Введение к работе
Актуальность теми. Развитие методов оптической диагностики относится к числу наиболее актуальных направлений современной оптики дисперсных систем. Они находят все более широкое применение в климатологии, охране окружающей среды, при совершенствовании ресурсосберегающих технологии з производстве. R центре этой комплексной проблеми лежат обратные задачи светорассеяния.
Ир";?№)» диссертации являются обратные задачи в сптико бинарных дисперсних систем. Их дисперсная І.чза представлена да і'.'.я полидиепереныш системами частиц (комношчг.^ с достаточно вира-womwmj отличительными признаками форш, вещественного состава. Примером является іопспий ат""с^р««н ччр'>моль волпьп лс::а."П"т. источников антропогенного происхождения, облака в смйшашіа:,: разовом состоянии и в присутствии углеродсодержащих компонент, взвесь природных водоемов. Из техничеышх сред можно указать топлива и смазочные материалы с содержанием эмульсионной воды, продуктов почвенного происхождения и коррозии металлов. Информация об отдельных компонентах важна в вопросах экологического мониторинга природных объектов, при разработке новых компо-с:ш,;їС'їїньіх .ччтарп.а.;,1;^, д." оттрсделения енопдучтяпкопной надежности технитхта;' еи-д. К,_".:;:.'Не.чті-і vory~ отлсчоїься cir-ncnvr- h,j-
ходлуа постаненкі обратной задачи, либо при. оцени стдрли.чх компонент предъявлялись чрезмерно жесткие условия моделирования.
ПГ'СЬЄД-1-1".''' ОІ'СТе^'-Уї^'ЧеСКПУ НСО*т:г,Д ~:г''<1и\?. IV) Ц-^іЄНІП" С*~СТННХ 3 —
дач с1<~;';1::\?~-ян;)л для аидиснерспых систем пд^'пналось подсети-точным развитием методов анализа информационного содержания измерений. Такие методы Сыли ориентированы на оценку параметров одной Физической природы, чаще спектра размеров частиц в гисто-граммном представлении или концентраций компокнт. Они не описывали вклад априорных оценок искомых величин в ин)«рмаішон-ное содержание опорных оптически измерении. Е сущности такие сменки я«ляг',тсл реагльтггаум некотормх пгедгептчусг.'х или сулут-ствущих оптическому эксперименту измерений « ilk роль как
составной части измерительной информации заметно возрастает при решении многопараметрических обратных задач. По этой же причине изучение таких задач весьма абстрактно вне конкретных назначений и объектов оптической диагностики.
Цель работы состояла в развитии методов анализа информационного содержания исходных данных обратной задачи (о "учетом различной физической природы как измеряемых, так и искомых величин) и в разработке многоцелевых и специализированных помехоустойчивых методов оптического контроля микроструктуры бидисперсяых систем (на примере взвеси природных водоемов, водного аэрозоля в присутствии углеродсодержащих компонент, микропримесей нефтепродуктов). Ставились задачи выявления дешифровочных оптических признаков для одновременного определения:
спектра размеров и показателя преломления частиц;
спектров размеров двух типов частиц с разными показателями преломлргшя (в том числе концентраций и обобщенных параметров дисперсности, инвариантных относительно формы частиц);
средних размеров и внутренней структуры слоистонеоднородных (двухслойных) сферических частиц;
параметров микроструктуры бидисперсных систем в развитии гетерогенной коагуляции частиц (с существенным отличием размеров и светопоглощения отдельных компонент);
удельных (в расчете на единичные концентрации частиц) оптических характеристик компонент.
Научная новизна и значимость результатов, обобщением которых является диссертация, заключается в следующей.
На базе статистического формализма информации Фишера развит единый подход к анализу структуры информации, передаваемой от исходных данных в результаты решения обратной задачи. Он основан на представлении в линейном приближении предельно допустимой тачное оценок искомых параметров через дисперсии погрешностей исходных данных, чувствительности опорных оптических измерений к искомым параметрам и коэффициенты корреляции высоких порядков мевду этими чувствительностями.
Предложен новый метод численного решения линейных обратных задач при логарифмически-нормальном распределении помех в исходных данных. Его можно рассматривать как оптимизацию широко известных линейных методов регуляризации для положительно определенных измеряемых и искомых величин и итерационного метода Че-хайна ярі "избыточности" исходных данных.
Впервые в практике дифракционной спектрометрии проанализированы коэффициенты усиления погрешностей оптических измерений
при определении спектра размеров и показателя преломления частиц На этой основе указана пути повышения информационных возмокнос-тей оптических измерений, нозволягг"!" определять спектр размеров високодисперсних компонент и показателя преломления частик больше 0.5 ММ1.!.
Новым является итврациошю-рзгуляртзуюший метод интерпретации гидрооитичееких измерений для оценки концентраций оптически активних компонент водном среди по спектрам копффгциентэ яркости водной толіш в оперативной фазе оптических измерений. Численная процедура решения соответствующей обратной задачи оптимизирует йзе?стнч9 мвтола ЛовопЗергп-Мгргапрдтй и статистической регуляризации. Впервые продемонстрована ^іфективчооть восстановления удельных первичных гидрооптических характеристик основных компонент взвеси вод, формирующих спектр коэффициента яркости,по измерениям индикатрис рассеяния водной среды.
Оригинальны разработанные модельно-аналитические методики восстановления компонентного состава взвеси вод по измерениям заданного предельно ограниченного набора первичных гидрооптичес-ь*их характеристик. Их особенность заключается в возможности быстрой опенки мжгих параметров: концентраций, дисперсности и показателя преломления чаепп? минерализованной и органической составляющих взвеси.
Проведены первые подробные исследования в области оптической диагностики ио.тнего аэрозоля в присутствии углеродсодержа-нцтх компонент, прямых и обратных водонефтяных эмульсий при налички твердих микропримзейй, рабочих жидкостей авиационных гидросистем. Они послужили основой для разработки серии новых специализированных для этих сред способов оптического контроля микроструктуры, загшцегпшх авторскими свидетельствами. На Примере этих практически важных объектов изучены такие новые аспекты решения обратной задачи светорассеяния, как оперативный контроль гетерогенной коагуляция частиц, оценка параметров адсорбционно-сольватных слоев в полидисперсных эмульсиях, идентификация компонентной принадлежности при импульсной регистрации светорассеи-вающих частиц. Результаты работы использовались в обзорах (например, Barth Howard G., Sun Shao-Tang. Particle size anallsls// J.Anal.Chora. -1985.V.57.N5.P.151-175; 1939.V.61.N12. ?.143-152;
Кондратьев К.Я., Поздняков Д.В., Исаков В.Ю. Радиационяо-тадро-оптические эксперименты на озерах.-Л.:Наука, 1990.-116с.)» посвященных современному состоянию и перспективам оптической диагностики дисперсных систем. На защиту выносятся.
-
Метод описания передачи информации от исходных данных в результаты решения обратной задачи светорассеяния (в том числе при наличии априорных оценок искомых величин).
-
Метод численного решения линейных обратных задач при логарифмически-нормальном распределении помех в исходных данных.
-
Информационное обоснование и развитие метода лазерной дифракционной спектрометрии в условиях аномальной дифракции света.
-
Итерационно-регуляризующий метод определения концентраций оптически активных компонент водной среды по измерениям (в оперативной фазе) спектров коэффициента яркости водной толщи.
-
Модально-аналитические методики определения микроструктуры взвеси вод по измерениям первичных гидрооптических характеристик.
-
Первые подробные исследования и способы оптической диагностики водного аэрозоля с углеродсодеркащими компонентами, прямых и обратных водонефтяных эмульсий при наличии твердых мик-ропримасей, дисперсных компонент рабочих жидкостей авиационных гидросистем.
В совокупности выносимые нз защиту положения мокно квалифицировать как основу нового перспективного научного направления -разработки помехоустойчивых методов контроля микроструктуры би-диспорсных систем по светорассеянию.
Практическая значимость. Большинство исследований, выполненных' в диссертации, имеют практическую направленность. Они могут быть использованы и уже используются при создании математического обеспечения и конструировании многоцелевой и специализированной аппаратуры оптического контроля дисперсных систем, предназначенной для рэшешш разнообразных задач экологического мониторинга атмосферных и водішх объектов, для совершенствования ресурсосберегающих технологий в ряде производственных процессов.
Результаты исследования по дифракционной спектрометрии ис- пользованы в КНПО "Аналитприбор" (г.Киев) при разработке оптического граиуломотра взвесей порошкообразных материалов. Методы интерпретации гидрооптичоской информации используйся в
Гидрохимическом институте Госкомприроды (г.Ростов-на-Дону) к в РНТЦ "Экомир" (г.Минск) для решения задач оперативного контроля
оптически активных компонент врчг-иеішнх і; растворенных веществ в поверхностных сл',;і:-; зтг,*";'рэт-:ьих bo"Cj!'ob. Способы и разработки по
зань), по "хкмггоом" (г.Волгоград) пта повете стандартных воло-
физико-математического моделирования процессов формирования оп-
микроструктуре исследуемого объекта с учетом его допустимых параметризованных состояний. Разработанные методы изучения информационного содержания измерений нашли применение при решении важных практических задач в ходе выполнения хоздоговорных работ с ВНЖСУ (г.Москва), НГЮ "Позитрон" (г.Санкт-Петербург), ГИПО (г.Казань) и уко названных выше организаций.
По^ФОВР^НОСТЬ ТУ^УЛЪТ^ТОВ ^^Г^С^'^^НПЗ^'^^'С'І r^Wnnvrmrvi-r гп *ттгп т? _
оптике (Томск, w(b); V Всесоюзном симпозиуме по распространению
rrOOOTTtTATirt TJO тПТПТГПГП Г> nmiirt/vfoT^n /Ф«-\*,.чт. < ("У7("* \ ТТТ Р~« ~,».~ ft
ViuraOn, 'і you'), і DCeuGHJahCM НаУ'ЧНО-ТЬХНИЧьСКОМ С'ЄМШарВ "ХЄХНИ-
ка и методика количественного и качественного анализа нефти и попутного газа па нефтегазодобывающих предприятиях с применением
химическом совещании (Ростов-ня-JIohv, 19Я4); ІХДДЇ Плрчумях
" --' ' '-.'.'Ч;^і -ні -L_i {n'~-'j'..\.*, VJc-\; РйОТСІ: Іііі-Долу , I'^cio! KpciOiiG—
?
ярок, 1990); Всесоюзном межотраслевом совещании по физическим методам диагностики неоднородных сред (Минск, 1986); V Всесоюзной конференции "Аэрозоли и их применение в народном хозяйстве" (Юрмала, 1987); II Всесоюзной научно-технической конференции "Аэродисперсные системы и коагуляции аэрозолей" (Караганда, 1988); II,III Всесоюзных школах по оптике рассеивающих сред (Минск, 1980,1990); IV Всесоюзном совещании по распространению лазерного излученная в дисперсной среде (Барнаул, 1988); заседании секции аэрозолей ВХО. им.Д.И.Менделеева (Москва, 1989); IV Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1989); XVI Всесоюзной конференции по рас-пространеню радиоволн (Харьков, 1990); III Всесоюзной конференции аналитической аппаратуры и средств вычислительной техники для охраны окружающей среды в теплоэнергетике (Батуми, 1990); на Международном радиационном симпозиуме-92 (Таллин, 1992). Материалы исследований докладывались на заседаниях Ученых советов Укр-гапрониинефть (Киев, 1981,1983), ИФ им.Б.И.Степанова АНБ (Минск, 1991,1992), Технического совета ФРМЧ ГмбХ (ФРГ, Идар-Оберштейн, 1990, 1991), на семинарах лаборатории метеорологической физики университета им.Б.Паскаля (Франция, Клермон-Ферран, 1992).
Публикации и личный вклад автора. По материалам диссертации оформлено 80 научных публикаций, включая 38 статей в отечественных и зарубежных журналах (8 без соавторства), 18 авторских свидетельств на изобретение и 24 тезиса докладов в грудах указанных конференций. Перечень наиболее принципиальных статей (30) и изобретений (13), отражающих основное содержание диссертации, приведен в конце автореферата. Результаты диссертации, сформулированные в защищаемых положениях и выводах, отражают личный вклад автора в опубликованные работы. А.П.Пришивалко принимал участие в формировании научного направления и обсуждении полученных результатов. В совместных с учениками и другими исследователями публикациях автору принадлежит выбор направление исследования, проведение теоретических и руководство ходом экспериментальных работ, анализ результатов и путей их практической реализации, систематизация материала.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложения. Каждая глава сопровождается небольшим предисловием, дающим общую характерно-, тику рассматриваемых проблем, и заключением в . виде обобщения полученных результатов. Общий объем диссертации 300 страниц,
включая 43 рисунка, 13 таблиц, 253 литературные сеялки.
