Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 11, стр. 1144-1148

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы для обнаружения и мониторинга парникового газа метана было разработано и исследовано много вариантов дистанционных лазерных газоанализаторов и методов обработки получаемых данных. Среди основных методов измерений выделяются три: метод с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) лазерного источника с выделением полной линии поглощения газа [1], метод с синусоидальной модуляцией и последующим измерением второй гармоники в измеряемом сигнале в случае наличия исследуемого газа на трассе измерений [2]. Третий, импульсный метод дистанционного измерения концентрации метана, применяемый на больших расстояниях, также достаточно распространен. В этом методе используются импульсы длительностью ~100 нс с пиковой мощностью 50–90 кВт, излучаемые оптическим параметрическим генератором света, которые принимаются после отражения от мишени фотоприемником на основе лавинного фотодиода. Принимаемые импульсы света на двух лазерных частотах в линии поглощения метана и вне ее позволяют определить интегральную концентрацию метана на трассе распространения, однако ширина линии поглощения метана определяется лишь оценочно. Такой метод планируют применить в 2021 г. для спутникового мониторинга метана в глобальном масштабе в проекте “Мерлин”. Данный проект возглавляется двумя группами из французской LMD (Laboratoire de Météorologie Dynamique) и Немецкого института физики атмосферы при дополнительной поддержке нескольких французских и немецких исследовательских институтов Германии и Франции на базе Германского центра космических и воздушных полетов (DLR) [3]. Каждый из представленных методов обладает своими достоинствами и недостатками при определении распределения метана в пространстве. Если третий импульсный метод отличается большой дальностью действия, точностью измерений концентрации и расстояния до точки отражения, то первый и второй методы обладая достаточно высокой точностью определения концентрации газа и возможностью регистрировать несколько газов одновременно, имеют меньшую точность определения расстояния и меньшую дальность действия.

Целью настоящей работы является создание и исследование газоанализатора, обладающего высокой точностью измерения концентрации газа, достаточной дальностью действия с возможностью определения расстояния до точки отражения, ширины линии поглощения газа и, как следствие, возможностью определения распределения газа в окружающем пространстве.

1. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Для измерений был создан макет газоанализатора с ЛЧМ задающего лазера с последующим усилением в мощном волоконном двухкаскадном рамановском усилителе (рис. 1). Передатчик на выходе коллиматора излучал мощность около 3 Вт на длине волны 1653 нм. Предварительное усиление излучения лазера с распределенной обратной связью (DFB лазер OL6109L-10B) осуществлялось полупроводниковым усилителем Booster Optical Amplifier BOA-15296 до величины ~10 мВт. С помощью блока модуляции осуществлялась линейно-частотная модуляция задающего лазера по синхронизирующим импульсам, поступающим с блока обработки и синхронизации. Сигнал с фотоприемника оцифровывался аналого-цифровым преобразователем и поступал в блок обработки.

Достоинствами является возможность определения как расстояния до точки отражения по заднему фронту квазиимпульса или по корреляционной функции [4], так и ширины линии поглощения газа. Ширину линии поглощения можно измерить достаточно точно, поскольку принимается и оцифровывается вся линия в интервале сканирования лазерного излучения по частоте. Данная информация позволяет уточнять распределение газа в пространстве. Для выделения линии поглощения газа были осуществлены также калибровочные измерения, когда излучение после передающего коллиматора с помощью отражающей поверхности через калибровочную кювету направлялось непосредственно в приемный объектив, минуя трассу. Нетрудно показать с помощью закона Бугера [2], что формула для определения концентрации газа при использовании такой методики выглядит следующим образом:

где l – концентрация газа на трассе (осажденный слой метана), S – нормированная величина сигнала в центре линии поглощения при измерениях на трассе, S_калибр – нормированная величина сигнала в центре линии поглощения при калибровочных измерениях, l_калибр – осажденный слой метана в кювете при калибровочных измерениях, k – коэффициент поглощения метана. Если в процессе калибровок кювета на пути луча не устанавливается, то l_калибр = 0 и, следовательно, формула (1) упрощается.

Для измерений была выбрана горизонтальная трасса длиной 1200 м и высотой над поверхностью Земли около 30 м, под которой шла интенсивная стройка большого производственного здания, а также вертикальная трасса, причем отражение света на этой трассе осуществлялось от облаков. Кроме того, с подветренной стороны от трассы были расположены две газовые котельные, от которых, возможно, также распространялся метан с повышенной фоновой концентрацией. Типичные изображения принимаемых сигналов представлены на рис. 2, а ситуационный план измерений – на рис. 3.

Сигналы с фотоприемника оцифровывались в аналого-цифровом преобразователе и далее обрабатывались: высчитывалась концентрация метана, ширина линии поглощения и расстояние до точки отражения. Выходной оптический рамановский усилитель работал в режиме насыщения, что несколько сглаживало вершину принимаемого ЛЧМ-сигнала, однако это никак не сказывалось на точности измерений, поскольку калибровочные измерения учитывали изменение формы излучаемого сигнала. Величина провала сигнала на линии поглощения метана на вершине квазиимпульса изменялась в соответствии с высотой облачного слоя. Как правило, закономерность такова, что чем выше облако, тем меньше принимаемый сигнал и больше относительная величина провала на линии поглощения газа. Были проведены и обработаны пять серий измерений по облакам и по горизонтальной трассе. Получены следующие средние значения: ширина линии поглощения и осажденный слой метана оказались равными на горизонтальной трассе соответственно 0.0618 нм и 2.625 мм, а на вертикальной трассе 0.0624 нм и 3.385 мм. Теоретические значения для стандартного распределения метана на горизонтальной трассе при стандартном фоне метана ~2 мм/км составляют соответственно 0.0618 нм и 2.40 мм при атмосферном давлении ~760 мм рт.ст, а теоретические значения для стандартного барометрического распределения метана по высоте дают значения 0.056 нм и 3.1 мм соответственно. Теоретическое значение концентрации метана для стандартной атмосферы на вертикальной трассе вычислялось по барометрической формуле:

Интегрирование ведется до N = 16.5 стометрового слоя атмосферы (высота облака h ~ 1.65 км), а в каждом стометровом слое содержание метана составляет l₀ = 0.2 мм осажденного слоя метана. Теоретическое значение ширины линии поглощения при атмосферном давлении равно ${{\gamma }_{0}}$ = 0.0618 нм [2].

2. МОДЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Из сопоставления полученных экспериментальных и теоретических данных видно, что результаты отличаются друг от друга. В силу этого была предложена модель распределения метана по высоте, которая бы удовлетворяла экспериментальным данным в момент измерений. Модель основана на том, что концентрация газа была аномально высокой в приземном слое атмосферы до высот ~1000 м, а на большей высоте была ниже нормальной величины (см. рис. 3). Такое распределение апроксимировалось эмпирической весовой функцией (рис. 4).

где текущая высота над поверхностью Земли определяется номером N стометрового слоя. Эта функция показана на рис. 4, откуда видно, что в момент измерений облако метана распространялось вверх и вдоль трассы с максимумом концентрации на высоте около 700 м, а выше ~1000 м наблюдалась пониженная концентрация фона метана. На основе этого распределения модельную интегральную концентрацию метана определяли в соответствии с весовой функцией (3) по формуле Здесь под знаком интеграла значение l₀ соответствует, как и в (1), содержанию метана в стометровом слое атмосферы. Ширину линии поглощения определяли по формуле где ${{\gamma }_{0}}$ = 0.0618 нм – ширина линии поглощения в приземном слое. Результаты, вычисленные по этим модельным формулам, а также теоретические и экспериментальные результаты представлены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, ширина линии и осажденный слой метана для стандартной атмосферы отличаются от измеренных значений, а предложенная модель распределения метана по высоте (см. рис. 4) уменьшает это различие до величин погрешностей измерений и более адекватно описывает реальную картину облака метана в момент измерений. Отличия результатов моделирования и экспериментальных данных возможны также из-за небольшого отклонения угла измерений по облакам от 90° к горизонту.

В процессе измерений было также обнаружено, что в экспериментальных данных наряду с линией поглощения метана наблюдается еще одна линия поглощения газа в левой части разностного сигнала 3 (рис. 5).

Разностный сигнал – это разность между калибровочным сигналом и сигналом с трассы, поэтому для точных измерений калибровочный сигнал должен обеспечивать на выходе фотоприемника нормированный сигнал, полностью повторяющий сигнал с трассы, за исключением областей с линиями поглощения газов. В противном случае измерения будут неточны. Как оказалось, левый пик в разностном сигнале 3 – это линия поглощения воды, отстоящая от пика поглощения метана на ~0.2 нм, который находится на длине волны 1653.7 нм. Поскольку при увеличении тока накачки лазера длина волны его излучения растет, то слабый пик поглощения соответствует длине волны 1653.5 нм и сдвинут на ~0.2 нм относительно линии поглощения метана в сторону меньших токов накачки лазера и меньших длин волн, что находится в полном соответствии с данными спектральной базы поглощения атмосферных газов HITRAN для области длин волн 1653…1654 нм (рис. 6).

В процессе измерений величина линии поглощения воды была достаточно изменчива и сильно зависела от влажности воздуха. Одновременная регистрация линий поглощения метана и воды может быть использована для уточнения влажности в момент измерений, а также полезна для калибровочных измерений, уточняющих и дополняющих информационную и метеорологическую базу эксперимента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в процессе работы создан и исследован дистанционный лазерный газоанализатор на основе мощного двухкаскадного рамановского усилителя, а также сделана попытка определения пространственного распределения фоновой концентрации метана на основе измерений на двух протяженных трассах: горизонтальной и вертикальной. Расхождение теоретических и экспериментальных данных привели к уточнению весовой функции распределения метана по высоте на основе модельных расчетов при использовании стандартной барометрической формулы зависимости давления воздуха от высоты. Данная методика может быть полезна при мониторинге содержания и распределения метана в окружающем пространстве с целью уточнения фоновой и экологической обстановки.