Калибровка и полевые испытания мобильного лидара для дистанционного зондирования метана в атмосфере

Садовников С.А., Романовский О.А., Яковлев С.В., Харченко О.В., Кравцова Н.С.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Садовников С.А., Романовский О.А., Яковлев С.В., Харченко О.В., Кравцова Н.С. Калибровка и полевые испытания мобильного лидара для дистанционного зондирования метана в атмосфере // Оптический журнал. 2022. Т.89. № 6. С. 15–24. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-06-15-24

Sadovnikov S.A., Romanovskii O.A., Yakovlev S.V., Kharchenko O.V., Kravtsova N.S. Calibration and field test of mobile lidar for remote sensing of atmospheric methane [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V.89. № 6. P. 15–24. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-06-15-24

Ссылка на англоязычную версию:

S. A. Sadovnikov, O. A. Romanovskii, S. V. Yakovlev, O. V. Kharchenko, and N. S. Kravtsova, "Calibration and field test of mobile lidar for remote sensing of atmospheric methane," Journal of Optical Technology. 89(6), 320-326 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000326

Аннотация:

Предмет исследования. Исследовалась концентрация метана на приземных тропосферных трассах зондирования в фоновых условиях с использованием мобильного лидара дифференциального поглощения. Цель работы. Разработка, калибровка и апробация в натурных полевых экспериментах мобильного лидара дифференциального поглощения для зондирования атмосферного метана в среднем ИК диапазоне спектра. Метод. Разработанный лидар позволяет проводить исследования в атмосфере по методу дифференциального поглощения. Данный метод основан на эффекте резонансного поглощения газами лазерного излучения. Источник излучения лидара имеет две рабочие длины волны, одна из которых (on-line) попадает в центр линии поглощения метана, а другая (off-line) находится на крыле линии поглощения. Полученные лидарные сигналы на on- и off-line длинах волн позволяют восстановить концентрацию метана в фоновых условиях. Основные результаты. Приводится описание созданного мобильного ИК лидара дифференциального поглощения для исследования метана в атмосфере. Проведена калибровка мобильного ИК источника излучения лидара дифференциального поглощения в информативном диапазоне зондирования метана близ 3400 нм. Представлены результаты натурных полевых испытаний мобильного ИК лидара по регистрации атмосферного отклика на откалиброванных длинах волн зондирования и восстановлению фоновых значений концентрации метана в районе 2.0 ppm на приземных горизонтальных атмосферных трассах зондирования. Практическая значимость. Предложенные в работе технические решения в части разработки мобильного лидара для дистанционного мониторинга метана позволяют выработать требования для дальнейшей его модернизации с целью увеличения дальности измерений, создания вертикальной конфигурации для зондирования с борта самолета, использования в условиях арктических широт.

Ключевые слова:

лидар, ИК диапазон, дифференциальное поглощение, атмосфера, метан

Благодарность:

Тестовые полевые измерения концентрации метана выполнены в рамках государственного задания ИОА СО РАН. Калибровка лидарного источника излучения проводилась при финансовой поддержке РФФИ и Томской области в рамках научного проекта № 19-45-700003.

Коды OCIS: 010.0280, 010.1280, 010.3640

Список источников:

1. Бобровников С.М., Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Сериков И.Б., Суханов А.Я. Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2014. 508 с.
2. Collis R.T.H., Russell P.B. Lidar measurement of particles and gases by elastic backscattering and differential absorption // Laser Monitoring of the Atmosphere / Ed. by Hinkley E.D. New York: Springer, 1976. P. 71–151.
3. Васильев Б.И., Маннун У.М. ИК лидары дифференциального поглощения для экологического мониторинга окружающей среды // Квантовая электроника. 2006. Т. 36. № 9. С. 801–820.
4. Балин Ю.С., Боровой А.Г., Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Клемашева М.Г., Коношонкин А.В., Коханенко Г.П., Кустова Н.В., Маричев В.Н., Матвиенко Г.Г., Невзоров А.А., Невзоров А.В., Пеннер И.Э., Романовский О.А., Самойлова С.В., Суханов А.Я., Харченко О.В., Шишко В.А. Лидарный мониторинг облачных и аэрозольных полей, малых газовых составляющих и метеопараметров атмосферы / Под редакцией Матвиенко Г.Г. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2015. 450 с.
5. Li J., Yu Z., Du Z., Ji Y., Liu C. Standoff chemical detection using laser absorption spectroscopy: A review // Remote Sensing. 2020. V. 12. № 17. 2771. https://doi.org/10.3390/rs12172771
6. Mitev V., Babichenko S., Bennes J., Borelli R., Dolfi-Bouteyre A., Fiorani L., Hespel L., Huet T., Palucci A., Pistilli M., Puiu A., Rebane O., Sobolev I. Mid-IR DIAL for high-resolution mapping of explosive precursors // Proceedings of SPIE. 2013. V. 8894. 88940S. doi: 10.1117/12.2028374
7. Cadiou E., Mammez D., Dherbecourt J.-B., Gorju G., Pelon J., Melkonian J.-M., Godard A., Raybaut M. Atmospheric boundary layer CO2 remote sensing with a direct detection LIDAR instrument based on a widely tunable optical parametric source // Optics Letters. 2017. V. 42. № 20. P. 4044–4047. https://doi.org/10.1364/OL.42.004044
8. Shibata Y., Nagasawa C., Abo M. Development of 1.6 μm DIAL using an OPG/OPA transmitter for measuring atmospheric CO2 concentration profiles // Applied Optics. 2017. V. 56. № 4 . P. 1194–1201. https://doi.org/10.1364/AO.56.001194
9. Barrientos-Barria J., Dherbecourt J.-B., Raybaut M., Godard A., Melkonian J. M., Lefebvre M., Faure B., Souhaité G. 3.3–3.7 μm Nested Cavity OPO pumped by an amplified micro-laser for portable DIAL // In 2013 Conference on Lasers and Electro-Optics – International Quantum Electronics Conference. (Optica Publishing Group. 2013). Munich, Germany. 12–16 May 2013. Paper CD_5_4.
10. Mammez D., Cadiou E., Dherbecourt J.-P., Raybaut M., Melkonian J.-M., Godard A., Gorju G., Pelon J., Lefebvre M. Multispecies transmitter for DIAL sensing of atmospheric water vapour, methane and carbon dioxide in the 2 μm region // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9645. 964507. doi:10.1117/12.2194754
11. Ayrapetyan V.S. Measurement of absorption spectra for atmospheric methane by a lidar system with tunable emission wavelength in the range 1.41–4.24 μm // Journal of Applied Spectroscopy. 2009. V. 76. № 2. P. 268–272. https://doi.org/10.1007/s10812-009-9152-8
12. Ayrapetyan V.S., Fomin P.A. Laser detection of explosives based on differential absorption and scattering // Optics and Laser Technology. 2018. V. 106. P. 202–208. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.04.001.
13. Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Kharchenko O.V., Yakovlev S.V. Development of Near/Mid IR differential absorption OPO lidar system for sensing of atmospheric gases // Optics and Laser Technology. 2019. V. 116. P. 43–47. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.03.011.
14. Veerabuthiran S., Razdan A.K., Jindal, M.K., Sharma R.K., Sagar V. Development of 3.0–3.45 nm OPO laser based range resolved and hard-target differential absorption lidar for sensing of atmospheric methane // Optics & Laser Technology. 2015. V. 73. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.04.007.
15. Jindal M.K., Veerabuthiran S., Mainuddin, Razdan A.K. Integrated path DIAL for standoff detection of acetone vapors under topographic target condition // Optics & Laser Technology. 2021. V. 143. 107299. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2015.04.007.
16. Gong Y., Bu L., Yang B., Mustafa F. High repetition rate mid-infrared differential absorption lidar for atmospheric pollution detection // Sensors. 2020. V. 20. № 8. 2211. https://doi.org/10.3390/s20082211.
17. Robinson I., Jack J.W., Rae C.F., Moncrieff J.B. Development of a laser for differential absorption lidar measurement of atmospheric carbon dioxide // Proceedings of SPIE. 2014. V. 9246. 92460U. https://doi.org/10.1117/12.2068023.

18. Dawsey M., Numata K., Wu S., Riris H. Optical parametric technology for methane measurements // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9612. 961205. https://doi.org/10.1117/12.2191615.
19. Foltynowicz R. High-energy, broadband, rapid tuning frequency converter // US Patent 8837538. 2014.
20. Lippert J. L., Stearns S.V., Brake D.E., Fisher C.M. Gas flux determination using airborne DIAL LIDAR and airborne wind measurement // US Patent 8121798. 2012.
21. Liu J. Method and apparatus for wavelength locking free optical frequency comb based differential absorption Lidar // US Patent 8541744. 2013.
22. DeAntonio M., Motto R. Variable-wavelength lidar system // US patent application 14/101,143. 2013.
23. Yerasi A., Tandy W.D., Emery W.J., Barton-Grimley R.A. Comparing the theoretical performances of 1.65- and 3.3-μm differential absorption lidar systems used for airborne remote sensing of natural gas leaks // J. Appl. Remote Sens. 2018. V. 12. № 2. 029901. https://doi.org/10.1117/1.JRS.12.029901.
24. Bartholomew J., Lyman Ph., Weimer C., Tandy W. Wide area methane emissions mapping with airborne IPDA lidar // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10406. 1040607. https://doi.org/10.1117/12.2276713.
25. Frish M.B., Wainner R.T., Laderer M.C., Allen M.G., Rutherford J., Wehnert P., Dey S., Gilchrist J., Corbi R., Picciaia D., Andreussi P., Furry D. Low-cost lightweight airborne laser-based sensors for pipeline leak detection and reporting // Proceedings of SPIE. 2013. V. 8726. 87260C. https://doi.org/10.1117/12.2015813.
26. Григорьевский В.И., Садовников В.П., Элбакидзе А.В. Измерения фоновой концентрации метана дистанционным лидаром на километровых трассах в районе Московской области // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. № 9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.9.10
27. Amediek A., Ehret G., Fix A., Wirth M., Budenbender C., Quatrevalet M., Kiemle C., Gerbig C. CHARM-F — a new airborne integrated-path differential-absorption lidar for carbon dioxide and methane observations: measurement performance and quantification of strong point source emissions // Applied Optics. 2017. V. 56. № 18. P. 5182–5197. https://doi.org/10.1364/AO.56.005182.
28. Degtiarev E.V., Geiger A.R., Richmond R.D. Compact mid-infrared DIAL lidar for ground-based and airborne pipeline monitoring // Proceedings of SPIE. 2003. V. 4882. P. 432–441. https://doi.org/10.1117/12.462573.
29. Murdock D.G., Stearns S.V., Lines R.T., Lenz D., Brown D.M., Philbrick C.R. Applications of real-world gas detection: Airborne Natural Gas Emission Lidar (ANGEL) system // J. Appl. Remote Sens. 2008. V. 2. № 1. 023518. https://doi.org/10.1117/1.2937078.
30. Yakovlev S.V., Sadovnikov S.A., Kharchenko O.V., Kravtsova N.S. Remote sensing of atmospheric methane with IR OPO lidar system // Atmosphere. 2020. V. 11. № 1. 70. https://doi.org/10.3390/atmos11010070.
31. Meng L., Fix A., Wirth M., Høgstedt L., Tidemand-Lichtenberg P., Pedersen C., Rodrigo P.J. Upconversion detector for range-resolved DIAL measurement of atmospheric CH4 // Opt. Express. 2018. V. 26. № 4. P. 3850–3860. https://doi.org/10.1364/OE.26.003850.
32. Wagner G.A., Plusquellic D.F. Ground-based, integrated path differential absorption LIDAR measurement of CO2, CH4, and H2O near 1.6 µm // Appl. Opt. 2016. V. 55. № 23. P. 6292–6310. https://doi.org/10.1364/AO.55.006292.
33. Kara O., Sweeney F., Rutkauskas M., Farrell C., Leburn C.G., Reid D.T. Open-path multi-species remote sensing with a broadband optical parametric oscillator // Opt. Express. 2019. V.27. № 15. P. 21358–21366. https://doi.org/10.1364/OE.27.021358.
34. Innocenti F., Robinson R., Gardiner T., Finlayson A., Connor A. Differential absorption lidar (DIAL) measurements of landfill methane emissions // Remote Sens. 2017. V. 9. № 9. 953. https://doi.org/10.3390/rs9090953.
35. Электронный ресурс URL: https://www.npl.co.uk/products-services/environmental/absorption-lidardial (Emission Monitoring Using Differential Absorption Lidar (DIAL)).
36. Романовский О.А., Садовников С.А., Харченко О.В., Яковлев С.В. Дистанционный анализ содержания метана в атмосфере ИК лидарной системой дифференциального поглощения в спектральном диапазоне 3300–3430 нм // Оптика атмосферы и океана. 2019. Т. 32. № 11. С. 896–901. doi: 10.15372/AOO20191103.
37. Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Садовников С.А., Суханов А.Я., Харченко О.В., Яковлев С.В. Исследование возможности применения лазерной системы на основе параметрического генератора света для лидарного зондирования состава атмосферы // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 6. С. 58–65.

38. Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Yakovlev S.V., Nadeev A.I., Zaitsev N.G., Nevzorov A.A., Nevzorov A.V., Gordeev E.V., Kharchenko O.V., Kravtsova N.S., Tuzhilkin D.A. Mobile compact IR differential absorption lidar for research of methane in the atmosphere // Proceedings of SPIE. 2020. V. 11560. 11560 2S. https://doi.org/10.1117/12.2574414.
39. Электронный ресурс URL: https://solarlaser.com/ (SOLAR LASER SYSTEMS).
40. Михайленко С.Н., Бабиков Ю.Л., Головко В.Ф. Информационно-вычислительная система "Спектроскопия атмосферных газов". Структура и основные функции // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18. № 09. С. 765–776.