автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Оптико-электронные системы газоанализа с пространственным разрешением на основе непрерывного модулированного ладара и бистатического метода встречного зондирования

На правах рукописи

РГБ ОД

з С ш ш

САГДИЕВ РАФАЭЛЬ КАСИМОВИЧ

ОШЖО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ГАЗОАНАЛЮА С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ НА ОСНОВЕ НЕПРЕРЫВНОГО МОДУЛИРОВАННОГО ЛАДАРА И БИСТАТИЧЕСКОГО МЕТОДА ВСТРЕЧНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность: 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2000

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете

им. А.Н.Туполева

Научный руководитель

-доктор технических наук, профессор Р.Р.Агишев

Официальные оппоненты

-доктор физ.мат. наук, профессор Я.С.Урецкий, -кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.Т.Терновсков

Ведущая организация

-Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "Оптика", г.Москва

11

Защита состоится июня 2000 г. в 10 часов

на заседании диссертационного Совета К 063.43.05 Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан 2 мс\р 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

кандидат технических наук, доцент

В.А.Козлов

г^7 262. О /У/. 23, О

1 .ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Охрана окружающей среды представляет собой важнейшую проблему современности. Производственная деятельность человека приводит ко все возрастающему загрязнению атмосферы, водоемов и почвы. В атмосферу выбрасывается большое количество газообразных загрязняющих веществ, которые влияют на естественные физические и химические процессы в природе.

"' ' Необходимым условием для понимания различных процессов загрязнения воздух^ является чувствительное и избирательное детектирование многочисленных газовых компонентов. Непрерывный и оперативный контроль атмосферы необходим на производствах, использующих опасные газы, при исследованиях процессов пространственного переноса различных веществ в атмосфере, выхлопов двигателей, исследовании пламен и т.п. Для сведения к'Минимуму последствий аварийных ситуаций необходимо вовремя обнаружить факт утечки газа. То есть приборы контроля должны быть способны за короткое время и без непосредственного участия персонала обследовать значительные 'площади пространства и обладать разрешением по дальности.

Однако эффективность существующих детекторов газов, характеризуемая совокупностью функциональных, экономических и эксплуатационных показателей системы, остается невысокой. В частности, различные контактные датчики определяют концентрацию лишь в нескольких 'заранее выбранных точках. Импульсные лидары позволяют проводить измерения с разрешением по дальности в значительных пространственных масштабах, но являются слишком дорогими, что затрудняет йх'широкое применение.

Непрерывные ладарные системы' С пространственным разрешением, а также' бистатические системы с пространственным сканированием имеют ряд несомненных преимуществ. Однако в настоящее время они недостаточно1 изучены й разработаны. Поэтому возникает актуальная задача повышения эффективности методов и средств пространственно-разрешаемого газо-айалйза на основе непрерывных модулированных ладаров и бистатических систем с пространственным сканированием.

! Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности дисгганционной' газоанализа за счет использования непрерывного метода лазерной локации с пространственньи,*'разрешением с двойной

частотной модуляцией и бистатического метода пространственного сканирования с встречным зондированием.

Для достижения этой цели в диссертации¡решена задача разработки и исследования оптико-электронных систем газоанализа с пространственным разрешением на основе непрерывного ладара с двойной частотной модуляцией и бистатического метода встречного зондирования с пространственным сканированием.

Частные задачи диссертационной работы заключаются в разработке:

- ладарного метода дистанционного спектроскопического детектирования газов с пространственным разрешением по дальности на основе перестраиваемых лазерных диодов с двойной частотной модуляцией;

-математической модели непрерывного спектроскопического ладара с пространственным разрешением (НСПР-ладара), его численном моделировании и экспериментальных исследованиях;

- бист£тических оптико-электронных систем газоанализа повышенной точности ка основе пространственного сканирования и встречного зондирования и анализе их точностных характеристик.

Методы исследования. Теоретические разделы диссертационной работы базируются на методах теории дистанционного лазерного зондирования, оптического спектрального анализа, математическом аппарате теоретической радиоэлектроники, методах быстрого преобразования Фурье, методах численного моделирования. Практические результаты получены на основе экспериментальных установок с использованием современных персональных компьютеров.

Научная новизна работы представлена следующими результатами:

1. Предложен метод дистанционного детектирования газов на основе НСПР-ладара на лазерном диоде с двойной частотной модуляцией зондирующего излучения и разработана его математическая модель. Показано, что этот метод обеспечивает достижение измерения концентрации анализируемого газа с пространственным разрешением по дальности; амплитуды составляющих спектра дальномерных частот НСПР-ладара связаны с концентрацией детектируемого газа на исследуемых участках трассы через калибровочную функцию поглощения, а частоты соответствующих им компонент спектра биений пропорциональны расстояниям до исследуемых участков, что свидетельствует о применимости метода.

2: Получены калибровочные функции для вычисления концентрации газа по результатам измерений НСПР-ладара и проведено исследование зависимости амплитуды сигнала дальномерных частот от девиации оптической несущей зондирующего излучения. Установлено существование верхнего предела однозначно определяемой концентрации газа и наличие оптимального значения отношения девиации оптической несущей к ширине контура поглощения газа, при которой амплитуды сигналов дальномерных частот максимальны.

3. Проведен анализ точностных характеристик бистатических ОЭС с пространственным сканированием. Показано, что наибольшую погрешность измерения пространственного распределения концентрации вещества вносит неравномерность профиля ослабления излучения вдоль трассы зондирования. Разработаны методы измерения пространственного распределения веществ в атмосфере оптико-электронными системами с встречным и ортогональным зондированием, которые позволяют скомпенсировать этот источник погрешности, что обеспечивает значительное повышение точности измерений.

Практическая ценность, реализация и внедрение результатов исследований. Разработан и исследован метод дистанционного детектирования газов на основе НСПР-ладара с двойной частотной модуляцией зондирующего излучения, позволяющий использовать непрерывные лазерные диоды, уменьшить стоимость, габариты и массу ладарных систем и поеысить их эффективность. Получена математическая модель НСПР-ладара, позволившая разработать методику проведения измерений, определить параметры модуляции зондирующего излучения и основные тактико-технические характеристики системы.

Разработаны и исследованы методы измерения пространственного распределения газов на основе бистатических систем с встречным и ортогональным зондированием. Результаты исследований позволили разработать методику проведения измерений. Реализация предложенных методов позволяет существенно повысить точность измерений ОЭС.

Разработаны и изготовлены макеты дистанционных газоанализаторов и успешно проведены их натурные испытания в промышленности.

Исследования проводились в соответствии с комплексной программой: "Экологическая безопасность России", ■ целевой программой Минприроды РТ "Мониторинг окружающей среды Республики Татарстан" 1997-2СС0гг.,

республиканскими целевыми программами МинЧС РТ "Развитие государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций Республики Татарстан в 1997-1998гг." и "Программой Республики Татарстан по предупреждению чрезвычайных ситуаций на 1999-2003гг."

Теоретические и практические результаты диссертационной работы были использованы в КГТУ. им.А.Н.Туполева при выполнении НИР по разработке дистанционных детекторов газов, а также внедрены и используются в учебном процессе университета в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы.. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

- Республиканской научной конференции "Проблемы разработки нефтяных месторождений и подготовки специалистов в ВУЗе", г.Альметьевск, АлНИ, 1996; г- IV Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана",

г.Томск, ИО А, 1997;

- III Республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан", г.Казань, 1997;

- II Республиканской конференции молодых ученых и специалистов,;. г.Казань, 1997; , . . ,

- Международном симпозиуме "Контроль и реабилитация окружающей среды", г.Томск, СО РАН, 1998;

- VI Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", г.Томск, ИОА, 1999; . ,

- Международном симпозиуме "Аэросенс", конференции "Лазерные радарные технологии и их применение", Киев, 1999. ". • ■ .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатныхработ, в том числе 2 статьи и 5 тезисов докладов, поданы 3 заявки на изобретение, написано 3 отчета по НИР.

Основные положения, представляемые к защите ■■ ■. •

1. Метод дистанционного детектирования газов с пространственным разрешением на основе непрерывных ладаров с двойной частотной модуляцией. ••!■..., м

2. Результаты разработки математической модели НСПР-ладара; результаты численного моделирования НСПР-ладара; методика измерений и

алгоритм обработки эхо-сигналов НСПР-ладара. Результаты экспериментальных исследований установок дистанционного газоанаяиза.

3. Результаты анализа точностных характеристик бистатических ОЭС с пространственным сканированием. Методы-измерения пространственного распределения концентрации веществ бйстатическими системами встречного зондирования. ■'

Структура и объем диссертации. Диссертация-'изложена на 130 страницах машинописного текста, иллюстрирована 45 рисунками и 3 таблицами и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 78 наименований и приложения.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, представлены основные защищаемые положения. Показана научная новизна и практическая значимость работы. Описана структура диссертации и приведено ее краткое описание.

В первой главе проведен анализ современных методов и приборов де- • тестирования газов и выявленЬ1 пути повышения1 эффективности дистанци- ' онных детекторов газов. '" '

Обзор методов мониторинга атмосферы показйл, что в настоящее время . одним из наиболее чувствительных и избирательных при измерениях на от-,.: крытых трассах является спектроскопический метод- газоанализа, основанный на модуляции длины волны излучения" лазерного диода в пределах кон- > тура поглощения исследуемого газа. При всех своих достоинствах этот ме-.,:. тод не позволяет проводить измерения с пространственным-разрешением-;.

Традиционно в моностатичёских лидарах: с' пространственным - разре- ■. шением испдльзуют импульсный метод локации. Недостатком метода'является использование мощных импульсных тйердотеЛьных илй газовых; лазе-г, ров, которые имеют высокую стоимость, создают импульсные помехи, громоздки, часто требуют водяного охлаждения. ' - '<•

Существует альтернативный подход к построению зондйрующйх' систем, обусловленный энергетической эквивалентностью импульсного метода локации с высокой пиковой мощностью й малой длительностью импульса и 4 непрерывного метода с меньшей ср<даей мопшосгаю''й '¿¿Шь'ййй'врй^йей1' наблюдения. При реализации непрерывных модулйрованныхлйзер'ных каторов - ладаров - появляется возможность построить более деше)зь1е,' ;лёг-'

кие и компактные системы. Существующие непрерывные аэрозольные ла-дары, работающие на одной длине волны, не позволяют определять газовый состав атмосферы.' Непрерывные ладары на основе метода дифференциального поглощения и рассеяния обеспечивают измерения пространственного распределения концентрации газа. Однако они проигрывают в концентрационной чувствительности методам модуляционной спектроскопии, поскольку измерение концентрации производится только по двум точкам контура поглощения газа.

Таким образом, перспективным является создание ладара, позволяющего использовать достоинства непрерывных локационных методов зондирования и современных модуляционных методов спектроскопии, для исследования газового состава атмосферы.

Для проведения измерений с высоким разрешением по дальности часто применяют бистатические оптико-электронные системы с пространственным сканированием. Недостатком существующих систем является низкая точность измерений в условиях значительной неравномерности профиля ослабления излучения вдоль трассы зондирования. Поэтому необходимо разработать новые подходы к построению таких ОЭС, позволяющие повысить точность измерения пространственного распределения газа.

Таким образом, в результате исследований, проведенных в первой главе, были выявлены пути повышения эффективности газовых детекторов и определены частные задачи дальнейших исследований.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию непрерывного спектроскопического ладара с пространственным разрешением (НСПР-ладара) на лазерном диоде с двойной частотной модуляцией.

Предложен ладарный метод детектирования газов на основе лазерных диодов со сканированием линии поглощения анализируемого газа, которое обеспечивается частотной модуляцией оптической несущей лазерного диода управляющим сигналом с линейным изменением поднесущей частоты.

Функциональная схема НСПР-ладара показана на рис.1. Принцип действия НСПР-ладара заключается в следующем. Излучение лазера направляется в исследуемую область пространства. Взаимодействие модулированного по частоте и. постоянного по интенсивности зондирующего излучения (рис.2, кривая 1) с газом в пределах его заранее выбранной линии поглощё-ния (поверхность 2) приводит к появлению модуляции интенсивности принимаемого эхо-сигнала (кривая 3). Чем больше концентрация газа, а следовательно - величина поглощения, тем больше глубина модуляций интенсив-

ности. Часть эхо-сигнала, испытавшего взаимодействие с исследуемым газом и рассеянного атмосферным аэрозолем в обратном направлении, собирается приемным телескопом.

Исследуемая среда

Рис 1. Функциональная схема непрерывного спектроскопического ладара с пространственным разрешением. Обозначено: ЛЧМГ - генератор колебаний с линейным изменением частоты; ЧМ - частотный модулятор; ЛД - лазерный диод; ПрдО - передающая оптика; ПрмО - приемная оптика; ФД - фотодетектор; СМ - смеситель; ФНЧ - фильтр низких частот, АС - анализатор спектра; БОИ - блок обработки информации

3 Принимаемый эхо-

Рис.2. Взаимодействие частотномодулированного зондирующего излучения с исследуемым газом

Измерение приращения частоты поднесущей излучения за время его распространения посредством регистрации разности частот лоднесущих излученного и эхо-сигналов позволяет контролировать расстояние до исследуемого участка трассы. Путем анализа спектра дальномерных частот вычисляется пространственное распределение исследуемого газа.

Для проведения нормирования принимаемых эхо-сигналов вводится второй поддикл измерений, во время которого осуществляется амплитудная модуляция оптической несущей излучения сигналом с линейным изменением частоты поднесущей и прием эхо-сигнала обратного аэрозольного рассеяния.

Для определения алгоритма обработки сигнала, параметров и особенностей работы системы была разработана математическая модель НСПР-ладара, основанная на описании поглощения исследуемым газом лазерного излучения, описываемого текущей частотой

v(f)=vлm0+^v■ъo!>(?vнt + Р-Р-12). (1)

При этом коэффициент избирательного поглощения излучения исследуемым газом с лоренценским контуром поглощения определяется выражением: ''' ;

Ть =ехр|-2-г/([а + 6-соз(^л/ + ^-Г/2)]2.+ 1)}, (2)

где Ть - коэффициент поглощения; Ужо - центральная частота излучения лазера; Ау- девиация частоты оптической несущей, лазера; \\>н - начальная частота поднесущей с линейным изменением частоты; /3- скорость изменения частоты поднесущей; а = (у0 - Ула]'0)! у ь - относительная расстройка частоты излучения лазера от центра контура поглощения газа; Ь = Ау/уь - относительная девиация несуще^ излучения; уь - полуширина контура поглоще-

я. .

ния газа; у0 - частота центра контура поглощения газа; г = -а-с/г -

о

оптическая толщина пути, проходимого лазерным лучом; N(0) - концентрация исследуемого газа, Я - расстояние до исследуемого участка трассы; а- сечение поглощения исследуемым газом.

При построении этой модели сделаны следующие допущения: ширина линии генерации, лазера намного меньше девиации частоты несущей и полуширины контура поглощения газа, т.е. Глаз«у^ девиация час' '•т.' поднесущей ^намного меньше полуширины контура поглощения га-

■за,- девиация частоты несущей Л к достаточно мала по сразнению с

полушириной контура поглощения .

В'результате моделирования процессов приема эхо-сигнала, получения сигналов разностной частоты найдено нормированное значение сигнала дальномерной частоты, имеющего вид:.

и (Я, а, Ь) = к - [ГХ2 (X, Я, а, Ь) + Т£4 (Ы, Я, а, 6)] х соб(4/7 • Я ■ / / с + <р) (3)

для варианта настройки лазера на центр контура поглощения исследуемого газа;

V{Я, а,Ь) = к -{Тц (ЛГ, Я, а, Ъ) 12 + 3 • Тьз (ЛГ, Я, а, Ь) / 8]х соз(2^ • Я ■ / / с + ср)

(4)

для варианта настройки лазера на склон контура поглощения исследуемого газа. Здесь Тц - члены разложения коэффициента поглощения (2) в ряд Тейлора относительно функции соз(и>,/ + ¡3 ■ I / 2); с - скорость света; <р - начальная фаза колебаний.

Зная значение нормированного сигнала, вычисление концентрации газа производится по калибровочной функции Ф(и(Я),уцЛу) - зависимости значения определяемой концентрации от амплитуды нормированного сигнала дальномерной частоты.

Путем анализа амплитуд и частот дальномерного спектра производится вычисление пространственного распределения исследуемого газа.

Значение концентрации газа, усредненное по разрешаемому интервалу дальности ЛЯ, определяется выражением:

Ы{я-Ш) = Г(Д + А^"Г(Д) = х [Ф(ЩЯ + АЯ)) - Ф(1/ (Л))] (5) ег-Дл а-Ак

Таким образом, показано, что амплитуды составляющих спектра даль-номерных частот ДСПР-ладара связаны с концентрацией детектируемого газа на исследуемых участках трассы через калибровочную функцию поглощения, а частоты соответствующих им компонент спектра биений пропорционально зависят от расстояний до исследуемых участков, что свидетельствует о применимости метода.

На основе разработанной модели были рассчитаны калибровочные функции Ф(и(Я),уьАу) (рис.За). Показано, что для каждого значения относительной. девиации существует верхний предел однозначно определяемой концентрации газа.

Проведен анализ зависимости нормированных сигналов дальномерных частот от относительной девиации оптической несущей Ь (рис.3.б). Показано, что существует оптимальное значение отношения девиации оптической несущей к ширине контура поглощения газа, при которой амплитуды сигналов дальномерных частот максимальны.

2,4 3,2 Ь

Ркс.З. а) калибровочная функция для вычисления концентрации газа; б) зависимость нормированного сигнала дальномерной частоты от относительной девиации оптической несущей

Проведено численное моделирование НСПР-ладара согласно описанному ранее подходу с использованием преобразования сигналов в ряд Фурье. Результаты численного моделирования подтверждают положение о том, что при проведении спектрального анализа сигналов дальномерных частот НСПР-ладара можно выделять сигналы, несущие информацию об измеряемой концентрации газа с разноудаленных слоев трассы.

Проведено также численное моделирование НСПР-ладара согласно подходу, основанному на рассмотрении взаимодействия спектральных составляющих поля зондирующего излучения с контуром поглощения исследуемого газа Т(у/)\

£(/) = Е0 ■ ехр[г / [Улаз0 + Ак-+ р-Р" /2)]Л = О

оэ . . "

= I £(и-и>от).ехр(1-и^м0 (6)

п = -оо 00

ЕГа)= I Е(п-кт)-ехр(1-п-кт0-г(п-™т) (7)

,•« = -00

Ы1)=с-(Е1(0*-Ег{ф/8л; (8)

где Ео — амплитуда электромагнитного поля; - электромагнитное поле эхо-сигнагга; Т(у>) - контур поглощения газа; Ет(0* - комплексно сопряженная функция для Ет0)\ 1x0) ~ интенсивность излучения эхо-сигнала.

В результате моделирования показано, что в типичной для НСПР-ладара ситуации, когда девиация поднесущей намного меньше, чем полуширина контура поглощения газа ¡¥«/1, амплитуда колебаний на выходе фотодетектора неизменна в течение всего периода линейного изменения частоты. В случаях, когда девиация поднесущей становится сравнимой с полушириной контура поглощения появляется паразитная амплитудная модуляция, приводящая к ошибкам определения концентрации газа на ближних расстояниях.

Исследовано влияние нестабильности частоты лазера и нестабильности девиации несущей на точность определения концентрации исследуемого газа. Показано, что погрешность определения концентрации НСПР-ладаром при отсутствии стабилизации частоты излучения лазерного диода достигает значения 100%.

Разработана система стабилизации частоты лазера НСПР-ладара по линии поглощения исследуемого газа. Показано, что достигаемая стабильность частоты лазера позволяет снизить относительную погрешность определения концентрации газа до значения менее 1%.

Третья глава посвящена разработке и исследованиям бистатических систем с пространственным сканированием и встречным зондированием.

При зондировании среды пространственное распределение концентрации газа для последовательных точек среды представляется в виде функции распределения

£) = ^/2УУ.../гУ, , ,, (9)

где 7/( - концентрация исследуемого газа в ¡-той точке.

Традиционно при проведении измерений бистатическими ОЭС с пространственным сканированием во многих самых разнообразных приложениях функция распределения I) определяется по отношению мощностей принимаемых сигналов из исследуемых точек. Нами показано, что неравномерность профиля ослабления излучения вдоль трассы зондирования во многих практических ситуациях ведет к большим погрешностям измерений. Эта составляющая погрешности определяется выражением:

£фг) = ехр(-а-ДЯ)-1, (10)

где а - показатель ослабления зондирующего излучения, ДЛ - расстояние между исследуемыми точками.

Для повышения точности измерений разработаны методы определения пространственного распределения газа со встречным и ортогональным зондированием (рис.4), позволяющие компенсировать вклад этого источника погрешности. •

Причем ОЭС с встречным зондированием позволяет компенсировать погрешности измерений, связанные с неравномерностью профиля'ослабления излучения вдоль трассы зондирования. ОЭС с ортогональным зондированием позволяет компенсировать погрешности измерений, связанные с неравномерностью профиля ослабления излучения вдоль трассы его прохождения от излучателя к'фотоприемнику.

. Разработаны методики измерений и алгоритмы обработки принятых сигналов. Получено, что для системы с встречным зондированием концентрация газа в и-ой точке определяется согласно выражению:

<П)

Для системы с ортогональным зондированием концентрация газа в и-ой точке определяется согласно выражению;..

ж,

где Р^^кО, Р^п (Лт) и Ро6р„(Л2) - мощности измеренного сигнала из л-ой точки среды на длине волны Л/ и при прямом « обратном направлениях зондирования; — мощность измеренного сигнала из и-ой точки среды при ортого-

, нальном направлении зондирования. Длина волны Я/ соответствует взаимодействию зондирующего излучения с исследуемым веществом; длина волны 12 , соответствует взаимодействию зондирующего излучения с вспомогательным веществом, также присутствующим в атмосфере, эффективность взаимодействия с которым намного больше, чем с основным веществом.

Исследуемая среда ' '•'

Исследуемая среда

б

Рис.4 Структуры бистатических оптико-электронных систем : а) с встречным б) с ортогональным зондированием

Для ОЭС с встречным и ортогональным зондированием рассчитаны юс-гйровочные характеристики - зависимости погрешности измерения от величины-ошибок юстировок оптических осей излучателя и приемника. Также дан шализ погрешностей измерений, определяемых совместно неравномерностью трофиля поглощения зондирующего излучения и ошибками юстировки для

предлагаемых и традиционных систем. Показано, что системы с встречным и ортогональным зондированием позволяют повысить точность измерений.

В четвертой главе, рассматриваются вопросы технической-реализации дистанционных газоанализаторов.

В главе приводятся результаты разработки структурных и принципиальных схем установок оптико-электронной аппаратуры для дистанционного детектирования газов и результаты исследований ее работы.

В ходе экспериментов проводились исследования и сравнительный анализ установок дистанционного газоанализа на основе лазерных диодов и широкополосных излучателей. Проведены натурные испытания разработанных установок на промышленных объектах.

Результаты лабораторных исследований и натурных испытаний показали высокую эффективность приборов на основе лазерных диодов, их способность измерения утечек газов на открытом воздухе в различных погодных условиях.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ современного состояния вопроса в области разработки приборов и систем газоанализа воздушной среды показал актуальность создания систем газового детектирования на основе непрерывных спектроскопических ладаров с пространственным разрешением по дальности и бистати-ческих ОЭС с пространственным сканированием повышенной точности.

2. Предложен непрерывный метод дистанционного спектроскопического газоанализа на основе НСПР-ладара на лазерном диоде с двойной частотной модуляцией зондирующего излучения и разработана его математическая модель. Показано, что этот метод обеспечивает достижение измерения концентрации анализируемого газа с пространственным разрешением по дальности; амплитуды составляющих спектра дальномерных частот НСПР-ладара связаны с концентрацией детектируемого газа на исследуемых участках трассы через калибровочную функцию поглощения, а частоты соответствующих им компонент спектра биений пропорциональны расстояниям до исследуемых участков,-что" свидетельствует о применимости метода. Реализация НСПР-ладара на основе предложенного, .метода позволяет уменьшить стоимость,, габариты и массу систем дистанционного зондирования с пространственным разрешением и повысить эффективность газоаы>

детекторов. Полученная математическая модель НСПР-ладара позволила разработать методику проведения измерений.

3. Получены калибровочные функции для вычисления концентрации газа по результатам измерений НСПР-ладара и проведено исследование зависимости амплитуды сигнала дальномерных частот от девиации оптической несущей зондирующего излучешм. Установлено существование верхнего предела однозначно определяемой концентрации газа и наличие оптимального значения отношения девиации оптической несущей к ширине контура поглощения газа, при которой амплитуды сигналов дальномерных частот максимальны. Это позволяет обоснованно выбрать параметры модуляции зондирующего излучения и определить тактико-технические характеристики системы.

4. Проведен анализ точностных характеристик бистатических ОЭС с пространственным сканированием. Показано, что наибольшую погрешность измерения пространственного распределения концентрации вещества вносит неравномерность профиля ослабления излучения вдоль трассы зондирования. Разработаны методы измерения пространственного распределения веществ в атмосфере оптико-электронными системами с встречным и ортогональным зондированием, которые позволяют скомпенсировать этот источник погрешности, что обеспечивает значительное повышение точности измерений. Результаты исследований позволили разработать методики проведения измерений. Реализация приборов на основе предложенных методов позволяет существенно повысить точность измерений ОЭС.

5. Результаты натурных испытаний приборов, построенных на базе проведенных исследований, на промышленных объектах показали их высокую эффективность и широкие функциональные возможности.

4. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Агишев P.P., Галеев М.М., Савин Д.Е., Сагдиев Р.К. Лазерный локатор метана и суммы предельных углеводородов для дистанционных измерений в полевых условиях // Проблемы разработки нефтяных месторождений и подготовки специалистов в ВУЗе: Тезисы докладов республиканской конференции. - Альметьевск: АлНИ, 1996. - С. 143-146.

2. Агишев P.P., Галеев М.М., Савин Д.Е., Сагдиев Р.К. Некоторые особенности аппаратурной реализации модулированных непрерывных лидаров // Тезисы докладов' IV Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана"/ ИОА. - Томск, 1997. - С.196-198.

3. Агишев P.P., Сагдиев Р.К. О выборе метода контроля загрязнений атмосферного воздуха // Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан: Тезисы докладов III Республиканской научной конференции. -Казань, 1997.-С.280.

4. Агишев P.P., Айбатов JI.P., Сагдиев Р.К. Дистанционное бесконтактное обнаружение утечек аммиака в цеховых условиях // Тезисы докладов Международного симпозиума "Контроль и реабилитация окружающей среды". - Томск: Изд-во СО РАН, 1998. - С.46-47.

5. Агишев P.P., Айбатов Л.Р., Власов В.А., Сагдиев Р.К. Дистанционное бесконтактное обнаружение утечек аммиака в цеховых условиях // Оптика атмосферы и океана. -1999. - Т.12, №1. - С.70-74.

6. Агишев P.P., Власов В.А., Сагдиев Р.К Детектирование газовых утечек LD-FM-CW-дидаром // Тезисы докладов VI Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана"/ ИОА. - Томск, 1999. - С.90.

7. Агишев P.P., Сагдиев Р.К. Моделирование частотно-модулированного шздара с лазерным диодным излучателем // Вестник КГТУ им.А.Н.Туполева.-2000.-№1. С.5-10.

Введение

Глава 1 Приборы и методы детектирования газов

1.1 Способы выделения объектов контроля при детектировании газов

1.2 Дистанционные спектроскопические методы детектирования газов

1.3 Спектроскопические абсорбционные методы детектирования газов

1.4 Лидарные методы детектирования газов

1.4.1 Моностатические ли дары

1.4.2 Бистатические оптико-электронные системы с пространственным сканированием

1.5 Постановка задачи

Глава 2 Непрерывный спектроскопический ладар на лазерном диодном излучателе с двойной частотной модуляцией,

2.1 Принцип действия НСПР-ладара

2.2 Математическая модель НСПР-ладара

2.2.1 Модель НСПР-ладара на основе описания спектра эхо-сигнала

2.2.2 Модель НСПР-ладара на основе описания "мгновенной" частоты излучения

2.3 Методика измерений и структурная схема НСПР-ладара

2.4 Численное моделирование НСПР-ладара

2.4.1 Численное моделирование на основе "спектрального" подхода описания НСПР-ладара

2.4.2 Численное моделирование НСПР-ладара на основе подхода "мгновенной частоты"

2.5 Погрешности определения концентрации газа, обусловленные нестабильностью частоты излучения лазера и нестабильностью относительной девиации оптической несущей

2.6 Стабилизация частоты излучения лазера НСПР-ладара

2.7 Выводы по главе

Глава 3 Бистатические оптико-электронные системы детектирования газов с пространственным сканированием

3.1 Анализ точностных характеристик традиционных бистатических оптико-электронных систем с пространственным сканированием

3.2 Бистатические оптико-электронные системы с встречным зондированием

3.3 Анализ точностных характеристик оптико-электронных систем с встречным зондированием

3.4 Бистатические оптико-электронные системы с ортогональным зондированием

3.5 Методика измерений и структурная схема оптико-электронной системы с ортогональным зондированием

3.6 Выводы по главе

Глава 4 Исследование особенностей реализации систем дистанционного газоанализа на основе оптических спектроскопических методов

4.1 Исследование спектра поглощения газа

4.2 Экспериментальные установки для дистанционного детектирования аммиака

4.2.1 Экспериментальная установка на основе лазерного диода

4.2.2 Экспериментальная установка на основе на основе широкополосных источников излучения

4.2.3 Исследования работы дистанционных детекторов газов

4.3 Сравнение разработанных дистанционных анализаторов аммиака 125 4 Л Выводы по главе

Охрана окружающей среды представляет собой важнейшую проблему современности. Производственная деятельность человека приводит ко все возрастающему загрязнению атмосферы, водоемов и почвы. В атмосферу выбрасывается большое количество газообразных загрязняющих веществ, которые влияют на естественные физические и химические процессы в природе.

Необходимым условием для понимания различных процессов загрязнения воздуха является чувствительное и избирательное детектирование многочисленных газовых компонентов. Непрерывный и оперативный контроль атмосферы необходим на производствах, использующих опасные газы, при исследованиях процессов пространственного переноса различных веществ в атмосфере, выхлопов двигателей, исследовании пламен и т.п. Для сведения к минимуму последствий аварийных ситуаций необходимо вовремя обнаружить факт утечки газа. То есть приборы контроля должны быть способны за короткое время и без нецосредственного участия персонала обследовать значительные площади пространства и обладать разрешением по дальности.

Однако эффективность существующих детекторов газов, характеризуемая совокупностью функциональных, экономических и эксплуатационных показателей системы, остается невысокой. В частности, различные контактные датчики определяют концентрацию лишь в нескольких заранее выбранных точках. Импульсные лидары позволяют проводить измерения с разрешением по дальности в значительных пространственных масштабах, но являются слишком дорогими, что затрудняет их широкое применение.

Непрерывные ладарные системы с пространственным разрешением, а также бистатические системы с пространственным сканированием имеют ряд несомненных преимуществ. Однако в настоящее время они недостаточно изучены и разработаны. Поэтому возникает актуальная задача повышения эффективности методов и средств пространственно-разрешаемого газоанализа на основе непрерывных модулированных лада-ров и бистатических систем с пространственным сканированием.

Целью настоящей диссертационной работы является повышение эффективности дистанционного газоанализа за счет использования непрерывного метода лазерной локации с пространственным разрешением с двойной частотной модуляцией и бистатичёского метода пространственного сканирования с встречным зондированием.

Для достижения этой цели в диссертации решена задача разработки и исследования оптико-электронных систем газоанализа с пространственным разрешением на основе непрерывного ладара с двойной частотной модуляцией и бистатичёского метода встречного зондирования с пространственным сканированием.

Частные задачи диссертационной работы заключаются в разработке:

- ладарного метода дистанционного спектроскопического детектирования газов с пространственным разрешением по дальности на основе перестраиваемых лазерных диодов с двойной частотной модуляцией;

-математической модели непрерывного спектроскопического ладара с пространственным разрешением (НСПР-ладара), его численном моделировании и экспериментальных исследованиях;

- бистатических оптико-электронных систем газоанализа повышенной точности на основе пространственного сканирования и встречного зондирования и анализе их точностных характеристик.

Методы исследования. Теоретические разделы диссертационной работы базируются на методах теории дистанционного лазерного зондирования, оптического спектрального анализа, математическом аппарате теоретической радиоэлектроники, методах быстрого преобразования Фурье, методах численного моделирования. Практические результаты получены на основе экспериментальных установок с использованием современных персональных компьютеров.

Научная новизна работы представлена следующими результатами:

1. Предложен метод дистанционного детектирования газов на основе НСПР-ладара на лазерном диоде с двойной частотной модуляцией зондирующего излучения и разработана его математическая модель. Показано, что этот метод обеспечивает достижение измерения концентрации анализируемого газа с пространственным разрешением по дальности; амплитуды составляющих спектра дальномерных частот НСПР-ладара связаны с концентрацией детектируемого газа на исследуемых участках трассы через калибровочную функцию поглощения, а частоты соответствующих им компонент спектра биений пропорциональны расстояниям до исследуемых участков, что свидетельствует о применимости метода.

2. Получены калибровочные функции для вычисления концентрации газа по результатам измерений НСПР-ладара и проведено исследование зависимости амплитуды сигнала дальномерных частот от девиации оптической несущей зондирующего излучения. Установлено существование верхнего предела однозначно определяемой концентрации газа и наличие оптимального значения отношения девиации оптической несущей к ширине контура поглощения газа, при которой амплитуды сигналов дальномерных частот максимальны.

3. Проведен анализ точностных характеристик бистатических ОЭС с пространственным сканированием. Показано, что наибольшую погрешность измерения пространственного распределения концентрации вещества вносит неравномерность профиля ослабления излучения вдоль трассы зондирования. Разработаны методы измерения пространственного распределения веществ в атмосфере оптико-электронными системами с встречным и ортогональным зондированием, которые позволяют скомпенсировать этот источник погрешности, что обеспечивает значительное повышение точности измерений.

Практическая ценность, реализация и внедрение результатов исследований. Разработан и исследован метод дистанционного детектирования газов на основе НСПР-ладара с двойной частотной модуляцией зондирующего излучения, позволяющий использовать непрерывные лазерные диоды, уменьшить стоимость, габариты и массу ладарных систем и повысить их эффективность. Получена математическая модель НСПР-ладара, позволившая разработать методику проведения измерений, определить параметры модуляции зондирующего излучения и основные тактико-технические характеристики системы.

Разработаны и исследованы методы измерения пространственного распределения газов на основе бистатических систем с встречным и ортогональным зондированием. Результаты исследований позволили разработать методику проведения измерений. Реализация предложенных методов позволяет существенно повысить точность измерений ОЭС.

Разработаны и изготовлены макеты дистанционных газоанализаторов и успешно проведены их натурные испытания в промышленности.

Исследования проводились в соответствии с комплексной программой: "Экологическая безопасность России", целевой программой Минприроды РТ "Мониторинг окружающей среды Республики Татарстан" 19972000гг., республиканскими целевыми программами МинЧС РТ "Развитие государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций Республики Татарстан в 1997-1998гг." и "Программой Республики Татарстан по предупреждению чрезвычайных ситуаций на 19992003гг."

Теоретические и практические результаты диссертационной работы были использованы в КГТУ им.А.Н.Туполева при выполнении НИР по разработке дистанционных детекторов газов, а также внедрены и используются в учебном процессе университета в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

- Республиканской научной конференции "Проблемы разработки нефтяных месторождений и подготовки специалистов в ВУЗе", г.Альметьевск, АлНИ, 1996;

- IV Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", г.Томск, ИОА, 1997;

- III Республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан", г.Казань, 1997;

- II Республиканской конференции молодых ученых и специалистов, г.Казань, 1997;

- Международном симпозиуме "Контроль и реабилитация окружающей среды", г.Томск, СО РАН, 1998;

- VI Международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана", г.Томск, ИОА, 1999;

- Международном симпозиуме "Аэросенс", конференции "Лазерные радарные технологии и их применение", Киев, 1999.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи и 5 тезисов докладов, поданы 3 заявки на изобретение, написано 3 отчета по НИР.

Основные положения, представляемые к защите

1. Метод дистанционного детектирования газов с пространственным разрешением на основе непрерывных ладаров с двойной частотной модуляцией.

2. Результаты разработки математической модели НСПР-ладара; результаты численного моделирования НСПР-ладара; методика измерений и алгоритм обработки эхо-сигналов НСПР-ладара. Результаты экспериментальных исследований установок дистанционного газоанализа.

3. Результаты анализа точностных характеристик бистатических ОЭС с пространственным сканированием. Методы измерения пространственного распределения концентрации веществ бистатическими системами встречного зондирования.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 130 страницах машинописного текста, иллюстрирована 45 рисунками и 3 таблицами и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 8/наименований и приложения.

4.4 Выводы по главе

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Измерения спектров поглощения позволили точно выбрать аналитические участки длин волн для дистанционного обнаружения аммиака. Результаты исследования спектра поглощения аммиака показали, что наиболее целесообразно использовать область 1,5 мкм для зондирования среды при помощи лазерного диода и область 2,0 мкм для зондирования при помощи широкополосного излучателя.

2. Лабораторные и натурные исследования прибора с широкополосным излучателем показали высокую чувствительность прибора к угловому положению фотоприемника относительно зондирующего луча и к вибрациям аппаратуры. Чувствительность измерений концентрации анализатора на 2,0 мкм составила 150 мг/м3.

3. Лабораторные и натурные исследования прибора на основе лазер

•5 ного диода показали чувствительность измерения концентрации 75 мг/м . Избирательность измерения концентрации аммиака анализатора на лазерном диоде в 1000 раз лучше, чем у прибора с широкополосным излучателем.

128

Заключение

Исследования, проведенные в настоящей работе, позволяют сделать следующие выводы:

1. Анализ современного состояния вопроса в области разработки приборов и систем газоанализа воздушной среды показал актуальность создания систем газового детектирования на основе непрерывных спектроскопических ладаров с пространственным разрешением по дальности и биста-тических ОЭС с пространственным сканированием повышенной точности.

2. Предложен непрерывный метод дистанционного спектроскопического детектирования газов на основе НСПР-ладара на лазерном диоде с двойной частотной модуляцией зондирующего излучения и разработана его математическая модель. Показано, что этот метод обеспечивает достижение измерения концентрации анализируемого газа с пространственным разрешением по дальности; амплитуды составляющих спектра дальномер-ных частот НСПР-ладара связаны с концентрацией детектируемого газа на исследуемых участках трассы через калибровочную функцию поглощения, а частоты соответствующих им компонент спектра биений пропорциональны расстояниям до исследуемых участков, что свидетельствует о применимости метода. Реализация НСПР-ладара на основе предложенного метода позволяет уменьшить стоимость, габариты и массу систем дистанционного зондирования с пространственным разрешением и повысить эффективность газовых детекторов. Полученная математическая модель НСПР-ладара позволила разработать методику проведения измерений.

3. Получены калибровочные функции для вычисления концентрации газа по результатам измерений НСПР-ладара и проведено исследование зависимости амплитуды сигнала дальномерных частот от девиации оптической несущей зондирующего излучения. Установлено существование верхнего предела однозначно определяемой концентрации газа и наличие

129 оптимального значения отношения девиации оптической несущей к ширине контура поглощения газа, при которой амплитуды сигналов дальномер-ных частот максимальны. Это позволяет обоснованно выбрать параметры модуляции зондирующего излучения и определить тактико-технические характеристики системы.

4. Проведен анализ точностных характеристик бистатических ОЭС с пространственным сканированием. Показано, что наибольшую погрешность измерения пространственного распределения концентрации вещества вносит неравномерность профиля ослабления излучения вдоль трассы зондирования. Разработаны методы измерения пространственного распределения веществ в атмосфере оптико-электронными системами с встречным и ортогональным зондированием, которые позволяют скомпенсировать этот источник погрешности, что обеспечивает значительное повышение точности измерений. Результаты исследований позволили разработать методики проведения измерений. Реализация приборов на основе предложенных методов позволяет существенно повысить точность измерений ОЭС.

5. Результаты натурных испытаний приборов, построенных на базе проведенных исследований, на промышленных объектах показали их высокую эффективность и широкие функциональные возможности.

130

1. Агишев P.P. Анализ характеристик бистатических лидарных систем // Оптико-механическая промышленность. 1988. -№7 , с.7-10.

2. Агишев P.P. Защита от фоновой помехи в оптико-электронных системах контроля атмосферы. М.: Машиностроение, 1994.

3. Агишев P.P., Айбатов Л.Р., Польский Ю.Е. Непрерывный ИК-лидар для дистанционного контроля утечек газа // Оптика атмосферы и океана. -1994. Т.7, №.11. - С.1-6.

4. Агишев P.P., Галеев М.М., Савин Д.Е., Сагдиев Р.К. Некоторые особенности аппаратурной реализации модулированных непрерывных лидаров // Тезисы докладов IV Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана"/ ИОА. Томск, 1997. - С.196-198.

5. Агишев P.P., Сагдиев Р.К. О выборе метода контроля загрязнений атмосферного воздуха // Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан: Тезисы докладов III Республиканской научной конференции. -Казань, 1997.-С.280.

6. Агишев P.P., Айбатов Л.Р., Сагдиев Р.К. Дистанционное бесконтактное обнаружение утечек аммиака в цеховых условиях // Тезисы докладов Международного симпозиума "Контроль и реабилитация окружающей среды". Томск: Изд-во СО РАН, 1998. - С.46-47.

7. Агишев P.P., Айбатов Л.Р., Власов В.А., Сагдиев Р.К. Дистанционное бесконтактное обнаружение утечек аммиака в цеховых условиях // Оптика атмосферы и океана. -1999. Т. 12, №1. - С.70-74.

8. Агишев P.P., Власов В.А., Сагдиев Р.К. Детектирование газовых утечек LD-FM-CW-лидаром // Тезисы докладов VI Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана"/ ИОА. Томск, 1999. - С.90.

9. Ю.Агишев P.P., Сагдиев P.K. Моделирование частотно-модулированного лидара с лазерным диодным излучателем // Вестник КГТУ им.А.Н.Туполева. 2000. - №1. С.5-10.

10. П.Агишев P.P., Сагдиев Р.К. Точностные характеристики оптико-электронной системы пространственного мониторинга газовых загрязнений воздуха // Изв. ВУЗов: Авиационная техника. 2000, №3.

11. Авт.свид. 1204879 (СССР), МКИ F23N5/08. Устройство для измерения физических параметров пламени /Болознев В.В., Галеев С.Г. Опубл. в Б.И. 1986. - №2.

12. Авт.свид. 1726916 (СССР), МКИ F23N5/08. Способ определения пространственных параметров среды /Агишев P.P. Опубл. в Б.И. 1992. -№14.

13. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. -М.: Советское радио, 1975.

14. Виницкий A.C. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М.: Советское Радио, 1961.

15. Волохатюк В.А. Вопросы оптической локации. М.: Советское радио, 1971.

16. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. М.: Сов. радио, 1986.

17. Гуревич Л.И., Дураев В.П., Иванов В.А. и др. Применение инжекцион-ных лазеров ближнего ИК диапазона для контроля содержания аммиака в воздухе // Журнал прикладной спектроскопии. 1993. - Т. 58, № 3-4. -С.318-324.

18. Даварашвили О.И., Зыряпов, П.В., Кузнецов А.И. и др. Многокомпонентный анализатор на основе диодных лазеров для мониторинга газообразных загрязнений в открытой атмосфере. // Оптика атмосферы и океана. 1999. - Т.12, № 1. - С.64-69.

19. Костко O.K., Портасов B.C., Хаттатов В.У., Чаянова Э.А. Применение лазеров для определения состава атмосферы. Ленинград: Гидрометео-издат, 1983.

20. Лазерная спектроскопия атомов и молекул / Под ред. Г.Вальтера. М.: Мир, 1979.

21. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Д. Хинкли. М.: Мир, 1979.

22. Лысцев В.Е. Проблемы и методы дистанционного измерения оптических параметров атмосферы: Труды НИИГП. Вып.36. - М., 1978. -С.79-86.

23. Майзельс E.H., Торговалов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей / Под ред. М.А.Колосова. М.: Сов. радио, 1972.

24. Маркова В.А., Костриков В.И. Методы очистки газовоздушных выбросов от аммиака. -М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1989.

25. Межерис Р. Лазерный контроль атмосферы М.: Мир, 1987.

26. Мейер П., Зигрист М. Контроль загрязнений атмосферы методом лазерной фотоакустической спектроскопии и другими методами // Приборы для научных исследований. 1990. - №7. - С.3-28.

27. Перегуд Е.А. Химический анализ воздуха. Л.: Химия, 1976.

28. Правила безопасности для наземных складов синтетического жидкого аммиака. -М.: Недра, 1979.

29. Протопопов В.В, Устинов Н.Д. Лазерное гетеродинирование / Под ред. Н.Д.Устинова. -М.: Наука, 1985.

30. Рэди Дж. Промышленные применения лазеров. -М.: Мир, 1986.

31. Сборник отраслевых методик измерений концентрации загрязняющих веществ в промышленных выбросах. Часть II. - М.: Гидрометеоиздат, 1985.

32. Физика полупроводниковых лазеров / Под ред. Х.Такумы. М.: Мир, 1989.

33. Харламович Г.Д., Закаменных Т.М., Кудряшова Р.И. // Химическая промышленность. 1984. -№1 -С.29-31.

34. Цыкало А. Л. Испарение и рассеяние аммиака при его разливах и утечках. -М.: НИИТЭХим., 1982.

35. Adler-Golden S., Lee J., Goldstein N. Diode laser measurements of temperature-depended line parameters for water vapor near 820 nm. J. Quant Spectrosc. Transfer, 1992, Vol. 48, No 5/6, pp.527-535.

36. Ahlberg H., Lundqvist S., Tell R., Andersson T. Laser spectroscopy for in situ ammonia monitoring. Spectroscopy Europe, Vol. 6, N 2,1994.

37. Application of Tunable Diode and Other Infrared Sources for Atmospheric Studies & Industrial Process Monitoring. Editor: Alan Fried / SPIE Proceedings, Vol. 2834, 1996, pp.574-580.

38. Bomse D.S., U.S. Patent 5973782,1999.

39. Bruse D.M., Cassidy D.T. Detection of oxygen using short external cavity GaAs semiconductor diode lasers. Appl. Opt., 1990, V.29, N 9, pp. 13271332.

40. Faist J., Gmachl C., Capasso F. et al Sensitive absorption spectroscopy with a room-temperature distributed-feedback quantum-cascade laser. Appl. Phys. Lett., 1997, Vol. 70, p. 2670.

41. Fischer H., Bergamaschi P., Wienhold F., et al. Development and application of multy-laser TDLAS-instruments for groundbased, shipboard and airborne measurements of trace gas species in the atmosphere. SPIE Proceedings, 1996, Vol. 2834, pp. 130-141.

42. Goldstein N., Alder-Golden S., Lee J. U.S. Patent 5026991, 1991.

43. Goldstein N., Alder-Golden S., Lee J. Bien F. Measurement of molecular concentration and line parameters using line-locked second harmonic spectroscopy with an AlGaAs diode laser. Applied Optics, 1992, Vol. 31, No. 18, pp. 3409-3415.

44. Goldstein N., Alder-Golden S. Long-atmospheric-path measurements of near-visible absorption lines of O2 isotopes and H20 with a prototype AlGaAs laser transceiver system. Applied Optics, 1993, Vol. 32, No. 30, pp. 58495855.

45. Goldstein N., Lee J., Bien F. Automated remote monitoring of toxic gases with diode-laser-based sensor systems. SPIE Proceedings, 1994, Vol. 2112, pp. 130-139.

46. Goldstein N., Richtsmeier S.C., Lee J. et al. A comparison of NH3 point monitoring and diode laser based path integrated measurements. SPIE Proceedings, 1995, Vol. 2366, pp. 48-65.

47. Hincley E.D., Kelley P.L. Detection of air pollutants with tunable diode lasers. Science, 1971, V.171, N 3972, pp. 635-639.

48. Hitran database, 1991 ed. (National Climatic Center, National Oceanic and Atmospheric Administration, Digital Product Section Federal Building, Asheville, N.C. 28801).

49. Holmes J.F., Rask B.J. Coherent, CW, pseudo random code modulated lidar for path resolved optical remote sensing. SPIE Proceedings, 1994, Vol. 2222, pp. 20-28.

50. Homburg F., Freudenthaler V., Jager H. Camera guided ground based scanning lidar for contrail investigations: Extrapolation of lidar measurements to CCD camera images and comparison with satellite data. — SPIE Proceedings, 1994, Vol. 2222, pp. 25-31.

51. Jonson T.J., Weinhold. F. G., Burrows J. P., Harris G. W., Frequency modulation spectroscopy at 1.3 |am using InGaAsP lasers: a prototype field instrument for atmospheric chemistry research. Appl. Opt., 1991, Vol.30, .pp.407-413.

52. Kelly J.F., Cannon B.D., Sharpe R.L., et al Application of Wideband FM Spectroscopy to Environmental and Industrial Process Monitoring. - SPIE Proceedings, 1997, Vol. 3127, pp. 64-101.

53. Kroll M., McClintock J. A., Ollinger O. Measurements of gaseous oxygen using diode laser spectroscopy. Appl. Phys. Lett., 1987, Vol. 51, pp.14651467.

54. Kopytin Y.D. Application of LR laser technique to remote detection of chemical species and hydrodynamic waves. Proc. SPIE,1997, Vol. 3127, p. 298-305.

55. Kormann R., Fisher H., Wienhold F. A compact multi-laser TDLAS for trace gas flux measurements based on a micrometeorological technique. SPIE Proceedings, 1999, Vol. 3758, pp. 162-169.

56. Kubo I., Karube I., Moruzumi T. Anal. Lett, 1986, 19, N 5-6, p.697-706.

57. Lachish U., Rotter S., Adler E., El-Hanany U. Tunable diode laser based spectroscopic system for ammonia detection in human respiration. Rev. Sci. Instrum., 1987, Vol. 58 (6), pp.923-927.

58. Laser Diodes and Applications. Editors: Kurt J.Linden, Prasad R.Akkapeddi. SPIE Proceedings, Vol. 2682,1996.

59. Lee J., Goldstein N., Richtsmeier S., Bien F., Gersh M. U.S. Patent 5459574, 1995.

60. Leclerc B., Lord S., Morin A., et al. A rugged approach for hydrogen fluoride monitoring in aluminium smelters. SPIE Proceedings, 1995, Vol. 2366, pp. 4-11.

61. Linnerud I., Kaspersen P., Jaeger T. Gas monitoring in the process industry using diode laser spectroscopy, Appl. Phys. B 67, 1998, p.297-305.

62. Namjou K., Cai S., Whittaker E. A. Sensitive absorption spectroscopy with a room-temperature distributed-feedback quantum-cascade laser. Opt. Lett., 1998, Vol. 23, N3, p.219-221.

63. Petuch.ov, Valeri M.; Akhtiamov, Rishad A.; Morozov, Oleg G.; Il'In, German I.; Pol'ski, Yuri E. Two-frequency IR cw LFM lidar for remote sensing of hydrocarbons and gas vapor. Proc. SPIE, 1997, Vol. 3122, p. 339-346.

64. Pevtschin V., Ezekiel S. Investigation of the absolute stability of water-vapor-stabilized semiconductor laser. Opt. Lett., 1987, Vol. 12, pp.172-174.

65. Ramponi A.J., Scharlemarm E.T. MWIR lidar systems and multiline Dial Techniques. -Proc. SPIE, Vol. 3127, p. 256-267.

66. Rothman L.S., Goldman A. AFGL trace gas compilation: 1982 version. -Applied Optics, 1983, Vol. 22, No.l 1, p.1616-1627.

67. Scharelemann E.T. Comparison of analysis techniques for multiwavelengh DIAL. Proc. SPIE, 1997, Vol. 3127, p. 275-285.

68. Schiff H.I., Nadler S.D., Mackay G.I. The lasair new remote sensing instrument based on near infrared diode lasers. - Proc. SPIE, 1996, Vol. 2366, p. 65-69.

69. Schiff H.I., Robbins J., Nadler S.D. The Sensair - an improved Doas System. -Proc. SPIE, 1995, Vol. 1711, p. 464-468.

70. Silver J.A. Frequency-modulation spectroscopy for trace species detection: theory and comparison among experimental methods. Appl. Opt. 1992, Vol. 31, No 6, p.707-717.

71. Simoneit B.R., Int. J. Environ. Anal. Chem. 1982, 12, p. 177.

72. Sun. H.C., Patel V., et al. Sensitive plasma etching endpoint detection using tunable diode laser absorption spectroscopy. Appl.Phys.Lett., 1994, Vol. 64, pp. 2779-2781.

73. Supplee J.M., Whittaker E.A., Lenth W. Theoretical description of frequency modulation and wavelength modulation spectroscopy. Appl. Opt. 1994, Vol. 33, No 27, p. 6294-6302.

74. Unger J. Infrared Absorption Bands of Ammonia. Phys.Rev., V.43, N2, 1933, p.123.

75. Varghese P.L., Hanson R.K. Collisional narrowing effects on spectral line shapes measured at high resolution. Appl. Opt. 1984, Vol. 22, pp.23762460.13В