Дистанционный газоанализ атмосферы с использованием лазеров с параметрической генерацией света тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Садовников Сергей Александрович

• Садовников Сергей Александрович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Садовников Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЛИДАРНОГО ГАЗОАНАЛИЗА АТМОСФЕРЫ

1.1. Основные эффекты взаимодействия лазерного излучения с атмосферой

1.2. Методы дистанционного газоанализа атмосферы

1.2.1. Метод дифференциального поглощения

1.2.1.1. Математический формализм МДП

1.2.1.2. Принцип «BELINDA»

1.2.1.3. Альтернативные подходы в реализации одночастотного МДП

1.2.2. Метод дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии

1.3. Лидарные системы на основе метода дифференциального поглощения

1.3.1. Источники лазерного излучения для реализации МДП

1.3.2. Применение ИК лидарных систем для газоанализа по МДП

1.4. Лидарные системы на основе ДОАС и Фурье-спектроскопии

1.5. Выводы по главе

ГЛАВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЛАЗЕРНОГО ГАЗОАНАЛИЗА АТМОСФЕРЫ

2.1. Методика лидарного зондирования МГС атмосферы с помощью МДП и ДОАС

2.2. Математический аппарат и алгоритм моделирования спектров поглощения и пропускания атмосферы

2.3. Программно-алгоритмическая система для численного моделирования широкополосного лазерного газоанализа атмосферы

2.4. Выводы по главе

ГЛАВА

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИСТАНЦИОННОГО ГАЗОАНАЛИЗА АТМОСФЕРЫ

3.1. Результаты численного моделирования в ближней ИК области спектра

3.2. Результаты численного моделирования в средней ИК области спектра

3.3. Влияние точности параметров спектральных линий на результаты расчета коэффициента поглощения

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ДИСТАНЦИОННОМУ ГАЗОАНАЛИЗУ АТМОСФЕРЫ

4.1. Аппаратный состав лидарной системы

4.1.1. Источник лазерного излучения

4.1.2. Оптические узлы системы

4.1.3. Оборудование спектрального анализа

4.1.4. Фотоприёмные устройства

4.1.5. Устройства сбора данных

4.2. Программный комплекс управления лидарной системой

4.3. Экспериментальная проверка функциональных блоков лидара

4.4. Экспериментальная оценка эффективности зондирования атмосферы ПГС-лидарной системой в спектральном диапазоне 3.3-3.5 мкм

4.5. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

В то время как прямое управление процессами глобальных масштабов на сегодняшний день неподвластно человечеству, антропогенные факторы, побуждающие те или иные пагубные тренды, подвержены прямому контролю и минимизации при обнаружении непосредственной связи с динамикой неблагоприятных изменений. Очевидно, что обнаружение подобных связей возможно лишь в случае применения передовых решений в области контроля параметров окружающей среды, отвечающих современным требованиям качества, оперативности получения-обработки и информативности результатов.

С развитием техники и технологий, наряду с такими устоявшимися подходами в газоанализе атмосферы, как метод дифференциального поглощения (МДП) [1] и дифференциальная оптическая абсорбционная спектроскопия (ДОАС) [2], все чаще возникают идеи конвергенции нескольких концепций. В частности, предлагаются взаимодополняющие методики [3-5], решающие классические задачи восстановления параметров атмосферы с большей точностью при снижении уровня жёсткости требований к характеристикам лазерных источников.

С точки зрения дистанционного газоанализа атмосферы особенное внимание сегодня уделяется ближнему и среднему ИК-диапазонам спектра ввиду расположения в них большого числа колебательных и колебательно-вращательных линий поглощения ароматических веществ [6], вредных выбросов промышленных производств [7], парниковых газов [8], а также наркотических веществ [9].

Большой интерес к указанному диапазону спектра подкрепляется как значимыми успехами в синтезе новых нелинейных кристаллов [10] и построении лазерных систем на их основе с возможностью плавной и дискретной перестройки длины волны выходного излучения [11], так и активным развитием фотоприемных устройств [12]. Совокупность перечисленных факторов, недостаточная освоенность данных спектральных диапазонов и перспективы

решения потенциально широкого круга задач подтверждает актуальность развития методик и систем дистанционного газоанализа атмосферы ближнего и среднего ИК-диапазонов спектра.

Цель диссертации состоит в исследовании возможностей применения лазерных систем с параметрической генерацией света для дистанционного газоанализа атмосферы с использованием комбинированной методики, объединяющей преимущества метода дифференциального поглощения и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии в ближнем и среднем ИК-диапазонах спектра.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- обзор и анализ возможностей существующих систем дистанционного газоанализа атмосферы;

- разработка методики планирования и проведения МДП-ДОАС лидарных измерений малых газовых составляющих атмосферы (МГС);

- разработка программного комплекса моделирования МДП-ДОАС лидарных измерений МГС;

- численное моделирование дистанционного газоанализа атмосферы для источников узкополосного и широкополосного лазерного излучения;

- отбор информативных длин волн и спектральных диапазонов для МДП и МДП-ДОАС газоанализа атмосферы;

- определение применимости отобранных линий и диапазонов длин волн для решения задач дистанционного газоанализа;

- разработка автоматизированной лидарной системы на основе широкополосного ПГС-лазерного источника с перестройкой частоты излучения в диапазонах длин волн 1.8-2.5 мкм и 3-4 мкм;

- проведение лидарных измерений газовых компонент атмосферы на отобранных длинах волн с использованием разработанного широкополосного лидара.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика широкополосного лазерного газоанализа атмосферы, сочетающая преимущества метода дифференциального поглощения и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии, реализована в виде программно-алгоритмической системы, которая позволяет проводить отбор линий и диапазонов длин волн зондирования МГС атмосферы в ближней и средней ИК областях спектра.

2. Результаты численного моделирования показали, что использование лазерного источника с параметрической генерацией света в диапазонах спектра 1.8-2.5 мкм и 3-4 мкм с энергией в импульсе 23 и 9 мДж, шириной аппаратной функции 0.1 см-1 и 1-3 см-1, при диаметре приемной оптики 0.3 м, обеспечивает возможность дистанционного зондирования МГС атмосферы с пространственным разрешением 0.2-1 км и ошибкой восстановления менее 10% для горизонтальных трасс протяжённостью до 5 км.

3. Разработанная автоматизированная лидарная система на основе лазерного источника с параметрической генерацией света с перестройкой частоты излучения в диапазоне длин волн 3-4 мкм обеспечивает восстановление фоновой концентрации метана на уровне 2 ррт с ошибкой 8-13% и пространственным разрешением 0.1 км вдоль атмосферных трасс зондирования протяжённостью до 0.8 км при энергии лазерного импульса 6 мДж и подтверждает информативность отобранных в результате численного моделирования спектральных диапазонов лидарного зондирования метана.

Научная новизна работы

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые разработана сочетающая преимущества метода дифференциального поглощения и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии методика широкополосного лазерного газоанализа атмосферы;

- на основе разработанной методики реализована программно -алгоритмическая система для комплексного анализа возможностей применения

широкополосных источников лазерного излучения с параметрической генерацией света с плавной и дискретной перестройкой длины волны в ближней и средней ИК областях спектра для дистанционного газоанализа атмосферы;

- проведенное с помощью созданной программно-алгоритмической системы численное моделирование показало возможность дистанционного контроля концентраций H2O, CO2, CH4, H2CO, HCl, HBr, HCN, C2H6 с использованием лазера с параметрической генерацией света на тропосферных трассах зондирования;

- впервые представлены результаты измерений с помощью созданной лидарной системы коэффициентов поглощения метана с использованием газовой кюветы, согласующиеся с данными предварительного численного моделирования и подтверждающие возможность использования отобранных ранее информативных линий поглощения метана;

- с использованием разработанной автоматизированной лидарной системы проведено восстановление фоновой концентрации метана на уровне 2 ppm вдоль открытой атмосферной трассы зондирования с использованием ПГС-лазера с шириной аппаратной функции 1 см-1.

Научная и практическая значимость работы

Приведенные в диссертации результаты численного моделирования позволяют повысить информативность лазерного зондирования атмосферы и дают основания для поиска оптимальных условий лидарных измерений профилей МГС атмосферы в реальной атмосфере. Они могут быть использованы для анализа потенциальных возможностей при проектировании новых лидарных систем.

Экспериментальные результаты исследовательской работы подтверждают возможность использования предложенной комбинированной МДП-ДОАС методики лидарных измерений МГС с помощью лазерных источников на основе технологий параметрической генерации света с перестройкой частоты излучения и шириной линии излучения 1-3 см-1 в системах дистанционного газоанализа атмосферы ближнего и среднего ИК-диапазонов спектра.

Материалы диссертации использовались при выполнении Гос. контрактов и Соглашений Минобрнауки России № 14.604.21.0100, 14.613.21.0003, 14.613.21.0013, 14.613.21.0082, 14.613.21.0077, 14.616.21.0104, ГЗ № 8.2712.2017/ПЧ. Работа поддерживалась грантом Президента РФ по поддержке ведущих научных НШ-8199.2016.5; грантами РФФИ №№ 16-45-70722, 18-3500575, 19-45-700003, грантами Российского научного фонда №№ 14-27-00022, 1517-10001, 19-79-10142. В настоящее время Садовников С.А. является получателем стипендии Президента РФ (грант СП-879.2019.3).

Достоверность научных результатов

Достоверность результатов и выводов подтверждается:

- корректным учетом возможных методических и экспериментальных ошибок;

- использованием в качестве приемников оптических сертифицированных датчиков, а в качестве компонент регистрирующего оборудования -метрологически поверенных приборов;

- статистической обеспеченностью получаемых данных, их повторяемостью и соответствием результатам других исследователей;

- совпадением результатов, полученных в настоящей работе, с результатами других работ для частных случаев совпадения условий экспериментов;

- применением в расчетах оптико-метеорологических моделей атмосферы, обоснованных и подтвержденных экспериментальными исследованиями в реальной атмосфере;

- согласием результатов численного моделирования с экспериментальными данными и результатами соответствующих теоретических исследований других авторов.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии соискателя. Разработка методики широкополосного лазерного газоанализа атмосферы проводилась совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. О.А. Романовским и к.ф.-м.н. С.В. Яковлевым. Разработка программного

комплекса моделирования МДП-ДОАС лидарных измерений, численное моделирование дистанционного газоанализа атмосферы для источников узкополосного и широкополосного лазерного излучения, отбор информативных длин волн и спектральных диапазонов для дистанционного газоанализа атмосферы, определение применимости отобранных линий и диапазонов длин волн зондирования проводились лично автором при консультативной поддержке научного руководителя, к.ф.-м.н. И.А. Василенко и к.ф.-м.н. С.В. Яковлева. Разработка автоматизированного лидарного стенда на основе широкополосного лазерного источника с параметрической генерацией света с перестройкой частоты излучения в диапазонах длин волн 1.8-2.5 мкм и 3-4 мкм, проведение лидарных измерений газовых компонент атмосферы на отобранных длинах волн с использованием разработанной системы проводились совместно с к.ф.-м.н. С.В. Яковлевым. Разработка программ автоматического управления лидарной системой, обработка и анализ экспериментальных данных проводились соискателем.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дистанционный газоанализ атмосферы с использованием лазеров с параметрической генерацией света»

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях и симпозиумах: Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 2015); Международная школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Инноватика» (Томск, 2015, 2017); XIII Международная школа молодых учёных «Физика окружающей среды» им. А. Г. Колесника (Томск, 2018); XXIV рабочая группа «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2017); XXII, XXIII, XXIV, XIV Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2016, 2018; Иркутск, 2017, Новосибирск, 2019); Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2017); XXIV, XXV, XXVI Международная Конференция «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и на транспорте» (Новороссийск, 2016, 2017, 2018); 28th International Laser Radar Conference (ILRC28) (Bucharest, 2017), SPIE Remote Sensing 2018 (Berlin, 2018).

Публикации. Результаты диссертационной работы в полном объеме представлены в рецензируемых статьях и докладах на научных конференциях. Список работ состоит из 38 публикаций, из них 5 статей опубликованы в научных журналах, включенных в перечень ВАК, 9 статей входят в базы данных Scopus и WoS. Материалы научной работы соискателя представлены на 15 международных и всероссийских конференциях. Получен 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство Роспатента о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Во введении представлена актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи диссертации, приведены научные положения, выносимые на защиту и структура диссертации.

В первой главе рассмотрены основные эффекты взаимодействия лазерного излучения с атмосферой, представлен обзор работ, посвященных лазерному газоанализу, в целом, и методам дифференциального поглощения и оптической абсорбционной спектроскопии, в частности. Проведено рассмотрение концепций комбинированных методик газоанализа, анализ возможностей современных систем генерации лазерного излучения и экспериментальных установок на их основе.

Во второй главе представлена комбинированная методика лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы с помощью метода дифференциального поглощения и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии. Приведено описание функциональных возможностей разработанной программно-алгоритмической системы для численного моделирования широкополосного лазерного газоанализа атмосферы.

В третьей главе представлены результаты поиска информативных длин волн зондирования малых газовых составляющих атмосферы в спектральных диапазонах 1.8-2.5 мкм и 3-4 мкм, результаты численных экспериментов по дистанционному газоанализу атмосферы, подтверждающие возможность

применения отобранных длин волн и результаты оценки влияния точности параметров спектральных линий на величину коэффициента поглощения.

В четвёртой главе проведена оценка энергетических характеристик источника лазерного излучения и приведено описание аппаратного состава лидарной системы с указанием технических характеристик отдельных блоков. Представлены результаты разработки программного комплекса автоматического управления элементами экспериментальной установки с поддержкой различных режимов детектирования и накопления лидарных сигналов и результаты разработки автоматизированного лидарного стенда на основе широкополосного ПГС-лазерного источника с перестройкой частоты излучения в диапазонах длин волн 1.8-2.5 мкм и 3-4 мкм. Представлены экспериментальные результаты измерения коэффициентов поглощения СН4 с использованием газовой кюветы, которые согласуются с данными предварительного численного моделирования и результаты восстановления концентрации метана вдоль открытой атмосферной трассы зондирования, которые согласуются с данными TOR-станции (Tropospheric Ozone Research) и позволяют сделать вывод о применимости выбранных линий поглощения метана для дистанционного газоанализа атмосферы с использованием широкополосного лазерного источника и МДП-ДОАС методики в среднем ИК-диапазоне спектра.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

ГЛАВА 1

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЛИДАРНОГО ГАЗОАНАЛИЗА АТМОСФЕРЫ

Термин «лидар» — LIDAR — возник как аббревиатура английских слов Light Identification, Detection and Ranging и стал обозначать не просто прибор, а бесконтактную технологию получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления поглощения, отражения и рассеяния света в прозрачных и полупрозрачных средах [13].

Спектр применения данной технологии крайне обширен: лидары активно используют для дистанционного зондирования атмосферы, дистанционного измерения скорости объектов и сред, стробирования по дальности как метода построения трехмерных изображений (наблюдение через рассеивающую среду, лиственный покров, одежду, и т.д.), что является перспективным направлением для военных и гражданских применений [14-16].

При этом крайне высокая точность измерений, в частности в газоанализе, для других методов является недостижимой.

Таким образом, лидар, как технология, на сегодняшний день занимает значимое место в жизнедеятельности человека и является актуальным направлением исследований, в частности, в задачах дистанционного газоанализа атмосферы.

Для каждой конкретной задачи используется определённая схема лидара, однако во всех случаях присутствуют три основных блока: 1) источник излучения с выводной оптикой; 2) блок приёма излучения в виде телескопа и фотодетектора; 3) блок управления/обработки информации [17,18].

Обобщённая схема лидара приведена на рисунке 1.1.

Составляющие каждого блока могут варьироваться в зависимости от специфики исследований. Так, при необходимости спектральной или

поляризационной селективности оптическую схему дополняют такими элементами как анализаторы спектра или поляризации [17].

Лазер

Коллиматор

—►(

Лазерный пучок

Приёмник

/<—_

Обратно рассеянное и- излучение ч-

Телескоп

Рисунок 1.1 - Обобщённая схема лидара [18]

При проведении многочастотных исследований схема дополняется источником излучения. Так же и блок управления формируется индивидуально, исходя из предоставляемых для системы требований.

1.1. Основные эффекты взаимодействия лазерного излучения с атмосферой

Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается энергетическими потерями при взаимодействии с её составляющими [19].

Прозрачность атмосферы для лазерного излучения является одной из важнейших величин, входящих в уравнение лазерной локации (см. п. 1.2.1.1), решение которого позволяет получать количественную информацию о профилях атмосферных газов и аэрозольных частиц [20].

Ослабление интенсивности излучения, происходит за счёт, как правило, одновременно действующих явлений: 1) молекулярного поглощения; 2) молекулярного рассеяния; 3) аэрозольного поглощения и рассеяния (см. рисунок 1.2) [19,21].

Поле зрения

Частицы и облака

Обратно-к рассеянное излучение

Р(у, к)

Оптические фильтры

Блок приёма излучения

Рисунок 1.2 - Принцип работы лидара: а - коэффициент ослабления, в - коэффициент рассеяния лазерного излучения средой в направлении «к приёмнику» [21]

Коэффициент ослабления для лазерного излучения с частотой V в направлении И, есть не что иное, как коэффициент пропорциональности в законе Бугера, который в дифференциальной форме для плоской волны записывается в виде [19]:

Я (у) = -/ (у)а(у, (1.1)

где й/(у) - изменение интенсивности /(V), Вт/см , при прохождении слоя атмосферы йИ; а^, И) - объёмный коэффициент ослабления, км-1, другими словами количественная мера всех видов взаимодействий, оказывающих влияние на излучение в слое йИ, которая может быть представлена в виде суммы [19,21]:

а = а Р + аП, (1.2)

где аР и аП - объёмные коэффициенты рассеяния и поглощения.

При известном числе рассеивающих или поглощающих центров в единице объёма Щ(И) и выполнении условия линейного взаимодействия соответствующие коэффициенты альфа могут быть представлены в виде [19]:

Интегральное ослабление излучения, прошедшего расстояние ЛИ = И2 - И1; может быть получено путём интегрирования (1.1) [19]:

где экспонента характеризует спектральную прозрачность слоя атмосферы

ЛИ = И2 - И1:

а показатель степени экспоненты определяет оптическую толщу слоя [19].

В данном случае рассмотрена идеализированная ситуация, так как ширина спектральной линии излучения источника полагается равной нулю.

Взаимодействие лазерного излучения с составляющими атмосферы характеризуется и другими физическими эффектами: 1) резонансное рассеяние; 2) комбинационное рассеяние; 3) флуоресценция атмосферных газов и аэрозолей; 4) нелинейные эффекты на которых основываются методы лидарного газоанализа [17]. Далее кратко рассмотрим перечисленные выше эффекты в приложении к лидарной технике.

Комбинационное рассеяние (КР) света сопровождается обменом энергией электромагнитной волны с внутренней колебательно-вращательной энергией молекул [17]. Частотный спектр КР представляет собой набор линий, смещенных относительно частоты падающего излучения на величину равную собственным частотам взаимодействующих молекул [17]. К преимуществам лидарных систем

ф, к) = И),

(1.3)

Л

где а(у, И) - сечение вида взаимодействия, см .

(1.4)

Т (V, Лк) = I (V, И ) /1 (V, И ),

(1.5)

на основе эффекта спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) относят возможность одновременного обнаружения следов широкого круга газовых составляющих атмосферы и летучих химических соединений без необходимости перестройки длины волны излучения лазерного источника [22]. Основным недостатком эффекта СКР является низкое сечение взаимодействия [23]. В видимом диапазоне спектра величины сечений взаимодействия на 3 порядка меньше, чем коэффициенты обратного молекулярного рассеяния [17]. Однако, зависимость сечения рассеяния от длины волны близка к X -- (где X - длина волны возбуждения) и поэтому, для работы СКР-лидаров больший интерес представляет УФ-диапазон спектра [23].

Процесс флуоресценции наблюдается в случае, когда лазерное излучение на частоте определённого электронного перехода в атоме или молекуле претерпевает поглощение с последующим излучением на более низкой частоте [24]. В спектрах испускания и поглощения (возбуждения) атомных паров наблюдаются совпадающие узкие линии, однако в многоатомных молекулах часть поглощенной энергии превращается в тепловую, что приводит к сдвигу спектра испускания относительно спектра возбуждения в низкочастотную область [13]. При этом из-за столкновительного тушения возможно уменьшение эффективного сечения данного процесса, а увеличение продолжительности флуоресценции приводит к снижению пространственного разрешения лидарных систем данного типа [24].

1 с _-5

Для обнаружения концентраций загрязняющих веществ порядка 10 см и ниже в атмосфере наиболее предпочтительно использование систем дифференциального поглощения [13]. Обусловлено это тем, что сечение поглощения значительно превышает эффективное (с учетом тушения) сечение флуоресценции и комбинационного рассеяния света [24].

Каждый из представленных подходов применим в различных спектральных диапазонах. Необходимо отметить, что атмосфера Земли почти полностью поглощает солнечное излучение УФ диапазона [25]. Это обусловлено поглощением, прежде всего, молекулами кислорода и озона, играющими роль «щита» для биосферы от излучения фотонов с высокой энергией [25]. На рисунке

1.3 приведено спектральное поведение функций поглощения в широкой области длин волн от 0.1 мкм до 100 мкм [25,26].

а

Кривые излучения абсолютно чёрного тела

. 11 км \ я

V........—Л У\ А . и А Ал 1.

| I

I 1 I I I I I т-

1 1

I 1 I I I III-

I I

I I 111111

0.1 0.15 0.2 0.3

0.5 1 1.5 2 3 5

Длина волны, мкм

10

15 20 30

50

100

Рисунок 1.3 - Спектральное поведение функций поглощения для случая безоблачной атмосферы: а - кривые абсолютно черного излучения для двух температур (Солнце и Земля); б - функции поглощения всей толщи атмосферы при зенитном угле 40°; в - функции поглощения слоя атмосферы от ее верхней

границы до высоты 11 км [25,26]

В ИК области спектра атмосферное поглощение наблюдается, прежде всего, в тропосфере, так как именно там содержится большая часть таких поглощающих ИК излучение молекул, как Н2О и СО2. Спектральные области между полосами поглощения образуют окна прозрачности атмосферы, в том числе в ИК области спектра [25].

Для наглядного представления о различных видах внутренней энергии молекул и различных взаимодействиях излучения с молекулами, а также о соответствующих этим взаимодействиям спектральных областях можно обратиться к работе [25], где приводится соответствующий рисунок 1.4:

Изменение конфигурации

ядер

Переход электронов между оболочками

_/ч_

гамма-лучи

рентгеновские УФ и

лучи видимый свет

Колебание Вращение Изменение спинов электронов молекул молекул и ядер

_л____л _л__

- -V- ---\

сантиметровый метровый диапазон диапазон

ИК

МКВ

0-о

V

о-

-О

о о

-О*

X, мкм: ю4 ю"2 1 ю2 ю4 (1 см) ю6 (100 см) ю8 (Юм)

-1 V, см : 108 ю6 ю4 ю2 1 ю-2 ю"4

V, Гц: з*ю18 з*ю16 14 3*10 з*ю12 з*ю10 3*108 3*106

Е,Дж: ю9 ю7 ю5 ю3 10 ю"1 ю-3

Рисунок 1.4 - Различные виды внутренней энергии молекул и взаимодействия излучения с молекулами в разных спектральных областях [25]

С точки зрения дистанционного газоанализа атмосферы особенное внимание сегодня уделяется ближнему и среднему ИК диапазонам спектра, ввиду расположения в них большого числа колебательных и колебательно -вращательных линий поглощения ароматических веществ [6], вредных выбросов промышленных производств [7], парниковых газов [8], а также наркотических веществ [9].

1.2. Методы дистанционного газоанализа атмосферы

Планомерное развитие технологий производства источников излучения [11], значительные успехи в синтезе новых нелинейно-оптических кристаллов [10] и других прикладных направлениях приводит к возможности проведения практических исследований состава атмосферы в наиболее информативных оптических диапазонах. Наряду с устоявшимися методами дистанционного газоанализа (например, метод дифференциального поглощения [1], дифференциальная оптическая абсорбционная спектроскопия [2], Фурье-спектроскопия [27], СКР [17], флуоресценция [24]) активно развиваются подходы, объединяющие преимущества традиционных методов.

1.2.1. Метод дифференциального поглощения

Первое упоминание об успешном применении лазера в целях зондирования водяного пара в атмосфере датируется 1964 годом и принадлежит Ричарду Счетленду [1]. Способ дистанционного газоанализа, сформулированный автором, получил название «Метод Дифференциального Поглощения (МДП)» - от оригинального «Differential Absorption Lidar (DIAL)». МДП базируется на использовании такого спектроскопического явления как резонансное молекулярное поглощение, которое обладает наибольшим сечением взаимодействия в видимой и ИК области спектра [28].

В методе дифференциального поглощения зондирование производится посредством использования двух длин волн узкополосного излучения, одна из которых попадает в максимум полосы поглощения исследуемых молекул, а вторая располагается вне этой полосы. Информация о распределении концентрации этих молекул в атмосфере извлекается из сравнения регистрируемых лидарных сигналов на этих двух длинах волн в достаточно узком спектральном интервале [29].

1.2.1.1. Математический формализм МДП

Лидарное уравнение в приближении однократного рассеяния для метода дифференциального поглощения подробно рассмотрено в работах [20,21,30] и может быть представлено в следующем виде:

P(v,z) = P0xn(v)у ^ 2(pm(v,z)+ вa(v,z))exp[- 2£a(v,z)dz] (1.6)

где P0 - мощность лазерного излучения; x - пропускание приемной оптики лидарной системы; ^(v) - квантовая эффективность фотоприемника; c - скорость света; т - длительность импульса лазерного излучения; A - эффективная площадь приемной оптики; pm(v,z) и pa(v,z) - объемные коэффициенты обратного молекулярного и аэрозольного рассеяния; a(v,z) - объёмный коэффициент ослабления, который представляется в виде суммы коэффициентов ослабления, обусловленных поглощением и рассеянием аэрозолями и молекулами атмосферных газов [30,31]:

a(v z) = ama (V, z) + ams (v, z) + aaa (v, z) + ^ (v, z), (L7)

где ams(v,z) - профиль объемного коэффициента ослабления лазерного излучения за счет молекулярного рассеяния; aaa(v,z) и aas(v,z) - профили коэффициентов ослабления, обусловленного поглощением и рассеянием атмосферными аэрозолями, соответственно; ama(v,z) - профиль объемного коэффициента ослабления лазерного излучения за счет молекулярного поглощения [30].

Концентрация исследуемого газа определяется следующим образом [20,31]:

n( z) =-1-ln

2A° abs A

'P(k 0n, z) P(k off, z + Az)Л v P(l off, z) P(l on, z + Az)

(1.8)

где Ла^ - дифференциальное сечение поглощения, Az - пространственный строб, Хоп - длина волны излучения лазера в центре линии поглощения газа, ^ - вне линии поглощения.

Это выражение справедливо только в случае, если мешающее поглощение другими газами мало и рассеивающие свойства аэрозольных частиц не изменяются в диапазонах АХ и Az [20].

В случае среднего ИК диапазона спектральный промежуток между длинами волн on и off должен соответствовать величине АХ<5 см-1, тогда значения сечений аэрозольного рассеяния можно считать достаточно близкими [32]. Стоит отметить, что для измерения концентраций газов с погрешностью <10%, временной интервал между измерениями в центре линии и на её крыле должен выдерживаться в пределах миллисекунды или менее [20]. При соблюдении указанных условий, различие в интенсивности рассеяния излучения в атмосфере можно считать обусловленным лишь разницей в их поглощении исследуемыми молекулами.

Необходимо отметить, что метод дифференциального поглощения активно применяется на практике (например, для детектирования наркотических веществ [9], зондирования тропосферно-стратосферного озона [33], авиационного зондирования атмосферы с целью разведки месторождений природного газа [34]).

Одной из основных проблем при реализации систем дистанционного многокомпонентного газоанализа на базе МДП является техническая сложность лидарных систем, отвечающих жёстким требованиям по стабильности характеристик излучения и возможности перестройки частоты лазерного излучения в необходимом диапазоне длин волн.

МДП является мощнейшим инструментом газоанализа, однако имеет ряд ограничений: например, в случае детектирования водяного пара в ближнем ИК-диапазоне использование линии излучения сопоставимой по ширине с исследуемой линией поглощения может привести к ошибкам восстановления профиля концентраций от 50 % до 100 % и неточности в оценке температуры в диапазоне ±10оС [31].

1.2.1.2. Принцип «BELINDA»

Одним из перспективных путей решения проблем МДП Felix A. Theopold и соавторы главы 14.2.3 книги [31] считают использование метода «broadband-emission lidar with narrowband determination of absorption (BELINDA)», что в переводе означает «лидар широкополосного излучения с узкополосным определением поглощения». Принцип «BELINDA» состоит в использовании коротких лазерных импульсов со спектральной шириной примерно в два раза большей ширины линии поглощения и применении двух фильтров в приёмнике: одного - пропускающего в центре линии поглощения и второго - на крыле лидарного сигнала [31].

В результате численного моделирования авторами [31] сформулированы следующие выводы: 1) ширина линии лазерного излучения должна составлять примерно 0.2 см-1, что в 15-20 раз больше чем в случае использования традиционного МДП; 2) сдвиг частоты линии излучения лазера, такой как 0.01 см-1, приводит к ошибке лишь в 0.5% при использовании приёмной системы, рекомендуемой в книге.

Принцип измерений базируется на детектировании величины обратно рассеянного из атмосферы спектра, с использованием сборок из плоскопараллельных пластин (эталонов) и интерферометра Фабри-Перо, [35] (см. рисунок 1.5).

reí. wavenumber, cm"1

Рисунок 1.5 - Принцип измерений подхода «BELINDA»: обратно рассеянный спектр излучения лазера (чёрная кривая), пропускание эталона - off-линии на периферии линии излучения (красная кривая с кружками) и интерферометра Фабри-Перо - on-линии (синяя кривая с квадратами) [31]

Основной мотивацией при разработке данного подхода послужила необходимость фиксации динамики процессов изменения влажности и температуры в планетарном пограничном слое с высоким пространственным (50 м) и временным разрешением (10 с) в дневных условиях [3]. При этом, общеизвестно, что на точность измерений концентраций газов при использовании стандартного МДП существенное влияние на результат измерения оказывает спектр излучения лазера и инициируемое им спонтанное излучение. Вместе с тем, известно, что неучёт градиентов коэффициента обратного рассеяния также приводит к существенным ошибкам. Применение подхода BELINDA позволило достичь существенного уменьшения влияния указанных эффектов. При этом, использование одного излучающего лазера, с шириной линии излучения вдвое превышающей линию поглощения, снижает требования к источнику лазерного излучения. В результате, данный подход позволяет производить измерения водяного пара с величиной статистической погрешности менее 1% вплоть до

высоты 2500 м [3]. Таблица сравнения основных характеристик «BELINDA» наглядно демонстрирует преимущества предложенного авторами подхода [31] относительно классической МДП установки (см. таблицу 1.1).

Таблица 1.1 - Сравнение основных характеристик «BELINDA» с МДП [31]

Характеристика BELINDA МДП

Аэрозольная коррекция Не обязательна Обязательна

Оценка данных, где интеграл перекрытия 0(z)<1 Без ограничений Трудна

Чувствительность к спонтанному излучению Низкая Высокая

Задержка импульса между «on/off» линиями At Отсутствует 200 мкс < A t < 1 мс

Количество лазеров 1 2 или 1 с переключением

Спектральные требования к лазеру для систематической ошибки в 1% в случае измерения концентрации и температуры водяного пара

Ширина линии излучения (нтам) 0.200/0.100 cm 1 0.013/0.005 cm 1

Совпадение центров линии излучения и поглощения 0.020/0.010 cm-1 0.005/0.002 cm-1

Основной недостаток подхода BELINDA состоит в том, что при отражении от фильтров теряется порядка 90% обратно рассеянного атмосферой излучения. Однако преимущества рассмотренного подхода относительно классического метода дифференциального поглощения являются более существенными.

1.2.1.3. Альтернативные подходы в реализации одночастотного МДП

Наряду с подходом измерений «BELINDA» известны и другие исследования по реализации одночастотного режима зондирования по МДП.

Так, в работе [4] авторы статьи освещают теоретические и экспериментальные аспекты использования перестраиваемых фильтров на основе фоторефрактивных материалов. Принцип разработки состоит в использовании нелинейно-оптического кристалла (в данном случае, ниобата лития) в качестве среды для записи пропускающих и отражательных голограмм, которые в свою очередь играют роль брэгговских дифракционных решёток [4]. Таким образом,

при использовании лазерного источника излучения с шириной линии излучения 0.03-0.04 мкм можно реализовать систему на базе МДП в одночастотном режиме с применением двух перестраиваемых фотонно-кристаллических фильтров с шириной полосы пропускания порядка 0.01 мкм (см. рисунок 1.6).

Wavelength (/¿m)

Рисунок 1.6 - Концепция широкополосного МДП с использованием одного лазерного источника с шириной линии излучения 0.04 мкм и двумя фильтрами с полосой пропускания 0.01 мкм: один для линии «on-line», другой - для «off-line» [4]

Кривые на рисунке 1.6 представляют собой три измерения спектров пропускания атмосферы на трассах различной длины. Экспериментально, значение полной ширины на полувысоте от максимума полосы пропускания фильтра, полученное авторами статьи, составило 5 нанометров с дифракционной эффективностью 5% [4]. В источнике [36] приведён обширный литературный обзор методик фильтрации излучения с использованием фотонных кристаллов.

Известен также альтернативный подход с использованием одночастотного режима зондирования по МДП с применением двух лазерных источников с различной шириной линии излучения [5]. Базируясь на указанной модификации МДП авторами статьи продемонстрирована возможность использования CO2-лазера с различным давлением газовой смеси для получения линий излучения с различной шириной, а применение второй гармоники линии излучения 9R18 СО2

лазера с различной шириной спектра позволяет проводить одновременное зондирование водяного пара и угарного газа [5].

1.2.2. Метод дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии

Вместе с тем, активно применяются методы газоанализа основанные на использовании широкодиапазонного излучения без необходимости применения узкополосной фильтрации.

Базовым является метод дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (ДОАС) [37], который позволил проводить высокоточные измерения концентраций нескольких газов одновременно [37].

Схема классической экспериментальной установки по измерению поглощения газами открытой атмосферы представлена на рисунке 1.7.

Излучение широкополосного источника, с интенсивностью 10 (X), направляется сквозь трассу зондирования и, по мере прохождения атмосферы, интенсивность излучения уменьшается за счет поглощения малыми газовыми составляющими [38]. Наряду с молекулярным поглощением, излучение подвергается влиянию аэрозольного ослабления, турбулентности и потерям на аппаратных составляющих системы (зеркалах, дифракционных решётках и т.д.) [38]. Однако, такие процессы обладают существенно более широкими или даже плавными спектральными характеристиками в сравнении с узкими молекулярными линиями поглощения [38].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Садовников Сергей Александрович, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Schotland R.M. The Determination of the Vertical Profile of Atmospheric Gases by Means of a Ground Based Optical Radar // Proc. of third Symposium on Remote Sensing of the Environment. Ann Arbor, Michigan. 1965. P. 215-224.

2. Lampel J., Zielcke J., Schmitt S., Pohler D., FrieB U., Platt U., Wagner T. Detection of O4 absorption around 328 and 419 nm in measured atmospheric absorption spectra // Atmospheric Chemistry and Physics. 2018. V. 18, N 3. P. 1671-1683.

3. Theopold F.A., Behrendt A., Flint H., Weitkamp C. First results of the BELINDA approach // Advances in Atmospheric Remote Sensing with Lidar. Berlin, Heidelberg: Springer, 1997. P. 325-328.

4. Schuster P.R., Miragliotta J.A., Thomas M.E., Rust D.M. Development of optical filters based on photorefractive materials // Johns Hopkins APL Technical Digest. 1996. V. 17, N 3. P. 270-277.

5. Зуев В.В., Романовский О.А. Газоанализ атмосферы методом дифференциального поглощения с помощью СО2-лазеров с различной шириной линии лазерного излучения // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8, № 09. С. 1344-1348.

6. Sandford S.A., Bernstein M.P. The infrared spectra of polycyclic aromatic hydrocarbons with excess peripheral H atoms (H n-PAHs) and their relation to the 3.4 and 6.9 ^m PAH emission features // The Astrophysical Journal Supplement Series. 2013. V. 205, N 1. P. 1-58.

7. Lambert-Girard S., Allard M., Piché M., Babin F. Differential optical absorption spectroscopy lidar for mid-infrared gaseous measurements // Applied Optics. 2015. V. 54, N 7. P. 1647-1656.

8. Griffith D.W.T., Pohler D., Schmitt S., Hammer S., Vardag S.N., Platt U. Long open-path measurements of greenhouse gases in air using near-infrared Fourier transform spectroscopy // Atmospheric Measurement Techniques. 2018. V. 11, N 3. P. 1549-1563.

9. Айрапетян В.С., Маганакова Т.В. Расчет концентрации наркотических веществ методом дифференциального поглощения и рассеяния // Интерэкспо ГЕО-Сибирь. Н.: ФГБОУ ВО «СГУГиТ», 2015. Т. 5, № 1. С. 141-147.

10. Guo J., Xie J.-J., Li D.-J., Yang G.-L., Chen F., Wang C.-R., Zhang L.-M., Andreev Y.M., Kokh K.A., Lanskii G. V. Doped GaSe crystals for laser frequency conversion // Light: Science & Applications. 2015. V. 4, N 12. P. e362.

11. Колкер Д.Б., Шерстов И.В., Костюкова Н.Ю., Бойко А.А., Зенов К.Г., Пустовалова Р.В. Комбинированный параметрический генератор света с непрерывной перестройкой длины волны излучения в спектральном диапазоне 2.5-10.8 мкм // Квантовая электроника. 2017. Т. 47, № 1. С. 14-19.

12. Демьяненко М.А., Козлов А.И., Овсюк В.Н. Аналитическое сравнение характеристик фотоприемников инфракрасного диапазона на основе фотодиодов HgCdTe и фотодетекторов GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами // Оптический журнал. 2016. Т. 83, № 9. С. 64-71.

13. Привалов В.Е., Фотиади А.Э., Шеманин В.Г. Лазеры и экологический мониторинг атмосферы. СПб.: Издательство «Лань», 2013. 288 с.

14. Molebny V. V., Kamerman G.W., Steinvall O. Laser remote sensing: yesterday, today and tomorrow // Electronics and Communications. 2011. V. 3. P. 68-73.

15. Olsen M.J., Roe G. V., Glennie C., Persi F., Reedy M., Hurwitz D., Williams K., Tuss H., Squellati A., Knodler M. Guidelines for the Use of Mobile LIDAR in Transportation Applications // NCHRP Report 748. 2013. 208 p.

16. Stettner R. Compact 3D flash lidar video cameras and applications // Proc. of SPIE. 2010. V. 7684. P. 768405-1-768405-8.

17. Зуев В.Е., Зуев В.В. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 232 с.

18. Arnon S., Kopeika N., Zilberman A., Blaunstein N. Applied aspects of optical communication and LIDAR. Boca Raton: CRC Press. 2009. 280 p.

19. Зуев В.В. Лидарный контроль стратосферы. Н.: Наука, 2004. 287 с.

20. Hinkley E.D. Laser monitoring of the atmosphere // Topics in Applied Physics. Berlin, New York: Springer-Verlag. 1976. V. 14. 396 p.

21. Rolf C. Lidar observations of natural and volcanic-ash-induced cirrus clouds. Doktor der Naturwissenschaften. Forschungszentrum Jülich, Bergischen Universität Wuppertal, 2012. 124 p.

22. Цыплакова Е.Г. Приборы и методы контроля и мониторинга воздействия автотранспорта на окружающую среду северных городов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.11.13 / Цыплакова Елена Германовна. СПб.: ФГБОУ ВПО НМСУ «Горный», 2014. 347 с.

23. Бобровников С.М., Горлов Е.В., Жарков В.И. СКР-лидар для мониторинга загрязнений окружающей среды // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55, № 9/2. С. 11-12.

24. Межерис Р.М. Лазерное зондирование атмосферы. М.: Мир, 1987. 550 с.

25. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. СПб.: Наука, 2003. 117-123 с.

26. Goody R.M., Yung Y.L. Atmospheric radiation: theoretical basis. New York: Oxford University Press, 1995. 519 p.

27. Sauer U., Borsdorf H., Dietrich P., Liebscher A., Möller I., Martens S., Möller F., Schlömer S., Schütze C. Application of open-path Fourier transform infrared spectroscopy for atmospheric monitoring of a CO2 back-production experiment at the Ketzin pilot site (Germany) // Environmental monitoring and assessment. 2018. V. 190, N 3. P. 114.

28. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: Радио и связь, 1981. 288 с.

29. Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Оптимизация лидара дифференциального поглощения и рассеяния для зондирования молекулярного водорода в атмосфере // Журнал технической физики. 1999. Т. 69, № 8. С. 65-68.

30. Бочковский Д.А., Романовский О.А., Харченко О.В., Яковлев С.В. Лидарное зондирование малых газовых составляющих атмосферы методом дифференциального поглощения: результаты моделирования и экспериментов // Известия Томского политехнического университета. 2014. Т. 2, № 325. С. 127-136.

31. Weitkamp C. Lidar: range-resolved optical remote sensing of the atmosphere. Springer Science & Business Media, 2005. 455 p.

32. Романовский О.А., Харченко О.В., Яковлев С.В. Методические аспекты лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы по дифференциальному поглощению // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79, № 5. С. 799-805.

33. Dolgii S., Nevzorov A., Romanovskii O.A., Kharchenko O., Dolgii S.I., Nevzorov A.A., Nevzorov A. V., Kharchenko O. V. Intercomparison of Ozone Vertical Profile Measurements by Differential Absorption Lidar and IASI/MetOp Satellite in the Upper Troposphere-Lower Stratosphere // Remote sensing. 2017. V. 9, N 5. P. 447 (1-15).

34. Хабаров В.А., Попов Д.В. Авиационное зондирование атмосферы с целью разведки месторождений природного газа - как перспективный метод автоматизированного поиска газовых месторождений в приземном слое // Технические науки - от теории к практике. 2015. № 42. С. 59-64.

35. Theopold F.A., Weitkamp C., Michaelis W. Double-cavity étalon in the near infrared // Optics letters. 1993. V. 18, N 3. P. 253-254.

36. Pereira D.A., Araùj o F.M.M., Ferreira L.A.D.A., Santos J.L., Marques M.B., Carmo J.P. Development of an integrated narrowband tunable filter for LIDAR applications // Optical Engineering. 2011. V. 50, N 12. P. 124403-1-124403-8.

37. Perner D., Ehhalt D.H., Pätz H.W., Platt U., Röth E.P., Volz A. OH-radicals in the lower troposphere // Geophysical Research Letters. 1976. V. 3, N 8. P. 466-468.

38. Platt U., Stutz J. Differential absorption spectroscopy // Differential Optical Absorption Spectroscopy. Berlin, Heidelberg: Springer, 2008. P. 135-158.

39. Platt U., Perner D., Paetz H.W. Simultaneous Measurement of Atmospheric CH2O, O3, and NO2 By Differential Optical Absorption // Journal of Geophysical Research. 1979. V. 84, N C10. P. 6329-6335.

40. Xia C. Mid-Infrared Supercontinuum Laser System and its Biomedical Applications. PhD dissertation. Michigan: University of Michigan, 2009. 147 p.

41. Камынин В.А., Курков А.С., Цветков В.Б. Генерация суперконтинуума в

диапазоне 1.6—2.4 мкм с использованием стандартных оптических волокон // Квантовая электроника. 2011. Т. 41, № 11. С. 986-988.

42. Камынин В.А. Генерация суперконтинуума двухмикронного диапазона в оптических волокнах на основе кварцевого стекла: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.21 / Камынин Владимир Александрович. М.: ИОФ РАН, 2014. 23 с.

43. Kurkov A.S., Kamynin V.A., Sholokhov E.M., Marakulin A. V. Mid-IR supercontinuum generation in Ho-doped fiber amplifier // Laser Physics Letters. 2011. V. 8, N 10. P. 754-757.

44. Дианов Е.М., Крюков П.Г. Генерация суперконтинуума в волоконных структурах под действием непрерывной последовательности УКИ // Квантовая электроника. 2001. Т. 31, № 10. С. 877-882.

45. Желтиков А.М. Да будет белый свет: генерация суперконтинуума сверхкороткими лазерными импульсами // Успехи физических наук. 2006. Т. 176, № 6. С. 623-649.

46. Jiang X., Joly N.Y., Finger M.A., Babic F., Wong G.K.L., Travers J.C., Russell P.S.J. Deep-ultraviolet to mid-infrared supercontinuum generated in solid-core ZBLAN photonic crystal fibre // Nature Photonics. 2015. V. 9, N 2. P. 133-139.

47. Yin S., Wang W. Novel algorithm for simultaneously detecting multiple vapor materials with multiple-wavelength differential absorption lidar // Chinese Optics Letters. 2006. V. 4, N 6. P. 360-362.

48. Brown D.M., Shi K., Liu Z., Philbrick C.R. Long-path supercontinuum absorption spectroscopy for measurement of atmospheric constituents // Optics Express. 2008. V. 16, N 12. P. 8457-8471.

49. Brown D.M., Liu Z., Philbrick C.R. Supercontinuum lidar applications for measurements of atmospheric constituents // Proc. of SPIE. 2008. V. 6950. P. 69500B-1-69500B-11.

50. Edwards P.S., Brown D.M., Wyant A.M., Liu Z., Philbrick C.R. Atmospheric absorption spectroscopy using supercontinuum lasers // 2009 Conference on Lasers and Electro-Optics and 2009 Conference on Quantum electronics and

Laser Science Conference. 2009. P. 1-2.

51. Brown D.M., Brown A.M., Edwards P.S., Liu Z., Philbrick C.R. Measurement of atmospheric oxygen using long-path supercontinuum absorption spectroscopy // Journal of Applied Remote Sensing. 2014. V. 8, N 1. P. 083557-1-083557-9.

52. Rodriguez M., Bourayou R., Kasparian J., Mejean G., Mysyrowicz A., Salmon E., Sauerbrey R.A., Wille H., Woste L., Wolf J.-P., Yu J., Zimmer W. Femtosecond LIDAR: new perspectives of atmospheric remote sensing // Proc. of SPIE. 2003. V. 5149. P. 135-146.

53. Кандидов В.П., Шленов С.А., Косарева О.Г. Филаментация мощного фемтосекундного лазерного излучения // Квантовая электроника. 2009. Т. 39, № 3. С. 205-228.

54. Сухоруков А.П. Оптика сверхкоротких импульсов // Соросовский образовательный журнал. Физика. 1997. Т. 7. С. 81-86.

55. Hassebo Y. Active remote sensing: LiDAR SNR improvements // Remote Sensing-Advanced Techniques and Platforms. InTech, 2012.

56. Kasparian J., Rodriguez M., Méj ean G., Yu J., Salmon E., Wille H., Bourayou R., Frey S., André Y.B., Mysyrowicz A., Sauerbrey R., Wolf J.P., Wöste L. White-light filaments for atmospheric analysis // Stience. 2003. V. 301, N 5629. P. 6164.

57. Букита О.А., Бабий М.Ю., Голик С.С., Ильин А.А., Кабанов А.М., Колесников А.В., Кульчин Ю.Н., Лисица В.В., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Шмирко К.А. Зондирование атмосферы фемтосекундными импульсами // Квантовая электроника. 2014. Т. 44, № 6. С. 563-569.

58. Mitrofanov A. V, Voronin A.A., Sidorov-Biryukov D.A., Pugzlys A., Stepanov E.A., Andriukaitis G., Flöry T., Alisauskas S., Fedotov A.B., Baltuska A. Mid-infrared laser filaments in the atmosphere // Scientific reports. 2015. V. 5. P. 8368.

59. Митрофанов А.В., Сидоров-Бирюков Д.А., Воронин А.А., Пугжлис А., Андрюкайтис Г., Степанов Е.А., Алишаускас С.И., Флёри Т., Федотов А.Б., Панченко В. Я. Субтераваттные фемтосекундные импульсы среднего инфракрасного диапазона: новые эффекты пространственно-временной

динамики мощных электромагнитных полей // Успехи физических наук. 2015. Т. 185, № 1. С. 97-103.

60. Jukna, V., Couairon, A., Dicaire, I., Praz, C., Milian, C., Couairon, A., Summerer L. Space-based Femtosecond Laser Filamentation // ESA Ariadna final report. 2015. 37 p.

61. Крюков П.Г. Непрерывные фемтосекундные лазеры // Успехи физических наук. 2013. Т. 183, № 9. С. 897-916.

62. Okubo S., Iwakuni K., Inaba H., Hosaka K., Onae A., Sasada H., Hong F.-L. Ultra-broadband dual-comb spectroscopy across 1.0-1.9 цт // Applied Physics Express. 2015. V. 8, N 8. P. 082402-1-082402-4.

63. Гордиенко В.М., Холодных А.И., Прялкин В.И. Новые возможности использования широкополосного фемтосекундного ПГС при дистанционной диагностике многокомпонентных аэрозольно-газовых загрязнений атмосферы // Квантовая электроника. 2000. Т. 30, № 9. С. 839-842.

64. Гейко П.П., Привалов В.Е., Романовский О.А., Харченко О.В. Преобразователи частоты излучения фемтосекундных лазеров для лидарного мониторинга атмосферы // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35, № 15. С. 97-104.

65. Phillips C.R., Langrock C., Pelc J.S., Fejer M.M., Jiang J., Fermann M.E., Hartl I. Supercontinuum generation in quasi-phase-matched LiNbO3 waveguide pumped by a Tm-doped fiber laser system // Optics Letters. 2011. V. 36, N 19. P. 39123914.

66. Долгий С.И. Лазерные газоанализаторы. Использование оптико-акустического метода и метода дифференциального поглощения и рассеяния. LAP Lambert Academic Publishing, 2012. 27-29 с.

67. Морозов А.Н., Светличный С.И. Основы фурье-спектрорадиометрии. М.: Наука, 2006. 280 с.

68. Васильев Б.И., Маннун У.М. ИК лидары дифференциального поглощения для экологического мониторинга окружающей среды // Квантовая электроника. 2006. Т. 36, № 9. С. 801-820.

69. Ambrico P.F., Amodeo A., Di Girolamo P., Spinelli N. Sensitivity analysis of

differential absorption lidar measurements in the mid-infrared region // Applied Optics. 2000. V. 39, N 36. P. 6847-6865.

70. Ben-David A. Backscattering measurements of atmospheric aerosols at CO 2 laser wavelengths: Implications of aerosol spectral structure on differential-absorption lidar retrievals of molecular species // Applied optics. 1999. V. 38, N 12. P. 26162624.

71. Васильев Б.И., Желтухин А.А., Маннун У.М. Оптическая схема двухчастотного излучателя NH3-CO2 лидара в спектральном диапазоне 913.5 мкм // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2004. № 7. С. 22-24.

72. Андреев Ю.М., Гейко П.П., Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Харченко О.В. Генераторы комбинационных частот эрбиевых и СО2-лазеров в задачах лидарного зондирования метеопараметров атмосферы // Прикладная физика. 2003. № 4. С. 99-104.

73. Андреев Ю.М., Гейко П.П., Кабанов М.В. Новые кристаллы для перестраиваемых по частоте лазеров // Автометрия. 2004. Т. 40, № 5. С. 119133.

74. Ковальчук Л.В., Грезев А.Н., Низьев В.Г., Якунин В.П., Межевов В.С., Горячкин Д.А., Сергеев В.В., Калинцев А.Г. Импульсно-периодический ТЕА СО2-лазер и его применение для генерации второй гармоники в кристалле ZnGeP2 // Квантовая электроника. 2015. Т. 45, № 10. С. 884-890.

75. Кашин В.В., Николаев Д.А., Русанов С.Я., Цветков В.Б. Удвоение частоты лазерного излучения в монокристаллическом волокне на основе стехиометрического кристалла LiNbO3 // Квантовая электроника. 2015. Т. 45, № 1. С. 47-49.

76. Demtroeder W. Laser Spectroscopy 1: Basic principles. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2014. 339-340 с.

77. SolarLS [Электронный ресурс] // Customised laser systems. URL: https://solarlaser.com/en/devices/lasers-and-laser-systems/laser-systems/customised-laser-systems/ (дата обращения: 23.01.2019).

78. Träger F. Springer handbook of lasers and optics. Berlin, Heidelberg: Springer-

Verlag, 2012. P. 884-886.

79. Budni P.A., Pomeranz L.A., Lemons M.L., Schunemann P.G., Pollak T.M., Chicklis E.P. 10W Mid-IR Holmium Pumped ZnGeP2 OPO // Advanced Solid State Lasers. 1998. С. 226-229.

80. Stoeppler G., Thilmann N., Pasiskevicius V., Zukauskas A., Canalias C., Eichhorn M. Tunable Mid-infrared ZnGeP2 RISTRA OPO pumped by periodically-poled Rb:KTP optical parametric master-oscillator power amplifier // Optics Express. 2012. V. 20, N 4. P. 4509-4517.

81. Антипов О.Л., Еранов И.Д., Косицын Р.И. Параметрические генераторы света среднего ИК диапазона мощностью 10 Вт на основе элементов ZnGeP2, накачиваемых излучением Ho:YAG-лазера с волоконно-лазерной накачкой. Экспериментальное и численное исследование // Квантовая электроника. 2017. Т. 47, № 7. С. 601-606.

82. Dmitriev V.G., Gurzadyan G.G., Nikogosyan D.N. Handbook of nonlinear optical crystals. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1999. P. 136.

83. Грибенюков А.И. Нелинейно-оптические кристаллы ZnGeP2: ретроспективный анализ технологических исследований // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15, № 01. С. 71-80.

84. Водопьянов К.Л., Воеводин В.Г., Грибенюков А.И., Кулевский Л.А. Высокоэффективная пикосекундная параметрическая суперлюминесценция в кристалле ZnGeP2 в диапазоне 5-6,3 мкм // Квантовая электроника. 1987. Т. 17, № 9. С. 1815-1819.

85. Yao B.-Q., Shen Y.-J., Duan X.-M., Dai T.-Y., Ju Y.-L., Wang Y.-Z. A 41-W ZnGeP2 optical parametric oscillator pumped by a Q-switched Ho:YAG laser // Optics Letters. 2014. V. 39, N 23. P. 6589-6592.

86. Reghunath A.T., Malhotra P., Kumar Y., Bhushan B. Design of a tunable mid-IR OPO source for DIAL detection of trace gases // Proc. of SPIE. 2006. V. 6409. P. 64091B-1-64091B-11.

87. Douglass K.O., Maxwell S.E., Plusquellic D.F., Hodges J.T., van Zee R.D., Samarov D. V, Whetstone J.R. Construction of a high power OPO laser system for

differential absorption LIDAR // Proc. of SPIE. 2011. V. 8159. P. 81590D-1-81590D-9.

88. Barrientos-Barria J., Dherbecourt J.-B., Raybaut M., Godard A., Melkonian J.M., Lefebvre M., Faure B., Souhaite G. 3.3-3.7 ^m Nested cavity OPO pumped by an amplified micro-laser for portable DIAL // 2013 Conference on Lasers & Electro-Optics Europe & International Quantum Electronics Conference. IEEE, 2013. P. 1.

89. Amoruso S., Amodeo A., Armenante M., Boselli A., Mona L., Pandolfi M., Pappalardo G., Velotta R., Spinelli N., Wang X. Development of a tunable IR lidar system // Optics and lasers in engineering. 2002. V. 37, N 5. P. 521-532.

90. Ayrapetyan V.S., Hakobyan A. V, Apresyan G.M., Poghossyan E.M., Sahakyan A.H., Sargsyan K.A., Sargsyan T.K. IR Lidar based on OPO // Proc. of SPIE. 2006. V. 6160. P. 61602N-1-61602N-6.

91. Amediek A., Fix A., Wirth M., Ehret G. Development of an OPO system at 1.57 ^m for integrated path DIAL measurement of atmospheric carbon dioxide // Applied Physics B. 2008. V. 92, N 2. P. 295-302.

92. Barria J.B., Dobroc A., Coudert-Alteirac H., Raybaut M., Cézard N., Dherbecourt J.-B., Faure B., Souhaité G., Melkonian J.-M., Godard A. 3.3-3.7 ^m OPO/OPA optical source for multi-species 200m range Integrated Path DIfferential Absorption Lidar // Applications of Lasers for Sensing and Free Space Communications. OSA, 2013. P. LTh1B-4.

93. Mammez D., Cadiou E., Dherbecourt J.-B., Raybaut M., Melkonian J.-M., Godard A., Gorju G., Pelon J., Lefebvre M. Multispecies transmitter for DIAL sensing of atmospheric water vapour, methane and carbon dioxide in the 2 ^m region // Proc. of SPIE. 2015. V. 9645. P. 964507-1-964507-9.

94. Robinson I., Jack J.W., Rae C.F., Moncrieff J.B. Development of a laser for differential absorption lidar measurement of atmospheric carbon dioxide // Lidar Technologies, Techniques, and Measurements for Atmospheric Remote Sensing X. 2014. V. 9246. P. 92460U-1-92460U-6.

95. Mitev V., Babichenko S., Borelli R., Fiorani L., Grigorov I., Nuvoli M., Palucci

A., Pistilli M., Puiu A., Rebane O. Lidar extinction measurement in the mid infrared // Proc. of SPIE. 2014. V. 9292. P.92923W-1-92923W-4.

96. Geiger A.R. Mid-infrared light hydrocarbon dial lidar. Google Patents, 1993.

97. Kalayeh H.M. Multi-sensors and differential absorption LIDAR data fusion. Google Patents, 2008.

98. Lippert J.L., Stearns S.V., Brake D.E., Fisher C.M. Gas flux determination using airborne DIAL LIDAR and airborne wind measurement. Google Patents, 2012.

99. Liu J. Method and apparatus for wavelength locking free optical frequency comb based differential absorption Lidar. Google Patents, 2013.

100. DeAntonio M., Motto R. Variable-wavelength lidar system. Google Patents, 2014.

101. Foltynowicz R. High-energy, broadband, rapid tuning frequency converter. Google Patents, 2014.

102. Weidmann D. Heterodyne detection system and method. Google Patents, 2016.

103. Jones R.L. A novel ranging UV-visible spectrometer for remote sensing of the troposphere // Optical Methods in Atmospheric Chemistry. 1993. V. 1715. P. 393403.

104. Douard M., Bacis R., Rambaldi P., Ross A., Wolf J. Fourier-transform lidar // Optics Letters. 1995. V. 20, N 20. P. 2140-2142.

105. Povey I.M., South A.M., de Roodenbeke A. t'Kint, Hill C., Freshwater R.A., Jones R.L. A broadband lidar for the measurement of tropospheric constituent profiles from the ground // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1998. V. 103, N D3. P. 3369 -3380.

106. South A.M., Povey I.M., Jones R.L. Broadband lidar measurements of tropospheric water vapor profiles // Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 1998. V. 103, N D23. P. 31191-31202.

107. Mitev V., Babichenko S., Bennes J., Borelli R., Dolfi-Bouteyre A., Fiorani L., Hespel L., Huet T., Palucci A., Pistilli M., Puiu A., Rebane O., Sobolev I. Mid-IR DIAL for high-resolution mapping of explosive precursors // Proc. of SPIE. 2013. V. 8894. P. 88940S-1-88940S-13.

108. Романовский О.А., Суханов А.Я., Харченко О.В., Яковлев С.В., Садовников

С.А. Моделирование дистанционного газоанализа атмосферы лазерной системой на основе параметрического генератора света // Информационно-управляющие системы. 2017. Т. 90, № 5. С. 71-79.

109. Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Садовников С.А., Суханов А.Я., Харченко О.В., Яковлев С.В. Параметрический генератор света в задачах зондирования газовых составляющих атмосферы в спектральном диапазоне 3-4 мкм // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30, № 7. С. 598-604.

110. Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Kharchenko O.V., Shumsky V.K., Yakovlev S.V. Optical Parametric Oscillators in Lidar Sounding of Trace Atmospheric Gases in the 3-4 цт Spectral Range // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2016. V. 25, N 2. P. 88-94.

111. Креков Г.М., Крекова М.М., Суханов А.Я. Оценка потенциальных возможностей широкополосного лидара для дистанционного зондирования молекулярной атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2009. Т. 22, № 05. С. 482-493.

112. Креков Г.М., Крекова М.М., Суханов А.Я., Лисенко А.А. Лидарное уравнение для широкополосного оптического излучения // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35, № 15. С. 8-15.

113. Бобровников С.М., Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Сериков И.Б., Суханов А.Я. Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2014. 508 с.

114. Gordon I.E., Rothman L.S., Hill C., Kochanov R.V. et al. The HITRAN2016 molecular spectroscopic database // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2017. V. 203. P. 3-69.

115. Зуев В.Е., Комаров В.С. Статистические модели температуры и газовых компонентов атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 264 с.

116. Креков Г.М., Рахимов Р.Ф. Оптико-локационная модель континентального аэрозоля. Новосибирск: Наука, 1982. 199 с.

117. Penndorf R. Tables of the Refractive Index for Standard Air and the Rayleigh Scattering Coefficient for the Spectral Region between 0.2 and 20 ^m and Their

Application to Atmospheric Optics // Journal of the Optical Society of America. 1957. V. 47, N 2. P. 176.

118. Зуев В.Е., Макушин Ю.С., Пономарёв Ю.Н. Спектроскопия атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 248 с.

119. Edwards P.D. GENLN2: A General Line-by-line Atmospheric Transmittance and Radiance Model // NCAR Technical Note. 1992. 147 p.

120. Terlouw J.P., Vogelaar M.G.R., Breddels M.A. Kapteyn Documentation. 2016. 264 p.

121. Садовников С.А. Программно-алгоритмическая система для численного моделирования широкополосного лазерного газоанализа атмосферы // Информационно-управляющие системы. 2018. Т. 97, № 6. С. 66-73.

122. Kochanov R.V., Gordon I.E., Rothman L.S., Wcislo P., Hill C., Wilzewski J.S. HITRAN Application Programming Interface (HAPI): A comprehensive approach to working with spectroscopic data // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2016. V. 177. P. 15 -30.

123. Романовский О.А., Садовников С.А., Яковлев С.В. / Программа для численного моделирования широкополосного лазерного газоанализа атмосферы «LIDA» // Свидетельство Роспатента о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2019617115 от 03.06.2019. Патентообладатель: ИОА СО РАН (RU).

124. Михайленко С.Н., Бабиков Ю.Л., Головко В.Ф. Информационно -вычислительная система «Спектроскопия атмосферных газов». Структура и основные функции. // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18, № 09. С. 765776.

125. Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Kharchenko O. V, Yakovlev S. V. Concept of a broadband near- and mid-IR lidar // Proc. of SPIE. 2017. V. 10466. P. 104664L-1-104664L-6.

126. Romanovskii O.A., Kharchenko O.V., Sadovnikov S.A., Yakovlev S.V. Informative wavelengths for trace atmospheric gas sounding with an opo-lidar in the 3-4 ^m spectral region // Proc. of SPIE. 2015. V. 9680. P. 96803W-1-

96803W-9.

127. Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Садовников С.А., Суханов А.Я., Харченко О.В., Яковлев С.В. Исследование возможности применения лазерной системы на основе параметрического генератора света для лидарного зондирования состава атмосферы // Оптический журнал. 2017. Т. 84, № 6. С. 58-65.

128. Романовский О.А., Садовников С.А., Суханов А.Я., Харченко О.В., Яковлев С.В. Применение параметрического генератора света для дистанционного мониторинга атмосферы в диапазоне спектра 3-4 мкм // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327, № 6. С. 105-114.

129. Лукашевская А.А., Люлин О.М., Perrin A., Перевалов В.И. Глобальное моделирование центров спектральных линий молекулы NO2 // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28, № 01. С. 12-27.

130. Vasilenko I.A., Lukashevskaya A.A., Sadovnikov S.A., Yakovlev S. V. The influence of the accuracy of spectral line parameters of SO2 and NO2 in applications of atmospheric remote monitoring // Proc. of SPIE. 2018. V. 10833. P. 108330U-1-108330U-4.

131. Tennyson J., Bernath P.F., Brown L.R. et al. IUPAC critical evaluation of the rotational-vibrational spectra of water vapor. Part II: Energy levels and transition wavenumbers for HD16O, HD17O, and HD18O // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2010. V. 111, N 15. P. 2160-2184.

132. Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Kharchenko O.V., Yakovlev S.V. Development of Near/Mid IR differential absorption OPO lidar system for sensing of atmospheric gases // Optics & Laser Technology. 2019. V. 116. P. 43-47.

133. Романовский О.А., Садовников С.А., Харченко О.В., Яковлев С.В. Возможности применения параметрического генератора света в задачах лазерного зондирования атмосферы в ИК-диапазоне спектра // Известия высших учебных заведений. Физика. 2017. Т. 12-2, № 60. С. 139-142.

134. Романовский О.А., Садовников С.А., Харченко О.В., Яковлев С.В.

Широкодиапазонный ИК лидар для газоанализа атмосферы // Журнал прикладной спектроскопии. 2018. Т. 85, № 3. С. 448-452.

135. Романовский О.А., Садовников С.А., Харченко О.В., Шумский В.К., Яковлев С.В. Применение параметрического генератора света для лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы в диапазоне спектра 3-4 мкм // Известия высших учебных заведений. Физика. 2016. Т. 59, № 3. С. 55-60.

136. Romanovskii O.A., Kharchenko O.V., Kondratyuk N.V., Protasenya A.L., Shumskii V.K., Sadovnikov S.A., Yakovlev S.V. OPO-laser system for atmospheric sounding in the mid-IR range // Proc. of SPIE. 2015. V. 9680. P. 9680V-1-9680V-5.

137. Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Kharchenko O. V, Yakovlev S. V. Near/mid-IR OPO Lidar System for Gas Analysis of the Atmosphere: Simulation and Measurement Results // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2019. V. 28, N 1. P. 1-10.

138. Thorlabs, Inc [Электронный ресурс]. URL: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=7004&pn=MPD0 0M9-P01#5856 (дата обращения: 15.06.2018).

139. Рамановский монохроматор-спектрограф высокого разрешения M833 [Электронный ресурс]. URL: https://solarlaser.com/devices/high-resolution-automated-raman-spectrograph-m833/ (дата обращения: 23.01.2019).

140. National Instruments VISA [Электронный ресурс]. URL: www.ni.com/visa/ (дата обращения: 14.12.2018).

141. Welcome to Python.org [Электронный ресурс]. URL: https://www.python.org/ (дата обращения: 29.03.2019).

142. PyVISA: Control your instruments with Python [Электронный ресурс]. URL: pyvisa.readthedocs.io/ (дата обращения: 29.03.2019).

143. Романовский О.А., Садовников С.А., Харченко О.В., Яковлев С.В. Возможности применения параметрического генератора света в задачах лазерного зондирования атмосферы в ИК-диапазоне спектра // Актуальные

проблемы радиофизики: VII Международная научно практическая конференция. Сборник трудов. Томск: ООО «СТТ», 2017. С. 162-166.

144. Лаборатория климатологии атмосферного состава ИОА СО РАН [Электронный ресурс]. URL: http://lop.iao.ru/ (дата обращения: 03.02.2019).

145. Садовников С.А., Романовский О.А., Суханов А.Я., Харченко О.В., Яковлев С.В. Многокомпонентный лидарный газоанализатор среднего ИК-диапазона // Патент РФ на полезную модель № 181296 от 12 марта 2018. Правообладатель: ИОА СО РАН (RU).

146. Флоря И.Н., Корнеева Ю.П., Корнеев А.А., Гольцман Г.Н. Сверхпроводниковый однофотонный детектор для среднего инфракрасного диапазона на основе узких параллельных полосок // Труды Московского физико-технического института. 2011. Т. 3, № 2. С. 49-52.

147. Cameras by Teledyne [Электронный ресурс]. URL: http://www.camerasbyteledyne.com/ (дата обращения: 19.04.2019).

148. Telops High-Speed IR Cameras [Электронный ресурс]. URL: https://telops.com/products/high-speed-cameras (дата обращения: 19.04.2019).

149. Гиндин П., Карпов В., Кузнецов Н., Петренко В., Семенов В., Чишко В. Матричные и субматричные фотоприемные модули // Фотоника. 2013. № 6. С. 62-72.

150. Чунтонов Г.А. Накопление и циклический перенос заряда на ПЗС: поиск быстрой переменности магнитного поля звезды yE qu // Астрофизический бюллетень. 2013. Т. 68, № 4. С. 485-489.