автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Оптико-электронные системы для прикладных атмосферно-оптических исследований и экологического мониторинга окружающей среды

о*

л 7 у.сл*

На правах рукописи

МАКАРОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ОПТЖО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ для прикладных

АШХФЕРНО-ОПТтЕСКИХ ИССЛЕДОВАНА и ЗКОЛОГ№£СКОГО ШШСРЖЬ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

05.13.14. - Системы обработки информации н управления 01.04.05. - Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань - 1997 г.

Работа выполнена в Федеральном научно-производственном центр "Государственный институт прикладной оптики".

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических неук, профессор Самохвалов И.В

Ведущая организация: ГНЦ НПО "Астрофизика" (г. Москва)

Защита состоится " 24" ноября 1997 г. в ЗС часов на заседании диссертационного совета ССД 063.09.02 в Казанском государственном техническом университете им.А.Н.Туполева (420111, г.Казань, ул.К.Маркса, 10)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им.А.Н.Туполева

доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

Агипюе Р.Р.

Васильев В.П.

Автореферат разослан

октября 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОЭДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

В настоящей работе обобщены результата исследований, вшол-;нщзх автором в период о 1975 - 1997 гг, направленных на создаете, 'ЗЕчтке и внедрение автоматизированных измерительных оптико-олект-лшых комплексов для атмосферно-оптических исследований в широком генеральном диапазоне, накопление статистически достоверных и мет-кпсгически обеспеченных данных и создание на их основе инженерных ■тодек оценки и расчета энергетических потерь в атмосферном канале фрзкрасных оптико-электронных приборов (ОЭП).

Последние несколько десятилетий характеризуются возросшим ин-рэеом к проблеме распространения излучения видимого и инфракрае-го диапазонов спектра в атмосфере Зомли. Это вызвано несколькими ичагааыи. Появились новые источники излучения - оптические кванто-е генераторы и новые высокочувствительные приемыши исчучения.

0 в свою очередь послужило стимулом к созданию нового класса оп~ ко - электронных приборов различного назначения, работящих но отпженных оптичесю1Х трассах з атмосфера Земли. Их разработка нв-зможна без знания точных количественных данных об ослабляющих ха-кторястиках атмосферы.

Не меньшео значение имеют задачи геофизического и потрофизи-гкого содержания - это ироздо всего радиационный шронос излучо-

1 » атмоифврах шепот, иитарпротйция данных наблюдения природных эурсов Зе»ш из космоса, нсолодопатш процессов эволюции Земной юсфэры, контроль загрязнения окрукащей среды и т.д.

Успошюо решение указанных аадач зависит от иаимх знаний об шко - физических характеристикам Земной атмосферы, ч частности, О^ТОЧННН »5 оойонипк вариаций и зашеимоети от мот^оролЩ'Пчорких,

в том числе и циркуляционных условий в разных географических ра: нзх Земного шара.

Следует отметить, что в настоящее время полная информация физико - химических характеристиках атмосферы отсутствует как у в стране, так и за рубежом, а ее получение требует дальнейших т ретических и экспериментальных исследований. С другой стороны ин нершши потребностями на повестку дня атмосферно - оптичес исследований поставлена задача создания оптической модели атмоо ры. Она может быть разработана только опираясь на анализ обширн материала экспериментальных исследований закономерностей распро ранения излучения видимого и ИК диапазонов спектра в атмосфере 3 ли. Особенно остро эта проблема стоит в связи с бурным развит тепловизионной техники, как общегравданского, так и военного наз: чения, работающей в ближнем и среднем ИК-диапазоне. Получение э данных требует соответствующего аппаратурного обеспечения. Все ставит новые и сложные задачи перед методами и средствами измере: оптико-физических параметров атмосфзры и обуславливает актуально рассматриваемой в работе проблемы.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

В течение последних трех десятилетий были выполнены вес: многочисленные экспериментальные исследования по проблеме ослаб, ния видимой и ИК - радиации в Земной атмосфере. В России эти раб-выполнялись в основном в Институте физики атмосферы АН СССР, Инс туте оптики стмосферы СО АН СССР, Главной геофизической обсерва' рии им.А.И.Воейкова, Государственном оптическом институте им.С Вавилова, Институте экспериментальной метеорологии, Ленинграда гос.университете, Государственном институте прикладной оптики и ] де других организаций АН СССР и Госкомгидромета.

Следует,в первую очередь, отметить исследования Г.В.Розенберга &А) и В.Е.Зуева(ИОА) и их сотрудников: Георгиевского Ю.С., Шуку-за А.Х., Кабанова М.В., Пх?лагова Ю.А., Панченко М.В., а также следования выполненные Броунитейном A.M. в ITO, Федоровой Е.О. и ¡елевой М.С. в ГО'Л, Москаленко Н.И. и Филипповым В.Л. в ШЮ.

Эти исследования, как правило, проводились в разных климати-!ких зонах, были методически ч статистически обеспеченными. Одна-в этих работах использовалась различная аппаратура, созданная [ решения конкретных задач, определяемых целили исследований. 1лиз полученных результатов с учетом комплексности проводимых ледований позволил выработать ряд общих требований предъявляемых риборяому оснащению соответствующих измерений. Это ггослужло осой для создания в ГИПО автоматизированного комплексе оптнко-ктронных приборов для изучения оатико - физических параметров осферы.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Цель диссертационной работы состояла в создании и освоении ав~ визированного приборного комплекса, позволяющего оперативно по-зть Достоверную экспериментальную информацию об оптико - физи-даг параметрах атмосферы с учетом погодно-климатических факто-, а также природных и антропогенных источниках загрязнения воз-того бассейна и разработать на етой основе инженерные методики жи и расчета энергетических потерь в атмосферном канале Ж ОЭП.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

- Разработка мотодов и опытных образцов средств измерения оп-> - физических параметров атмосферы.

- Накопление информационной базы для рабочей спектральной об-■и ИК ОЭП.

- Разработка и внедрение инженерных приложений по атмосфер: оптике, применительно к задачам прояктггрования инфракрасных оптш электрошшх систем.

- Разработка и внедрение промышленных образцов оптико-вле] ронных приборов в практику организации экологического монитора окружающей среда и санитарного контроля воздуха рабочих зон.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ЗАШУ ЕТСЯ В СЛВДУЩЭ.» :

- Разработаны оригинальные приборы для комплексного иссле; вания оптико - физических параметров атмосферы.

- Получен массив экспериментальных данных, позволивший сф мулировать оригинальные статистически обоснованные вывода о реп нальных особенностям аэрозольной атмосферы и по поглощению ин$] красного излучения атмосферными газами.

- Разработаны инженерная методика оценки пропускания атмос>; ры и типовые состояния оптической погоды с их классификацией в : тересах применения в расчетах характеристик атмосферного канала ] фракрасяых оптико - электронных систем.

- Разработан ряд оригинальных оптико-электронных измерите, запыленности воздуха применительно к задачам санитарного контр< рабочих зон и экологического мониторинга окружающей среда. Разра< тан вариант лидарного комплекса для дистанционного контроля пыле] газового загрязнения промышленных зон.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ К ЗАЩИТЕ.

1. Научно - технические решения, заложенные в основу разраб< ки комплекса приборов для измерения оптико - физических пераыэт] атмосферы.

2. Статистические характеристики аэрозольного ослабления, го

ая атмосферными газами и в континууме водяного пара.

3. Полевая инженерная методика оперативной оценки пропускания феры и типизация состояний оптической погоды в рабочих спект-ых диапазонах ОЭП (приборы ночного видения, тепловизоры, лока-и т.д.).

4. Нау-шо-технические решешш, заложенные в модификациях ОЭП кологического мониторинга ("Квант", "Луч-ДПР"), их промышлен-своение и внедрение.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ полученных в диссертации результатов еляется потребностью в них:

- при проектировашш инфракрасных оптико - электронных систем, акцих по атмосферному каналу;

- при разработке инженерных оптических моделей атмосферы, ис-уемых при интерпретации спутниковых данных;

- при разработке инженерных методик оценки пропускания атмос-используемых при натурных испытаниях оптико - электронных

ров;

- при разработке и серийном освоении промышленных образцов ров для экологического мониторинга окруяащей среда и санитар-контроля воздуха рабочей зоны.

Приборные разработки дважды удостоены Всесоюзной премии им. мика С.И.Вавилова(Вторая за 1979 г. и Третья за 1981 г.) в об: научного приборостроения. ВНЕДРЕНИЕ.

Обобщенные результаты экспериментальных исследований внедрены:

- при разработке отраслевой "Оптико - геофизической модели •сферы (Тропосфера - 82)" ГЖЮ, Казань, 1982 г.

Технические решения представленные в работе внедрены :

- в -

- при разработке и освоении серийного производства ряда п боров для контроля запыленности воздуха;

- при разработке и внедрении в промышленную эксплуатацию зерной станции для контроля пылегазового режима в карьере местор дения "Мурунтау"(р.Узбекистан).

Внедрение результатов диссертации при разработке конкрет оптико - электронных приборов в организациях отрасли подтвержу соответствующими актами внедрения.

ПУБЛИКАЦИИ-

Основные результаты опубликованы в 45 статьях в централь журналах и тематических сборниках центральных издательств, а тг в монографии. Оригинальные технические решения заложенные в осе представленных приборных и технологических разработок подтверац 4 авторскими свидетельствами.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Основные материалы работы докладывались на : Всесоюзном ее щании по атмосферной оптике (г.Звенигород, 1974 г.); Всесоюзной учно - технической конференции "Современная прикладная оптика и тические приборы"(г.Ленинград, 1975 г.); 1,11,111 Всесоюзных вещаниях по атмосферной оптике (г.Томск, 1976,1982,1983 гг.); Л Всесоюзных совещаниях по распространению лазерного излучения в мосфере (г.Томск, 1977 г.,1981 г.); V Всесоюзном симпозиуме по зерному и акустическому зондированию атмосферы(г.Томск, 1978 ] XI Всесоюзном совещании по актинометрии(г.Таллин, 1980 г.); Вс< юзном совещании по распространению оптического излучения в дисп< ной среде(г.Обнинск, 1978 г.); II Всесоюзном совещании по распр ранению лазерного излучения в дисперсной среде(г.Обнинск, 1982 : IV Всесоюзном совещании по аэрозолям (г.Ереван, 1982 г.).

СТРУКТУРА И ОБЬУМ РАБОТЫ.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заклю-шя, приложения и списка литературы. Основная часть работы изло-[а на 243 стр., содержит 47 рис. Приложение содержит 26 таблиц, юок литературы включает в себя 2£7 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, эмулированы цель и задача исследований, приведено краткое содер-ие работы.

В первой главе представлен обзор литературных данных, способ-ующий пониманию тенденций развития ИК систем наблюдения, обнару-ия и распознавания. Показаны возможные области применения ИК-ап-атуры в промышленности и научных исследованиях. Рассмотрено вли~ е атмосферного канала но работу инфракрасных систем, в первую редь, тепловизионгшх.

Показано, что обеспечение аффективного применения тепловкзион-приборов в задачах наблюдения и обнаружения, как при разработке 5оров, так и при их эксплуатации, в значительной степени связано тгимальностыо учета динамики оптической погоды на трассе визиро-ш. Дана характеристика оптической погода, как совокупности све-ей, определяющих вариаций спектральных оптических характеристик >сферы во взаимосвязи с текущими изменениями метеорологических >вий. Приведен аналитический обзор типизация оптической погода и яершх методик оценки пропускания атмосферы в ИК диапазоне :тра. Рассмотрены- современные методы атмосферно-оптических ис-;ований. В заключение формулируется цель диссертации и основные ете в ней задачи.

Во второй главе рассмотрены оптические схемы приборов для про-

ведения основных атмосферно-оптических измерений, предназначенн для накопления базы данных, необходимой для разработки инженер методики оценки энергетических потерь в атмосферном канале ИК О в том числе:

-Комплекс для спектральных исследований закономерностей осл ления видимой и ИК радиации в приземном слое атмосферы в диалаэ длин волн 0.5-25 мкы на трассах до 2 км с разрешением по дли волн. Для трасс более 2 км аппаратура укомплектована специальным осветителем, разработанным на базе прожекторного зеркала диамет 900 мм.

- Абсолютный измеритель прозрачности атмосферы в видимой ласти спектра - Х=0.55 мкм (АХ=30 ны) на оптической трассе до 2 в диапазоне МДВ 1 + 100 км. Суммарная погрешность регистрации пр рачности атмосферы не превышает 2 %.

- Полуавтоматический абсолютный измеритель прозрачности атм феры в дгалазоне 0.5-12 мкм. В базовом варианте рабочий спектра вый интервал обеспечивается девятью интерференционными фильтра Непрерывная развертка по спектру в приборе осуществляется с помо сменного сканирующего блока с кольцевыми интерференционными фил рами (разработка ФНПЦ ГИПО) для следующих областей спектра: 0.5-мкм, 0.7-1.2 мкм (X /АХ «13), 1.2-2.0 мкм,.2-4 мкм, 4-8 мкм

• ах

8-12 мкм (Хюах/ДХ * 30-35). Погрешность определения спектраль прозрачности атмосферы (СПА) в диапазоне значений 1 + 100 % оце Бается величиной 2 + 3 % в зависимости от погодных условий.

При описании технических решений, заложенных в основу разра ток измерителей СПА, особо рассматриваются те элементы, кото были введены для повышения метрологических характеристик приборе улучшения их эксплуатации в полевых условиях.

В разделах. 2.4 и 2_.5 рассматривается методика измерений СПА и злизируются ошибки измерений.

В главе 3 подводятся итоги многолетней программы натурных ис-здовашй СПА в области 0.5-25 мкм.

В разделе 3.1. рассмотрены результаты натурных исследований I "ясной'1 атмосферы в условиях высокой метеорологической дальнос-видимоети (МДВ): > 50 км, когда вкладом аэрозоля в процесс зеноса оптического излучения можно пренебречь.

Спектральная прозрачность атмосферы Т^ существенно зависит от 1а параметров. В их числе концентрация, температура, давление оп-юски активных газов и т.д. Вопрос о функциональном представлении шсимости Т\ от содержания абсорбентов и^ достаточно полно изло-I в работах Зуева В.Е. (ИОА СО АН РФ), Москаленко Н.И. (ГИПО), ¡елевой М.С. (ГОИ) и Филиппова В.Л. (ГИПО), где показано, что гктральное пропускание атмосферными газами может быть описано со-

юшением

Тх = ехр(- рхик Р ) , (1)

> , г.1), п^ - оштирические параметры. Достоверность описания Т^ >тнсшением (1) подтверждена и статистическими исследованиями СПА, голненных автором, с расширением спектрального диапазона до 25 I. В частности, автором были исследованы изменения СПА как функ-I температуры в области полос поглощения паров воды: 1.37; 1.87; '; 6.3 мкм и С0Д - 4.3 мкм. Показано, что наиболее существен» „• [яние на Т^(р^) проявляется в полосах углекислого газа, в которых ¡личеше температуры приводит к существенному уменьшению прозрачен в крыльях полос.

При исследовании коеф^ициептов непрерывного ослабления в об-

- 1U -

ласти 8-12 ыкм автором отмечена нелинейная зависимость коэффици тов поглощения к^ для участков 11.1 и 12.01 мкм от парциальн давления водяного пара - е (атм), для описания которой использов соотношение

хХ = VVo = l^VVo ' г г

где Р - общее давление, атм; к^ и ка - эмпирические коэффидаев

значения которых представлены в табл.1.

Таблиц*

X, ыки

8.63

9.2

10.1

11.1

12.01

20.12

2(

ltxlCM-1]

е=10 мбар *» t ,

[ом" атм" ] fc [cu"1«»!"1

0.09

0.06+ +0.09

0+3

0.09

0.06+ +0.09

0+3

0.11

0.08+ +0.11

0+3

0.13

0.08

0.18

0.11

5

7

3.5

2.76 7 5

В разделе 3.2. рассматриваются итоги выполнения программы турных исследований аэрозольного ослабления видимой я ПК ради) я(1) в диапазоне 0.5-25 ыми в период 1970-1980 г.г.

Основными чертами исследования были систематичность и рэгу. ность наблюдений в ситуациях, когда ЩВ изменялась в пределах км.

Для анализа статистической структуры выборки экспериментал' спектров коэффициентов аэрозольного ослабления а(л) последние < мировались в соответствии с принципами, базирующимися на пого, признаках. Уточненные автором признаки, по которым различались годные условия: дымка, дымка с моросью и туманная дымка{ и осно: результаты статистического анализа: нормированная корреляцио

рица ро средние значения а^ и среднеквадратичные отклонения представлены таблицей 2.

Таблица 2.

Дымка : Туманная дымка : Дымка с моросью

X Б еЗ-20 км, 1*90% н Б е1-Ю км, О90* н

км

с^км"1 Р<э. ввХ а^км"1 ЯХ ВВХ ^мГ1 Ро.свХ

.55 0.36 0.176 1.00 1.101 1.363 1.00 0.59 0.641 1.00

со 0.25 0.157 0.945 1.032 1.333 0.992 0.57 0.620 0.985

.Об 0.19 0.139 0.877 0.931 1.285 0.976 0.56 0.583 0.980

.18 0.16 0.119 0.849 0.810 1.200 0.975 0.51 0.539 0.969

.66 0.14 0.116 0.845 0.702 1.035 0.965 0.46 0.492 0.952

.09 0.12 0.115 0.841 0.592 0.903 0.940 0.38 0.465 0.929

.97 0.105 0.101 0.822 0.507 0.837 0.936 0.37 0.437 0.920

.2 0.09 0.097 0.762 0.483 0.836 0.943 0.38 0.435 0.870

,1 0.09 0.094 0.739 0.480 0.835 0.931 0.39 0.444 0.881

,1 0.10 0.098 0.769 0.491 0.843 0.941 0.40 0.446 0.845

,01 0.105 0.103 0.783 0.506 0.849 0.939 0.44 0.449 0.844

обнаруживают весьма тесную взаимосвязь вариаций &а(Х), что ука-!ет на принципиальную возможность восстановления и(Х) в ИК-обла-по данным измерений в видимом участке спектра.

Область спектра 12-25 мкм, хотя и но настолько благоприятна переноса излучения в естественной атмосфере, как, например, о" прозрачности 3-12 мкм, однако она имеет важное значение, твуя в формировании ее теплового режима. Мевду тем исследова-характеристик, определяющих потери ИК-радиации в диапазоне

12-25 мкм за счет аэрозольного ослабления посвящено сравнител небольшое число работ, которые не позволяют получить информац пригодную для обеспечения различного рода расчетов с обоснован достоверностью. Это обстоятельство послужило основанием для пос новки и реализации автором специальной программы натурных иссле ваний аэрозольного ослабления в диапазоне 12-25 мкм. В работе пр ставлен широкий по охвату сложных погодных условий (снег, док туман, ледяной туман) ансамбль характерных зависимостей аэрозоль го ослабления а(Х) в указанном диапазоне, которые могут быть при нены для конкретных геофизических условий.

В главе 4 представлены разработки инженерных методик оце энергетических потерь в атмосферном канале инфракрасных опти электронных систем.

Функционирование существувдих и перспективных оптико-электр ных систем (ОЭС), работающих по атмосферному каналу в среднем ! диапазоне, строго ограничено состоянием атмосферы. Способность I выполнять свои функции: обнаружить или опознать объект наблвдеш. пределах определенных возможностей, зависит от отношения сигнал/] на входе приемной системы. Величина этого отношения во многом оп деляется оптическим состоянием атмосферы, в первую очередь, прозрачностью. Применительно к среднему ИК-диалазону (1 е 3-5 8-14 мкм) СПА выступает, таким образом, как основная характерней "оптической погоды".

В разделе для инженерных приложений атмосферной опт] автором предложено различать всего лиш. три класса оптических ус. вий: простые (Бн > 7 км), ограниченно-сложные (Бн € 3-7 км) и еле ные (Бн < 3 км), которые, в свою очередь, ограничены совокупное; оптических и геофизических параметров, достаточны для определи

итических характеристик тропосферы и расчета ее спектральной проз->ачности на трассах произвольной ориентации.

В разделе 4-2. рассмотрена многопараметрическая методика рас-[ета прозрачности атмосферы по произвольно ориентированным трассам. Спектральное пропускание атмосферы :

ТСХ) = ТМ(Х)Та(Х), (3)

м

(X)- пропускание, обусловленное потерями на поглощение оптически а

«тинными газами; Т (X) - пропускание, обусловленное потерями на 1ерозольное ослабление.

Суммарное пропускание Т(Х) всех газовых компонентов : м им,

Т (X) = П " '(X). (4)

1 = 1

Пропускание, обусловленное поглощением отдельным газовым ком-юнентом :

ы , т (Х)>

Т '(X) = ехр|-р((Х)тееф1 1 >, (5)

~ эФФект^нзя поглощающая масса 1-го газа. Эффективное количество поглотителя в вертикальном направлении:

n

h=l

г P.U)

к

L Р(0)

n j(X)/т t(X)

AzfcP (6)

: - номер слоя; р1к - средняя концентрация 1-го поглощающего газа в I к-ом слое, которая выражается в (ос. см/км) для водяного пара и в атм. см/км) для других газов: СО . 0„, СН,, МО; Р(0) - давление у

2 3 4 2

:оверхности земли в (атм); Pk(z) - среднее давление в k-ом слое.

Пропускание атмосферы, обусловленное потерями на аэрозольное юлабледае :

Та(Х) = exp{-Wa(X)} , (7)

W, (X) - оптическая толщина аэрозольного ослабления.

а

Оптическая толщина аэрозольного ослабления в вертикальном на равлении :

£ а k-1

а

к - номер слоя; ¡3^ - среднее значение показателя аэрозольнс

ослабления в слое Lz .

к

Показатель аэрозольного ослабления на высоте z а а ао

h{z) Pc.ss(2^xk • (

а

р (z) - распределение по высоте показателя аэрозольного ослабл

ао

ния в видимой области спектра (Х=0.55); f^k - относительная спе

тральная зависимость показателя аэрозольного ослабления в слое Az

ао а

величина нормирована на значение

Для описания вертикальных профилей аэрозольного ослабления

видимой области спектра б „(z) для двух наиболее затребованных

о • 55

прикладных задачах погодных условий ("безоблачно" и "низкая обла ность") предложено две системы аналитических выражений :

Безоблачные условия:

3 (z^ = В (z )-o.ssv о.es о

в (z )-в (г )

po.ssv о' ho.gbv l'

z, С < г s г

z < z £ z 1 ñ

а а Г 5-2 1 3n „(z) ^ км)ехр|-1, z < z s

°"jE О . SE ^ Н J

а

2

т

В подоблачном слое:

'о.ВБ<Я> =

(2+0.287) Т) - (1 +1.28у) г)+у а

(I - тип)

О.55

Ы =

3 (7. ) о . б б нг

= "О.ББ^НГ^

(4-0.84т)17 -(3+0.1бу)г)47 а

[II. III типы)

О .55'

Г^/Я^,),

а а

Б5(г), Р0.Б5(гнг) и Р0-еб(20) - соответственно значения аеро-

ьного ослабления (Х=0.55 мкм) на высоте а, на высоте нижней гра-

ы облаков и у земной поверхности.

Значения входных параметров в методику: , т>, Пл, р.. , Р(г), а ао

), 0О еви), затабулировяны в приложении.

В разделе 4.4. представлена полевая инженерная методика оценки

искания атмосферы для рабочей области тепловизионных приборов.

Средний коэффициент пропускания атмосферы (КПА) в области ДХ :

м а ТДХ * ТЛхЛх •

(12)

- КПА, обусловлен потерями на поглощение атмосферными газами,

- КПА, обусловлен потерями на аэрозольное ослабление.

На основе исходного экспериментального материала автором раз-этан двухпараметрический аналитический вариант модели Тд^(а,Бн) погодных условий, характеризующихся отсутствием атмосферных !щов:

Т.

ехр-[0.145К°'Е291п(а/217)+1.19й° '4г>ь], = ехр[ (0.0111пН-0.015ба--0.049)ЛГс'391 ],

■¡О . 45В1

3-5 м

(13)

Озн,Р.) = ехр{[(0.4881пБм-2.2б)/8м]К), а

Т. .„(Б^Ю = ехр{[(0.34б!п5 -1.6б5)/Б Ш},

а-12 м'

н

м

а

В -1 2

а - абсолютная влажность воздуха (г/м3); - ВДВ, юл;

м

Г< - протяженность трассы, км.

В таблице 3 приведены оценки относительной погрешности опре;

ления КПА - ДТЛХ (%), по данным метеорологических наблюдений МДВ.

Таблица

Прибор для регистрации МДВ Бн, км

1 3 5 10 25

РДВ-3 85 32 23 16 12

В разделе 4.4. представлена прогностическая модель ослабле! оптического излучения в условиях атмосферных осадков для paбo^ области тепловизионных приборов.

Для расчета спектральных показателей ослабления излучения условиях атмосферных осадков в диапазоне X = 0.4-14 мкм использо!

но аналитическое соотношение :

„ -п„ ак

рх = 0.24711"о'вз(пс+П1Х ) , (•

ак

где I - интенсивность осадков (мм/час); - нормированный

В „„ (или 8„) показатель ослабления в полосах поглощения кондеш

О . 52 Н

та, значения которого по данным автора затабулировано в приложен! П0. п , п2 - эмпирические коэффициенты, значения которых детерял рованные по типам осадков, значениям МДВ и относительной влажно< по данным автора представлены в таблице 4.

В главе 5 представлен комплекс оптико-электронных приборов ; экологического мониторинга и санитарного контроля воздуха рабо1 зон.

Во второй половине семидесятых годов появились первые лрогр. мы по организации экологического мониторинга окружающей среды. И;

Таблица 4.

Определяемая величина Тип осадков

морось дождь снег

яапазон изменений относи-

ельной влажности, % 90-100 75-100 50-95

бласть значений Б . для ком

орых справедливы расчеты, км 2-6 1.8-10 1.4-10

араметры для расчета: по 0.34 0.45 0.52

П1 0.49 0.37 0.26

па 0.62 0.8 1.25

гами и организаторами указанных программ в части мониторинга ат-ферного загрязнения выступили Главная геофизическая обсерватория А.И.Воейкова (г.С-Петербург), Институт физики атмосферы АН СССР Москва), Институт оптики атмосферы СО АН СССР (г.Томск). НПО О приняло активное участие в подготовке и реализации самых пер-программ : ГАРЭКС, ПИТАЛ, ТРОПЭКС, КЭНЭКС и др. Используя боль: научно-технический потенциал ШО ГИПО было создано первое поко-ке оптико-электронных приборов для контроля загрязнения окружаю-среды: первый промышленный образец полевого спектрального фото-ра "МИФ", опытные образцы аэрозольного спектрометра "Квант-903", юзольного лидарного комплекса "Луч".

Новый импульс указанным работам положило развитие сотрудничес-КПО ГИПО с Навоийским Горно-металлургическим комбинатом (Узбе-тан), где на базе Центрального рудоуправления: на карьере место-дения золота "Мурунтау", в 1990-92 гг. были проведены комплекс-испытания макетных образцов оптико-электронных приборов, вклю-лидар, для контроля пыле-газового загрязнения. По результатам

испытаний была в сжатые сроки подготовлена и реализована програк по раараоотке лазерной станции для оперативного контроля пыле-га; ього режима карьера - "Луч-ДПР" и ряда компактных измерителей заг ленности для экологического и санитарного контроля - "Квант 2Г "Квант ЗП".

В разделе 5.1. дана характеристика основных технических реп ний, заложенных в разработку автоматизированной лазерной сташ. оперативного контроля загрязнения воздуха "Луч-ДПР", предаазначе ной для дистанционного контроля пылевого и газового (двуокись а; та) рекпма в рабочих зонах глубинных карьеров. Станция представл* лазернолокационный комплекс, действующий по принципу дафференциа: ного поглощения и рассеязшя излучения двух импульсных ноодамо! лазеров, раоотакщих на близких длинах волн б полосе поглощения да окиси азота с центром 532 км. Применение пары мощных АИГ-М лазе! позволяет достигнуть дальности зондирования более 3 км, обеспечш пространственное разрешение не хуже 300 м при загазованности рас чей зоны двуокисью азота (NOg) на уровне предельно допустимой кс центрации (ПДК = 2 мг/м3) и порог чувствительности 0.2 мг/м3 уровне 0.25 ПДК. Соответствующие значения разрешения и порога 4j отштельности по промышленной пыли составляют соответственно 15 на уровне ПДК (2 мг/м3) и 0.01 мг/м3 по концентрации.

Для минимизации влияния на результат измерений пространстве ной неоднородности и временных флуктуаций пыле-газовой среда в кс тролируемом объеме карьера, лучи двух лазеров сведены в один с пс решностью не более 5 угл. сек., а зондирующие импульсы разнесены времени не более, чем на 1 мсек.

Использование специально разработанного широкодиапазоннс (75 dB) быстродействующего (« 50 не) фстоприемного устройства в с

упности с цифровой системой обработки импульса и автоматическим тролем излучения лазеров обеспечило погрешность регистрации сига не хуже 10 % в любой точке диапазона.

Управление лазерной станцией автоматизировано: наведение ее на экт, регистрация и обработка сигнала, накопление, вывод и архи-эвание информации осуществляется от ПЭЕМ по оригинальному прог-ююму обеспечению.

Метрологические испытания локатора "Луч-ДПР" показали, что решность измерения концентрации 1ТО2 составляет не более 25 % в 1азоне 1-25 мг/м3, относительная погрешность измерения сигнала промышленной пыли не более 25

Станция "Луч-ДПР" аттестована органами Госстандарта РФ в каче-з рабочего средства измерений.

Разработана методика измерений и обработки данных, а также ос-яые положения методики метрологической аттестации.

В разделе 5.2. дана характеристика основных технических реше-, заложенных в разработку автоматизированного измерителя запы-юсти - анализатора размеров частиц - "Квант-2П", предназначен-з для автоматизированного контроля размеров частиц, счетной кон-грации по 16 градациям размеров, полной счетной и полной массо-концентрации естественной и промышленной пыли. Анализатор знт-2П" выполнен в виде переносного моноблока в пылезащитном 1усе и объединяет в себе оптический датчик, фоторегистриругацее эойство, систему обработки, хранения и вывода информации и сис-/ пробостбора. "■

Работа анализатора основана на измерении рассеянного под углом света отдельными частицами, пролетающими через оптически сфор-эванный объем и подсчете электрических импульсов, полученных с

фотоприемника в заданных, градациях амплитуд. Благодаря специал схеме включения фотовлектронного умнокителя в фотоприемном усч стве, обеспечивающей 5 порядков линейной регистрации сигнала, бор позволяет охватить диапазон измеряемых размеров частиц от до 70 мкм при верхнем пределе измеряемой счетной концентрации 1 частиц/см3.

Массовая концентрация и суммарная счетная концентрация вь ляются встроенным микропроцессором, исходя из измеренных раз* частиц, их концентрации и заданной плотности вещества аерозоля.

Метрологические испытания показали, что погрешность отнес монодисперсных частиц полистирольногс латекса к соответств; градации размеров не превышает Ю % в диапазоне 0.5-4.0 мкм, решность определения полной массовой концентрации не превышает в диапазоне 0.5-50 иг/и3, погрешность измерения распределения тиц по размерам не превышает 20 % в диапазоне 0.5-20 мкм для опытной партии приборов. Приборы прошли государственную метро, чеекую аттестацию и имеют свидетельство Госстандарта РФ.

В таблице 5 приведены сравнительные технические показ; промышленных образцов аэрозольных спектрометров. Анализ данных лицы 5 показывает существенное преимущество анализатора "Кван1 по сравнению с представленными промышленными образцами.

Рассмотрен расчетно-експериментальный метод градуировки I электрических счетчиков частиц: градуировочная характеристика считывается по формулам Ми с учетом особенностей оптической прибора, затем осуществляется ее "привязка" к конкретному вкзе. ру прибора по монодисперсным частицам в одной или нескольких ках.

- 2 Л -

Таблица 5.

одель Угол наблюдения, град. Диапазон измеряемых размеров, мкм Максимальная измеряемая концентрация, см"3 Дискретность анализа (каналов)

Квант-2П (Россия) 90 0.5-70 12000 16

АЗ-6 (Россия) 90 0.4-10 200 11

РС225 (США) 16 0.5-10 зооо 5

A.SSP (США) 8 0.44-44 200 15

В раздела 5.3. рассмотрены основные технические решения, зало-яке е основу пылемера "Квант-ЗП". Переносной оптико-электронный зритель запыленности "Квант-ЗП" предназначен для оперативного гроля полной массовой концентрации промышленной пыли. Прибор цставляет собой проточный нефелометр с закрытым объемом. Принцип эты прибора основан на измерении оптического излучения, рассеян-з аэрозольной средой под углом 60°. Интенсивность рассеянного учения зависит от концентрации частиц, их размеров, форды, опти-<их констант и, для конкретного типа промышленной пыли, одноз-10 связана с его массовой концентрацией. В процессе градуировки 5ора устанавливается соответствие меяду электрическим сигналом, горциональным интенсивности рассеянного света, и массовой коя-грацяей для конкретного типа промышленной пыли. Результат изме-гя отображается на цифровом табло в единицах массовой концентра-(мг/м3).

Метрологаческие испытания показали, что погрешность опреде. ния полной массовой концентрации для нормированной кварцевой т не превышает 25 % на уровне ПДК. Диапазон измеряемой массоз концентрации от 0.5 до 100 мг/м3.

Прибор прост в обращении и обслуживании, компактен (масса более 3 кг), обладает высоким быстродействием (Еремя измерения : танавливается оператором в пределах 5-30 сек), не требует приме! ния радиоактивных изотопов, как выпускаемый в настоящее время пы. мер "Приз-2".

ЗАКЛШЕНИЕ. основные выводы и результаты работы.

В работе решена важная научно-практическая проблема, создан освоен слокный комплекс оптико-электронных приборов, нозволиве накопить большую статистически достоверную базу вкслершенталы данных по оптико-физическим параметрам атмосферы, и на этой оснс разработать инженерные методики оценки и расчета энергетических I терь в атмосферном канале инфракрасных оптико-влехтронных приборе Выполнение этой комплексной программы позволило успешно решать г дачи проектирования инфракрасных оптико-алектронных приборов и с новременно более точно оценивать их тактико-технические характер® тики и злияние на них атмоеферно-оптических параметров.

При решении общей проблемы были решены конкретные задачи, га юциб в то же время самостоятельное научное значение:

1. Создан уникальный приборный комплекс для измерения в пси вых условиях оптико-физических параметров атмосферы, включающий себя:

- измеритель спектральной зависимости ослабления видимого и Ш 1 лучения;

- базовый абсолютный измеритель прозрачности в видимой части спел

на трассах большой протяженности (до 20С0 м); золуавтоматический базовый измеритель прозрачности атмосферы в роком спектральном диапазоене;

комплекс вспомогательных приборов (лидар и счетчик частиц) для нтроля однородности трассы измерений.

Все приборы прошли метрологическую аттестацию с оценкой ошибок мерений. Отработана методика проведения долговременных серийных мерений.

2. Накоплен обширный статистически достоверный банк данных по тико-физическим параметрам атмосферы в спектральном диапазоне 5 -25 мхы в условиях изменения ВДВ от 1 до 20 км. Получены пара-тры функции прозрачности атмосферы Тд, удовлетворительно олисыва-ие экспериментальные данные. При этом детально изучено влияние ипературы на поглощение в атмосфере в широком диапазоне длин лн. Все полученные данные хорошо коррелируют с результатами дру-х авторов и данным лабораторных осследовашй для полос поглощения да и углекислого газа.

3. Разработаны;

инженерная методика оценки энергетических потерь в атмосфзргсм нале на произвольно ориентированной трассе, учитывающая газовый и розольный компоненты поглощения и рассеяния;

полевая инженерная методика оценки пропускания атмосферы в рабо-х спектральных диапазонах тепловизиошйк? приборов, учитывающая ,кже работу этих приборов в условиях осадков.

Разработанные методики внедрены в практику проектирования и ¡сплуатации I® ОЭП.

4. На базе приборов, входящих в измерительный: комплекс, гГазра->таны специализированные приборы экологического мониторинга:

- лазерная станция "ЛУЧ-ДПР" для оперативного контроля пыле-п вого режима глубинных карьеров, позволяющая одновременно контр< ровать распределение пылевого и газового (N03) загрязнения. Ста] прошла метрологическую аттестацию и успешно эксплуатируется в i ыышленных условиях на карьере Ыурунтау;

- прибор для измерения дисперсионного состава аэрозольных ча< Квант-2П, успешно прошедший контроль и метрологическую аттестги Прибор внедрен в производство и выпущена опытная партия.

- пылемер Квант-ЗП, предназначенный для оперативного контроля у совой концентрации пыли в диапазоне 0.2+50 иг/и3. Проведена ые: логическая аттестация, выпущены опытные образцы и начато сери! производство.

Основное содервание диссертации опубликовано в следукцах рз

тах:

1. Филиппов В.Л., Макаров A.C., Мирумянц С.О., Ибрагимов A.C., дотьева Р.В. "Аппаратура для спектральных исследований законоые] стей ослабления видимой и ИК радиации в приземном слое воздуз Журнал прикладной спектроскопии, 1975 г., XXII, 4, с. 766-771.

2. Филиппов В.Л., Мирумянц С.О., Макаров A.C., Казаков В.И., Ив£ В.П., Ососков А.Н., Насыров А.Р. "Измерительные установки и прис для комплексных исследований оптических характеристик призе», слоев атмосферы". М.: ВИМИ, 1976 г., 46 с.

3. Макаров A.C., Филиппов В.Л., Мирумянц С.О., Еашнин В.И., Феде ева Р.В., Иванов В.П. "Абсолютный измеритель прозрачности призеь атмосфер! в видимой области спектра". Оптико-механическая npoi-ленность, 1976 г., N 3, с. 26-29.

4. A.C. 1133981 (СССР) "Устройство для определения прозрачно атмосферы"/ Авторы изобр. Абрамов Б.А., Иванов В.П., Ильин Г.

- 25 -

аров A.C., Польский Ю.Е., Филиппов В.Л., 1984 г. Филиппов В. Л., Макаров A.C., Мирумянц С. О., Семенов Л. С., Со-аева К.С., Федотьева Р.В. "Полуавтоматический регистратор ос-5ления видимого и инфракрасного излучения в диапазоне атмоефер-с "окон" прозрачности". Журн. Прикл. спектроскопии, 1975 г., [II, 5, с. 935-939.

Филиппов В.Л., Макаров A.C., Мирумянц С.О., Соловьева К.С., ¡ксашина Э.М., Кельдиватов А.Ф. "Фильтровый абсолютный измери-п> прозрачности атмосферы в видимом и инфракрасном диапазонах !ктра". Оптико-механическая промышленность, 1979 г., с. 24-25. Макаров A.C., Головачев В.П., Иванов В.П., Мирумянц С.О., Семе-ä Л.С., Филиппов В.Л., Ахмадеев М.Х., Соловьева К.С., Федотьева 3. "Базовый измеритель спектральной прозрачности атмосферы". )н. Прикл. спектроскопии, 1981 г., XXXV, 6, с. 1106-1111. A.C. 673951 (СССР) "Устройство для определения прозрачности оп-1еских трасс"/ Авторы изобр. Макаров A.C., Мирумянц С.О., Кель-затов А.Ф., Филиппов В.Л., Федотьева Р.В., 1979 г. A.C. 724994 (СССР) "Измеритель прозрачности оптических трасс"/ горы изобр. Макаров A.C., Филиппов В.Л., Иванов В.П., 1979 г. . A.C. 1007061 (СССР) "Устройство для определения прозрачности юсферы'УАвторы изобр. Танташев М.В., Макаров A.C., Филиппов I., 1982 г.

. Макаров A.C., Филиппов В.Л., Иванов В.П. "Некоторые особеннос-аэрозольного ослабления в зависимости от влажности воздуха"; В ,: Всесоюзное совещание по атмосферной оптике, ч.I, г.Томск, 7& г., с. 254-258.

. Макаров A.C., Филиппов В.Л., Иванов В.П. "Статистические ха-стеристики ослабления оптического излучения в приземном слое ат-

мосферы". Оптико - механическая промышленность, 1978 г., N 11, 58-63.

13. Макаров A.C., Филиппов Е.Л., Иванов В.П. "Результаты стаж ческого анализа экспериментальных материалов по аэрозольному лабленио видимой и ИК-радиации". В кн.; Всесоюзное совещание атмосферной оптике, ч.I, г.Томск, 1976 г., с. 259-263.

14. Филиппов В.Л..Макаров A.C., Ососков А.Н., Казаков В.Н., Ива В.П., Сидоренко В.И. "К вопросу о вариациях спектров размеров мсс&ерных аэрозолей". В кн.: Всесоюзное совещание по атмосфер оптике, ч.I, г.Томск, 1976 г., с. 263-272.

15. Филиппов В.Л., Макаров A.C., Иванов В.II. "О вариациях аэ зольного ослабления излучения в условиях ледяного тумана". В к IV Всесоюзн. симпозиум по распространению лазэрного излучен г.Томск, 1977 г.. с. 174-178.

16. Макаров A.C., Филиппов В.Л., Спиридонова Т.В. "Оценка вкл аэрозоля в ослабление излучения в атмосферном окне прозрачности 12 мкм". В кн.: Всесоюзное совещание по распространению оптичеа го излучения в дисперсной среде., М.: Гидрометеоиздат, 1978 г. 98-100.

17. Макаров A.C., Филиппов В.Л., Иванов В.П. "Статистические : рактеристики спектральной структуры объемных коэффициентов аэ] зольного ослабления в области 0,55-12 мкм". В кн.: V Всесокк симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосфе! г.Томск, 1978 г., с. 47-51.

18. Макаров A.C., Филиппов В.Л. "О прохождении излучения диапазс 400-300 см"1 в замутненной атмосфере по. данным спектральных изк рений в натурных условиях". Изв. АН СССР Физика атмосферы и оке на, 1979 г., 15, N 1, с. 60-05.

19. Филиппов В.Л., Макаров A.C., Иванов В.П. "Статистические у.

еристики ослабления видимой и ИК-радиации в приземном слое сферы". Изв. АН СССР Физика атмосферы и океана, 1979 г., 15, N :. 257-265.

Макаров A.C., Филиппов В.Л., Сутугин А.Г., Леонтьев А.Б. "О «ясности существования спектральных окон прозрачности в аэро->ной компоненте земной атмосферы". В кн.: II Всесоюзное совеща-по атмосферной оптике, г.Томск, 1980 г., ч.З, с. 30-32. Филиппов Б.Л., Макаров A.C., Козлов С.Д., Мирумянц С.О. "Лабо-эрное исследование влияния влажности на микрофизические жтеристики аэрозоля". В кн. XI Всесоюзн. совещ. по актиномет-, ч.У, г.Таллин, 1980 г., с. 82-84.

Макаров A.C., Филиппов В.Л., Иванов В.П. "Построение регио-ьных полуэмпирических моделей оптических характеристик атмосфе-. Б кн.: II Всесоюзн. совещание по распространению оптического учения в дисперсной среде, 'г.Обнинск, 1982 г., с. 19-23. Макаров A.C., Филиппов В.Л., Абрамов В.А., Козлов С.Д., Макси-В.С., Татьянин C.B. "Предварительные данные исследований ха-теристик ослабления и рассеяния аэрозольной атмосферы в услови-аридной зоны". В кн.: IV Всесоюзн. совещание по аэрозолям, ревак, 1982 г., с. 102.

Филиппов В.Л., Макаров A.C., Козлов С.Д., Аверьянова A.B., к.сашина Э.М. "Спектрофотометрическая установка для лабораторных ¡ледований оптико-микрофивических свойств аэрозолей в процессе эволюции". Журнал прикладной спектроскопии, 1980 г., т.XXXIII, 2, с. 381-384.

Филиппов В.Л., Козлов С.Д., Макаров A.C., Мирумянц С.О. "Каме-для комплексных оптико-микрофизических исследований атмосферы в 1унатурных условиях". В кн.: II Всесоюзн. совещание по раслрост-ïenm лазерного излучения в дисперсной среде". г.Обнинск, ч. II,

- аь -

1982 г., с. 3-5.

25. Макаров A.C., Филиппов В.Л. "Ослабление, рассеяние и поглоще ние оптического излучения в области аномальной дисперсии частиц" М.: ЦНИИ информации и ТЗИ, 1S74 г., N 780, 40 с.

27. Дябин Ю.П., Иванов В.П., Макаров A.C., Танташев Ы.В., Филиппе В.Л. "Оптические свойства атмосферы (руководство)". Ы.: ЦНИИ га формации и ТЭИ, 1982 г., H 2755, 117 с.

28. Филиппов В.Л., Сутугин А.Г., Леонтьев A.B., Макаров A.C. "Эй фект аномальной дисперсии на аэрозольных компонентах атмосфех минерального происхождения". Доклады АН СССР, 1982 г., т.265, N 4 с. 845-848.

29. Филиппов В.Л., Макаров A.C. "Ослабление излучения атыосфернь аэрозолем в полосах поглощения увлажненных частиц". Изв. АН ССС Физика атмосферы и океана, 1978 г., T.XIY, N 5, с. 557-561.

30. Филиппов В.Л., Макаров A.C. "Спектральная прозрачность приэе» ной атмосферы в диапазоне частот 400-770 см-1". Иав. АН СССР Фиэ» ка атмосферы и океана, 1976 г., 12, N 10, с. 1099-1102.

31. Макаров A.C., Филиппов В.Л., Иванов В.П. "Спектры прозрачной атмосферы на оптических трассах 5,4 км". В кн.: I Всесоюзн. сов« щание по атмосферной оптике, г.Томск, 1976 г., ч.I, с. 18-22.

32. Макаров A.C., Филиппов В.Л. "К вопросу о молекулярном поглоще нии ИК радиации в области 12-25 мкм". В кн.: I Всесоюзн. совещг низ по атмосферной оптике, г.Томск, 1976 г.. ч.I, с. 32-36.

33. Филиппов В.Л., Макаров A.C. "О влиянии температуры i спектральную прозрачность атмосферы". Изв. АН ССС? Физика атмосфс ры и океана, 1979 г., т.15, N 5, с. 557-540.

34. Филиппов В.Л., Макаров A.C., Мирумянц С.О. "Экспериментальш данные о прозрачности приземных атмосферных трасс различной npoTi женности в диапазоне 1-25 мкм". М.: ЦНИИ информации и ТЭИ, 191;

271 с.

Филиппов В.Л., Козлов С.Д., Макаров A.C. "Лабораторные иссле-шия спектральной прозрачности атмосферы в области 17,5-23,5 '. В кн.: II Всесоюзн. совещанйе\ по атмосферной оптике, жск, 1980 г., ч.З, с. 30-32.

Филиппов В.Л., Козлов С.Д., Макаров A.C. "Исследование проз-юсти атмосферы в диапазоне 470-1160 см-1". В кн.: V Всесоюзн. юзиум по распространению лазерного излучения е атмосфере, ;мск, 1981 г., с. 82-86.

Козлов С.Д..Макаров A.C., Филиппов В.Л. "Исследование функций 1ускания паров воды в области 17,5-23,5 мкм в лабораторных ус-1ях". Изв. АН СССР Физика атмосферы и океана, 1982 г., т.18, N 161-165.

Зиатдинова Н.М., Козлов С.Д., Макаров A.C., Филиппов В.Л. "О тературной зависимости функции поглощения в области вращатель-полосы водяного пара". В кн.: III Всесоюзн. совещание по эсферной оптике, г.Томск, 1983 г., с.185-187. Козлов С.Д., Макаров A.C., Филиппов В.Л. "Результаты статистики обработки экспериментальных данных по спектральной прозрач-ги атмосферы". В кн.: III Всесоюзное совещание по атмосферной же, г.Томск, 1983 г., с. 188-190.

Козлов С.Д., Румянцева H.A., Задорина Н.В., Макаров A.C., Фигов В.Л. "Прозрачность атмосферы в диапазоне 1-14 мкм при высо-метеорологической дальности видимости". Томск, 1984 г.. Деп. 1ТИ, N 2483-84, 51 с.

Макаров A.C., Филиппов В.Л. "Ассоциированные комплексы молекул эв НгО и прозрачность атмосферы". М.: ЦНИИ информации и ТЭИ, 5 г., N 1222, 31 с.

Макаров A.C., Филиппов В.Л. "Экспериментальные данные по ос-

лаблению излучения в области окон прозрачности (диапазон мкм)". В кн.: I Всесоюзное совещание по атмосферной с ке, г.Томск, 1976 г., ч.I, с. 18-22.

43. Макаров A.C., Филиппов В.Л. "Некоторые материалы иеследов коэффициентов ослабления излучения (8-12 мкм) в естественной мосфере". Изв. ВУЗов сер. Радиофизика, 1978 г., 21, N 3, 368-371.

44. Филиппов В.Л., Козлов С,Д., Макаров A.C. "Гидраты ионо прозрачность атмосферы". ДЕП. ВИНИТИ, N 2631-82, 1982 г., 150

45. Филиппов В.Л., Макаров A.C., Иванов В.П. "Построение ре нельных полуэмпирических моделей оптических характеристик атмо ры". Докл. АН СССР, 1932 г., т.265, N 6, с. 1353-1356.

46. Макаров A.C., Филиппов В.Л. "Ослабление ИК излучения в ат: фере при наличии осадков". Оптический журнал, 1996 г., N с. 33-36.

47. Балакирев В.В., Иванов В.П., Макаров A.C., Садчиков В.Б., тенков Б.Я., Кречетникова О.Л. "Лазерная станция для оператив] контроля пылегазового режима рудных карьеров". Оптический жур] 1996 г., N И, с. 63-65.

48. МакароЕ A.C., Иванов В.П., Козлов С. Д., Сидоренко В. И., Caj ков В.В., Сытенков В.Н. "Автоматизированный измеритель запылен! ти - анализатор размеров частиц". Оптический журнал, 1996 N11, с. 54-57.

49. Макаров A.C., Иванов В.П., Козлов С.Д., Сидоренко В.И., Caí ков В.В., Сытенков В.Н., Насыров А.Р., Невзоров В.А. "Перенос оптико-электронный измеритель запыленности воздуха". Оптичес журнал, 1996 г., N И, с. 58-60.



ФЕДЕРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЦЕНТР ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ОПТИКИ

На правах рукописи

МАКАРОВ Алексей Сергеевич

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРИКЛАДНЫХ

АТМОСФЕРНО-ОПТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

05.13.14. - Системы обработки информации и управления 01.04.05. - Оптика

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань - 1997 г

ОГЛАВЛЕНИЕ.

стр.

Введение ........................ 6

Глава 1. ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ...... 15

1.1. Тенденции развития ИК систем наблюдения, обнаружения и распознавания ................ 15

1.2. Возможные области применения ИК-аппаратуры в промышленности и научных исследованиях......... 17

1.3. Влияние атмосферного канала на работу инфракрасных систем ...................... 21

1.4. Методы атмосферно-оптических исследований ..... 36

1.5. Типизации оптической погоды и инженерные методики оценки пропускания атмосферы в ИК диапазоне спектра . 40

1.6. Цель и задачи исследования............. 46

Глава 2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ .... 48

2.1. Установка для спектральных исследований закономерностей ослабления видимой и ИК радиации....... 48

2.2. Абсолютный измеритель прозрачности атмосферы в видимой области спектра ............... 51

2.3. Полуавтоматический базовый измеритель прозрачности атмосферы в видимом и инфракрасном диапазоне спектра ....................... 55

2.4. Методика измерений................. 61

2.5. Анализ ошибок измерений............... 65

Выводы ......................... 69

Глава 3. ОСВОЕНИЕ РАЗРАБОТАННОГО КОМПЛЕКСА СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ В ПРАКТИКЕ ИЗУЧЕНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ

ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ....... 71

3.1. Спектральная прозрачность слабозамутненной атмосферы в диапазоне 0,5-25 мкм ............. 71

3.1.1. Спектры прозрачности слабозамутненной атмосферы (исходные данные) ................. 71

3.1.2. Влияние температуры на спектральную прозрачность атмосферы (области полос паров воды и углекислого

газа) ...................... 74

3.1.3. Определение параметров функции пропускания для паров воды в области 1-14 мкм............. 80

3.1.4. Сравнение экспериментальных спектров с расчетными в области 13-25 мкм ................ 90

3.1.5. Исследование коэффициентов непрерывного ослабления

в области 8-12 мкм ................ 95

3.2. Аэрозольное ослабление излучения в области 0,5 -

25 мкм ......................103

3.2.1. Статистические характеристики ослабления видимой и

ИК - радиации в приземном слое атмосферы......103

3.2.2. Ослабление излучения аэрозолем атмосферы в области

12-25 мкм .....................117

3.2.3. Ослабление излучения аэрозолем атмосферы в области полос поглощения увлажненных частиц ........ 125

Выводы .........................132

Глава 4. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНЫХ МЕТОДИК ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В АТМОСФЕРНОМ КАНАЛЕ ИНФРАКРАСНЫХ ОПТЖО -ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ.................134

4.1. Основные положения классификации типовых состояний "оптической" погоды ................134

4.2. Методика расчета прозрачности атмосферы по произвольно ориентированным трассам(газовый компонент) . . 136

4.2.1. Общие положения ..................136

4.2.2. Исходные данные для расчета газового компонента коэффициента пропускания атмосферы..........138

4.3. Расчет пропускания атмосферы (аэрозольный компонент) .......................139

4.3.1. Общие положения ..................139

4.3.2. Вертикальная стратификация показателя аэрозольного ослабления (безоблачные условия) .......... 139

4.3.3. Вертикальная стратификация показателя аэрозольного ослабления в подоблачном слое ...........145

4.3.4. Спектральная зависимость показателя аэрозольного ослабления ....................148

4.4. Разработка полевой инженерной методики оценки пропускания атмосферы ................149

4-5. Прогностическая модель ослабления оптического излучения в условиях осадков для рабочей области тепло-визионных приборов ................ 156

Выводы .........................163

Глава 5. КОМПЛЕКС ОПТИКО - ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И САНИТАРНОГО КОНТРОЛЯ ВОЗДУХА РАБОЧИХ ЗОН ....................165

5.1. Лазерная станция для оперативного контроля пылега-

зового режима глубоких карьеров .......... 168

5.1.1. Характеристики технических решений заложенных в

разработку ....................168

5.1.2. Методика измерений и обработки данных зондирования . 175

5.1.3. Методика метрологической аттестации локатора .... 178

5.2. Автоматизированный измеритель запыленности - анализатор размеров частиц "Квант-2П" ....................182

5.2.1. Характеристика технических решений заложенных в разработку ....................182

5.2.2. Градуировка фотоэлектрического счетчика частиц ... 192

5.3. Переносной оптико-электронный измеритель запыленности воздуха "Квант-ЗП".................202

Выводы .........................208

Заключение. Основные выводы и результаты работы ............210

Список использованных литературных источников ..............213

Приложение .......................244

ВВЕДЕНИЕ.

В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполненных автором в период с 1975 - 1997 гг, направленных на создание, развитие и внедрение оптико-электронных комплексов для атмосферно-оптических исследований в широком спектральном диапазоне, накопление статистически достоверных и метрологически обеспеченных данных и создание на их основе инженерных методик оценки и расчета энергетических потерь в атмосферном канале инфракрасных оптико-электронных приборов (ОЭП).

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

Последние несколько десятилетий характеризуются возросшим интересом к проблеме распространения излучения видимого и инфракрасного диапазонов спектра в атмосфере Земли. Это вызвано несколькими причинами. Появились новые источники излучения - оптические квантовые генераторы и новые высокочувствительные приемники излучения. Это в свою очередь послужило стимулом к созданию нового класса оптико - электронных приборов различного назначения, работающих на протяженных оптических трассах в атмосфере Земли. Их разработка невозможна без знания точных количественных данных об ослабляющих характеристик атмосферы.

Не меньшее значение имеют задачи геофизического и астрофизического содержания - это прежде всего радиационный перенос излучения в атмосферах планет, интерпретация данных наблюдений природных ресурсов Земли из космоса, исследование процессов эволюции Земной атмосферы, контроль загрязнения окружающей среды и т.д.

Успешное решение указанных задач зависит от наших знаний об оптико - физических характеристиках Земной атмосферы, в частности, их суточных и сезонных вариаций в зависимости от метеорологических,

в том числе и циркуляционных условий в разных географических районах Земного шара.

Следует отметить, что в настоящее время полная информация о физико - химических характеристиках атмосферы отсутствует как у нас в стране, так и за рубежом, а ее получение требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований. С другой стороны инженерными потребностями на повестку дня атмосферно - оптических исследований поставлена задача создания оптической модели атмосферы. Она может быть разработана только опираясь на анализ обширного материала экспериментальных исследований закономерностей распространения излучения видимого и ИК диапазонов спектра в атмосфере Земли. Особенно остро эта проблема стоит в связи с бурным развитием тепловизионной техники, как общегражданского, так и военного назначения, работающей в ближнем и среднем ИК-диапазоне. Получение этих данных требует соответствующего аппаратурного обеспечения. Все это ставит новые и сложные задачи перед методами и средствами измерения оптико-физических параметров атмосферы и обуславливает актуальность рассматриваемой в работе проблемы.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

В течение последних трех десятилетий были выполнены весьма многочисленные экспериментальные исследования по проблеме ослабления видимой и ИК - радиации в Земной атмосфере. В России эти работы выполнялись в основном в Институте физики атмосферы АН СССР, Институте оптики атмосферы СО АН СССР, Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова, Государственном оптическом институте им.С.И. Вавилова, Институте экспериментальной метеорологии, Ленинградском гос.университете, Государственном институте прикладной оптики и ряде других организаций АН СССР и Госкомгидромета.

Следует,в первую очередь, отметить исследования Г.В.Розенберга (ИФА) и В.Е.Зуева(ИОА) и их сотрудников: Георгиевского Ю.С., Шуку-рова А.Х., Кабанова М.В., Пхалагова Ю.А., Панченко М.В., а также исследования выполненные Броунштейном A.M. в ГТО, Федоровой Е.О. и Киселевой М.С. в ГОИ и Филипповым B.JI. в ГИПО.

Эти исследования, как правило, проводились в разных климатических зонах, были методически и статистически обеспеченными. Однако в этих работах использовалась различная аппаратура, созданная для решения конкретных задач, определяемых целями исследований. Анализ полученных результатов с учетом комплексности проводимых исследований позволил выработать ряд общих требований предъявляемых к приборному оснащению соответствующих измерений. Это послужило основой для создания в ГИПО комплекса оптико - электронных приборов для изучения оптико - физических параметров атмосферы.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

В соответствии с изложенным выше главная цель диссертационной работы состояла в создании и освоении приборного комплекса, позволяющего оперативно получать достоверную экспериментальную информацию об оптико - физических параметрах атмосферы с учетом погодно-климатических факторов, а также природных и антропогенных источниках загрязнения воздушного бассейна и разработать на этой основе инженерные методики оценки и расчета энергетических потерь в атмосферном канале ИК ОЭП.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

- Разработка методов и опытных образцов средств измерения оптико - физических параметров атмосферы.

- Накопление информационной базы в спектральной области ИК

ОЭП.

- Разработка и внедрение инженерных приложений по атмосферной оптике, применительно к задачам проектирования инфракрасных оптико-электронных систем.

- Разработка и внедрение промышленных образцов оптико-электронных приборов в практику организации экологического мониторинга окружающей среды и санитарного контроля воздуха рабочих зон.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ :

- Разработаны оригинальные приборы для комплексного исследования оптико - физических параметров атмосферы.

- Получен массив экспериментальных данных, позволивший сформулировать оригинальные статистически обоснованные выводы о региональных особенностях аэрозольной атмосферы и по поглощению инфракрасного излучения атмосферными газами.

- Разработаны инженерная методика оценки пропускания атмосферы и типовые состояния оптической погоды с их классификацией в интересах применения в расчетах характеристик атмосферного канала инфракрасных оптико - электронных систем.

- Разработан ряд оригинальных оптико-электронных измерителей запыленности воздуха применительно к задачам санитарного контроля рабочих зон и экологического мониторинга окружающей среды. Разработан вариант лидарного комплекса для дистанционного контроля пылега-газового загрязнения промышленных зон.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ К ЗАЩИТЕ.

1. Оригинальные научно - технические решения, заложенные в основу разработки комплекса приборов для измерения оптико - физических параметров атмосферы.

2. Статистические характеристики аэрозольного ослабления, пог-

лощения атмосферными газами и в континууме водяного пара.

3. Полевая инженерная методика оперативной оценки пропускания атмосферы и типизация состояний оптической погоды в рабочих спектральных диапазонах ОЭП (приборы ночного видения, тепловизоры, локаторы и т.д.).

4. Оригинальные научно-технические решения, заложенные в модификациях ОЭП для экологического мониторинга ("Квант", "Луч-ДПР"), их промышленное освоение и внедрение.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ полученных в диссертации результатов определяется потребностью в них:

- при проектировании инфракрасных оптико - электронных систем, работающих по атмосферному каналу;

- при разработке инженерных оптических моделей атмосферы, используемых при интерпретации спутниковых данных;

- при разработке инженерных методик оценки пропускания атмосферы, используемых при натурных испытаниях оптико - электронных приборов;

- при разработке и серийном освоении промышленных образцов приборов для экологического мониторинга окружающей среды и санитарного контроля воздуха рабочей зоны.

Приборные разработки дважды удостоены Всесоюзной премии им. академика С.И.Вавилова(Вторая за 1979 г. и Третья за 1981 г.) в области научного приборостроения.

ВНЕДРЕНИЕ.

Обобщенные результаты экспериментальных исследований внедрены:

- при разработке отраслевой "Оптико - геофизической модели тропосферы (Тропосфера - 82)" ГИПО, Казань, 1982 г.

Технические решения представленные в работе внедрены :

- при разработке и освоении серийного производства ряда приборов для контроля запыленности воздуха;

- при разработке и внедрении в промышленную эксплуатацию лазерной станции для контроля пылегазового режима в карьере месторождения "Мурунтау"(р.Узбекистан).

Внедрение результатов диссертации при разработке конкретных оптико - электронных приборов в организациях отрасли подтверждено соответствующими актами внедрения.

ПУБЛИКАЦИИ.

Основные результаты опубликованы в 48 статьях в центральных журналах и тематических сборниках центральных издательств, а также в монографии. Оригинальные технические решения заложенные в основу представленных приборных и технологических разработок подтверждены 6 авторскими свидетельствами.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Основные материалы работы докладывались на : Всесоюзном совещании по атмосферной оптике (г.Звенигород, 1974 г.); Всесоюзной научно - технической конференции "Современная прикладная оптика и оптические приборы"(г.Ленинград, 1975 г.); 1,11,111 Всесоюзных совещаниях по атмосферной оптике (г.Томск, 1976,1982,1983 гг.); IV, V Всесоюзных совещаниях по распространению лазерного излучения в атмосфере (г.Томск, 1977 г. ,.1981 г.); V Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы(г.Томск, 1978 г.); XI Всесоюзном совещании по актинометрии(г.Таллин, 1980 г.); Всесоюзном совещании по распространению оптического излучения в дисперсной среде(г.Обнинск, 1978 г.); II Всесоюзном совещании по распространению лазерного излучения в дисперсной среде(г.Обнинск, 1982 г.); IV Всесоюзном совещании по аэрозолям (г.Ереван, 1982 г.).

СОСТАВ ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация состоит из введения и пяти глав. Первая глава посвящена рассмотрению влияния среды распространения оптического излучения на работу ОЭП и носит, в основном, обзорный характер. В ней анализируются тенденции развития и основные области применения ИК-техники, влияние атмосферного канала на работу ИК-систем и основные оптические параметры определяющие это влияние. Рассматриваются основные методики измерения атмосферно-оптических параметров и требования к аппаратуре для их измерения. Проведен анализ типизаций оптической погоды и инженерных методик оценки пропускания атмосферы в ИК-диапазоне спектра. В конце главы формулируются цель диссертации и основные решаемые в ней задачи.

Во второй главе описан аппаратурный комплекс, примененный для исследования вариаций спектрального пропускания в приземном слое атмосферы, а также изложены методика и анализ ошибок измерений. Комплекс содержит установку для спектральных измерений, абсолютный измеритель прозрачности атмосферы, полуавтоматический базовый измеритель прозрачности. Далее в главе рассматривается методика и анализируются ошибки измерений.

Третья глава посвящена обсуждению полученных результатов по спектральной прозрачности атмосферы в области 0.5-25 мкм. Проведен анализ экспериментальных данных по спектральной прозрачности слабо замутненной атмосферы, а также изложены данные по влиянию температуры и парциального давления паров воды на спектральное пропускание. Рассмотрены материалы по континуальному поглощению в области "окна" 8-12 мкм. Сделан анализ сопоставимости экспериментальных спектров с расчетными для диапазона X е 13-25 мкм. Помимо этого, во второй главе, изложены результаты исследований аэрозольного ослаб-

ления и его вариаций в приземном слое воздуха. Анализируются статистические характеристики вариаций объемных коэффициентов аэрозольного ослабления, а также экспериментальные данные по ослаблению излучения аэрозолем вплоть до X = 25 мкм. Здесь же проведено рассмотрение результатов соответствующих экспериментальных исследований по ослаблению излучения аэрозолем атмосферы в областях полос поглощения увлажненных частиц.

Четвертая глава посвящена рассмотрению инженерных приложений, р