Разработка экспериментальных методов анализа состава и структуры атмосферы на основе лазерной спектроскопии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Зеневич Сергей Геннадьевич

• Зеневич Сергей Геннадьевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Зеневич Сергей Геннадьевич

Введение

1. Глава 1. Разработка марсианского многоканального диодно-лазерного спектрометра (МДЛС)

1.1. Количественное описание метода диодно-лазерной спектроскопии (ДЛС)

1.2. Количественное описание метода спектроскопии полного внутрирезонаторного выхода (1С08}31

1.3. Выбор спектрального диапазона для измерения изотопологических отношений СО2 и Н2О и подбор оптико-электронных компонент М-ДЛС

1.4. Принципиальная схема М-ДЛС

1.4.1. Система пробоподготовки М-ДЛС

1.4.2. Оптоэлектронная система М-ДЛС

1.4.3. Электронная система управления М-ДЛС

1.4.4. Система стабилизации ДЛ М-ДЛС

1.5. Режимы работы М-ДЛС

1.6. Юстировка, настройка и предварительные результаты наземных испытаний М-ДЛС

1.6.1. Предварительная калибровка ДЛ

1.6.2. Юстировка и сборка оптического сенсора М-ДЛС

1.6.3. Первичная обработка экспериментальных данных М-ДЛС

1.6.4. Анализ экспериментальных данных М-ДЛС и вычисление изотопологических

соотношений

Выводы к главе

2. Глава 2. Разработка лазерного гетеродинного спектрорадиометра (ЛГС) ближнего ИК диапазона

2.1. Количественное описание метода гетеродинной спектроскопии

2.2. Особенности реализации метода гетеродинной спектроскопии в ближнем ИК диапазоне

2.3. Выбор спектрального диапазона

2.4. Принципиальная схема ЛГС

2.5. Режим работы ЛГС

2.6. Линеаризация и абсолютная калибровка спектров ЛГС

2.7. Проверка основных параметров ЛГС

2.7.1. Спектральное разрешение ЛГС

2.7.2. Стабильность проведения измерений при помощи ЛГС

2.7.3. Точность стабилизации частоты ЛО

2.7.4. Определение доминирующего типа шумов сигнала ЛГС

2.8. Измерение спектров пропускания атмосферы при помощи ЛГС

2.9. Возможности гетеродинной спектроскопии атмосферы в ближнем ИК диапазоне

Выводы к главе

3. Глава 3. Улучшение измерительных характеристик лазерного гетеродинного спектрорадиометра ближнего ИК диапазона

3.1. Разработка компактного анализатора сигнала ПЧ гетеродинного приемника

3.2. Методы синхронной регистрации темнового и смешанного сигналов

3.3. Разработка и внедрение многоканальной структуры гетеродинного приемника

3.4. Потенциальные возможности и дальнейшие перспективы использования оптического

гетеродинирования в ближнем ИК диапазоне

Выводы к главе

Заключение

Список сокращений

Список литературы

Приложение А. Описание патента на изобретение марсианского многоканального диодно-

лазерного спектрометра «М-ДЛС»

Приложение Б. Описание патента на изобретение многоканального волоконно-оптического гетеродинного спектрорадиометра ближнего инфракрасного диапазона

Введение

С начала индустриальной эпохи человечество стало оказывать существенное и комплексное влияние на окружающую среду. Известный химик Пауль Крутцен лауреат нобелевской премии по химии, который разработал теорию образования озоновых дыр и внес весомый вклад в климатические исследования [1,2], в 2002 году ввел понятие антропоцена -новой геологической эпохи, в которой действие человека рассматривается как геологический фактор, способный менять судьбу планеты наравне с силами природы [3]. Основанием для такого вывода послужили следующие факты:

- выработка значительной части известных запасов нефти, которые формировались в течение нескольких сотен миллионов лет;

- преобразование почти половины поверхности суши, что оказало значительное влияние на биоразнообразие, круговорот веществ и локальный климат;

- синтетическим путем при производстве удобрений фиксируется больше азота, чем естественным образом фиксируется во всех наземных экосистемах;

- более половины всей доступной пресной воды используется для нужд человека, в то время как ресурсы подземных вод быстро истощаются;

- значительное сокращение площади тропических лесов и повышение концентрации парниковых газов в атмосфере.

Как правило, влияние человека на один из параметров сложной экосистемы Земли приводит к отклику в других её областях [4]. В 2009 году научное сообщество сформулировавших концепцию так называемых «планетарных границ» [5], которые графически изображены на Рисунке 1 . Эти границы характеризуют степень влияния человека по отношению к определенной биофизической подсистеме планеты или процессу, происходящему в ней. Пересечение этих границ, т.е. превышение определенного уровня степени влияния на определенный процесс или подсистему, может привести к катастрофическим последствиям для планеты. Было выделено девять условных процессов (сегментов на Рисунке 1) окружающей среды, для которых были определены границы: изменение климата, утрата биоразнообразия, вмешательство в круговорот азота и фосфора, истощение стратосферного озона, окисление океана, глобальное использование пресной воды, природопользование, химическое и аэрозольное загрязнение атмосферы. Согласно представленным результатам, в трех из девяти выделенных процессов (изменение климата, потеря биоразнообразия и вмешательство в круговорот азота и фосфора) уже значительно превышен порог, при котором возможно

устойчивое социальное и экономическое развитие человечества. Как утверждают сами авторы, представленные данные, не обладают всеобъемлющей полнотой, однако наглядно демонстрируют текущее состояние взаимодействия человека с экосистемой.

Рисунок 1. Иллюстрация «планетарных границ» и текущий уровень влияния человека на определенную подсистему планеты или процесс, происходящий в ней. Зеленые области - планетарные границы, определяющие степень влияния человека на выделенный процесс или подсистему, при котором возможно долгосрочное социальное и экономическое развитие человечества. Красные области - текущий уровень влияния человека на выделенный процесс или подсистему.

На протяжении последних нескольких десятилетий, оценив потенциальные риски, связанные с катастрофическими последствиями, вызванными деятельностью человека, правительства разных стран заключают международные соглашения, главной целью которых является сокращение степени влияния человека на различные подсистемы. В рамках данных соглашений страны-участницы обязаны сокращать (а в некоторых случаях прекращать полностью) выбросы загрязняющих веществ и парниковых газов в окружающую среду, путем реорганизации действующих промышленных центров и пересмотра используемых технологий, охранять и по возможности расширять имеющиеся заповедные территории, развивать программы рационального природопользования и переходить к более активному использованию экологически чистой энергетики (водородное топливо и возобновляемые источники).

Настоящая работа посвящена проблеме прецизионного измерения концентрации парниковых газов (111) в атмосфере, оказывающих ключевое влияние на изменение климата. Далее будут подробно рассмотрены вопросы, связанные с парниковым эффектом, ПГ и их влиянию на атмосферу и климат.

Парниковый эффект (ПЭ) - атмосферное явление, заключающееся в том, что уходящее тепловое излучение поверхности Земли, нагретой солнечным излучением преимущественно видимого и ближнего инфракрасного диапазона, переизлучает накопленное тепло обратно в атмосферу в более длинноволновой области спектра (в тепловом инфракрасном диапазоне), поглощается в полосах молекулярного поглощения атмосферных газов (Рисунок 2) и переизлучается во всех направлениях, что приводит к повышению температуры приповерхностного слоя атмосферы [6]. Малые газовые составляющие, за исключением водяного пара, которые вовлечены в данный процесс, называют ПГ.

Рисунок 2. Иллюстрация взаимного расположения спектров излучения Солнца и уходящего теплового излучения Земли со спектрами полос поглощения основных ПГ в частотной области.

Первый эксперимент по исследованию ПЭ был проведен швейцарским геологом, ботаником и альпинистом Орасом Бенедиктом де Сюссором в 18 веке. Этот эксперимент был описан в работе Жан-Батиста Жозефа Фурье в работе 1827 года [7], где автор выдвинул гипотезу о существовании разных типов тепла: солнечного и так называемого «темного». Согласно гипотезе, солнечное тепло беспрепятственно достигает земной поверхности, где

мгновенно превращается в «темное» и задерживается нижними слоями атмосферы, тем самым приводя к повышению их температуры.

Экспериментальное подтверждение гипотезы Ж. Фурье было приведено английским физиком Джоном Тиндалем 1859 году, который продемонстрировал наличие полос поглощения паров воды (H2O), углекислого газа (CO2), метана ^Щ) и других малых атмосферных составляющих в ИК диапазоне [8].

В 1896 году Сванте Август Аррениус разработал количественный метод оценки изменения приземного слоя температуры в зависимости от содержания СО2 в атмосфере на основе понятия коэффициента поглощения [9]. В своей работе автор дал оценку, согласно которой изменение концентрации СО2 в два раза приведет к изменению средней температуры нижнего слоя атмосферы в несколько градусов Цельсия. Первой работой, демонстрирующей факт того, что текущий уровень выбросов СО2 уже привел к повышению средней температуры, была работа английского изобретателя Гая Стюарта Коллиндера 1938 года [10]. Автор сделал оценку роста температуры в 0,003 оС за счет сжигания определенного количества топлива за первую половину ХХ века и сравнил полученное значение с данными двухсот метеорологических станций. С тех пор исследования роли и степени влияния ПГ на атмосферу Земли активно развивались. Создавались модели для прогнозирования тенденции изменения температуры в будущем [11-14]. Во всех развитых странах были приняты стандарты по подсчету выбросов ПГ и оценке рисков возможных последствий [15].

На сегодняшний день известно, что самый большой вклад в парниковый эффект дает H2O, порядка 36-72 % [16], однако, напрямую влиять на уровень содержания H2O в атмосфере человек не может, поэтому формально водяной пар к ПГ не относят. Тем не менее, сокращая выбросы остальных ПГ, можно препятствовать росту средней температуры и, как следствие, не способствовать увеличению концентрации паров воды. Помимо этого, H2O является химически активным компонентом, влияющим на образование гидроксила (ОН) в верхних слоях атмосферы, тем самым способствуя образованию в тропосфере озона (О3), метана (CH4) и других соединений [17]. Следующим газом с вкладом в ПЭ 9-26 % является СО2 [16]. Углекислый газ - самый распространенный антропогенный ПГ с сильной полосой поглощения в окрестности 15 мкм, содержание которого с начала индустриальной эпохи увеличилось почти в полтора раза [18]. Вклад CH4 и N2O в ПЭ оценивается на уровне 6 % [16], так как их распространенность в атмосфере на несколько порядков меньше в сравнении с СО2. Однако при пересчете вклада в ПЭ от CH4 и N2O на одну тонну выбросов выходит, что эффект от CH4 и N2O сильнее в 50 раз и более чем в 200 раз соответственно в сравнении с эффектом от тонны выброса СО2 [19]. Помимо этого, CH4 вносит значительный вклад в формирование атмосферного аэрозоля на уровне тропопаузы [20], в то время как N20 является основным

источником оксидов азота, на которые приходится значительная доля естественного разрушения озона в стратосфере [21].

Таким образом, выбросы ПГ оказывают комплексное воздействие на атмосферу во всем диапазоне её высот, приводя не только к усилению ПЭ, но и к образованию химических соединений, оказывающих дополнительное негативное воздействие на атмосферу. В связи с этим проблема высокоточного и долгосрочного мониторинга концентрации ПГ в атмосфере является актуальной. В частности, эта проблема достаточно остро стоит в России, так как значительная часть территории страны приходится на арктическую зону. Арктика - регион, подверженный наиболее быстрому потеплению в последние десятилетия. Считается, что потепление в арктических широтах приводит к дополнительным выбросам CH4, которые, в том числе, приводят к таким катастрофическим последствиям, как образование ямальских воронок [22]. Однако одного только мониторинга содержания ПГ недостаточно для понимания текущего состояния атмосферы. Значительно расширить понимание процессов переноса ПГ в атмосфере позволит одновременное измерение флуктуаций их концентрации и поля скоростей ветра, связанные с крупномасштабной динамикой и турбулентностью.

Подводя промежуточный итог, необходимо отметить, что разработка высокоточных методов регистрации ПГ в местах локальных выбросов, а также дистанционных методов измерения ПГ для оценки их источников и стоков в глобальном масштабе, в совокупности с методами измерения процессов переноса воздушной массы, является необходимой мерой для эффективного контроля качества окружающей среды. Качественный и высокоточный мониторинг ПГ с динамической картиной их переноса также является необходимым инструментом контроля качества окружающей среды и трансграничного переноса ПГ в рамках международных соглашений (например, Парижское соглашение, 2015г. [23]).

Перед тем, как сформулировать собственные технические решения для решения современных проблем, связанных с необходимостью мониторинга ПГ, целесообразно привести обзор методов, применяемых для дистанционного зондирования состава, структуры и динамики атмосферы.

Прямые дистанционные измерения атмосферных потоков исторически впервые осуществлялись с помощью интерферометров Фабри-Перо, которые измеряли доплеровское смещение линий эмиссии O2 и OH в верхних слоях атмосферы [24,25]. Широко распространены доплеровские измерения скорости ветра с помощью радаров [26,27] и лидаров ИК и видимого спектральных диапазонов [28-30], а также аэрологические измерения с помощью стратосферных радиозондов [31,32]. Прямые наблюдения динамических потоков верхних слоев атмосферы проводятся на протяжении более чем 20-ти лет интерферометром Фабри-Перо TIDI (TIMED Doppler Interferometer), установленным на борту космического аппарата TIMED

(Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere Energetics and Dynamics) [33]. TIDI измеряет скорость ветра атмосферных потоков в диапазоне высот 85-105 км с вертикальным разрешением 2 км и точностью 2-3 м/с. Несмотря на непрерывное измерение скорости воздушных потоков вышеперечисленными методами, диапазон высот от 30 км до 80 км остается не покрытым измерениями. До нижней границы этого диапазона не доходят аэрологические зонды, а ниже верхней границы TIDI не может проводить измерения.

Мониторинг уровня концентрации ПГ в атмосфере непрерывно проводится с середины 20 века с помощью большого количества различных методов [34]. Методы детектирования ПГ можно грубо разделить на две категории: контактные методы, с помощью которых анализируют атмосферу локально в конкретной точке, так называемые методы измерений in situ, и дистанционные методы, с помощью которых анализируется атмосфера на масштабах нескольких шкал высоты.

Говоря о контактных методах измерения концентрации ПГ, следует отметить газовую хроматографию [35,36] и масс-спектрометрию [37,38], которые являются наиболее распространенными методами анализа атмосферных и жидкостных проб. Данные методы характеризуются высокой чувствительностью и способны детектировать малые концентрации примесей вплоть до единиц ppb (parts per billion, 10-9) и относительной быстротой измерений. Однако установки, проводящие измерения этими методами, требуют сложной системы пробоподготовки и обладают высокой стоимостью. Также широко распространены электрохимические датчики, работающие на основе изменения проводимости при взаимодействии с анализируемой газовой смесью [39]. Подобные датчики используются в основном для детектирования значительного превышения предельно допустимых концентраций определенных газов, обладают низкой стоимостью и относительно невысокой селективностью. Проводятся исследования оптического отклика новых метаматериалов при взаимодействии с определенными газами, например, в работе [40] представлен датчик на СО2 с погрешностью 20 ppm (parts per million, 10-6). Для изотопного анализа парниковых газов при высоком давлении может использоваться спектроскопия комбинационного рассеяния света

[41].

Широкое распространение получили методы инфракрасной спектроскопии, среди которых можно выделить дисперсионную [42] и недисперсионную [43] ИК спектроскопию. Излучение широкополосного ИК источника, прошедшее через поглощающую среду, направляется на дифракционную решетку для построения спектра поглощения, в случае дисперсионной спектроскопии, или попадает на узкополосный фильтр в случае недисперсионной спектроскопии. Эти методы обладают невысокой чувствительностью (порядка единиц ppm), однако просты и недороги в реализации. Наиболее универсальным

методом для высокочувствительного газоанализа на сегодняшний день является ИК Фурье-спектрометрия [44]. Фурье-спектрометр, состоящий из широкополосного источника и интерферометра Майкельсона, позволяет охватывать широкий спектральный диапазон, ограниченный лишь возможностями используемых фотодетекторов. Широкий спектральный диапазон позволяет за одно измерение детектировать большое количество химических соединений с высокой чувствительностью, порядка единиц ppb. В числе недостатков метода можно отметить габариты оборудования в случае проведения эксперимента с высоким спектральным разрешением, чувствительность к вибрациям и его высокую стоимость.

Развитие области полупроводниковых материалов способствовало распространению методов диодно-лазерной спектроскопии (ДЛС) [45], которая используется как для количественной оценки присутствия газовых составляющих в исследуемом образце, так и для их изотопологического анализа [46]. Метод обладает высокой чувствительностью (единицы ppb) и селективностью, быстродействием, компактностью и относительно низкой стоимостью комплектующих. Диодно-лазерные спектрометры имеют узкий спектральный диапазон порядка десятков-сотен см-1, однако, современный рынок лазерной техники предоставляет возможность подобрать лазер, излучающий на необходимой длине волны в ближнем и среднем ИК диапазонах. Такие спектрометры разрабатываются под определенную задачу газоанализа, и в случае необходимости расширения спектрального диапазона, как правило, либо используются одновременно несколько лазеров [47], либо применяются внешние резонаторы [48]. Узкая линия генерации диодных лазеров (ДЛ) позволяет достигать высокого спектрально разрешения для детектирования отдельных вращательных линий молекулярного поглощения [49]. Основной трудностью ДЛС является проблема, связанная с неопределенностью положения спектрального континуума (так называемой базовой линии), ограничивающей точность определения концентрации газа по детектируемой линии поглощения. Высокая чувствительность достигается за счет накопления циклов измерений [50], применения частотной модуляции [51] и использования многопроходных оптических систем для увеличения эффективного оптического пути [52].

Развитие методов ДЛС с использованием высокодобротных оптических резонаторов привело к появлению нескольких новых методов: спектроскопии полного внутрирезонаторного выхода (Integrated Cavity Output Spectroscopy, ICOS) [53], спектроскопии внутрирезонаторного затухания (Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS) [54] и оптико-акустической спектроскопии с кварцевым резонатором (Quartz Enhanced Photo-Acoustic Spectroscopy, QEPAS) [55].

Метод ICOS позволяет измерять поглощение уровня 10-9 см-1 за счет значительной длины эффективного оптического пути (до десятков км) [49], однако, содержит в себе все слабые места метода ДЛС. Кроме того, на характер измеряемых спектров оказывает влияние

паразитная интерференция в резонаторе [56]. В методе CRDS анализируется время затухания

лазерного сигнала, обратно пропорциональное потерям в высокодобротном резонаторе, а не

контур поглощения, и как следствие, отсутствует проблема, связанная с базовой линией. Метод

обладает более высокой чувствительностью и позволяет детектировать поглощение уровня

см-1 [49]. Основными недостатками отмеченных методов являются высокие технические

требования к комплектующим (высокий коэффициент отражения зеркал резонатора,

быстродействующая электроника). Методы QEPAS основаны на регистрации акустических

волн, которые возникают при тепловом расширении газа, вызванное поглощением

зондируемого излучения. QEPAS также является высокочувствительным методом с порогом

8

детектирования порядка 10- см- [57].

Изменив условия, при которых функционирует экспериментальное оборудование, можно значительно расширить возможности перечисленных выше методов измерения локальной концентрации ПГ. Установив измерительное оборудование на борт самолета или стратосферный аэростат, можно строить вертикальное распределение ПГ в столбе атмосферы с хорошим пространственным разрешением в интересующей географической области. Например, известны миссии по измерению ПГ с помощью недисперсионного ИК газоанализатора, установленного вместе с системой пробоподготовки на борт исследовательского самолета [58]. В качестве полезной нагрузки на исследовательских самолетах также устанавливаются спектрометры системы ICOS для измерения концентрации паров воды и её изотопологов в верхних слоях тропосферы [56]. Известны долговременные измерения вертикальных профилей ПГ с помощью ДЛ спектрометра, установленного на стратосферный аэростат [59]. Быстро развивающаяся сфера применения беспилотных летательных аппаратов [60] также в будущем окажет значительное влияние на адаптацию существующих и разработку новых методов детектирования ПГ. Однако высокая стоимость эксплуатации воздушных лабораторий и сложность организации экспериментов со стратосферными аэростатами не позволяют масштабировать данные практики и организовать непрерывный глобальный мониторинг ПГ.

Широкое распространение получили также методы пассивной Фурье-спектрометрии атмосферы по прямым наблюдениям Солнца. На сегодняшний день известны два международных консорциума - Total Carbon Column Observing Network (TCCON) [61] и Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC) [62], основной целью которых является высокоточный и непрерывный глобальный мониторинг состояния атмосферы, в частности мониторинг ПГ. Географическое расположение измерительных станций TCCON и NDACC приведено на Рисунке 3 [63]. Рисунки 4а и 4б демонстрируют внешний вид типичной станции TCCON и её комплектацию соответственно [61]. Фурье-спектрометр высокого разрешения Bruker 125HR является основным измерительным

инструментом мониторинга ПГ. Спектрометры станций TCCON проводят измерения спектров CO2, CH4, N2O, HF, CO, H2O, и HDO в ближнем ИК диапазоне с разрешением 0,02 см-1, в то время как спектрометры станций ККОАСС измеряют спектры O3, НЫ03, HCl, HF, CO, N2O, CH4, CO2, НСЫ, С2Н6 и С10К02 в среднем ИК диапазоне. Подобное спектральное разрешение тщательно откалиброванного оборудования позволяет не только измерять интегральную концентрацию ПГ в столбе атмосферы с точностью до долей процента, но также и восстанавливать вертикальные профили распределения концентрации ПГ в зависимости от высоты [64]. Регистрируемые наборы данных активно используются как для моделирования атмосферы [65], так и для калибровки данных спутниковых миссий [66].

Рисунок 3. Пространственное расположение измерительных станций глобальных сетей TCCON (вверху) и NDACC (внизу).

Пространственное покрытие поверхности Земли измерительными станциями имеет значительные пустоты, например, на обширной территории России расположена только одна сертифицированная станция NDACC в Санкт-Петербурге. Это связано в первую очередь с высокой стоимостью создания такой станции и её текущего обслуживания. Станция требует определенной инфраструктуры для развертывания и эксплуатации и, как следствие, обладает низкой мобильностью (масса аппаратуры составляет несколько сотен килограмм). Наблюдаются попытки решения проблемы низкой плотности расположения измерительных станций путем разработки более компактных Фурье-спектрометров и введения их в эксплуатацию в качестве дополнительных измерительных точек, так называемая COllaborative Carbon Column Observing Network (COCCON) [67]. По результатам трехлетних исследований

компактные Фурье-спектрометры EM27/SUN со спектральным разрешением 0,5 см демонстрируют тот же уровень точности измерения интегральной концентрации ПГ [68], однако снижение спектрального разрешения приводит к потере возможности восстановления вертикальных профилей концентрации ПГ, иными словами, теряется информация о структуре атмосферы.

Рисунок 4. Внешний вид станции TCCON (а) и её комплектация (б).

Таким образом, разработка новых дистанционных методов мониторинга ПГ является актуальной научной и инженерной задачей. В случае проведения пассивных дистанционных атмосферных измерений, самое высокое спектральное разрешение обеспечивает метод гетеродинной спектроскопии [69]. Спектральное разрешение метода, основанного на анализе сигнала биений на промежуточной частоте, возникающих в результате сбивании двух оптических сигналов (Солнца и опорного источника), может достигать величины Х/5Х = 10-108. В дополнение к этому, технологическое развитие производства компонентов, использующихся в телекоммуникационной отрасли, позволяет разработать компактную и недорогую

экспериментальную установку, обладающую необходимыми качествами громоздкой станции TCCON.

История гетеродинирования начинается в 1902 году [70]. Термин «гетеродинирование» был введен Джоном Хоганом в работе 1913 года [71], в которой он также ввел понятие локальный осциллятор (ЛО). На протяжении более чем столетнего периода принцип гетеродинирования активно используется в радиодиапазоне. В оптическом диапазоне первые эксперименты начали проводить еще до появления первых лазеров. Например, в работе Теодора Форестера и др. [72] обсуждалась возможность наблюдения сигнала биений между двух сигналов с близкой длиной волны в видимом диапазоне. Чуть позже та же группа продемонстрировала результаты наблюдений сигнала биений, возникающего в результате сбивания двух зеемановских компонент спектральной линии видимого диапазона на нелинейном фотодетекторе [73]. После изобретения лазеров область оптического гетеродинирования получила дополнительный импульс для развития. Буквально на следующий год после первой публикации о разработке первого лазера [74] была представлена концепция гетеродинного спектрометра, в которой было предложено использовать лазер в качестве ЛО [75]. Первые прототипы гетеродинных спектрометров в приложении к дистанционному зондированию малых атмосферных примесей, в частности ПГ, работали на газовых лазерах в среднем ИК диапазоне [76-78]. После изобретения в начале 1970-х годов полупроводниковых лазеров на основе солей свинца, их также начали использовать в качестве ЛО в гетеродинных спектрометрах [79,80]. Полупроводниковые лазеры позволяли непрерывно перестраивать частоту генерации, что было значительным преимуществом перед газовыми лазерами, однако в этом решении было также много недостатков. Например, для подавления высокого тока утечки в активной области таких лазеров было необходимо работать при температурах жидкого гелия, помимо этого, малая выходная оптическая мощность и низкая частотная стабильность при перестройке также приводили к некоторым сложностям во время измерений. Перечисленные проблемы были решены после появления квантово-каскадных лазеров. Первый успешный проект с использованием таких лазеров - спектрометр Tunable Heterodyne Infrared Spectrometer (THIS) [81,82]. Гетеродинирование в среднем ИК диапазоне (3-5 мкм и 8-12 мкм) активно развивается по настоящее время как в приложении к задачам мониторинга малых газовых составляющих, так и для астрономических исследований [83].

Так как данная работа, в частности, посвящена развитию методов гетеродинирования оптического излучения в ближнем ИК диапазоне, следует привести подробный анализ современного состояния уровня техники в ближнем ИК.

Средний ИК диапазон является более интересной спектральной областью для разработчиков инструментов, так как в ней располагается большое количество сильных линий

поглощения различных малых составляющих атмосферы [50]. Переход в ближний ИК диапазон обусловлен, в первую очередь, экономической целесообразностью из-за невысокой стоимости комплектующих и, в меньшей степени, из-за компактности и простоты реализации. Однако, в ближнем ИК диапазоне для детектирования в режиме солнечного просвечивания доступны только CO2, CH4, H2O и O2. Остальные газы имеют слабое поглощение в этом диапазоне, которое при естественных концентрациях не заметны на толще атмосферы при детектировании с уровнем отношения сигнал-шум среднестатистического гетеродинного спектрометра.

Следует отметить, что гетеродинная спектроскопия ближнего ИК диапазона - совсем молодая, но активно развивающаяся область физики и инженерных разработок. Так как опубликованных работ по этой тематике немного, все они будут представлены в хронологическом порядке. Первое сообщение о возможности создания гетеродинного спектрометра в ближнем ИК диапазоне было опубликовано в 2012 году нашей научной группой под руководством А.В. Родина [84]. В том же году Московский физико-технический институт (МФТИ) получил патент на полезную модель гетеродинного спектрометра, в котором был представлен первый экспериментально измеренный спектр пропускания атмосферы в области полосы поглощения CH4 в ближнем ИК диапазоне с разрешением около

108 [85]. Спектры

метана измерялись с помощью установки, в которой в качестве ЛО использовался диодный лазер с распределенной обратной связью (РОС) на длине волны 1651 нм. В качестве диплексора использовались волоконные разветвители, а сигнал биений анализировался квадратичным детектором в узкой полосе 3 МГц. В середине 2013 года группой американских исследователей под руководством Э. Вильсон был представлен гетеродинный спектрометр ближнего ИК диапазона с первыми спектрами поглощения атмосферного CO2 [86]. В спектрометре также использовались РОС-лазер и волоконные разветвители, однако сигнал ПЧ анализировался с помощью LockIn-усилителя в полосе 1,5 ГГц, т.е. со значительно более низким спектральным разрешением. В начале 2014 года та же группа получила патент на изобретение гетеродинного спектрометра ближнего ИК диапазона [87]. В середине того же года нашей группой было представлено подробное описание разработанного гетеродинного спектрометра высокого разрешения, где, в частности, был представлен алгоритм восстановления вертикального профиля концентрации CH4 [88]. В течение 2015-2016 годов группой Э. Вильсон были представлены результаты некоторых модификаций гетеродинного спектрометра и оценок точности измерений [89-91]. В 2016 году группой австралийских исследователей под руководством Д. Куртца была представлена модификация метода гетеродинирования, используемого нашей группой, с упором на повышение отношения сигнал-шум за счет разработки двухканального гетеродинного приемника на основе балансной системы детектирования [92]. В 2017 году двумя группами были представлены концепции гетеродинных

спектрометров форм-фактора СиЬеБа1 6и для зондирования верхних слоев атмосферы с околоземной орбиты. Группой Э. Вильсон был представлен проект гетеродинного спектрометра для зондирования С02, СН4 и Н20 в окрестности 1640 нм в диапазоне касательных высот 6-30 км [93]. Группой Д. Куртца в кооперации с группой известных английских разработчиков гетеродинных спектрометров в среднем ИК диапазоне под руководством Д. Вейдмана был представлен проект гетеродинного спектрометра для зондирования С02, СН4 и изотопологов СН4 в среднем и ближнем ИК диапазонах в области тангенциальных высот 10-55 км [94]. В

2019 году группой Э. Вильсон был выведен на околоземную орбиту микроспутник, в состав которого входил гетеродинный спектрометр, описанный в работе [93]. После запуска аппарат не справился с наведением солнечных панелей на Солнце, исчерпал запасы энергии и прекратил активное существование, так и не получив научных данных [95]. В том же году группой Э. Вильсон были представлены оценки вклада гетеродинных спектрометров ближнего ИК диапазона в глобальный мониторинг ПГ в случае реализации глобальной сети мониторинга на их основе [96], а также была представлена очередная улучшенная версия спектрометра для наземных измерений [97]. В этом же году нашей группой были представлены первые результаты измерений спектров С02 высокого разрешения [98], тогда же группой китайских исследователей под руководством Х. Денга был представлен прототип гетеродинного спектрометра для измерения С02 [99], работающий на том же принципе, как и в работе [86]. В

2020 году нашей группой был представлен новый метод дистанционного измерения вертикально профиля скорости ветра до высоты 50 км на основе атмосферных спектров С02 высокого разрешения [100], тогда же нашей группой была представлена концепция многоканального гетеродинного приемника, позволяющая сокращать время накопления сигнала и увеличивать отношение сигнал-шум [101,102], помимо этого нашей группой был представлен концепт многоканального гетеродинного спектрометра в форм-факторе СиЬеБа! 6и для зондирования верхних слоев атмосферы Марса [103]. В том же году группой Х. Денга были представлены первые спектры пропускания атмосферы, измеренные на основе комбинации методов гетеродинной и модуляционной спектроскопии [104]. В том же году другой группой американских исследователей под руководством Х. Миллера были представлены первые результаты измерений С02, Н20 и 02 в ближнем ИК диапазоне [105], а также другой группой китайских исследователей под руководством В. Чена был представлен прототип гетеродинного спектрометра для измерения С02 и СН4 [106], последние два прототипа работают на том же принципе, как и в работе [86]. В 2021 году нашей группой был представлен проект многоканального гетеродинного спектрометра на платформе СиЬеБа! 6и для зондирования верхних слоев атмосферы Земли (5-50 км), который с помощью трех ЛО может измерять вертикальные профили концентрации С02, СН4, Н20 и 02, а также

вертикальные профили ветра на основе доплеровского смещения полностью разрешенного контура спектральной линии [107]. В работе также представлены результаты измерения интегральной концентрации, вертикального профилирования концентрации ПГ и вертикального профиля скорости ветра, полученные с помощью наземного прототипа многоканального спектрометра на основе измерений CO2 и CH4. В этом же году группой Х. Денга был представлен прототип гетеродинного спектрометра для измерения CO2, CH4, H2O и O2 на основе трех ЛО [108].

Анализ имеющейся литературы говорит о бурном развитии сферы разработок гетеродинных спектрометров ближнего ИК диапазона. Из-за высокого потенциала коммерциализуемости данной технологии в отрасли наблюдается жесткая конкуренция. С каждым годом появляются новые коллективы и демонстрируются новые прототипы спектрометров, предназначенные для измерений концентрации ПГ с субпроцентной точностью [86-108]. Однако все описанные разработки пока уступают разработкам нашей группы по спектральному разрешению минимум на порядок, а в некоторых случаях на несколько порядков, а также по точности стабилизации ЛО. Именно высокое спектральное разрешение и высокая точность стабилизации частоты ЛО позволило нашей группе впервые в мире продемонстрировать возможность доплеровских измерений профилей ветра на основе анализа контура линии поглощения углекислого газа. Следует добавить, что результаты восстановления вертикальных профилей концентрации измеряемых ПГ по данным гетеродинной спектроскопии ближнего ИК диапазона конкурирующими группами пока не опубликованы, хотя такая возможность постоянно упоминается, тогда как наша группа регулярно с 2014 года публикует результаты восстановления вертикальных профилей концентрации измеряемых ПГ.

Таким образом, сегодня остро стоит необходимость долговременного и прецизионного мониторинга ПГ в атмосфере. Мониторинг атмосферы необходимо проводить как локальными методами, например, для анализа изотопологического состава проб атмосферы, так и дистанционными методами для анализа всей толщи атмосферы. Анализ оборудования, использующегося в действующих международных сетях мониторинга атмосферы, показывает необходимость разработки более компактных и недорогих технических решений с сохранением точности измерений ПГ.

Настоящая работа посвящена разработке как локальных, так и и дистанционных методов регистрации малых газовых составляющих атмосферы, а также созданию прототипов экспериментальных установок для локального анализа изотопологического состава атмосферы на основе спектроскопии полного внутрирезонаторного выхода (ICOS) и дистанционного измерения ПГ в земной атмосфере на основе комбинаций методов ICOS, ДЛС и гетеродинной спектроскопии.

Целью диссертации является разработка методов как локального, так и дистанционного измерения концентрации малых газовых составляющих атмосферы, а также создание опытных образцов спектрометров для решения следующих задач: локального детектирования малых газовых составляющих атмосферы CO2, H2O и их изотопологического состава на основе спектроскопии полного внутрирезонаторного выхода (ICOS); и дистанционного анализа состава, структуры и динамики атмосферы на основе измерений CO2, CH4 с помощью комбинации методов ICOS, ДЛС и гетеродинной спектроскопии. Для достижения поставленной цели необходимо провести следующие экспериментальные и теоретические исследования:

1. Выбрать оптимальные спектральные диапазоны для локального детектирования CO2, H2O и их изотопологов, а также для дистанционного зондирования CO2 и CH4 в столбе атмосферы;

2. Разработать программно-аппаратные платформы для спектрометров локальных и дистанционных измерений;

3. Провести экспериментальные исследования спектров поглощения локальных измерений CO2, H2O и их изотопологов, а также дистанционных измерений атмосферных CO2 и CH4 в столбе атмосферы;

4. Провести лабораторные и полевые испытания разработанных опытных образцов спектрометров и оценить точность их измерений.

Объекты и методы исследований.

В качестве объектов исследования были выбраны молекулы CO2, CH4 и H2O, а также их изотопологи HD16O, H218O, 13C16O2, 16O12C17O и 16O12C18O. Как было отмечено ранее, данные молекулярные соединения являются наиболее важными ПГ и наиболее интересны для мониторинга атмосферы. Для решения поставленных задач в рамках настоящей диссертационной работы было сделано следующее:

- проведено моделирование спектров поглощения CO2, H2O и их изотопологов на локальных оптических трассах, а также спектров CO2 и CH4 на открытой трассе атмосферного столба. На основе результатов моделирования выбраны оптимальные спектральные диапазоны для регистрации выше перечисленных молекулярных соединений, а также подобрана подходящая компонентная база для создания спектрометров локальных и дистанционных измерений;

- экспериментально исследована проблема стабилизации частоты РОС ДЛ-в ближнего и среднего ИК диапазонов на основе методов ICOS и ДЛС;

- обобщен опыт разработок спектрометров, полученный как в собственных исследованиях, так и в исследованиях других групп по релевантной теме. На основе объединения приемов, использующихся в различных спектроскопических методах, были разработаны уникальные методы газоанализа, которые в совокупности с появлением на рынке комплектующих новых технических решений, позволили достичь высоких точностей детектирования целевых молекулярных соединений в атмосфере, сохраняя надежность, компактность и невысокую цену экспериментального оборудования;

- на основе разработанных методов газоанализа были разработаны экспериментальные образцы спектрометров локального и дистанционного зондирования атмосферы, а также исследованы их характеристики;

- с помощью разработанных спектрометров были проведены измерения концентрации С02, Н2О, и изотопологов Н0160, Н2180, 13С1602, 16012С170 и 16012С180 газовых смесей в среднем ИК диапазоне, а также измерения атмосферных С02 и СН4 в столбе атмосферы в ближнем ИК диапазоне;

- проведены испытания разработанных прототипов спектрометров в лабораторных и полевых условиях.

Научная новизна работы

1. Впервые была разработана аппаратура на основе принципа оптического гетеродинирования, позволившая получить спектры пропускания атмосферы в линии поглощения С02 в ближнем ИК диапазоне с высоким спектральным разрешением

у

(Х/5Х = 10) в режиме прямых наблюдений Солнца;

2. На основе измеренных спектров впервые была продемонстрирована возможность пассивных доплеровских измерений скорости ветра в ближнем ИК диапазоне в режиме прямых наблюдений Солнца;

3. Впервые были получены спектры пропускания атмосферы с высоким разрешением в линиях поглощения С02 и СН4 в ближнем ИК диапазоне с помощью многоканального гетеродинного приемника, состоящего из двух и четырех независимых приемников, что позволило значительно сократить время проведения измерений;

4. Впервые был разработан и создан летный образец 1С0Б-спектрометра для анализа изотопологического состава марсианской атмосферы.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Продемонстрированы эффективные методики оценки точности частотной стабилизации ДЛ с РОС ближнего и среднего ИК диапазонов;

2. Показана возможность одновременного использования спектральных линий, наблюдаемых в оптическом резонаторе ICOS, как для аналитических измерений, так и для высокоточной стабилизации частоты РОС-лазеров среднего ИК диапазона;

3. Комбинация методов ICOS, ДЛС и гетеродинной спектроскопии позволяет регистрировать спектры пропускания атмосферы в ближнем ИК;

4. Метод регистрации спектров атмосферного пропускания с помощью многоканального гетеродинного приемника позволяет значительно увеличить отношение сигнал-шум;

5. Представлена методика синхронного детектирования темнового и смешанного гетеродинных сигналов на основе использования волоконных переключателей, позволяющий сократить время одного измерения в два раза.

6. Разработанный прототип гетеродинного спектрометра может быть использован в качестве основного инструмента для создания глобальной сети долгосрочного мониторинга ПГ.

Обоснованность научных положений основывается на их практической реализации и проведенном анализе полученных результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается их внутренней непротиворечивостью и непротиворечивостью публикациям других авторов, а также сопоставлением экспериментальных данных с теоретическими расчетами.

Внедрение результатов исследования

На основе метода ICOS был разработан летный образец марсианского многоканального диодно-лазерного спектрометра (М-ДЛС), который отправится к Марсу в 2022 году для долговременного анализа изотопологического состава его атмосферы в рамках международной космической миссии ЭкзоМарс

Разработанный прототип гетеродинного спектрометра для дистанционного измерения концентрации ПГ используется для мониторинга естественного фона ПГ на особо охраняемых природных территориях России (ООПТ) в рамках сотрудничества между МФТИ и Министерством природных ресурсов и экологии РФ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка экспериментальных методов анализа состава и структуры атмосферы на основе лазерной спектроскопии»

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и общероссийских конференциях:

1. всероссийская XIV конференция молодых ученых, посвященная дню космонавтики (г. Москва, 2017);

2. международный симпозиум европейского географического общества (г. Вена, 2017);

3. 60-я всероссийская научная конференция МФТИ (г. Долгопрудный, 2017);

4. всероссийская XV конференция молодых ученых, посвященная дню космонавтики (г. Москва, 2018);

5. международный симпозиум европейского географического общества (г. Вена, 2018);

6. международная конференция применение лазеров в промышленности и исследованиях (г. Ассизи, 2018);

7. 61-я всероссийская научная конференция МФТИ (г. Долгопрудный, 2018), (2 доклада);

8. 9-й международный симпозиум по солнечной системе (г. Москва, 2018);

9. 1-й международный аэрокосмический симпозиум шелковый путь (г. Долгопрудный, 2018);

10. всероссийская XVI конференция молодых ученых, посвященная дню космонавтики (г. Москва, 2019);

11. 25-я всероссийская научная конференция студентов и молодых ученых (г. Севастополь, 2019);

12. XIX международный симпозиум молекулярной спектроскопии высокого разрешения (г. Нижний Новгород, 2019);

13. 16-я ежегодная встреча азиатского океанологического и географического сообщества (г. Сингапур, 2019);

14. 5-й международный семинар, посвященный университетским проектам спутниковых миссий (г. Рим, 2020);

15. XXVI международный симпозиум оптика атмосферы и океана (г. Москва, 2020);

16. Всероссийская научная конференция «Земля и космос» (г. Санкт-Петербург, 2020), (2 доклада);

17. 63-я всероссийская научная конференция МФТИ (г. Долгопрудный, 2020), (2 доклада);

18. международный симпозиум европейского географического общества (г. Вена, 2021), (2 доклада);

19. всероссийская XVIII конференция молодых ученых, посвященная дню космонавтики (г. Москва, 2021);

20. XXVII международный симпозиум оптика атмосферы и океана (г. Москва, 2021), (2 доклада).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 2 патентах РФ (см. Приложение А и Б), в 5 научных публикациях (индексируются SCOPUS и WoS) в 3 статьях сборников трудов конференций (индексируются SCOPUS и WoS) и 25 тезисах конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата перед списком литературы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Применение метода спектроскопии полного внутрирезонаторного выхода (ICOS) позволяет исследовать вариации изотопологического состава атмосферы Марса в среднем ИК диапазоне;

2. Использование комбинации методов ICOS, ДЛС и гетеродинной спектроскопии позволяет проводить дистанционное измерение содержания ПГ в атмосфере Земли в ближнем ИК диапазоне;

у

3. Высокое спектральное разрешение метода гетеродинной спектроскопии (Х/5Х = 10 ) позволяет регистрировать спектры пропускания атмосферы в линии поглощения CO2 в ближнем ИК диапазоне в режиме прямых наблюдений Солнца;

4. Реализация многоканальной конфигурации гетеродинного приемника в разработанном прототипе спектрометра позволяет преодолеть ограничение антенной теоремы и увеличить отношение «сигнал-шум», а также значительно сократить требуемое время накопления сигнала;

5. Синхронное детектирование темнового и смешанного гетеродинных сигналов с помощью волоконных переключателей позволяет сократить время накопления сигнала в два раза.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Материал изложен на 144 страницах, содержит 68 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 140 источников.

Первая глава посвящена разработке М-ДЛС и деталям его юстировки и настройки. Подробно представлен метод спектроскопии внутрирезонаторного поглощения и его особенности при детектировании сильных линий поглощения (поглощение в пике которых превышает 5%). Обоснован выбор спектрального диапазона, а также представлен анализ результатов, полученных в результате лабораторных функциональных испытаний прибора.

Вторая глава посвящена разработке прототипа спектрорадиометра для дистанционного измерения концентрации ПГ на основе комбинации методов ICOS, ДЛС и гетеродинной спектроскопии. Представлен принцип оптического гетеродинирования и особенностей его применения в ближнем ИК диапазоне. Особое внимание уделяется принципам работы

установки, а также её шумовым характеристикам. Представлены первые спектры атмосферного СО2 высокого разрешения, оценена точность восстановления интегральной концентрации СО2.

Третья глава посвящена способам улучшения измерительных характеристик прототипа гетеродинного спектрорадиометра. Описан метод синхронного детектирования темнового и смешанного гетеродинных сигналов. Представлена концепция многоканального гетеродинного приемника и получены первые экспериментальные спектры С02 и СН4, измеренные в многоканальном режиме. Приводится анализ открывающихся, в связи с введением многоканальности, перспектив дальнейшего развития метода гетеродинной ИК спектроскопии и его возможных «неклассических» применений.

В приложении представлено описание патента РФ на изобретение марсианского многоканального диодно-лазерного спектрометра, а также патента РФ на изобретение многоканального волоконно-оптического гетеродинного спектрорадиометра ближнего инфракрасного диапазона.

1. Глава 1. Разработка марсианского многоканального диодно-лазерного спектрометра

(МДЛС)

Глава посвящена разработке М-ДЛС, описанию его структуры и метода измерений. Экспериментальные данные, полученные в рамках предполетных функциональных испытаний, приведены в конце главы.

Лазерный спектрометр М-ДЛС был разработан для международной космической миссии ЭкзоМарс2022 в рамках сотрудничества между госкорпорацией «Роскосмос» и Европейским космическим агентством. На второй этап миссии ЭкзоМарс-2022 запланирована отправка посадочной платформы «Казачок» с марсоходом «Розалинд Франклин» для комплексного исследования марсианских поверхности и атмосферы [ 109]. На платформе будет работать 11 научных приборов, в том числе и М-ДЛС, с гарантированным сроком службы, рассчитанным на один марсианский год. Главной задачей М-ДЛС является анализ изотопологических отношений СО2 и Н2О в марсианской атмосфере, а также выявление их сезонных и суточных вариаций. Основным источником информации об изотопологическом составе приповерхностного слоя атмосферы Марса являются измерительные комплексы, установленные на мобильные платформы, т.е. марсоходы [110]. Со времен функционирования американских посадочных платформ "Viking" (1976-1984) [111], долговременный мониторинг марсианской атмосферы в одной точке не проводился, что определяет актуальность научных задач М-ДЛС для планетологии. М-ДЛС представляет также интерес с инженерной точки зрения, так как это первый в мире спектрометр, работающий на принципе полного внутрирезонаторного выхода (ICOS), предназначенный для работы на другой планете.

Несмотря на то, что в диссертации представлено полное описание прибора, автор не претендует на все описанные результаты как на личный вклад. Личный вклад автора заключается в следующем: юстировка и сборка оптического сенсора; прохождение предполетных функциональных испытаний; анализ режимов работы прибора; разработка комплекса программного обеспечения для анализа спектроскопических данных М-ДЛС; анализ спектров и точности проведения измерений. В настоящем разделе широко используются материалы статьи [112], подготовленные автором.

1.1. Количественное описание метода диодно-лазерной спектроскопии (ДЛС)

Типичный диодно-лазерный спектрометр состоит из следующих функциональных узлов: узел генерации когерентного излучения, узел формирования газовой пробы исследуемой среды и узел регистрации лазерного излучения. В основе этого метода лежит способность ДЛ непрерывно перестраивать частоту излучения, что является, безусловно, очень удобным фактором для газоанализа, так как позволяет прописывать и анализировать в реальном времени полностью разрешенные профили спектральных линий. Перестройка частоты ДЛ возможна как за счет изменения температуры активной среды, так и за счет изменения тока накачки. Температурная перестройка ДЛ позволяет изменять частоту излучения в широком диапазоне порядка десятков см-1 за счет изменения геометрии резонатора активной среды ДЛ. Токовая перестройка позволяет перестраивать частоту ДЛ в диапазоне нескольких см-1 за счет изменения концентрации носителей заряда в активной области ДЛ, что, в свою очередь, приводит к изменению показателя преломления активной среды и, соответственно, частоты резонатора [113].

В диодно-лазерных спектрометрах для контроля ДЛ обычно используются оба режима перестройки частоты. Как правило, ДЛ работает в квазинепрерывном режиме, где на него непрерывно подаются пилообразные импульсы тока накачки, служащие для развертки по частотной шкале. Температурная перестройка используется для вывода ДЛ в необходимый спектральный диапазон путем установления заданного значения температуры кристалла ДЛ. После этого на основе обратной связи между встроенными в корпус ДЛ термоэлемента Пельтье и термистора происходит стабилизация циклов токовой перестройки частоты ДЛ с помощью пропорционально-интегрального (ПИ) закона.

Температурная стабилизация крайне важна в методе ДЛС, так как она отвечает за положение линии поглощения в спектральном скане. Погрешности в температурной стабилизации ограничивают чувствительность и точность спектрометра, так как накладывает ограничения на длительное накопление сигнала последовательных измерений и, как следствие, не позволяет увеличить отношение сигнал-шум. Как показывает опыт, из-за температурных дрейфов оборудования стабилизация только по температуре позволяет накапливать сигнал в течение не более нескольких секунд. Для решения этой проблемы был разработан метод, позволяющий стабилизировать частоту ДЛ на основе спектральной информации, не зависящей от температуры [114]. Для этой цели в состав спектрометра добавляется реперный канал -оптическая кювета, наполненная определенным газом при давлении порядка нескольких десятков мбар, чтобы ширина ее контура определялась доплеровским уширением. Параллельно

основным измерениям спектрометра проводятся измерения в реперном канале. На основе наблюдаемого положения узкой линии поглощения в цикл стабилизации частоты ДЛ вводится дополнительная обратная связь, что позволяет достигать точности стабилизации частоты ДЛ на уровне единиц МГц и не накладывает ограничений на время накопления или усреднения регистрируемого сигнала.

В основе метода ДЛС лежит зависимость частоты генерации ДЛ от тока накачки активной области - у(/), которая неизбежно сопровождается зависимостью интенсивности излучения ДЛ от тока накачки - /(/). Излучение ДЛ проходит через исследуемую среду, накапливая молекулярное поглощение, и попадает на фотоприемное устройство (ФПУ), сигнал которого можно представить в виде [50]:

и = ИА е к(у(1 })/( 0 (1.1)

где и - сигнал фотоприемника, К(у(г)) - коэффициент поглощения исследуемой среды, А - доля излучения ДЛ, попадающая на ФПУ, Я - коэффициент преобразования фототока в напряжения на трансимпедансном усилителе (ТИУ) ФПУ. Таким образом, подбор и оптимизация перечисленных выше параметров - основная задача, стоящая перед разработчиками диодно-лазерных спектрометров.

Анализ экспериментальных спектров с целью вычисления концентрации исследуемых молекулярных соединений основан на использовании закона Бугера-Ламберта-Бера [115]. При распространении узкого пучка излучения в однородной поглощающей среде этот закон имеет вид:

/(у) = / 0(у)е~к (у)1 (1.2)

где К(у) - объемный коэффициент поглощения [см-1], Ь - длинна оптического пути [см], /о(у) -интенсивность падающего излучения, /(V) - интенсивность излучения на выходе из поглощающей среды. Величину /о(у) называют базовой линией, т.е. уровнем оптического сигнала в отсутствие поглощения, относительного которого измеряется спектральная функция пропускания. Как правило, базовая линия повторяет форму импульса тока накачки, однако на больших диапазонах перестройки (порядка нескольких см-1) обладает нелинейностью, в силу нелинейности зависимости /(/). Как было отмечено во введении, необходимость учитывать уровень и форму базовой линии при вычислении концентрации исследуемых газов - самое слабое место метода ДЛС. Дрейф уровня базовой линии, зависящий в частности, от точности стабилизации частоты ДЛ, значительно ухудшает измерительные характеристики спектрометра. Наличие тонкой структуры базовой линии также может искажать контуры спектральных линий и даже препятствовать идентификации слабых линий. На сегодняшний день известно более десяти различных эффектов, приводящих к формированию тонкой структуры базовой линии [116], в числе которых флуктуации тока накачки ДЛ, попадание

рассеянного излучения внутрь активной области ДЛ, интерференция на оптических элементах спектрометра и т.д. В настоящее время известно много способов компенсации тонкой структуры базовой линии и определения её точного уровня. Дрейф базовой линии минимизируется с помощью высокоточной стабилизации частоты ДЛ, а также путем синхронного детектирования /о(у) и /(V). Проблема дрейфа и тонкой структуры базовой линии может быть, в частности, решена с помощью детектирования молекулярного поглощения на удвоенной частоте модуляции ДЛ [51], однако данный метод не обеспечивает высокой точности измерений молекулярного поглощения. Также известны методы компенсации тонкой структуры базовой линии при постобработке сигнала [56,117], основанные на Фурье-анализе базовой линии. Таким образом, проблема базовой линии ДЛС остается актуальной, но богатый разработанный комплекс методов по минимизации её влияния на эксперимент позволяет успешно с ней бороться.

Пренебрегая взаимодействием спектральных линий, коэффициент поглощения в формуле (1.2) можно представить в следующем виде:

ВД= 1 и<Ги(у)Ц (1.3)

где Оц(у) - сечение поглощения 1-й линииу-го вещества на частоте V [см /молек], N - объемная концентрация у-го вещества [молек/см ]. Рассматривая изолированную линию детектируемого вещества можно опустить подстрочные индексы. Тогда выражение (1.3) примет вид:

1(у) = / 0(у)е~ (1.4)

Сечение поглощения можно представить в виде:

а(у)=Б( Г)/00 (15)

где 8(Т) - интегральная интенсивность линии или сила осциллятора [см-1/молек/см-2], Т -температура [К], /(V) - нормированный контур спектральной линии [см]. Для количественной характеристики спектральной линии вводят три основных параметра: интенсивность 8(Т), полуширина на полувысоте (ПШПВ) у и частота квантового перехода V. Значения этих параметров представлены в базе данных спектроскопических параметров НГГКАК [118].

Форма контура спектральной линии определяется различными физическими эффектами: естественным уширением, доплеровским уширением, столкновительным уширением и др. Естественное уширение характеризуется временем жизни возбужденного состояния и определяет теоретический предел ширины спектральной линии. Контур естественно уширенной линии определяется функцией Лоренца с ПШПВ порядка 100 кГц в ближнем и среднем ИК. Столкновительное уширение обусловлено флуктуациями амплитуды, частоты и фазы вращения и колебания молекулы во время столкновений с другими молекулами. Данный тип уширения вносит наибольший вклад в наблюдаемую ширину спектральной линии при атмосферном

давлении и приводит к смещению основной частоты перехода. Столкновительное уширение характеризуется контуром Лоренца:

л = 0-6)

где yL - столкновительная ПШПВ [см-1/атм]. При анализе газовой смеси, состоящей из разных молекул, необходимо учитывать разный вклад в уширение спектральной линии от соударений с разными молекулами. В базе данных HITRAN [118] отдельно приведены значения столкновительной ПШПВ для случая столкновительного уширения в однородной среде рассматриваемого газа и для случая столкновений молекул рассматриваемого газа в воздушной смеси при атмосферном давлении. Значение столкновительной ПШПВ линейно зависит от давления, однако при дальнейшем понижении давления столкновительная ПШПВ не окажется равной естественному уширению. В области низких давлений (ниже единиц мбар) механизм уширения спектральной линии обусловлен эффектом Доплера и характеризуется функцией Гаусса:

-'"2(^2 (1-7)

где Jd - доплеровская ПШПВ, зависящая от температуры, частоты и типа молекулы:

V d = v0J 2 = 3, 5 8 1 ■ 1 0 - Ч.Д (1.8)

где М - молекулярная масса [г/моль], а T - температура [К].

Для совместного учета столкновительного и доплеровского уширений спектральных линий используется контур Фойгта [119], который является сверткой лоренцевского и доплеровского контуров:

j. , N 1 11п2 у гсо e~f2 ,, _

fD(y)=—\—-J -г~г—t (1.9)

ГйЛ1 к nJ-00 у2 +(х-1)2 v '

Yd

у = V!ñ2—

Yd

Существует много других модельных контуров спектральных линий, учитывающих различные эффекты [120], однако в данной работе мы ограничимся использованием контура Фойгта.

Определившись с контуром спектральной линии, необходимо привести параметры, приведенные в базе данных HITRAN [118] и характеризующие спектральную линию при нормальных условиях, к условиям эксперимента. Температурная зависимость интенсивности перехода выглядит следующим образом:

c2E C2V0

Q(T) e T ( 1 - e T )

S(T) = S( T0)QTLe E( 1 e Vo) (1.10)

Q(To)e~ TE( 1 - e~ —)

где To - стандартная температура [296 K], Q(T) - статистическая сумма, E - энергия нижнего уровня оптического перехода [см-1], c2 - вторая радиационная постоянная [смК], vo -центральная частота оптического перехода [см-1]. Значения параметров Q(T), E, vo также представлены в базе данных HITRAN [118].

Столкновительная ПШПВ зависит как от температуры, так и от давления следующим образом:

f) ■ (У аir ■ ( Р - Pself) + Yself ' PSelf) (111)

где nair - коэффициент температурной зависимости, yair - столкновительная ПШПВ, уширенная воздухом при Ро = 1 атм и Т = 296 К [см-1/атм], yseif - столкновительная ПШПВ уширенная самим газом при Ро = 1 атм и Т = 296 К [см-1/атм], Psef - парциальное давление исследуемого газа в случае исследования смеси газов [атм]. Значения параметров nar yair, yself приведены в базе данных HITRAN [118].

Смещение частоты перехода обусловлено изменением давления:

v^ = v0 + 8 ■ Р (1.12)

где ö - параметр, характеризующий смещение частоты [см-1/атм], значение которого также приведено в базе данных HITRAN [118].

Возвращаясь к формуле (1.4) полное число молекул может быть выражено через число Лошмидта Nl - объемную концентрацию молекул при Ро = 1 атм и Т = 273 К (NL = 2,686774 1019 молек/см3), которое также зависит от температуры и давления:

л^Мй© а»)

Подставив выражение (1.13) в (1.4) и используя понятие концентрации, получим следующее выражение:

I(v)= I0(v)e-S(T) +(v)■cL (1.14)

В итоге получаем, что, измеряя спектр пропускания исследуемой газовой смеси, можно определить концентрацию поглощающего вещества:

C=-—^----(1.15)

( ) ( )

где выражение ln(Io(v)/I(v)) = ln(1/T(v)) - натуральный логарифм обратной функции оптического пропускания исследуемой среды. Десятичный логарифм функции обратного пропускания называют оптической плотностью среды - D(v).

Выражение (1.15) позволяет вычислять концентрацию исследуемого вещества из измеренного спектра пропускания T(v), однако для обеспечения высокой точности таких измерений должны быть также достаточно точно измерены давление Р и температура Т.

В случае количественного анализа газовой смеси с некоторым набором спектральных линий в выражении (1.4) суммирование опускать нельзя, а измеряемый спектр необходимо рассматривать как суперпозицию спектров пропускания каждой отдельной составляющей газовой смеси. Задача нахождения концентрации каждой компоненты газовой смеси из выражения (1.4) успешно решается методом линейной регрессии [121,122]. Также необходимо отметить, что в случае анализа изотопологического состава газовой смеси с помощью регрессионного метода нужно учитывать тот факт, что база данных HITRAN [118] представляет значения интенсивностей переходов S(T), нормированных на их стандартную изотопологическую распространенность в земной атмосфере.

Несмотря на то, что разработка классического диодно-лазерного спектрометра не является предметом настоящего диссертационного исследования, описанный выше способ вычисления концентрации молекулярных газов лежит в основе анализа экспериментальных данных, полученных как методом спектроскопии внутрирезонаторного поглощения, так и методом гетеродинной спектроскопии.

1.2. Количественное описание метода спектроскопии полного внутрирезонаторного

выхода (ICOS)

Главное концептуальное отличие метода спектроскопии полного внутрирезонаторного выхода (далее ICOS) от ДЛС заключается в том, что исследуемая газовая проба помещается в высокодобротный оптический резонатор, позволяющий достигать больших значений эффективного оптического пути и, как следствие, высокой чувствительности.

Основная характеристика высокодобротного резонатора - это время формирования равновесного состояния резонансных мод:

т = (1.16)

с( 1 -R) v '

где L - длина резонатора [см], R - коэффициент отражения зеркал, c - скорость света [см/с]. В случае наличия поглощающей среды внутри резонатора выражение (1.16) примет вид:

т = -^ТГТ (1.17)

с( 1 -R+K(v)L) v '

где K(v) - коэффициент поглощения исследуемого газа [см-1]. Из выражения (1.17) следует определение эффективного оптического пути:

1егг = Т-Шт. (118)

которое, как и в случае с постоянного времени резонатора, определяется лишь длинной резонатора и коэффициентом отражения зеркал.

Исторически первые системы, работающие на основе ICOS, были предложены в качестве альтернативы уже хорошо известному к тому моменту методу спектроскопии внутрирезонаторного затухания (CRDS) [123]. Источник лазерного излучения располагался на одной оптической оси с резонатором, в котором возбуждались продольные моды с областью свободной дисперсии, обусловленной длиной резонатора:

FSR = (1.19)

Основанная на регистрации поглощения на резонансах продольных мод, такая конфигурация метода ICOS обладала некоторыми недостатками, в числе которых высокий уровень оптических шумов. Поэтому было предложено направлять излучение в оптический резонатор под некоторым углом к основной оптической оси и на некотором расстоянии от центра зеркала. Лазерное излучение, попадая в резонатор под некоторым углом, начинает многократно отражаться от зеркал, формируя на зеркалах характерный паттерн - изображение траектории хода отражений лазерного луча на зеркале резонатора, состоящее из точек (пятен), в которые лазерный пучок попадает и отражается. В общем случае паттерн может быть, как эллиптическим в общем случае, так и иметь форму фигур Лиссажу [124]. При такой конфигурации метода ICOS область свободной дисперсии определяется следующим выражением:

F SR ef f = 2k (120)

где n - количество проходов лазерного пучка, при которых паттерн совмещается сам с собой. Для идеального резонатора n может быть определено из выражения (1.18), однако на практике количество проходов определяется качеством юстировки [125]. В случае введения лазерного пучка под некоторым углом, в резонаторе возбуждается большое количество продольно-поперечных мод с зоной свободной дисперсии, не превышающей по своему значению ширины линии генерации ДЛ. В связи с этим при перестройке частоты ДЛ моды резонатора будут постоянно возбуждены, а скважность регистрируемых спектров, также, как и спектральное разрешение, будет определяться тактовой частотой аналого-цифрового преобразователя (АЦП) сигнала ФПУ.

Высокая чувствительность, обусловленная большим значением коэффициентом отражения зеркал R, достигается ценой малой оптической мощности на выходе резонатора. В случае отсутствия поглотителя внутри резонатора и идеального пропускания зеркал резонатора:

T = 1-R (1.21)

значение оптической мощности, выходящей из резонатора, будет пропорционально:

I^Io1^ (1.22)

где Io - оптическая мощность, падающая на резонатор. Коэффициент 2 обусловлен тем, что потери резонатора происходят в двух направлениях на обоих зеркалах резонатора. Однако в реальности значение оптической мощности, падающей на ФПУ, в несколько раз ниже, чем в выражении (1.22).

При проектировании высокодобротных резонаторов для ICOS большое внимание уделяется форме паттерна. Необходимо подобрать такую геометрию резонатора, чтобы соседние пятна паттерна находились на некотором расстоянии как друг от друга, так и от границ зеркала. Частичное пересечение пятен паттерна между собой приводит к возникновению оптических шумов в регистрируемом сигнале, а попадание пятен паттерна на границу зеркала значительно сокращает чувствительность прибора. Диаметр пятна паттерна можно оценить из геометрических параметров резонатора и длины волны излучения [56]:

2 AL | 2Rт ^^ 23)

1п\п(2)

где ^ - диаметр пятна паттерна, Ь - длина резонатора, X - длина волны излучения, Ят - радиус кривизны зеркала. Угловое перемещение точек паттерна на зеркале после однократного прохождения резонатора определяется следующим выражением:

в = а г с с о 1-—) (1.24)

Кт

Уравнение (1.24) - это основное выражение, задающее характер паттерна на сферическом зеркале резонатора, в частности, с его помощью задаются такие важные параметры, как количество проходов за один оборот паттерна вокруг оптической оси - т и количество проходов лазерного пучка, при которых паттерн совмещается сам с собой - п. Условие для выбора значений т и п выглядит следующим образом:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зеневич Сергей Геннадьевич, 2021 год

Список литературы

1. Crutzen, P. Nitric acid cloud formation in the cold Antarctic stratosphere: a major cause for the springtime 'ozone hole' / P.Crutzen, F.Arnold // Nature. - 1986. - Vol. 324. - Р. 651655.

2. Crutzen, P.J. Albedo Enhancement by Stratospheric Sulfur Injections: A Contribution to Resolve a Policy Dilemma? / P.Crutzen // Climatic Change. - 2006. - Vol. 77. - Р. 211.

3. Crutzen, P. Geology of mankind / P.Crutzen // Nature. - 2002. - Vol. 415. - P. 23.

4. Crutzen, P. Linkages Between Global Warming, Ozone Depletion, Acid Deposition and Other Aspects of Global Environmental Change : Confronting Climate Change: Risks, Implications and Responses / P.Crutzen, G.Golitsyn, - Cambridge : Cambridge University Press, 1992. - 15-32 р.

5. A safe operating space for humanity / J.Rockstrom, W.Steffen, K.Noone, et al. // Nature. -2009. - Vol. 461. - P. 472-475.

6. Peixoto, J.P., Physics of Climate / J.P.Peixoto, AH. Oort, - Springer, 1992. - 520 р.

7. Fourier, J.-B.J. Mémoire sur les températures du globe terrestre et desespaces planétaires / J.-B.J.Fourier // Memoires de l'Acadeémie Royale des Sciences. - 1827. - Vol. 7. - P. 569604.

8. Tyndall, J. On the transmission of heat of different qualities through gases of different kinds / J.Tyndall // Proceedings of the Royal Institution. - 1859. - Vol. 3. - P. 155-158.

9. Arrhenius, S. On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground / S.Arrhenius // The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1896. - Vol. 41. - P. 237-276.

10. Callendar, G.S. The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature / G.S.Callendar // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. - 1938. - Vol. 64. - № 275. - P. 223-240.

11. Manabe, S. The effects of doubling of the CO2 concentration on the climate of a general circulation model / S.Manabe, R.T.Wetherald // Journal of the Atmospheric Science, -1975. - Vol. 32. - № 1. - P. 3-15.

12. Будыко, М.И. Влияние человека на климат / М.И.Будыко. — Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 46 с.

13. Sulfate aerosol indirect effect and CO2 greenhouse forcing: equilibrium response of the LMD GCM and associated cloud feedbacks / H.Le Treut, M.Forichon, O.Boucher, Z.-X.Li // J. Climate, - 1998. - Vol. 11. - P. 1673-1684.

14. Семенов, С.М. Сравнительные оценки влияния изменения концентраций диоксида углерода, метана, закиси азота и водяного пара на радиационно-равновесную температуру земной поверхности / С.М.Семенов, И.О.Попов // Метеорология и гидрология. - 2011. - № 8. - С. 34-43.

15. IPCC 2014. Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, 151 p.

16. Kiehl, J.T. Earth's annual global mean energy budget / J.T.Kiehl, K.E.Trenberth // Bulletin of the American Meteorological Society, - 1997. - Vol. 78. - № 2. - P. 197-208.

17. Seinfeld, J.H. Atmospheric chemistry and physics From Air Pollution to Climate Change / J.H. Seinfeld, S.N. Pandis. - 2nd ed. - 490 John Wiley & Sons: New York, 2006. - 1326 p.

18. IPCC 2001. Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Houghton, J.T., Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden, X. Dai, K.Maskell, and C.A. Johnson (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA, 881 p.

19. IPCC 1996a. Climate Change 1995:The Science of Climate Change. Contribution of Working Group I to the Second Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Houghton, J.T., L.G. Meira Filho, B.A. Callander, N. Harris, A. Kattenberg, and K. Maskell (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 572 р.

20. Improved Attribution of Climate Forcing to Emissions / D.T.Shindell, G.Faluvegi, D.M.Koch, et al. // Science. - 2009. - Vol. 326. - P. 716-718.

21. Global change: state of the science / D.J.Wuebbles, A.Jain, J.Edmonds et al. // Environmental Pollution. - 1999. - Vol. 100. - № 3. - P. 57- 86.

22. Cryovolcanism on the Earth: Origin of a Spectacular Crater in the Yamal Peninsula (Russia) / S.N.Buldovicz, V.Z.Khilimonyuk, A.Y.Bychkov et al. // Sci. Rep. - 2018. - Vol. 8. - P. 13534.

23. Clark, M.A. Global food system emissions could preclude achieving the 1.5° and 2°C climate change targets / M.A.Clark, N.G.G.Domingo, K.Colgan // Science. - 2020. - Vol. 370. - P. 705-708.

24. A comparison of middle atmospheric dynamics at Saskatoon (52 N, 107 W), as measured by a medium-frequency radar and a Fabry-Perot interferometer / N.Lloyd, A.H.Manson, D.J.McEwen, C.E.Meek // J. Geophys. Res. - 1990. - Vol. 95. - P. 7653-7660.

25. Measurements of the E-region neutral wind field / L.L.Cogger, J.S.Murphree, C.A.Tepley, J.W.Meriwether // Planet. Space Sci. - 1985. - Vol. 33. - P. 373-379.

26. Coordinated radar observations of atmospheric diurnal tides in equatorial regions / T.Tsuda, K.Ohnishi, F.Isoda et al. // Earth Planets Space. - 1999. - Vol. 51. - P. 579-592.

27. Seasonal variations of the semi-diurnal and diurnal tides in the MLT: Multi-year MF radar observations from 2 to 70 degrees N, and the GSWM tidal model / A.H.Manson, C.Meek, M.Hagan et al. // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. - 1999. - Vol. 61. - P. 809-828.

28. The Doppler Wind and Temperature System of the ALOMAR Lidar facility: overview and initial results / D.Rees, M.Vyssogorets, N.P.Meredith et al. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phy. -1996. - Vol. 58. - P. 1827-1842.

29. 355-nm high spectral resolution airborne lidar LNG: system description and first results / D.Bruneau, J.Pelon, F.Blouzon et al. // Appl. Optics. - 2015. - Vol. 54. - P. 8776-8785.

30. Doppler lidar at Observatoire de Haute-Provence for wind profiling up to 75 km altitude: performance evaluation and observations / S.M.Khaykin, A.Hauchecorne, R.Wing et al. // Atmos. Meas. Tech. - 2020. - Vol. 13. - P. 1501-1516.

31. Wind structure and variability in the middle atmosphere during the November 1980 Energy Budget Campaign / F.Schmidlin, M.Carlson, D.Rees et al. // J. Atmos. Terr. Phys. - 1985. -Vol. 47. - P. 183-193.

32. A Study of Atmospheric Temperature and Wind Profiles Obtained from Rocketsondes in the Chinese Midlatitude Region / Z.Sheng, Y.Jiang, L.Wan, Z.Q.Fan // J. Atmos. Oceanic Technol. - 2015. - Vol. 32. - P. 722-735.

33. TIMED Doppler Interferometer: Overview and recent results / T.L.Killeen, Q.Wu, S.C.Solomon et al. // J. of Geoph. Res. - 2006. - Vol. 111. - P. A10S01.

34. Towards long-term standardised carbon and greenhouse gas observations for monitoring Europe's terrestrial ecosystems: a review / D.Franz, M.Acosta, N.Altimir et al. // Int. Agrophys. - 2018. - Vol. 32. - P. 439-455.

35. Phillips, C.S.G. The study of catalysis by novel gas chromatographic techniques / C.S.G.Phillips, C.R.Mcllwrick, R.E.Mackenzie // Chromatographia. - 1974. - Vol. 7. - P. 357-360.

36. Castello, G. Determination of sulphur and nitrogen gases by gas chromatography on polystyrene porous polymer columns / G.Castello, G.D'Amato // Journal of Chromatography A. - 1991. - Vol. 585. - P. 93-100.

37. Sanders, J.K. Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry: Practices and Techniques (Taylor, Howard E.) / J.K.Sanders // J. Chem. Educ. - 2001. - Vol. 78. - P. 1465.

38. Maher, S. Colloquium: 100 years of mass spectrometry: Perspectives and future trends / S.Maher, F.P.M.Jjunju, S.Taylor // Rev. Mod. Phys. - 2015. - Vol. 87. - P. 113.

39. Stetter, J.R. Chemical Sensors, Electrochemical Sensors, and ECS / J.R.Stetter, W.R.Penrose, S.Yao // Journal of The Electrochemical Society. - 2003. - Vol. 150. - № 2.

- P. 11-16.

40. Kazanskiy, N.L. Carbon Dioxide Gas Sensor Based on Polyhexamethylene Biguanide Polymer Deposited on Silicon Nano-Cylinders Metasurface / N.L.Kazanskiy, M.A.Butt, S.N.Khonina // Sensors. - 2021. - Vol. 21. - P. 378.

41. Raman Laser Spectrometer: Application to 12C/13C Isotope Identification in CH4 and CO2 Greenhouse Gases / V.Vitkin, A.Polishchuk, I.Chubchenko et al. // Appl. Sci. - 2020.

- Vol. 10. - P. 7473.

42. McDonagh, C. Optical Chemical Sensors / C.McDonagh, C.S.Burke, D.B.D.MacCraith // Chemechal Review. - 2008. - Vol. 108. - P. 400-422.

43. A review on non-dispersive infrared gas sensors: Improvement of sensor detection limit and interference correction / T.-V.Dinh, I.-Y.Choi, Y.-S.Son, J.-C.Kim // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2016. - Vol. 231. - P. 529-538.

44. Using Fourier transform IR spectroscopy to analyze biological materials / M.Baker, J.Trevisan, P.Bassan et al. // Nat. Protoc. - 2014. - Vol. 9. - P. 1771-1791.

45. Nasim, H. Recent Advancements in Spectroscopy using Tunable Diode Lasers / H.Nasim, Y.Jamil // Laser Phys. Lett. - 2013. - Vol. 10. - P. 043001.

46. High precision measurements of the 13CO2/12CO2 isotope ratio at atmospheric pressure in human breath using a 2 p,m diode laser / S.N.Andreev, E.S.Mironchuk, I.V.Nikolaev // Appl Phys B. - 2011. Vol. 104. - P. 73-79.

47. Наместников, Д.Ю., Трехканальный детектор на основе РОС гетеролазеров InGaAs для мониторинга: дис. ... канд. техн. наук. - Москва, 2007. - 163 с.

48. Hugi, A. External cavity quantum cascade laser tunable from 7.6 to 11.4 p,m / A.Hugi, R.Terazz, Y.Bonett // App. Phys. Lett. - 2009. Vol. - 95. - P. 061103.

49. Tittel, F.K. Tunable mid-infrared laser absorption spectroscopy. Semiconductor Lasers: Fundamentals and Applications / F.K.Tittel, R.Lewicki. - Cambridge, Woodhead Publ. Ltd., 1995. - P. 579-630.

50. Семенов, В.М., Разработка системы изотопного анализа UF6 и мониторинга HF в атмосфере на основе полупроводниковых приборов: дис. ... канд. техн. наук. -Москва, 2014. - 203 с.

51. Schilt, S. Wavelength modulation photoacoustic spectroscopy: Theoretical description and experimental results / S.Schilt, L.Thеvenaz // Infrared Phys. Techn. - 2006. - Vol. - № 48. -P. 154 -162.

52. Чернин, С.М. Многоходовые системы в оптике и спектроскопии / С.М.Чернин. -Москва: Физматлит, 2010 - 242 с.

53. O'Keefe, A. cw Integrated cavity output spectroscopy / A.O'Keefe, J.J.Scherer, J.B.Paul // Chem. Phys. Lett. - 1999. - Vol. 307. - P. 343-349.

54. Berden, G. Cavity Ring-Down Spectroscopy: Techniques and Applications / G.Berden, R.Engeln. - Chichester: Wiley-Blackwell, 2009. - 336.

55. QEPAS for Chemical Analysis of Multi-Component Gas Mixtures / A.A.Kosterev, L.Dong, D.Thomazy, F.K.Tittel // App. Phys. B. - 2010. - Vol. 101. - P. 649-659.

56. A new cavity based absorption instrument for detection of water isotopologues in the upper troposphere and lower stratosphere / D.S.Sayres, E.J.Moyer, T.F.Hanisco et al. // Review of Scientific Instruments. - 2009. - Vol. 80. - P. 044102.

57. Compact QEPAS sensor for trace methane and ammonia detection in impure hydrogen / L.Dong, J.Wright, F.K.Tittel et al. // App. Phys. B. - 2012. - Vol. 107. - P. 459-467.

58. Influence of regional-scale anthropogenic emissions on CO2 distributions over the western North Pacific / S.A.Vay, J.-H.Woo, B.E.Anderson et al. // J. Geophys. Res. - 2003. - Vol. 108. - P. 8801.

59. Evidence of horizontal and vertical transport of water in the Southern Hemisphere tropical tropopause layer (TTL) from high-resolution balloon observations / S.M.Khaykin, J-P.Pommereau, E.D.Riviere et al. // Atmos. Chem. Phys. - 2016. Vol. 16. - P. 1227312286.

60. Watts, A.C. Unmanned Aircraft Systems in Remote Sensing and Scientific Research: Classification and Considerations of Use / A.C.Watts, V.G.Ambrosia, E.A.Hinkley // Remote Sens. - 2012. - Vol. 4. - P. 1671-1692.

61. Carbon dioxide column abundances at the Wisconsin Tall Tower site / R.A.Washenfelder, G.C.Toon, J.- F.Blavier et al. // J. Geophys. Res. - 2006. - Vol. 111. - P. D22305.

62. Hannigan, J.W. Semiautonomous FTS Observation System for Remote Sensing of Stratospheric and Tropospheric Gases / J.W.Hannigan, M.T.Coffey, A. Goldman // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. - 2009. - Vol. 26. - № 9. - P. 1814-1828.

63. Shen, F. Development of a Laser Heterodyne Radiometer for Atmospheric Remote Sensing: thesis ... doctoral degree at the Université du Littoral Côte d'Opale. - Dunkirk, 2019. - 225 p.

64. The Total Carbon Column Observing Network / D.Wunch, G.C.Toon, J.- F.Blavier et al. // Phil. Trans. R. Soc. A. - 2011. - Vol. 369. - P. 2087-2112.

65. CO2 annual and semiannual cycles from multiple satellite retrievals and models / X.Jiang, D.Crisp, E.T.Olsen et al. // Earth Space Sci. - 2016. -Vol. 3. - 78-87.

66. Carbon dioxide retrieval from OCO-2 satellite observations using the RemoTeC algorithm and validation with TCCON measurements / L.Wu, O.Hasekamp, H.Hu et al. // Atmos. Meas. Tech. - 2018. - Vol. 11. - P. 3111-3130.

67. Building the COllaborative Carbon Column Observing Network (COCCON): long-term stability and ensemble performance of theEM27/SUN Fourier transform spectrometer / M.Frey, M.K.Sha, F. Hase et al. // Atmos. Meas. Tech. - 2019. - Vol. 12. - P. 1513-1530.

68. XCO2-measurements with a tabletop FTS using solar absorption spectroscopy / M.Gisi, F.Hase, S.Dohe et al. // Atmos. Meas. Tech. - 2012. Vol. - 5. - P. - 2969-2980.

69. Kostiuk, T. Remote sensing by IR heterodyne spectroscopy / T.Kostiuk, M.J.Mumma // Apl. Opt. - 1983. - Vol. 22, № 17. - P. 2644-2564.

70. Wireless signaling : Pat. US706742A / R.A.Fessenden ; pub. 12.09.1902. - 13 p.

71. Hogan, J.L. The heterodyne receiving system and notes in the recent Arlington-Salem tests / J.L.Hogan // Proc. IRE. - 1973. - Vol. 1. - P. 75-102.

72. Forrester, A.T. On the possibility of observing beat frequencies between lines in the visible spectrum / A.T.Forrester, W.E.Parkins, E.Gerjuoy // Phys. Rev. - 1947. -Vol. 72. - P. 728.

73. Forrester, A.T. Photoelectric mixing of incoherent light / A.T.Forrester, R.A.Gudioindsen, P.O.Johnson // Phys. Rev. - 1955. - Vol. 99. - P. 1692-1700.

74. Maiman, T.H. Stimulated optical radiation in ruby / T.H.Maiman // Nature. - 1960. - Vol. 187. - P. 493-494.

75. Forrester, A.T. Photoelectric mixing as a spectroscopic tool / A.T.Forrester // J. Opt. Soc. Am. - 1961. - Vol. 51. - P. 253-259.

76. Menzies, R.T. Use of CO and CO2 lasers to detect pollutants in the atmosphere / R.T.Menzies // Appl. Opt. - 1971. - Vol. 10. - P. 1532-1538.

77. Stratospheric ozone measurement with an infrared heterodyne spectrometer / M.M.Abbas, T.Kostiuk, M.J.Mumma et al. // Geophys. Res. Lett. - 1978. - Vol. 5. - P. 317-320.

78. Mouanda, J.C. Laboratory and atmospheric ozone measurements by infrared-laser heterodyne detection / J.C.Mouanda, D.Courtois, C.Thiebeaux // Appl. Phys. B. - 1993. -Vol. 57. - P. 119-122.

79. Ku, R.T. High-sensitivity infrared heterodyne radiometer using a tunable-diode-laser local oscillator / R.T.Ku, D.L.Spears // Opt. Lett. - 1977. - Vol. 1. - P. 84-86.

80. Frerking, M.A. Infrared heterodyne spectroscopy of atmospheric ozone / M.A.Frerking, D.J.Muehlner // Appl. Opt. - 1977. - Vol. 16. - P. 526-528.

81. Wirtz, D. THIS : a tuneable heterodyne infrared spectrometer / D.Wirtz, G.Sonnabend, R.T.Schieder // Spectrochimica. Acta. Part A. - 2002. - Vol. 58. - P. 2457-2463.

82. Sornig, M. Venus upper atmosphere winds from ground-based heterodyne spectroscopy of CO2 at wavelength / M.Sornig, T.Livengood, G.Sonnabend et al. // Planet. Space Sci. -2008. - Vol. 56. - P. 1399-1406.

83. Infrared laser heterodyne systems / B.Parvitte, V.Zeninari, C.Thiebeaux et al. // Spectrochimica Acta Part A. - 2004. - Vol. 60. - P. 1193-1213.

84. On the possibility of designing a high-resolution heterodyne spectrometer for near-IR range on the basis of a tunable diode laser / A.Yu.Klimchuk, A.I.Nadezhdinskii, Ya.Ya.Ponurovskii et al. // Quantum Electronics. - 2012. - Vol. 42. - № 3. - P. 244 - 249.

85. Гетеродинный волоконно-оптический спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона : Пат. 121927 U1 Рос. Федерация. МПК G01J3/453 / А.Ю.Климчук, А.И.Надеждинский, Я.Я.Понуровский и др. ; № 2012130517/28 ; заявл. 18.07.2012 ; опубл. 10.11.2012, Бюл. № 31 - 8 с.

86. Miniaturized laser heterodyne radiometer for measurements of CO2 in the atmospheric column / E.L.Wilson, M.L.McLinden, J.H.Miller et al. // Appl. Phys. B. - 2014. - Vol. 114.

- P.385-393.

87. Miniaturized laser heterodyne radiometer for carbon dioxide, methane and carbon monoxide measurements in the atmospheric column : Pat. US2014/0016134 A1 Int. Cl. G01N21/61 / E.Wilson, M.L.Mclinden ; pub. 16.01.2014. - 10 p.

88. High resolution heterodyne spectroscopy of the atmospheric methane NIR absorption / A.Rodin, A.Klimchuk, A.Nadezhdinskiy et al. // Opt. Exp. - 2014. - Vol. 22. - P. 1382513834.

89. Uncertainty analysis for the miniaturized laser heterodyne radiometer (mini-LHR) for the measurement of carbon dioxide in the atmospheric column / G.B.Clarke1, E.L.Wilson, J.H.Miller, H.R.Melroy // Meas. Sci. Technol. - 2014. - Vol. 25. - P. 055204.

90. Autonomous field measurements of CO2 in the atmospheric column with the miniaturized laser heterodyne radiometer (Mini- LHR) / H.R.Melroy, E.L.Wilson, G.B.Clarke et al. // Appl. Phys. B. - 2015. - Vol. 120. - P. 609-615.

91. Wilson, E.L. A Low-Cost Miniaturized Laser Heterodyne Radiometer (Mini-LHR) for Near-IR measurements of CO2 and CH4 in the atmospheric column / E.L.Wilson // CLEO.

- 2016. - P. ATh3J.2.

92. Kurtz, J. Multiple receivers in a high-resolution nearinfrared heterodyne spectrometer / J.Kurtz, S.O'Byrne // Opt. Expr. - 2016. - Vol. 24. - № 21. - P. 23838-23846.

93. A 4 U laser heterodyne radiometer for methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) measurements from an occultation-viewing CubeSat / E.L.Wilson, A.J.DiGregorio, V.J.Riot et al. // Meas. Sci. Technol. - 2017. - Vol. 28. - P. 035902.

94. The Methane Isotopologues by Solar Occultation (MISO) Nanosatellite Mission: Spectral Channel Optimization and Early Performance Analysis / D.Weidmann, A.Hoffmann, N.Macleod et al. // Remote Sens. - 2017. - Vol. 9. - P. 1073.

95. Riot, V. LDRD Final Report Measuring Atmospheric Gas Using Small Satellites / V.Riot, D.Carter, L.Simms // United States. - 2020.

96. Potential improvements in global carbon flux estimates from a network of laser heterodyne radiometer measurements of column carbon dioxide / P.I.Palmer, E.L.Wilson, G.L.Villanueva et al. // Atmos. Meas. Tech. - 2019. - Vol. 12. - P. 2579-2594.

97. A portable miniaturized laser heterodyne radiometer (mini- LHR) for remote measurements of column CH4 and CO2 / E.L.Wilson, A.J.DiGregorio, G.Villanueva et al. // Applied Physics B. - 2019. - Vol. 125. - P. 211.

98. Measurements of a fully resolved contour of the carbon dioxide absorption line in a band at l = 1.605 mm in the atmospheric column using high-resolution heterodyne spectroradiometry / S.G.Zenevich, A.Yu.Klimchuk, V.M.Semenov et al. // Quantum Electronics. - 2019. - Vol. 49. - № 6. - P. 604 - 611.

99. Near infrared heterodyne radiometer for continuous measurements of atmospheric CO2 column concentration / H.Deng, C.Yang, W.Wang et al. // Infrared Physics and Technology. - 2019. - Vol. 101. - P. 39-44.

100. Vertical wind profiling from the troposphere to the lower mesosphere based on highresolution heterodyne near-infrared spectroradiometry / A.V.Rodin, D.V.Churbanov, S.G.Zenevich et al. // Atmos. Meas. Tech. - 2020. - Vol. 13. - P. 2299-2308.

101. Improvement of dark signal evaluation and signal-to-noise ratio of multichannel receivers in NIR heterodyne spectroscopy application for simultaneous CO2 and CH4 atmospheric measurements / S.G.Zenevich, I.Gazizov, D.Churbanov et al. // OSA Continuum. - 2020. - Vol. 3. - № 7. - P. 1801-1810.

102. Portable multichannel heterodyne spectroradiometer for simultaneous atmospheric CO2 and CH4 precision column measurement in the nearinfrared range / S.G.Zenevich, I.Gazizov, D.Churbanov et al. // Proc. SPIE 11560, 26th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics. - Moscow, 2020. - P. 1156047.

103. CubeSat project for sounding the atmosphere of Mars / I.Sh.Gazizov, S.G.Zenevich, D.S.Shaposhnikov et al. // 5th IAA Conference on University Satellite Missions and CubeSat Workshop. - Rome, 2020. - P. IAA-AAS-CU-20-05-06.

104. Laser heterodyne spectroradiometer assisted by self-calibrated wavelength modulation spectroscopy for atmospheric CO2 column absorption measurements / H.Deng, M.Li, Y.He et al. // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. - 2020. -Vol. 230. - P. 118071.

105. Precision heterodyne oxygen-corrected spectrometry: vertical profiling of water and carbon dioxide in the troposphere and lower stratosphere / D.S.Bomse, J.E.Tso, M.M.Flores et al. // Appl. Opt. - 2020. - Vol. 59. - № 7. - P. B10-B17.

106. A fibered near-infrared laser heterodyne radiometer for simultaneous remote sensing of atmospheric CO2 and CH4 / J.Wang, C.Sun, G.Wang et al. // Optics and Lasers in Engineering. - 2020. - Vol. 129. - P. 106083.

107. A concept of 2U spaceborne multichannel heterodyne spectroradiometer for greenhouse gases remote sensing / S.Zenevich, I.Gazizov, D.Churbanov et al. // Rem. Sens. - 2021. -Vol. 13. - P. 2235.

108. Development of a laser heterodyne spectroradiometer for high-resolution measurements of CO2, CH4, H2O and O2 in the atmospheric column / H.Deng, C.Yang, Z.Xu et al. // Opt. Expr. - 2021. - Vol. 29. - № 2. - P. 2003-2013.

109. Scientific objectives of the scientific equipment of the landing platform of the ExoMars-2018 mission / L.M.Zelenyi, O.I.Korablev, D.S.Rodionov et al. // Sol. Syst. Res. - 2015. -Vol. 49. - P. 509-517.

110. Indigenous and exogenous organics and surface-atmosphere cycling inferred from carbon and oxygen isotopes at Gale crater / H.B.Franz, P.R.Mahaffy, C.R.Webster et al. // Nat. Astron. - 2020. - Vol. - 4. - P. 526-532.

111. Jakosky, B.M. Mars' volatile and climate history / B.M.Jakosky, R.J.Phillips // Nature. - 2001. - Vol. - 412. - P. 237-244.

112. Martian Multichannel Diode Laser Spectrometer (M-DLS) for In-Situ Atmospheric Composition Measurements on Mars Onboard ExoMars-2022 Landing Platform / A.Rodin, I.Vinogradov, S.Zenevich et al. // Appl. Sci. - 2020. - Vol. 10. - P. 8805.

113. Nadezhdinskii, A. Diode laser frequency tuning / A.Nadezhdinskii // Spectrochimica Acta Part A. - 1996. - Vol. - 52. - P. 959-965.

114. Повышение точности спектрометра высокого разрешения на основе диодных лазеров методом стабилизации циклов сканирования по реперной линии //

Ю.В.Косичкин, Л.И.Кузнецов, А.И.Надеждинский и др. // Квантовая электроника. -1982. - Т. 9. - № 4. - С. 822-825.

115. Детлаф, А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов / А.А.Детлаф, Б.М.Яворский, А.К.Лебедев. - М., 2007. - 490 с.

116. Nadezhdinskii, A. Baseline in TDLS: investigation and suppression / A.Nadezhdinskii // Abstracts of papers of 7th International conference on Tunable diode laser spectroscopy. -Zermatt, Switzerland. 2009. - P.75.

117. Measurement of the D/H, 18O/16O, and 17O/16O Isotope Ratios in Water by Laser Absorption Spectroscopy at 2.73 p,m / T.Wu, W.Chen, E.Fertein et al. // Sensors. - 2014. Vol. - 14. - P. 9027-9045.

118. The HITRAN2016 molecular spectroscopic database / I.E.Gordon, L.S.Rothman, C.Hill et al. // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. - 2017. - Vol. 203. - P. 3-69.

119. Varghese, P.L. Collisional narrowing effects on spectral line shapes measured at high resolution / P.L.Varghese, R.K.Hanson // Appl. Opt. - 1984. - Vol. 23. - № 14. - P. 23762385.

120. Nabiev, Sh.Sh. Near IR TDLS Study of HF First Overtone Line Shape. Part II. Theoretical analysis / Sh.Sh.Nabiev, S.V.Ivanov, Ya.Ya.Ponurovskii // Atmos. Ocean. Opt. - 2012. - Vol. 2. - № 25. - P. 118-126.

121. Chatterjee, S. Influential Observations, High Leverage Points, and Outliers in Linear Regression / S.Chatterjee, A.S.Hadi // Statistical Science. - 1986. - Vol. 1. - P. 379-416.

122. Measurement of the concentration ratio for 13С and 12С isotopes at atmospheric pressure by carbon dioxide absorption of diode laser radiation at ~2 p,m / E.S.Mironchuk, I.V.Nikolaev, V.N.Ochkin et al. // Quantum Electron. - 2009. - Vol. 39. - № 4. - P. 388391.

123. O'Keefe, A. Integrated cavity output analysis of ultra-weak absorption / A.O'Keefe // Chemical Physics Letters. - 1998. - Vol. 293. - P. 331-336.

124. Joshua, B.P. Ultrasensitive absorption spectroscopy with a high-finesse optical cavity and off-axis alignment / B.P.Joshua, L. Lapson, J.G.Anderson // Appl. Opt. - 2001. - Vol. 40. - № 27. - P. 4904-4910.

125. Design considerations in high-sensitivity off-axis integrated cavity output spectroscopy / E.J. Moyer, D.S. Sayres, G.S. Engel et al. // Appl. Phys. B. - 2008. - Vol. 92. - P. 467474.

126. Instrumentation and signal processing for the detection of heavy water using off axis-integrated cavity output spectroscopy technique / A.Gupta, P.J.Singh, D.Y.Gaikwad et al. // Rev. Sci. Instrum. - 2018. - Vol. 89. - P. 023110.

127. Mcelroy, M.B. Isotopic Composition of Nitrogen: Implications for the Past History of Mars' Atmosphere / M.B.Mcelroy, Y.L.Yung, A.O.Nier // Science. - 1976. - Vol. 194. - P. 70-72.

128. Isotope Ratios of H, C, and O in CO2 and H2O of the Martian Atmosphere / C.R.Webster, P.R.Mahaffy, G.J. Flesch et al. // Science. - 2013. - Vol. 341. - P. 260-263.

129. Deuterium on Mars: The Abundance of HDO and the Value of D/H / T.Owen, J.P.Maillard, C.de Bergh, B.L.Lutz // Science. - 1988. - Vol. 240. - P. 1767.

130. The Modern Near-Surface Martian Climate: A Review of In-situ Meteorological Data from Viking to Curiosity / G.M.Martinez, C.N.Newman, A.De Vicente-Retortillo et al. // Space Sci. Rev. - 2017. - Vol. 212. - P. 295-338.

131. Shved, G.M. On the abundances of carbon dioxide isotopologues in the atmospheres of mars and earth / G.M.Shved // Sol. Syst. Res. - 2016. - Vol. 50. - P. 161-164.

132. Abundance and Isotopic Composition of Gases in the Martian Atmosphere from the Curiosity Rover / P.R.Mahaffy, C.R.Webster, S.K.Atreya et al. // Science. - 2013. - Vol. 341. - P. 263-266.

133. Протопопов, В.В. Лазерное гетеродинирование / В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. -М., 1985. - 288 с.

134. Siegman, A.E. The antenna properties of optical heterodyne receivers / A.E. Siegman // Appl. Opt. - 1966. - Vol. 5. - P. 1588-1594.

135. Sensitivity limits of an infrared heterodyne spectrometer for astrophysical applications / M.M.Abbas, M.J.Mumma, T.Kostiuk, D.Buhl // Appl. Opt. - 1976. - Vol. 15, №2. - Р. 427-436.

136. Allan, D.W. Statistics of Atomic Frequency Standards / D.W.Allan // Proceed. Of the IEEE. - 1966. - Vol. 54, №2 - P. 221-230.

137. Werle, P. The Limits of Signal Averaging in Atmospheric Trace-Gas Monitoring by Tunable Diode-Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) / P.Werle, R.Miicke, F.Slemr // Appl. Phys. B. - 1993. - Vol. 57. - P. 131-139.

138. Van der Ziel, A. Noise in Measurements / A.Van der Ziel. - New York: John Wiley & Sons Inc., 1976. - 228 p.

139. The ERA-Interim reanalysis: configuration and performance of the data assimilationsystem / D.P.Deea, S.M.Uppala, A.J.Simmons, P.Berrisford et al. // Q.J.R. Meteorol. Soc. - 2011. - Vol. 137. - P. 553-597.

140. The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project / E.Kalnay, M.Kanamitsu, R.Kistler, W.Collins // Bull. Am. Meteorol. Soc. - 1996. - Vol. 77. - P. 437-471.

Приложение А. Описание патента на изобретение марсианского многоканального диодно-

лазерного спектрометра «М-ДЛС»

(19)

RU

(11)

(13)

C1

(51) МПК G01N21/03 (2006.01) G01N21/3504 (2014.01)

(52) СПК G01N 21/031 (2019.08) G01N 21/3504 (2019.08)

2 730 405

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: действует (последнее изменение статуса: 21.08.2020)

(21)(22) Заявка: 2019121487, 09.07.2019

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

09.07.2019

Дата регистрации:

21.08.2020 Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 09.07.2019

(45) Опубликовано: 21.08.2020 Бюл. № 24 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Alexander V. Rodin и др. "M-DLS laser and heterodyne IR spectrometer for studies of the Martian atmosphere from ExoMars-2018 landing platform", Proceedings of SPIE, Infrared Remote Sensing and Instrumentation XXIII, т. 9608, 2015 г., стр. 96080B-1 - 96080B-5. US 2018024051 A1, 25.01.2018. US 2019128799 A1, 02.05.2019. I.I. Vinogradov и др. "M-DLS experiment for the EXOMARS-2020 stationery landing platform", Сборник тезисов девятого

(72) Автор(ы): Барке Виктор Владимирович ^Ц), Виноградов Имант Имантович (ДЦ), Зеневич Сергей Геннадьевич ^Ц), Климчук Артем Юрьевич ^Ц), Лебедев Юрий Владимирович (ДЦ), Родин Александр Вячеславович ^Ц), Семенов Владимир Михайлович ^Ц), Спиридонов Максим Владимирович ^ Ц)

(73) Патентообладатель(и): Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "Роскосмос" ^Ц)

московского симпозиума по солнечной системе, 2018 г., стр. 214-215.

Адрес для переписки:

129110, Москва, ул. Щепкина, 42, стр. 1, 2, Госкорпорация "Роскосмос", зам. директора Центра учета и анализа результатов научно-технической деятельности, Н.Г.Горбановскому

(54) Марсианский многоканальный диодно-лазерный спектрометр "М-ДЛС" (57) Реферат:

Изобретение относится к области измерительной техники и касается марсианского многоканального диодно-лазерного спектрометра «М-ДЛС». Спектрометр состоит из аналитического газового объема на базе оптической многопроходной кюветы, комплекта монохроматичных диодных лазеров с распределенной обратной связью с периодической перестройкой оптической частоты зондирующего излучения в диапазоне, охватывающем индивидуальные колебательно-вращательные линии поглощения заданной молекулы и ее изотопологов, и фотоприемника. В качестве аналитического газового объема используется оптическая многопроходная кювета полного оптического внутрирезонаторного выхода, представляющая собой оптический резонатор с коэффициентом отражения зеркал не менее 0,999 и количеством эффективных полных проходов зондирующего луча через аналитический газовый объем кюветы, которое позволяет увеличить эффективный оптический путь до такого расстояния, при котором обеспечиваются прецизионные измерения химического и изотопного состава запыленной атмосферы. В качестве реперного канала для стабилизации частоты излучения лазеров по выбранным линиям поглощения используется указанная оптическая многопроходная аналитическая газовая кювета. Технический результат заключается в увеличении чувствительности устройства. 3 ил., 1 табл.

Приложение Б. Описание патента на изобретение многоканального волоконно-оптического гетеродинного спектрорадиометра ближнего инфракрасного диапазона

(19)

яи

(11)

(13)

С1

(51) МПК вОИ3/02 (2006.01)

(52) СПК вой 3/0218 (2021.05)

2 753 612

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: действует (последнее изменение статуса 20.08.2021) Пошлина: Установленный срок для уплаты пошлины за 3 год: с 26.05.2021 по 25.05.2022. При уплате пошлины за 3 год в дополнительный 6-месячный срок с 26.05.2022 по 25.11.2022 размер пошлины увеличивается на 50%

(21)(22) Заявка: 2021101111, 25.05.2020

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

25.05.2020

Дата регистрации:

18.08.2021

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 25.05.2020

(45) Опубликовано: 18.08.2021 Бюл. № 23 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: яи 121927 Ш, 10.11.2012. и8 8699029 В2, 15.04.2014. и8 4817101 А1, 28.03.1989. СК 106382987 В, 31.10.2017. Адрес для переписки:

141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9, МФТИ, отдел по интеллектуальной собственности

(72) Автор(ы): Зеневич Сергей Геннадьевич ^Ц), Газизов Искандер Шамилевич (Яи), Родин Александр Вячеславович ^Ц), Спиридонов Максим Владимирович ^и), Чурбанов Дмитрий Владимирович (Яи)

(73) Патентообладатель(и): федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико -технический институт (национальный исследовательский университет)" ^Ц)

(54) Многоканальный волоконно-оптический гетеродинный спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона

(57) Реферат:

Изобретение относится к области инфракрасной спектрорадиометрии высокого разрешения и касается многоканального волоконно-оптического гетеродинного спектрорадиометра ближнего инфракрасного диапазона. Спектрорадиометр включает в себя систему, содержащую по меньшей мере два оптических приемных устройства, прерыватель принимаемого оптического сигнала, гетеродин с высокоточной стабилизацией частоты оптического излучения и одномодовым волоконным выводом, кварцевые одномодовые волоконные разветвители, реперный канал, состоящий из оптической кюветы и электронного блока регистрации оптического сигнала. Радиометр также содержит систему аналитических каналов, состоящих из фотодиода и предусилителя с узкой полосой пропускания, блок обработки сигнала на промежуточной частоте, включающий систему аналого-цифровых преобразователей и вычислительный блок на основе ПЛИС, и блок управляющей электроники, включающий перестраиваемый источник тока гетеродина. Технический результат заключается в сокращении времени накопления сигнала, увеличении отношение сигнал/шум, увеличении чувствительности и точности проводимых измерений. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.