где фактор тушения Q=tex/tN, tex- время жизни возбужденного состояния с учетом тушения, F - доля регистрируемой флуоресценции, tex определяется из соотношения 1/tex= 1/tN + 1/tc

см2cp-1. Эта величина превосходит величину дифференциального сечения молекулярного рассеяния ( 10-27 см2cp-1) .комбинационного рассеяния (10-28-10-30 см2cp-1 - вне резонанса, 10-26 см2cp-1 в резонансе).

см2cp-1

Увеличение принимаемой мощности возможно при увеличении энергии импульса. Однако, существует принципиальное ограничение, связанное с явлением насыщения поглощения, которое приводит к уменьшению сечения процесса. В качестве оценки анергии насыщения можно взять величину es.= h(/ 2(abs. В оптической области спектра эта величина достаточно велика: для (=0,33 мкм ((=1015 с-1) и (abs= 10-17-10-22 см2, es=3(10-2-103 Дж/см2. Таким образом, чтобы отодвинуть этот нежелательный предел вверх по шкале энергии, необходимо увеличивать площадь сечения лазерного пучка и, как следствие, площадь апертуры. Увеличение данного параметра, как видно из лидарного уравнения, важно само по себе, хотя в техническом отношении решение этого вопроса непростое.

Вторым фактором, ограничивающим рост энергии зондирующего импульса, является оптический пробой воздуха, наступающий, как показывают эксперименты с лазерами на рубине и неодимовом стекле, при 1010 - 1011 Вт/см . Этот фактор может оказаться важным при попытке достижения максимально возможной энергии импульса в исследуемом объеме при дистанционном зондировании, особенно в условиях плохой видимости.

Учитывая значительную длительность tex процесса флуоресценции, расчет размера области, из которой, приходит сигнал за время его детекции td следует проводить по формуле

Этой величиной определяется предел пространственного разрешения измерений ИФ-методом. В табл. 4 приведены результаты оценок концентрационной чувствительности РФ-метода при анализе малых примесей в воздухе.

Таблица 4. Оценка концентрационной чувствительности РФ-метода

Газ ПДК (мил-1) ( нм ПРК (ppm)

NO 2 488 0,5

I2 0,15 590 5 • 10-4

NO2 3 488 0,6

Здесь рассмотрим ряд расчетных зависимостей, характеризующих зондирующие возможности лидаров, и проведем сравнительный анализ методов дифференциального поглощения (ДП-метод) и резонансной флуоресценции (РФ-метод). В качестве изучаемых компонент загрязнения атмосферного воздуха были взяты NO2, SO2, C6H6.

Данные компоненты являются основными источниками загрязнения атмосферы от автотранспорта и промышленности и создают основу для образования фотохимического смога и кислотных дождей, бензол относится к углеводородам-загрязнителям, характерным для выбросов автотранспорта и предприятий нефтехимической промышленности. Для сравнительного анализа были взяты методы дифференциального поглощения и флуоресценции, как основные методы обнаружения малых газовых примесей. Мы расширяем этот анализ, вводя дополнительные параметры и распространяя его на различные метеорологические условия и время суток.

а) ДП-метод

Как уке отмечалось выше, в этом методе зондирование осуществляется парой импульсов, резонансным ((е) и отстроенным ((( ((е ) на двух последовательных: расстояниях R и R.+ L . Средняя концентрация N(R) на участке длины L удаленном от лидара на расстоянии R .рассчитывается по формуле (12). Следуя стандартной теории ошибок и оставляя в формуле только квадратичные члены, как наиболее, важные для ошибки измерений получаем выражение

M - число повторения пар лазерных импульсов. Поскольку сигнал, регистрируемый детектором, подчиняется распределению Пуассона, а тепловой шум пренебрежим в оптическом диапазоне, то можно записать:

, (14)

- квантовая эффективность фотодетектора, T=L/с, PN=P+Рв (Рв - мощность фонового излучения на частоте приема), мощность темнового тока считается пренебрежимо малой. Далее делаем упрощающее предположение, справедливое при наших численных данных: пренебрегаем фоновым излучением по сравнению с величиной сигнала. Тогда

(15)

выражение (13) можно рассматривать как уравнение относительно минимально обнаруживаемой концентрации (в моноимпульоном режиме, M=1). С учетом (15) имеем

Следующее справедливое упрощение - сравнительно малое ослабление лазерного луча за счет резонансного поглощения на фоне доминирующего вклада аэрозольного рассеяния, которое в рассматриваемом примере считается изотропным. Тогда уравнение лидара для энергии детектируемого сигнала можно записать в виде

.получаем для концентрации уравнение второго порядка, решение которого можно запасать в виде

(18)

. Здеcь

б) ИФ-метод

Уравнение лидара для сигнала флуоресценции в пределе высокой прозрачности атмосферы ( ТR (1), записанное в терминах счета фотонов, имеет вид

Счет фоновых фотонов определяется выражением

, (20)

?????????e

- ширина полосы пропускания приемника , остальные величины определены выше. В моноимпульсном режиме справедливо следующее соотношение

. (21)

имеет вид

Вместе с (19) его можно рассматривать как уравнение для определения минимально обнаруживаемой концентрации.

) анергия лазера в случае поглощения - Eo = 0,1 Дж, в случае флуоресценции - Eo = 0,2 Дж. Соответствующие результаты для компонент SO2 и C6H6 получены в приближении простого пересчета с помощью переводного фактора fp(x) :

, (23)

где p=abs, fl ; x=SO2 , C6H6..

в вычислениях принималось равным 0,1, что вытекает из оценки спектрального поведения N(. Для расчета фактора fp(x) использовались следующие данные: для SO2 ((=3,36(10-23 м2, (о ( ((290 нм, Q=3,4(10-6, F=0,1); для C6H6 ((=1,3(10-22 м2, (о(((253 нм, Q=1,6(10-4, F-0,1).

Результаты вычислений сведены в табл. 5.

Таблица 5. Концентрация чувствительности (ppb)