APPLICATION OF ATMOSPHERE SENSING BY INFRARED LIDARS FOR ENVIRONMENTAL PROTECTION AND INDUSTRY NEEDS
V. Švedas^a, V. Vaičikauskas^a, and M. Kaučikas^b
aInstitute of Physics, Center for Physical Sciences and Technology, Savanorių 231, LT-02300 Vilnius, Lithuania
E-mail: svedas@ktl.mii.lt
^bEKSPLA Ltd., Savanorių 231, LT–02300 Vilnius, Lithuania

Received 22 March 2010; revised 6 September 2010; accepted 16 September 2010

The paper analyses some equipment and methodological aspects of atmospheric pollution monitoring by infrared lidars. Features of optical parametric oscillators (including our created two-stage system) operating in the spectral ranges of molecular fundamental vibrations are discussed. The environment protection and industry demands for this remote monitoring technology are considered. Despite the progress in the technology and low detection limits achieved, the reliable and fast identification of pollutants is far from perfection. Inner and outer factors worsening the lidar performance, i. e. stability of the transmitted pulse energy, atmospheric turbulence, and irregularity of the pollutant plume near the source, are examined. A lidaric measurement model implying pulse stability was developed and applied to the 8–14 μm and 0.5 mJ per pulse lidar operating in the topographic target mode with the 0.05 m² telescope and the mercury cadmium telluride detector. It has been found that the laser pulse energy instability (energy dispersion parameter D) essentially worsens the detection limit in shorter ranges (<2 km for D = 1%). Adaptation of lidar technology to the fast varying irregular plumes was tested experimentally. Plume detection events were processed using the probabilistic model, and the probability of false alarm was evaluated.

Keywords: IR lidar, atmospheric pollution monitoring, optical parametric oscillator, modelling

INFRARAUDONŲJŲ LIDARINIŲ ATMOSFEROS JUTIKLIŲ PRITAIKYMAS APLINKOSAUGOS IR PRAMONĖS POREIKIAMS
V. Švedas^a, V. Vaičikauskas^a, M. Kaučikas^b
aFizikos institutas, Fizinių ir technologijos mokslų centras, Vilnius, Lietuva
^bUAB EKSPLA, Vilnius, Lietuva

Aptariami atmosferos taršos stebėsenos infraraudonosios srities lidarais įrangos ir metodologiniai aspektai, o taip pat optinių parametrinių osciliatorių (tame tarpe mūsų dvipakopės konversijos sistemos), veikiančių molekulių fundamentinių virpesių srityje, ypatumai. Nagrinėjami aplinkosaugos ir pramonės poreikiai ir techniniai reikalavimai šiai nuotolinei technologijai. Nežiūrint pažangos šioje srityje ir pasiektų žemų detektavimo slenksčių, dar nęimanoma vienareikšmiškai ir greitai identifikuosi patekusius teršalus. Tiriami detektavimo charakteristikas bloginantys vidiniai ir išoriniai veiksniai, tokie kaip siunčiamo impulso energijos nestabilumas, atmosferos turbulentiškumas ir vėjo gūsių keliamas teršalo pliūpsnių netaisyklingas pasklidimas. Pateikiamas lidarinio matavimo modelis, atsižvelgiantis į spinduliuotės impulse nestabilumą. Modelis pritaikytas 8–14 μm srities ir 0,5 mJ impulso energijos lidarui, matuojančiam topografinio taikinio metodu 0,05 m² teleskopu ir gyvsidabrio kadmio telūrido fotodetektoriumi. Nustatyta, kad lazerio impulse nestabilumas, charakterizuojamas energijos dispersija D, iš esmės pablogina detektavimo slenksčio vertes dirbant mažesniais atstumais (<2 km, kai D = 1 %). Eksperimentiškai išbandyta lidaro adaptacija detektuojant greitai kintančius ir netaisyklingus teršalo simulianto pliūpsnius. Sklindančių pliūpsnių susikirtimo su lidaro spinduliu atvejams pritaikytas tikimybinis modelis, leidžiantis įvertinti klaidingo aliarmo tikimybę.