Разработка дистанционных оптических методов определения характеристик термодинамически неоднородной газовой среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Антипин, Михаил Евгеньевич

• Антипин, Михаил Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Антипин, Михаил Евгеньевич

Введение

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ОПТИЧЕСКИХ ДИСТАНЦИОННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК НЕОДНОРОДНЫХ ГАЗОВЫХ СРЕД И ФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВ ИХ

ПРИМЕНЕНИЙ

1.1. Современное состояние оптических дистанционных методов исследования характеристик термодинамически неоднородных газовых сред

1.1.1. Обратные задачи оптики газовых сред

1.1.2. Классификация методов

1.1.3. Физические основы применения методов определения состава газовых сред

1.1.4. Особенности некоторых вариантов математического аппарата для решения задачи исследования газового состава

1.1.5. Методика оценки погрешностей методов

1.1.6. Методика оценки информативности измерений

1.2. Методика расчета пропускания газовой среды

1.3. Используемые программные комплексы

1.3.1. Программный комплекс по расчету параметров спектральных линий «HOTGAS»

1.3.2. Программный комплекс по расчету функции пропускания атмосферы «ОРТАТМ»

1.3.3. Программный комплекс по расчету равновесного теплового излучения нагретых газовых сред «RADTEMP» 47 Выводы главы

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА СТАТИСТИЧЕСКИХ МОМЕНТОВ В ЗАДАЧЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННОГО ПОЛЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ

НЕОДНОРОДНОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

2.1. Метод восстановления параметров концентрационного поля по спектральной картине пропускания газовой среды.

2.2. Метод наименьших квадратов, адаптированный для решения системы уравнений относительно моментов

2.3. Моделирование пропускания лазерного излучения атмосферой 59 2.3.1. Аппроксимация высотной зависимости коэффициентов поглощения полиномами

2.4. Восстановление параметров высотных профилей концентраций атмосферных газов

2.4.1. Представление высотных профилей концентраций атмосферных газов известными функциями по найденным моментам

2.4.2. Влияние ошибки в измеряемом спектре прозрачности газовой среды на значения восстанавливаемых моментов

Выводы главы

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ГАЗОВ В ТЕМПЕРАТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ

3.1. Физическая основа оценки общего содержания молекулярных газов в температурно-неоднородных газовых средах

3.2. Формальная основа оценки общего содержания компонентов в температурно-неоднородных газовых средах

3.2.1. Влияние экспериментальных погрешностей на оценку общего содержания компонентов температурно-неоднородной газовой среды

3.3. Выбор аппаратной функции для оценки общего содержания СО в температурно-неоднородных средах

3.4. Концентрационная зависимость эффективного коэффициента поглощения СО

3.5. Вычислительный эксперимент по восстановлению общего содержания СО в температурно-неоднородных средах

3.6. Оценка средней температуры при которой находится исследуемая компонента

Выводы главы

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ПО

ДАННЫМ ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

4.1. Расчет равновесного теплового излучения газовой среды 93 4.1.1. Моделирование пирометрических измерений

4.2. Моделирование спектрального излучения неоднородной нчагретой газовой среды

4.3. О возможности оценки температуры газовой среды пирометрическими методами

4.3.1. Оптически толстый слой

4.3.2. Оптически тонкий слой

4.3.3. Оценка кинетической температуры газового объема в случае известного общего содержания излучающего газа 104 4.3.3. Оценка кинетической температуры газового объема в случае неопределенного содержания излучающего газа

Выводы главы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка дистанционных оптических методов определения характеристик термодинамически неоднородной газовой среды»

Примерами термодинамически неоднородных газовых сред являются: атмосфера, как в своей вертикальной структуре, так и вдоль горизонтальных трасс, выбросы промышленных предприятий, факелы реактивных двигателей, области вблизи нагретых объектов и пожаров, и т. п. Интерес к исследованию их газового состава неслучаен. Изменения газового состава атмосферы Земли, обусловленные антропогенными факторами, приводят к различным экологическим последствиям. Рост содержания парниковых газов (С02, метан и др.) изменяет радиационные свойства атмосферы и, как следствие, приводит к изменению климата планеты [1]. Увеличение содержания фреонов и ряда других малых газовых составляющих атмосферы вызывает снижение концентрации стратосферного озона, что приводит к увеличению уровня жесткой ультрафиолетовой радиации, достигающей поверхности Земли. Наряду с этим замечен рост концентрации тропосферного озона, являющегося сильным окислителем. Исследование характеристик газового состава атмосферы является одной из центральных задач современной физики и химии атмосферы. Анализ термодинамических характеристик и химического состава газообразных продуктов горения углеводородов также важен для мониторинга и разработки средств управления процессом. Из всех способов определения концентраций газов наиболее привлекательны оптические дистанционные методы.

Анализ литературных данных по оптическим методам дистанционных исследований состава и термодинамических характеристик газовых сред позволяет сделать следующие выводы:

1. В настоящее время разработаны оптические методы исследования газового состава сред, включающие в себя разнообразные по используемому спектральному диапазону, источнику поля излучения, задаваемой модели среды, методам разделения сигнала и обращения данных подходы к анализу концентрационных полей неоднородных газовых сред. Это позволяет говорить о возможности комплексного использования различных методов для взаимного контроля полученных данных и извлечения дополнительной информации об исследуемом объекте.

2. Задачи восстановления газового состава обладают некорректностью в классическом смысле и требуют использования априорной информации и регуляризирующего алгоритма, критерием возможности использования которых на сегодняшний день выступает вычислительный эксперимент, проводимый по замкнутой схеме.

3. Все существующие методы восстановления концентрационных полей опираются на термодинамическую модель газовой среды. В связи с этим большое внимание уделяется созданию методов дистанционного измерения термодинамических характеристик среды.

4. Все существующие алгоритмы обращения данных рассматриваемых методов используют численные методы восстановления, что налагает требования оценки устойчивости и дополнительно возникающих погрешностей дискретизации.

5. Современные тенденции развития рассматриваемых методов связаны с созданием аппаратуры высокого спектрального разрешения, прецизионными измерениями оптических характеристик взаимодействия молекул с полем излучения, совершенствованием физических основ дистанционных измерений, и, в частности, разработкой методов расчета характеристик взаимодействия излучения с молекулярной газовой средой, адекватно описывающих экспериментальные данные, и разработкой новых алгоритмов обращения данных, направленных на все большую детализацию восстанавливаемой пространственной структуры концентрационного поля и минимизацию влияния закладываемой модели среды.

Все вышесказанное свидетельствует об актуальности разработки новых алгоритмов обращения данных оптических дистанционных измерений характеристик газовых сред.

Основная цель исследования разработка новых подходов к восстановлению термодинамических параметров и пространственного распределения концентрации неоднородной v газовой среды по измеренным спектральным зависимостям характеристик ее взаимодействия с оптическим излучением.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать новый математический аппарат обращения данных измерений спектральной зависимости прозрачности неоднородной газовой среды, базирующийся на особенностях пространственного распределения концентраций отдельных газовых компонент.

2. Разработать логическую, функциональную схемы и реализовать их в виде алгоритмов и программ для ЭВМ для следующих задач: модели пирометрических измерений; методики расчетов коэффициентов поглощения и излучательной способности газовых сред,; предложенного метода обработки и интерпретации экспериментальных данных.

3. Проанализировать влияние на результаты моделирования следующих параметров задачи: аппаратной функции измерительного устройства; отклонений в задании исходной информации; вариаций задаваемых моделей сред; различных вариантов методов численного решения.

4. Предложить методы определения температуры нагретой газовой среды по данным пирометрических измерений для различных диапазонов оптической толщи, и, следовательно, концентраций молекул.

Методы исследования.

В качестве основных методов исследования выбраны метод математического моделирования и вычислительный эксперимент, проводимый по замкнутой схеме, опирающиеся на: математический аппарат статистических моментов; прямой метод роасчета прозрачности неоднородной газовой среды по стратифицированной модели; аппроксимационные методы; метод наименьших квадратов в двух вариантах (нормальные уравнения и ортогонализация Грама - Шмидта); метод Гаусса для решения систем линейных уравнений и метод дихотомии.

Защищаемые положения:

1. Восстановление начальных моментов пространственного распределения концентрации компоненты термодинамически неоднородной газовой среды при обработке данных прозрачности в спектральном интервале, содержащем центры линий поглощения только этого газа, можно осуществить путем аппроксимации полиномом зависимости коэффициента поглощения этой компоненты от пространственной переменной. Подстановка этой аппроксимации в интегральное уравнение для оптической толщи преобразует это уравнение в систему линейных алгебраических уравнений относительно искомых моментов.

2. В температурно-неоднородных газовых средах для молекулярной малоатомной компоненты в пределах изолированной полосы поглощения возможно ослабление температурной зависимости эффективного коэффициента поглощения при регистрации прибором с аппаратной функцией с центром в точке локального минимума температурной зависимости поглощения за счет частичной компенсации различных по знаку изменений интенсивностей линий поглощения вблизи центра и на краю полосы для оптически тонкого слоя между линиями поглощения и оптически толстого слоя в их центрах. В частности, в неоднородных средах с изменением температуры в пределах 400 -1400 К, эффективный коэффициент поглощения угарного газа, полученный прибором с дисперсионной аппаратной функцией с центром 2189 см"1 и полушириной 12 см"1 не зависит от температуры (с точностью до 5%) и является монотонной функцией от общего содержания угарного газа в пределах изменения 0.05 - 20 атм-см (STP), что позволяет при наличии данных об ослаблении излучения другими факторами (т0) по результату измерения прозрачности среды прибором с вышеуказанной аппаратной функцией оценить общее содержание СО с относительной ошибкой Асо, связанной с погрешностью измерений прозрачности А соотношением А =Т° + А.

3. Определение кинетической температуры в газовой среды пирометрическими методами может осуществляться по монотонно зависящей от 9 линейной комбинации радиационных температур, измеренных вблизи центра фундаментальной полосы поглощения СО и на ее крыле, коэффициенты которой зависят от выбора аппаратной функции измерительного устройства и остаются постоянными при изменении концентрации излучающих молекул в широких пределах. В частности, для угарного газа при температурах 300 - 1400 К коэффициенты остаются постоянными при изменении содержания СО в пределах трех порядков. Достоверность:

• расчетов коэффициентов поглощения и прозрачности атмосферы подтверждается сравнением параметров спектральных линий и исследуемых величин с экспериментальными данными и применением прямого метода расчета;

• моделирования пирометрических измерений подтверждается совпадением результатов расчетов в случаях оптически тонкого слоя и больших оптических толщ с теоретическими асимптотическими зависимостями;

• функционирования используемых программных комплексов подтверждается многократным тестированием их в других задачах.

Научная новизна:

• Предложен метод поиска особых точек пространственного распределения концентрации компоненты газовой среды, базирующийся на математическом аппарате статистических моментов, что дает возможность дистанционного определения и интерпретации характеристик пространственных профилей концентраций газов термодинамически неоднородной газовой среды, являющийся альтернативой существующих методов.

• Показана возможность определения общего содержания компонентов температурно-неоднородной газовой среды по измерениям ее прозрачности, основанная на компенсации температурной зависимости коэффициента поглощения в максимуме и на крыле полосы поглощения выбором аппаратной функции измерительного устройства.

• Разработан способ дистанционного измерения средней температуры нагретой газовой среды методами пирометрии. Предлагаемая схема опирается на выявление спектральных интервалов с минимальным и максимальным значениями температур, и показано, что линейная комбинация соответствующих радиационных температур однозначно связана с кинетической температурой и сохраняет свое поведение в широком диапазоне общего содержания излучающих молекул.

• Создан не имеющий аналогов программный комплекс по моделированию пирометрических измерений излучения газовой среды и проведены расчеты излучательной способности нагретой (300-3000 К) газовой среды.

Научная ценность:

• Применение аппроксимации полиномом ядра интегрального уравнения Фредгольма 1 рода, являющегося математической основой формулировки многих обратных задач оптики газовых сред, позволяет записать его в виде линейной комбинации начальных моментов целевой функции, что, при наличии набора значений правой части дает возможность сфор-мировать систему линейных алгебраических уравнений относительно указанных величин.

• Выбор аппаратной функции регистрирующего устройства позволяет минимизировать температурную зависимость коэффициента поглощения посредством компенсации изменений коэффициентов поглощения вблизи центра и на крыле полосы.

• Предложен дистанционный метод определения кинетической температуры газовой среды, базирующийся на интерпретации стандартных пирометрических измерений;

• Разработанный программный комплекс RADTEMP позволяет предсказать спектральную излучательную способность газовой смеси СО, С02, Н20 в диапазоне температур 300-3000 К с точностью в пределах погрешностей экспериментов.

Практическая значимость:

- Применение алгоритма (положение 1) к спектру прозрачности атмосферы по вертикальной трассе, регистрируемого с относительной ошибкой не более 3% прибором разрешающим не менее 20 спектральных точек в пределах характерной ширины линии поглощения и возможностью сканирования по спектральному отрезку, содержащему центры линий одного из основных атмосферных газов, позволяет восстановить с отклонениями не выше 10% следующие характеристики высотного распределения концентрации этого газа:

• общее содержание в толще атмосферы;

• высоту, выше и ниже которой содержания исследуемой компоненты равны;

• ширину высотного профиля.

- Измерение прозрачности температурно-неоднородных газовых сред прибором с конкретной аппаратной функцией (положение 2) может быть использовано для оперативного контроля содержания угарного газа.

- Использование разности радиационных температур (положение 3), измеренных вблизи центра полосы поглощения и на ее крыле позволяет в ряде практически важных случаев оценить кинетическую температуру газовой среды без измерения концентрации излучающих молекул.

Содержание диссертации отражает личный вклад автора в опубликованных работах. Они выполнены в соавторстве с научным руководителем Войцеховской О. К. В работе использованы программные комплексы ОРТАТМ и HOTGAS, разработанные совместно с Шатровым Ф. Г. и Шелудяковым Т. Ю. соответственно.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, обсуждались на следующих конференциях: 1) Международная конференция «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», Томск, 22 - 26 сентября 1997; 2) международная конференция по сопряженным задачам механики и экологии, Томск, 6-10 июля 1998 г.; 3Международная конференция «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул», Томск, сентября 1999 г.; 4) 1-я школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии», Томск, 1-3 февраля 2000 г.; 5) научная конференция "Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии природно-территориальных комплексов Западной Сибири". - Горно-Алтайск, 27-30 июня 2000г.; 6) международная конференция «Сопряженные задачи механики и экологии», Томск, 4-9 июля 2000 г.; 7) VII международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана», Томск, 16 - 19 июля 2000 г.; 8) 2-я школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии», Томск, 5-7 февраля 2001 г.

Содержание диссертационной работы. Диссертация изложена на 121 странице, содержит 36 рисунков и 6 таблиц, и состоит из введения, четырех глав, заключения, и списка используемой литературы и работ соискателя из 87 наименований.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Антипин, Михаил Евгеньевич

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 3.

1. Теоретически обоснована возможность минимизации температурной зависимости поглощения малоатомными молекулярными компонентами специальным выбором аппаратной функции с центром в окрестности нелокальной точки пересечения спектральных зависимостей коэффициентов поглощения при различных температурах в случае оптически тонкого слоя, реализующегося вне линий поглощения и оптически толстого слоя в центрах линий поглощения.

2. Произведен выбор аппаратной функции, минимизирующей температурную зависимость эффективного коэффициента поглощения СО в динамическом диапазоне 400 - 1400 К. Выбрана дисперсионная аппаратная функция с центром 2189 см"1 и полушириной 12 см"1.

3. Предложена номограмма определения общего содержания угарного газа в температурно-неоднородных средах по измерениям прозрачности с указанной аппаратной функцией.

4. Выполнен вычислительный эксперимент по восстановлению общего содержания СО в температурно-неоднородных средах, показавший, что предложенная методика может использоваться для контроля концентрации угарного газа вдоль трассы с общим содержанием СО 0.05 - 20 атм-см в указанном температурном диапазоне, с отклонениями не более 10%.

5. Предложен способ оценки средней температуры, при которой находится поглощающий газ вдоль оптической трассы.

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ПО ДАННЫМ ПИРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

В главе предложена оригинальная методика измерения кинетической температуры нагретого газового объема по данным пирометрических измерений его собственного теплового излучения без измерения концентрации излучающего газа, основанная на сравнении радиационных температур, измеренных на крыле и вблизи центра колебательно-вращательной полосы поглощения. Следует отметить, что специфика газовой среды, в общем случае, не позволяет использовать результаты пирометрических измерений в качестве оценки кинетической температуры, поскольку коэффициенты поглощения невелики и могут меняться при незначительном изменении частоты на несколько порядков. Для газовых сред невозможно ввести коэффициент серости. В инженерных методиках решение обратных задач, связанных с изучением характеристик нагретых газов базируется на феноменологических подходах, когда экспериментальные данные по характеристикам излучения различных объектов в атмосфере аппроксимируются простыми полиномиальными (или иными, например, функцией Планка) соотношениями, коэффициенты которых определяются методами минимизации [81]. Такой подход не позволяет исследовать физическую картину процессов, происходящих в излучающей газовой среде и не дает оснований для решения обратной задачи по контролю за составом и термодинамикой среды [82,83]. В данном подходе вычисление излучательной способности газов осуществляется по точной методологии прямых расчетов (line by line).

4.1. РАСЧЕТ РАВНОВЕСНОГО ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

Расчет излучательной способности газовой среды может быть осуществлен по формуле, являющейся прямым следствием законов Кирхгофа и Бугера -Ламберта: e(v)= $B(v,e{l))a(v,l)exp\- \a(v,l)dl [dl

4.1.1) где v - спектральная координата, / - текущая точка оптической трассы луча, В(у,6) - функция Планка, 0 - кинетическая температура, a(v,l) - коэффициент поглощения, зависимость которого от I обусловлена изменением вдоль трассы как концентраций излучающих газов, так и термодинамических параметров.

Заметим, что d dl exp<j- |a{vj)dT -a(v,/)exp< - ja(v, T)dT dl.

4.1.2)

Это дает возможность взять интеграл в (2.2.1) по частям:

LrdB(v,0(l)) Г ' e(v) = B(v,0(O))-B(v,9(L))T+ldl exp \-\a(vj)dT\ (4.1.3) о1*" L о где Г - пропускание среды. В случае однородной газовой субстанции dB(v,0(l)) dl 0, и формула (4.1.1) переходит в закон Кирхгофа.

Для численного моделирования процессов излучения целесообразно использовать стратифицированную модель среды в виде N однородных слоев. Для этого случая dB(v,6(l)) n-1 dl I,{B(v,eM)-B(vAM-h)>

4.1.4) к=1 где 6к - температура к -того слоя, 1к - его граница, - функция Дирака, и формула (4.1.1) приобретает вид: n ety) = 2 B(v, е{ )(1 - Tt (у) (4.1.5) i=l i<i где Ti (v) = ехр(- ai Al{) - прозрачность i -того слоя в спектральной точке v.

Имеется также возможность сделать более тонкую аппроксимацию температурно неоднородных сред путем представления их в виде слоев с линейно меняющейся температурой:

0(1) = вк 9к~1 l = P + Ql,le [lkx, lk ]

U-i

4.1.6) к-1

В этом случае можно аппроксимировать Q IQ

А/ (4.1.7)

Тогда выражение для спектральной излучательной способности принимает вид:

Использование приемника излучения предполагает осреднение по спектральной координате с некоторой аппаратной функцией A(v,v'). При пирометрических исследованиях излучающих объектов измеряемыми величинами являются эквивалентные температуры, получаемые сравнением одной из характеристик излучения с аналогичной характеристикой излучения АЧТ, например энергия излучения. Соответствующая эквивалентная температура вк называется радиационной и может быть найдена из решения следующего нелинейного уравнения: где пределы интегрирования определяются областью ненулевых значений аппаратной функции.

В качестве параметров среды в слоях задаются температура, концентрации газов и длина оптической трассы. Ограничением на интервал температур является требование, чтобы используемая база данных по параметрам спектральных линий была сконструирована в том же интервале температур. Предельной концентрацией газа является одна атмосфера. Длина пути любая. e(v) = B(v, 0q ) - B(v, 6>o + cL)expj - ja(v, l)dl\ + 0

4.1.8)

4.1.1.Моделирование пирометрических измерений

4.1.9)

1600-1 я 1400Н

CL I

О.1200Н Ф с 1000 о: го i 800 о s =г g 600 сС го Q.

400 гггр 1

Концентрация СО 0.05 атм

I ill

10 100 1000 Длина излучающего слоя, см

Рис. 4.2.1. Зависимость регистрируемой радиационной температуры от общего содержания СО. Штриховая линия - кинетическая температура слоя.

4.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НЕОДНОРОДНОЙ НАГРЕТОЙ

ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

Моделирование спектра теплового излучения нагретой газовой среды проводилось с целью изучения влияния полуширины и формы аппаратной функции приемного устройства, газового состава смеси, наличия температурных неоднородностей на результаты пирометрических измерений и выявления возможностей определения физических параметров среды по спектральным измерениям ее излучательной способности.

Излучательная способность сред моделировалась программным комплексом RADTEMP. Рассматривалась среды, представляющие собой смеси газов СО, С02 и Н20 в различных соотношениях концентраций и при различных температурах [84-86]. В расчетах использовались общепринятые допущения (диффузность излучения и наличие локального термодинамического равновесия). Проведенные расчеты позволяют выявить наиболее важные факторы, влияющие на достоверность вычислений излучательной способности газового объема (ширина и контур излучения, геометрии трассы, спектрального разрешения, температурного распределения и т.д.) и оценить адекватность экспериментальным значениям результатов расчета излучательных характеристик газовой фазы факела [65-67].

Возможность регистрации излучения газообразных продуктов сгорания углеводородов при его распространении в атмосфере Земли оценивалась в [87].

Как и ожидалось, столь многопараметрическая задача трудноразрешима относительно получения однозначных пространственных распределений концентраций газов. Определяющей в нашей схеме оказалась оптическая толща, являющаяся произведением концентрации газа на длину пути. На рис. 4.1. показана на примере СО зависимость радиационной температуры от значения оптической толщи - при больших значениях последней слой излучает как абсолютно черное тело (АЧТ) (на рис. 4.1. это величина 50 атм.см), что и следовало ожидать.

Анализ роли аппаратной функции, в данном случае определяемой спектральными характеристиками приемного устройства, при определении радиационной температуры проиллюстрирован на рис. 4.2.2.-4.2.3. Как следует из рис. 4.2.4, профиль радиационной температуры обнаруживает полную корреляцию со спектральной картиной коэффициента поглощения СО приведенной на рис. 3.1.2, 3.3.1, 3.3.2. Очевидно, для анализа с целью получения информации о физических параметрах среды лучше использовать данные, измеренные прибором с меньшей шириной аппаратной функции, поскольку это приводит к большей детализации спектра измеряемых радиационных температур.

Из рис. 4.2.3. следует, что наиболее близкие к термодинамической температуре слоя значения радиационной температуры получаются при прочих равных условиях при треугольной форме спектральной зависимости чувствительности регистрирующего устройства, что соответствует наиболее используемой в реальных экспериментах форме. В данном случае это связано с

98 тем, что центр аппаратной функции был выбран в максимуме поглощения СО, и при усреднении треугольной функцией этот участок входил с максимальными весами. Опираясь на эту же зависимость, можно сказать, что для пирометрических измерений газовых сред не имеет смысла использовать приборы с шириной аппаратной функции, превышающей ширину полосы поглощения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен анализ существующих оптических методов определения характеристик неоднородных газовых сред, позволяющий говорить о необходимости разработки новых алгоритмов обращения данных дистанционных измерений с целью повышения устойчивости решения к заданию модели среды и погрешностям в экспериментальных данных.

2. Разработан метод определения характеристик одномерного концентрационного поля неоднородной газовой среды по данным измерений спектра ее прозрачности:

- предложен алгоритм обработки данных, основанный на математическом аппарате статистических моментов;

- модифицирован алгоритм метода наименьших квадратов для применения к анализу спектра оптической толщи, нелинейно связанной с измеряемой функцией пропускания;

- проведен вычислительный эксперимент на примере определения характеристик высотных профилей концентраций атмосферных газов, подтвердивший применимость предложенного метода к анализу высотной структуры содержания газов в атмосфере;

- анализ влияния ошибок в задании экспериментальных данных свидетельствует о повышенной устойчивости предложенного алгоритма обращения данных.

3. Предложен способ дистанционного определения концентраций молекулярных газов в температурно-неоднородных газовых средах по измерению прозрачности на участках с минимальной температурной зависимостью коэффициента поглощения:

- теоретически обоснована возможность минимизации температурной зависимости поглощения малоатомными молекулярными компонентами специальным выбором аппаратной функции с центром в окрестности нелокальной точки пересечения спектральных зависимостей коэффициентов поглощения при различных температурах в случае оптически тонкого слоя, реализующегося вне линий поглощения и оптически толстого слоя в центрах линий поглощения;

- показана возможность определения in situ концентрации угарного газа в температурно-неоднородной среде, основанная на выборе аппаратной функции, компенсирующей различную температурную зависимость коэффициента поглощения вблизи центра фундаментальной полосы и на ее краю;

- предложена номограмма, связывающая логарифм прозрачности среды с искомой концентрацией угарного газа;

- проведен вычислительный эксперимент подтверждающий возможность восстановления концентрации СО с точностью до 10 % в средах с изменением температур в пределах 400 - 1400 К и содержанием угарного газа от 0.05 до 20 атм-см (STP);

- предложен способ оценки средней температуры, при которой находится поглощающий газ вдоль оптической трассы.

4. Рассмотрена концентрационная зависимость регистрируемой пирометром радиационной температуры нагретого газового объема. Предложен пирометрический способ определения температуры нагретой газовой среды по ее спектральному излучению в случае неопределенной концентрации излучающего газа, основанный на сравнении радиационных температур в максимуме полосы поглощения и на ее крыле.

5. Созданы концептуальная, логическая и функциональная схемы моделирования пирометрических измерений собственного теплового излучения нагретой газовой среды, реализованные в программном комплексе RADTEMP. Проанализировано влияние возможных факторов (центра, ширины и формы аппаратной функции, наличия температурных неоднородностей, диапазона изменения концентрации) на регистрируемую

Ill излучательную способность газового объема, для оптимизации эксперимента по определению термодинамических характеристик неоднородных газовых сред. В главу 2 вошли исследования, выполненные по соглашению с Национальным космическим агентством Японии по исследованию космического пространства (NASDA), проект №1110 «Создание информационно-поисковой системы для анализа ослабления излучения С02-лазера атмосферными газами» (1994-2000 г.), а также поддержанные грантом Регионального конкурса РФФИ "Р 98 Сибирь (Томская область, Республика Алтай)" (рег.№ 98-01-03003), и опубликованы в [13, 14, 62, 68-70]

В главу 3 вошли материалы, выполненные по программе "Университеты России - фундаментальные исследования" (грант per. № 990695), и опубликованные в [63, 75].

В главу 4 вошли исследования, поддержанные программой "Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию" (грант рег.№ 08.01.09), и опубликованные в [63-67]

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Антипин, Михаил Евгеньевич, 2001 год

1. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Метеорологическое зондирование атмосферы из космоса.- Л.: Гидрометеоиздат, 1978.

2. Мироненков А.В., Поберовский А.В., Тимофеев Ю.М. Методика интерпретации инфракрасных спектров прямой солнечной радиации для определения общего содержания атмосферных газов. //Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1996, 32, №2, с. 207-215.

3. Пугачев Н.С., Дианов-Клоков В.И., Доронина Т.Н. Измерение спектроскопическим методом содержания СОг во всей толще атмосферы над Звенигородом (1983-1984 гг.) //Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1985, 21, №7, с. 784-787.

4. Chang Y.S., Shaw J.H., Calvert J.G., Uselman W.M. Determination of abundances of gases from solar spectra // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1978, 19, №6, c. 599-605.

5. Fukunishi H., Okano S., Taguchi M., Ohnuma T. Laser heterodyne spectrometer using a liquid nitrogen cooled tunable diode laser for remote measurements of atmospheric 03 and N20 // Appl. opt. 1990, 29, № 18, c. 2722-2728.

6. Еланский Н.Ф., Митин И.В., Постыляков O.B. Исследование предельных возможностей повышения точности измерения вертикального распределения озона с помощью спектрофотометра Брюера //Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1999, 35, №1, с. 73-85.

7. Liu X., Murcray F.J., Murcray D.G., Russel J.M. Comparison of HF and HC1 vertical profiles from ground-based high-resolution infrared solar spectra with Halogen Occultation Experiment observations // Journal of Geophys. Res., 101, № D6, c. 10175-10181.

8. Okano S., Taguchi M., Fukunishi H. Stratospheric ozone measurements with tunable diode laser heterodyne spectrometer // Geophys. Res. Let. 1989, 16, № 6, c. 551-554.

9. Taguchi M., Okano S., Fukunishi H. Remote sounding of vertical profiles of atmospheric ozone and nitrous oxide with a tunable diode laser heterodyne spectrometer// Journal of Meteorological Society of Japan. 1990, № 2, c. 79-91.

10. Hamdouni A., Barbe A., Demoulin P., Zander R., Retreival of ozone vertical column amounts from ground-based high resolution infrared solar spectra // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1997, 57, № 1, c. 11-22

11. Тимофеев Ю.М., Розанов B.B., Поберовский A.B., Поляков А.В. Многоспектральный метод определения вертикальных профилей содержания Оз, N02 и аэрозольного ослабления радиации в атмосфере // Метеорология и гидрология, 1986, № 8, с. 66-73.

12. М. Е. Antipin, О. К. Voitsekhovskaya, F. G. Shatrov Vertical gas concentration profile measurement procedure using laser sounding data through the whole thickness of the atmosphere. Proceedings SPIE, 1998, 3403, c.262-265

13. M. E. Антипин, О. К. Войцеховская, Ф. Г. Шатров Поиск пространственного распределения концентраций газов в неоднородном газовом обьеме по интегральным характеристикам ослабления лазерного излучения // Изв. вузов. Физика, 1999 №6, с. 44-49.

14. Гайкович К.П. ,Кропоткина Е.П., Соломонов С.В. Определение вертикального профиля атмосферного озона по наземным измерениям излучения в миллиметровом диапазоне //Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1999, 35, №1, с. 86-95.

15. Brillet J. A theoretical study of ozone measurements made with ground-based microwave sensors // Journ. Geophys. Res., 1989, 94, № D10, c. 12833-12850.

16. Виролайнен Я.А., Поляков A.B., Тимофеев Ю.М. Погрешности одновременного определения содержания ряда атмосферных газов поназемным измерениям теплового ИК-излучения//Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1999, 35, №2, с. 215-221.

17. Виролайнен Я.А., Поляков А.В., Тимофеев Ю.М. Возможности определения вертикальной структуры содержания озона по наземным измерениям ИК-излучения //Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1997, 33, №4, с. 464-467.

18. Тимофеев Ю.М., Поляков А.В., Васильев А.В., Шульгина Е.М., МакКлатчи Р. О микроволновом температурно-влажностном зондировании атмосферы из космоса//Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1997, 33, №1, с. 53-61.

19. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987

20. R. J. Nordstrom и др. Single-longitudinal-mode operation of the TEA C02 laser using a time-gated gain cell // The Review of Laser Engineering. 1994. - 22.№ 2. -c. 132-139.

21. Шарыгин И.Г. и др. УФ-лидар для озонозондирования// Оптика атмосферы и океана. 1990. - 3,№10. - с. 1056-1059.

22. Костко O.K., Хмелевцов С.С. и др. Лазерное одночастотное зондирование стратосферного слоя озона// Оптика атмосферы и океана. 1992. - 5,№4. - с. 418-423.

23. Хмелевцов С.С., Светогоров Е.Д. Двухчастотное лазерное зондирование стратосферного озона // Известия академии наук. Физика атмосферы и океана. 1995. - 31,№1. - с. 77-80.

24. Букреев B.C. и др. Лидарная система для зондирования стратосферного и тропосферного озона на основе эксимерных лазеров // Квантовая электроника. 1994. - 21,№6. - с. 591-596.

25. Голубцов П.В., Пытьев Ю.П., Филатова О.А. Измерительно-вычислительная система для лидарного мониторинга атмосферных примесей// Оптика атмосферы и океана. 1991. - 4,№10. - с. 1100-1105.

26. Ельников А.В., Зуев В.В. Двухчастотное лазерное зондирование озона стратосферы в условиях ее сильного аэрозольного заполнения// Оптика атмосферы и океана. 1992. - 5,№10. - с. 1050-1054.

27. Лазерное зондирование атмосферы из космоса. JL: Гидрометеоиздат, 1988.

28. Тимофеев Ю.М. Спутниковые методы исследования газового состава атмосферы (обзор) //Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1989, 25, №5, с. 451-472.

29. Спутниковые спектрометрические приборы для исследования атмосферы //Итоги науки и техники. Исследования Земли из космоса. 1991, 4, с. 41-50.

30. Гречко Е.И., Джола А.В. Спектроскопические измерения содержания СО, СН4, N20 в толще атмосферы центральной арктики //Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1990, 26, №5, с. 547-550.

31. Minato A., Sugimoto N., Sasano Y. Optical design of cube-corner retroreflector having curved mirror surfaces // Appl. Opt., 1992, 31, №28, c. 6015-6020

32. Sasano Y., Sugimoto N., Minato A. Improved limb atmospheric spectrometer (ILAS) and retroreflector in-space (RIS) for Adeos // Future European and Japanese Remote-Sensing Sensors and Programs. 1994. - 1490. - c. 233-242.

33. RIS sensor team meeting // The second ADEOS Symposium/Workshop, March 10-14, 1997, Yokohama, Japan, c. 589-597.

34. Тимофеев Ю.М. Об обратных задачах атмосферной оптики //Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1998, 34, №6, с. 793-798.

35. Тихонов А. Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: «Наука», 1979.

36. Горобец В.А., Петухов В.О., Точицкий С.Я., Чураков В.В. Дистанционное детектирование двуокиси серы с помощью С02-лазера // Журнал прикладной спектроскопии, 65, №4, с. 508-515.

37. Марчук Г.И. Уравнение для ценности информации с метеорологических спутников и постановка обратных задач // Космич. исслед. 1964, 1, вып. 3, с 73-82

38. Rothman, L.S., Rinsland, С.Р., Goldman, А. и др. The HITRAN molecular spectroscopic database and hawks (HITRAN atmospheric workstation): 1996 edition// J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1998, 60, №5, c. 665-710.

39. Jacquinet-Husson N., Arie E., Ballard J. и др. The 1997 spectroscopic GEISA database// J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1999, 62, №2, c. 205-254.

40. Войцеховская O.K., Розина A.B., Трифонова H.H. Информационная система по спектроскопии высокого разрешения. Новосибирск. Изд-во "Наука". Сибирское отделение, 1988.

41. Войцеховская O.K., Зуев В.Е., Тютерев В.Г. Информационные системы молекулярной спектроскопии атмосферы // Оптика атмосферы, 1988,том1, №3

42. Покровский О.М., Тимофеев Ю.М. Общий статистический подход к решению обратных задач атмосферной оптики // Метеорология и гидрология, 1972, № 1, с. 52-59

43. Лоусон Ч.,Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов.-М:Наука, 1986

44. Мицель А.А., Пономарев Ю.Н. Оптические модели молекулярной атмосферы. Новосибирск: "Наука" сибирское отделение, 1988. - 126 с.

45. Гуди Р. Атмосферная радиация. -М.: Мир, 1966.

46. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. -М.: «Советское радио», 1970.

47. Sparks L. Efficient line-by-line calculation of absorption coefficients to high numerical accuracy// J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1997, v. 57, №5, p. 631-650.

48. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И. Тепловое излучение планет. Л.: Гидрометеоиздат, 1977.

49. Лазерный контроль атмосферы. М.: «Мир», 1979.

50. Антух Г. В., Войцеховская О. К., Трифонова Н. Н. Эмпирические соотношения для расчета полуширин линий атмосферных газов // Оптика атмосферы и океана, 1992, том 5, № 2, с. 218-223.

51. Voitsekhovskaya O.K., Aksenova E.N., Shatrov F.G. Influence of CO2 laser linewidth on the absorption coefficient of atmospheric water vapor and ammonia// Appl Opt. 1999. -V.38. - №12. P. 2337-2341.

52. Sheludyakov T. Yu., Voitsekhovskaya О. K. New informational technology in spectroscopy// Proceeding SPIE, 2000. V. 4063. P. 299-302.

53. Войцеховская О. К., Пешков А. А., Тарасенко М. М., Шелудяков Т. Ю. Информационная система для расчетов спектральных характеристик нагретых газов СО, С02 и Н20 (HOTGAS 2.0)// Известия вузов. Физика, 2000, №8, с. 43-51.

54. Valley S. L. (Editor) Handbook of Geophysics and Space Environments. Air Force Cambridge Research Laboratories, Bedford, Mass., 1965.

55. Арефьев В. H. Молекулярное поглощение водяным паром излучения в окне относительной прозрачности 8-13 мкм. // Оптика атмосферы, 1989, т.2, №10, с. 1034 1054.

56. Peshkov A. A., Tarasenko М. М., Shatrov F. G., Sheludyakov Т. Yu., Voitsekhovskaya О. К. Prediction of optical radiation propagation in thermodynamical inhomogeneous media with the use of information systems// Proceeding SPIE, 1999. V.3983. P. 241-249.

57. Антипин M.E., Войцеховская O.K., Шатров Ф.Г. Расчет функций пропускания атмосферой излучения нагретого газового облака на различных геометриях трасс//Сопряженные задачи механики и экологии. Матер, межд. конф. Изд-во Том. ун-та, 1998, с. 18-19.

58. Антипин М. Е., Войцеховская О. К. Исследование спектральных характеристик теплового излучения нагретой газовой среды для дистанционного определения ее температуры//Известия вузов. Физика, 2001 №4, с. -.

59. Антипин М. Е., Войцеховская О. К., Шелудяков Т. Ю. Моделирование излучения газовой фазы лесного пожара//Сопряженные задачи механики и экологии. Матер, межд. конф. Изд-во Том. ун-та, 2000, с.26

60. Антипин М. Е., Войцеховская О. К., О возможности определения термодинамических характеристик лесного пожара по его спектральному излучению// Сопряженные задачи механики и экологии. Матер, межд. конф. Изд-во Том. ун-та, 2000, с.27

61. Шметтерер J1. Введение в математическую статистику. М.: «Наука», 1976.

62. Пономарев Г. А., Пономарева В. Н., Якубов В. П. Статистические методы в радиофизике. Изд-во Томского университета, 1989, 235 с.

63. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран, Паскаль. Томск: МП "Раско", 1992.- 270 с.

64. Гришин В. К. Статистические методы анализа и планирование экспериментов. М.: Изд-во МГУ, 1975,128 с.

65. Войцеховская O.K., Кузнецов С.В., Остапенко С.П., Черкасов М.Р. База данных по параметрам спектральных линий оксидов азота и углерода в диапазоне температур 300 3000 К // Оптика атмосферы и океана, 5, №9, с. 962-969.

66. Войцеховская O.K., Трифонова Н.Н., Кузьмина М.В. Спектральные характеристики углекислого газа при температурах 300 3000 К в диапазоне 2-6 мкм // Оптика атмосферы и океана. -1992. -Т 5. -№ 5. -с. 464-471.

67. Войцеховская O.K. Расчеты колебательно вращательной структуры водяного пара в температурном диапазоне 300-2500 К // Оптика атмосферы -1990. -Т.З. -№6, С. 585-591.

68. Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии, М.: Мир, 1985.

69. Ж. Шоль, И. Марфан, М. Мюнш, П. Торель, П. Комбет Приемники инфракрасного излучения. М.: Мир, - 1969 г. - 283 с.

70. Поскачей А. А., Чубаров Е. П. Оптико-электронные системы измерения температуры. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 247 с.

71. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения. М.: Машиностроение, 1989.

72. Каменщиков В.А., Пластинин Ю.А., Николаев В.М., Новицкий Л.А. Радиационные свойства газов при высоких температурах. М.: Машиностроение, 1971.

73. Гришин А. М., Долгов А. А., Рейно В. В., Цвык Р. Ш., Шерстобитов М. В. Исследования распространения низовых лесных пожаров по опаду хвойных и лиственных деревьев // Оптика атмосферы и океана, 1999, №8, с. 721-724.

74. Гришин А. М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск: Наука, 1992, 405 с.