Флюорометр лазерный

Создание лазера привело к разработке широкого спектра лазерных систем дистанционного зондирования, которые получили различные названия, например лазерный радар, лидар, лазерный флюорометр, лазерный батометр и т. д. С учетом общих элементов всех этих устройств мы будем называть этот новый класс систем активного дистанционного зондирования одним термином — акронимом лидар. Функциональные элементы и принцип работы больщинства лидаров показаны на рис. 6.3. Ин- [c.239]

Очередной крупный шаг в развитии лазерных систем дистанционного зондирования был сделан после осознания того факта, что использование коротковолновых лазеров может расширить область их приложений за счет возможности использования индуцированной лазерным излучением флюоресценции и привести к разработке новых систем дистанционного зондирования эти системы впоследствии получили название лазерных флюорометров . Определенный интерес, в частности, представляла флюоресценция, индуцированная в тонких нефтяных пленках, — на основе ее использования разрабатывались новые устройства, способные регистрировать и классифицировать нефтяные загрязнения. Проведенные полетные испытания этих устройств показали, что наряду с вышеупомянутыми функциями они могут обеспечить измерение толщины нефтяных пленок в диапазоне 1—10 мкм. [c.19]

На начальной стадии этих исследований возникли опасения, что флюоресценция, индуцированная лазерами в естественных массах воды, может явиться источником фонового излучения, зашумляющего сигнал, обусловленный флюоресценцией нефти. Дальнейшие исследования не только уменьшили эти опасения, но и показали, что сигнал, обусловленный флюоресценцией самой воды, может служить индикатором присутствия в ней сильных органических примесей, а также позволяет дистанционно получать карты параметров рассеяния лазерного излучения различного рода выбросами и стоками. Флюоресценция хлорофилла известна давно, а в последнее время была продемонстрирована возможность дистанционного измерения распределения концентрации хлорофилла в естественных массах воды с помощью самолетного лазерного флюорометра. [c.19]

Рис 6 2 о — лазерный контроль источников атмосферных загрязнений позволяет регулировать вредные выбросы промышленных предприятий б — с помошью лидара, установленного на борту космического корабля многоразо вого использования типа Шаттл , можно проводить измерения параметров верхней атмосферы, в — самолетный лазерный флюорометр сможет использоваться при исследовании рассеивания сточных вод промышленных и коммунальных предприятий, г —лаЯрныи" батометр, установленный на вертолете, позволяет измерять глубину прибрежных вод. [c.240]

В случае когда имеет. место лазерная флюоресценция, необходимо учитывать конечное время релаксации возбуждаемых лазером частиц. Это приводит к более сложно.му виду лидарного уравнения оно учитывает зависимость оптической толщины от свойств исследуемой среды, времени интегрирования детектора и формы и длительности лазерного импульса. Для случая большой оптической толщины такое лидарное уравнение становится идентичным уравнению лазерной флюорометрии, используемой для зондирования водных сред с борта летательных аппаратов. [c.269]

При таких условиях лидарное уравнение, записанное в виде выражения (7.51), становится идентичным уравнению лазерного флюорометра, выведенному в работе [219], а принимаемый сигнал уже не содержит информации относительно концентрации флюоресцирующей компоненты в исследуемой среде. Однако, поскольку эффективность флюоресценции исследуемой среды F k,kL) пропорциональна профилю излучения (к), идентификация компоненты исследуемой среды все же возможна с помощью спектрального сканирования сигнала флюоресценции. [c.289]

Существенным отличием является использование функции пропускания приемной системы Ко к) вместо функции (Х) и сечения флюоресценции а (А,д, X) вместо сечения рассеяния Однако, как было показано, для случая большой оптической глубины вся информация о концентрации флюоресцирующих частиц теряется, и лидарное уравнение становится идентичным уравнению для лазерного флюорометра (7.51), которое было выведено для гидрографических исследований. [c.290]

Рнс. 10.7. Возможные применения лазерного флюорометра при изучении окружающей природной среды [219]. [c.480]

Рис. 10.8а. Лазерный флюорометр Института аэрокосмических исследований Торонтского университета на площадке для натурных испытаний [219].

Рис. 10.9. Лазерный флюорометр Канадского центра дистанционного зондирования, установленный на самолете ОС-3 (аналог лазерного флюорометра Института аэрокосмических исследований Торонтского университета) (С разрешения М Бристоу, частное сообщение )

Лазерный флюорометр первоначально предназначался для обнаружения нефтяных поверхностных загрязнений с борта летательных аппаратов. Однако авторы работы [219] указали, что с помощью нового метода активного дистанционного зондирования можно решать широкий класс задач некоторые из них ранее считались неразрешимыми. Рис. 10.7 дает представление о потенциальных возможностях применения лазерного флюорометра. На рис. 10.8, а изображен созданный авторами работы [154] опытный образец лазерного флюорометра, кото рый включал лазер на азоте, работающий на длине волны [c.482]

В соответствии с сделанным выводом лазерный флюорометр следует рассматривать в качестве прибора, который должен дополнять другую, имеющуюся на борту самолета аппаратуру для обнаружения нефтяных загрязнений с большой высоты. Как только один из приборов обнаружит наличие некоторой аномалии на водной поверхности, разведывательному самолету следует снижаться до такой высоты, когда лазерный флюорометр сможет зондировать объект, чтобы определить, возникла ли данная аномалия из-за нефтяного загрязнения, и если это так, то охарактеризовать тип нефтепродукта. На морском вертолете был установлен усовершенствованный бортовой образец лидара службы береговой охраны США для обнаружения нефтепродуктов и продемонстрирована возможность такой методики [213]. В этом лазерном флюорометре использовали лазер на азоте мощностью 10 Вт, с длительностью импульса 10 не, работающий на длине волны 337 нм с частотой повторения [c.483]

На рис. 10.10 представлен характерный набор спектров флюоресценции, полученный с помощью описанного выше лазерного флюорометра, смонтированного на вертолете. Все измерения выполнены с высоты от 31 до 46 м и на скорости 70 км/ч. Фоновые спектры флюоресценции морской воды получали неподалеку от местонахождения пятен нефтепродуктов. Наблюдается некоторая разница в спектрах флюоресценции каждого объекта, полученных днем и ночью. В частности, максимум сигнала флюоресценции, полученного ночью, оказывается немного сдвинутым в коротковолновую область по сравнению с сигналом флюоресценции, полученным днем. Объяснение этого факта в работе [213] отсутствует. [c.484]

Рис. 10.12. Схема самолетного лазерного флюорометра Канадского центра дистанционного зондирования. (Не изображены системы питания лазера, подачи азота, вакуумной откачки, а также устройство обработки данных, включающее дисплей и другие периферийные устройства.)

Лазерный флюорометр Мк П1 Канадского центра дистанционного зондирования является типичным гидрографическим лидаром, устанавливаемым на борту летательных аппаратов. Интересующий объект зондируется с помощью надежного лазера на азоте, работающего на длине волны 337 нм. Одновременно 16-канальная фотоприемная система (рис. 10.12) регистрирует обратную флюоресценцию в диапазоне 380—700 нм. Основные технические характеристики этой системы даны в табл. 10.1. Первый канал расположен так, чтобы центр приходящегося на него спектрального участка совпадал с линией [c.487]

Таблица 10.1. Самолетный лазерный флюорометр Канадского центра дистанционного зондирования [2171

Рис. 10.13. Относительная интенсивность сигналов, полученных с помощью 16-канального бортового лазерного флюорометра Канадского центра дистанционного зондирования во время полета самолета над разливом сырой нефти из месторождения Ла-Роза. Данные скорректированы с учетом высоты полета, коэффициента усиления фотоприемника и мощности лазера [2171.

Рис. 10.14. Идентификация и классификация разлива сырой нефти с помощью самолетного лазерного флюорометра.

Таким образом, лазерный флюорометр, смонтированный на летательном аппарате, оказывается идеально пригодным для обнаружения и определения толщины нефтяной пленки. Имеются также некоторые доказательства того, что с помощью флюорометров можно обнаружить нефтепродукт, эмульгированный в слое воды. Кроме того, ряд экспериментов позволяет сделать предположение, что лазерный флюорометр в отличие от всех имеющихся приборов мог бы обнаруживать нефтепродукты в воде, когда льды покрывают значительную часть поверхности воды [218]. Это особенно важно в связи с нефтяными загрязнениями в арктических регионах. [c.490]

Теория измерения толщины нефтяной пленки с помощью лазерного флюорометра приведена в работе [413]. Здесь будет дан несколько упрощенный вариант теории. Для случая плотной среды, включающей много различных флюоресцирующих молекул, индуцированная лазером флюоресценция может быть обусловлена несколькими механизмами взаимодействия. Если предположить, что условия стационарные, то можно ввести величину интенсивности флюоресценции, испускаемой единицей объема в единицу телесного угла в единичном интервале длин волн, если длина волны лазерного излучения равна [c.490]

Здесь ts.Es (Я) является приращением интенсивности флюоресценции, возникающей в результате действия лазерного флюорометра в слое нефтепродукта толщиной А/ , расположенном внутри пленки нефтепродукта на глубине Ян — Яа- Мы предположили, что расстояние до этого слоя углеводородов Ян приблизительно равно расстоянию в атмосфере до поверхности нефтепродукта Яа- Индекс Я использован, чтобы обозначить угле- [c.491]

Из полученного выражения следует, что если известен суммарный коэффициент ослабления кн для нефтепродукта, то толщину пленки этого нефтепродукта можно оценить из отношения сигнала лазерного флюорометра от водной поверхности, которая полностью покрыта пленкой нефтепродукта, к сигналу лазерного флюорометра от соседней, чистой от нефтепродукта водной поверхности [217]. По существу для определения толщины пленки нефтепродукта используется подавление обратного сигнала на длине волны комбинационного рассеяния воды, являющееся следствием ослабления внутри пленки нефтепродукта. Если флюоресценция нефтепродукта на длине волны комбинационного рассеяния молекулами воды пренебрежимо мала, то ее вклад можно рассчитать, используя сигнал лазерного флюорометра на других длинах волн (где вклад комбинационного рассеяния молекулами воды незначителен) [216]. [c.493]

На рис. 10.15, а приведен пример такого подавления сигнала комбинационного рассеяния, полученный с помощью самолетного лазерного флюорометра при искусственном разливе сырой нефти из месторождения Ла-Роза. На рис. 10.15, в представлена соответствующая толщина слоя нефтепродукта, рассчитанная по полученным данным. Что касается пленки нефтепродукта, расположенной на площади с почти полностью подавленным сигналом, то следует указать, что ее толщина составит >4 мкм. Интересно отметить, что, поскольку траектория полета была параллельна направлению ветра, регистрация поверхности слика нефтепродукта происходит постепенно, на что указывает небольшой наклон кривой подавления сигнала комбинационного рассеяния в диапазоне А на рис. 10.15, а. После пересечения передней части слика сигнал комбинационного рассеяния быстро увеличивается (диапазон Б). [c.493]

В этой работе использовали новый современный сканирующий лидар, в котором обеспечивался многоспектральный стро-бируемый прием сигнала [414]. Выше упоминалось о применении подобного прибора (самолетного океанографического лидара НАСА) для батометрических исследований. При использовании его в качестве лазерного флюорометра источником излучения служил азотный лазер с высокой скоростью повторения [c.493]

В предыдущем разделе было показано, что применение современных лазерных флюорометров наилучшим образом по сравнению с другими дистанционными методами позволяет классифицировать нефтепродукт в слике по трем группам легкие нефтепродукты, сырая нефть и тяжелые нефтепродукты, указывая тем самым возможный источник загрязнений. При использовании большего числа спектральных каналов можно было бы достичь точной идентификации источника загрязнения. К сожалению, при увеличении числа каналов возрастает не только сложность и стоимость системы, но и значительно уменьшается отношение сигнал/щум из-за уменьшения интенсивности сигнала в каждом канале. При этом в связи с необходимостью соблюдения безопасности для глаз нельзя идти по пути увеличения выходной мощности лазера, чтобы компенсировать уменьшение интенсивности обратного сигнала в каждом канале. Одним из путей повышения точности и увеличения возможностей лазерного флюорометра является возбуждение на двух или нескольких длинах волн [214]. Ниже будет показано, что такой подход оказался успешным при классификации водорослей с помощью дистанционного метода, использующего индуцированную лазером флюоресценцию. [c.497]

Другим возможным путем расширения индентификационной способности лазерного флюорометра является использование его временных характеристик. В работе [209] впервые было сделано предположение, что измерение времени жизни флюоресценции может служить основой создания нового метода определения типа разлитого нефтепродукта. Авторы работы [215] развили это предположение и изучили для различных веществ зависимость времени затухания флюоресценции от [c.497]

На рис. 10.17 представлены спектры флюоресценции нескольких образцов сырой нефти. Форма спектра не может служить основанием для идентификации этих образцов. Для этой цели можно было бы использовать абсолютное значение амплитуды сигнала, характеризующего эффективность флюоресценции каждого образца. Однако для бортового лазерного флюорометра в соответствии с уравнениями (10.16) и (10.19) абсолютное значение амплитуды сигнала является функцией многих параметров, включая энергию лазера, различные потери при передаче, перекрытие освещаемой лазерным лучом площади на водной поверхности площадью на водной поверхности, с которой осуществляется прием обратного сигнала, степень заполнения [c.498]

Использование СВЗФ не всегда является необходимым. Оно не требуется в случае, если объект, например нефтяное поверхностное загрязнение, нужно просто сравнить с пробой, взятой с судна — предполагаемого источника загрязнения. В то же время, прежде чем применять лазерные флюорометры для иден- [c.502]

Первые оценки возможности дистанционного измерения концентрации хлорофилла опубликованы в работе [220]. На основании лабораторных исследований авторы показали, что использование импульсного неонового лазера (выходная мощность в импульсе - 20 кВт) с высоты 100 м гарантирует чувствительность измерений лучше 10 мг/м С помощью усовершенствованной аппаратуры с использованием лазера на красителе с энергией 0,25 Дж в импульсе и длительностью импульса 300 НС удалось обнаружить хлорофилл а концентрацией до нескольких долей мг/м с высоты 30 м [222]. В этой же работе указано на предполагаемое различие кривых флюоресценции водорослей и листвы растений и отмечено, что возбуждение на длине волны 590 нм дало наибольший сигнал флюоресценции. При испытании установленного на пирсе макетного образца лазерного флюорометра для индикации хлорофилла было получено довольно хорошее соответствие между лазерными измерениями концентрации хлорофилла и измерениями, выполненными с помощью химического анализа отобранных водных проб (рис. 10.21). Во время натурных испытаний указанной аппаратуры, установленной на борту вертолета, измеренные значения концентрации хлорофилла а в оз. Онтарио находились в интервале 4—12 мг/м . [c.503]

Уравнение (10.25) учитывает, что высота, на которой находится лазерный флюорометр, значительно больше, чем эффективная глубина проникновения лазерного луча. Это предположение справедливо практически всегда при работе с борта летательного аппарата. Кроме того, предполагается, что ха (время [c.506]

В принципе концентрацию молекул хлорофилла а в окрашенной группе фитопланктона можно оценить с помощью обращения матрицы, зная все остальные сомножители. В работе [221] представлен макет лазерного флюорометра с возбуждением на четырех длинах волн (454,4 539,0 598,7 и 617,8 нм). Эта установка позволяла использовать импульсы с минимальной энергией 0,6 мДж и обнаруживать в дневных условиях с высоты 100 м концентрацию хлорофилла а менее 1 мг/м . Следует отметить, что расположенная на такой высоте аппаратура удовлетворяла нормам, обеспечивающим безопасность глаз наблюдателя, находившегося на уровне воды. [c.507]

Здесь Л/ с — общая концентрация молекул хлорофилла а al (A,jr ) — соответствующее среднее значение сечения флюоресценции. Подобным образом представим сигнал лазерного флюорометра, наблюдаемый в полосе комбинационного рассеяния на длине волны Xr, размещаемой со сдвигом 3418 см в длинноволновую сторону от Кь. [c.508]

Рис. 10 25. Осцилло грамма, демонстрирующая временную последовательность сигналов самолетного лазерного флюорометра. Получена в районе 11-го бакена в заливе Лас-Вегас оз. Мид (шт. Невада) 24 января 1979 г. измеренная концентрация молекул хлорофилла а равнялась 2,33 мг/л [419].

Кривые осреднения по пяти соседним точкам Представлены значения концентрации хлорофилла а для 28 измерений с отбором проб, которые нормированы к полученн1ому с помощью лазерного флюорометра профилю [c.511]

Кроме того, в работе [219] доказано существование корреляции между величиной отношения Р и общим содержанием органических веществ в пробах воды. Этот результат соответствует данным других исследований [423, 424, 425] и предполагает возможность быстрого определения органических природных веществ в воде при помощи бортового лазерного флюорометра. Высокая концентрация органических веществ в воде может сделать ее опасной для здоровья человека и водной экосистемы, а также уменьшить рекреационный ресурс воды [428, 427]. [c.516]

СКИХ веществ влечет за собой кислородное обеднение воды, что может привести к нежелательному воздействию на организмы в водной среде. Концентрация хлорофилла а и концентрация растворенного органического углерода [419] являются двумя признанными индикаторами качества воды, которые можно измерить дистанционно с помощью лазерного флюорометра. [c.517]

Для исследования перемещения водных масс и скоростей перемешивания в воде природных включений применяли флюоресцирующие красители. Метод с использованием лазерного флюорометра, установленного на борту летательного аппарата, естественным образом расширяет диапазон и возможности таких измерений. В работе [118] исследованы характеристики многих красителей. Показано, что для контроля за перемещением и перемешиванием в поверхностном слое воды облака красителя лучше всего использовать акридиновый красный и родамин В, для которых величина произведения оптической плотности и квантового выхода имеет максимальное значение. В случае когда необходимо контролировать более глубокие водные слои, предпочтение отдают 3,6-дихлорфлуоресцеину — его максимум поглощения находится на длине волны 432 нм. [c.517]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...