Введение к работе
Актуальность темы исследования
В связи с возрастающим влиянием человеческой деятельности на окружающую среду особую важность приобретает контроль за ее состоянием и в том числе мониторинг уровня загрязнения. Одной из важнейших частей экологического мониторинга окружающей среды является определение содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Для решения этой задачи используются мобильные газоанализаторы, позволяющие оперативно и с высокой точностью определять состав многокомпонентных газовых смесей. В настоящее время для этих целей широко используются оптические газоанализаторы благодаря их быстродействию, большому динамическому диапазону, а также бесконтактному и неразрушающему характеру.
Особенно эффективно газовые загрязнители атмосферы обнаруживаются спектральными оптическими методами анализа. Отличительной особенностью этих методов является высокая чувствительность и избирательность, позволяющая определять концентрацию контролируемого вещества в присутствии большого количества других веществ. Метод дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии [1] (ДОАС) является на сегодняшний день широко распространенным решением для систем мониторинга окружающей среды на воздушных трассах длиной до нескольких километров. Одним из основных достоинств этого метода является возможность одновременного измерения концентрации нескольких компонент газовой смеси в режиме реального времени в естественных условиях. Работа метода ДО АС основана на наличии в спектрах поглощения измеряемых компонент газовой смеси характерных дифференциальных особенностей (узких линий поглощения). Такие особенности наблюдаются в характеристических спектрах поглощения в УФ и видимом участках оптического диапазона многих важных с точки зрения экологического мониторинга загрязнителей атмосферы: диоксида азота, диоксида серы, бензола, толуола и т.д. Определить концентрацию компонентов смеси позволяет модель, описываемая законом Бугера-Ламберта-Бера в сочетании с принципом аддитивности поглощения разными компонентами смеси. Типичной конфигурацией газоанализатора на основе метода ДОАС является трассовая схема с широкополосным источником излучения и монохроматором в приемном канале.
Использование в качестве монохроматора акустооптических (АО) перестраиваемых
фильтров открывает новые возможности [2, 3]. Наряду с компактностью, высокой
чувствительностью, быстродействием, возможностью работы во внелабораторных условиях и
рядом других конструктивных и эксплуатационных преимуществ перед классическими
спектральными приборами, спектрометры на основе АО фильтров обладают уникальной
характеристикой - возможностью осуществления быстрого произвольного спектрального доступа. Это свойство дает возможность формирования любой выборки спектральных отсчетов благодаря способности спектрометра быстро перестраиваться в любую точку спектрального диапазона безотносительно к текущему положению и за время, равное времени пробега акустической волны через акустооптическую ячейку (~10" с). Эта особенность открывает большие возможности в случаях, когда исследуются некоторые заранее известные особенности спектров. Выборочный принцип регистрации лежит в основе работы газоанализаторов на основе метода ДОАС, где анализируются относительно небольшие наборы узких характеристических участков спектра поглощения измеряемых веществ. Таким образом, использование спектрометров на основе АО фильтров в газоанализаторах подобного типа является целесообразным и важным для практики, а также несет существенный элемент новизны.
Программируемость выборки спектральных отсчетов, обеспечиваемая использованием АО спектрометров, позволяет радикально изменить алгоритм анализа спектра, сделав его более рациональным. Это в свою очередь позволяет организовать алгоритм регистрации наиболее общего вида и ставит вопрос о нахождении оптимального алгоритма. Подобная задача до сих пор не была решена в такой постановке. Действительно, сканирующие спектрометры позволяют задавать лишь границы диапазона и скорость сканирования. Отчасти похожая задача возникает при создании приборов на основе наборов фильтров, например, спектрозональная съемка Земли, но в этом случае существует серьезное ограничение на число спектральных каналов и, вообще говоря, каналы могут быть различными по характеристикам, а, главное, их состав определяется один раз и фактически не может меняться в дальнейшем. В отличие от этого число и состав спектральных каналов и даже порядок их регистрации могут в АО спектрометре устанавливаться произвольно и меняться в ходе измерений в реальном времени.
Все это диктует необходимость решения указанной задачи всякий раз, когда проводится измерение и, более того, всякий раз, когда появляется новая информация об объекте или меняются условия измерения. Таким образом, задача определения алгоритма работы АО спектрометра и его оптимизация являются актуальной задачей.
Работа газоанализаторов на основе метода ДОАС основана на сравнении измеренных и выделенных спектров поглощения компонент газовой смеси с характеристическими спектрами поглощения веществ, полученными на этапе калибровки прибора. Практика показывает, что в случае наличия в измеряемой смеси большого числа веществ с перекрывающимися спектрами поглощения (несколько десятков линий) нестабильности при калибровке ведут к заметным погрешностям коэффициентов, которые в свою очередь приводят к большой систематической
погрешности измерения. Таким образом, актуальной становится задача снижения погрешности процедуры калибровки, что влечет за собой необходимость оптимизации этой процедуры.
Цели диссертационной работы
Целью работы является оптимизация алгоритма работы газоанализатора на основе перестраиваемых оптических фильтров и оптимизация методики его калибровки. При этом были поставлены и решались следующие задачи:
разработка алгоритма выбора оптимального набора характеристических линий измеряемой многокомпонентной газовой смеси для газоанализатора на основе перестраиваемых оптических фильтров;
разработка соответствующего программного обеспечения (ПО), а также дополнительного ПО для тестирования работы газоанализатора;
экспериментальное подтверждение работоспособности разработанного алгоритма путем численного моделирования;
разработка методики калибровки газоанализатора на основе перестраиваемых оптических фильтров с учетом шумов;
экспериментальное подтверждение работоспособности разработанной методики калибровки;
разработка структуры базы данных спектральных характеристик веществ и программного обеспечения для работы с ней.
Научная новизна и практическая значимость
разработан и реализован программно новый алгоритм работы газоанализатора на основе акустооптических перестраиваемых фильтров, который позволяет использовать их свойство осуществлять быстрый произвольный спектральный доступ, благодаря чему уменьшить время процедуры измерения и в ряде случаев уменьшить погрешность измерения;
разработана и реализована новая оптимизированная методика калибровки газоанализатора на основе акустооптических перестраиваемых фильтров, позволяющая ограничить погрешности процедуры калибровки;
разработано программное обеспечение для тестирования работы газоанализатора с использованием нового разработанного алгоритма;
проведены экспериментальные исследования, подтверждающие работоспособность разработанного алгоритма и методики калибровки;
спроектирована и заполнена база данных спектральных характеристик веществ и разработано программное обеспечение для работы с ней;
разработанный алгоритм оптимального выбора спектральных каналов применим для любых спектрометров с произвольным спектральным доступом.
Результаты диссертационной работы были применены в разработках, проводимых в Научно-Технологическом Центре Уникального Приборостроения РАН и Всероссийском Научно-Исследовательском Институте Физико-Технических и Радиотехнических Измерений.
Основные положения, выносимые на защиту
Разработанная процедура оптимизации множества регистрируемых спектральных каналов позволяет сократить время измерения содержания веществ акустооптическим газоанализатором, либо при заданном времени уменьшить до 2,5 раз погрешность результатов измерений измерения в зависимости от величины шума для уровня концентраций от фоновых до технологических выбросов.
Разработанная и реализованная программно методика калибровки акустооптического газоанализатора позволяет уменьшить систематическую погрешность измерений в 2-6 раз при одновременном измерении трех и более веществ за счет минимизации погрешности определения коэффициентов поглощения на этапе калибровки.
Разработанный комплекс программных средств позволяет осуществлять расчет и определение оптимального множества регистрируемых спектральных каналов в реальном времени: до 1 минуты для случая 5 веществ, - что позволяет корректировать множество каналов непосредственно в процессе регистрации и дает возможность реализовывать адаптивные алгоритмы спектрального анализа.
Апробация работы
Основные результаты работы были апробированы на следующих научных конференциях:
S 2-я международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы
измерений и обработки информации (ARMIMP-2007)» (Суздаль, 25-27 сентября 2007 г.);
S 8-я международная конференция «Прикладная оптика» в рамках конгресса «Оптика XXI
век» (Санкт-Петербург, 20-24 октября 2008 г.);
S 11-я международная конференция «Цифровая обработка сигналов и их применение
(DSPA-2009)» (Москва, 25-27 марта 2009 г.); S 10-я международная научно-техническая конференция «Оптические методы
исследования потоков (ОМИП-2009)» (Москва, 23-26 июня 2009 г.); S 3-я международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы
измерений и обработки информации (ARMIMP-2009)» (Суздаль, 22-24 сентября 2009 г.); S Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии и
математическое моделирование систем» (Корсика, Франция, 15-25 сентября 2010 г.); S 6-я международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики (ФПО-2010)»
(Санкт-Петербург, 18-22 октября 2010 г.); S 9-я международная конференция «Прикладная оптика» в рамках конгресса «Оптика XXI
век» (Санкт-Петербург, 18-22 октября 2010 г.); S SPIE Conference «Optical Metrology» in conjunction with LASER WORLD OF PHOTONICS
- 2011 (Munich, Germany, 23-26 May 2011); S 4-я международная конференция «Акустооптические и радиолокационные методы
измерений и обработки информации (ARMIMP-2011)» (Суздаль, 20-22 сентября 2011 г.), а также докладывались и обсуждались на научных семинарах НТЦ УП РАН. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, включая тезисы докладов и статьи в научных журналах и трудах конференций. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
