Способ определения прозрачности газовой рассеивающей среды

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНОСТИ ГАЗОВОЙ РАССЕИВАЮЩЕЙ СРЕДЫ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович Кугейко Михаил Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения прозрачности газовой рассеивающей среды, характеризующийся тем, что пропускают через исследуемый участок среды в прямом и обратном направлениях импульсы зондирующего излучения двухволнового лазера последовательно на длинах волн 1 и 2, принимают рассеянное излучение от двух граничных точек участка среды с координатами 1, 2 под углом 90 к оптической оси зондирования и определяют интенсивности рассеянного излучения с обеспечением режима оптоэлектронной рециркуляции последовательно относительно 1 и 2, причем одновременно определяют длинуисследуемого участка среды из выражения 1 1,2 1 где 1, 2 - частоты рециркуляции относительно 1, 2 соответственно- скорость света,определяют среднее значение коэффициента ослабленияучастка среды из выражения 11 ( 0 ,1 )1 ( 3 ,2 ) 2 ( 0 ,1 )2 ( 3 ,2 )( 1 ,2 )( ,)( ,)( ,)( ,) ,41 0 2 1 3 1 2 0 2 2 3 1 16627 1 2012.12.30 где 1(0, 1), 1(3, 2) - интенсивности рассеянного излучения на длине волны 1 в первой и второй граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 1(0, 2), 1(3, 1) - интенсивности рассеянного излучения на длине волны 1 во второй и первой граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 2(0, 1), 2(3, 2) - интенсивности рассеянного излучения на длине волны 2 в первой и второй граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 2(0, 2), 2(3, 1) - интенсивности рассеянного излучения на длине волны 2 во второй и первой граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 0, 3 - координаты на оптической оси зондирования источников зондирующих импульсов прямого и обратного направлений соответственно,а прозрачностьсреды определяют из выражения( (21. Изобретение относится к области контроля загрязнений окружающей среды и может использоваться для измерения дымности выбросов автомобилей, труб промышленных предприятий и т.п. Известен измеритель прозрачности атмосферы 1, содержащий два лазера, два приемника излучения, вычислительный блок. Однако эта система не позволяет измерять дымность выбросов автомобилей, концентрацию выбросов из труб промышленных предприятий и т.п. из-за того, что невозможно зарегистрировать сигналы обратного рассеяния из рядом расположенных точек. Наиболее близким к предлагаемому устройству является способ измерения прозрачности рассеивающей среды 2, заключающийся в посылке через исследуемый участок газовой струи навстречу друг другу пучков зондирующего излучения и приеме под углом 90 к направлению зондирования рассеянного излучения. По значению интенсивности излучения определяется прозрачность или дымность участка струи. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений, обусловленная неточным совмещением пучков зондирующего излучения, флуктуациями разностной частоты излучений и неточным знанием длины контролируемого участка среды. Задача изобретения - повышение точности измерения коэффициента ослабления и расширение функциональных возможностей измерителя. Расширение функциональных возможностей заключается в обеспечении возможности в процессе измерений изменять длину контролируемого участка среды и учитывать ее значение при расчете прозрачности. Поставленная задача решается в способе определения прозрачности газовой рассеивающей среды, характеризующемся тем, что пропускают через исследуемый участок среды в прямом и обратном направлениях импульсы зондирующего излучения двухволнового лазера последовательно на длинах волн 1 и 2, принимают рассеянное излучение от двух граничных точек участка среды с координатами 1, 2 под углом 90 к оптической оси зондирования и определяют интенсивности рассеянного излучения с обеспечением режима оптоэлектронной рециркуляции последовательно относительно 1 и 2, причем одновременно определяют длинуисследуемого участка среды из выражения 1 1,2 1 где 1, 2 - частоты рециркуляции относительно 1 и 2 соответственно, с - скорость света,2 16627 1 2012.12.30 определяют среднее значение коэффициента ослабленияучастка среды из выражения 11 ( 0 ,1 )1 ( 3 ,2 ) 2 ( 0 ,1 )2 ( 3 ,2 )( 1 ,2 )( ,)( ,)( ,)( ,) ,41 0 2 1 3 1 2 0 2 2 3 1 где 1(0, 1), 1(3, 2) - интенсивности рассеянного излучения на длине волны 1 в первой и второй граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 1(0, 2), 1(3, 1) - интенсивности рассеянного излучения на длине волны 1 во второй и первой граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 2(0, 1), 2(3, 2) - интенсивности рассеянного излучения на длине волны 2 в первой и второй граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 2(0,2), 2(3,1) - интенсивности рассеянного излучения на длине волны 2 во второй и первой граничных точках участка среды при прямом и обратном проходах импульсов соответственно 0, 3 - координаты на оптической оси зондирования источников зондирующих импульсов прямого и обратного направлений соответственно,а прозрачностьсреды определяют из выражения(21). Свойства, появляющиеся у заявляемого объекта, - это повышение точности измерения коэффициента ослабления, обусловленное тем, что обеспечивается измерение длины контролируемого участка среды и учет ее значения при расчете прозрачности. Так как два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области лазера, обеспечивается совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений. Сущность способа поясняется с помощью фигуры, на которой представлена функциональная схема измерителя прозрачности рассеивающей среды на двухволновом лазере. Система содержит двухволновой лазер 1, блок питания лазера 2, зеркало 3, первый приемник излучения 4, второй приемник излучения 5, блок процессора 6, блок рециркуляции 7. В качестве источника излучения используется двухволновой полупроводниковый лазерный диод с асимметричной квантово-размерной гетероструктурой, обеспечивающий генерацию на двух различных оптических длинах волн 3. Переключение длины волны излучения в импульсе с 1 на 2 происходит при скачкообразном изменении амплитуды тока накачки в импульсе с 1, на 2. Измеритель работает следующим образом. Через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны 1. Излучение,рассеянное в первой граничной точке 1 контролируемого участка среды под углом , величина которого 1(0, 1), регистрируется приемником 4 и поступает в процессор 6. Излучение, рассеянное во второй граничной точке 2 участка среды под углом , величина которого 1(0, 2), регистрируется приемником 5 и поступает в процессор 6. Затем зондирующее излучение отражается от зеркала 3 и осуществляет обратный проход через исследуемую среду. На приемниках 4 и 5 регистрируются значения сигналов 1(3,1) и 1(3, 2), которые записываются в память процессора. На приемники 4 и 5 рассеянное излучение из-за разных длин трасс будет поступать в разные моменты времени, поэтому система цифровой обработки процессора позволяет эффективно разрешить и идентифицировать эти сигналы. Для величин сигналов при прямом проходе среды на длине волны 1, рассеянных под угломк направлению посылки в точках 1 и 2, можно записать следующие выражения 1(0, 1)1 1 (1)1(0, 1)1(1, 4),1(0, 2)2 1 (2)1(0, 1)1(1, 2)1(2, 5),3 16627 1 2012.12.30 где 1, 2 - аппаратурные константы приемников 4 и 5 соответственно 1 - мощность излучения на длине волны 1 при прямом проходе,- коэффициент рассеяния под углом 4, 5 - координаты местонахождения приемников 4 и 5 соответственно 0, 3 - координаты местонахождения соответственно лазера 1 и зеркала 3 1, 2 - координаты рассеивающих точек 1(, )1(, ) - прозрачности участков , , ,05 на длине волны 1. При обратном проходе среды излучением на длине волны 1, отраженным от зеркала 3,величины сигналов, рассеянных под углом (180) в точках 1 и 2, имеют вид 1(3, 1)1 2 180-(1)1(2, 3)1(1, 2)1(1, 4),1(3, 2)2 2 180-(2)1(2, 3)1(2, 5). где 2 - мощность излучения на длине волны 1 при обратном проходе. Отношение сигналов, рассеянных в точке 1, равно 1( 1 )1 ( 0 ,1 )( ,) 11 0 1. 1 ( 3 ,1 ) 2180 ( 1 )1 ( 2 ,3 )1 ( 1 ,2 ) Последнее можно записать следующим образом(1)111(1,2),где 11(0,1)/1(3,1)11(0,1)/21(2, 3) 1(1)/180-(1) 1(1,2)1(1,2)(2-1). Для сигналов, рассеянных в точке 2( ,)( ) ( ,) ( ,)21 0 212 1 0 1 1 1 2 . 1 ( 3 ,2 ) 2 180 ( 2 )1 ( 2 ,3 ) Данное выражение можно записать в следующем виде(2)22 - 1(1, 2),где 21(0, 1)/1(3, 2) 2(2)/180-(2). Решение системы линейных уравнений (1) и (2) относительно 1 равно(3)( 1 )180- ( 2 )21 ( 0 ,2 )1 ( 3 ,1 ) В неоднородных рассеивающих средах для исключения влияния индикатрисы рассеяния , как следует из (3), необходимо регистрировать рассеяние под одним и тем же углом в каждой из рассеивающих точек, т.е. под углом /2. В этом случае выражение (3) имеет вид(5) 2( 2 -1 ) 1 ( 0 ,2 )1 ( 3 ,1 ) Затем через исследуемую среду двухволновым лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны 2. Как и в предыдущих измерениях, при прямом и обратном прохождении т. 1 рассеянные излучения величиной 2(0, 1) и 2(3, 1) записываются в процессор, а при прохождении т. 2 рассеянные излучения 2(0, 2) и 2(3, 2) также записываются в процессор. Аналогично приведенным выше выкладкам получаем коэффициент ослабления на длине волны 2 1( ,)( ,)2 0 1 2 3 2 .2 ( 1 ,2 ) 16627 1 2012.12.30 Так как длины волн 1 и 2 различаются незначительно, то вычисление среднего значения коэффициента ослабления в соответствии с выражением( ,)2 ( 1 ,2 ) где 2 - 1 - длина контролируемой трассы, обеспечит повышение точности измерений в 2 раз по сравнению с прототипом. Одновременно с измерением интенсивности рассеянного излучения в системе осуществляется режим оптоэлектронной рециркуляции последовательно относительно первой и второй граничных точек. Это осуществляется следующим образом. Через исследуемую среду лазером 1 посылается импульсное зондирующее излучение на длине волны 1. Зарегистрировав сигнал 1(0, 1), рассеянный первой граничной точкой 1,процессор запускает блок рециркуляции 7, который через блок питания 2 запускает лазер на длине волны 1. Таким образом, в результате замыкания обратной связи в системе устанавливается процесс рециркуляции, периодкоторой определяется оптической задержкой излучения на дистанции при постоянной электрической задержке в блоке рециркуляции. На дистанцию поочередно посылаются оптические импульсы на различных длинах волн 1 и 2, поэтому в системе реализуется режим оптико-электронной рециркуляции одновременно на двух оптических длинах волн. Период (частота 1) рециркуляции относительно первой граничной точки 1 будет определяться следующим образом(8) 1/111,где 121/ - время задержки излучения на трассе 1 - длина трассы, состоящая из участка 01 и участка 14- скорость света в воздухе- время электрической задержки. Время электрической задержкив блоке рециркуляции выбирается таким образом, чтобы оно было больше суммарной задержки излучения на всей контролируемой трассе. Следовательно, все импульсы рассеянного излучения при прямом и обратном проходах трассы будут зарегистрированы приемниками 4, 5, и только после этого лазер посылает на трассу очередной оптический импульс. Затем процессор, зарегистрировав сигнал 1(0, 2), рассеянный второй граничной точкой 2, запускает режим рециркуляции относительно точки 2. Период (частота 2) рециркуляции относительно второй граничной точки 2 будет определяться следующим образом(9) 1/222,где 222/ - время задержки излучения на трассе 2 - длина трассы, состоящая из участка 01, участка 12 и участка 25. Из выражении (8, 9) можно найти длину контролируемой трассыпо разности частот рециркуляции из выражения 1 121,(10) 2 1 где 1, 2 - частоты рециркуляции относительно первой и второй граничных точек соответственно. Полученное значение длины контролируемой трассыучитывается в (5-7) при расчете оптических характеристик. Если в процессе измерений возникает необходимость изменить границы контролируемого участка среды, то система будет автоматически учитывать изменение длины контролируемой трассы, что значительно расширяет функциональные возможности измерителя. В рассматриваемом способе, как видно из выражений (4-7), значенияи , а значит, и прозрачности(21) определяются как для всей ширины струи, так и для 16627 1 2012.12.30 любого участка внутри струи, при этом измеряемый участок располагается на удалении от приемно-излучающих устройств. Важным достоинством данного метода является и то,что получаемые значения оптических характеристик не зависят ни от аппаратурных констант, ни от энергии излучения. А это значит, что отсутствует необходимость калибровки измерительной системы и установки аппаратурных констант ввиду их отсутствия в алгоритмах, которые получены без использования каких-либо допущений или пренебрежений этими константами. Повышение точности измерения коэффициента ослабления в 2 раз по сравнению с прототипом достигается за счет проведения измерений на двух длинах волн 1 и 2, которые незначительно различаются, и усреднения полученных результатов. Также точность повышается за счет измерения и учета длины контролируемой трассы. Так как два зондирующих сигнала генерируются в одной активной области двухволнового лазера, то обеспечиваются совмещение оптических осей зондирующих сигналов и более высокая стабильность разностной частоты зондирующих излучений, что также дает повышение точности измерения коэффициента ослабления по сравнению с прототипом. 1. Сергеев Н.М. Измерение прозрачности атмосферы с использованием двух лазеров Тез. докл.Всесоюзного симпозиума по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. - Томск, ч. 1, 1980. - С. 123-125. 2. А.с. СССР 1523974, МПК 01 21/47. Способ определения прозрачности участка рассеивающей среды / Б.Б.Виленчиц и др. // Бюл.43. - 1989. 3. Патент РБ 1385, МПК 01 3/19, Полупроводниковый лазер / А.А.Афоненко,В.К.Кононенко, И.С.Манак. Опубл. 1996. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.