Диссертация на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук: 01.04.05 - Оптика. — Федеральное
государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики
атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии
наук (ИОА СО РАН) и Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования «Национальный
исследовательский Томский государственный университет». — Томск,
2015. — 408 с.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор
Самохвалов И.В.
Введение
Общая характеристика спектроскопических эффектов взаимодействия излучения с веществом как информационной основы оптических методов дистанционного контроля состояния окружающей среды
Принцип дистанционного определения параметров атмосферы на основе анализа оптических спектров лидарного отклика
Эффекты взаимодействия излучения с веществом и анализ их информативной способности
Требования к аппаратуре спектральной селекции лидарных систем
Дистанционное определение температуры атмосферы из соотношения интенсивностей чисто вращательных спектров спонтанного комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода
Дистанционное определение температуры атмосферы по отношению интенсивностей линий чисто вращательных спектров спонтанного комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода
Аппаратура СКР-лидара для измерения температуры атмосферы и проведение тестовых измерений
СКР-лидарный метод дистанционного определения содержания водяного пара и жидкой воды в атмосфере
Теоретические основы СКР-лидарного метода определения влажности
Метеорологический СКР-лидар для дистанционного определения содержания водяного пара в атмосфере
Калибровка и апробация СКР-лидара
Дистанционное определение содержания жидкой воды в атмосфере с помощью анализа пространственно-разрешенных колебательно-вращательных спектров комбинационного рассеяния
Дистанционное определение оптических характеристик атмосферы с помощью эффектов СКР и аэрозольного рассеяния
Дистанционное определение аэрозольного коэффициента обратного рассеяния и коэффициенты ослабления
Аппаратура и методика дистанционного определения оптических характеристик атмосферного аэрозоля с использованием эффекта СКР
Экспериментальные исследования оптических характеристик атмосферного аэрозоля СКР-лидаром
Лидарный метод на основе эффекта СКР для дистанционной диагностики молекулярных систем в атмосфере в УФ диапазоне длин волн
Лидарный метод обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере
Проблема дистанционного обнаружения взрывчатых веществ
Лидарный метод обнаружения паров взрывчатых веществ на основе одночастотного лазерного фотолиза и лазерно-индуцированной флуоресценции NO-фрагментов
Экспериментальные исследования лидарного обнаружителя паров взрывчатых веществ
Заключение
Список литературы
Приложения Целью диссертационной работы является разработка семейства методов и создание комплекса лидарных систем дистанционной лазерной диагностики состояния атмосферы на основе лидарных принципов с использованием спектроскопических эффектов взаимодействия излучения с веществом. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Провести анализ информативной способности спектроскопических эффектов взаимодействия излучения с веществом с точки зрения эффективности их использования в лидарных технологиях.
Разработать метод дистанционного определение температуры атмосферы на основе использования чисто вращательных спектров спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) на молекулах азота и кислорода.
Разработать метод дистанционного определения содержания водяного пара в атмосфере.
Разработать аппаратуру и методику дистанционного определения содержания жидкой воды в атмосфере.
Разработать метод дистанционного определения оптических характеристик атмосферы с помощью эффектов СКР и аэрозольного рассеяния.
Разработать высокочувствительный лидарный метод дистанционной диагностики молекулярных систем на основе использования эффекта СКР в «солнечно-слепой» области спектра.
Разработать лидарный метод обнаружения сверхнизких концентраций паров взрывчатых веществ на основе одночастотного лазерного
фотолиза и лазерно-индуцированной флуоресценции NO-фрагментов.
Создать лабораторные макеты и опытный образец лидарных систем, реализующих перечисленные выше методы.
Осуществить экспериментальную апробацию методов и аппаратурыв натурных условиях. Провести тестовые и калибровочные испытания. Научная новизна работы
Впервые с помощью лидара, оснащённого многоканальной системой фоторегитрации с высоким временным разрешением, было получено пространственное распределение спектра СКР жидкой воды внутри облака. Впервые для устранения геометрического фактора отношения лидарных сигналов разработан и применён двойной волоконный гомогенизатор распределения интенсивности с оптическим Фурье преобразованием.
Предложен и реализован практически способ определения аэрозольного коэффициента ослабления, использующий сумму лидарных сигналов,соответствующих двум участкам вращательного спектра СКР с противоположными зависимостями их интенсивностей от температуры, позволяющийисключить влияние температурной стратификации атмосферы на результаты измерений.
Предложена новая схема лазерно-локационного устройства для дистанционного определения оптических параметров аэрозолей с использованием эффекта СКР, где для разделения сигналов аэрозольного и комбинационного рассеяния служит интерферометр Фабри-Перо, применение которого позволяет повысить дальность и точность измерений при одновременном упрощении конструкции и уменьшении габаритов лидара.
Впервые для определения концентрации химических соединений в атмосфере методом СКР предложено использовать в качестве опорного сигнала первый обертон кислорода или азота. Показано, что использование высокой плотности энергии зондирующего импульса эксимерного лазера на среде KrF приводит к снижению эффективности СКР-лидарного метода обнаружения паров химических веществ атмосфере за счёт влияния эффектов фотофрагментации.
Экспериментально обоснована чувствительность панорамного СКР-лидарного газоанализатора в 2 ppm при обнаружении паров загрязняющих веществ в атмосфере с использованием многоканального матричного фотоприемника.
Предложена математическая модель каскадного процесса лазерного фотолиза молекул взрывчатых веществ (ВВ) – лазерно-индуцированной флуоресценции продуктов фрагментации. Определён аналитический вид лидарного уравнения при возбуждении NO-фрагментов. Показано, что эффективность обнаружения для ступенчатого процесса возбуждения зависит от плотности энергии лазерного импульса. При этом оптимальное значение плотности энергии определяется сечением поглощения молекулы ВВ.
Обнаружено, что Q-ветви антистоксовых колебательно-вращательных спектров СКР на основных газовых компонентах атмосферы (N2 и O2) расположены в области полосы флуоресценции NO-фрагментов (236 нм) и являются источником помехи, снижающей чувствительность метода.
Показано, что при достаточной разрешающей способности аппаратуры спектральной селекции возможно абсолютное подавление помехи на 4 порядка при незначительных потерях сигнала. Экспериментально доказана возможность использования метода обнаружения паров ВВ в атмосфере на основе одночастотного лазерного фотолиза с последующим возбуждением NO-фрагментов из второго колебательного состояния на дистанциях более 10 м при чувствительности обнаружения 70 ppt (10–12 г/см3).
Впервые в задачах дистанционного обнаружения паров нитросоединений в атмосфере в качестве источника излучения был использован эксимерный лазер на среде KrF, генерирующий узкую линию (2 пм) на краю контура усиления.
Общая характеристика спектроскопических эффектов взаимодействия излучения с веществом как информационной основы оптических методов дистанционного контроля состояния окружающей среды
Принцип дистанционного определения параметров атмосферы на основе анализа оптических спектров лидарного отклика
Эффекты взаимодействия излучения с веществом и анализ их информативной способности
Требования к аппаратуре спектральной селекции лидарных систем
Дистанционное определение температуры атмосферы из соотношения интенсивностей чисто вращательных спектров спонтанного комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода
Дистанционное определение температуры атмосферы по отношению интенсивностей линий чисто вращательных спектров спонтанного комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода
Аппаратура СКР-лидара для измерения температуры атмосферы и проведение тестовых измерений
СКР-лидарный метод дистанционного определения содержания водяного пара и жидкой воды в атмосфере
Теоретические основы СКР-лидарного метода определения влажности
Метеорологический СКР-лидар для дистанционного определения содержания водяного пара в атмосфере
Калибровка и апробация СКР-лидара
Дистанционное определение содержания жидкой воды в атмосфере с помощью анализа пространственно-разрешенных колебательно-вращательных спектров комбинационного рассеяния
Дистанционное определение оптических характеристик атмосферы с помощью эффектов СКР и аэрозольного рассеяния
Дистанционное определение аэрозольного коэффициента обратного рассеяния и коэффициенты ослабления
Аппаратура и методика дистанционного определения оптических характеристик атмосферного аэрозоля с использованием эффекта СКР
Экспериментальные исследования оптических характеристик атмосферного аэрозоля СКР-лидаром
Лидарный метод на основе эффекта СКР для дистанционной диагностики молекулярных систем в атмосфере в УФ диапазоне длин волн
Лидарный метод обнаружения паров взрывчатых веществ в атмосфере
Проблема дистанционного обнаружения взрывчатых веществ
Лидарный метод обнаружения паров взрывчатых веществ на основе одночастотного лазерного фотолиза и лазерно-индуцированной флуоресценции NO-фрагментов
Экспериментальные исследования лидарного обнаружителя паров взрывчатых веществ
Заключение
Список литературы
Приложения Целью диссертационной работы является разработка семейства методов и создание комплекса лидарных систем дистанционной лазерной диагностики состояния атмосферы на основе лидарных принципов с использованием спектроскопических эффектов взаимодействия излучения с веществом. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Провести анализ информативной способности спектроскопических эффектов взаимодействия излучения с веществом с точки зрения эффективности их использования в лидарных технологиях.
Разработать метод дистанционного определение температуры атмосферы на основе использования чисто вращательных спектров спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) на молекулах азота и кислорода.
Разработать метод дистанционного определения содержания водяного пара в атмосфере.
Разработать аппаратуру и методику дистанционного определения содержания жидкой воды в атмосфере.
Разработать метод дистанционного определения оптических характеристик атмосферы с помощью эффектов СКР и аэрозольного рассеяния.
Разработать высокочувствительный лидарный метод дистанционной диагностики молекулярных систем на основе использования эффекта СКР в «солнечно-слепой» области спектра.
Разработать лидарный метод обнаружения сверхнизких концентраций паров взрывчатых веществ на основе одночастотного лазерного
фотолиза и лазерно-индуцированной флуоресценции NO-фрагментов.
Создать лабораторные макеты и опытный образец лидарных систем, реализующих перечисленные выше методы.
Осуществить экспериментальную апробацию методов и аппаратурыв натурных условиях. Провести тестовые и калибровочные испытания. Научная новизна работы
Впервые с помощью лидара, оснащённого многоканальной системой фоторегитрации с высоким временным разрешением, было получено пространственное распределение спектра СКР жидкой воды внутри облака. Впервые для устранения геометрического фактора отношения лидарных сигналов разработан и применён двойной волоконный гомогенизатор распределения интенсивности с оптическим Фурье преобразованием.
Предложен и реализован практически способ определения аэрозольного коэффициента ослабления, использующий сумму лидарных сигналов,соответствующих двум участкам вращательного спектра СКР с противоположными зависимостями их интенсивностей от температуры, позволяющийисключить влияние температурной стратификации атмосферы на результаты измерений.
Предложена новая схема лазерно-локационного устройства для дистанционного определения оптических параметров аэрозолей с использованием эффекта СКР, где для разделения сигналов аэрозольного и комбинационного рассеяния служит интерферометр Фабри-Перо, применение которого позволяет повысить дальность и точность измерений при одновременном упрощении конструкции и уменьшении габаритов лидара.
Впервые для определения концентрации химических соединений в атмосфере методом СКР предложено использовать в качестве опорного сигнала первый обертон кислорода или азота. Показано, что использование высокой плотности энергии зондирующего импульса эксимерного лазера на среде KrF приводит к снижению эффективности СКР-лидарного метода обнаружения паров химических веществ атмосфере за счёт влияния эффектов фотофрагментации.
Экспериментально обоснована чувствительность панорамного СКР-лидарного газоанализатора в 2 ppm при обнаружении паров загрязняющих веществ в атмосфере с использованием многоканального матричного фотоприемника.
Предложена математическая модель каскадного процесса лазерного фотолиза молекул взрывчатых веществ (ВВ) – лазерно-индуцированной флуоресценции продуктов фрагментации. Определён аналитический вид лидарного уравнения при возбуждении NO-фрагментов. Показано, что эффективность обнаружения для ступенчатого процесса возбуждения зависит от плотности энергии лазерного импульса. При этом оптимальное значение плотности энергии определяется сечением поглощения молекулы ВВ.
Обнаружено, что Q-ветви антистоксовых колебательно-вращательных спектров СКР на основных газовых компонентах атмосферы (N2 и O2) расположены в области полосы флуоресценции NO-фрагментов (236 нм) и являются источником помехи, снижающей чувствительность метода.
Показано, что при достаточной разрешающей способности аппаратуры спектральной селекции возможно абсолютное подавление помехи на 4 порядка при незначительных потерях сигнала. Экспериментально доказана возможность использования метода обнаружения паров ВВ в атмосфере на основе одночастотного лазерного фотолиза с последующим возбуждением NO-фрагментов из второго колебательного состояния на дистанциях более 10 м при чувствительности обнаружения 70 ppt (10–12 г/см3).
Впервые в задачах дистанционного обнаружения паров нитросоединений в атмосфере в качестве источника излучения был использован эксимерный лазер на среде KrF, генерирующий узкую линию (2 пм) на краю контура усиления.