Оптико-электронные системы газоанализа с пространственным разрешением на основе непрерывного модулированного ладара и бистатического метода встречного зондирования

Охрана окружающей среды представляет собой важнейшую проблему современности. Производственная деятельность человека приводит ко все возрастающему загрязнению атмосферы, водоемов и почвы. В атмосферу выбрасывается большое количество газообразных загрязняющих веществ, которые влияют на естественные физические и химические процессы в природе.

Необходимым условием для понимания различных процессов загрязнения воздуха является чувствительное и избирательное детектирование многочисленных газовых компонентов. Непрерывный и оперативный контроль атмосферы необходим на производствах, использующих опасные газы, при исследованиях процессов пространственного переноса различных веществ в атмосфере, выхлопов двигателей, исследовании пламен и т. п. Для сведения к минимуму последствий аварийных ситуаций необходимо вовремя обнаружить факт утечки газа. То есть приборы контроля должны быть способны за короткое время и без нецосредственного участия персонала обследовать значительные площади пространства и обладать разрешением по дальности.

Однако эффективность существующих детекторов газов, характеризуемая совокупностью функциональных, экономических и эксплуатационных показателей системы, остается невысокой. В частности, различные контактные датчики определяют концентрацию лишь в нескольких заранее выбранных точках. Импульсные лидары позволяют проводить измерения с разрешением по дальности в значительных пространственных масштабах, но являются слишком дорогими, что затрудняет их широкое применение.

Непрерывные ладарные системы с пространственным разрешением, а также бистатические системы с пространственным сканированием имеют ряд несомненных преимуществ. Однако в настоящее время они недостаточно изучены и разработаны. Поэтому возникает актуальная задача повышения эффективности методов и средств пространственно-разрешаемого газоанализа на основе непрерывных модулированных лада-ров и бистатических систем с пространственным сканированием.

Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности дистанционного газоанализа за счет использования непрерывного метода лазерной локации с пространственным разрешением с двойной частотной модуляцией и бистатичёского метода пространственного сканирования с встречным зондированием.

Для достижения этой цели в диссертации решена задача разработки и исследования оптико-электронных систем газоанализа с пространственным разрешением на основе непрерывного ладара с двойной частотной модуляцией и бистатичёского метода встречного зондирования с пространственным сканированием.

Частные задачи диссертационной работы заключаются в разработке:

— ладарного метода дистанционного спектроскопического детектирования газов с пространственным разрешением по дальности на основе перестраиваемых лазерных диодов с двойной частотной модуляцией;

— математической модели непрерывного спектроскопического ладара с пространственным разрешением (НСПР-ладара), его численном моделировании и экспериментальных исследованиях;

— бистатических оптико-электронных систем газоанализа повышенной точности на основе пространственного сканирования и встречного зондирования и анализе их точностных характеристик.

Методы исследования. Теоретические разделы диссертационной работы базируются на методах теории дистанционного лазерного зондирования, оптического спектрального анализа, математическом аппарате теоретической радиоэлектроники, методах быстрого преобразования Фурье, методах численного моделирования. Практические результаты получены на основе экспериментальных установок с использованием современных персональных компьютеров.

Научная новизна работы представлена следующими результатами:

1. Предложен метод дистанционного детектирования газов на основе НСПР-ладара на лазерном диоде с двойной частотной модуляцией зондирующего излучения и разработана его математическая модель. Показано, что этот метод обеспечивает достижение измерения концентрации анализируемого газа с пространственным разрешением по дальностиамплитуды составляющих спектра дальномерных частот НСПР-ладара связаны с концентрацией детектируемого газа на исследуемых участках трассы через калибровочную функцию поглощения, а частоты соответствующих им компонент спектра биений пропорциональны расстояниям до исследуемых участков, что свидетельствует о применимости метода.

2. Получены калибровочные функции для вычисления концентрации газа по результатам измерений НСПР-ладара и проведено исследование зависимости амплитуды сигнала дальномерных частот от девиации оптической несущей зондирующего излучения. Установлено существование верхнего предела однозначно определяемой концентрации газа и наличие оптимального значения отношения девиации оптической несущей к ширине контура поглощения газа, при которой амплитуды сигналов дальномерных частот максимальны.

3. Проведен анализ точностных характеристик бистатических ОЭС с пространственным сканированием. Показано, что наибольшую погрешность измерения пространственного распределения концентрации вещества вносит неравномерность профиля ослабления излучения вдоль трассы зондирования. Разработаны методы измерения пространственного распределения веществ в атмосфере оптико-электронными системами с встречным и ортогональным зондированием, которые позволяют скомпенсировать этот источник погрешности, что обеспечивает значительное повышение точности измерений.

Практическая ценность, реализация и внедрение результатов исследований. Разработан и исследован метод дистанционного детектирования газов на основе НСПР-ладара с двойной частотной модуляцией зондирующего излучения, позволяющий использовать непрерывные лазерные диоды, уменьшить стоимость, габариты и массу ладарных систем и повысить их эффективность. Получена математическая модель НСПР-ладара, позволившая разработать методику проведения измерений, определить параметры модуляции зондирующего излучения и основные тактико-технические характеристики системы.

Разработаны и исследованы методы измерения пространственного распределения газов на основе бистатических систем с встречным и ортогональным зондированием. Результаты исследований позволили разработать методику проведения измерений. Реализация предложенных методов позволяет существенно повысить точность измерений ОЭС.

Разработаны и изготовлены макеты дистанционных газоанализаторов и успешно проведены их натурные испытания в промышленности.

Исследования проводились в соответствии с комплексной программой: «Экологическая безопасность России», целевой программой Минприроды РТ «Мониторинг окружающей среды Республики Татарстан» 19 972 000гг., республиканскими целевыми программами МинЧС РТ «Развитие государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций Республики Татарстан в 1997;1998гг.» и «Программой Республики Татарстан по предупреждению чрезвычайных ситуаций на 19 992 003гг.» .

Теоретические и практические результаты диссертационной работы были использованы в КГТУ им. А. Н. Туполева при выполнении НИР по разработке дистанционных детекторов газов, а также внедрены и используются в учебном процессе университета в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

— Республиканской научной конференции «Проблемы разработки нефтяных месторождений и подготовки специалистов в ВУЗе», г. Альметьевск, АлНИ, 1996;

— IV Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана», г. Томск, ИОА, 1997;

— III Республиканской научной конференции «Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан», г. Казань, 1997;

— II Республиканской конференции молодых ученых и специалистов, г. Казань, 1997;

— Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды», г. Томск, СО РАН, 1998;

— VI Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана», г. Томск, ИОА, 1999;

— Международном симпозиуме «Аэросенс», конференции «Лазерные радарные технологии и их применение», Киев, 1999.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи и 5 тезисов докладов, поданы 3 заявки на изобретение, написано 3 отчета по НИР.

Основные положения, представляемые к защите.

1. Метод дистанционного детектирования газов с пространственным разрешением на основе непрерывных ладаров с двойной частотной модуляцией.

2. Результаты разработки математической модели НСПР-ладарарезультаты численного моделирования НСПР-ладараметодика измерений и алгоритм обработки эхо-сигналов НСПР-ладара. Результаты экспериментальных исследований установок дистанционного газоанализа.

3. Результаты анализа точностных характеристик бистатических ОЭС с пространственным сканированием. Методы измерения пространственного распределения концентрации веществ бистатическими системами встречного зондирования.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, иллюстрирована 45 рисунками и 3 таблицами и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 8/наименований и приложения.

4.4 Выводы по главе.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Измерения спектров поглощения позволили точно выбрать аналитические участки длин волн для дистанционного обнаружения аммиака. Результаты исследования спектра поглощения аммиака показали, что наиболее целесообразно использовать область 1,5 мкм для зондирования среды при помощи лазерного диода и область 2,0 мкм для зондирования при помощи широкополосного излучателя.

2. Лабораторные и натурные исследования прибора с широкополосным излучателем показали высокую чувствительность прибора к угловому положению фотоприемника относительно зондирующего луча и к вибрациям аппаратуры. Чувствительность измерений концентрации анализатора на 2,0 мкм составила 150 мг/м3.

3. Лабораторные и натурные исследования прибора на основе лазер

•5 ного диода показали чувствительность измерения концентрации 75 мг/м. Избирательность измерения концентрации аммиака анализатора на лазерном диоде в 1000 раз лучше, чем у прибора с широкополосным излучателем.

Заключение

.

Исследования, проведенные в настоящей работе, позволяют сделать следующие выводы:

1. Анализ современного состояния вопроса в области разработки приборов и систем газоанализа воздушной среды показал актуальность создания систем газового детектирования на основе непрерывных спектроскопических ладаров с пространственным разрешением по дальности и биста-тических ОЭС с пространственным сканированием повышенной точности.

2. Предложен непрерывный метод дистанционного спектроскопического детектирования газов на основе НСПР-ладара на лазерном диоде с двойной частотной модуляцией зондирующего излучения и разработана его математическая модель. Показано, что этот метод обеспечивает достижение измерения концентрации анализируемого газа с пространственным разрешением по дальностиамплитуды составляющих спектра дальномер-ных частот НСПР-ладара связаны с концентрацией детектируемого газа на исследуемых участках трассы через калибровочную функцию поглощения, а частоты соответствующих им компонент спектра биений пропорциональны расстояниям до исследуемых участков, что свидетельствует о применимости метода. Реализация НСПР-ладара на основе предложенного метода позволяет уменьшить стоимость, габариты и массу систем дистанционного зондирования с пространственным разрешением и повысить эффективность газовых детекторов. Полученная математическая модель НСПР-ладара позволила разработать методику проведения измерений.

3. Получены калибровочные функции для вычисления концентрации газа по результатам измерений НСПР-ладара и проведено исследование зависимости амплитуды сигнала дальномерных частот от девиации оптической несущей зондирующего излучения. Установлено существование верхнего предела однозначно определяемой концентрации газа и наличие.

129 оптимального значения отношения девиации оптической несущей к ширине контура поглощения газа, при которой амплитуды сигналов дальномер-ных частот максимальны. Это позволяет обоснованно выбрать параметры модуляции зондирующего излучения и определить тактико-технические характеристики системы.

4. Проведен анализ точностных характеристик бистатических ОЭС с пространственным сканированием. Показано, что наибольшую погрешность измерения пространственного распределения концентрации вещества вносит неравномерность профиля ослабления излучения вдоль трассы зондирования. Разработаны методы измерения пространственного распределения веществ в атмосфере оптико-электронными системами с встречным и ортогональным зондированием, которые позволяют скомпенсировать этот источник погрешности, что обеспечивает значительное повышение точности измерений. Результаты исследований позволили разработать методики проведения измерений. Реализация приборов на основе предложенных методов позволяет существенно повысить точность измерений ОЭС.

5. Результаты натурных испытаний приборов, построенных на базе проведенных исследований, на промышленных объектах показали их высокую эффективность и широкие функциональные возможности.