RU2694461C1 - Remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm (2 versions), method of its implementation and a fiber-optic raman amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm - Google Patents
Remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm (2 versions), method of its implementation and a fiber-optic raman amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694461C1 RU2694461C1 RU2018116545A RU2018116545A RU2694461C1 RU 2694461 C1 RU2694461 C1 RU 2694461C1 RU 2018116545 A RU2018116545 A RU 2018116545A RU 2018116545 A RU2018116545 A RU 2018116545A RU 2694461 C1 RU2694461 C1 RU 2694461C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- laser
- optical
- fiber
- unit
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Заявляемая группа изобретений относится к области газоанализа, в частности, к аналитическому приборостроению, а именно к оптическим диагностическим приборам, которые устанавливают, преимущественно, на летательных аппаратах, в том числе, беспилотных, служащих для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ (пропана, аммиака, в основном метана), и определения местонахождения и интенсивности утечек из магистральных трубопроводов.The claimed group of inventions relates to the field of gas analysis, in particular, to analytical instrumentation, namely optical diagnostic devices, which are installed mainly on aircraft, including unmanned, serving for remote measurement of the concentration of gaseous substances (propane, ammonia, methane), and locating and leaking from main pipelines.
В настоящее время проблема оперативного мониторинга утечек природного газа из магистральных трубопроводов становится все более актуальной. Существующая система внутритрубной дефектоскопии по своей производительности не обеспечивает потребности в необходимых масштабах. Так, например, протяженность газопроводов различного назначения, принадлежащих ОАО «Газпром» и не приспособленных к такой диагностике, составляет 39,9%.Currently, the problem of on-line monitoring of natural gas leakages from trunk pipelines is becoming ever more urgent. The existing system of in-line inspection in its performance does not meet the need for the necessary scale. For example, the length of gas pipelines for various purposes, owned by Gazprom and not adapted to such diagnostics, is 39.9%.
Одним из способов решения существующей проблемы оперативного мониторинга утечек природного газа, в частности, метана, является применение лазерного дистанционного диагностирования.One of the ways to solve the existing problem of operational monitoring of natural gas leaks, in particular, methane, is the use of laser remote diagnostics.
Известные бортовые газоанализаторы, такие как ДЛС-Пергам (sdelanounas.ru/blogs/54271) или Аэропоиск-3М (ivalur.ru/…/magnetic-sys-control/airsearch-3m) имеют громоздкую конструкцию, для транспортировки которой необходима тяжелая авиационная техника - вертолет или средства малой авиации. Учитывая значительную протяженность магистральных трасс, а также высокую стоимость полетов, использование такой авиационной техники зачастую является экономически нецелесообразным.Well-known on-board gas analyzers, such as DLS-Pergam (sdelanounas.ru/blogs/54271) or Aeropoisk-3M (ivalur.ru/…/magnetic-sys-control/airsearch-3m) have a cumbersome design, which requires heavy aircraft for transportation - helicopter or small aircraft. Given the considerable length of the main routes, as well as the high cost of flights, the use of such aircraft is often not economically feasible.
В последнее время быстрыми темпами развивается легкая авиационная техника, в том числе, беспилотные летательные аппараты (БПЛА), рассчитанные на долговременные полеты на небольших скоростях и высотах от десятков до сотен метров. Однако из-за небольших габаритов и энерговооруженности БПЛА имеют ограничения по полезной нагрузке, которая по массе, как правило, не должна превышать 5-8 кг, а по энергопотреблению - 15-200 Вт.Recently, light aviation technology has been developing at a rapid pace, including unmanned aerial vehicles (UAVs) designed for long-term flights at low speeds and altitudes from tens to hundreds of meters. However, due to the small size and power supply of the UAV, there are limitations on the payload, which, as a rule, should not exceed 5–8 kg in mass, and 15–200 W in energy consumption.
Разработка и создание малогабаритного трассового газоанализатора с весовой характеристикой до 8 кг, дальностью обнаружения 100-150 м и обнаружительной способностью на данной трассе 100 ррм по газовому компоненту, преимущественно метану, являются актуальной задачей. При этом, средство диагностики должно обладать температурной и вибрационной устойчивостью. Кроме того, эксплуатация указанных приборов должна отличаться простотой и длительностью в перерывах между техническим обслуживанием. Важным аспектом является быстродействие устройства.The development and creation of a small-size trace gas analyzer with a weight characteristic of up to 8 kg, a detection range of 100-150 m and a detecting ability on a given route of 100 ppm for the gas component, mainly methane, is an urgent task. In this case, the diagnostic tool must have a temperature and vibration resistance. In addition, the operation of these devices should be simple and long in intervals between maintenance. An important aspect is the speed of the device.
На решение указанных проблем и направлена предлагаемая к защите группа изобретений.The group of inventions proposed for protection is aimed at solving these problems.
Известно, что для определения концентрации метана, содержащегося в атмосфере, наиболее эффективно используют линии поглощения колебательной полосы ν3 Q4=3,312 мкм и первого обертона 2ν3 R4=1,651 мкм. Полная ширина линии поглощения R4, измеренная на полувысоте контура, составляет Δ ν=0,13 см-1 при давлении окружающего воздуха 1 атм, где Δ ν - ширина линии поглощения. Причем линия R4, соответствующая инфракрасной (ИК) области, выбрана с учетом достаточно симметричного и узкого контура, а также наличия источника излучения в этой области, длина волны которого совпадает с длиной волны данного перехода.It is known that to determine the concentration of methane contained in the atmosphere, the most efficiently used are the absorption lines of the vibrational band ν 3 Q4 = 3.312 μm and the first overtone 2ν 3 R4 = 1.651 μm. The full width of the absorption line R4, measured at the half-height of the contour, is Δ ν = 0.13 cm -1 at an ambient air pressure of 1 atm, where Δ ν is the width of the absorption line. Moreover, the line R4, corresponding to the infrared (IR) region, was chosen taking into account a sufficiently symmetrical and narrow contour, as well as the presence of a radiation source in this region, the wavelength of which coincides with the wavelength of this transition.
Одной из проблем, возникающих при измерении поглощения диагностического излучения молекулами метана на трассе измерения, являются потери излучения, не связанные с поглощением метана. К таким потерям можно отнести рассеяние аэрозолями, изменение коэффициента отражения рассеивающей поверхности и т.п. Для исключения упомянутых потерь на основе метода дифференциального селективного поглощения (Schotland R.M. The detection of the vertical profile of atmospheric gases by means of a ground-bared optical radar.//Proc. 3rd Symposium on Remote Sensing of Environment, Michigan. Ann, Arbor, USA, 1964. P 215-224; NadezhdinskiA.I. Prohorov AM Modern trends in diode laser spectroscopy // Proc. SPIEV.1724. 1992. p. 2-19) используют одновременное измерение интенсивности поглощения излучения, прошедшего на обследуемой трассе (рассеивающей поверхности) на линии поглощения метана, и вне этой линии (опорной кювете) (Kiyoji Uehara and Hideo Tai. Remote detection of methane with a 1.66 - pm diode laser. Appl. Optics. 1992, Vol. 31, №6.pp.809-814). Измерения проводят путем быстрой перестройки длины волны излучения в области линии поглощения. В случае применения в качестве источника лазерного излучения полупроводникового диода с распределенной обратной связью (например, DFB), такая перестройка выполняется путем быстрого изменения тока питания диода, при этом линия излучения перестраивается от одного крыла (края) линии до другого. Таким образом, приемник рассеянного излучения регистрирует полный контур линии поглощения, при этом ширина линии генерации полупроводникового лазерного диода составляет 10-4 см-1 или 3 МГц. Данный способ позволяет исключить все возмущения, связанные с рассеянием, вариациями альбедо земной поверхности и другими потерями интенсивности, не связанными с определяемым газом, в частности, метаном.One of the problems that arise when measuring the absorption of diagnostic radiation by methane molecules on the measurement path is the radiation loss that is not associated with the absorption of methane. These losses include scattering by aerosols, changes in the reflectance of the scattering surface, etc. To exclude the mentioned losses based on the ground-bared optical radar method of the optical radar. USA, 1964. P 215-224; NadezhdinskiA.I. Prohorov AM Modern trends in diode laser spectroscopy // Proc. SPIEV.1724. 1992. p. 2-19) use a simultaneous measurement of the intensity of absorption of the radiation transmitted on the path under study (dissipating surface) on the methane absorption line, and beyond this line (reference cell) (Kiyoji Uehara and Hideo Tai. Remote detection of methane with a 1.66 - pm diode laser. Appl. Optics. 1992, Vol. 31, No. 6.pp.809 -814). Measurements are carried out by quickly tuning the radiation wavelength in the region of the absorption line. If a semiconductor diode with distributed feedback (for example, DFB) is used as a laser source, this tuning is performed by rapidly changing the diode supply current, and the emission line is rebuilt from one wing (edge) of the line to the other. Thus, the receiver of the scattered radiation registers the full contour of the absorption line, and the width of the generation line of the semiconductor laser diode is 10 −4 cm -1 or 3 MHz. This method allows one to exclude all disturbances associated with scattering, variations in the albedo of the earth's surface, and other losses of intensity that are not associated with the gas to be determined, in particular, with methane.
После получения информации с обоих каналов (из атмосферы и реперной (опорной) кюветы) осуществляют сравнение полученных результатов путем корреляционной обработки и определяют среднюю концентрацию метана по трассе измерения. Корреляционную обработку выполняют для каждого сканирования отдельно.After receiving information from both channels (from the atmosphere and the reference (reference) cell), the obtained results are compared by correlation processing and the average concentration of methane is determined along the measurement route. Correlation processing is performed for each scan separately.
Излучение газового анализатора, попадая на точку поверхности трассы обследования рассеивается, при этом часть рассеянного излучения, попадающего в апертуру приемной оптической системы, усиливается входным трактом электронной системы приемника и поступает в систему обработки и записи информации.The radiation of a gas analyzer, falling on a point on the surface of the survey route, is scattered, while part of the scattered radiation that falls into the aperture of the receiving optical system is amplified by the input path of the receiver’s electronic system and enters the information processing and recording system.
Дальность действия и обнаружительная способность дистанционного газоанализатора селективного поглощения определяются спектральной мощностью оптического излучения передатчика и эффективностью (апертурой, отношением сигнал/шум) приемного тракта.The range and detecting ability of a remote selective-detector gas analyzer are determined by the spectral power of the transmitter optical radiation and the efficiency (aperture, signal-to-noise ratio) of the receiving path.
Из уровня техники известны следующие оптические методы определения метана: одночастотный трассового поглощения с LED (light emitted diod - светодиод) малой мощности и широкой полосой излучения; дифференциальный по поглощению с широкополосными LED; дифференциальный узкополосный по поглощению на длине волны 3,39 мкм; дифференциальный узкополосный по поглощению на длине волны 1,65 мкм. Достоинствами дифференциального узкополосного метода являются возможность измерения на протяженных трассах, а также наличие эффективных приемников сигнала. К основным недостаткам можно отнести отсутствие достаточно мощных полупроводниковых лазеров до 30 мВт и, вследствие этого, необходимость применения дополнительных усилителей лазерного излучения (см., например, Природный газ. Метан. Справ. / С.Ю. Пирогов, Л.А. Акулов, М.В. Ведерников и др. СПб: НПО «Профессионал», 2006).The following optical methods for the determination of methane are known in the art: single-path route absorption with LED (light emitted diod - LED) of low power and wide emission band; differential absorption with broadband LED; differential narrowband absorption at a wavelength of 3.39 microns; differential narrowband absorption at a wavelength of 1.65 microns. The advantages of the differential narrowband method are the possibility of measuring on long paths, as well as the presence of effective signal receivers. The main disadvantages include the absence of sufficiently powerful semiconductor lasers up to 30 mW and, consequently, the need to use additional laser amplifiers (see, for example, Natural gas. Methane. Ref. / S.Yu. Pirogov, LA Akulov, MV Vedernikov et al. St. Petersburg: NPO Professional, 2006).
Из уровня техники известны серийно выпускаемые малогабаритные лидарные системы, в большинстве своем, имеющие малый радиус действия - 20-30 метров действия (например, http//:granat-e.ru; www.tokvogas-cs.co.jp/en).The prior art commercially available small-sized lidar systems, most of which have a small radius of action - 20-30 meters of action (for example, http //: granat-e.ru; www.tokvogas-cs.co.jp/en).
Известны усилители лазерного излучения, например, параметрические (ПУ) - Ахманов С.А., Хохлов Р.В. «Параметрические усилители и генераторы света» УФН 88, стр. 439-460. 1966; полупроводниковые (ППУ) - Дураев В.П. «Лазерная техника и оптоэлектроника», 1992, №№3-4, 40; http//:nolatech.ru.; рамановские волоконные (РВУ) - L.A.Bufetuv* at all. Raman Gain Properties of Optical Fibers with a High Content of Germanium and Standart Optical Fibers Laser Physics, 11, №1, p. 130-133. 2001.Known amplifiers of laser radiation, for example, parametric (PU) - Akhmanov SA, Khokhlov R.V. "Parametric amplifiers and light generators" UFN 88, pp. 439-460. 1966; semiconductor (PPU) - Duraev V.P. "Laser technology and optoelectronics", 1992, №№ 3-4, 40; http //: nolatech.ru .; Raman fiber (FAL) - L.A.Bufetuv * at all. High-Quality Fibers and Optical-Fibers Laser Physics and Optical Laser Laser Physics, 11, No. 1, p. 130-133. 2001.
Наилучшими характеристиками по температурной и вибрационной стабильности, простоте и быстроте запуска, обладают рамановские волоконные усилители (РВУ). Данный тип усилителей может быть реализован в виде монолитной сварной конструкции, которая не имеет зон открытого лазерного излучения, благодаря чему снижается чувствительность к запыленности и настройке входных и выходных адаптеров открытого канала, при этом устройство остается температуро- и виброустойчивым. Рамановский усилитель обеспечивает усиление лазерного излучения с общей выходной мощностью до сотен милливатт при мощности входного сигнала всего в единицы милливатт. Известные усилители, построенные по такому принципу, преимущественно используют в системах удаленных цифровых оптоволоконных линий связи.Raman fiber amplifiers (DIT) have the best characteristics in temperature and vibration stability, simplicity and quickness of launch. This type of amplifiers can be implemented as a monolithic welded structure that does not have open laser radiation zones, which reduces the sensitivity to dustiness and adjusts the input and output adapters of the open channel, while the device remains temperature and vibration resistant. A Raman amplifier provides amplification of laser radiation with a total output power of up to hundreds of milliwatts with an input power of just a few milliwatts. Known amplifiers built on this principle are mainly used in systems of remote digital fiber-optic communication lines.
Однако данные усилители работают на иных длинах волн, отличающихся от длины детектирования, в частности, метана (СН4) в ИК (инфракрасной) области 1,651 мкм, при этом диапазон перестройки длины волны должен перекрывать пик спектрального поглощения метана (6055-6059 см-1). В отличие от известных рамановских усилителей цифровых сигналов, применяемых для передачи данных, в случае с газоанализаторами используют аналоговый сигнал (например, патент РФ №2427081 на изобретение «Способ регулирования ООСШ в волоконно-оптической линии передачи данных с использованием рамановского усиления», дата приоритета 08.03.2007 г., заявка РСТ WO 2007/113792, дата публикации заявки 11.10.2007 г.; CN 106159651 на изобретение «Locked-mode fiber laser containing circulation fiber loop», дата приоритета 2015-04-16, дата публикации 2016-11-23).However, these amplifiers operate at different wavelengths different from the detection length, in particular, methane (CH 4 ) in the IR (infrared) region of 1.651 μm, and the wavelength tuning range should cover the peak of the spectral absorption of methane (6055-6059 cm -1 ). In contrast to the well-known digital Raman amplifiers used for data transmission, in the case of gas analyzers an analog signal is used (for example, RF patent No. 2427081 for the invention “Method for regulating primary colloidal optical fiber in a fiber-optic data transmission line using Raman amplification”, priority date 08.03 .2007, PCT application WO 2007/113792, date of publication of the application October 11, 2007; CN 106159651 for the invention of "Locked-mode fiber laser containing circulation fiber loop", priority date 2015-04-16, date of publication 2016-11 -23)
Преимуществами рамановских волоконных усилителей являются непрерывный режим работы, высокий коэффициент преобразования, возможность беспроблемного интегрирования с задающим генератором и методом дифференциального селективного поглощения газов (ДСПГ), а также надежная защита от пыли и вибрации, благодаря сварной конструкции и незначительному весу.The advantages of Raman fiber amplifiers are continuous operation, a high conversion factor, the possibility of seamless integration with the master generator and the method of differential selective gas absorption (DSPG), as well as reliable protection against dust and vibration due to the welded design and low weight.
Известно, что в результате теплового движения происходит изменение молекулярной координаты в твердом теле (А.В. Леонов, О.Е. Наний, В.Н. Трещиков. Усилители на основе вынужденного комбинационного рассеяния в оптических системах связи. Прикладная фотоника, 2014, №1, стр. 26-49). Световая волна распространяется в такой среде, испытывая рассеяние от взаимодействия с поляризуемостью среды и обогащается дополнительными компонентами, вызванными взаимодействием света с колеблющимися молекулами. К собственной частоте излучения добавляются частоты суммарные и разностные с колебаниями молекул среды, так называемые «стоксовы» и «антистоксовы» компоненты соответственно. И, если световая волна имеет значительную мощность, она сама начинает воздействовать на среду, вызывая вынужденные колебания. При посылке в такую среду «затравочного» или «сигнального» излучения на разностной частоте оно будет усиливаться за счет перекачки мощности из излучения мощной световой волны «накачки». На этом и основан принцип действия рамановского волоконного усилителя.It is known that as a result of thermal motion, a change in the molecular coordinate in a solid occurs (AV Leonov, OE Naniy, VN Treshchikov. Amplifiers based on stimulated Raman scattering in optical communication systems. Applied photonics, 2014, No. 1, pp. 26-49). The light wave propagates in such a medium, experiencing scattering from the interaction with the polarizability of the medium and is enriched with additional components caused by the interaction of light with oscillating molecules. The total and difference frequencies with the vibrations of the molecules of the medium, the so-called “Stokes” and “anti-Stokes” components, are added to the natural frequency of the radiation, respectively. And, if the light wave has significant power, it itself begins to affect the environment, causing forced oscillations. When sending “seed” or “signal” radiation at the difference frequency to such an environment, it will be amplified by transferring power from the radiation of a powerful light wave “pumping”. The principle of operation of the Raman fiber amplifier is based on this.
Из уровня техники известен способ оптического определения газового компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа, включающий облучение пробы исследуемого газа с использованием лазерного излучения с различными длинами волн, при котором производят сложение люминесцентного излучения в УФ или видимом диапазоне с лазерным излучением в ближнем ИК-диапазоне для достижения порога интенсивности, при котором возникает эффект вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна с образованием стоксовых составляющих, регистрируют спектральное распределение интенсивности прошедшего через пробу излучения, определяют превышение полученного сигнала над пороговым уровнем шума и сравнивают абсолютные значения полученных пиков и главного максимума, соответствующего лазерному излучению, причем пробу исследуемого газа облучают в камере газоанализатора, заполненной водой, температуру которой поддерживают в диапазоне 80-85°С, при этом присутствие компонента идентифицируют по частоте максимума излучения, полученного в результате вынужденного рассеивания Мандельштама-Бриллюэна, а его концентрацию определяют как логарифм интенсивности стоксовой составляющей, при этом может быть использован, по меньшей мере, один твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой, встроенный в камеру газоанализатора (патент №2626389 на изобретение «Способ оптического определения компонента, преимущественно сероводорода, и его концентрации в потоке газа», дата подачи 22.01.2016 г., опубликовано 26.07.2017 г.).The prior art method of optical determination of the gas component, mainly hydrogen sulfide, and its concentration in the gas stream, including the irradiation of the sample gas under study using laser radiation with different wavelengths, which produce the addition of fluorescent radiation in the UV or visible range with laser radiation in the near IR range to reach the threshold of intensity at which the effect of the induced Mandel'shtam-Brillouin scattering with the formation of Stokes components occurs, register the spectral intensity distribution of the radiation transmitted through the sample, determine the excess of the received signal above the threshold noise level and compare the absolute values of the received peaks and the main maximum corresponding to the laser radiation, and the sample of the test gas is irradiated in a gas analyzer chamber filled with water, which temperature is maintained in the range 80- 85 ° C, while the presence of the component is identified by the frequency of the maximum of the radiation obtained as a result of stimulated scattering Mandel'shtam-Brillouin, and its concentration is defined as the logarithm of the intensity of the Stokes component, and at least one solid-state semiconductor-pumped laser embedded in the gas analyzer chamber (patent No. 2626389 for the invention “Method for optical determination of a component, mainly hydrogen sulfide, and its concentration in the gas stream ", filing date 01.22.2016, published 07.27.2017).
Недостатки таких систем связаны с применением лазерного излучения на разных длинах волн, включая УФ область, которые не обеспечивают необходимые выходные параметры усиления на заданной длине волны излучения. Кроме того, наряду с рабочим процессом вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в среде под действием световой волны возникает паразитное вынужденное рассеяние на акустических волнах или фононах - рассеяние Мальдештама-Брюэллена (ВРМБ) (Govind P. Agrawal, Non-liner Fibre Optics Academic Press INC. Harcourt. Brace Jovanovich Publishers «Stimulated Brillouin Scattering-Chapter 9» 1989). Конструкция громоздка, в том числе, из-за необходимости использования кюветы, заполненной водой, которую, в свою очередь, необходимо постоянно подогревать.The disadvantages of such systems are associated with the use of laser radiation at different wavelengths, including the UV region, which do not provide the necessary output gain parameters at a given radiation wavelength. In addition, along with the workflow of stimulated Raman scattering (SRS) in a medium under the action of a light wave, parasitic stimulated scattering on acoustic waves or phonons occurs — Maldeshtam-Bruellen scattering (SBS) (Govind P. Agrawal, Non-liner Fiber Optics Academic Press INC) Harcourt. Brace Jovanovich Publishers (Stimulated Brillouin Scattering-Chapter 9 (1989). The design is cumbersome, including, due to the need to use a cell filled with water, which, in turn, must be constantly heated.
Известен измеритель концентрации метана многоканальный оптоволоконный, характеризующийся тем, что он обеспечивает измерение концентрации метана в воздухе в подключенных к независимым волоконно-оптическим линиям пассивным оптическим сенсорам посредством пропускания через них монохроматического оптического лазерного излучения, длина волны которого изменяется по задаваемому периодическому закону, при этом параметры лазера устанавливаются через обратную связь, организованную путем отвода части излучения посредством оптоволоконного разветвителя и пропускания его через герметично запаянную калибровочную кювету с метаном в составе головного блока устройства, кроме того, прием излучения от независимых сенсоров производится посредством последовательного опроса и анализа сигналов, получаемых от массива фотоприемников, количество которых соответствует количеству измерительных каналов с учетом канала опорного сигнала и канала калиброванной кюветы с метаном (патент №172412 на полезную модель «Измеритель концентрации метана многоканальный оптоволоконный», дата подачи 08.11.2016 г., опубликовано 07.07.2017 г.).A known methane concentration meter is a multichannel fiber optic, characterized in that it provides a measurement of methane concentration in air in passive optical sensors connected to independent fiber optic lines by passing monochromatic optical laser radiation through them, the wavelength of which varies according to a predetermined periodic law, and the parameters lasers are installed through feedback, organized by removing a portion of the radiation through fiber optic about a splitter and passing it through a hermetically sealed calibration cell with methane as part of the device’s head unit; in addition, radiation from independent sensors is received by sequential polling and analyzing signals received from an array of photodetectors, the number of which corresponds to the number of measuring channels taking into account the reference signal channel and a channel of a calibrated cuvette with methane (patent No. 172412 for the utility model "Multi-channel fiber optic methane concentration meter", the date of submission and 11.08.2016, at 07.07.2017 was published).
Недостатки данного устройства обусловлены необходимостью размещения в области измерения специальных сенсоров, соединенных с измерительным блоком электрическими или оптоволоконными линиями связи, и, как следствие, невозможностью выполнения работы на расстояниях свыше нескольких метров и, тем более, с дальностью обследования 100-150 метров.The disadvantages of this device are due to the need to place special sensors in the measurement area, connected to the measuring unit by electrical or fiber-optic communication lines, and, as a result, the impossibility of performing work at distances over several meters and, especially, with an examination range of 100-150 meters.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор, содержащий блок лазерного излучателя с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, и блок приема аналитического сигнала, оптически связанный с блоком лазерного излучателя через диффузно отражающий объект, а также блок управления, приема и обработки данных, при этом блок лазерного излучателя содержит оптически последовательно связанные модуль диодного лазера, коллиматор, делитель лазерного излучения на два пучка, один из которых через кювету сравнения оптически связан с детектором сигнала сравнения, а второй пучок через диффузно отражающий объект оптически связан с фокусирующим элементом блока приема аналитического сигнала, при этом на одной с фокусирующим элементом оптической оси последовательно установлены светофильтр, оптический согласующий элемент, а также детектор аналитического сигнала, причем оптический согласующий элемент служит для построения изображения входной апертуры фокусирующего элемента на чувствительном элементе детектора аналитического сигнала, при этом взаимное расположение оптической оси пучка излучения, направляемого на диффузно отражающий объект, и оптической оси фокусирующего элемента обеспечивает частичное или полное попадание облучаемой области объекта в поле зрения детектора аналитического сигнала, а блок управления, приема и обработки данных выполнен в виде трех модулей, а именно: цифрового программируемого модуля, модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей и модуля преобразователей аналоговых сигналов, при этом посредством электрических соединений выход детектора аналитического сигнала соединен с первым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, выход детектора сигнала сравнения соединен со вторым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, а выход модуля диодного лазера соединен с третьим входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, первый выход модуля преобразователей аналоговых сигналов соединен с входом модуля диодного лазера, второй выход модуля преобразователей аналоговых сигналов соединен с первым входом модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей, первый выход модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей соединен с четвертым входом модуля преобразователей аналоговых сигналов, второй выход модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей соединен с первым входом цифрового программируемого модуля, выход которого соединен со вторым входом модуля цифроаналоговых и аналогово-цифровых преобразователей (патент №2285251 на изобретение «Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор», дата подачи 30.12.2004 г., опубликовано 10.10.2006 г.).The closest technical solution to the claimed invention is a remote optical absorption laser gas analyzer containing a laser emitter unit with a wavelength varying in the absorption range of the detected molecule, and an analytical signal receiving unit optically connected to the laser emitter unit through a diffusely reflecting object, as well as a control unit receiving and processing data, while the laser emitter unit contains an optically connected diode laser module, we collimate torus, laser beam divider into two beams, one of which is optically connected to the comparison signal detector through the reference cuvette, and the second beam is optically connected to the focusing element of the analytical signal receiving unit through the diffusely reflecting object, while the same beam is mounted on the optical axis focusing element a light filter, an optical matching element, and an analytic signal detector, the optical matching element used to focus the image of the input aperture element on the sensitive element of the analytic signal detector, while the relative position of the optical axis of the radiation beam directed to the diffusely reflecting object and the optical axis of the focusing element ensures that the irradiated area of the object partially or completely enters the field of view of the analytical signal detector, data processing is made in the form of three modules, namely: a digital programmable module, a module of digital-analog and analog-digital converters and a converter module detectors of analog signals; at that, the output of the detector of the analytical signal is connected to the first input of the analog signal converter module, the output of the reference signal detector is connected to the second input of the analog signal converter module, and the output of the diode laser module is connected to the third input of the analog signal converter module, the first the output of the analog signal converter module is connected to the input of the diode laser module, the second output of the analog converter module Signal signals are connected to the first input of the module of digital-analog and analog-digital converters, the first output of the module of digital-analog and analog-digital converters is connected to the fourth input of the module of converters of analog signals, the second output of the module of digital-analog and analog-digital converters is connected to the first input of the digital programmable module, the output which is connected to the second input of the module of digital-analog and analog-to-digital converters (patent No. 2285251 for the invention “Remote tic absorption laser gas analyzer ”, filing date 30.12.2004, published 10.10.2006).
Недостатки прототипа заключаются в малой мощности выходного оптического излучения, необходимого для измерения концентраций газового компонента, например, метана, на расстоянии 100-150 метров. Конструкцию невозможно оптимизировать как по весу, например, до 5 кг, так и по габаритам. Кроме того, известное устройство не обеспечивает снижение шумов, влияющих на значение минимально определяемой концентрации газового компонента, а также уменьшение динамического диапазона, что влияет на точность измерений.The disadvantages of the prototype lie in the low power of the output optical radiation necessary for measuring concentrations of the gas component, for example, methane, at a distance of 100-150 meters. The design cannot be optimized both in weight, for example, up to 5 kg, and in size. In addition, the known device does not reduce the noise affecting the value of the minimum determined concentration of the gas component, as well as the reduction of the dynamic range, which affects the measurement accuracy.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений, является повышение чувствительности газоанализатора с обнаружительной способностью 100 ррм по газу, преимущественно метану, на трассе дальностью 100-150 м в ИК-диапазоне, а также повышение эффективности регулирования отношением оптического сигнала к шумам (ООСШ), точности измерения до 0,1 ppm/m, снижение веса до 5 кг и габаритов.The technical result, which the claimed group of inventions is intended to achieve, is an increase in the sensitivity of a gas analyzer with a detecting ability of 100 ppm of gas, mainly methane, on a route with a range of 100-150 m in the infrared range, as well as an increase in the efficiency of regulation by the ratio of the optical signal to noise ), measurement accuracy to 0.1 ppm / m, weight reduction to 5 kg and dimensions.
Дополнительными результатами являются повышение пыле- и виброустойчивости.Additional results are increased dust and vibration resistance.
Указанный результат достигается тем, что оптоволоконный рамановский усилитель для дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора с длиной волны излучения в области 1,6 мкм, включающий оптический световод, согласно изобретению в качестве световода используют высокогерманосиликатное оптическое волокно с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, на входе которого с возможностью ввода лазерного излучения в его сердцевину установлено устройство ввода излучения, связанное с лазерным диодом и лазером накачки, формирующим излучение в диапазоне спектра поглощения определяемого газового компонента и соединенным с одночастотным задающим диодом накачки, а на выходе световода размещено устройство вывода излучения с каналом для отвода остаточного излучения, при этом в качестве лазера накачки используют эрбиево-иттербиевый волоконный лазер.This result is achieved by the fact that a fiber Raman amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer with a radiation wavelength in the 1.6 μm region, including an optical fiber according to the invention, uses a high-germanosilicate optical fiber with a high content of germanium oxide of at least 28% as the optical fiber, the input of which, with the possibility of introducing laser radiation into its core, is installed a radiation input device associated with a laser diode and pumped laser and generating radiation in the range of the absorption spectrum of the detected gas component and connected to the single-frequency driving pump diode, and at the output of the fiber a radiation output device with a channel for removing the residual radiation is placed, and an erbium-ytterbium fiber laser is used as the pump laser.
В качестве устройства ввода и вывода излучения используют мультиплексоры.Multiplexers are used as input and output devices.
Наиболее эффективной длиной волны излучения диода накачки эрбий-иттербиевого лазера накачки с длиной излучения 1539 нм рамановского усилителя, при определении газового компонента в области 1,65 мкм является длина волны генерации 980 нм.The most effective wavelength of the pump diode of an erbium-ytterbium pump laser with a radiation length of 1539 nm of a Raman amplifier, when determining the gas component in the 1.65 μm region, is the generation wavelength of 980 nm.
Для достижения усиления в требуемом диапазоне длин волн, в частности для метана с длиной волны λ = 1,65 мкм (1650 нм), и имея в виду, что собственная частота для силикатного волокна составляет 440 см-1, длина волны генерации лазера накачки должна составлять 1539 (~1540) нм. В этой области длин волн эффективным активным материалом является волокно с добавками из редкоземельных элементов, например, эрбия и иттербия, при этом иттербий эффективно поглощает излучение задающего диода накачки и передает запасенную энергии эрбию, который, в свою очередь, излучает необходимую длину волны.To achieve amplification in the required wavelength range, in particular for methane with a wavelength of λ = 1.65 μm (1650 nm), and bearing in mind that the natural frequency for a silicate fiber is 440 cm -1 , the wavelength of the pump laser generation should be 1539 (~ 1540) nm. In this wavelength region, an effective active material is a fiber with additives from rare-earth elements, for example, erbium and ytterbium, while ytterbium effectively absorbs radiation from the master pump diode and transmits the stored energy to erbium, which in turn emits the required wavelength.
Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения в области 1,6 мкм, включающий блок задающего лазерного излучателя с лазерным диодом, оптически связанный с реперной кюветой и через диффузно рассеивающую поверхность с апертурой блока приема аналитического сигнала, включающего оптическую приемную систему, детектор сравнения, а также блок управления, приема и обработки данных, блок навигации, согласно изобретению дополнительно содержит блок термостабилизации, связанный с лазерным диодом и электрически соединенный с блоком управления, а также блок оптоволоконного рамановского усилителя, в качестве световода для которого используют высокогерманосиликатное оптическое волокно с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, при этом на входе оптоволоконного рамановского усилителя установлено устройство ввода излучения, поступающего от связанного с ним эрбий-иттербиевого лазера накачки, соединенного с одночастотным задающим диодом накачки, и лазерного диода, а на выходе рамановского усилителя размещено устройство вывода излучения с каналом для отвода остаточного излучения, через оптический изолятор связанное с оптической формирующей системой, которая через диффузно рассеивающую поверхность соединена с оптической приемной системой, к которой последовательно подключены фотодетектор, усилитель аналитического сигнала, блок обработки данных, электрически соединенный с задающим диодом накачки, блоком управления, блоком навигации и блоком записи и хранения информации.Remote optical absorption laser gas analyzer with a radiation wavelength in the 1.6 μm region, including a laser diode laser transmitter unit with a laser diode, optically coupled to a reference cell and through a diffusely scattering surface with an aperture of an analytical signal reception unit, including an optical receiving system, a comparison detector, as well as a control unit for receiving and processing data, the navigation unit according to the invention further comprises a thermal stabilization unit associated with a laser diode and electric Ecology unit connected to the control unit, as well as a fiber optic Raman amplifier unit, for which a high-germanosilicate optical fiber with a high content of germanium oxide of at least 28% is used as the optical fiber, and an input device for the radiation from the associated erbium is installed at the input of the fiber optic Raman amplifier -titerbium pumping laser connected to a single-frequency driving pump diode and laser diode, and at the output of the Raman amplifier there is an output device from exercises with a channel for removal of residual radiation, through an optical isolator connected to the optical forming system, which through a diffusely scattering surface is connected to an optical receiving system, to which a photodetector, an analytical signal amplifier, a data processing unit electrically connected to the master pump diode, are connected in series control, navigation unit and the recording and storage of information.
Дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения 1,6 мкм по второму варианту дополнительно содержит акустооптическую систему, установленную между оптическим изолятором и оптической формирующей системой.The remote optical absorption laser gas analyzer with a radiation wavelength of 1.6 μm according to the second embodiment further comprises an acousto-optical system installed between the optical isolator and the optical forming system.
В качестве фотодетектора может быть применен, например, InGaAs фотодиод, а в качестве усилителя сигнала - малошумящий широкополосный трансимпедансный усилитель.For example, an InGaAs photodiode can be used as a photodetector, and a low-noise broadband transimpedance amplifier can be used as a signal amplifier.
Способ дистанционного количественного обнаружения газового компонента с помощью дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора с длиной волны излучения в области 1,6 мкм, устанавливаемого на беспилотном летательном аппарате, заключающийся в формировании оптического лазерного излучения с длиной волны излучения, изменяющейся в области полосы поглощения детектируемой молекулы газового компонента, разделении его на два пучка, один из которых направляется на обследование диффузно рассеивающей поверхности для поглощения излучения определяемым газовым компонентом, а другой - в реперную кювету с эталонным содержанием детектируемого газового компонента, регистрации сигналов, поступающих от обоих пучков после отражения в блок управления, и их сравнении путем корреляционной обработки, согласно изобретению пучок лазерного излучения, направляемый на диффузно рассеивающую поверхность, усиливается благодаря проходу через оптоволоконный рамановский усилитель с высокогерманосиликатным оптическим световодом, выполненным с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, и подаче на вход рамановского усилителя дополнительного лазерного излучения с длиной волны генерации в области поглощения определяемого газового компонента от лазера накачки, выполненного из эрбиево-иттербиевого волокна, при этом лазерное излучение вводят в сердцевину световода рамановского усилителя, а после отражения от диффузно рассеивающей поверхности часть излучения попадает в оптическую приемную систему блока приема аналитического сигнала, регистрируется фотодетектором, с которого сигнал поступает в усилитель, а затем в систему обработки сигнала и блок управления для корреляционной обработки данных.Method for remote quantitative detection of a gas component using a remote optical absorption laser gas analyzer with a radiation wavelength in the 1.6 μm region, mounted on an unmanned aircraft, which consists in forming optical laser radiation with a radiation wavelength varying in the region of the absorption band of the detected gas component molecule dividing it into two beams, one of which is sent to the survey of a diffusely scattering surface for sensations of radiation determined by the gas component, and the other in the reference cell with the reference content of the detected gas component, recording signals from both beams after reflection into the control unit, and comparing them by correlation processing, according to the invention, a laser beam directed to a diffuse scattering surface amplified by passing through a fiber optic Raman amplifier with a high-germanosilicate optical fiber made with a high content of hydroxy and germanium is not less than 28%, and supplying to the input of a Raman amplifier additional laser radiation with a generation wavelength in the absorption region of the detected gas component from a pump laser made of erbium-ytterbium fiber, while the laser radiation is injected into the core of the Raman optical fiber, and after reflections from a diffuse scattering surface, a part of the radiation enters the optical receiving system of the analytical signal receiving unit, and is recorded by a photo detector, from which the signal arrives at silica gel, and then to the signal processing system and the control unit for correlation data processing.
Изобретение поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where
Фиг. 1 - принципиальная схема дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора по первому варианту.FIG. 1 is a schematic diagram of a remote optical absorption laser gas analyzer in the first embodiment.
Фиг. 2 - принципиальная схема дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора по второму варианту.FIG. 2 is a schematic diagram of a remote optical absorption laser gas analyzer according to the second embodiment.
Заявляемый дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор с длиной волны излучения в области 1,6 мкм устанавливают на борту беспилотного летательного аппарата (БПЛА).The inventive remote optical absorption laser gas analyzer with a radiation wavelength in the region of 1.6 μm is mounted on board an unmanned aerial vehicle (UAV).
Газоанализатор содержит блок лазерного излучателя, включающий задающий генератор в виде одночастотного лазерного диода 1, настроенного на формирование заданной длины излучения, например, на длину волны излучения метана в ИК области, λзг =1,65 мкм (1650 нм), и выполненного с возможностью быстрой перестройки длины волны излучения вблизи этой области. Метод регистрации всего контура линии поглощения, в отличие от двухчастотного позволяет на порядок повысить обнаружительную способность диагностической аппаратуры за счет возможности выделения формы линии из зашумленного сигнала путем его корреляционной обработки. Схемное решение газоанализатора на основе одночастотного задающего генератора 1 предусматривает разделение лазерного излучения от лазерного диода на два пучка, один из которых через ответвитель 2 отводится на опорный канал, состоящий из реперной кюветы 3, заполненной смесью газового компонента, например, метана и воздуха при атмосферном давлении, другой - направляется на объект обследования, и проходя через ответвитель 2, оптический изолятор 20, устройство ввода излучения 4, в качестве которого применяют сплавной спектрально селективный входной мультиплексор (WDM), поступает на вход световода (на чертеже не показан) рамановского оптоволоконного усилителя 5 (РВУ), который необходим для увеличения дальности действия и чувствительности газоанализатора. Одновременно с излучением от задающего лазерного диода 1 на входной мультиплексор 4 для усиления лазерного излучения подается дополнительное излучение от лазера накачки 6, в качестве рабочего волокна для которого применяют эрбий-иттербиевое волокно (позиция не присвоена).The gas analyzer contains a laser emitter unit that includes a master oscillator in the form of a single-frequency laser diode 1, configured to form a given radiation length, for example, the methane radiation wavelength in the IR region, λ cr = 1.65 μm (1650 nm), and configured to fast tuning of the radiation wavelength near this region. The method of recording the entire contour of the absorption line, in contrast to the two-frequency one, allows an increase in the detecting ability of diagnostic equipment by an order of magnitude due to the possibility of isolating the line shape from a noisy signal by correlating it. The schematic solution of a gas analyzer based on a single-frequency master oscillator 1 provides for the separation of laser radiation from a laser diode into two beams, one of which is diverted through a coupler 2 to a reference channel consisting of a reference cell 3 filled with a mixture of a gas component, for example, methane and air at atmospheric pressure , the other is sent to the object of examination, and passing through the coupler 2, the
Оптический изолятор 20 также служит для предотвращения попадания отражений от мощного излучения лазера накачки 6 от возможных элементов схемы в задающий генератор и паразитной генерации типа вынужденного рассеивания Мандельштама-Брюэллена и, следовательно, для повышения точности измерений. На выходе рамановского усилителя 5 установлено устройство вывода излучения в виде мультиплексора 7, аналогичного входному 4, с каналом для вывода остаточного излучения накачки (на чертеже не показан). Выходной мультиплексор связан с оконечным оптическим изолятором 8, предотвращающим попадание в РВУ излучения, отраженного от оптической формирующей системы (выходной оптики) 9, предназначенной для формирования и направления излучения на диффузно рассеивающую поверхность, например, поверхность земли или магистральный трубопровод. После попадания на сканируемый объект и рассеяния часть излучения попадает в апертуру оптической приемной (собирающей) системы 10, в качестве которой используют линзы Френеля. Затем отраженный сигнал проходит, по меньшей мере, через один линейный фотодетектор 11, и соединенный с ним усилитель сигнала 12, который, в свою очередь, подключен к блоку обработки данных 13, связанного с блоком записи и хранения данных 14, в который поступают данные от установленных на борту БПЛА блока навигации GPS, датчиков параметров БПЛА, осуществляющего питание всей электрической схемы газоанализатора блока аккумуляторов, представленных на фиг. 1, 2 в виде блока 15. В качестве фотодетектора может быть использован, например, InGaAs фотодиод, а в качестве усилителя сигнала - малошумящий широкополосный трансимпедансный усилитель.
Система обработки данных 13 через блок управления 16 задающим генератором 1 соединена с системой термостабилизации 17 и задающим генератором 1, при этом система термостабилизации, обеспечивающая удержание температуры в рабочем диапазоне, что способствует более точным измерениям, закреплена на задающем генераторе посредством слоя термопасты (на чертеже не показана).The data processing system 13 through the
Кроме этого, блок управления 16 электрически связан с лазерным диодом накачки 18, который, в свою очередь, соединен с эрбиево-иттербиевым лазером накачки 6.In addition, the
К блоку управления 16 электрически присоединена реперная кювета 3.To the
Как вариант, газоанализатор может содержать акустооптическую систему сканирования 19 (акустооптический дефлектор), необходимую для пространственной подстройки пучка выходного излучения для удержания заданной траектории на диффузно рассеивающей поверхности. В качестве акустооптической системы может быть применен, например, кристалл парателлурита, размещенный между оптическим изолятором 9 и выходной оптикой 10.Alternatively, the gas analyzer may contain an acousto-optic scanning system 19 (an acousto-optic deflector) necessary for spatial adjustment of the output radiation beam to maintain a given trajectory on a diffusely scattering surface. As an acousto-optic system, for example, a paratellurite crystal placed between the optical isolator 9 and the output optics 10 can be used.
Для расчета концентрации определяемого газового компонента были приняты следующие математические соотношения.To calculate the concentration of the gas component to be determined, the following mathematical relationships were adopted.
Концентрация исследуемого газа определяется по формуле:The concentration of the test gas is determined by the formula:
где α - коэффициент совпадения кросс - и авто - корреляционных функций аналитической трассы и реперного канала (кюветы).where α is the coefficient of coincidence of the cross - and auto - correlation functions of the analytical trace and the reference channel (cell).
pr,a - концентрация и 
Для обеспечения заявленной дальности обнаружения утечек газа, 100-200 м, необходимая мощность передатчика Рпер может быть определена следующим образомTo ensure the stated range of detection of gas leaks, 100-200 m, the required transmitter power P lane can be determined as follows
гдеWhere
Рпр - мощность принимаемого излучения;P ol - the power of the received radiation;
Pпер, - мощность излучения передатчика;P lane is the radiation power of the transmitter;
D - дальность до рассеивающей поверхности.D is the distance to the scattering surface.
ρ0 - эффективная площадь рассеянияρ 0 - effective scattering area
Θпер - расходимость излучения передатчика;Θ per - divergence of the transmitter radiation;
Sпр - площадь приемной апертуры;S CR - the area of the receiving aperture;
τпер, τпр, τатм - пропускание передатчика, приемника, и атмосферы.τ lane , τ pr , τ atm - transmittance of the transmitter, receiver, and atmosphere.
Для требуемой дальности обнаружения газа (100-200 м) пропускание атмосферы было принято равным ~ 1, при этом пропускание или эффективность приемника в области спектра, 1650 нм (1,65 мкм), как правило, составляет 0,1-0,2, а пропускание передающей оптической системы (спектральный фильтр 2) - 0,5.For the required gas detection range (100–200 m), the atmospheric transmittance was taken to be ~ 1, while the transmittance or receiver efficiency in the spectral region, 1,650 nm (1.65 µm), is usually 0.1–0.2, and the transmittance of the transmitting optical system (spectral filter 2) is 0.5.
С учетом указанных данных и для определения требуемой мощности излучателя (передатчика) для заданных показателей были приняты следующие значения параметров: D=100 м; r0=0,25 м2; Θпер=3×10-3; Sпр=0,02 м2; tпер=0,5; tпр=0,2; tатм=1.Taking into account the specified data and to determine the required power of the emitter (transmitter) for the given indicators, the following parameter values were taken: D = 100 m; r 0 = 0.25 m 2 ; Θ per = 3 × 10 -3 ; S CR = 0.02 m 2 ; t lane = 0.5; t ol = 0,2; t ATM = 1.
Эффективная мощность шума электронной части приемной аппаратуры по входу (трансимпедансный усилитель с полосой 100 кГц) Рш=2×10-9 Вт.Effective noise power of the electronic part of the receiving equipment at the input (transimpedance amplifier with a band of 100 kHz) P W = 2 × 10 -9 W.
Для уверенного приема при минимальном накоплении входного сигнала отношение сигнал/шум должно быть Рпр/Рш=102.For a confident reception with a minimum accumulation of the input signal, the signal-to-noise ratio should be Ppr / Pk = 10 2 .
Таким образом, мощность входного сигнала на приемнике при дальности, например, 100 м должна составлять Рпр=2×10-7 Вт.Thus, the power of the input signal at the receiver with a range of, for example, 100 m should be P pr = 2 × 10 -7 W.
Подставив полученные значения в формулу (2), требуемая мощность излучения должна быть равна: Рпер=0,3 Вт, а с учетом обеспечения запаса по потерям Рпер=0,4 Вт, при этом излучение должно иметь ширину линии ~ 30 МГц.Substituting the obtained values into formula (2), the required radiation power should be equal to: P lane = 0.3 W, and taking into account the provision for loss losses, P lane = 0.4 W, while the radiation should have a line width of ~ 30 MHz.
Для достижения высокого коэффициента преобразования в качестве рабочего волокна для рамановского усилителя был выбран высокогерманосиликатный световод с повышенным содержанием оксида германия не менее 28%, длиной 450 м, имеющий широкий максимум усиления при стоксовом сдвиге 13 ТГц (~ 110 нм). Высокая эффективность преобразования в высокогерманосиликатном световоде обусловлена повышенным коэффициентом преломления сердцевины световода и в силу этого ее малым оптическим размером. Так, например, в стандартном световоде эффективный размер сердцевины составляет 5-7 мкм, а в высокогерманосиликатном всего 2,0-3,0 мкм, оптимальным является размер сердцевины волокна 3,0 мкм. Таким образом, плотность мощности в высокогерманосиликатном световоде в 4 раза больше, чем в стандартном при одной и той же входной мощности.To achieve a high conversion ratio, a high-germanosilicate fiber with a high content of germanium oxide of at least 28%, 450 m long, having a wide gain maximum at a 13 THz Stokes shift (~ 110 nm) was chosen as the working fiber for a Raman amplifier. The high conversion efficiency in the high-germanosilicate fiber is due to the increased refractive index of the fiber core and, therefore, its small optical size. For example, in a standard fiber, the effective core size is 5–7 µm, and in a high germanosilicate fiber, only 2.0–3.0 µm, the optimum size is 3.0 µm. Thus, the power density in the high-germanosilicate fiber is 4 times greater than in the standard one with the same input power.
С целью получения эффективного усиления на концах активного эрбиево-иттербиевого (Er-Yb) волокна длиной 3,5 м размещены зеркала в виде Брегговских дифракционных решеток (на чертеже не показаны), выполненных с помощью эксимерного лазера, при этом концевая решетка имеет коэффициент отражения 98%, выходная решетка - 20%. Спектральная характеристика коэффициента отражения решеток имеет ширину 3,0 нм по полувысоте.In order to obtain an effective gain at the ends of the active erbium-ytterbium (Er-Yb) fiber 3.5 m long, mirrors are placed in the form of Bregg diffraction gratings (not shown) made with an excimer laser, while the end grating has a reflection coefficient of 98 % output grating - 20%. The spectral characteristic of the reflectance of the gratings is 3.0 nm wide in half-height.
В качестве задающего диода накачки применен полупроводниковый лазерный диод с центральной длиной волны излучения 980 нм и максимальной выходной мощностью 30 Вт. Накачку выполняют непосредственно «в оболочку» активного волокна, что повышает эффективность усиления.A semiconductor laser diode with a central wavelength of 980 nm and a maximum output power of 30 W is used as the driving pump diode. Pumping is carried out directly into the shell of the active fiber, which increases the efficiency of amplification.
В качестве фотодетектора может быть применен, например, InGaAs фотодиод Хамамацу с площадкой 2×2 мм.For example, an InGaAs Hamamatsu photodiode with a 2 × 2 mm area can be used as a photodetector.
Исходя из зависимости выходной мощности лазерного излучения от тока лазерного диода накачки на 0,98 мкм (980 нм) и графика спектра выходного излучения при различных значениях тока лазерного задающего диода накачки, измеренная оптическая эффективность лазера накачки составила 23%.Based on the dependence of the output power of the laser radiation on the current of the laser pump diode at 0.98 μm (980 nm) and the plot of the spectrum of the output radiation for different values of the current of the laser driving pump diode, the measured optical efficiency of the pump laser was 23%.
Проведенные исследования позволили получить усилитель для дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора газового компонента, преимущественно метана, со следующими выходными характеристиками, а именно, мощность излучения составила 500 мВт при токе накачки 9 А, что значительно превышает требуемые параметры. При этом было осуществлено частичное подавление генерации вынужденного рассеяния Мандельштама-Брюэллена, благодаря чему рост усиления излучения возможен во всем диапазоне рабочих токов накачки и задающего генератора.Studies have allowed us to obtain an amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer of a gas component, mainly methane, with the following output characteristics, namely, the radiation power was 500 mW at a pump current of 9 A, which significantly exceeds the required parameters. In this case, partial suppression of the stimulated Mandel'shtam-Bruelleen scattering was carried out, so that an increase in the amplification of the radiation is possible in the whole range of operating pump currents and the master oscillator.
Осуществление изобретения.The implementation of the invention.
Излучение одночастотного задающего генератора длиной волны 1,6 мкм по оптоволокну последовательно проходит через ответвитель, после чего делится на два пучка, один из которых поступает в реперную кювету с измеряемыми газовым компонентом определенной концентрации, другой - через оптический изолятор в устройство ввода (мультиплексор), в который также подается излучение длиной волны 1539 нм от лазера накачки, который, в свою очередь, накачивается мощным диодом с длиной волны излучения 0,98 мкм (980 нм). Суммарное лазерное излучение вводится в сердцевину оптоволокна рамановского усилителя, в качестве которого используют высокогерманосиликатное волокно с содержанием оксида германия не менее 28%. Затем излучение проходит через оптический изолятор и оптическую формирующую систему (выходную оптику) и попадает на аналитическую трассу - диффузно рассеивающую поверхность. Как вариант, излучение после оптического изолятора дополнительно может проходить через акустооптическую систему сканирования, служащую для удержания пучка излучения на заданной траектории движения по трассе измерений. После рассеяния часть излучения, попадающая в угол наблюдения, а именно в апертуру блока приема аналитического сигнала (оптической собирающей системы), направляется в фотодетектор и затем усилитель сигнала. После чего полученный сигнал обрабатывается в блоке обработке данных, при этом определяется концентрация газа, например, метана, в зоне обследования и одновременно с данными о координате точки наблюдения поступает в блок управления, где сравнивается с результатами, которые были получены в тестовой реперной кювете.The radiation of a single-frequency master oscillator with a wavelength of 1.6 μm through the optical fiber sequentially passes through a coupler, after which it is divided into two beams, one of which enters a reference cell with a measured gas component of a certain concentration, the other through an optical isolator into an input device (multiplexer), in which radiation is also supplied to a wavelength of 1539 nm from a pumping laser, which, in turn, is pumped by a high-power diode with a radiation wavelength of 0.98 μm (980 nm). The total laser radiation is introduced into the core of the fiber of the Raman amplifier, which is used as a high-germanosilicate fiber with a content of germanium oxide of at least 28%. Then the radiation passes through the optical isolator and the optical forming system (output optics) and enters the analytical path - a diffusely scattering surface. Alternatively, the radiation after the optical isolator can additionally pass through an acousto-optic scanning system, which serves to keep the radiation beam on a given trajectory of movement along the measurement path. After scattering, a part of the radiation that falls into the viewing angle, namely, the aperture of the analytical signal receiving unit (optical collecting system), is sent to the photodetector and then the signal amplifier. After that, the received signal is processed in the data processing unit, the concentration of gas, for example, methane, is determined in the survey area and simultaneously with the data on the coordinate of the observation point enters the control unit, where it is compared with the results that were obtained in the test reference cell.
Были проведены тестовые трассовые измерения чувствительности дистанционного газоанализатора при дальности 100 м. В качестве диффузно рассеивающей поверхности использовали лист строительной фанеры размером 100×100×1,2 см с коэффициентом диффузного рассеяния 35%. При фоновой концентрации метана ~2 ррм общая концентрация по трассе измерений (200 м) составляет 400 ррм. В помещении, в котором проводились измерения, фоновая концентрация фактически составила 2,4 ррм/м.Test route measurements of the sensitivity of a remote gas analyzer at a distance of 100 m were carried out. A sheet of construction plywood 100 × 100 × 1.2 cm in size with a diffuse scattering factor of 35% was used as a diffuse scattering surface. With a background methane concentration of ~ 2 ppm, the total concentration along the measurement path (200 m) is 400 ppm. In the room in which the measurements were carried out, the background concentration actually amounted to 2.4 ppm / m.
Примеры конкретного выполнения.Examples of specific performance.
Пример №1Example №1
При проведении испытаний в качестве тестовой кюветы была применена кювета длиной 250 мм, заполненная при атмосферном давлении смесью метана с концентрацией 500 ppm и азота и обеспечивающая тестовую концентрацию 100 ppm/м. Длина трассы до рассеивающей мишени составляла 100 м. Измерения проведены с накоплением сигнала по 80 сканированиям задающего генератора. Начальный уровень соответствует наличию тестовой кюветы. После удаления кюветы выявлено понижение уровня сигнала. Соотношение сигнала/шум составило 2:1. При значении среднего сигнала 4,56 дисперсия величины концентрации составила 0,371. Таким образом, на трассе 100 м осуществлено детектирование метана с концентрацией 100 ppm.When testing, a 250 mm long cuvette, filled at atmospheric pressure with a mixture of methane with a concentration of 500 ppm and nitrogen and providing a test concentration of 100 ppm / m, was used as a test cell. The length of the path to the scattering target was 100 m. The measurements were carried out with the accumulation of a signal from 80 scans of the master oscillator. The initial level corresponds to the presence of a test cell. After removing the cell, a decrease in the signal level was detected. The signal to noise ratio was 2: 1. With an average signal of 4.56, the dispersion of the concentration value was 0.371. Thus, on the 100 m highway, methane was detected with a concentration of 100 ppm.
Пример №2Example 2
В канал излучателя была помещена тестовая кювета длиной 650 мм, наполненная смесью метана с концентрацией 615 ррм и азота при атмосферном давлении. Кювета обеспечивает тестовую концентрацию, соответствующую общей концентрации фонового метана на трассе 100 м, 400 ррм.A test cell, 650 mm long, filled with a mixture of methane with a concentration of 615 ppm and nitrogen at atmospheric pressure, was placed in the radiator channel. The cuvette provides a test concentration corresponding to a total concentration of background methane on a highway of 100 m, 400 ppm.
Получены результаты измерений по 60 точкам сканирования. Начальный уровень соответствует наличию тестовой кюветы на трассе измерений. После удаления кюветы наблюдается понижение уровня сигнала. Соотношение сигнала/шум составляет 2:1. Дисперсия величины концентрации составила 0,371 при значении среднего сигнала 4,84, что соответствует сумме фоновой концентрации и тестовой кюветы в расчете на 1 метр трассы измерений. Из полученных результатов следует ограничение детектирующей способности на уровне 400 ррм при накоплении сигнала по 60 сканам линии поглощения.The results of measurements on 60 scanning points. The initial level corresponds to the presence of the test cuvette on the measurement path. After removing the cell, a decrease in the signal level is observed. The signal to noise ratio is 2: 1. The dispersion of the concentration value was 0.371 with an average signal of 4.84, which corresponds to the sum of the background concentration and the test cell per 1 meter of the measurement path. From the obtained results, the detection ability is limited to 400 ppm when the signal is accumulated over 60 scans of the absorption line.
Заявляемая группа изобретений обеспечивает возможность для имеющегося отношения сигнал/шум детектировать метан в объеме диаметром 1 м и содержанием газа (метана) 400 ррм или диаметром 4 м и концентрацией 100 ррм.The claimed group of inventions provides an opportunity for the existing signal-to-noise ratio to detect methane in a volume of 1 m in diameter and a gas content (methane) of 400 ppm or 4 m in diameter and a concentration of 100 ppm.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018116545A RU2694461C1 (en) | 2018-05-03 | 2018-05-03 | Remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm (2 versions), method of its implementation and a fiber-optic raman amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018116545A RU2694461C1 (en) | 2018-05-03 | 2018-05-03 | Remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm (2 versions), method of its implementation and a fiber-optic raman amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2694461C1 true RU2694461C1 (en) | 2019-07-15 |
Family
ID=67309325
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018116545A RU2694461C1 (en) | 2018-05-03 | 2018-05-03 | Remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm (2 versions), method of its implementation and a fiber-optic raman amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694461C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2743493C1 (en) * | 2019-12-04 | 2021-02-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Low-temperature scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air |
| RU207026U1 (en) * | 2020-12-01 | 2021-10-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR |
| RU210352U1 (en) * | 2021-12-22 | 2022-04-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | LOW-TEMPERATURE SCANNING LIQUEFIED NATURAL GAS VAPOR ANALYZER IN THE ATMOSPHERE |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4820018A (en) * | 1987-10-30 | 1989-04-11 | Gte Laboratories Incorporated | Optical fiber for light amplification |
| RU2285251C2 (en) * | 2004-12-30 | 2006-10-10 | Илья Евгеньевич Вязов | Remote optical absorption laser gas analyzer |
| EP1997198B1 (en) * | 2006-02-17 | 2012-06-13 | University of Alabama at Birmingham Research Foundation | Mid-ir laser instrument for analyzing a gaseous sample and method for using the same |
| US20140183362A1 (en) * | 2012-12-31 | 2014-07-03 | Omni Medsci, Inc. | Short-wave infrared super-continuum lasers for detecting counterfeit or illicit drugs and pharmaceutical process control |
-
2018
- 2018-05-03 RU RU2018116545A patent/RU2694461C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4820018A (en) * | 1987-10-30 | 1989-04-11 | Gte Laboratories Incorporated | Optical fiber for light amplification |
| RU2285251C2 (en) * | 2004-12-30 | 2006-10-10 | Илья Евгеньевич Вязов | Remote optical absorption laser gas analyzer |
| EP1997198B1 (en) * | 2006-02-17 | 2012-06-13 | University of Alabama at Birmingham Research Foundation | Mid-ir laser instrument for analyzing a gaseous sample and method for using the same |
| US20140183362A1 (en) * | 2012-12-31 | 2014-07-03 | Omni Medsci, Inc. | Short-wave infrared super-continuum lasers for detecting counterfeit or illicit drugs and pharmaceutical process control |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2743493C1 (en) * | 2019-12-04 | 2021-02-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Low-temperature scanning infrared analyzer of methane and hydrocarbon vapors in atmospheric air |
| RU207026U1 (en) * | 2020-12-01 | 2021-10-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | SCANNING INFRARED ANALYZER OF METHANE AND HYDROCARBON VAPOR IN ATMOSPHERIC AIR |
| RU210352U1 (en) * | 2021-12-22 | 2022-04-08 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | LOW-TEMPERATURE SCANNING LIQUEFIED NATURAL GAS VAPOR ANALYZER IN THE ATMOSPHERE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9784674B2 (en) | Analytes monitoring by differential swept wavelength absorption spectroscopy methods | |
| CN105911020B (en) | Method for simultaneously measuring multi-component gas based on cavity ring-down spectroscopy | |
| EP1616207B1 (en) | Method and apparatus for the monitoring and control of combustion | |
| US7921693B2 (en) | Photo-acoustic spectrometer apparatus | |
| US7965391B2 (en) | Airborne tunable mid-IR laser gas-correlation sensor | |
| CN204086105U (en) | A kind of gas sensor system | |
| US7009170B2 (en) | Active remote sensing using a simultaneous spectral sampling technique | |
| RU2679455C1 (en) | Gases in the atmosphere concentration remote measurement method | |
| CN104903704B (en) | Carry out the tunable diode laser absorption spectroscopy of steam measure | |
| Spuler et al. | MicroPulse DIAL (MPD)–a diode-laser-based lidar architecture for quantitative atmospheric profiling | |
| Dong et al. | Compact portable QEPAS multi-gas sensor | |
| RU2694461C1 (en) | Remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm (2 versions), method of its implementation and a fiber-optic raman amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm | |
| RU2736178C1 (en) | Method and device for autonomous remote determination of concentration of atmospheric gas components | |
| US20030132389A1 (en) | Method for monitoring and controlling the high temperature reducing combustion atmosphere | |
| Hawe et al. | CO2 monitoring and detection using an integrating sphere as a multipass absorption cell | |
| WO2018064821A1 (en) | Distributed optical fiber gas sensor | |
| Sadovnikov et al. | Dual-channel infrared OPO lidar optical system for remote sensing of greenhouse gases in the atmosphere: Design and characteristics | |
| Sadovnikov et al. | Calibration and field test of mobile lidar for remote sensing of atmospheric methane | |
| JP2008134076A (en) | Gas analyzer | |
| KR100842827B1 (en) | Raman Lidar Receiving Optics for Simultaneously Measuring the Density of Water Vapor and Water Droplets Using Raman Signals | |
| Privalov et al. | Lidar measurement of the Raman differential cross section by hydrogen molecules | |
| US11391667B2 (en) | Laser gas analyzer | |
| CA2997148C (en) | Laser gas analyzer | |
| US6417926B1 (en) | Wavelength measuring system | |
| Shibata et al. | A direct detection 1.6 μm DIAL with three wavelengths for high accuracy measurements of vertical CO2 concentration and temperature profiles |