Введение к работе
Актуальность темы. 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 непосредственного 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 йх'широкое применение.
Непрерывные ладарные системы'С пространственным разрешением, а также' бистатические системы с пространственным сканированием имеют ряд несомненных преимуществ. Однако в настоящее время они недостаточно1 изучены и разработаны. Поэтому возникает актуальная задача повышения эффективности методов и средств пространственно-разрешаемого газоанализа на основе непрерывных модулированных'ладаров и бистатаческих систем с пространственным сканированием.
! Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности дисгганционноґо' газоанализа за счет использования непрерывного метода лазерной локации с простра'нственньтм'разреше'нйем с двойной
частотной модуляцией и бистатического 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 бистатического метода встречного зондирования с пространственным сканированием.
Частные задачи диссертационной работы заключаются в разработке:
- ладарного метода дистанционного спектроскопического детектирова
ния газов с пространственным разрешением по дальности на основе пере
страиваемых 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 ка основе пространственного сканирования и встречного зондиро
вания 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 дальности; амплитуды 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 поеысить 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 бистатичесюгх 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" 1997-2000гт.,
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 1999-2003гг."
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 сим
позиумах: _..)
- Республиканской научной конференции "Проблемы разработки неф
тяных месторождений и подготовки специалистов в ВУЗе", г.Альметьевск,
АлНИ, 1996; -.: ,-, :.,
- IV Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана",
г.Томск, ИО А, 1997;
III Республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан", г.Казань, 1997; і
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 ра
дарные 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 ,,ц. .
-
Метод дистанционного детектирования газов с пространственным разрешением на основе непрерывных ладаров с двойной частотной модуляцией. '..., м:
-
Результаты разработки математической модели НСПР-ладара; результаты численного моделирования НСПР-ладара; методика 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 встречно
го 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 78 наименований и приложения.
