара основан на измерении интенсивности рассеяния лазерного излучения аэрозолем атмосферы. Лидар посылает в атмосферу короткий импульс света и принимает обратно сигнал обратного рассеяния.
Для решения каждой конкретной атмосферной задачи используется конкретная схема лидара. Однако во всех случаях в лидаре непременно присутствуют три основных блока:
1. Лазерный источник излучения с передающей антенной.
2. Приемная антенна с фотодетектором.
3. Регистратор лидарных сигналов.
Недостатком лазерного зондирования является сильное ослабление лазерного излучения при плотной облачности, и с поверхности Земли нельзя получить сведения о состоянии атмосферы выше облаков. В этом случае атмосферу зондируют с космических аппаратов. Поэтому лазеры ставят на исследовательские самолеты и космические аппараты для нахождения верхней границы облаков, измерения характеристик стратосферного аэрозоля, глобальной циркуляции атмосферы, изучения свойств перистой облачности, которая играет большую роль в поглощении и отражении излучения земной поверхности и, следовательно, во многом определяет погоду и климат.
Схема и принцип действия оптического локатора (лидара) представлена на рис.1. Пунктиром показан ход лучей, отражённых от объекта.
Рис.1. Схема и принцип действия оптического локатора:
1 – передатчик (лазер); 2 – коллиматор; 3, 4 – зеркала;
5 – передающая оптическая система; 6 – лоцируемый объект;
7 – приёмная оптическая система; 8 – зеркало;
9 – полупрозрачное зеркало; 10 – узкополосный оптический фильтр;
11 – диссектор; 12 – зеркало;
13 – приёмник дальномерного устройства (ФЭУ);
14 – устройство ручного управления; 15 – следящая система
3. Установка для анализа вредных примесей методом комбинационного рассеяния
Принципиальная блок-схема установки для дистанционного анализа вредных примесей в атмосфере методом комбинационного рассеяния представлена на рис.2.
Рис.2. Блок-схема установки для дистанционного анализа вредных примесей в атмосфере методом комбинационного рассеяния:
1 – лазер; 2 – телескоп; 3 – приёмный телескоп;
4 – рассеиватели; 5 – источник питания; 6 – фотоумножитель;
7 – монохроматор; 8 – регистратор; 9 – источник питания;
10 – фотодиод
Для анализа участков спектра рассеянного излучения, в которых находятся линии комбинационного сдвига, используются перестраиваемые светофильтры и монохроматор. На экране регистратора (ранее использовался двухлучевой осциллограф) фиксируются длительность лазерного зондирующего импульса и сигнал рассеянного излучения.
Вследствие малости сечения комбинационного рассеяния этот
метод применяется на небольших расстояниях (несколько десятков
метров, например, для контроля вредных выбросов из дымовых
труб).
4. Многоволновой лидар
В многоволновом лидаре в качестве базовых лазерных систем применяются импульсно-периодические лазеры на CO2 и изотопах молекулы CO2 (диапазон 9-11 мкм), а также могут использоваться их вторые (диапазон 4.5-5,5 мкм) и третьи (диапазон 3,0-3,4 мкм) гармоники, полученные при преобразовании частоты излучения базовых лазеров в нелинейных кристаллах типа AgGaSe2 или ZnGeP2.
Принципиальная схема многоволнового лидара показана на рис.3.
Рис.3. Блок-схема многоволнового лидара
Задание 1. Приведите схемы изучаемых лидаров.
Задание 2. На основании блок-схемы многоволнового лидара по рис.3 составить описание его работы.
Контрольные вопросы
1. На каком принципе основано лазерное зондирование?
2. Каков радиус действия лидаров?
3. Как работает лидар?
4. Назовите основные блоки лидара.
5. Почему лидары ставят на транспортные средства?
6. Для чего используются светофильтры и монохроматор в лидарах?
7. В чем заключается метод комбинационного рассеяния?
Домашнее задание
Возможно ли использование лидаров для исследования загрязненности гидросферы?
Литература
1. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды: Учеб. пособие для вузов / В. И.Козинцев, В. М.Орлов, М. Л.Белов и др. Под ред. В. Н.Рождествина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э.Баумана, 2002. 528 с.: ил.
Основные порталы (построено редакторами)