На правах рукописи

АБЛЯЗОВ Эмиль Кемалович

ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

МОЛЕКУЛ УГЛЕВОДОРОДОВ В АТМОСФЕРЕ

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар - 2011 2

Работа выполнена в Новороссийском политехническом институте (филиал ГОУ ВПО «Кубанский Государственный Технологический Университет».

Шеманин Валерий Геннадьевич, доктор

Научный руководитель:

физико-математических наук, профессор Михеев Геннадий Михайлович, доктор

Официальные оппоненты:

физико-математических наук, профессор Соколов Андрей Леонидович, доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Защита диссертации состоится 16 декабря 2011 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН.

Автореферат разослан 11 ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, В. В. Тарасов доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящей работе, выполненной автором в 2007 - 2011 годах, рассмотрены варианты использования лазерных систем, методов для дистанционного зондирования молекул углеводородов а так же измерения их концентраций в газовых потоках или атмосферном воздухе.

Проанализированы различные лидарные системы, проведены исследования лабораторных макетов таких лазерных систем для бесконтактного измерения концентрации исследуемых молекул вплоть до уровней 1 млрд-1. В основу предлагаемых методов и систем измерений положено лазерное дистанционное зондирование молекул углеводородов с помощью лидара комбинационного рассеяния света (КРС) и лидара дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР) с обработкой результатов измерений на персональном компьютере (ПК) для регистрации лидарных сигналов в режиме реального времени.

Актуальность темы. На протяжении последних пятидесяти лет актуальной проблемой является разработка и поиск новых методов, средств и систем для дистанционного обнаружения и измерения параметров разнообразных газовых потоков и технологических газов в разных отраслях промышленности. Развитие исследований в этом направлении открыло перспективу создания новых лазерных систем, результаты которых обогатили фундаментальные разделы лазерной физики и смежных областей, а также пригодны для практического применения в промышленности.

Для решения таких проблем сегодня наиболее перспективными представляются именно методы лазерного дистанционного зондирования, поскольку применение стандартных методов измерений параметров таких газовых потоков оперативно и одновременно на больших расстояниях является проблематичным. В связи с этим необходима оценка потенциальных возможностей лазерных систем, диапазона их применения в дистанционном зондировании атмосферного воздуха и своевременного обнаружения уровней концентраций исследуемых молекул или загрязняющих веществ на уровне их предельно-допустимых концентраций.

Особая pоль в решении этой проблемы отводится экспериментальным методам и данным, применение которых становится базой для разработки новых лидарных систем, а кроме того, эмпирическая информация может быть использована в качестве исходных данных для детального исследования параметров как самих газовых потоков, так и молекул загрязняющих веществ.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований параметров различных газовых молекул, а также детальные исследования регистрируемых лидаром сигналов, позволят найти оптимальный вариант технической реализации того или иного способа регистрации параметров молекул в газовых потоках или чистой атмосфере и тем самым снизят погрешность измерений концентраций и увеличат достоверность получаемых результатов при решении конкретной проблемы.

Целью диссертационной работы является теоретические и экспериментальные исследования лазерных систем для дистанционного зондирования молекул углеводородов в атмосфере с концентрациями на уровне предельно-допустимых.

Для достижения этой цели предстоит решение следующих задач:

-экспериментальное измерение параметров молекул предельных углеводородов на лабораторном лидаре (КРС);

- измерение сечения поглощения молекул углеводородов на лабораторном лидаре ДПР;

-численное моделирование лидарного уравнения для КРС и лидарного уравнения для (ДПР) с целью определения оптимальных параметров системы лазерного зондирования молекул углеводородов;

- разработка системы контроля качества атмосферного воздуха на основе лидара КРС;

- применение лидара ДПР для контроля качества атмосферного воздуха и предупреждения аварийных выбросов промышленного района.

Диссертационная работа включает введение, четыре главы, заключение и список использованных источников.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Показано, что лидарные методы КРС и ДПР являются оптимальными для дистанционного измерения концентрации молекул углеводородов в газовом потоке или атмосферном воздухе на уровне концентраций порядка единиц на миллиард.

2. Значение дифференциального сечения КРС молекулами изобутана измерено на длине волны полупроводникового лазерного излучателя 532 нм и составляет (3,1±0,9)·10-29 см2/ср.

3. Значения интегрального сечения резонансного поглощения молекулами гексана лазерного излучения в области 3,4 мкм измерены на лабораторном лидаре ДПР и оно равно 0,567·10-19 см2, что соответствует результатам других авторов.

4. Результаты вычислительных экспериментов для лидара КРС молекулами углеводородов в направлении 180° позволили выбрать оптимальный вариант системы регистрации лидара для моноимпульсного и частотного режимов работы такого лидара и обработки сигналов в аналоговом режиме и режиме счета фотонов для заданного диапазона расстояний зондирования, концентраций исследуемых молекул и для экспериментально измеренного значения дифференциального сечения КРС этими молекулами.

5. Экспериментальные значения резонансного поглощения лазерного излучения молекулами углеводородов позволили выполнить вычислительные эксперименты для лидара ДПР, результаты которых могут быть использованы для дистанционных измерений концентраций молекул углеводородов в газовом потоке или атмосферном воздухе и выбора оптимального варианта такого лидара.

6. Разработан метод численного моделирования лидара КРС для зондирования молекул углеводородов СnHm. Результаты моделирования являются исходными данными для разработки лидарной системы.

Практическая значимость результатов.

1. В результате экспериментальных исследований параметров молекул углеводородов с помощью методов КРС и ДПР получены соответственно дифференциальные сечения КРС и сечение поглощения молекул углеводородов для измерения их концентраций в атмосферном воздухе. А численное моделирование лидарного уравнения КРС и ДПР позволило определить оптимальные параметры лидаров при зондировании молекул углеводородов в системе мониторинга атмосферного воздуха 2. Предложен вариант использования лидара КРС в системе контроля качества атмосферного воздуха и предупреждения аварийных выбросов промышленного района, на который получен патент РФ.

3 Результатами исследований показано, что оборудование предприятий нефтегазовой отрасли такими лидарными системами позволит проводить мониторинг атмосферного воздуха и тем самым предотвращать возможные аварийные выбросы углеводородов в атмосферу.

4 Выполнены вычислительные эксперименты для зондирования молекул углеводородов СnHm лидаром ДПР для наших экспериментальных условий.

Полученные результаты являются основой для разработки дифференциального метода измерения ультрамалых концентраций исследуемых молекул.

Основные положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Установлены диапазоны концентраций и расстояний зондирования лидаров для мониторинга молекул углеводородов таких как этан, пропан, бутан, пентан, гексан, бензол, толуол, метилмеркаптан в атмосферном воздухе.

2. Измерены дифференциальное сечение КРС молекулами бутана на длине волны лазерного излучения 532 нм а так же сечение поглощения молекул гексана на длине волны 3,4 мкм, которые равно соответственно (3,1±0,9)·10-29 см2/ср на длине волны полупроводникового лазерного излучателя 532 нм и 0,567·10-19 см2.

3. Разработаны варианты лазерной системы мониторинга атмосферного воздуха на основе лидара КРС, защищенный патентом РФ на полезную модель и алгоритм ее работы.

4. Предложен вариант системы контроля качества атмосферного воздуха на основе лидара ДПР.

Личный вклад автора.

Основные результаты, вычислительные, лабораторные эксперименты для зондирования молекул углеводородов СnHm, а также оформление заявки на полезную модель были выполнены автором.

Экспериментальная установка, используемая при проводимых в рамках работы исследованиях, разработана коллективом Новороссийского политехнического института филиала Кубанского государственного технологического университета кафедры «Общенаучные дисциплины» под руководством д.ф.-м.н., профессора Шеманина В.Г. Выбор приоритетов, направлений и методов исследования, а также форм представления результатов, их обобщение, формирование структуры и содержания диссертационной работы, формулирование и постановки основных положений и идей выполнено при активном участии научного руководителя д.ф.-м.н., профессора Шеманина В.Г., которому автор выражает благодарность за научное руководство работой в период обучения автора в аспирантуре, за ценные идеи и решения, положенные в основу данной работы.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях:

ХV международной конференции «Высокие технологии в медицине, биологии и геоэкологии» в Новороссийске в 2007 г.;

XVI, XVII, XVIII международных конференциях «Лазерноинформационные технологии в медицине, биологии и геологии» в Новороссийске в 2008, 2009, 2010 гг.;

14 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных в Уфе в 2008 г.;

15 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных, проведенной совместно с Кемерово и Томском в 2009 г.;

16 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных в Волгограде в 2010 г.;

17 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных в Екатеринбурге в 2011 г.;

международных конференциях «Лазеры. Измерения. Информация» в Санкт-Петербурге в 2008, 2009, 2010 гг.;

международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» в Беларуси в Могилеве в 2009 г.;

IX международной конференции «Прикладная оптика-2010» в СанктПетербурге в 2010 г.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в работе, являющихся частью списка литературы, цитируемого в диссертации, в том числе всего 5 статей, из них 3 статьи в рецензируемых, рекомендованных ВАК журналах, 1 патент РФ на полезную модель, докладов на конференциях, акт внедрения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка использованной литературы. Объем диссертации составляет 148 страницу машинописного текста, в том числе таблиц и 34 рисунка. Список литературы содержит 115 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, проанализированной в диссертации, определены исходные данные, подлежащие рассмотрению, кратко изложено содержание диссертации и выдвинуты защищаемые положения.

В первой главе рассмотрен лидар как средство мониторинга состояния атмосферного воздуха, его алгоритм работы. Из анализа различной литературы были выбраны лидары КРС и ДПР.

Наиболее привлекательной особенностью метода КРС является возможность определения по величине отношения сигналов КРС отношения концентраций исследуемого газа к опорному (чаще всего к азоту как наиболее распространенной составляющей атмосферы), если известно отношение сечений КРС этих компонент. Из-за малой величины сечений КРС чувствительность метода в приложениях дистанционного зондирования невысока. Применение метода ДПР обычно предполагает использование широкополосного источника излучения и обработку сигналов на двух длинах волн: в линии поглощения исследуемой молекулы и в крыле этой линии.

Основным недостатком метода является низкое пространственное разрешение или его отсутствие, которое проявляется в практической невозможности выделить вклад отдельных слоев атмосферы в результирующее ослабление вдоль всей трассы зондирования.

Приведенные в главе различные предельные (по источникам шума) ситуации дают оценочные значения минимальной обнаруживаемой энергии, которые задают минимальную энергию лазерного импульса, необходимой для регистрации заданной концентрации частиц на заданном расстоянии.

Для автоматизированного мониторинга атмосферного воздуха, необходимы компактные, удобные в эксплуатации, долговечные, надежные, а главное, дистанционные методы измерения концентраций молекул загрязняющих веществ, которые можно использовать в различных системах мониторинга.

Определено понятие стандартной чистой атмосферы как нулевой уровень загрязнения, приведены основные параметры молекул загрязняющих веществ для промышленных предприятий, в частности молекулы углеводородов.

Во второй главе представлены результаты расчетов мощности P КРС молекулами углеводородов от расстояния зондирования R для длин волн YAG:Nd и полупроводниковых лазерных излучателей, так же уровни солнечного фона. Оптическая моностатическая схема лидара КРС представлена на рисунке 1.

В нашей экспериментальной ситуации, мощность регистрируемого излучения КРС исследуемыми молекулами углеводородов в предположении однократного рассеяния в направлении назад в наиболее общем случае можно описать лидарным уравнением для КРС типа:

где P(,R) - мощность сигнала КРС на фотоприемнике на длине волны, приходящего с расстояния R; PL - мощность лазерного излучения и L - его скорость света, а t – время одного измерения, причем его минимальное значение определяется длительностью импульса лазерного излучения; A0 площадь поверхности приемного телескопа; T(L, R), T (, R) - пропускание атмосферы соответственно на длине волны лазерного излучения и сигнала КРС; (d d) - дифференциальное сечение КРС исследуемой молекулой на длине волны лазерного излучения и N - концентрация исследуемых молекул загрязнющих веществ.

лидарная система состоит из лазерного излучателя 10, фотодиода 9, предназначенного для контроля энергии лазерного импульса и синхронизации работы всего устройства (сигнал U0), приемного телескопа типа Ньютона, состоящего из сферического зеркала 1 диаметром 0,4 м и фотоприемного блока, в который входит объектив 4, интерференционный светофильтр 3 с максимумом пропускания на длине волны КРС полушириной 5 нм и ФЭУ-79 2, сигнал, с которого U1 пропорционален мощности КРС исследуемыми молекулами углеводородов. Импульс лазерного излучателя 10 длительностью 10 нс направляется через телескоп Галилея 11 в исследуемую область пространства над промышленным районом. Частично лазерное излучения используется для создания опорного сигнала, задающего начало отсчета времени, а его амплитуда - энергию лазерного импульса. В данной оптической моностатической схеме лидара, телескоп Галилея в целях безопасности применяется для расширения лазерного луча и уменьшения плотности энергии лазерного излучения, падающего на мишень. На фотокатод ФЭУ-79 телескопом типа Ньютона собирается рассеянное в направлении 180° излучение КРС исследуемых молекул. Импульс напряжения с ФЭУ-79 подается на вход специальной микропроцессорной измерительной системы, обрабатывающей полученные сигналы на линии с ПК.

дифференциальное сечение КРС молекулами изобутана (3,1 ± 0,9)·10-29 см2/ср на длине волны полупроводникового лазерного излучателя 532 нм.

По значениям спектральной яркости солнечного излучения для длин волн полос КРС исследуемыми молекулами Sb(), были рассчитаны значения фоновой мощности Pb(,R) для нашего случая по уравнению:

где (R) - телесный угол поля зрения приемного телескопа, причем (R)=А0 /R2; а А0 - площадь поверхности приемного телескопа, спектральная ширина приемного тракта.

Установлено, что лидар КРС (см. рисунок 2) в режиме одиночного лазерного импульса, дает наилучший результат для зондирования молекул углеводородов в атмосферном воздухе YAG:Nd лазерным излучателем с концентрацией молекул 1019 см-3 на длине волны 266 нм. Но на практике лучше использовать длину волны лазерного излучения 355 нм для упрощения юстировки системы. В этом случае, полезный сигнал так же превышает фоновый. Поэтому результаты для всех молекул на длине волны 355 нм собраны на рисунке 2. Превышение полезного сигнала над фоновым наблюдается только до 1,1 км.

В режиме накопления сигнала по 1000 импульсов YAG:Nd лазером превышение полезного сигнала над фоновым наблюдается так же до 1,1 км.

Однако, YAG:Nd лазер не может работать с большой частотой следования лазерных импульсов, поэтому представляет интерес использование полупроводниковых лазерных излучателей.

Что касается полупроводниковых лазерных излучателей, то наилучший результат получается для длины волны 405 нм и предельной дальности следования 50 м, рисунок 3.

Накопление по 1000 импульсов, не дает заметного увеличения расстояния зондирования, так как фоновый сигнал тоже суммируется. В этом случае превышение полезного сигнала над фоновым сигналом так же происходит на расстоянии 50 м от лидара.

Результаты компьютерного моделирования показывают возможность выбора оптимальной длины волны лазерного излучения полупроводникового лазера для зондирования молекул углеводородов и в режиме счета отдельных фотонов в атмосферном воздухе с концентрациями порядка единиц на миллиард и регистрации превышения концентрации над этим заданным уровнем на расстояниях до 1,0 км. Получено, что для длины волны такого излучателя 405 нм и расстояния зондирования 1 км значения времени измерения имеют следующие величины: для этана – 420 мс, пропана – 240 мс, для бутана – 210 мс и пентана – 180 мс. Это видно из рисунка 4.

Вычислительный эксперимент в условиях дневного зондирования лидаром с YAG:Nd лазером для молекул бензола и толуола показывает, что оптимальным по критерию превышения над солнечным фоном является использование в такой системе излучения лазера с длиной волны 266 нм, которая позволяет получить максимальное значение мощности КРС и превышение над фоном для молекул бензола и толуола на расстояниях до 1,7 км, рисунок 5, а использование излучения с длиной волны 355 нм эффективно только на близких расстояниях – примерно до 0,5 км. На длине волны лазерного излучения 266 нм на уровне предельно-допустимых концентраций бензол можно обнаружить на 70 м и толуол - 154 м.

Таким образом, лидар КРС можно использовать для дистанционного измерения концентраций исследуемых молекул в заданных диапазонах расстояний зондирования и концентраций как вариант такой лазерной дистанционной системы Использование атмосферного азота или кислорода в качестве канала для сравнения является оптимальным методом для градуировки лидаров КРС.

При обеспечении такой калибровки лидара учитываются не только сечения КРС, а их отношения к сечениям КРС основных компонентов атмосферы.

Более глубокие исследования метрологических характеристик лидара КРС дают основания сделать вывод о том что систематические погрешности измерений концентраций газовых молекул в атмосфере не превысят 25%.

Исследования метрологических характеристик КРС лидаров позволили так же заключить, что систематические погрешности измерений концентраций газовых молекул в атмосфере не превышают 25%.

В третьей главе рассмотрено численной решение лидарного уравнения для ДПР лазерного зондирования с длиной волны 3,4 мкм. Метод ДПР заключается в использовании двух лазерных пучков, ослабление которых определяется по сигналам рассеяния в направлении 180° излучения: первого в максимуме полосы поглощения исследуемой молекулы, а второго – в крыле линии поглощения исследуемой молекулы. Это дает возможность расчета оптической плотности или отношения мощностей сигналов для выбранных значений концентраций исследуемых молекул и выбранных длин волн в исследуемом диапазоне расстояний зондирования с целью поиска оптимального варианта такой лидарной системы, оптическая схема которой приведена на рисунке 6.

Излучение лазеров 14 и 15 направлялось в атмосферу вдоль оси приемного телескопа. Лидар построен по коаксиальной схеме, когда оба луча имеют параллельные направления и параллельны оси приемного телескопа.

Интенсивность прошедшего сквозь атмосферу излучения на длине волны зондирующего излучения ослаблялось за счет поглощения молекулами и через интерференционный светофильтр 4 направлялось на фотоумножитель 3. Одновременно полупрозрачным зеркалом 5 лазерное излучение через интерференционный светофильтр 2 направлялось на фотоумножитель 1 для измерения его интенсивности. Оно также прошло сквозь толщу атмосферы и служило в качестве опорного сигнала в дифференциальной схеме измерения.

Импульсы напряжений с двух одинаковых фотоприемников 1 и 3 вводились в измерительную систему и записывались в ПК.

Для дистанционного измерения концентраций загрязняющих веществ в газовом потоке проанализируем уравнения лазерного зондирования для ДПР.

Уравнения лазерного зондирования для упруго рассеянного в направлении 180° излучения запишем в виде:

где P(,R) - мощность сигнала обратного рассеяния на фотоприемнике на длине волны L, приходящая с расстояния R; PL ( L) - мощность лазера и его длина волны; K1 - постоянная лидара; A0 - площадь поверхности приемного телескопа; - коэффициент отражения топографической мишени или суммарный коэффициент упругого рассеяния Ми и молекулярного рассеяния Рэлея. Пропускание атмосферы рассчитывается по известным значениям коэффициента ослабления k ( L, R ) согласно закону Ламберта – Бера:

где k (i, R) - коэффициенты ослабления в атмосфере для двух лазерных длин волн: i=0 в максимуме полосы поглощения, i=1 – вне этой полосы. Вся информация о концентрации молекул углеводородов содержится в выражении k( 0,R). Оно определяется формулой:

где первое слагаемое - коэффициент ослабления атмосферы на длине волны лазерного излучения, а второе - произведение концентрации молекул исследуемого вещества на сечение резонансного поглощения этих молекул.

Согласно идее метода ДПР, необходимо взять два лидарных уравнения типа (3) для двух длин волн лазерного излучения 0 и 1, в эти два уравнения (3) подставим формулы коэффициентов пропускания атмосферы (4). А в уравнение типа (3) для 0 подставляем выражение (5). Далее получим частное от деления одного уравнение на другое, которое и является уравнением для общего случая ДПР:

или, вводя оптическую плотность D, перепишем в виде:

Подставляя в выражение (6) соотношения для коэффициентов ослабления для обеих длин волн типа (5), перепишем окончательно уравнение ДПР света в виде:

На основе лабораторного эксперимента ДПР в рамках исследования ИК спектра поглощения диода на молекулах углеводородов, было получено значение интегрального сечения резонансного поглощения молекулами гексана для излучения светодиода на длине волны 3,4 мкм полушириной 0,35 нм 0,567·10-19 см2.

Вычислительный эксперимент лидаром ДПР с полупроводниковыми лазерными излучателями на молекулах углеводородов показывают следующие: для расстояния 10 м диапазон допустимых концентраций молекул углеводородов 1012 - 1016 см-3, а для расстояния 5 км - 108 - 1013 см- для интегрального значения по всей трассе. При рассмотрении вариантов зондирования на расстояния более 5 км, фоновая мощность начинает превышать полезный сигнал.

График зависимости оптической плотность D от значений концентраций N молекул углеводородов на расстояниях 1 и 5 км в логарифмическом масштабе представлен на рисунке 7. На рисунке 8 представлены значения оптической плотности D молекул пентана, т.е. предельных углеводородов, бензола, ксилола и метилмеркаптана от расстояния зондирования R на уровнях их предельно-допустимых концентраций (в логарифмическом масштабе).

Рисунок 7 - График зависимости оптической плотности D от расстояния зондирования R для различных значений концентраций углеводородов (в логарифмическом масштабе) Рисунок 8 - Значения оптической плотности D молекул пентана (у.в.), бензола, ксилола и метилмеркаптана от расстояния зондирования R на уровнях их предельнодопустимых концентраций (в логарифмическом масштабе) Молекулы метилмеркаптана и ксилола на уровнях их ПДК, 1,1·109 и 1,1·1012 см-3 соответственно, можно обнаружить лидаром ДПР по всей трассе зондирования, при концентрации молекул ксилола 1,1·1015см-3, можно обнаружить на расстоянии 600 м от лазерного излучателя в отличие от молекул метилмеркаптана, которые можно обнаружить по все трассе зондирования при концентрациях 1,1·10 – 1,1·1016 см-3. Для молекул пентана с ПДК 8,4·1014, расстояние обнаружение равно 900 м.

Молекулы бензола и толуола на уровнях их ПДК, 1,2·1013 и 3,9·1012 см-3, соответственно, можно обнаружить по все трассе зондирования, при концентрации молекул бензола 1,2·1015 см-3 их можно обнаружить на расстоянии 500 м от лазерного излучателя. В случае лидара ДПР основная погрешность измерения концентрации исследуемых молекул так же будет определяться прозрачностью атмосферы Т на длинах волн зондирования.

В четвертой главе на основе анализа литературных данных установлено, что в настоящее время важнейшей задачей, связанной с обеспечением качества воздушного бассейна, является предотвращение загрязнения атмосферного воздуха за счет прогнозирования и предупреждения аварийных ситуаций в промышленности, регулирования и контроле качества атмосферного воздуха.

Наиболее распространенные сегодня методы контроля и обнаружения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе не удовлетворяют требованиям к системе для предупреждения аварийных ситуаций и контроля качества атмосферного воздуха.

В свою очередь, разработанная лидарная система контроля качества атмосферного воздуха в зависимости от установленных параметров зондирования, может работать методом КРС в одиночном импульсе, в режиме счета фотонов так и методом ДПР, должна обеспечивать непрерывный автоматизированный контроль уровня концентраций молекул углеводородов в контролируемой области пространства промышленного района по заданному алгоритму.

На первом этапе, блок 3, осуществляется анализ и выбор параметров молекул загрязняющих веществ, а именно: определение предельной дальности следования лазерного импульса для покрытия всей области пространства над промышленным предприятием где нам необходимо обнаружить молекулы загрязняющих веществ, ввод и установка параметров зондирования, таких как определение наименования, уровней ПДК и характеристик (табличные данные) интересующих загрязняющих веществ молекул углеводородов, расчет и подбор по лидарному уравнению (1) для выбранных молекул углеводородов оптимальной длины волны лазерного излучения для получения на фотоприемнике такого лидара максимальной мощности КРС молекулами углеводородов в условиях дневного зондирования с требуемой концентрацией. В зависимости от того, какие начальные параметры были введены, подбирается наиболее подходящий метод зондирования молекул углеводородов. По этой причине, на рисунке 9, блоки 3, 4, 5, будут иметь некоторые незначительные отличия.

В заключении приводятся основные результаты работы.

Рисунок 9 - Блок схема алгоритма работы лидарной системы контроля качества атмосферного воздуха промышленного района Основные результаты и выводы.

Основные результаты диссертационной работы можно выразить в следующем:

1. На основе лабораторного эксперимента было получено дифференциальное сечение КРС молекулами изобутана (3,1 ± 0,9)·10-29 см2/ср на длине волны полупроводникового лазерного излучателя 532 нм. Это значение сечения в дальнейшем использовалось для расчета концентрации исследуемых молекул по известной мощности КРС молекулами углеводородов.

2. Разработана процедура компьютерного моделирования лидарного уравнения для КРС исследуемыми молекулами для различных режимов зондирования, в том числе и в режиме счета фотонов. Выполнены численные расчеты мощности КРС для различных концентрации исследуемых молекул углеводородов, по результатам которых был выбран оптимальный вариант такого лидара для зондирования исследуемых молекул в атмосферном воздухе.

3. На основе лабораторного эксперимента ДПР в рамках исследования ИК спектра поглощения диода на молекулах углеводородов, было получено значение интегрального сечения резонансного поглощения молекулами гексана для излучения светодиода на длине волны 3,4 мкм полушириной 0,35 нм 0,567·10-19 см2.

Выполнены вычислительные эксперименты для лидара ДПР в различных экспериментальных условиях и оценены возможности такого лидара для зондирования молекул предельных углеводородов, метилмеркаптана, ксилола, бензола и толуола в атмосферном воздухе в диапазоне расстояний до 5 км и концентраций до уровня единиц на миллиард.

4. На основании этих результатов предложены варианты использования лидара КРС в режиме одиночного импульса и в режиме счета фотонов, лидара ДПР в системе контроля качества атмосферного воздуха и предупреждения аварийных выбросов в атмосферу промышленного района Проанализированы возможности такой системы и разработан алгоритм ее работы. Получено авторское свидетельство на полезную модель «Лидарная система контроля качества атмосферного воздуха».

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ:

Патент:

1. Аблязов Э.К., Шеманин В.Г. Лидарная система контроля качества атмосферного воздух // Патент РФ на полезную модель № 101836, G01N21/61. 2011. Бюл. № 3.

Журналы из списка ВАК:

1. Аблязов Э.К., Шеманин В.Г. Решение лидарного уравнения для контроля углеводородов в атмосфере // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского гос. политех. ун-та. 2009. №2(77). С. 117-121.

2. Ablyazov E.K., Shemanin V. G. The hydrocarbon molecules concentration remote measurement by lidar with the diode lasers // Optical Memory & Neural Networks. 2010. V.19, №2. С. 201-205.

3. Аблязов Э.К., Шеманин В.Г. Мониторинг молекул углеводородов в атмосфере лидаром дифференциального поглощения и рассеяния // Безопасность в техносфере. 2010. Вып. 4. С. 3-6.

Статьи и доклады:

1. Аблязов Э.К., Воронина Э.И., Сапожников Д.Ю., Шеманин В.Г.

Система предупреждения аварийных выбросов углеводородов в атмосферу на основе лидара дифференциального поглощения и рассеивания // Труды международной конференции «Высокие технологии в медицине, биологии и геоэкологии». Новороссийск: Изд –во Вариант, 2007. С. 148-150.

2. Аблязов Э.К., Шеманин В.Г. Лазерный мониторинг молекул углеводородов в атмосфере // Труды 14 Всероссийской научной конференции Студентов-физиков и молодых ученных. Уфа: Изд-во АСФ России, 2008.

С. 334-335.

3. Аблязов Э.К., Гуцол И.В., Рыбалко А.В., Чартий П.В., Шеманин В.Г.

Ветровой аэрозольный лидар // Труды конференции «Лазеры. Измерения.

Информация - 2008». СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008. С. 27.

4. Аблязов Э.К., Гуцол И.В., Рыбалко А.В., Шеманин В.Г. Лидарная система контроля промышленных выбросов углеводородов в атмосферу // Труды 16 международной научной конференции «Лазерно-информационные Технологии в медицине, биологии и геологии». Новороссийск: Изд-во Вариант, 2008. С. 154-155.

5. Аблязов Э.К., Милокумова К.В., Шеманин В.Г. Лидарное зондирование углеродного аэрозоля в воздушном потоке // Труды международной научной конференции «Лазерно-информационные Технологии в медицине, биологии и геологии». Новороссийск: Изд-во Вариант, 2008. С. 159-160.

6. Аблязов Э.К., Шеманин В.Г. Контроль и диагностика молекул ароматических углеводородов лидаром комбинационного рассеивания света.

// Труды Международной научно-технической конференции, «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» Беларусь. 2009. С. 32.

7. Аблязов Э.К., Шеманин В.Г. Зондирование молекул ароматических углеводородов лидаром комбинационного рассеяния света // Труды Всероссийской научной конференции Студентов-физиков и молодых ученных. Кемерово-Томск: Изд-во АСФ России, 2009. С. 346-347.

8. Аблязов Э.К., Шеманин В.Г. Дистанционное измерение концентрации молекул углеводородов лидаром с полупроводниковыми лазерами // Труды конференции «Лазеры. Измерения. Информация – 2009». СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2009. С. 60-61.

9. Аблязов Э.К., Васильев А.О., Klimenok S., Шеманин В.Г. Лидар дифференциального поглощения и рассеяния для лазерного зондирования углеводородов // Труды 17 международной научной конференции «Лазерноинформационные технологии в медицине, биологии и геологии».

Новороссийск.: Изд-во Политехнического института, 2009. С. 133-134.

10. Аблязов Э.К. Зондирование молекул пропана и бутана лидаром комбинационного рассеяния света на полупроводниковых лазерах // Труды всероссийской молодежной школы-семинара с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» программа аннотации докладов. М., 2009. С. 29-30.

11. Аблязов Э.К., Шеманин В.Г. Дистанционное измерение концентрации молекул углеводородов лидаром с полупроводниковыми лазерами // Труды конференции «Лазеры. Измерения. Информация – 2009». СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2009. С. 157-169.

12. Аблязов Э.К., Шеманин В.Г. Дистанционное измерение концентрации молекул углеводородов лидаром с полупроводниковыми лазерами // Труды 16 Всероссийской научной конференции Студентов-физиков и молодых ученных. Волгоград.: Изд-во АСФ России. 2010. С. 321-322.

13. Аблязов Э.К., Двойнишникова О.С., Шеманин В.Г. Зондирование молекул пропана и гексана лидаром дифференциального поглощения и рассеяния // Лазеры. Измерения. Информация. Санкт-Петербург. Изд-во Политехнического университета. 2010. С. 56-57.

14. Аблязов Э. К., Шеманин В. Г. Лидарная система управления качеством атмосферного воздуха // Труды IX международной конференции «Прикладная оптика 2010». Санкт-Петербург, 2010. С. 295-296.

15. Аблязов Э. К., Шеманин В. Г. Лидар дифференциального поглощения и рассеяния для зондирования меркаптанов в атмосфере // Труды международной научной конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геологии». Новороссийск. Изд-во Политехнического института. 2010. С. 135-136.

16. Аблязов Э.К., Шеманин В. Г. Лидар дифференциального поглощения и рассеяния для зондирования меркаптанов в атмосфере // Труды международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация» СанктПетербург 2010. Изд-во Политехнического университета. С. 35-39.

17. Аблязов Э.К., Шеманин В.Г. Зондирование молекул ксилолов и метилмеркаптанов лидаром дифференциального поглощения и рассеяния // Труды 17 всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных. Екатеринбург. Изд-во АСФ России. 2011. С. 294-295.

Подписано в печать 31 октября 2011 г. Формат 6084/ Бумага «Ballet». Печать офсетная усл. печ. л. 1,2.

Отпечатано в Институте прикладной механики УрО РАН