автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Приборно-методическое и информационное обеспечение инновационно-технологических мероприятий по контролю техногенного воздействия на окружающую среду крупных городов

На правах рукописи

МУЗАЛЕВСКИЙ Анатолий Александрович

ПРИБОРНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИННОВАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО КОНТРОЛЮ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ КРУПНЫХ ГОРОДОВ

Специальность 05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

АВТОРЕФЕРАТ

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Государственном университете Республики Молдова, г.Кишинев.

Научные консультанты:

доктор технических наук, профессор

Проскуряков P.M. и

академик РАЕН и МАНЭБ, доктор медицинских наук, профессор Лучкевич B.C.

Официальные оппоненты:

академик Российской метрологической академии, доктор технических наук, профессор Слй£вВ.А.

академик Международной академии информатизации, доктор физико-математических наук, профессор Черкасов ЮЛ.

доктор технических наук Анохин В.Н.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный университет, Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится cZ' cx^gj^1_1998 г.

в /ь*"" ч. J мин, на заседании диссертационного совета Д.063.15.11 в Санкт-Петербургском горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199026 Санкт-Петербург, В-26, 21-я линия, д.2 в зале заседаний N f JL •

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института имени Г.В.Плеханова.

Автореферат разослан d О 1998 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Состоявшаяся в 1992 году конференция в Рио де Жанейро по проблемам развития человеческой цивилизации подчеркнула, что одним из показателей устойчивого развития является динамика экосистем. Контроль динамики экосистем любого уровня, в частности, регионального, к каковым относятся экосистемы крупных городов, можно осуществить при условии обеспечения оценки техногенного воздействия на ее компоненты и соответствующего управления этим воздействием.

Разработкой научно-обоснованных методов контроля состояния и оценки качества окружающей природной среды крупных городов с помощью обобщенных показателей ученые и специалисты разных стран занимаются уже несколько десятилетий. Однако проблема по-прежнему остается актуальной, поскольку имеющиеся показатели и методы их расчета, как правило, предлагаются для ограниченных областей применения, а в приложении к оценке экологической обстановки в городах ориентированы на характеристики состава компонентов окружающей их среды. Эти обстоятельства указывают на необходимость продолжения разработок новых обобщенных показателей, в том числе индикаторов и индексов качества, способных описывать свойства компонентов окружающей среды городов, а также изменения в характере процессов и явлений, происходящих в них.

Возрастающие требования к контролю и оценке качества компонентов природной среды не могут быть удовлетворены существующими системами контроля, опирающимися на ресурсно-загрязняющую парадигму и устаревшие методики расчета обобщенных показателей, по существу отслеживающими лишь состав компонентов природной среды городов, что обуславливает актуальность проблемы разработки новых систем экологического контроля крупных городов.

Анализ публикаций показывает, что в настоящее время как в России, так и за рубежом, имеется настоятельная потребность в дальнейшей разработке и совершенствовании существующих методов контроля состояния и оценки качества главных компонентов окружающей природной среды города и схем управления этим качеством.

Новые системы контроля и управления качеством компонентов

окружающей среды городов требуют значительного улучшения их информационного обеспечения. Важным является поиск ответов на вопросы типа: какая нужна информация, в каком объеме, как правильно ее обработать, какие приборы и аппаратура нужны для ее получения, как информацию "свернуть" и в какого типа обобщенные показатели трансформировать, и, наконец, в каком виде информация должна быть передана в систему поддержки принятия решений.

Не вызывает также сомнения актуальность совершенствования и улучшения приборно-аппаратного обеспечения систем контроля и мониторинга, создания приборов с новыми функциональными возможностями. Они должны осуществлять измерения характеристик при исследовании процессов и явлений, протекающих в окружающей природной среде, городов и удовлетворять требованиям к инструментальным данным, получаемым с помощью дистанционных методов, в частности, с использованием систем микроспутникса. Расширение областей применения имеющихся и ранее разработанных приборов и аппаратуры, позволяющих реапизовывать дистанционные методы получения требуемых данных, существенно упрощает решение задачи. Особую роль при этом играют косвенные оптические методы, с помощью которых обеспечивается получение информации об объекте в разных диапазонах электромагнитного спектра.

Таким образом, актуальность проблемы в целом обусловлена ее составляющими по следующим трем аспектам:

1. необходимостью разработки новых методов оценки экологической обстановки в городах, основанных на универсальных обобщенных показателях и способах их расчета, позволяющих представлять информацию в удобных и наглядных формах;

2. необходимостью разработки новых систем контроля и оценки качества окружающей среды крупных городов и схем управления качеством природных компонентов;

3. необходимостью разработки новых и привлечения уже созданных приборов и аппаратуры, обеспечивающих системы контроля требуемой информацией.

В нашей стране проблемой, разработки систем контроля состояния окружающей среды и оценки качества ее главных компонентов в городах занимаются большое число научных, правительственных и иных организаций и центров, в частности,

Институт географии РАН (г.Москва), НИЦЭБ РАН (С.-Петербург), Институт географии СО РАН (г.Иркутск), Госуниверситет (г.Томск) и ряд других организаций и институтов различного ведомственного подчинения. Этой проблеме посвящены работы Ю.А.Израэля, К.Я.Кондратьева, Н.Н.Моисеева A.A. Григорьева, В.И.Данилова-Данильяна, В.Г.Горшкова, К.С.Лосева, В.К.Донченко, БАИванова,-ЭАНовикова, НАНовикова, Э.Ю.Безуглой и др.

Работы по созданию необычных и бессеребряных способов: регистрации оптической информации и аппаратуры, работающей на -их основе, а также преобразователей оптического изображения на многослойных структурах проводились в научных центрах г.г. Москвы (ИКИ), Ленинграда (ГОИ и ВНИИТ), Киева (Госуниверситет), Кишинева (Госуниверситет), Вильнюса (НИИ электрографии), Орджоникидзе (НИИ электронных материалов) и др.

Основные положения диссертации базируются на результатах исследований и разработок, проведенных автором в 1978-1997 гг. в Государственном университете Молдовы (г.Кишинев) и в период его работы в НИЦЭБ РАН (Санкт-Петербург). Работы проводились по заданию и в соответствии с Координационными планами НИР и ОКР бывших Госкомитета СССР по науке и технике, Министерства высшего и среднего специального образования СССР, других ведомств (Минвуз., N ГР81002967 "Разработка технологии получения полупроводниковых соединений, их комплексное исследование с целью создания новых полупроводниковых материалов", ГКНТ, Раздел 03.01. Комплексные программы ОТС 038, Экологические программы для Республики Молдова, Задание Минвуза N 01.9.10014857 - многослойные полупроводниковые элементы ввода и предварительной обработки массивов информации в ОСВМ, N 01.9.100114856 - оптические и кинетические явления в пространственно-неоднородных твердотельных системах, Общесоюзная , научно-техническая программа специального назначения "Ренессанс-2000" в соответствии с решением Государственной комиссии Совета Министров СССР по ВПВ от. 25.04.88 N139. и др.).

ПРЕДМЕТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ настоящей работы является экосистема города, контроль и оценка ее состояния и качества, способы регистрации и обработки информации.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являются главные-компоненты окружающей природной среды крупных городов городов-'

мегаполисов, приборы и аппаратура записи и обработки информации.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка современной системы контроля и оценки качества главных компонентов окружающей среды крупных городов и ее информационного обеспечения с использованием обобщенных показателей и методов их расчета, а также теоретическое обоснование и разработка регистраторов оптической информации, приборов и аппаратуры нового поколения на их основе, способных обеспечить систему контроля требуемыми данными.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в том, что объективная оценка экологического состояния городской экосистемы должна осуществляться на основе контроля не только состава, но и свойств главных природных компонектоз, а также слежения за характеристиками процессов и явлений, происходящих в окружающей среде городов, что может быть осуществлено только на принципиально новой критериальной и инструментальной базе.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ:

1. Предложить модель городской экосистемы и методы описания ее состояния и качества, для чего на основе системного подхода структурировать и ранжировать некоторые понятия прикладной экологии в применении к городской экосистеме, дать или уточнить их определения и разработать количественные меры и аналитические выражения для их оценки.

2. Разработать обобщенные показатели, способ их построения и методы расчета, на основе которых возможно осуществлять контроль характеристик процессов, явлений, состава и свойств компонентов окружающей среды городов. Разработать систему моделей оценки качества компонентов городской экосистемы, а также методы идентификации источников загрязнения, позволяющих получить количественные оценки и преобразовать информацию в форму, удобную для передачи в систему поддержки принятия решений.

3. Предложить оригинальную систему контроля и оценки качества городской экосистемы, основанную на использовании нового поколения приборов и аппаратуры и обобщенных показателей -индексов качества. Выработать требования к ее информационному и инструментальному обеспечению, а также к измеряемым

характеристикам, их количеству и типу. Дать рекомендации в систему поддержки принятия решений по обеспечению нормального функционирования системы контроля, для чего предложить схему управления качеством компонентов городской экосистемы.

4. Провести теоретические и экспериментальные исследования регистраторов оптической информации - фототермопластических носителей - с дискретизированными электрическими, реологическими и оптическими свойствами с целью улучшения их фотографических характеристик и повышения информационной емкости; предложить технологию их изготовления.

5. Изготовить образцы носителей, провести их испытания и анализ функциональных возможностей для использования в аппаратуре фототермопластической записи, предложить новые области применения аппаратуры, в том числе для обеспечения измерений установленных показателей в системе контроля и оценки качества окружающей среды городов.

6. Теоретически и экспериментально исследовать и подобрать полупроводниковые и светомодулирующие материалы для разработки и изготовления новых конструкций преобразователей оптического изображения с улучшенными сенситометрическими характеристиками в различных вариантах исполнения, способных регистрировать и обрабатывать оптическую информацию в разных диапазонах электромагнитного спектра и осуществлять измерения характеристик процессов, явлений и свойств в компонентах окружающей природной среды городов.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Система обобщенных показателей - индикаторов и индексов, методы их расчета и модели, позволяющие обработать информацию и получить количественную оценку состояния и качества компонентов природной среды, могут быть построены на основе использования показателей и параметров, описывающих и характеризующих процессы, явления, состав и свойства компонентов окружающей среды в городах и на неурбанизированных территориях.

2. Создание современной системы экологического контроля окружающей среды регионального уровня применительно к крупным городам и городам-мегаполисам, обеспечивающей комплексную оценку экологической обстановки, ее организационная структура,

требования к ее информационному обеспечению и схемы управления качеством природных компонентов может быть реализовано применением аппаратуры нового поколения космического, авиационного и наземного базирования и обработкой информации на основе обобщенных показателей с использованием результатов расчета предложенных моделей.

3. Получение регистраторов оптической информации -фототермопластических носителей - для аппаратуры нового поколения, с улучшенными на 20-30% фотографическими характеристиками, разрешающей способностью до 300 лин/мм и повышенной информационной емкостью, достижение высоких значений технических характеристик аппаратуры на их основе обеспечивается дискретизацией электрооптических и реологических свойств носителя с использованием обнаруженных эффектов усиления и самоусиления фотоструктурных превращений в полупроводниковом слое носителя.

4. Новые конструкции преобразователей оптического изображения с повышенной на 1-2 порядка энергетической чувствительностью, разрешающей способностью 10-20 лин/мм и быстродействием 1-10 кадр/с, могут быть созданы путем варьирования составом и электрооптическими параметрами полупроводникового и светомодулирующего слоев ваАз(Сг), Сс!Те, БКАи), ЭКгп), КДП, ДКДП, ЖКС-37, ЖК-1001, ЖК-616, ЖК-654 и др., применением оригинальных схем матричных фокусирующих электродов, конденсоров электрических зарядов и полей, а также методов пространственного кодирования записывающего света.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЙ:

- выявлена и доказана возможность объективной оценки экологической обстановки в городах путем определения необходимых и достаточных (стандартизированных) показателей состава, свойств, процессов и явлений в городской экосистеме и сравнения, их с аналогичными значениями неурбанизированных территорий, принятыми за базу для отсчета;

- обоснована и введена новая универсальная форма представления информации о состоянии и качестве окружающей среды городов, базирующаяся на системе индексов и составляющих

экологического риска и методах их расчета; теоретически обоснован интервал оптимального уровня составляющей экологической безопасности (0,4-0,6) и целесообразность использования линейной шкалы (вместо логарифмической) при расчетах для удобства пользования информацией в системе поддержки принятия решений;

- разработана новая система контроля и оценки качества окружающей среды городов, предложена схема управления качеством компонентов городской экосистемы, установлены требования к полю данных наблюдения и приборно-аппаратному обеспечению предложенной системы контроля; предложена система моделей, с помощью которой реализуется оценка качества компонентов окружающей среды в городах и требуемая информация представляется в удобной и простой форме, а также методы идентификации источников экологической опасности;

- установлены неизвестные ранее закономерности физических процессов, протекающих в сложных многослойных структурах, использование которых позволило создать регистраторы оптической информации - гибкие фототермопластические носители - с улучшенными фотографическими характеристиками и повышенной информационной емкостью, повысить технические характеристики аппаратуры на их основе, а также расширить области применения аппаратуры фототермопластической записи;

- созданы новые конструкции преобразователей оптического изображения различных типов, работающие в разных диапазонах оптического спектра, с пороговой чувствительностью на 1-2 порядка выше по сравнению с традиционными отечественными и зарубежными аналогами.

ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ обеспечивается: корректностью аналитических и численных методов исследований, положительными результатами экспериментальной проверки выводов теоретических исследований; наличием полученных результатов и показателей, допускающих сравнение и сопоставление с другими независимыми методами контроля и оценки состояния окружающей среды; положительными результатами проверки предложенных решений и натурных испытаний регистраторов информации и аппаратуры на их основе.

Материалы диссертации обсуждались и получили одобрение на ряде международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференций.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Общей методологической основой работы является системный подход, включающий анализ и научное обобщение опыта работ в области применения интегральных показателей к контролю состояния и оценке качества окружающей среды городов, с последующей проверкой результатов путем их сопоставления с данными, полученными другими методами.

Теоретические и экспериментальные исследования регистраторов информации и преобразователей оптического изображения были направлены на разработку и изготовление многослойных структур регистрации и обработки оптической информации с последующим испытанием их опытных образцов в приборах и аппаратуре на их основе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов исследований заключается в следующем:

- разработаны методические основы расчета уровня составляющей экологической безопасности, включающие способы введения и методы расчета индикаторов и индексов качества и позволяющие в целом улучшить комплексную оценку экологической обстановки;

- разработан комплекс способов зарядки фототермопластического носителя и схемы зарядного устройства, позволяющие обеспечить высокое качество зарядки поверхности носителя;

- разработан оригинальный способ определения параметров вязкоупругих сред, позволяющий определить требуемые характеристики непосредственно в процессе течения вязких жидкостей;

Разработанные и внедренные способы зарядки носителя и определения параметров вязкоупругих сред защищены авторскими свидетельствами. Автору присвоено звание "Изобретатель СССР".

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ:

- материалы диссертации использованы при разработке с участием автора курса лекций и учебно-методических пособий по экологической безопасности для студентов Морского Технического университета Санкт-Петербурга;

- под непосредственным руководством и при участии автора проведено внедрение разработанных материалов по формированию индексов качества и их применению при проведении оценок уровня экологической безопасности в научно-исследовательском центре информации, проблем природопользования и экологической безопасности при Правительстве Ленинградской области;

- созданная на основе фототермопластического носителя аппаратура использовалась при проведении съемок земной поверхности с борта космических объектов и самолетов;

- комплект аппаратуры термопластической записи продан в 1997г. зарубежной фирме (Германия).

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА:

- основная идея работы, постановка задач исследований и разработка методологии их решения; разработка универсальных обобщенных показателей - индексов, методов их расчета, моделей, а также методы идентификации источников экологической опасности;

- обоснование и разработка оригинальной системы контроля, ее организационной структуры, схемы управления и требований к информационному и приборно-аппаратному обеспечению;

- теоретическое и экспериментальное исследование процессов зарядки носителя и его деформации при записи информации, разработка способов и средств зарядки носителя;

- теоретическое и экспериментальное исследование процессов усиления и самоусиления фотоструктурных превращений в стеклообразных халькогенидных полупроводниках;

разработка и внедрение новых решений в технологию изготовления. растрированных фототермопластических носителей с улучшенными фотографическими характеристиками и повышенной информационной емкостью, на основе которых при участии автора создана аппаратура дистанционного зондирования;

- руководство работами по созданию новых конструкций преобразователей оптического изображения, теоретическое обоснование, отбор и. исследование материалов для создания преобразователей, чувствительных в рентгеновской области спектра.

В научных трудах, опубликованных в соавторстве, автор участвовал в той доле, которая указана в Заключении организации, где выполнена работа. Автор глубоко признателен всем коллегам, принявшим участие в совместных работах и в обсуждении полученных результатов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты и отдельные положения работы докладывались автором на Международных, Всесоюзных, Российских и иного уровня научных, научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, в том числе на: :

2-й Всесоюзно-технической.- конференции "Высокоскоростная

фотография и метрология быстропротекающих процессов", Москва, 1983 г.,

4-й и 5-й Всесоюзных конференциях по бессеребряным и необычным фотопроцессам, Суздаль, 1984 г. и 1988 г.,

13-м Всесоюзном симпозиуме по реологии, Волгоград, 1984 г., 1-м Всесоюзном совещании по стеклообразным полупроводникам, Ленинград, 1985 г.,

3-й Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике "Проблемы оптической памяти", Ереван, 1987 г.,

Научной конференции АН МССР и КГУ по итогам НИР за 19861990 гг. Кишинев, 1991 г.

Международной научно-практической конференции

"Экологические проблемы деятельности оборонной промышленности и Вооруженных сил России", С.-Петербург, 1995 г.,

1-й международной конференции "Проблемы ноосферы и устойчивого развития", С.-Петербург, 1335 г.,

Международной конференции "Индексы качества окружающей среды: информационно-аналитические основы", С.-Петербург, 1997 г.

Международной конференции "Стратегия экологической безопасности Санкт-Петербурга с использованием опыта Нидерландов", Санкт-Петербург, 1997 г.

Технические средства регистрации и обработки оптической информации демонстрировались на Международных выставках (Финляндия) и ВДНХ СССР и были удостоены золотой и серебряной медалей.

В полном объеме диссертация докладывалась и обсуждалась на объединенном семинаре ПНИЛ фототермопластической записи, кафедры электроники, НИЛ физики многослойных структур, кафедры теоретической физики, кафедры физики полупроводников и кафедры экологической химии Госуниверситета Молдовы, г. Кишинев, на расширенном заседании кафедры экологии, аэрологии и охраны труда и кафедры автоматизации производственных процессов СПГГИ в 1997 - 1998 годах, на совместном заседании лаборатории спектрального анализа, лаборатории физики атмосферы и кафедры аналитической химии Санкт-Петербургского Государственного университета.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано автором в 46 работах, в том числе трех авторских свидетельствах,

подтверждающих новизну решений (32 из них приведены в автореферате).

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и выводов; изложена на 250 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 247 наименований и приложение.

В первой главе определены предмет и объекты исследования, проведен анализ и синтез основных понятий прикладной экологии, даны или уточнены определения некоторых из них в применении к экосистеме крупного города, определено понятие городской экосистемы, идентифицированы основные источники экологической опасности в ней и обсужден вопрос о реальных диапазонах и пределах достижимости экологической безопасности. Во второй главе проанализированы известные методы описания состояния окружающей среды, на основании чего применен системный подход к описанию состояния и оценке качества городской экосистемы, введена система универсальных обобщенных показателей -индексов качества и составляющих экологического риска, даны аналитические выражения для их расчета и установлена связь между ними. В третьей главе проведен анализ существующей системы мониторинга и контроля окружающей среды в городах РФ на примере Санкт-Петербурга, показана ограниченность "загрязняюще-ресурсной" парадигмы и необходимость построения более совершенной системы контроля и оценки качества природных компонентов окружающей среды города. Предложена организационная структура этой системы, разработаны требования к ее информационному обеспечению и предложена схема управления качеством компонентов окружающей среды применительно к городской экосистеме. В четвертой главе представлена система статических и динамических моделей оценки состояния и качества компонентов городской экосистемы, показано их практическое применение, а также предложены методы идентификации источников загрязнения. В пятой главе приведены результаты теоретического и экспериментального исследования регистраторов оптической информации на гибкой основе с растрированными свойствами, разрабатываемых для приборов и аппаратуры дистанционного зондирования, способных обеспечить сбор требуемых данных для системы контроля и оценки качества компонентов природной среды города, выработаны предложения по

их практическому использованию. Шестая глава посвящена исследованию, разработке и изготовлению новых конструкций преобразователей оптического изображения типа "свет-свет", способных регистрировать и обрабатывать оптическую информацию в разных1 диапазонах электромагнитного спектра для решения широкого класса задач контроля и оценки качества городской экосистемы. В основных выводах обобщены результаты исследований в соответствии с поставленными задачами по совершенствованию научно-обоснованных методов, средств и способов1 контроля и оценки качества главных природных компонентов городской экосистемы.

В подборе материалов, их обработке и выполнении отдельных экспериментальных исследований принимали участие сотрудники лаборатории фототермопластической записи и лаборатории физики многослойных структур Кишиневского государственного университета (Республика Молдова), а также специалисты Всесоюзного научно-исследовательского института телевидения (С.-Петербург) и др., которым автор выражает свою глубокую благодарность.

„ Автор считает необходимым отметить дружескую помощь сотрудников НИЦЭБ РАН (Санкт-Петербург) и выражает благодарность профессорам СПГГИ (Санкт-Петербург) Р.М.Проскурякову, Б.А.Иванову и Ю.В.Шувалову, доценту этого же института А.Н.Маковскому, профессору Морского технического университета (Санкт-Петербург) О.Г.Воробьеву, заслуженному деятелю науки МССР, лауреату Госпремии МССР, изобретателю СССР, доктору физико-математических наук, профессору кафедры электроники Госуниверситета Республики Молдова Л.М.Панасюку, члену-корреспонденту Академии наук Республики Молдова, лауреату Госпремии МССР, доктору физико-математических наук, профессору кафедры теоретической физики Госуниверситета Республики Молдовы Е.П.Покотилову.

Особую благодарность автор выражает академику РАН К.Я.Кондратьеву за внимание и поддержку в период работы над диссертацией.

Автор благодарен профессору Санкт-Петербургского государственного университета, доктору химических наук, академику РАЕН ВАИсидорову, академику РАЕН и МАНЭБ доктору медицинских наук, профессору Лучкевичу B.C. и академику МАНЭБ, доктору технических наук, профессору ВАРогалеву за творческое сотрудничество.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Система обобщенных показателей - индикаторов и индексов, методы их расчета и модели, позволяющие обработать информацию и получить количественную оценку состояния и качества компонентов природной среды, могут быть построены на основе использования показателей и параметров, описывающих и характеризующих процессы, явления, состав и свойства компонентов окружающей среды в городах и на неурбанизированных территориях.

Среди основных показателей устойчивого развития специально выделены индикаторы и индексы, характеризующие , динамику экосистем всех уровней. Это означает необходимость разработки показателей, оценивающих техногенное воздействие на динамику экосистем, их состояние и качество. Экосистемой регионального уровня является городская экосистема (ГЭ), образованная крупным городом, обладающая специфическими особенностями и содержащая мощные источники экологической опасности.-

Техногенное воздействие на компоненты ГЭ приводит'- к изменению показателей (параметров), характеризующих: 1) состав, 2) свойства, 3) процессы, 4) явления. Позиции 1-4 назовем классами. Тогда контроль и анализ результатов техногенного воздействия на компоненты ГЭ с последующей оценкой состояния и качества обеспечивается путем измерения параметров, констант, иных физических (химических, биологических) величин (показателей) в ГЭ внутри каждого класса и последующего их сравнения'; с аналогичными показателями, принимаемыми за базовые, измеренными на неурбанизированной территории.

Определим индикаторы окружающей среды (ИОС) как меру отклонения в показателях внутри каждого класса и на их основе построим безразмерные индексы качества (ИК) трех типов: 1) простой ИК, 2) обобщенный (агрегированный) ИК, 3) интегральный ИК. Простой ИК в выбранном классе определен как отношение:

д.!.1>'= тчк

где яр - полное число признаков качества выбранного показателя, ту/г число признаков, совпавших при сравнении, к - номер класса, ь

номер процесса, явления или свойства, у - номер индекса. Отклонением от базового значения индекса качества является величина, пропорциональная соответствующей составляющей экологического риска (СЭР) по данному показателю:

где Гук - риск, к - корректирующий коэффициент. Из определения следует, что численные значения ИК заключены между 0 и 1, (0-100%). Аналогично формируются ИК для воды и почвы.

Обобщенный ИК строится из простых внутри одного класса и имеет вид:

где суммирование по I ведется от 1 до I, р-, - вклад каждого показателя внутри класса (весовой множитель), удовлетворяющие условию:

Интегральным ИК назовем показатель, объединяющий разные по своему происхождению ИК, то есть относящиеся к разным классам.

Для проведения оценок целесообразно связать опасность любого источника с соответствующей СЭР, причем под СЭР понимается вероятностная мера потери качества главных природных компонентов ГЭ вследствие постоянного и/или меняющегося по заданному закону техногенного воздействия, или форс-мажорных природных факторов. Мера (уровень) составляющей экологической безопасности источника обратно пропорциональна мере соответствующей опасности. Эти определения позволяют ввести единую линейную шкалу меры экологической опасности источника, меры СЭР, ИК и уровня СЭБ источника, равную 0-1 (0-100%).

В этой шкале нижний допустимый уровень СЭБ и верхний приемлемый уровень СЭР, определенные по уровню потребления ресурсов, заключены в интервале, равном 0,4-0,6. Введенные ИК удовлетворяют рекомендациям ЮНЕП по чувствительности, агрегативности, простоте интерпретации, научной обоснованности и позволяют понизить степень неопределенности по следующим аспектам: 1) размерности индексов, 2) выбору шкалы их измерений и предлагают унификацию, что открывает возможность

(2),

(3),

сравнения и сопоставления с ИОС и ИК, применяемыми в других регионах и странах.

Индексы качества рассматриваются как составляющие вектора состояния и уровня качества любого главного компонента окружающей среды города. Вектор состояния может быть представлен в следующих формах: 1) д(г,т],1), либо 2) ц(х, ц,1) где г - совокупность оценок риска, д: - система ИК, ц - управляющие параметры, t - время.

Согласно определению между мерой опасности а и уровнем безопасности (3 справедливо соотношение: а - 1/р. Риск и опасность в количественном отношении пропорциональны друг другу: г=к'а, где А- корректирующий коэффициент.

Введенные ИК и СЭР позволили перейти к разработке моделей, обеспечивающих систему контроля информацией как по главному аргументу внутри одного класса, так и по множеству показателей по всем четырем классам. Выделим в ГЭ физическую составляющую и будем в дальнейшем рассматривать только один главный компонент ГЭ - атмосферный воздух.

Анализ динамики качества компонента ГЭ проводился на основе математической модели - уравнения Ланжевена:

в котором N - детерминистическая часть, равная N=£N,-£N2, А^ -вход вещества или энергии в систему, N2 - выход вещества или энергии из нее Р(0- флуктуационный член, описывающий аварии, катастрофы и прочие катаклизмы. При F=0 его решение содержит две моды: устойчивую при Я<0 и неустойчивую при А>0 и может быть записано в виде:

в котором ю - со (т)) - скорость нарастания выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) и энергии в различных ее формах. К начальному значению вектора состояния имеются две поправки: первая из них связана с ростом энергетического и химического загрязнения окружающей среды, что приводит к ухудшению ее качества, вторая -со временем самоочищения или временем релаксации г, то есть

(4),

(5),

процессов, повышающих качество среды. Первая поправка зависит от управляющих параметров, с помощью которых возможна регулировка качества главных природных компонентов ГЭ.

Графическая модель оценки качества ГЭ разработана в терминах СЭР и ИК, рис.1, и представляет собой в проекции на плоскость окружность с радиусом, равным 1. Значение ИК в центре равно 0 и 1 на внешней окружности. Для СЭР ситуация обратная, то есть на окружности "он равен нулю и в ее центре риск равен 1. В нее вложена "сфера" меньшего радиуса - сфера реальных значений показателей качества. Радиус и форма поверхности "реальной сферы" непрерывно меняются вследствие наложения экологических возмущений разного порядка, сфера пульсирует, отражая тем самым динамику качества ГЭ по конкретному показателю.

Нормальной можно считать ситуацию, при которой изменения радиуса сферы заключены между верхним приемлемым уровнем СЭР и нижним допустимым уровнем СЗБ. Предложенная модель допускает возможность нескольких интерпретаций, что позволяет отобрать наиболее удобные для их передачи в систему поддержки принятия решений.

. На рис.1: а - нижний допустимый уровень экологической безопасности и Ь - верхний приемлемый уровень экологического риска. Д1 - отклонение среднего значения ИК от его базового значения. Л2 - отклонение среднего значения ИК от нижнего допустимого уровня экологической безопасности. Д3 - отклонение среднего значения ИК от верхнего приемлемого уровня экологического риска. Устойчивость качества компонента окружающей среды по какому-либо показателю - это сохранение объема 4/3 я**. ■ 'Г.,.. .„ .

Модель контроля качества состава атмосферного воздуха строилась следующим образом. Составим уравнение:

в котором т - значения концентраций загрязняющего вещества (ЗВ) П - ПДК, М - концентрация ЗВ по нормативам РД, вызывающая угнетение здоровья человеческого организма, % - индикатор качества состава, показывающий, во сколько раз в данном компоненте ГЭ

(6),

Рис.1. Графическая модель оценки качества городской экосистемы (проекция на плоскость).

концентрация ЗВ в зоне опасности больше или меньше реального содержания ЗВ в охватываемой измерениями области. Выражение (6) приводится к виду:

где п - кратность ПДК.

В приближении модели аддитивной опасности был построен обобщенный индикатор. Его расчет проводился по формуле:

Анализ этого выражения показал его высокую чувствительность к концентрациям ЗВ и относительно слабую зависимость от их количества, что важно для практических применений.

Разработанная методика была применена к оценке качества состава атмосферного воздуха Санкт-Петербурга, таблица 1. Расчет ИК в соответствии с его определением по шести основным ЗВ дал значение равное 0,33, (33%). Повторный расчет ИК был проведен по 17 ингредиентам и дал значение равное 0,35, что, как и в первом случае, меньше нижнего допустимого уровня СЭБ, равного 0,4, а соответствующая оценка СЭР дала значение 0,65 (65%) без учета корректирующего коэффициента. Методика расчета ИК была

п ) т

(7),

(8),

применена к оценке качества атмосферного воздуха крупных городов мира и показала ее лучшую сходимость по сравнению с бальной системой, имеющей элементы субъективности.

Таблица 1.

Исходные данные и результаты расчета индикаторов качества атмосферного воздуха для Санкт-Петербурга

N Веще-сгво пдк, мг/м М.3 мг/м Класс опасно- п X Хобщ

сти

1 в02 0.05 0.5 3 10 0.4

2 СО 3.0 5.0 4 2 0.2

3 N02 0.04 2.0 2 50 0.5

4 03 0.03 0.16 1 5 0.3 0.15

5 Соединения свинца 0.0003 0.01 1 33 2.0

6 Пыль 0.05 2.0 1 15 3.0

Методы идентификации источников экологической опасности имеют своей целью установить принадлежность ЗВ конкретному источнику, построены по двухуровневой схеме и применимы при использовании спектров или хроматограмм. На первом уровне производится отбраковка контрольных спектров по критерию, который строится с учетом числа пиков в зоне сравнения и их параметров (интенсивности, ширины, индекса удерживания и т.д.). В результате сравнения выявляется множество возможных источников загрязнения. Уточнение источника производится на втором уровне идентификации с помощью методов математической статистики. В результате количественно оцениваются вероятности совпадения спектров проб, взятых из зоны загрязнения, и проб ЗВ возможных источников.

Расчеты показали, что вероятность совпадения спектров контрольных проб и спектров эталона определяется выражением:

X [^(д^Р)-^*,.,^]2"

/у - граничное распределение разностей,

(х,, Р) = £/(*,, Р), / = 1'2' х<=(>'¡.пр.-У^ш) И -

плотность распределения отсчетов разностей.

Методы апробированы на примере сравнения хроматограмм проб зимнего дизельного топлива, для которых вычислены требуемые вероятности. На основе разработанных методов предложен набор правил для экспертов, использующих предложенную методику на практике.

2. Создание современной системы экологического контроля окружающей среды регионального уровня применительно к крупным городам и городам-мегаполисам, обеспечивающей комплексную оценку экологической обстановки, ее организационная структура, требования к ее информационному обеспечению и схемы управления качеством природных компонентов может быть реализовано применением аппаратуры нового поколения космического, авиационного и наземного базирования и обработкой информации на основе обобщенных показателей с использованием результатов расчета предложенных моделей.

Анализ результатов оценки экологического состояния (обстановки), например, атмосферного воздуха в городах, в частности, в С.-Петербурге, полученных на основе применяемых систем контроля, показал, что:

1. Загрязняюще-ресурсный подход, опирающийся на систему ПДК, ПДС, ПДВ и т.д. и отслеживающий по существу только показатели по составу атмосферного воздуха ограничен в своих возможностях объективно оценить его качество.

2. Применяемые методики, использующие, в частности, комплексные показатели состояния загрязненности воздуха, нуждаются в корректировке, либо в дополнении другими, независимыми методиками, способными в целом улучшить проводимые оценки.

Для корректной комплексной оценки качества главных природных компонентов ГЭ и контроля ее состояния необходим пересмотр

представлений об организации, устройстве, оптимизации и функционировании как системы контроля в целом, так и отдельных ее частей.

Предлагаемая система контроля не нуждается в привлечении нормативов ПДК, так как опирается на систему индикаторов и индексов'Качества. Ее конкретная организационная структура должна строится с учетом климатических, географических и других особенностей конкретного города, в частности, результатов анализа антропогенно-измененного ландшафта. В общем виде структура системы контроля представлена на рис.2.

Управляющие параметры, содержащиеся в решении (5), имеют смысл количества и разновидности мероприятий (действий), манипулируя которыми, можно придать вектору состояния компонента ГЭ необходимое значение, либо установить направление его изменения. Их введение позволяет после получения, обработки и свертки информации, полученной как с помощью измерений, так и на основе модельных расчетов, организовывать обратное воздействие этой информации на управляющие параметры с целью получения необходимого эффекта.

С учетом этого предложена поэтапная схема управления качеством главных компонентов, состоящая из набора организационных мероприятий и технических решений, а также специальной программы действий. В схему предлагается включить принцип компенсации и принцип синхронизации.

Первый из них означает возможность перераспределения нагрузок на окружающую среду, временное отключение отдельных технологий, либо производственных циклов с целью уменьшения техногенного воздействия на главные компоненты ГЭ. Принцип синхронизации означает необходимость согласованных, одновременных действий при решении комплекса поставленных экологических задач по управлению качеством главных компонентов ГЭ всеми организациями, предприятиями и лицами.

Успешное функционирование системы контроля и схемы управления качеством природных компонентов возможно только при использовании соответствующей информации, в связи с чем разработаны требования к информационному обеспечению системы контроля, предложена схема отбора конкретных процессов, явлений и свойств, а также количества и типов необходимых показателей. Получение такой информации для анализа динамики ГЭ и оценки качества ее главных компонентов требует привлечения новых измерительных средств космического, авиационного и наземного

Рис. 2. Организационная структура системы контроля и оценки качества компонентов городской экосистемы.

базирования. Потребность в такой аппаратуре может быть в заметной степени удовлетворена представляемой ниже аппаратурой дистанционного зондирования нового поколения.

3. Получение регистраторов оптической информации -фототермопластических носителей - для аппаратуры нового поколения, с улучшенными на 20-30% фотографическими характеристиками, разрешающей способностью до 300 лин/мм и повышенной информационной емкостью, достижение высоких значений технических характеристик аппаратуры на их основе обеспечивается дискретизацией электрооптических и реологических свойств носителя с использованием обнаруженных эффектов усиления и самоусиления фотоструктур;:ых превращений в полупроводниковом слое носителя.

Основным элементом аппаратуры фототермопластической записи информации (ФТПЗ) является термопластический носитель (ТПН), состоящий из полупроводникового и термопластического (БМА-50) слоев. Технические характеристики аппаратуры на его основе определяются главным образом свойствами ТПН и, прежде всего, его чувствительностью, разрешающей способностью и контрастом.

Регистрация и визуализация изображения на ТПН в реальном масштабе времени реализуется одновременным воздействием на носитель теплового, электрического и оптического факторов. Подбором режимов зарядки и подогрева осуществлялось воздействие на процесс и отыскивались условия, при которых параметры системы были бы оптимальными. Обеспечение равномерности заряжения кадра по всей площади и требуемой кинетики развития потенциала на поверхности ТПН было достигнуто за счет введения новых конструкций зарядных устройств, в том числе предложенных автором.

Дальнейшие исследования показали, что для любого фиксированного набора параметров, определяющих режим записи, всегда существует так называемый резонансный случай - такой, при котором отклик системы - деформация на поверхности ТПН - на внешнее воздействие максимален. Геометрия рельефа, появившегося в результате деформации на поверхности ТПН, в значительной степени влияет на его характеристики. Эволюция деформации £ определяется решением уравнения движения для

вязкой жидкости при соответствующих начальных и граничных условиях и имеет экспоненциальный характер £ ~ е*Р cot. Из теории следует, что ее относительная величина может быть записана в виде:

м

е

£ Р

дх

\2

0 дх2

т-i.

(10),

где Е0- значение поля, приводящее к начальному давлению Р0, г имеет смысл времени механической релаксации и - время формирования деформации.

Из теории следует также, что на начальной фазе развития деформации между скоростью ее роста и рассеивающей способностью ТПН Я существует линейная зависимость. На основании этого факта был разработан и внедрен способ определения реологических параметров вязкоупругих сред.

На этой стадии своего развития процесс записи информации поддается контролю и управлению с помощью подбора режимов зарядки, температуры подогрева, соответствующих констант полупроводникового слоя, реологических и термомеханических параметров термопластического слоя, однако, ТПН в недостаточной мере обеспечивает требуемые значения фотографических характеристик.

Как показали исследования, дальнейшее улучшение фотографических характеристик ТПН и качества восстановленного изображения, повышение отношения сигнал/шум и расширение динамического диапазона, возможны только при введении растрирования (дискретизации свойств) либо самого ТПН, либо проецируемого изображения.

С целью поиска простых и надежных способов растрирования ТПН был проведен детальный теоретический и экспериментальный анализ процесса фотоструктурных превращений (ФСП), происходящего в полупроводниковом слое ТПН, который показал, что процесс дискретизации свойств полупроводникового слоя можно разбить на две фазы.

В первой из них - фазе усиления голограмм - путем подбора интенсивности и времени засветки лазерным облучение (0,63 мкм) полупроводникового слоя ТПН при проецировании на него интерференционной решетки удается подобрать необходимые

характеристики степени дискретизации полупроводникового слоя. Эта работа требует значительных затрат времени и опыта исследователя. Процесс дискретизации существенно упрощается, если использовать вторую фазу и обнаруженный эффект самоусиления голограмм, проявляющийся в том, чтб при наличии предварительного растрирования нет необходимости в постоянной засветке самой интерференционной решетки с целью получения требуемых параметров дискретизации. Проецирование интерференционной решетки можно прекратить, и дальнейшее облучение производить сплошным светом. При этом наблюдается требуемый рост дифракционной эффективности т/, обусловленный эффектом самоусиления. В этой фазе процесс дискретизации легко контролируется и может быть прекращен в любой требуемый момент..

Для подтверждения этого факта были разработаны специальная экспериментальная установка и методика измерений. Исследования доказали, что достаточно засветить кадр, на котором имеется затравочная решетка щ, сплошным облучением как, вследствие эффекта самоусиления, произойдет легко контролируемый рост дифракционной эффективности на полупроводниковом слое и, что очень важно, перенос этого усиления на термопластический слой носителя, рис.3 и 4.

Рис.3. Самоусиление (1) и усиление дифракционной эффективности на полупроводниковом слое ТПН.

I

г

о,«

<»» «о ЕС, о

Рис.4. Кинетика усиления и стирания дифракционной эффективности при засветке однородным светом, Е - освещенность.

Теоретический расчет наблюдаемых эффектов показал, что значение коэффициента усиления се скорости роста деформации может быть вычислено по формуле:

2 +

ое ■

Я к (£•, + Ег )

—--

> (ЙЦА)

в которой от- коэффициент поверхностного натяжения ТП - слоя, к -пространственная частота растра, толщина ТП - слоя, ^ и ег-диэлектрические проницаемости полупроводникового и термопластического слоя, Е - напряженность поля на поверхности ТПН. и F2определяются выражениями:

1 - Ы] к1 Л;

(12).

сЛ2 М, + А2й?,2

Применение полученных результатов дало возможность упростить и удешевить технологию изготовления растрированного носителя, повысить на 20-30% его чувствительность, что в целом улучшило технические характеристики аппаратуры на его основе и позволило расширить области ее применения.

Изготовлены различные варианты аппаратуры ФТПЗ в соответствии с областями их применения.

Р«с.6. Аг.г.арат щспсьои записи.

Таблица 2

Технические характеристики аппарата щелевой записи_

Относительное отверстие объектива 1 :1.12

Фокусное расстояние объектива 99,3 мм

Визуальное разрешение с затвором и без него 986 лин/мм

Разрешение объектив - пленка 300 лин/мм

Чувствительность 2 ед. ГОСТа

Вес объектива 7 кг

Вес аппарата 15 кг

Потребляемая мощность в режиме записи 60 ВТ

Кассета 40 м

Скорость протяжки 1,4 - 3 мм/с

Аппаратура ФТПЗ в системе контроля способна производить съемки с большим временем экспонирования, регулировать порог чувствительности в соответствии с уровнем освещенности и выводить результаты наблюдений на экран осциллографа или локатора. Аэрофотосъемка с использованием ТПН реализуется при переходе на широкоформатную пленку, дающую панорамные снимки с хорошим фрагментарным воспроизведением. В космической съемке аппаратура ФТПЗ обладает перед традиционной рядом преимуществ, например, возможностью оперативной обработки больших массивов информации на кадре размером 240x190 мм без применения жидкостного химического проявления. ТПН способен обеспечить малые экспозиции, 1/30-1/100 с, возможность нанесения растра на край для синхронизации движения пленки и Земли и обладает высокой разрешающей способностью, до 300 лин/мм, при удовлетворительной светочувствительности. Все это вместе взятое обеспечивает эффективность применения аппаратуры ФТПЗ в

системе контроля, особенно для слежения за характеристиками в классе процессы. На рис. 5 представлен один из вариантов разработанной аппаратуры фототермопластической записи универсального базирования - аппарат щелевой записи и его технические характеристики.

4. Новые конструкции преобразователей оптического изображения с повышенной на 1-2 порядка энергетической чувствительностью, разрешающей способностью 10-20 лин/мм и быстродействием 1-10 кадр/с, могут быть созданы путем варьирования составом и электрооптическими параметрами полупроводникового и светомодулирующего слоев ОаАз(Сг), СсГГе, БЦАи), Э^п), КДП, ДКДП, ЖКС-37, ЖК-1001, ЖК-616, ЖК-654 и др., применением оригинальных схем матричных фокусирующих электродов, конденсоров электрических зарядов и полей, а также методов пространственного кодирования записывающего света.

К приборам дистанционного зондирования (приборы типа «свет-свет»), способным успешно работать в различных системах контроля, относятся преобразователи оптического изображения (ПОИ), в том числе пространственно-временные модуляторы света (ПВМС). Разработки ПОИ велись по следующим направлениям: 1) поиск, теоретическое и экспериментальное исследование новых электрооптических и полупроводниковых материалов, позволяющих расширить спектральный диапазон регистрируемого света, 2) разработка на их основе новых конструкций преобразователей в различных вариантах исполнения с чувствительностью на 1-2 порядка выше по сравнению с традиционными структурами.

а) ПВМС с усилением примесного ИК- фотоотклика током, индуцируемым коротковолновой подсветкой. Они имеют структуру монокристаллический полупроводник - жидкий кристалл, (ЖК), работают в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра, обладают высокой чувствительностью, быстродействием в миллисекундном диапазоне и удовлетворительным разрешением, обеспечивают фазовую и амплитудную (в поляризаторах) модуляцию считывающего света, как когерентного, так и некогерентного.

Работа таких преобразователей основана на эффекте модуляции собственного фототока полем ионизированных примесных центров. Фоточувствительным слоем в них служит примс-сный полупроводник, в котором длинноволновый записывающий свет ионизирует центры только одного типа, либо акцепторы, либо доноры.

Таблица 3

Основные параметры макетов ПВМС на основе многослойных структур с примесной светочувствительностью

1 Фоточувствительный слой СаАз(Сг) вкгп) в^Аи) БКАи) с МКЭП*

2 Светомодулирующий слой жк кдп КДП КДП

3 Спектральный диапазон чувствительности,мкм 0,5-1.5 0,5-3,8 0,5-2,5 0,5-2,5

4 Апертура, см"' 2-4 2-4 2-4 2-3

5 Энергетическая чувствительность, Дж'см2 в области собственного поглощения в области примесного поглощения (0,2-5)107 (0,4-1)10® (0,3-1)10® (0,6-1)10® (0,5-2)10® (0,5-1,5)105 5x10е 10е

6 Максимальный контраст считываемого изображения 40:1 50:1 50:1 50:1

7 Разрешающая способность, мм"1 20-30 12-15 15-20 12

8 Длительность кадра, мс 60-300 1 -10 1-100 1-10

9 Питающее напряжение, В 10-40 200-400 200-400 200-400

1 0 Рабочие 1 температуры, °С 10-60 -150 -150 -150

*МКЭП- матричный конденсор электрических полей.

В качестве перспективных фоторецепторов для таких ПВМС исследовались Б^п), Э^РО, Сс15е(Ад), и др. полупроводниковые

материалы. Как показал расчет "коэффициент усиления" в рассматриваемых ПВМС может достигать значения порядка отношения общей емкости слоев металл-диэлектрик-полупроводник-диэлектрик-металл структуры к удвоенной емкости полупроводника, что соответствует повышению чувствительности ПВМС в несколько десятков раз. На основе результатов проведенного комплекса исследований созданы конструкции таких ПВМС с характеристиками, указанными в таблице 3.

б) Преобразователи изображений с фокусировкой электрических зарядов и полей. Фокусировка электрических зарядов и полей обеспечивает повышение чувствительности прямо пропорциональное росту энергетической чувствительности. Дискретизация зарядового рельефа устраняет зависимость амплитуды модуляции считывающего света от размера деталей изображения, имеющую место в большинстве ПВМС, а также ограничивает поперечное движение носителей в полупроводниковом слое, что позволяет повысить разрешение ПВМС на основе таких полупроводниковых материалов, как собственные и примесные Б!, ваАз, Сс^Бе и др.

А-А

«Л-

Рис.6. Форма рельефа на поверхности полупроводника.

Рис.7.Структурированный .)

светомодулирующий спой

1 - светонепроницаемые площадки,

2 -проводящие шины.

Рис.8. Матричный конденсор электрических полей.

1 - электропроводящие каналы, 2 - диэлектрик, 3 - металлические площадки, 4 - диэлектрический слой, 5 - металлические площадки.

Дискретизация осуществляется с помощью разработанных фокусирующих систем, которые могут реализовываться либо на полупроводниковом слое, рис.6, либо на светомодулирующем слое, рис.7, либо путем помещения между светомодулирующим и полупроводниковым слоями матричного конденсора электрических полей, рис.8.

Достигаемое при этом повышение чувствительности, как показали проведенные оценки, приближенно определяется коэффициентом:

Л у £ 1 £

где Ь - пространственный период рельефа, 5" - линейный размер площадки на выступе рельефа, 5- суммарная толщина слоев, разделяющих полупроводник и светомодуляционный слой, а -линейный размер передаваемой детали изображения,

^ и /поперечная и продольная компоненты тензора электропроводности светомодулирующего материала, а функция /(х,у) определяется формулой:

Г1, Х>у

/(Х,у) = ^ (14).

I х/у, х<у

Таблица 4

Характеристики ПВМС с фокусировкой электрических зарядов и полей

Характеристика СаАэ(Сг) СсЛе

1 Спектральный диапазон чувствительности, мкм 0,5-1,5 0,5-0,9

2 Апертура, см*1 3-10 2-5

3 Длина волны, соответствующая макс, чувствительности Ят, мкм 0,88 0,85

4 Чувствительность при Ят и выходном контрасте 2:1, Вт'1 см2 10® 106

5 Плотность энергии записывающего света, соответств. полному переключению электрооптического отклика при МКДж/СМ2 0,2-0,4 0,5-0,7

6 Максимальный контраст считываемого изображения 50:1 50:1

7 Разрешающая способность, пар лин/мм 25-30 40-55

8 Минимальное время включения отклика при 25°С, мс 20 15

9 Время выключения отклика при 25°С, мс 25 30

10 Питающее напряжение: синусоидальное, Амплитуда, В, частота, кГц 8-10 5-50 10-20 2-20

11 Рабочая температура, °С 10-60 10-60

Созданные различного типа фокусирующие электроды, матрицы на жидких кристаллах непроводящих и полупроводниковых материалах и матричные конденсоры электрических полей позволили получить повышение фотонапряжения на

электрооптическом слое и последующее увеличение чувствительности в 30-35 раз, таблица 4.

в) Преобразователи изображений с пространственным кодированием записывающего света. В этих преобразователях входное излучение, предварительно поляризованное поляризатором, проецируется широкодиапазонным объективом на модулятор записывающего света, осуществляющий пространственное кодирование изображения, а затем, после прохождения анализатора, фокусируется объективом на фотоприемник. Сигналы с фотоприемника, усиленные мапошумящим предварительным усилителем, после преобразования в цифровую форму (преобразования Уолша-Адамара) поступают в компьютер, осуществляющий обработку сигналов и восстановление исходного изображения с последующей выдачей изображения на экран.

Основными составными частями таких преобразователей являются модулятор записывающего света, фоточувствительный блок и блок декодирования сигналов. Усовершенствование преобразователя в целом осуществлялось путем улучшения характеристик каждой его части. Как показали результаты расчетов и численного моделирования с использованием конкретных параметров некоторых фоторецепторов (резистивных слоев, диодных структур на основе р-п переходов и др.), чувствительность ПОИ с пространственным кодированием записывающего света к однородному записывающему свету в диапазоне от видимого излучения до длинноволнового края фоточувствительности может составлять 10® Вт"1 см2 при быстродействии 1-10 кадр/с. Чувствительность к пространственно неоднородному излучению 107 Вт "1см2 при разрешении 10-20 мм"1, что почти на порядок превышает чувствительность традиционных структур. Результатом проведенных исследований явилось создание новых конструкций ПОИ, характеристики которых приведены в таблице 5.

Разработанные конструкции ПВМС и ПОИ способны работать в широком спектральном диапазоне, включая ИК и рентгеновский и позволяют выполнять широкий набор операций предварительной обработки информации (сложение и вычитание изображений, выделение контуров, выделение линий одинаковой яркости, управление контрастом и т.д.). ПВМС могут использоваться в системах обработки оптической информации для сравнения и

Таблица 5.

Основные параметры макетов преобразователей с пространственным кодированием записывающего света

1 Фотоприемник ве-диод РЬБ-резистор 1пБЬ-резистор РЬБе-резистор

2 Материал кодирующего транспаранта ДКДП ЖК-1001 ЖКС-37 ЖКС-37

3 Спектральный диапазон чувствительности, мкм 0,6-1,8 0,5-2,7 0,6-3,5 1,2-3,5

4 Количество элементов изображения, регистрируемых одйим фотоприемником 16x16 16x16 32x32 32x32

5 Минимальная энергия входного излучения, обеспечивающая отношение сигнал/шум > 6 на выходе устройства при максимальном разрешении, мкДж/см2 0,06-0,15 0,2-2 0,3-3 1-7

6 Быстродействие, кадр/с 10-20 2-10 1-2 1-2

7 Рабочая температура фотоприемника комн. комн. 77 К комн.

распознавания образов, в частности, для распознавания текстур, а также в качестве устройства ввода информации в телевизионные и вычислительные системы и в системы тепловидения.

Функциональные возможности ПОИ позволяют применять их для регистрации и обработки изображений участков земной поверхности, а также для когерентно-оптической обработки изображений, полученных дистанционными методами при космической и аэрофотосъемке. Использование систем обработки оптической информации в разных диапазонах электромагнитного спектра на

основе ПВМС для анализа и оценки состояния посевов, садов, парков, лесных массивов, отслеживания трендов тепловых полей над городом и т.п. позволяет в большей степени обеспечить систему контроля требуемой информацией.

Аппаратура фототермопластической записи и преобразователи оптического изображения типа «свет-свет» при их применении с другими инструментальными средствами, например, со спектро- и газоанализаторами, с лазерными устройствами, значительно расширяют аппаратную базу системы контроля.

Рассмотренные приборы и аппаратура предполагают, помимо экологического, их широкое промышленное применение. Так, получение голограмм, интерферограмм, спекл-фотографий, а также фурье-спекгров объектов с целью их распознавания, обеспечивает еозможность исследования потоков жидкостей и газов, температурных градиентов, регистрацию перемещений и деформаций диффузных объектов, анализ однородности материалов и обнаружения дефектов композитных структур, контроль сварных соединений в элементах высокой надежности, исследование микротрещин, роста кристаллов, контроль элементов энергосети, развязок газопровода, ИК-лазеров и т.д. Пространственно-временные модуляторы света и преобразователи оптического изображения могут быть с успехом применены в охранных, поисково-спасательных и противопожарных системах, а также способны обеспечивать температурный контроль устройств и механизмов.

Разработанные преобразователи представляются весьма перспективными в качестве устройств формирования двумерных массивов данных и ввода сигналов в оптические процессоры, оптические запоминающие и периферийные устройства и информационные системы для выполнения многообразных операций. Они удовлетворяют требованиям высокой надежности в работе и технологической простоте при их изготовлении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе даны научно-обоснованные инновационные инженерно-физические и технические решения крупной научно-технической проблемы создания современной системы обеспечения контроля и оценки качества компонентов окружающей среды крупных городов, материалов и изделий на основе системы обобщенных показателей, методов их расчета и моделей с их использованием, а также приборов и аппаратуры дистанционного зондирования нового поколения универсального базирования.

Основные выводы по работе сводятся к следующему:

1. Разработаны методы описания состояния и качества городской экосистемы; предложены система обобщенных показателей, способы их расчета и модели на их основе:

1.1. Введено, определено и наполнено конкретным содержанием понятие городской экосистемы, обладающей специфической пространственной, временной и функциональной структурой. Обоснован макроскопический и мезоскопический уровень ее описания. Проведен анализ, структурирование и ранжирование источников экологической опасности. Подчеркнута особая значимость энергетического воздействия на главные компоненты окружающей природной среды города. На основе анализа модели городской экосистемы установлены соответствия в поведении и свойствах некоторых природных и технических систем и городской экосистемы и предложена классификацию типов энергетических воздействий.

1.2. Уточнены и определены термины применительно к описанию состояния и качества городской экосистемы. Разработан способ формирования обобщенных показателей - индикаторов окружающей среды, индексов качества и метод их расчета. Введены единицы их измерения, лежащие в диапазоне 0-1 или 0-100 относительных единиц и установлена количественная связь между ними. Определены нижний допустимый уровень составляющей экологической безопасности и верхний приемлемый уровень составляющей экологического риска и показано, что они должны быть заключены между значениями, равными 0,4 и 0,6 соответственно в линейной шкале.

1.3. Предложены статические и динамические модели контроля и

оценки качества компонентов городской экосистемы и методы идентификации источников экологической опасности. Графическая модель обеспечивает наглядное представление о качестве главных компонентов городской экосистемы в любом,из классов (состав, свойства, процессы, явления), удобное для передачи в систему поддержки принятия решений. В математической модели получено общее решение для вектора состояния, позволяющее выявить необходимое направление его изменения. На основе модели оценки качества состава рассчитаны индикаторы и индексы и оценено качество атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге и ряде крупнейших городов мира. Индекс качества воздушного бассейна Санкт-Петербурга оказался равным 0,3-0,4 (30-40%). Показано, что предложенная методика более корректно оценивает качество атмосферного воздуха по сравнению с существующими, проста и удобна в практическом применении. Разработаны рекомендации по практическому применению методов идентификации.

2. Разработана оригинальная система контроля состояния окружающей среды крупного города и оценки ее качества, основанная на использовании обобщенных показателей, методов их расчета и приборов и аппаратуры нового поколения космического и авиационного базирования:

2.1. Показана ограниченность загрязняюще-ресурсного подхода при контроле и оценке состояния и качества главных природных компонентов городской экосистемы, низкая эффективность применяемых обобщенных показателей и методик их расчета в оценке экологической обстановки. Предложен и обоснован новый подход к построению системы контроля, отличающийся учетом не только состава,_ но и свойств главных компонентов, городской экосистемы " и включающий наблюдения за протекающими в ней процессами и явлениями.

2.2. Предложена возможная организационная структура системы контроля, разработаны мероприятия по ее формированию и обеспечению ее функционирования. Обоснованы требования к приборно-аппаратному и информационному обеспечению системы контроля, содержащие перечень как показателей, так и структуру необходимой информации.

2.3. Предложена схема управления качеством главных компонентов городской экосистемы. Схема содержит набор мероприятий и технических решений, представпенных в форме этапов, с помощью которых через систему управляющих параметров возможно реализовывать как положительную, так и отрицательную

обратную связь, регулирующую качество отдельного главного компонента городской экосистемы. Представлены рекомендации по совершенствованию существующей системы контроля состояния окружающей среды крупного города с использованием предложенной схемы управления.

3. Созданы новые регистраторы оптического изображения на основе гибких фототермопластических носителей с улучшенными на 20-30% фотографическими характеристиками и повышенной информационной емкостью:

3.1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований процесса зарядки и механизма зарождения и развития деформации на поверхности фототермопластического носителя разработаны новые конструкции зарядных устройств и способы измерения параметров вязкоупругих сред. Предложенные способы и устройства защищены авторскими свидетельствами.

3.2. Установлены новые, ранее неизвестные закономерности усиления и самоусиления протекания процессов при фотоструктурных превращениях в стеклообразных халькогенидных полупроводниках, на основе которых созданы новые регистраторы оптического изображения - фототермопластические носители с дискретизированными электрическими и реологическими свойствами в различных вариантах исполнения. Обнаруженные новые эффекты усиления и самоусиления голограмм позволили обеспечить требуемые параметры степени дискретизации свойств носителя, на 20-30% улучшить фотографические характеристики и повысить его информационную емкость. Разработана новая технология изготовления фототермопластического носителя, отличающаяся простотой и надежностью. Новизна полученных решений подтверждена авторским свидетельством на изобретения.

3.3. Показано, что созданный носитель и аппаратура на его основе, в разработке которой принимал участие автор, способны обеспечить измерения характеристик в классах: процессы, свойства, явления в соответствии с требованиями предложенной системы контроля к данным наблюдения. Показано также, что аппаратура термопластической записи может быть применена для решения задач в области промышленного контроля.

4. Созданы новые конструкции преобразователей оптического изображения типа «свет-свет», обеспечивающие значения сенситометрических характеристик в заданном диапазоне длин волн записывающего света на 1-2 порядка выше по сравнению с традиционными отечественными и зарубежными аналогами:

4.1. Обоснована перспективность использования в ПВМС на основе примесных полупроводников эффекта модуляции собственного фототока полем примесей, ионизированных длинноволновым записывающим светом. Доказано, что при этом чувствительность преобразователей в области примесного поглощения повышается более чем на порядок, по сравнению с традиционными структурами.

4.2. Создан ряд новых конструкций преобразователей на основе многослойных систем, обеспечивающих, благодаря поперечному структурированию слоев, фокусировку электрических зарядов и полей, с чувствительностью на 1-2 порядка превышающую чувствительность известных аналогов. Изготовлены и испытаны макеты преобразователей изображений с фокусирующим рельефом на поверхности полупроводника, на которых при разрешении 10 мм"1 и быстродействии 105 - 103 с в области примесного поглощения достигнута чувствительность в 5-10 раз превышающая чувствительность аналогичных систем с неструктурированной поверхностью полупроводника. Показано, что при разрешающей способности 20 мм"1 и апертуре 50 мм использование таких ПВМС в системах ввода информации обеспечивает пропускную способность Ю10 бит/с.

4.3. Изготовлены и исследованы новые конструкции макетов преобразователей оптического изображения с пространственным кодированием записывающего света с использованием транспарантов для модуляции записывающего света на основе ДКДП и различных ЖК материалов. Макеты преобразователей при передаче фрагментов изображения с быстродействием 1 с"1 имеют чувствительность на 1-2 порядка превосходящую чувствительность аналогичного устройства, работающего в режиме сканирования. Показано, что созданные новые конструкции преобразователей способны обеспечить выполнение требований системы контроля, могут использоваться как самостоятельно, так и в качестве составляющих элементной базы аппаратуры и устройств для измерения установленных показателей, а также производить обработку получаемой информации.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Эволюция потенциала поверхности ТПН при записи информации / Сб. Фундаментальные основы оптической памяти и среды.- Киев, 1980 - Вып. 11.- С. 88-96. (Соавторы: Л.М.Панасюк и

Ю.Н.Козулин).

2. К вопросу о деформации трехслойной регистрирующей системы / Всес. конф. "Регистрирующие среды, методы и аппаратура голографии".- Кишинев.- 1980. Тез.- С. 55-58. (Соавтор: Л.М.Панасюк).

3. Роль градиента поверхностного натяжения ТПН в образовании рельефа на его поверхности / 3-я Всес. конф. по бессеребряным и необычным фотопроцессам.- Вильнюс, 1980,-Тез.- С.-114-117.

4. Тепловая неустойчивость и эволюция рельефа на поверхности термопластических пленок / Сб. "Несеребряные и необычные среды для голографии,- М.: Изд. АН СССР, 1982,- С.- 28-35. (Соавтор Л.М.Панасюк).

5. К вопросу о светомодуляционной способности деформированного носителя / 1-я Всес. конф. "Оптическое изображение и регистрирующие среды",-Ленинград, 1982-Тез.-С. 17-18.

6. .О деформации термопластиков в поле коронного разряда / 2-я Всес. науч.-техн. конф. "Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающих процессов".- Москва, 1983.- Тез. С.- 99-101. (Соавторы: Л.М.Панасюк, Л.Б.Погорельский, Г.Н.Манушевич).

7. Определение некоторых параметров термопластического слоя по кинетике развития деформации / 4-я Всес. конф. по бессеребряным и необычным фотопроцессам.- Суздаль, 1984,- Тез.-С,- 125-127. (Соавторы Л.М. Панасюк, Г.Н.Манушевич).

8. О частотных характеристиках термопластического слоя / 4-я Всес. конф. по бессеребряным и необычным фотопроцессам.-Суздаль, 1984,- Тез. С,- 149-151. (Соавторы: Г.Н.Манушевич, Л.Б.Погорельский, A.A. Форш).

9. К определению реологических параметров тонких полимерных слоев, нанесенных на гибкую основу / - 13-й Всес. симпоз. По реологии,- Волгоград, 1984.- Тез.- С,- 97-100. (Соавторы: Л.М.Панасюк, Л.Б.Погорельский).

10. К вопросу о светомодуляционной способности деформированного термопластического носителя / В кн. "Некоторые вопросы физики неравновесных процессов в полупроводниках и диэлектриках".- Кишинев: "Штиинца", 1984,- С.- 96-104. (Соавтор: Л.М.Панасюк).

11. О влиянии растрирования фазового рельефа на фотографические характеристики ФТПН / 2-я Всес. науч.-техн. конф. "Проблемы развития радиооптики".- Москва, 1985.- Тез.- С.- 39-41. (Соавторы: Л.М.Панасюк, С.С.Панфилов).

12. Усиление деформационной способности термопластического

носителя интерференционным растрированием / 2-я Всес. конф. "Формирование оптического изображения и методы его обработки",-Кишинев, 1985.-Тез.-Т. 1.- С.- 39-41. (Л.М.Панасюк, С.С.Панфилов).

13. Использование фотоструктурных превращений в халькогенидных стеклах для улучшения фотографических характеристик ФТПН / 1-е Всес. сов. по стеклообразным полупроводникам,- Ленинград, 1985.- Тез.- С.- 352-354. (Соавторы: Л.М.Панасюк, С.С.Панфилов).

14. Электрические и реологические свойства деформируемых тонких пленок//ЖНиПФиК, 1985.- Т.- 30,- N 2.- С,- 89-96. (Соавторы: Л.М.Панасюк, Г.Н.Манушевич, Л.Б.Погорельский, ААФорш, НАСкрипченко, С.В.Бузурнюк).

15. Устройство для покадровой электростатической зарядки неподвижного электрографического носителя / A.c. СССР N 1147171 (Соавторы: Л.М.Панасюк, М.М.Русанов, Ю.В.Голощапов, A.A.Форш).

16. Способ измерения кинетических характеристик поверхностного потенциала электрографического носителя и устройство для его осуществления / A.c.СССР N 4077617/12(052328). (Соавторы: ВАМакарычев, В.Ю.Макарычев, С.С.Панфилов, Л.Б.Погорельский).

17. Способ определения вязкоупругих параметров сред / А.с.СССР N 1291845. (Соавторы: Л.М.Панасюк, Г.Н.Манушевич, Л.Б.Погорельский, ААФорш).

18. Использование изменения электрических свойств халькогенидных стекол при записи информации в реальном масштабе времени / 3-я Всес.конф. "Проблемы оптической памяти",-Ереван, 1987.- Тез.- Ч. 2,- С,- 5-7. (Соавторы: Л.М.Панасюк, Е.Л.Килийская, С.С.Панфилов).

19. Некоторые особенности самоусиления голограмм в аморфных слоях As-S-Se и их использование в фототермопластическом процессе II Успехи научной фотографии,- М.: Наука, 1990,- Т. 26,- С.-66-70. (Соавтор С.С. Панфилов).

20. Исследование многослойных структур на основе монокристаллов CdTe, чувствительных в рентгеновской области спектра I Научн.-техн. конф. АН МССР - МолдГУ,- Кишинев, 1992,-Тез.- С.- 90-91. (Соавторы: АДМельник, В.Ф.Мовилэ, Е.П.Покотилов).

21. О прогнозировании аварий на объектах ВПК / Сб. трудов Меиод. науч.-пракг. конф. "Экологические проблемы деятельности оборонной промышленности и Вооруженных Сил России".- М.: 1995.-С.-112-113.

22. Формирование понятия экологической безопасности как средства прогнозов и устойчивого развития / Матер. 1-ой Межд. конф. "Проблемы ноосферы и устойчивого развития",- СПб., 1996.-С.- 194-197.

23. Ноосферный подход к проблеме тепловых выбросов / Матер. 1-ой Межд. конф. "Проблемы ноосферы и устойчивого развития",-СПб., 1996,- С.-191-195.

24. Информационное обеспечение системы контроля состояния окружающей среды для управления экологически безопасным развитием Санкт-Петербурга / Сб. "Инженерная экология".- М., 1996,-С.- 124-132.

25. Простая модель количественной оценки экологической безопасности локальной области окружающей среды / Экологич. хим.-1996,- Т.- 5. N 3,- С,-193-198.

26. Экологическая безопасность и биосферное мышление / Вестник СПбО РАЕН. СПб. 1997,- Т.- 1,- N 1.- С,- 33-41. (Соавтор: В.А.Исидоров).

27. Информационное обеспечение идентификации виновников загрязнения поверхностных вод нефтепродуктами / Экологич. хим.-1996,- 5(4).- С,- 255-261. (Соавторы: М.Н.Никанорова, Е.П.Подшил кина).

28. Экологическая культура и экологическая безопасность/ Мат. Межд. научн.-практ. конф. Культура России в переломную эпоху. -СПб.,1997,- С,- 176-178.

29. Dynamical model for evaluating the quality of the main components / Межд. научн. конф. "INDEX-97". St.-Petersburg, Russia, July 7-11,1997,-Abstract book.- P.- 91. (Соавтор: ВАИсидоров).

30. Urban ecosystem and method of its description in terms of quality indices / Межд. научн. конф. "INDEX-97". St.-Petersburg, Russia, July 7-11,1997,-Abstract book.- P.-61. (Соавтор: В.А.Исидоров).

31. К вопросу об оценке экологической ситуации городов Крайнего Севера и прилегающих к нему территорий / Матер. Всеросс. научно-практ. конф."Решение социально-экономических задач в Арктике и районах Крайнего Севера в условиях конверсии,- 1997. Санкт-Петербург,- С,- 85-90.

32. Идентификация источника загрязнений акваторий нефтепродуктами // Экологич. хим.-1997,- Т.- 6,- N 3.- С,-172-176.