Введение к работе
Актуальность теш
С начала промышленной революции резко возросло использование ископаемых топлив, а такэз производство и применение различных химических веществ. В результате в атмосферу стали выбрасываться во все возрастающих количествах газообразные загрязняющие вещества, которые влияют на естественные физические и химические процессы в природе.
Из газообразных загрязнителей в настоящее время основной интерес представляют окислы азота (N0^,) и углерода (СО и С02), двуокись серы (S0g), метан (СН4) и другие углеводороды, а такаэ продукты их реакций и продукты различных химических производств.
Необходимым условием для понимания процессов загрязнения атмосферы является возможность чувствительного и избирательного детектирования многочисленных следовых компонент. Поэтому в последние десятилетия разработке методов и аппаратуры аналиса газового состава атмосферы уделяется значительное внимание.
Наряду с традиционными методами локального газоанвлиза, такими как газовая хроматография, масс-спектрометрия, методами, основанные на химических и электрохимических эффектах, и 'другими, в последнее Бремя в связи с развитием лазерной техники стали активно развиваться оптические спектроскопические метода дистанционного зондирования атмосферы.
Одним из недостатков современного развития методов и аппаратуры лазерной диагностики атмосферы является то, что в большинстве случаев реализованные лазерные устройства из-за ограниченного набора частот зондирования позволяют одновременно измерять концентрации лишь одной-двух компонент атмосфера. Зго существенно ограничивает круг решаемых с их помощью экологических задач. Поэтому создание многофункциональных газоанализаторов на основе лазерных источников с непрерывной перестройкой частоты, способных дистанционно и оперативно определять концентрации различных малых газовых составляющих атмосферы на фоновом уровне и концентрации загрязняющих примесей атмосферы на уровне (или лучше) предельно допустимых концентраций (0,1 4 5 ррт) является весьма актуальной проблемой.
.Основная цель диссертационной работы - теоретическое и экспериментальное исследование проблем, возникающих в задачах дистанционной лазерной диагностики многокомпонентных газовых загрязнителей атмосферы методом абсорбционной ИК спектроскопии с помощью лазерных источников с непрерывной перестройкой частоты.
Конкретные задачи, поставленные и решенные в диссертации:
-
Разработка алгоритмов и анализ ошибок определения концентруєш газовых компонент атмосферы из данных лазерного зондирования с учетом конечной спектральной ширины линии зондирующего излучения;
-
Оптимизация спектральных параметров зондирующего излучения для диагностики ряда приоритетных загрязнителей атмосферы;
-
Разработка и исследование характеристик газоанализатора на основе нелинейно-оптических преобразователей частоты, непрерывно перестраиваемого в 3-х микронной области спектра;
-
Создание экспериментального и уточнение существующего рассчетного атласа спектроскопических данных поглощения ряда компонент и загрязняющих примесей атмосферы;
Б. Проведение натурных экспериментов го зондированию атмосферы. Использование разработанных алгоритмов для обработки результатов зондирования.
Научная новизна:
-
Разработан конкретный алгоритм анализа многокомпонентных газовых смесей с перекрывающимися полосами поглощения, ос-, нованный на' сравнении экспериментально измеренных и рассчитанных коэффициентов пропускания смеси на выбранных частотах зондирования при учете конечноГ: спектральной ширины линии зонда-' рующего излучения.
-
Определены критерии и проведен выбор оптимальных длин волн зондирования ряда компонент атмосферы с целью получения максимальной точности определения концентраций из данных лазерного зондирования.
-
На основе экспериментально измеренных спектров пропускания атмосферы уточнены интенсивности ряда линий поглощения молекул воды в области 0,9 + 1,0 мкм и в области 2,5 +' 4,5 мкм.
-
Получено приближенное'аналитическое выражение, описыва-
ощее зависимость пропускания от концентрации поглощающей приме-;и в случае зондирования атмосферы излучением конечной спектральной ширины, и позволяющее проводить оперативную обработку эезультатов зондирования.
5. Получена аналитическая модель для коэффициента обратного рассеяния атмосферного аэрозоля, позволяющая в совокупности з аналитическим выражением для коэффициента объемного ослабления учесть зависимость лидарного отношения от параметров аэрозоля и, таким образом, существенно повисить точность опрэделе-шя микрофизических параметров аэрозоля.
Практическая ценность проведенных исследований заключается з том, что
1. Для метода лазерной абсорбционной спектроскопии в 3-х
дасронном окне прозрачности атмосферы при использовании пере
страиваемого по частоте излучения с коночной шириной линии оп
тимизированы и конкретизированы:
а) частоты зондирующего- излучения для диагностики ряда
газовых составляющих атмосфера (Н20, СНД, Н2СО, С02, N20, N0,,
502, НС1, ІЇВг, С3Н8, Ш3, cyt,. ацетон, толуол, ксилол),
б) пределы обнаружения указанных газов,
в) необходимые спектральные и мощностные характеристики
лазерной аппаратуры зондирования.
-
Разработан пакет програш для оперативной обработки результатов дастанционного зондирования молекулярных составляющих атмосферы.
-
В качестве источников зондирующего излучения лазерного зпектрометра исследованы характеристики различных источников, іепрернвно перестраиваемых по частоте в Ж области спектра: іараметрического генератора света на кристалле Ba2NaHb5015, яазера на кристалле L1F с F* центрами окраски и генератора раз-їостной частоты на кристалле КТР, Определены области их эффек-гивного использования для диагностики атмосферы.
-
Экспериментально показано, что кристалл КТР может быть эффективно использован не только в качестве удвоителя частоты эсновного излучения АИГ лазера, но и в качестве генератора раз-юстной частоты для получения излучения трехмикронного диапазо-
на и в качестве генератора суммарной частоты для преобразования ИК излучения в видимую, область спектра. Определены константы уравнений Селмейера для вычисления показателей преломления кристалла КТР во всей области его прозрачности 0,35 * 4,5 мкм и рассчитаны угловые перестроечные характеристики для различных типов трехчастотных взаимодействий.
-
При активном участии автора настоящей диссертации разработан и. создан макет лазерного трассового газоанализатора атмосферы на основе импульсного лазера на АИГ, лазера на красителе и нелинейно-оптических преобразователей частоты на кристалле КТР.
-
Рядом модельных и натурных испытаний в реальной атмосфере подтверждена возможность эффективного использования разработанного газоанализатора для диагностики атмосферы.
Защищаемые положения:
-
Метод лазерной абсорбционной спектроскопии при использовании непрерывно перестраиваемого по частоте излучения с шириной линии 0,1 см-1 позволяет определять концентрации ряда газовых составляющих атмосферы (Н20, СН4, Н2С0, С02, N20, N02, НС1, НВг, С3На, NH3, CgHg. ацетон,, толуол, ксилол) на километровых трассах на уровно предельно допустимых концентраций (или лучше).
-
Разработанный алгоритм анализа многокомпонентных газовых смесей лазерными источниками с непрерывной перестройкой частоты позволяет проводить оперативное зондирование' и определять концентрации исследуемых газов непосредственно в процессе диагностики в режиме реального времени.
-
Разработаный и созданный макет лазерного трассового газоанализатора атмосферы на основе импульсного лазера на АИГ, лазера на красителе и нелинейно-оптических преобразователей частоты, плавно перестраиваемого по частоте в ближней и средней ИК областях спектра, можно эффективно использовать для газоанализа атмосферы.
-
Измерение спектров пропускания атмосферы с помощью разработанного . газоанализатора позволило получить новую спектроскопическую информацию об интенсивностях ряда линий поглощения
водяного naps в полосах vt, v3 и в области составных колебаний. 5. Использование аналитических моделей для коэффициентов обратного рассеяния и объемного ослабления атмосферного аэрозоля позволяет оперативно определять его микрофязическпе параметры по данным многочастотного зондирования.
Апробация работы и публикации
Результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на XII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптико (Москва, 1985), Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1987), XIII Мозду-народной конференции го когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1983), XIV Мевдународной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), 4-й Мевдународной конференции "Лазеры в науках о казни" (Финляндия, 1992), семинаре Московского инженерно-физического института, семинаре Института глобального климата и экологии Росгидромета РАН (Москва), семинаре кафедры ОФ и ВП МТУ им. М.В.Ломоносова.
Основные результаты диссертации изложены з 20 публикациях, список которых приводен в конце автореферата.
Личный вклад соискателя Результаты, представленные в диссертащш, получены лично соискателем или в соавторстве при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертащш Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы, содержание диссертации из-локено на 120 страницах машинописного текста и иллюстрировано 45 рисунками. Список литературы включает '128 наименований.
