Разработка методов и оптико-электронных средств лазерного оперативного контроля многокомпонентных газовых смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ

Городничев, Виктор Александрович

Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка методов и оптико-электронных средств лазерного оперативного контроля многокомпонентных газовых смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ

доктора технических наук: Городничев, Виктор Александрович
город: Москва
год: 2009
специальность ВАК РФ: 05.11.07

Диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Разработка методов и оптико-электронных средств лазерного оперативного контроля многокомпонентных газовых смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ»

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов и оптико-электронных средств лазерного оперативного контроля многокомпонентных газовых смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ"

На правах рукописи УДК 621.373.826; 535.34; 543.4

Городничев Виктор Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ЛАЗЕРНОГО ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ И ДРУГИХ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

□03472833

Москва - 2009

003472833

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте радиоэлектроники и лазерной техники Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана.

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор

Самохвалов И.В.

Доктор технических наук, профессор Юдин В.И.

Доктор технических наук, профессор Пахомов И.И.

Ведущая организация - Институт мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС СО РАН), г. Томск

Защита диссертации состоится «24» июня 2009 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.141.19 в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автореферат разослан «_»_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Е.В. Бурый

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время актуальна проблема контроля загрязнения атмосферы компонентами ракетных топлив (КРТ) и другими токсичными веществами, опасными не только для здоровья человека, но и для всего окружающего животного и растительного мира. При проведении пусков ракетно-космических носителей (РКН) на испытательных полигонах и космодромах, в районах падения ступеней РКН и местах аварий в атмосферу выбрасываются высокотоксичные газообразные компоненты ракетных топлив и сопутствующие газы. В связи с этим актуальной становится проблема обеспечения безопасности инженерно-технического, обслуживающего персонала и населения в местах пуска РКН и прилегающих районах, а также на территориях, расположенных вблизи предприятий химического машиностроения.

Для успешного решения данной проблемы необходим постоянный оперативный контроль уровня содержания КРТ, сопутствующих газов и других токсичных газовых загрязнителей в атмосфере в местах разработки, создания и проведения испытаний объектов ракетной техники, пуска РКН и прилегающих районах и других зонах риска.

Газовые выбросы КРТ, сопутствующих газов и других токсичных газовых загрязнителей эффективно обнаруживаются в атмосфере лазерными методами, вследствие высокой информативности эффектов взаимодействия оптических волн с молекулами загрязняющих газов. Состав выбросов КРТ и сопутствующих газов является многокомпонентным, к тому же в атмосфере всегда присутствуют фоновые газы, мешающее воздействие которых необходимо учитывать при проведении измерений.

Использование перестраиваемых лазеров дает возможность, применяя многоспектральные измерения и метод дифференциального поглощения (ДП), определять при дистанционных измерениях (с отражением зондирующего лазерного излучения от расположенного на фиксированном расстоянии отражателя либо от атмосферных аэрозолей) или при локальных измерениях (использующих отбор проб воздуха и их дальнейший анализ методами лазерной спектроскопии) концентрации газовых компонент даже в случае, когда их спектры поглощения перекрываются.

Существенные изменения в составе и содержании атмосферных газовых примесей, иногда превосходящие их естественные вариации, вносит хозяйственная деятельность человека. Более того, в атмосферу поступает большое количество газов, которые в природе не встречаются. Для их обнаружения необходим постоянный оперативный контроль за экологическим состоянием атмосферы в крупных промышленных регионах и других зонах риска.

Традиционные химические методы измерений не позволяют проводить оперативный мониторинг газовых загрязнителей в атмосфере над большими пространственными площадями. Кроме того, время измерения и обработки

данных составляет от десятков минут до нескольких часов, что не удовлетворяет практическим требованиям по оперативности измерений.

Задача оперативного контроля многокомпонентных газовых загрязнений атмосферы может быть решена только с помощью лазерных методов, обеспечивающих получение необходимой информации с высокой точностью и оперативностью и позволяющих отслеживать динамику распространения газовых компонент (в том числе и над большими пространственными площадями).

В течение последних десятилетий работы в области экологического мониторинга атмосферы проводились во многих научных организациях в России и за рубежом. В частности в России данной проблемой занимались (в некоторых организациях продолжают заниматься и в настоящее время) в Институте оптики атмосферы СО РАН (г. Томск), в Военной академии радиационной, химической и биологической защиты им. С.К. Тимошенко (ВА РХБЗ, г. Москва), в Институте оптического мониторинга СО РАН (г. Томск), в Институте общей физики им. А.М Прохорова (ИОФ) РАН (г. Москва), в НПО «ЗЕНИТ» (г. Зеленоград), в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) (МИФИ, г. Москва), НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва) и других.

К настоящему времени разработаны лазерные методы и приборы для контроля газовых загрязнений атмосферы. Однако они позволяют проводить, как правило, газоанализ либо отдельных компонент, либо малокомпонентных смесей (с числом компонент не более 5). К тому же задача количественного анализа многокомпонентных (с числом компонент 6 и более) газовых смесей до конца не решена, многие теоретические и технические вопросы остаются не ясными. Основной проблемой многокомпонентного лазерного газоанализа является сложность решения обратной задачи и, как следствие, отсутствие апробированных методов определения концентраций газов в многокомпонентных смесях.

Таким образом, проблема разработки и создания методов и средств лазерного оперативного контроля многокомпонентных газовых загрязнений атмосферы составляющими ракетных топлив и другими токсичными веществами является актуальной.

Цель работы и задачи исследований

Цель работы - разработка методов оперативного количественного анализа многокомпонентных газовых смесей по данным многоспектральных лазерных измерений и создание на их основе лазерной аппаратуры для локального и дистанционного контроля концентраций загрязнений атмосферы составляющими ракетных топлив и другими токсичными веществами.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработан метод поиска набора спектральных каналов измерения (НСКИ) для оперативного определения количественного состава многокомпонентных газовых смесей.

2. Разработан метод определения количественного состава многокомпонентных газовых смесей по результатам многоспектральных лазерных измерений, основанный на процедуре подбора квазирешений для некорректных математических задач и использовании генетического алгоритма поиска.

3. Разработан метод определения количественного состава многокомпонентных газовых смесей по результатам многоспектральных лазерных измерений, основанный на процедуре регуляризации Тихонова и использовании различных способов выбора параметра регуляризации.

4. Разработан макетный образец малогабаритного автоматизированного измерительного комплекса на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора (ЛОАГ) и исследованы его возможности для локального экспресс-контроля многокомпонентных газовых смесей, в том числе загрязнений атмосферы составляющими ракетных топлив и другими токсичными веществами.

5. Разработан экспериментальный образец инфракрасного (ИК) лидара ДП на основе параметрического генератора света (ПГС) на кристалле селенистого кадмия (С<18е) со спектральными диапазонами плавной перестройки 3,8...4,6 мкм и 8...13 мкм и исследованы его возможности для дистанционного контроля концентраций многокомпонентных смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.

6. Проведены экспериментальные исследования с целью апробации разработанных методов оперативного поиска ИСКИ и определения количественного состава многокомпонентных газовых смесей по результатам многоспектральных локальных и дистанционных лазерных измерений.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались теория лазерного газоанализа, методы решения некорректных математических задач, методы теории вероятностей, аппарат генетического метода поиска экстремумов функции многих переменных, методы математического моделирования.

Научная новизна исследований

В процессе проведения исследований получены следующие новые научные результаты теоретического и прикладного характера:

1. Разработан новый метод определения НСКИ (на основе квазиоптимального критерия поиска) для оперативного лазерного анализа многокомпонентных газовых смесей, позволивший сократить время поиска НСКИ на 2...3 порядка по сравнению с известными методами.

2. Разработан новый метод определения концентраций газов в многокомпонентных смесях, основанный на процедуре подбора квазирешений для некорректных математических задач и использовании генетического алгоритма поиска. Метод не нуждается в дополнительной информации и позволяет, как правило, с точностью от единиц процентов до

30...40 процентов находить концентрации компонент газовых смесей, однако требует большого объема вычислений.

3. Разработан новый метод определения концентраций газов в многокомпонентных смесях, основанный на процедуре регуляризации Тихонова и использовании различных способов выбора параметра регуляризации. Метод не требует большого объема вычислений, но нуждается в дополнительной информации и его точность несколько хуже (по экспериментальным данным примерно на 10 процентов) точности метода квазирешений. Наименьшие погрешности обеспечивают выбор квазиоптимального параметра регуляризации, модифицированный метод невязки и метод невязки при использовании дополнительной независимой информации.

4. Результаты исследований экспериментального образца инфракрасного лидара дифференциального поглощения с излучателем на основе параметрического генератора света на кристалле селенистого кадмия со спектральными диапазонами плавной перестройки 3,8...4,6 мкм и 8... 13 мкм, открывающие возможность разработки лазерной аппаратуры для дистанционного контроля концентраций широкой номенклатуры газов в многокомпонентных смесях составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.

5. Результаты экспериментальной апробации разработанных методов поиска НСКИ и определения количественного состава многокомпонентных газовых смесей (в том числе КРТ) по результатам многоспектральных локальных и дистанционных лазерных измерений.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Метод определения спектральных каналов измерения для оперативного лазерного анализа многокомпонентных газовых смесей, позволяющий сократить время поиска спектральных каналов измерения на 2...3 порядка, по сравнению с известными методами.

2. Метод определения концентраций газов в многокомпонентных смесях, основанный на процедуре подбора квазирешений для некорректных математических задач и использовании генетического алгоритма поиска, не нуждающийся в дополнительной информации и позволяющий с точностью от единиц процентов до 30...40 процентов находить концентрации компонент в газовых смесях.

3. Метод определения концентраций газов в многокомпонентных смесях, основанный на процедуре регуляризации Тихонова и использовании различных способов выбора параметра регуляризации, не требующий большого объема вычислений и позволяющий с точностью от единиц процентов до 40...50 процентов находить концентрации компонент в газовых смесях, причем наименьшие погрешности обеспечиваются при выборе квазиоптималыюго параметра регуляризации и выборе параметра регуляризации модифицированным метод невязки и методом невязки с использованием дополнительной независимой информации.

4. Применение в инфракрасном лидаре дифференциального поглощения параметрического генератора света, непрерывно перестраиваемого в спектральных диапазонах 3,8...4,6 мкм и 8... 13 мкм, позволяет с использованием разработанных новых методов проводить измерения более широкой, по сравнению с известными лидарами, номенклатуры газов в многокомпонентных смесях составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.

5. Результаты экспериментальной апробации разработанных методов поиска спектральных каналов измерения и определения количественного состава многокомпонентных газовых смесей по результатам многоспектральных лазерных измерений измерительным комплексом на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора и инфракрасным лидаром дифференциального поглощения.

Практическая значимость работы

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке и создании образцов приборов для экологического мониторинга атмосферы, в том числе:

1. Для локального оперативного контроля многокомпонентных газовых загрязнителей атмосферы (в том числе компонент ракетных топлив и других токсичных веществ) - лазерных оптико-акустических газоанализаторов.

2. Для дистанционного оперативного контроля многокомпонентных загрязнителей атмосферы (в том числе компонент ракетных топлив и других токсичных веществ) - ИК лидаров дифференциального поглощения.

Реализация и внедрение результатов исследований

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении 16 научно-исследовательских работ, выполненных в НПО «Зенит» (г. Зеленоград) и в НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана по заказам МО СССР и МО РФ в 1983 -2005 гг.

Экспериментальный образец ИК лидара и макетный образец измерительного комплекса на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора созданы под руководством и при непосредственном участии автора диссертации. Лидар введен в эксплуатацию на предприятии НИИ ХИММАШ (г. Пересвет Сергиево-Посадского района Московской области) в качестве оперативного средства дистанционного контроля концентраций газовых компонент в атмосфере производственной зоны.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана в курсах «Проектирование лазерных систем экологического мониторинга» и «Лазерные приборы локального экомониторинга».

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались на 27 Всесоюзных, Российских и Международных симпозиумах и конференциях.

Публикации

Основные научные результаты диссертации опубликованы в 4 монографиях и 30 научных статьях в центральных научно-технических журналах и тематических сборниках, 24 из которых входят в Перечень, утвержденный ВАКом. На новую конструкцию параметрического генератора света получено авторское свидетельство.

Личный вклад автора.

В настоящей работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных лично автором, при его непосредственном участии или под его руководством.

Автору диссертации принадлежит постановка и научная разработка проблемы в целом. Автором сформулированы конкретные исследовательские задачи, разработаны новые методы газоанализа, проведены разработка и экспериментальные исследования образцов лазерной аппаратуры. Соавторство, в основном, относится к практической реализации и выполнении части экспериментальных исследований.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка цитируемой литературы, включающего 171 наименование. Общий объем работы - 301 страница машинописного текста, включая 94 рисунка и 18 таблиц.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы; сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая значимость и научные положения, выносимые на защиту. Приведены структура диссертации, формы апробации и реализации результатов, личный вклад автора.

В первой главе рассмотрена проблема мониторинга компонент ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.

Отмечено, что одними из актуальных проблем в настоящее время являются: обеспечение безопасности инженерно-технического, обслуживающего персонала и населения в местах пуска РКН и прилегающих районах, на территориях, расположенных вблизи предприятий химического машиностроения; охрана окружающей среды.

Для успешного решения этих проблем необходим постоянный оперативный контроль за состоянием окружающей среды в вышеперечисленных зонах риска.

Проведен анализ лазерных методов дистанционного контроля газовых загрязнений атмосферы, основанных на различных физических эффектах взаимодействия лазерного излучения с газами. Отмечено, что лидары, использующие метод дифференциального поглощения, являются наиболее

перспективными (из-за высокой чувствительности метода, основанного на эффекте поглощения) для обнаружения малых количеств газовых компонент в атмосфере, к тому же использование перестраиваемых лазеров в лидаре дает возможность (с помощью многоспектральных измерений) определять концентрации газовых компонент атмосферы, даже в случае, когда их спектры поглощения перекрываются.

Проведен анализ лазерных методов локального контроля газовых загрязнений атмосферы. Отмечено, что лазерные методы локального газоанализа, использующие отбор пробы атмосферного воздуха и методы лазерной спектроскопии газовых сред успешно решают задачи локального контроля загрязняющих атмосферу веществ. Эти методы могут обеспечить получение необходимой информации с высокой оперативностью. Отмечено, что наибольшее применение среди лазерных спектроскопических методов получил оптико-акустический метод вследствие своей простоты и высокой чувствительности.

Рассмотрены проблемы количественного газоанализа многокомпонентных газовых смесей.

В случае, если ширина линий лазерного излучения (Длгсн) на длинах волн генерации много меньше ширины линий поглощения (Дулин) анализируемых газов (ДА,ген «Дулин), то задача нахождения концентраций газов из результатов локальных (с помощью ЛОАГ) или дистанционных (с помощью лидара ДП) лазерных измерений сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений вида:

У,=5>цИ3+Р, ;

я)

....................... (1)

Ум =1км^+Рм,

где у ^ - измеренный приведенный сигнал на длине волны Х^; к^, к^ ...

(3,, Р2 ... Рм - соответственно коэффициенты поглощения _)-й газовой компоненты и показатели неселективного ослабления на длинах волн Х.1,Х.2...А.М; искомая концентрация ]-ой газовой компоненты; К- число

компонент в газовой смеси; М - число спектральных каналов измерения.

Неизвестными величинами в системе (1) являются концентрации газов и показатели неселективного ослабления на длинах волн излучения

лазера. Показатели неселективного ослабления слабо зависят от длины волны. Поэтому обычно считают, что если спектральные каналы измерений выбраны попарно (для каждой газовой компоненты) достаточно близко, то для каждой пары каналов показатели ослабления Р; можно положить равными константе. При этом предположении система линейных уравнений (1) разрешима. В этом случае из М спектральных каналов измерения,

необходимых для зондирования многокомпонентной газовой смеси, информация М/2 спектральных каналов требуется для определения концентрации компонент газовой смеси, а информация оставшихся М/2 спектральных каналов - для определения показателей неселективного ослабления Р;.

Задача определения концентраций компонент газовой смеси из данных лазерных измерений относится к классу некорректных математических задач, решения которых неустойчивы к малым изменениям исходных данных. Отмечена необходимость разработки новых методов определения концентраций газов из результатов многоспектральных лазерных измерений.

Показано, что набор (состав) спектральных каналов измерения существенно влияет на точность работы газоанализатора. Для решения задачи определения спектральных каналов измерения необходимо разработать специальные вычислительные алгоритмы, позволяющие (для произвольного перекрытия полос поглощения газов в смеси и широкого диапазона числа газов в смеси) находить (на основе некоторого критерия) набор спектральных каналов измерения, при котором погрешности определения концентраций газов были бы минимальны или близки к минимальным.

Вторая глава посвящена проблеме определения набора спектральных каналов измерения для лазерного газоанализа многокомпонентных смесей.

При малом (< 5) числе компонент в анализируемой газовой смеси или в случаях, когда спектры поглощения газов в смеси достаточно просты и не пересекаются (или мало пересекаются) друг с другом, ширина линий излучения лазерного источника много меньше ширины спектральных линий (полос) поглощения газов и оперативного (секунды, минуты) определения ИСКИ не требуется (по характеру решаемой задачи), спектральные каналы измерения могут быть выбраны путем визуального анализа спектров поглощения исследуемых газов.

В случае многокомпонентных газовых смесей при перекрытии спектров отдельных газовых компонент задача выбора спектральных каналов измерения становится сложной и порой неоднозначной. Возникает проблема поиска такого набора спектральных каналов измерения, при котором погрешности определения концентраций газов были бы минимальными или близки к минимальным. Причем, при оперативном газоанализе требуется принятие решения (о наборе спектральных каналов измерения) в ограниченное время (секунды, единицы минут). Для решения этой проблемы требуется создание специальных вычислительных алгоритмов, способных в автоматизированном режиме проводить оперативный поиск (на основе некоторого критерия) ИСКИ.

Рассматриваются и сравниваются известные методы автоматизированного поиска наборов спектральных каналов измерения, основанные на: оптимизации таких характеристик газоанализаторов как чувствительность и селективность; анализе расчетной матрицы, формируемой в методе наименьших квадратов (В-критерий и Р-критерий); анализе

вариационно-ковариационной матрицы; использовании коэффициента информативности; анализе косинусов углов между векторами в пространстве измеренных сигналов; использовании меры близости матрицы коэффициентов поглощения к диагональной матрице; использовании числа обусловленности системы линейных алгебраических уравнений лазерного газоанализа; использовании информационного расстояния в пространстве состояний исследуемого газового объекта.

Отмечается, что поиск оптимального набора длин волн с использованием большинства известных критериев требует полного перебора всех возможных вариантов наборов спектральных каналов измерения, и, как следствие, большого объема вычислений.

В диссертационной работе разработан новый метод, использующий квазиоптимальный критерий определения набора спектральных каналов измерения, для количественного анализа многокомпонентных газовых смесей в режиме дифференциального поглощения.

Данный метод включает следующие этапы:

1. Для каждой газовой компоненты анализируемой смеси проводится поиск (по всему набору длин волн излучения лазерного источника газоанализатора) всех возможных пар спектральных каналов измерения газоанализатора, работающего в режиме дифференциального поглощения.

При этом для каждого возможного спектрального канала измерения с номером jnn (принимаемого за канал с большим значением показателя поглощения анализируемой газовой компоненты), из некой ограниченной спектральной области (вблизи спектрального канала с номером jon) выбирается второй спектральный канал с номером jofr (принимаемый за канал с малым значением показателя поглощения анализируемой газовой компоненты), максимизирующий параметр стоимости F следующего вида:

F(Uo„ Jüff) = (l-b)-k« -Kjoni -К. ff!/wH-

(2)

-b{S[Kji)nl+Kjoff,]+X|Kjonl-Kjoffl|}

Iii l#i

где i - номер анализируемой газовой компоненты; К- число компонент в газовой смеси; w'0- относительная (нормированная на максимальную) мощность лазерного излучения для j - спектрального канала; j011, joff - номера длин волн пары спектральных каналов измерения, соответственно, с максимальным и минимальным значением коэффициента поглощения i-ой газовой компоненты в анализируемой смеси, к^ - коэффициент поглощения

i -ой газовой компоненты в анализируемой смеси на j-ой длине волны; b -эмпирический коэффициент (определяемый по результатам предварительных тестовых испытаний), учитывающий влияние «помехи» от других газов, входящих в состав смеси (коэффициент b выбирается из диапазона 0-1,

причем b=0 соответствует случаю, когда влияние других газов полностью не учитывается, а Ь=1 - случаю, когда влияние других газов наиболее сильное).

2. Отобранные пары ранжируются отдельно для каждого газа в соответствии с параметром стоимости F.

3. Для анализируемой смеси выбирается такой набор пар длин волн, для которых параметр F максимален для каждой газовой компоненты, при условии, что длины волн в наборе спектральных каналов измерения используются по одному разу.

Для максимизации параметра F необходимо: максимизировать коэффициент поглощения анализируемого i-ro газа на линии j оп и мощность излучения лазера на этой линии; минимизировать коэффициент поглощения анализируемого i-ro газа на линии j off и максимизировать мощность излучения лазера на этой линии; минимизировать коэффициенты поглощения и их разности для остальных газов на линиях j on, j ofr.

На рис.1 приведены результаты математического моделирования -средние (усредненные по 100 измерениям) относительные погрешности определения концентраций газовых компонент восьмикомпонентной смеси аммиак - хлоропрен - этилакрилат - этилен - гидразин - метанол -монометилгидразин - несимметричный диметилгидразин для четырех используемых критериев поиска спектральных каналов измерения. На рисунке: 1 - критерий, основанный на числе обусловленности; 2 - Ф-критерий; 3-D- критерий; 4 - разработанный критерий. Шум измерения задавался нормальным с относительным значением среднеквадратичного отклонения равным 2,5 %. Относительная погрешность определения концентраций газов вычислялась как модуль разности заданного и найденного значения концентрации, деленный на заданное значение концентрации газовой компоненты. Определение концентраций газовых компонент в анализируемой смеси проводилось методом нахождения квазирешений с использованием генетического алгоритма поиска. Из рисунка видно, что погрешности определения, соответствующие различным критериям, не особенно сильно отличаются между собой.

В таблице 1 для D - и Ф - критериев, критерия, основанного на числе обусловленности, и разработанного квазиоптимального критерия приведены времена вычисления оптимального (для соответствующих критериев) набора спектральных каналов измерения. Таблица 1 позволяет дать сравнительную оценку оперативности работы используемых алгоритмов поиска спектральных каналов измерения. Видно, что время счета (для поиска НСКИ) для квазиоптимального критерия намного (как минимум на 2 порядка) меньше.

Таким образом, наилучшим представляется квазиоптимальный критерий определения спектральных каналов измерения, требующий гораздо меньшего (чем остальные критерии) времени вычисления.

О Аммиак Хлоро- Этил- Этилен Гидразин Метанол ММГ НДМГ

прен акрилат

Рис. 1. Средняя относительная погрешность определения концентраций газовых компонент

Таблица 1.

Время вычисления оптимального (в смысле соответствующих критериев) _набора спектральных каналов измерения_

Критерии, на которых основаны методы поиска ИСКИ Время вычислений, сек

Критерий, основанный на числе обусловленности 122

Ф - критерий 112

О - критерий 106

Квазиоптимальный критерий поиска <1

С помощью разработанного метода поиска было проведено определение квазиоптимального набора спектральных каналов измерения для семикомпонентной смеси (гидразин - монометилгидразин - несимметричный диметилгидразин - метанол - триметиламин - диметиламин - аммиак) компонент ракетных топлив и сопутствующих газов в реальной атмосфере в спектральном диапазоне 9,1... 10,9 мкм. В состав анализируемой смеси были введены фоновые атмосферные газы (водяной пар, углекислый газ и озон), имеющие сильные линии поглощения в данном спектральном диапазоне и мешающее воздействие которых на процессы измерений наиболее велико.

На рис. 2 приведены спектры поглощения КРТ и сопутствующих газов и найденный набор спектральных каналов измерения.

Рис. 2. Спектры поглощения КРТ и сопутствующих газов и найденный набор спектральных каналов измерения

В третьей главе приведены результаты разработки методов определения концентраций газов в многокомпонентных газовых смесях по данным многоспектральных лазерных измерений на основе решения системы линейных уравнений лазерного газоанализа, содержащей случайную погрешность измерения. Данная задача относится к классу некорректно поставленных задач.

Для решения системы уравнений лазерного газоанализа предложено использовать метод подбора квазирешений и метод регуляризации Тихонова с различными способами выбора параметра регуляризации.

Метод подбора квазирешений может быть эффективно использован для решения системы линейных алгебраических уравнений лазерного газоанализа в случае, когда вместо точного значения правой части уравнения известно только ее приближенное значение и (или) матрица коэффициентов поглощения задана неточно.

В матричной форме система линейных алгебраических уравнений лазерного газоанализа (1) имеет вид:

\УХ = КЯ + р = у, (3)

где XV - матрица системы уравнений размерностью М х М (М = 2К, где К-количество газовых компонент в анализируемой смеси); X - М-мерный искомый вектор (К компонент этого вектора соответствуют искомым концентрациям газов, остальные компоненты - значениям показателей фонового ослабления); К - МхК матрица коэффициентов поглощения

компонент исследуемой газовой смеси; N - М/2-мерный вектор концентраций газов; Р - М-мерный вектор показателей неселективного ослабления; у - М-мерный вектор правых частей системы уравнений (3).

Перейдя от системы (3) к системе разностных уравнений (вычитая попарно уравнения, для которых показатели можно положить равными константе) имеем вместо (3):

= (4)

где К^ - матрица разностей коэффициентов поглощения компонент исследуемой газовой смеси размерностью М/2хМ/2, у - М/2-мерный вектор правых частей системы уравнений (4).

Для системы уравнений лазерного газоанализа (4) квазирешение находится из условия:

рт^ип^рскя,?),

где на множество Б наложены следующие ограничения (обусловленные физической постановкой задачи газоанализа):

0<^<1; ¿N¡<1.

1=1

Возможно наложение более строгих ограничений, например, диапазона изменения концентраций компонент в анализируемой газовой смеси.

Для поиска квазирешения предложено использовать эффективные генетические алгоритмы (ГА). Разработан генетический алгоритм поиска квазирешений задачи количественного газоанализа. По сути ГА представляет собой метод параллельного поиска глобального экстремума, основанный на использовании на каждой итерации сразу нескольких кандидатов на решения (индивидов), которые образуют развивающуюся по случайным законам популяцию.

Численный эксперимент по определению концентраций газов из данных лазерных измерений показал, что при малом количестве компонент в анализируемой газовой смеси средняя погрешность определения концентраций газов при использовании поиска квазирешений приблизительно одного уровня со средней погрешностью стандартного метода решения системы линейных алгебраических уравнений.

Рисунки 3, 4 иллюстрируют зависимость относительной погрешности определения концентраций компонент в многокомпонентной газовой смеси от качественного состава анализируемой смеси (при неизменном количестве компонент смеси). На рисунках приведены результаты математического моделирования определения концентраций газов в двух разных шестикомпонентных смесях. Здесь 1 - стандартный метод решения системы линейных алгебраических уравнений; 2 - метод поиска квазирешений при использовании генетического алгоритма с остановкой поиска через 1000 поколений; 3 - метод поиска квазирешений при использовании генетического алгоритма с остановкой поиска через 200 поколений; 4 - метод регуляризации Тихонова (для выбора параметра регуляризации использовался метод

невязки). Относительное среднеквадратическое значение шума «измерения» задавалось равным 5 %. На рисунках представлена погрешность определения концентраций газов в анализируемой смеси, рассчитанная по серии из 10 одиночных «измерений».

X 35

ф 30

о. с 25

л 20

о X 15

ф 10

о.

с 5

Хлоропрен

Этилен

Гидразин

Этилакрилат

Аммиак Метанол

1234 12341234 1234 1234 1234

Рис. 3. Относительные погрешности определения концентраций газов в шестикомпонентной смеси этилен - хлоропрен - гидразин -аммиак - метанол - этилакрилат

„ 18° г?

к 160

щ 140

С[ 120

С 100

I-о о г

о с

80 60 40 20 0

Рис,

Винилбромид

Акролеин

Гидразин

Хлоропрен

Этилен

Винилхлорид

1234 1234 1234 1234 1234 1234

4. Относительные погрешности определения концентраций газов в шестикомпонентной смеси этилен - хлоропрен - гидразин -винилхлорид - акролеин - винилбромид

На рисунках 3, 4 хорошо видно, что погрешности определения концентраций компонент в газовых смесях очень сильно зависят от качественного состава анализируемой смеси.

Для анализируемой шеетикомпонентной газовой смеси, представленной на рис.3, погрешности определения концентраций газов всеми рассматриваемыми методами не особенно большие и они сильно различаются для разных компонент смеси (например, стандартный метод решения системы линейных алгебраических уравнений оказывается одним из лучших для этилена и самым худшим для этилакрилата). Применение методов регуляризации и поиска квазирешений не даст особенно большого преимущества по сравнению с методом прямого решения (если оценивать это преимущество в среднем для всех компонент газовой смеси). Однако и здесь метод поиска квазирешений с генетическим алгоритмом с поиском по 1000 поколениям является предпочтительным по сравнению с прямым решением.

Для другой анализирумой газовой смеси, представленной на рис.4, две газовые компоненты (акролеин и винил-бромид) вообще не удается найти стандартным методом решения системы линейных алгебраических уравнений (погрешности больше 100 %) и здесь для большинства газов заметно существенное снижение уровня средней погрешности определения при применении метода регуляризации и метода поиска квазирешений (погрешности для этих методов одного порядка). Увеличение погрешности определения смеси для генетического алгоритма при уменьшении числа поколений (до которого ведется поиск) с 1000 до 200 (при этом время вычислений уменьшалось в 5 раз) не очень значительное, что связано с неравномерной скоростью сходимости этого алгоритма.

Таким образом, разработанный метод решения системы уравнений лазерного газоанализа (на основе поиска квазирешений и использовании генетического алгоритма подбора решений) позволяет эффективно решать задачу определения концентраций газов при лазерном газоанализе как для малокомпонентных, так и для многокомпонентных газовых смесей. Этот метод не требует обязательной дополнительной информации об уровне шума в спектральных измерительных каналах, и позволяет, как правило, с точностью от единиц процентов до 30...40 процентов находить концентрации компонент газовых смесей, однако требует большого объема вычислений.

Другим эффективным методом решения некорректных математических задач является метод регуляризации Тихонова. Он используется в диссертации для решения системы линейных алгебраических уравнений лазерного газоанализа при различных способах выбора параметра регуляризации (ранее он использовался в задачах газоанализа только с выбором параметра регуляризации на основе принципа невязки).

При использовании детерминированных методов регуляризации для системы уравнений (3) регуляризованное решение определяется выражением:

где а - параметр регуляризации; Ла - регуляризированное решение уравнения (3); Е - единичная матрица.

(5)

Основная сложность при практическом построении регуляризированных решений заключается в выборе параметра регуляризации а. Для получения решения использовалось несколько способов выбора параметра регуляризации:

- на основе принципа невязки и модификации метода невязки;

- два метода выбора квазиоптимального параметра регуляризации;

- метод отношений;

- по минимуму невязки при использовании дополнительной независимой информации;

- два статистических метода выбора параметра регуляризации из критерия оптимальности регуляризированного решения.

Математическое моделирование работы алгоритмов определения концентраций газов на основе метода регуляризации Тихонова проводилось для смесей с числом компонент 3-10. Результаты математического моделирования показали, что для многокомпонентных смесей (с числом компонент больше 5) процедуры обработки, основанные на построении регуляризированного решения, обеспечивали не только оперативность измерения, но и гораздо более низкий уровень погрешностей определения концентраций газов.

На рисунках 5, 6 приведены результаты численного эксперимента по определению концентраций газовых компонент в многокомпонентных смесях из данных лазерных измерений при использовании газоанализатора на основе дискретно перестраиваемого СО 2 лазера.

0.200.150.100.05-

II III IV V VI

0.00

ЕлШ

12345 12345 12345 12345 12345 12345

Рис. 5. Относительные погрешности определения концентраций газовых компонент в шестикомпонентной смеси

б I II III IV V VI VII

Рис. 6. Относительные погрешности определения концентраций газовых компонент в восьмикомпонентной смеси

На рис. 5, 6 показаны относительные погрешности (5) определения концентраций газовых компонент в анализируемой смеси: на рис. 5 для шестикомпонентной смеси: аммиака (I), хлоропрена (II), этилена (III), трихлорэтилена (IV), изопропанола (V), винилхлорида (VI) и на рис. 6 для восьмикомпонентной смеси: аммиака (I), хлоропрена (II), этилена (III), трихлорэтилена (IV), изопропанола (V), винилхлорида (VI), этилмеркаптана (VII). Относительные среднеквадратические значения шума измерения задавались в разных спектральных каналах разными в диапазоне 2...4 %. Не найдено (и на рис. 6 не показано) только значение концентрации 1,2 дихлорэтана (8~5). Для обработки «измеренных» данных в численном эксперименте использовался алгоритм на основе метода регуляризации Тихонова. Выбор параметра регуляризации осуществлялся несколькими способами: на основе принципа невязки (столбцы 1), модифицированного принципа невязки (столбцы 2), выбора квазиоптимального параметра регуляризации (столбцы 3 и 4), метода отношений (столбцы 5). Результаты определения концентраций газов стандартным методом решения системы линейных алгебраических уравнений не показаны, так как погрешности здесь гораздо больше. На рисунках видно, что для всех газовых компонент шестикомпонентной анализируемой смеси метод регуляризации обеспечивает достаточно низкий уровень (S<0,2) погрешностей определения концентраций газовых компонент. Для большинства газовых компонент восьмикомпонентной смеси погрешности определения также небольшие (5 <0,2). Для этилмеркаптана погрешности больше (0,2 - 0,6), и, тем не менее, мы уверенно определяем порядок значений концентраций этого газа.

Из рисунков видно, что различные способы выбора параметра регуляризации для разных газов могут давать как близкие значения найденных концентраций, так и существенно различающиеся между собой. Точность определения концентраций также существенно различается для разных газовых компонент смеси и она несколько хуже (по экспериментальным данным примерно на 10 процентов) точности метода квазирешений. В большинстве случаев наименьшие погрешности определения обеспечивают выбор квазиоптимального параметра регуляризации, модифицированный метод невязки и метод невязки при использовании дополнительной независимой информации.

Результаты математического моделирования показывают, что использование методов квазирешения и регуляризации Тихонова (для локального и дистанционного газоанализа) для многокомпонентных газовых смесей обеспечивает не только значительно более низкий уровень погрешностей, но и позволяет находить концентрации газов в случаях, когда стандартные методы решения системы линейных алгебраических уравнений дают физически бессмысленные (отрицательные) значения концентраций газов. Значительное преимущество (перед стандартными методами решения системы линейных алгебраических уравнений) методов, основанных на построении регуляризированных решений, проявляется как при одиночных измерениях, так и при использовании предварительно усредненных значений сигналов.

Проведено математическое моделирование определения концентраций компонент ракетных топлив и сопутствующих газов в атмосфере. На рис. 7 приведены результаты численного эксперимента по определению концентраций КРТ из данных лазерных измерений с использованием дискретно перестраиваемого С02 лазера. На рисунке: 1 - метод подбора квазирешения, 2 - метод прямого решения. Результаты по определению концентрации диметиламина (ДМА) на рисунке 7 не представлены, так как в данном спектральном интервале (9-11 мкм) у ДМА отсутствуют сильные линии поглощения, т. е. он имеет достаточно гладкий спектр и поэтому его концентрация определяется с очень большой погрешностью. Также на рисунке 7 не представлены результаты по определению концентраций паров воды, углекислого газа и озона, как не представляющие интереса.

На рис. 7 средняя погрешность рассчитывалась по серии из 100 измерений. Как видно из рисунка при использовании прямого решения концентрации 3-х компонент (ММГ, НДМГ, ТМА) вообще не удается определить (погрешности их определения >100 %). Для всех КРТ, входящих в данную смесь, заметно существенное снижение (~ в 3...6 раз) уровня средней погрешности определения при применении метода подбора квазирешения по сравнению с методом прямого решения (за исключением метанола, для которого погрешности одного порядка).

Гидразин ММГ НДМГ Метанол ТМА Аммиак

Рис. 7. Относительные погрешности определения концентраций КРТ в десятикомпонентной смеси гидразин - монометилгидразин -несимметричный диметилгидразин - метанол - триметиламин -диметиламин - аммиак - пары воды - углекислый газ - озон

На рис. 7 хорошо видно, что определение концентраций компонент ракетных топлив в атмосфере возможно только при использовании методов решения некорректных математических задач. Из рис. 7 также следует, что хотя погрешности определения ММГ, НДМГ, ТМА велики, при использовании методов решения некорректных математических задач можно определить порядок величины их концентраций.

В четвертой главе приведены результаты разработки, создания и экспериментальных исследований макетного образца автоматизированного измерительного комплекса для локального оперативного контроля многокомпонентных смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.

Основной особенностью измерительного комплекса на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора является сопряжение ЛОАГ, содержащего отдельную микропроцессорную систему управления, с персональным компьютером (ПК), оснащенным специальным программным обеспечением. Использование ПК и отдельного микропроцессорного блока управления обеспечивает возможность проведения оперативного газоанализа многокомпонентных смесей с высокой степенью автоматизации процесса измерения.

Структурная схема разработанного измерительного комплекса на основе ЛОАГ и общий вид макетного образца ЛОАГ приведены на рис. 8, 9.

В качестве источника излучения использован непрерывный дискретно перестраиваемый СОг лазер с высокочастотной накачкой, имеющий около 70 линий генерации в диапазоне 9,15... 10,83 мкм (в этом спектральном диапазоне лежат молекулярные линии поглощения многих загрязняющих веществ в том числе компонент ракетных топлив и сопутствующих газов).

забор проб

Измерительный комплекс ЛОАГ

С ветод ел тельная пластина

Система выпуска и напуска газа

Перестраиваемый С02 лазер

Система стабилизации частоты модуляции

Обтюратор

Измерительная ячейка |

'Микрофон'

ПЭВМ со специальным программным обеспечением

Огттопара

Пиро-|приемник|

Опорный

Поглотитель излучения

Рис. 8. Структурная схема разработанного измерительного комплекса на

основе ЛОАГ

Рис. 9. Общий вид макетного образца ЛОАГ

Для газоанализатора выбрана оптико-акустическая ячейка нерезонансного типа, что, хотя и снижает чувствительность газоанализатора, однако позволяет уменьшить объем и внутреннюю площадь ячейки (а значит уменьшить влияние адсорбции и десорбции и, как следствие, сократить время необходимое на продувку ячейки между двумя заборами газовых проб). Малые размеры нерезонансной ячейки делают ее привлекательной для использования в мобильной системе экологического мониторинга.

Разработано программное обеспечение измерительного комплекса для измерения концентраций газов в многокомпонентных смесях.

Программное обеспечение позволяет проводить количественный газоанализ многокомпонентной смеси, который можно подразделить на несколько этапов:

1) поиск набора спектральных каналов измерения;

2) определение концентраций компонент анализируемой газовой смеси по результатам измерений.

Необходимой входной информацией для комплекса является качественный состав смеси (задаваемый, например, на основе некой априорной информации).

Программное обеспечение измерительного комплекса включает в себя также базу данных, содержащую необходимую информацию для работы измерительного комплекса (определения набора спектральных каналов измерения, нахождения концентраций газов по данным измерений). В базе данных, содержится информация о длинах волн генерации лазера -спектральных каналах измерения, о мощности излучения на этих длинах волн, а также информация, необходимая для перестройки лазера на эти линии, о значениях коэффициентов поглощения газов во всех возможных спектральных каналах, о значениях предельно допустимых концентраций газов (содержащихся в базе данных).

В процессе работы измерительного комплекса возможно редактирование и дополнение базы данных, как из внешних источников, так и в процессе измерения спектров газов самим измерительным комплексом.

Взаимодействие оператора с измерительным комплексом осуществляется посредством пользовательского интерфейса, входящего в состав программного обеспечения.

Время измерения количественного состава многокомпонентной газовой смеси на всех линиях генерации составляет единицы минут, и определяется в большей степени временем, необходимым на перестройку С02 лазера. Высокая оперативность и автоматизация процесса газоанализа, простота управления делают данный прибор перспективным для контроля чистоты атмосферного воздуха.

На разработанном измерительном комплексе с целью проверки его работоспособности, апробации разработанных методов и алгоритмов проведены измерения и анализ сигналов (измерительного комплекса), экспериментальное определение концентраций компонент в многокомпонентных газовых смесях.

Обработка результатов экспериментальных измерений лазерного газоанализатора проводилась для газовых смесей с числом компонент от 3 до 6. Результаты обработки показали, что для трех- и четырехкомпонентных смесей погрешности определения концентраций газов небольшие и использование регуляризирующих процедур обработки не дает повышения точности. При количественном анализе пятикомпонентной смеси наблюдалось повышение точности определения концентраций газов при

использовании метода поиска квазирешения по сравнению с методом прямого решения.

На рисунке 10 приведены результаты обработки экспериментальных данных измерительного комплекса. Здесь приведены относительные погрешности определения концентраций газов в шестикомпонентной смеси: этилен - углекислый газ - аммиак - метанол - этанол - изопропанол. Результаты определения углекислого газа на рисунках не показаны, так как его концентрацию не удалось найти во всех случаях.

Этилен Аммиак Метанол Этанол Изопропанол

123 123 123 123 123

Рис. 10. Относительные погрешности определения концентраций газов в шестикомпонентной смеси этилен - углекислый газ - аммиак -метанол -этанол - изопропанол с использованием искаженной матрицы коэффициентов поглощения газов

На рисунке 10: 1 - стандартный метод решения системы линейных алгебраических уравнений (использовался метод Гаусса с постолбцовым выбором главного элемента), 2 - метод поиска квазирешений с использованием эволюционно-генетического метода с поиском по 1000 поколениям, 3 - метод регуляризации Тихонова (для выбора параметра регуляризации использовался метод невязки). На рисунке видно, что метод прямого решения приводит для большинства газов к очень большим погрешностям - сотням и тысячам процентов (при этом найденные концентрации могут не только на несколько порядков отличаться от действительных, но и принимать физически бессмысленные отрицательные значения). Уровень погрешностей определения концентрации сильно отличается для разных компонент анализируемой смеси.

На рис. 11 приведены результаты определения концентрации изопропанола в шестикомпонентной смеси с помощью данного измерительного комплекса. Определение проводилось по результатам одиночных измерений. На рисунке 11:1- найденное значение концентрации

изопропанола при использовании стандартного метода решения системы линейных алгебраических уравнений, 2 - найденное значение концентрации методом поиска квазирешений с использованием генетического алгоритма, 3-методом регуляризации Тихонова, 4 - истинное значение концентрации. На рисунке 11 видно существенное преимущество использования методов решения некорректных математических задач (метода поиска квазирешения, метода регуляризации Тихонова) при определении концентраций газов в многокомпонентных смесях, по сравнению с применением метода прямого решения.

№ измерения

Рис. 11. Результаты определения концентрации изопропанола в шестикомпонентной смеси этилен - углекислый газ - аммиак - метанол -этанол - изопропанол по результатам одиночных измерений

Показана возможность использования разработанного измерительного комплекса на основе ЛОАГ для оперативного локального контроля концентраций компонент ракетных топлив и сопутствующих газов в многокомпонентных выбросах в атмосфере. Рассчитаны минимально определяемые с помощью измерительного комплекса концентрации несимметричного диметилгидразина и гидразина: Ктш = 1,7х10~2 мг/м3(для несимметричного диметилгидразина); Мтш= 6,5х 1СГ3 мг/м3(для гидразина). Предельно допустимые концентрации в воздухе рабочей зоны (ПДК ) данных компонент ракетных топлив следующие: для несимметричного диметилгидразина - ПДКр з = 1 мг/м3, для гидразина - ПДКр з = 0,1 мг/м3.

Таким образом, с помощью измерительного комплекса на основе ЛОАГ возможно измерение концентраций несимметричного диметилгидразина и гидразина на уровне ниже ПДКр з примерно на 1-2 порядка.

Результаты проведенных исследований показали: 1. С использованием разработанного измерительного комплекса возможно проведение количественного анализа многокомпонентных газовых смесей с точностью от единиц процентов до 30...40 процентов; 2. Разработанные методы на основе поиска квазирешений (с использованием генетического алгоритма подбора решений) и регуляризации Тихонова (при различных методах выбора параметра регуляризации) позволяют эффективно решать задачу определения концентраций газов (в том числе КРТ) при лазерном оптико-акустическом газоанализе как для малокомпонентных, так и для многокомпонентных газовых смесей.

В пятой главе приведены результаты разработки, создания и экспериментальных исследований образца лидара дифференциального поглощения на основе параметрического генератора света на кристалле селенистого кадмия.

Автором диссертации разработан и создан параметрический генератор света на кристалле селенистого кадмия со спектральными диапазонами плавной перестройки 3,8...4,6 мкм и 8...13 мкм. На основе ПГС на CdSe создан лидар дифференциального поглощения. На рис.12 приведена функциональная оптическая схема экспериментального образца лидара ДП.

9 6 5 4

Здесь I - передатчик; II - приемная система; 1 - лазер на иттрий-эрбий-алюминиевом гранате (УАО:Ег^, ИЭАГ); 2 - параметрический генератор света на кристалле Ссйе; 3 - корректирующий объектив; 4 - фотоприемник; 5-светофильтры; 6 - котировочный гелий-неоновый лазер; 7 - полированные светоделительные пластинки из ВаР2 (или ZnSe); 8 - полированные пластины из кварца КИ; 9 - отражающие алюминиевые зеркала.

Передатчик лидара включает два плавно перестраиваемых в диапазоне 8... 13 мкм ПГС на кристалле селенида кадмия, накачиваемых лазером на ИЭАГ. Общий вид излучателя лазера накачки приведен на рис. 13. На выходе каждого из каналов лазерного передатчика используется корректирующий объектив, изготовленный по схеме Грегори и состоящий из двух сферических отражающих зеркал с алюминиевым покрытием. С помощью таких оптических систем расходимость лазерного излучения каждого из каналов была уменьшена с 3 до 0,3 мрад.

Рис. 13. Общий вид излучателя лазера на ИЭАГ

Оптическая схема приемной системы лидара представляет собой Ньютоновский объектив. Общий вид приемной системы лидара представлен на рис. 14. В качестве приемника ИК излучения используется фоторезистор на основе германия, легированного золотом (Се:Аи) (или приемник на основе тройного соединения кадмий-ртуть-теллур (Н§ ,_хСс1, Те)).

Блок управления лидара осуществляет связь по последовательному интерфейсу с персональным компьютером; выдает сигналы, управляющие перестройкой параметрического генератора света. В блоке управления решается еще одна важная задача - осуществляется предварительная обработка информативных сигналов, включающая в себя аналоговую фильтрацию, аналого-цифровое преобразование сигналов, измерение амплитуд оцифрованных сигналов, накопление значений сигналов и отбраковку аномальных значений.

Рис. 14. Общий вид приемной системы лидара

Разработано программное обеспечение лидара для задачи оперативного дистанционного контроля концентраций КРТ. Программное обеспечение лидара по структуре совпадает с программным обеспечением, разработанным для измерительного комплекса на основе ЛОАГ.

Измерены спектры пропускания и показатели поглощения гидразина несимметричного диметилгидразина, тетраметилтетразена, аммиака и метана на лазерных линиях излучателя лидара в областях информативных участков из диапазона 8... 13 мкм. На рис. 15 приведены измеренные спектры пропускания А, Г и Т (кривые I, 1, 3), и для сравнения показано их пропускание по литературным данным (кривые I' ,2' ,3').

Рис. 15. Спектры пропускания A (I, I'), Г (2, 2'), Т (3, 3') на лазерных линиях лидара (I, 2, 3) и снятые с помощью спектрофотометра ,2/,3/) "Perkin Elmer Model 21".

Особенностью ПГС на кристалле СёБе является то, что его спектральная ширина линии генерации может быть сравнима (и даже больше) спектральной ширины линий поглощения газовых загрязнителей. Показано, что при использовании в качестве излучателя лидара параметрического генератора света на кристалле селенистого кадмия с шириной линии излучения 0.3 см"1 система уравнений лазерного газоанализа состоит из интегральных уравнений сложного вида. Предложено для практических задач при оперативном определении количественного состава многокомпонентной газовой смеси вместо этих интегральных уравнений использовать систему линейных алгебраических уравнений. При математическом моделировании определения количественного состава шестикомпонентной смеси были найдены условия, при которых такая замена дает приемлемые значения погрешности определения концентраций компонент смеси.

Проведены экспериментальные исследования по определению концентраций гидразина, несимметричного диметилгидразина, тетраметилтетразена, аммиака и метана в кювете, размещенной на трассе зондирования, с помощью лидара относительно фонового уровня данных компонент на трассе. В таблице 2 приведены полученные результаты определения концентраций газов в кювете, расположенной на трассе зондирования, с помощью лидара и стандартными химическими методами.

Таблица 2.

Концентрации (И) амидола, гептила, тетраметилтетразена, аммиака и метана в кювете, определенные лидаром и стандартными химическими методами

Газ N Лидарный метод, мг/м3 >1* Химический метод, мг/м3 •100 N %

Амидол 1350+350 1100+200 18,5

Гептил 1950± 450 1800+350 7,7

Тетраметилтетразен 3400± 800 3100±600 8,8

Аммиак 2200 ±500 1900±400 13,6

Метан 4700 ±1200 5000±1000 6,4

Показана возможность применения лидара дифференциального поглощения для дистанционного оперативного контроля концентраций компонент ракетных топлив и сопутствующих газов в атмосфере. Рассчитаны минимально определяемые с помощью созданного лидара концентрации несимметричного диметилгидразина и гидразина в атмосфере. Их значения приведены в таблице 3 для трассовых измерений при использовании зеркального отражателя. Видно, что с помощью ИК лидара ДП возможно измерение концентраций несимметричного диметилгидразина и гидразина на уровне примерно ПДКрз.

Таблица 3.

Минимально определяемые средние концентрации несимметричного диметилгидразина и гидразина на трассе длиной 1000 м

Компонента ракетных топлив Ммин,мг/м3

Фоторезистор на основе соединения кадмий-ртуть-теллур (Ня,., Сс1х Те) Фоторезистор на основе германия, легированного золотом (Ge.Au)

Несимметричный диметилгидразин 0,13 0,13

Гидразин 0,05 0,05

В общих выводах приведены основные достигнутые результаты.

3. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Разработан новый метод определения спектральных каналов измерения (на основе квазиоптимального критерия поиска) для оперативного лазерного анализа многокомпонентных газовых смесей, позволивший сократить время поиска спектральных каналов измерения на 2...3 порядка по сравнению с известными методами.

2. Разработан новый метод определения концентраций газов многокомпонентных смесей, основанный на процедуре подбора квазирешений для некорректных математических задач и использовании генетического алгоритма поиска. Метод не нуждается в дополнительной информации и позволяет, как правило, с точностью от единиц процентов до 30...40 процентов находить количественный состав газовых смесей, однако требует большого объема вычислений.

3. Разработан новый метод определения концентраций газов многокомпонентных смесей, основанный на процедуре регуляризации Тихонова и использовании различных способов выбора параметра регуляризации. Метод не требует большого объема вычислений, но нуждается в дополнительной информации и его точность несколько хуже (по экспериментальным данным примерно на 10 процентов) точности метода квазирешений, причем наименьшие погрешности обеспечиваются при выборе квазиоптимального параметра регуляризации и выборе параметра регуляризации модифицированным метод невязки и методом невязки с использованием дополнительной независимой информации.

автоматизированного измерительного комплекса на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора и исследованы его возможности.

5. Для дистанционного контроля концентраций многокомпонентных смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере разработан экспериментальный образец инфракрасного лидара дифференциального поглощения на основе параметрического генератора света и исследованы его возможности. Разработан и создан параметрический генератор света на кристалле селенистого кадмия. Получена непрерывно перестраиваемая параметрическая генерация в спектральных диапазонах 3,8...4,6 мкм и 8...13 мкм. Диапазон перестройки излучения экспериментального образца лидара ДП расширен более чем в два раза по сравнению с известными лидарами, что позволяет с его помощью проводить измерения для более широкой номенклатуры газовых компонент смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.

Проведены экспериментальные исследования возможностей созданного лидара в качестве оперативного средства дистанционного контроля концентраций газовых компонент в атмосфере рабочей зоны.

6. Проведена экспериментальная апробация разработанных методов поиска набора спектральных каналов измерения и определения количественного состава многокомпонентных газовых смесей по результатам многоспектральных локальных и дистанционных лазерных измерений.

Результаты диссертации изложены в следующих основных научных работах:

1. О выходных характеристиках параметрического генератора света на кристалле селенида кадмия / В.А. Городничев, А.А. Давыдов, В.И. Жильцов и др. // Электронная техника. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. -1984. - Вып. 3 (29). - С. 93-96.

2. Лидар дифференциального поглощения в ИК области спектра на основе параметрического генератора света / В.А. Городничев, М.Б. Богачев, В.И. Козинцев и др. // Журнал прикладной спектроскопии. - 1988. - Т. 49, вып. 6. - С. 978-982.

3. Городничев В.А., Козинцев В.И., Сильницкий А.Ф. Лидар на основе параметрического генератора света для определения атмосферных загрязнений // Оптика атмосферы. - 1988. - Т. 1, № 12. - С. 33-35.

4. Gorodnichev V.A., Kozintsev V.I. Infrared differential absorption lidar (DIAL) system for monitoring atmospheric pollution // SPIE. - 1993. - V.2107. -P. 400-419.

5. Городничев B.A., Козинцев И.В., Козинцев В.И. Лидар дифференциального поглощения в инфракрасной области спектра // Вестник МГТУ, сер. Приборостроение. - 1994. - № 3. - С. 49-63.

6. Городничев В.А., Козинцев В.И. Мониторинг загрязнений атмосферы с помощью лидара дифференциального поглощения в инфракрасной области спектра // Оптика атмосферы и океана. - 1994. - Т. 7, № 10. - С. 1410-1414.

7. Радиофизический мониторинг загрязнений природной среды / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др.-М: Аргус, 1994. - 107 с.

8. Обработка лидарного сигнала при мнокомпонентном газоанализе атмосферы / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 1996. - № 3. - С. 117-125.

9. Мониторинг многокомпонентных газовых смесей с помощью лазерного оптико-акустического полигазоанализатора / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Журнал Прикладной спектроскопии. -1996. - Т. 65, № 5. - С. 755-759.

10. Сравнение методов обработки сигналов лазерного оптико-акустического анализатора для многомпонентного анализа газовых смесей / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 1998 -№ 3. - С. 30-38.

11. Обработка сигналов в задачах лазерного газоанализа состава атмосферы и многокомпонентных газовых смесей / М.Л. Белов, Д.Б. Добрица, В.А. Городничев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 1998. - Спец. выпуск «Лазерные оптико-электронные приборы и системы». - С. 83-88.

12. Сравнительный анализ методов восстановления концентраций газов в многокомпонентных смесях из данных измерений лазерного оптико-акустического газоанализатора / М.Л. Белов, Д.Б. Добрица, В.А. Городничев и др. // Оптика атмосферы и океана. - 2000. - Т. 13, № 2. - С. 146-150.

13. Восстановление концентраций газов в многокомпонентных газовых смесях эволюционно-генетическим методом из данных измерений лазерного оптико-акустического / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2000. -№ 9. - С. 55-59.

14. Восстановление концентраций компонент газовых смесей из многоспектральных лазерных измерений методом статистической регуляризации / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. -2001 -№ 3. - С. 36-43.

15. Автоматизированный измерительный комплекс на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора для контроля чистоты воздуха / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2001. - № 9. - С. 38-42.

16. Обработка сигналов в задачах лазерного газоанализа атмосферы / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2001 - № 4. - С. 51 -57.

17. Городничев В.А. Сравнительный анализ схем лазерного зондирования для задачи контроля концентраций токсичных веществ в атмосфере // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2001 - № 4. - С. 24-32.

18. Городничев В.А. Анализ методов поиска спектральных каналов измерения для задачи оперативного лазерного газоанализа // Конверсия в машиностроении. - 2002 - № 1. - С. 70-76.

19. Городничев В.А. Использование метода поиска квазирешений для определения концентраций газов при многокомпонентном лазерном

газоанализе атмосферы // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2002 - № 2. -С. 46-52.

20. Метод поиска квазирешений в задаче лазерного оптико-акустического газоанализа / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т. 15, № 4. - С. 388-392.

21. Сравнительный анализ методов поиска спектральных каналов измерения для лазерного оптико-акустического газоанализатора / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Оптика атмосферы и океана. - 2002. -Т. 15,№8.-С. 665-671.

22. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды: Учебное пособие / В.И. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов и др. Под ред. В.Н. Рождествина. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 с.

23. Городничев В.А. Методика выбора длин волн зондирования для лидарного контроля газовых загрязнений атмосферы // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2002. - № 2. - С. 21-24.

24. Городничев В.А. Анализ схемы зондирования с использованием уголкового отражателя для задачи контроля газовых загрязнений атмосферы // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2002. - № 9. - С. 64-67.

25. Городничев В.А. Методы восстановления концентраций газов для задачи лидарного контроля газовых загрязнителей атмосферы // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2003. - № 9. - С. 52-56.

26. Городничев В.А. Выбор метода обработки результатов измерений для решения задачи количественного лазерного газоанализа // Вестник МГТУ. Приборостроение. - 2003 - № 4. - С. 26-35.

27. Лазерный оптико-акустический анализ многокомпонентных газовых смесей / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.А. Городничев и др. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 352 с.

28. Обработка данных измерений для задачи количественного лазерного оптико-акустического газоанализа / М.Л. Белов, В.И. Козинцев, В.А. Городничев и др. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2004. -№ 1-2.-С. 55-59.

29. Городничев В.А. Разработка алгоритмов оперативного поиска набора спектральных каналов измерения для лидара дифференциального поглощения на ПГС // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2005, Т. 3, № 4-5. - С. 44-49.

30. Основы количественного лазерного анализа: Учебное пособие / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.А. Городничев, Ю.В. Федотов; Под ред. В.Н. Рождествина. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 464 с.

Подписано к печати 22.04.09. Заказ №296 Объем 2,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 263-62-01

Оглавление автор диссертации — доктора технических наук Городничев, Виктор Александрович

Условные обозначения

Введение.

Глава 1. Проблемы лазерного мониторинга компонент ракетных топлив и сопутствующих газов в атмосфере. Некорректность задачи определения компонент газовой смеси из данных измерений при лазерном многоспектральном газоанализе атмосферы.

1.1. Актуальность задачи мониторинга компонент ракетных топлив и сопутствующих газов (а также других газовых загрязнений) в атмосфере.

1.2. Лазерные методы дистанционного и локального контроля газовых загрязнений атмосферы.

1.2.1. Дистанционный контроль газовых загрязнений атмосферы.

1.2.1.1. Основные эффекты взаимодействия лазерного излучения с атмосферными газами.

1.2.1.2. Физические основы обнаружения газовых загрязнений по поглощению лазерного излучения в атмосфере.

1.2.1.3. Метод дифференциального поглощения в лидарном газоанализе.

1.2.2. Локальный контроль газовых загрязнений атмосферы.

1.2.2.1. Основные методы лазерной спектроскопии.

1.2.2.2. Физические основы оптико-акустического метода газоанализа.

1.2.2.3. Метод дифференциального поглощения для лазерного оптико-акустического газоанализа.

1.3. Система уравнений многокомпонентного газоанализа. Обратная задача определения концентраций газов из уравнений лазерного газоанализа. Некорректность задачи определения концентраций компонент газовой смеси из данных многоспектральных лазерных измерений.

1.3.1. Система уравнений лидарного многокомпонентного газоанализа.

1.3.2.Система уравнений лазерного оптико-акустического многокомпонентного газоанализа>.

1.3.3. Проблемы количественного газоанализа многокомпонентных газовых смесей.

1.3.3.1. Определение концентраций газов по данным лазерных измерений. Некорректность задачи определения концентраций компонент газовой смеси из данных многоспектральных лазерных измерений.

1.3.3.2. Поиск спектральных каналов измерения для лазерного газоанализатора.

Выводы по главе 1 . 63:

Глава 2. Разработка метода определения спектральных каналов измерения для лазерного газоанализа многокомпонентных газовых смесей-.

2.1. Постановка задачи определения набора спектральных каналов измерения.

2.2. Определение набора спектральных каналов измерения «вручную».

2.3. Автоматизированный поиск набора спектральных каналов измерения

2.4. Особенности определения оптимального набора спектральных каналов измерения для лазерного газоанализатора, работающего в.режиме дифференциального поглощения.

2.5. Алгоритмы определения оптимального набора спектральных каналов измерения.

2.6. Анализ возможности использования существующих методик определения оптимального набора спектральных каналов измерения для лазерного газоанализатора, работающего в режиме дифференциального поглощения.

2.7. Метод, основанный на квазиоптимальном критерии поиска набора спектральных каналов измерения для лазерного газоанализатора, работающего в режиме дифференциального поглощения.

2.8. Квазиоптимальный набор спектральных каналов измерения для задачи определения концентраций компонент ракетных топлив в атмосфере

Выводы по главе 2 .'.

Глава 3. Определение концентраций газов в многокомпонентных газовых смесях по данным многоспектральных лазерных измерений.

3.1. Понятие корректно и некорректно поставленных задач. Обратные задачи как класс некорректно поставленных задач.

3.2. Определение концентраций газовых компонент по данным лазерных измерений в многокомпонентных газовых смесях методом поиска-квазирешений.

3.2.1. Метод поиска квазирешений для систем линейных алгебраических уравнений лазерного газоанализа.124'

3.2.2. Применение генетических алгоритмов для решения обратной задачи газоанализа методом подбора квазирешений.

3.2.3. Математическое моделирование определения концентраций газов в многокомпонентных газовых смесях методом поиска квазирешений.

3.2.4. Обработка экспериментальных данных лазерного газоанализатора при большом числе газовых компонент.

3.3. Определение концентраций газовых компонент по данным лазерных измерений в многокомпонентных газовых смесях методом регуляризации Тихонова.".

3.3.1. Определение приближенных решений некорректно поставленных задач методом регуляризации Тихонова.

3.3.2. Метод регуляризации Тихонова для решения систем линейных алгебраических уравнений.

3.3.3. Определение параметра регуляризации.

3.3.4. Математическое моделирование определения концентраций газов в многокомпонентных газовых смесях методом регуляризации.

3.3.5. Обработка экспериментальных данных лазерного газоанализатора при большом числе газовых компонент.

3.4. Математическое моделирование определения концентраций компонент ракетных топлив в атмосфере.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Автоматизированный измерительный комплекс для локального лазерного оптико-акустического экспресс контроля многокомпонентных газовых смесей.

4.1. Измерительный комплекс для оптико-акустического газоанализа на основе СО2 лазера.

4.1.1. Структурная схема измерительного комплекса.

4.1.2. Блок управления.

4.1.3. Программное обеспечение измерительного комплекса.

4.2. Методика экспресс-газоанализа многокомпонентных смесей.

4.2.1. Этапы работы измерительного комплекса.

4.2.2. Калибровка лазерного оптико-акустического газоанализатора.

4.3. Экспериментальные исследования по определению концентраций газов в многокомпонентных смесях с помощью измерительного комплекса.

4.3.1. Измерения и анализ сигналов лазерного оптико-акустического газоанализатора.

4.3.2. Результаты обработки экспериментальных данных измерительного комплекса.

4.4. Возможности измерительного комплекса на основе ЛОАГ для контроля концентраций компонент ракетных топлив.

Выводы по главе 4.

Глава 5. Лидар дифференциального поглощения на основе параметрического генератора света на кристалле селенистого кадмия с плавной перестройкой длины волны генерации в диапазонах 3,8.4,6 мкм и 8. 13 мкм.

5.1. Передающая система лидара.

5.2. Приемная оптическая система лидара.

5.3. Лидар дифференциального поглощения.

5.4. Дистанционное определение концентраций компонент ракетных топлив в атмосфере лидаром дифференциального поглощения.

5.4.1. Результаты измерения спектральных характеристик компонент ракетных топлив.

5.4.2. Результаты натурных испытаний лидара.

5.5. Особенности многокомпонентного газоанализа лидаром дифференциального поглощения на основе параметрического генератора света на кристалле селенистого кадмия.

5.6 Возможности лидара дифференциального поглощения для контроля концентраций компонент ракетных топлив в атмосфере.

Выводы по главе

Введение 2009 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Городничев, Виктор Александрович

Актуальность работы.

Выбросы составляющих ракетных топлив и сопутствующих газов являются многокомпонентными.

Для успешного решения данной проблемы необходим постоянный оперативный контроль за уровнем содержания КРТ и сопутствующих газов в атмосфере в местах разработки, создания и проведения испытаний объектов ракетной техники, дислокации объектов Космических Войск и прилегающих районах.

Газовые выбросы КРТ и сопутствующих газов эффективно обнаруживаются в атмосфере лазерными методами, вследствие высокой информативности эффектов взаимодействия оптических волн с молекулами загрязняющих газов.

Использование перестраиваемых лазеров дает возможность, применяя многоспектральные измерения и метод дифференциального поглощения (ДП), определять при дистанционных измерениях (с отражением зондирующего лазерного излучения от расположенного на фиксированном расстоянии отражателя) либо при использовании для отражения лазерного излучения эффекта упругого рассеяния от атмосферных аэрозолей (метод ДПР -дифференциальное поглощение и рассеяние) или с помощью локальных лазерных методов (использующих отбор проб воздуха и их дальнейший анализ методами лазерной спектроскопии) концентрации газовых компонент даже в случае, когда их спектры поглощения перекрываются.

Метеорологические факторы, топографические особенности местности и динамический характер выбросов обуславливают сильную изменчивость концентраций KPT. и значительно осложняют процесс измерения. Кратковременность выбросов, последующее быстрое уменьшение концентраций компонент ракетных топлив при их перемешивании с воздухом и распространение их под действием ветра предполагают высокую оперативность измерений, для достижения которой крайне важно минимизировать количество длин волн зондирования. С этой целью необходимо разработать новую методику оперативного газоанализа КРТ в присутствии сопутствующих газов-помех (подходящую как для локального, так и для дистанционного контроля), основанную на оптимизации многоволнового зондирования.

Лазерные методы дистанционного и локального контроля" за- уровнем содержания компонент ракетных топлив и сопутствующих газов в атмосфере могут также успешно применяться и для решения такой важной народнохозяйственной задачи, как охрана атмосферы от других антропогенных загрязнителей таких, например, как хлорфторуглеводороды, в том числе фреоны, различные вредные и ядовитые вещества и т.п.

Традиционные химические методы измерений не позволяют проводить мониторинг газовых загрязнителей в атмосфере над большими пространственными площадями. Время измерений- и обработки данных составляет от десятков минут до нескольких часов, что не удовлетворяет* практическим требованиям по оперативности измерений.

Таким образом, задача оперативного контроля многокомпонентных газовых загрязнений атмосферы может быть решена только с помощью лазерных методов, обеспечивающих получение необходимой- информации с высокой точностью и оперативностью и позволяющих отслеживать динамику распространения газовых компонент (в том числе и над большими пространственными площадями).

В течение последних десятилетий работы в области экологического мониторинга атмосферы проводились во многих научных организациях в России и за рубежом. В частности в России данной проблемой занимались (в некоторых организациях продолжают заниматься и в настоящее время) в Институте оптики атмосферы СО РАН (г. Томск), в Военной академии радиационной, химической и биологической защиты им. С.К. Тимошенко (ВА РХБЗ, г. Москва), в Институте оптического мониторинга СО РАН (г. Томск), в Институте общей физики им. A.M. Прохорова (ИОФ) РАН (г. Москва), в НПО «ЗЕНИТ» (г. Зеленоград), в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) (МИФИ, г. Москва), НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва) и других.

К настоящему времени разработаны лазерные методы и приборы для контроля газовых загрязнений атмосферы. Однако они позволяют проводить газоанализ либо отдельных компонент, либо малокомпонентных (с числом компонент не более 5) смесей. К тому же задача количественного анализа многокомпонентных (с числом компонент 6 и более) газовых смесей до конца не решена, многие теоретические и технические вопросы остаются не ясными. Основной проблемой многокомпонентного лазерного газоанализа является сложность решения обратной задачи и, как следствие, отсутствие разработанных и апробированных методов определения концентраций газов в многокомпонентных смесях.

Цель работы и задачи исследований

Цель настоящей диссертации - разработка методов оперативного количественного анализа многокомпонентных газовых смесей по данным многоспектральных лазерных измерений и создание на их основе лазерной аппаратуры для локального и дистанционного контроля концентраций загрязнений атмосферы составляющими ракетных топлив и другими токсичными веществами. и

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

4. Разработан макетный образец малогабаритного автоматизированного измерительного комплекса на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора (ЛОАГ) и исследованы его возможности для локального экспресс-контроля многокомпонентных газовых смесей, в том числе загрязнений атмосферы составляющими ракетных топлив и' другими токсичными веществами.

5. Разработан экспериментальный образец инфракрасного (ИК) лидара ДП на основе параметрического генератора света (ПГС) на кристалле селенистого кадмия (СсШе) со спектральными диапазонами плавной перестройки 3,8.4,6 мкм и 8. 13 мкм и исследованы его возможности для дистанционного контроля концентраций многокомпонентных смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.

6. Проведены экспериментальные исследования с целью апробации разработанных методов оперативного поиска НСКИ и определения количественного состава многокомпонентных газовых смесей по результатам многоспектральных локальных и дистанционных лазерных измерений.

Поставленная цель была достигнута.

Разработаны методы оперативного количественного многокомпонентного газоанализа (в том числе КРТ), созданы и экспериментально апробированы лазерные приборы для локального и дистанционного контроля за уровнем содержания компонент ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере. Достижение этой цели стало возможным благодаря комплексному подходу к решению проблем многокомпонентного газоанализа с учетом результатов всех предыдущих исследований в данной области.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Метод определения спектральных каналов измерения для оперативного лазерного анализа многокомпонентных газовых смесей, позволяет сократить время поиска спектральных каналов измерения на 2.3 порядка, по сравнению с известными методами.

2. Метод определения концентраций газов в многокомпонентных смесях, основанный на процедуре подбора квазирешений для некорректных математических задач и использовании генетического алгоритма поиска, не нуждается в дополнительной информации и позволяет с точностью от единиц процентов до 30.40 процентов находить концентрации компонент в газовых смесях.

3. Метод определения концентраций газов в многокомпонентных смесях, основанный на процедуре регуляризации Тихонова и использовании различных способов выбора параметра регуляризации, не требует большого объема вычислений и позволяет с точностью от единиц процентов до 40.50 процентов находить концентрации компонент в газовых смесях, причем наименьшие погрешности обеспечиваются при выборе квазиоптимального параметра регуляризации и выборе параметра регуляризации модифицированным метод невязки и методом невязки с использованием дополнительной независимой информации.

4. Применение в инфракрасном лидаре дифференциального поглощения параметрического генератора света, непрерывно перестраиваемого в спектральных диапазонах 3,8. 4,6 мкм и 8. .13 мкм, позволяет с использованием разработанных новых методов проводить измерения более широкой, по сравнению с известными лидарами, номенклатуры газов, в многокомпонентных смесях составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.

Научная новизна исследований.

1. Разработан новый метод определения НСКИ (на основе квазиоптимального критерия поиска) для оперативного лазерного анализа многокомпонентных газовых смесей, позволивший сократить время поиска НСКИ на 2. .3 порядка по сравнению с известными методами.

3. Разработан новый метод определения концентраций газов в многокомпонентных смесях, основанный на процедуре регуляризации

Тихонова и использовании различных способов выбора параметра регуляризации. Метод не требует большого объема вычислений, но нуждается в дополнительной информации и его точность несколько хуже (по экспериментальным данным примерно на 10 %) точности метода квазирешений. Наименьшие погрешности обеспечивают выбор квазиоптимального параметра регуляризации, модифицированный метод' невязки- и метод невязки при использовании дополнительной независимой информации.

4. Результаты исследований экспериментального образца инфракрасного лидара дифференциального поглощения с излучателем на основе параметрического генератора света на кристалле селенистого кадмия со спектральными диапазонами плавной перестройки 3,8.4,6 мкм и 8. 13 мкм, открывающие возможность разработки лазерной аппаратуры1 для дистанционного контроля концентраций широкой номенклатуры газов в. многокомпонентных смесях составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.

5. Результаты экспериментальной апробации разработанных методов поиска НСКИ и определения количественного состава многокомпонентных газовых смесей (в том числе КРТ) по результатам многоспектральных-локальных и дистанционных лазерных измерений.

Практическая значимость работы.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе-кафедры «Лазерные и оптико-электронные системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана в курсах «Проектирование лазерных систем экологического мониторинга» и «Лазерные приборы локального экомониторинга».

Апробация результатов работы

Публикации

Личный вклад автора.

Структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка цитируемой литературы.

Заключение диссертация на тему "Разработка методов и оптико-электронных средств лазерного оперативного контроля многокомпонентных газовых смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ"

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.

1. Разработан новый метод определения спектральных каналов измерения (на основе квазиоптимального критерия поиска) для оперативного лазерного анализа многокомпонентных газовых смесей, позволивший сократить время поиска спектральных каналов измерения на 2.3 порядка по сравнению с известными методами.

2. Разработан новый метод определения концентраций газов многокомпонентных смесей, основанный на процедуре подбора квазирешений для некорректных математических задач и использовании генетического алгоритма поиска. Метод не нуждается в дополнительной информации и позволяет, как правило, с точностью от единиц процентов до 30.40 процентов находить количественный состав газовых смесей, однако требует большого объема вычислений.

4. Для локального контроля многокомпонентных газовых смесей, в том числе составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере разработан макетный образец малогабаритного автоматизированного измерительного комплекса на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора и исследованы его возможности.

5. Для дистанционного контроля концентраций многокомпонентных смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере разработан экспериментальный образец инфракрасного лидара дифференциального поглощения на основе параметрического генератора света и исследованы его возможности. Разработан и создан параметрический генератор света на кристалле селенистого кадмия. Получена непрерывно перестраиваемая параметрическая генерация в спектральных диапазонах 3,8.4,6 мкм и 8. 13 мкм. Диапазон перестройки излучения экспериментального образца лидара ДП расширен более чем в два раза по сравнению с известными лидарами, что позволяет с его помощью проводить измерения для более широкой номенклатуры газовых компонент смесей составляющих ракетных топлив и других токсичных веществ в атмосфере.

Экспериментальный образец ИК лидара и макетный образец измерительного комплекса на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора созданы под руководством и при непосредственном участии автора диссертации. Лидар введен в эксплуатацию на предприятии ВИИ ХИММАШ (г. Пересвет Сергиево-Посадского района Московской области) в качестве оперативного средства дистанционного контроля концентраций газовых компонент в атмосфере производственной зоны.

282

Библиография Городничев, Виктор Александрович, диссертация по теме Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

1. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Д. Хинкли. — М.: Мир, 1979. — 416 с.

2. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. М.: МГУ, 1986. - 328 с.

3. Зуев В.Е., Комаров B.C. Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 264 с.

4. Мак-Картни Э. Оптика атмосферы. М.: Мир, 1979. - 421 с.

5. Применение лазеров для определения состава атмосферы / O.K. Костко, B.C. Портасов, В.У. Хаттатов и др. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 216 с.

6. Александров Э.Л., Седунов Ю.С. Человек и стратосферный озон. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. — 104 с.

7. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. — М.: Мир, 1987. 550 с.

8. Городничев В.А., Козинцев В.И., Сильницкий А.Ф. Лидары дифференциального поглощения для контроля атмосферных загрязнений в ИК области спектра. Аналитический обзор. М.: ЦНИИ «Электроника», 1986. -49 с.

9. Радиофизический мониторинг загрязнений природной среды / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. — М.: Аргус, 1994. — 107 с.

10. Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды: Учебное пособие / В.И. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов и др.; Под ред. В.Н. Рождествина. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 528 с.

11. Лазерный оптико-акустический анализ многокомпонентных газовых смесей / В.И. Козинцев, М.Л. Белов, В.А. Городничев и др. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 352 с.

12. Основы количественного лазерного анализа: Учебное пособие / В.И. Козицев, М.Л. Белов, В.А. Городничев, Ю.В. Федотов; Под ред. В.Н. Рождествина. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 464 с.

13. Спектроскопические методы зондирования атмосферы / Под ред. И.В. Самохвалова. — Новосибирск: Наука (Сибирское отд-ние), 1985. 125 с.

14. Жаров В.П., Летохов B.C. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. — М.: Наука, 1984.-320 с.

15. Оптико-акустический метод в лазерной спектроскопии молекулярных газов / А.Б. Антипов, В.А. Капитанов, Ю.Н. Пономарев и др. — Новосибирск: Наука, Сибирское отд-ние, 1984. — 128 с.

16. Лазерная аналитическая спектроскопия / B.C. Антонов, Г.И. Беков, М.А. Болынов и др. М.: Наука, 1986. - 320 с.

17. Пономарев Ю.Н. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 1995. - Т. 8, № 1-2. - С. 224-241.

18. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия межмолекулярных взаимодействий в газах / Ю.Н.Пономарев, Б.Г.Агеев, М.В.Зигрист и др. — Томск: МГП «РАСКО», 2000. 199 с.

19. Горелик О.Д., Эцин И.Ш. Контроль молекулярных микрокомпонентов атмосферы методами лазерной спектроскопии // Журнал аналитической химии. 1984.-Вып. 11.-С. 1925-1944.

20. Зуев В.Е., Макушкин Ю.С., Пономарев Ю.Н. Спектроскопия атмосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1987. -247 с.

21. Исследование причин погрешностей лазерного оптико-акустического газоанализатора / М. Зигрист, М.Ю. Катаев, А.А. Мицель и др. // Оптика атмосферы и океана. 1994. - Т. 7, № 11-12. - С. 1471-1477.

22. Sternberg S. С., Stillo Н. S., Schwenderman P. Н. Spectrofotometric Analysis of Multicomponent Systems Using the Least Squares Method in Matrix Form // Anal. Chem. — 1960. V. 39, № l.-P. 84-90.

23. Instability of Linear Systems Derived from Spectrophotometric Analysis of Multicomponent Systems / F. P. Zscheile, H. C. Murrey, G. A. Baker et al. // Anal. Chem.- 1962.-V. 34, № 13.-P. 1776-1780.

24. Демиденко E. 3. Линейная и нелинейная регрессии. — М.: Финансы и статистика, 1981. -302 с.

25. Катаев М. Ю., Мицель А. А., Тарасова С. Р. Выбор информативных спектральных участков для решения задач газоанализа с помощью ОАД // Оптика атмосферы . 1990. - Т. 3, № 8. - С. 832-841.

26. Мицель А. А. Выбор оптимальных спектральных каналов для решения задач абсорбционного газоанализа и локации. Часть 1 // Оптика атмосферы и океана. 1992. - Т. 5, № 9. - С. 978-985.

27. Катаев М. Ю., Мицель А. А. Выбор оптимальных спектральных каналов для решения задач абсорбционного газоанализа и локации. Часть 2 // Оптика атмосферы и океана. 1992. - Т. 5, № 9. - С. 986-994.

28. Зуев В. В., Романовский О. А. Численное моделирование лидарного зондирования газовых компонент атмосферы в средней ИК области спектра // Оптика атмосферы. 1988. - Т. 1, № 12. - С. 986-994.

29. Выбор спектральных каналов измерения для контроля многокомпонентных газовых смесей / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Записки горного института. 2001. - Т. 149. - С. 56-58.

30. Городничев В.А. Методика выбора длин волн зондирования для лидарного контроля газовых загрязнений атмосферы // Биомедицинская радиоэлектроника. 2002. - № 2. - С. 21-24.

31. Городничев В.А. Разработка алгоритмов оперативного поиска набора спектральных каналов измерения для лидара дифференциального поглощенияна ПГС // Информационно-измерительные и управляющие системы. — 2005. — Т.-З, № 4-5. С. 44-49.

32. Kaiser Н. Zur Definition von Selektivitaet, Spezifitaet und Empfindlihkeit von Analysenverfahren // Z. Anal. Chem. 1972. - № 260. - S. 252-260.

33. Junker A., Bergmann G. Auswahl, Vergleich und Bewertung optimaler Arbeitsbedingungen fur die quantitative Mehrkomponenten-Analyse // Z. Anal. Chem. 1974. - Bd. 272. - S. 267-275.

34. Bergmann G., Oepen В. V., Zinn P. Improvement in the Definitions of Sensivity and Selectivity // Anal. Chem. 1987. - V. 59. - P. 2522-2526.

35. Frans S. D., Harris J. M. Selection of Analytical Wavelength for Multicomponent Spectrophotometric Determinations // Anal. Chem. 1985. -V. 57. - P. 2680-2684.

36. Meyer P. L., Sigrist M. W. Atmospheric pollution monitoring using C02-laser photoacoustic spectroscopy and other techniques // Rev. Sci. Instrum. 1990. — V. 61(7).-P. 1779-1806.

37. Перьков И. Г., Дрозд А. В., Арцебашев Г. В. Выбор оптимальных длин волн и прогнозирование погрешностей в многокомпонентном спектрофотометрическом анализе // Журнал аналитической химии. 1987. — Т. 42, № 1.-С. 68-77.

38. Берштейн И. Я. Выбор степени переопределения при спектрофотометрическом анализе многокомпонентных смесей // Журнал аналитической химии. 1988. - Т. 43, № 11. - С. 1962-1967.

39. Амосов А. А., Дубинский Ю. А., Копченова Н. В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высшая школа, 1994. — 544 с.

40. Кац М. Д. О выборе аналитических позиций при анализе многокомпонентных смесей по спектрам поглощения // Заводская лаборатория. 1973. - Т. 39, № 2. - С. 160-163.

41. Васильев А.Ф., Панкова М. Б., Маркош Ю. М. Программа получения коэффициентов уравнений для расчета концентраций в неаддитивных286 • многокомпонентных смесях по спектрам поглощения // Заводская: лаборатория.- 1973:-Т. 39, № 9. С. 1073-1077.

42. Применение 3BMvb химических и биохимических исследованиях. /Под. Ред. А.Ф. Васильева. М.: Химия, 1976. - Том 1. - 294 с.

43. Auswahl optimaler Messwellenlaengen bei der spekroskopischen Mehrkomponent-Analyse / S. Ebel, E. Glaser, S. Abdulla et al. // Fresenius Z. Anal. Chem. 1982. -№. 313. - S. 24-27.

44. Вержибицкий В; Mí Численные методы. Линейная» алгебра и- нелинейные уравнения. — М;: Высшая школа, 2000.- 266 с.

45. Райе Дж. Матричные вычисления» и; математическое обеспечение. М.: Мир, 1984:-261 с.

46. Форсайт Дж., Мальком М., Моулер К. Численное решение систем линейных алгебраических уравнений. -М.: Мир, 1990. 165 с.

47. Schoeneburg Е., Heinmann F., Feddersen S. Genetische Algorithmen und Evolutionsstrategien: Eine Einfuerung in Theorie und Praxis der simulierten Evolution. Bonn - Paris - Reading (Mass) u.a.: Addison-Wesley, 1994. - 321 s.

48. Городничев В.А. Анализ методов: поиска спектральных каналов измерения для задачи оперативного лазерного газоанализа // Конверсия в машиностроении. 2002. - №1. -С. 70-76.

49. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я; Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979.-288 с.

50. Сравнение методов обработки сигналов лазерного оптико-акустического анализатора для многокомпонентного анализа газовых смесей / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев, Д.Б. Добрица // Деп. рук. ВИНИТИ. 1999. -№ 529-В99. — 9 с.

51. Обработка сигналов в задачах лазерного газоанализа атмосферы / М.Л. Белов, В.А. Городничев, Д.Б. Добрица и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2001. -№ 4. - С. 51-57.

52. The effect of the absorption coefficient errors on the multicomponent gas mixture reconstruction errors / M.L. Belov, V.A. Gorodnichev, V.I. Kozintsev, Yu.V.

53. Fedotov // Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics: 10 Joint International symposium. Tomsk, 2003. - P. 116.

54. Денисов A.M. Введение в теорию обратных задач. М.: МГУ, 1994. — 206 с.

55. Городничев В.А. Использование метода поиска квазирешений для определения концентраций газов при многокомпонентном лазерном газоанализе атмосферы // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2002. - № 2. - С. 46-52.

56. Gas reconstruction in multicomponent media using genetic algorithms / Yu.V. Fedotov, M.L. Belov, V.A. Gorodnichev et al. // Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics: 8 Joint International symposium Irkutsk, 2001. — P. 150.

57. Метод поиска квазирешений в задаче лазерного оптико-акустического газоанализа / M.JI. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Оптика атмосферы и океана. 2002. - Т. 15, № 4. - С. 388-392.

58. Курейчик В. М. Генетические алгоритмы. Таганрог: Изд-во ТРГУ, 1998. -117 с.

59. Воскобойников Ю.Э., Преображенский Н.Г., Седельников А.Н. Математическая обработка эксперимента в молекулярной газодинамике. -Новосибирск: Наука, Сибирское отд-ние, 1984. — 238 с.

60. Кочетов И.И. О новом способе выбора параметра регуляризации // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1976. - Т. 16, № 2. -С. 499-503.

61. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1974. - 831с.

62. Воскобойников Ю.Э., Мицель А.А. Построение устойчивого решения плохо обусловленной системы алгебраических уравнений при случайных погрешностях в исходных данных // Автометрия. 1982. - № 2. - С. 67-72.

63. Козинцев В.И. Об обработке сигналов оптико-акустического газоанализатора при многокомпонентном анализе газовых смесей // Оптика атмосферы и океана. 1996. - Т. 9, № 10. - С. 1373-1378.

64. Обработка лидарного сигнала при многокомпонентном газоанализе атмосферы / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1996. -№ 3. - С. 117-125.

65. Мониторинг многокомпонентных газовых смесей с помощью лазерного оптико-акустического полигазоанализатора / В.В. Авдиенко, М.Л. Белов, В.А. Городничев и др. // Журнал прикладной спектроскопии. — 1996. Т. 63, № 5. — С. 755-759

66. Сравнение методов обработки сигналов лазерного оптико-акустического г анализатора для мнокомпонентного анализа газовых смесей / М.Л. Белов, Д.Б. Добрица, В.А. Городничев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1998. — № 3. - С. 30-38.

67. Восстановление концентраций компонент газовых смесей из многоспектральных лазерных измерений методом статистической регуляризации / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2001. - № 3. - С. 36-43.

68. Информационное обеспечение лазерного оптико-акустического газоанализатора / А.Ю. Амелькин, M.JI. Белов, В.А. Городничев и др. // Медико-технические технологии на страже здоровья: Российская научно-техническая конференция. — М., 1999. С. 132-133.

69. Обработка данных измерений для задачи количественного лазерного оптико-акустического газоанализа / M.JI. Белов, В: А. Городничев, В.И.Козинцев и др. // Биомедицинские технологии ^радиоэлектроника. 2004. - № 1-2. - С. 55-59.

70. Автоматизированный измерительный комплекс на основе лазерного оптико-акустического газоанализатора для контроля чистоты воздуха / M.JI. Белов,

71. B.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Биомедицинская радиоэлектроника. -2001.-№9.-С. 38-42.

72. Измерительный комплекс для контроля состава многокомпонентных газовых смесей с управлением от персонального компьютера / M.JI. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Экология-97: Научно-техническая конференция. СПб., 1997. - С. 54-55.

73. Автоматизированный оптико-акустический полигазоанализатор с перестраиваемым С02 лазером / M.JI. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Приборы и системы управления. 1998. - № 3. — С. 24-25.

74. Автоматизированный лазерный' оптико-акустический газоанализатор для оперативного контроля загрязнений атмосферы / М.Л: Белов, В.А. Городничев,

75. B.И. Козинцев, Ю.В. Федотов // Медико-технические технологии на страже здоровья: 3-я Международная научно-техническая конференция. — М., 2001.1. C. 70.

76. Gorodnichev V.A. Program complex for a laser photo-acoustic gas analyzer with the different laser radiation sources // Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics: 11 Joint International symposium. Tomsk, 2004. - P. 158.

77. Photoacoustic laser multidasanalyser / M.L. Belov, V.A. Gorodnichev, V.I. Kozintsev, V.V. Avdienko // 22 int.School and conference on computer aided design Yalta - Gurzuff, (Ukraina, Crimea), 1995.-Part 2, V. l.-P. 225.

78. Контроль газовых загрязнений с помощью оптико-акустического анализатора / М.Л. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // 165 лет МГТУ: Международная научно-техническая конференция. — М., 1995. — Ч. 2. — С. 81.

79. Laser photo-acoustic gasanflyser for control of multicomponent gas mixtures / V.I. Kozintsev, M.L. Belov, V.A. Gorodnichev et al. //12 International symposium and school on high resolution molecular spectroscopy — Petergof, 1996. — P. 64.

80. Цифровая обработка сигналов лазерного оптико-акустического газоанализатора / M.JI. Белов, В.А. Городничев, В.И. Козинцев и др. // Медико-технические технологии на страже здоровья: 4-я Международная научно-техническая конференция. М., 2002. - С. 102.

81. Absorption coefficients of various pollutant gases at C02 laser wavelengths; application to remote sensing of those pollutants / A. Mayer, J. Comera, H. Charpentier et al. // Applied Optics. 1978. - V. 17, № 3. - P. 391-393.

82. Absorption coefficients of various pollutant gases at CO2 laser wavelength; application to the remote sensing of those pollutants: errata / A. Mayer, J. Comera, H. Charpentier et al. // Applied Optics . 1980. - V. 19, № 10. - P. 1572.

83. Оптико-акустическое детектирование ксилолов / Б.Г. Агеев, М.Ю. Катаев, Ю.Н. Пономарев и др.//Оптика атмосферы и океана. — 1996. — Т. 9, № 3. — С. 303-307.

84. Quantitative chemical identification of four gases in remote infrared (9-11 mkm) differential absorption lidar experiments / J. R. Quagliano, P. O. Stoutland, R. P. Petrin et al. // Applied Optics. 1997. - V. 36, № 9. - P. 1915- 1927.

85. Temperature and pressure dependence of NH3 and C2H4 absorption cross sections at CO2 laser wavelength / U. Persson, B. Marthinsson, J. Johansson et al. //Applied Optics. 1980.-V. 19, № 10.-P. 1711- 1715.

86. C02 Laser Absorption Coefficient for Determining Ambient Levels of O3, NH3 and C2H4 / R. R. Patty, G. M. Russwurm, W. A. McClenny et al. // Applied Optics. -1974. V. 13, № 12. - P. 2850-2854.

87. Городничев B.A., Козинцев В.И., Сильницкий А.Ф. Лидар на основе параметрического генератора света для определения атмосферных загрязнений // 9 Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. — Туапсе, 1986. С. 24-26.

88. Городничев В.А., Козинцев В.И., Сильницкий А.Ф. Лидар на основе параметрического генератора света для определения атмосферных загрязнений

89. Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы. Томск, 1988. - С. 24-26.

90. Лидар дифференциального поглощения в ИК-области спектра на основе параметрического генератора света / В.А. Городничев, М.Б. Богачев, В.И. Козинцев и др. // Журнал прикладной спектроскопии. — 1988. — Т. 49, вып. 6. — С. 978-982.

91. Городничев В.А., Козинцев В.И., Сильницкий А.Ф. Лидар на основе параметрического генератора света для определения атмосферных загрязнений // Оптика атмосферы. 1988. - Т. 1, № 12. - С. 33-35.

92. Городничев В.А., Козинцев В.И. Лидар для многокомпонентного анализа атмосферы // Высшая школа России и конверсия: Всероссийская научно-практическая конференция. М., 1993. — С. 127-128.

93. Gorodnichev V.A., Kozintsev V.I. Infrared differential absorption lidar (DIAL) system for monitoring atmospheric pollution // SPIE. 1993. — V. 2107. -P. 400-419.

94. Городничев В. A., Козинцев И.В., Козинцев В.И. Лидар дифференциального поглощения в инфракрасной области спектра // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1994. - № 3. - С. 49-63.

95. Городничев В.А., Козинцев В.И. Мониторинг загрязнений атмосферы с помощью лидара дифференциального поглощения в инфракрасной области пектра // Оптика тмосферы и океана. 1994. - Т. 7, № 10. - С. 1410-1414.

96. Ахманов С.А., Хохлов Р.В. Об одной возможности усиления световых волн // ЖЭТФ. 1962. - № 43. - С. 351-353.

97. Кингстон. Параметрическое усиление и генерация на оптических частотах // ТИИЭР. 1962. - Т. 50, № 4. - С. 512.

98. Kroll N.M. Parameric amplification in spattially extended média and application to the design of tunable oscillators at optical frequencies // Phys. Rev. — 1962. — V. 127, №4.-P. 1207-1211.

99. Giordmaine Т.A., Miller R.C. Tunable coherent parametric oscillator in LiNb03 at optical frequencies // Phys. Rew. Letters. 1965. - V. 14, № 24. - P. 973-976.

100. Перестраиваемый параметрический генератор света на кристалле КДР / С.А. Ахманов, А.И. Ковригин, В.А. Колосов и др. // Письма в ЖЭТФ. 1966. -Т. 3, № 9. - С. 372-378.

101. Wenzel R.G., Arnold G.P. Parametric oscillator: HF oscillator - amplifier pumped CdSe parametric oscillator tunable from 14,1 /л m to 16,4 ц m // Appl. Opt. — 1976.-V. 15, №5.-P. 1322- 1326.

102. Herbst R.L.JByer R.L. Singly resonant CdSe infrared parametric oscillator // Appl. Phys. Letters. 1972. - V. 21, № 5. - P. 189-191.

103. Параметрическая генерация на кристалле CdSe с накачкой от лазера на CaF2 : Dy2+ / А.А. Давыдов, JI.A. Кулевский, A.M. Прохоров и др. // Письма в ЖЭТФ. 1972. -Т. 15, вып. 12. - С. 725 - 727.

104. Weiss J.A., Goldberg L.S., Singly resonant CdSe parametric oscillator pumped by an HF laser // Appl. Phys. Letters. 1974. - V. 24, № 8. - P. 389 - 391.

105. Лазер на кристалле CaF2 :Er3+ при комнатной температуре / С.Х. Башонов, Л.А. Кулевский, A.M. Прохоров и др. // Квантовая электроника. 1974. - Т. 1, № 12.-С. 2633 -2635.

106. Индуцированное излучение ионов Ег3+ в кристаллах иттрий-эрбий-алюминиевого граната на длине волны 2,94 мкм / Е.В. Жариков, В.И. Жеков, Л.А. Кулевский и др. // Квантовая электроника. — 1974. — Т. 1, № 8. С. 18671869.

107. Излучательные и безизлучательные переходы Ег3+ в смешанных иттрий-эрбий-алюминиевых гранатах / Т.Т. Басиев, Е.В. Жариков, В.И. Жеков и др. // Квантовая электроника. 1976. - Т. 3, № 7. - С. 1471-1477.

108. Жариков Е.В., Жеков В.И., Мурина Т.М. Сечение лазерного перехода4111/2 -4 113/2 иона Ег3+ в кристалле иттрий-эрбий-алюминиевого граната // Квантовая электроника. 1977. - Т. 4, № 1. - С. 198-201.

109. Механизм образования инверсной населенности между уровнями 4111/2 и4113/2 иона Ег3+ в кристаллах Y3A15012 / В.И. Жеков, Б.В. Зубов, В.А. Лобачев и др. // Квантовая электроника. 1980. - Т. 7, № 4. - С. 749-753.

110. Иттрий-эрбий-алюминиевый гранат новый перспективный кристалл для лазеров инфракрасного диапазона / Х.С. Багдасаров, В.И. Жеков, В.А. Лобачев и др. // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1982. - Т. 46, № 8. - С. 1496-1503.

111. О выходных характеристиках параметрического генератора света на кристалле селенида кадмия / В.А. Городничев, A.A. Давыдов, В.И. Жильцов и др. // Электронная техника. Cep.l 1. Лазерная техника и оптоэлектроника. -1984. -Вып. 3(29).-С. 93-96.

112. Гигантские импульсы лазерного излучения кристаллов иттрий-эрбий-алюминиевого граната / Х.С. Багдасаров, В.И. Жеков, Л.А. Кулевский и др: // Квантовая электроника. 1980. - Т. 7, № 9. - С. 1959-1965.

113. Импульсный лазер на кристаллах Y3A15012 : Ег3+ с высокой концентрацией активатора в частотном режиме / Х.С. Багдасаров, В.П. Данилов, В.И. Жеков и др. // Квантовая электроника. — 1978. Т. 5, № 1. — С. 150-152.

114. Фишер Р., Кулевский Л.А. Оптические параметрические генераторы света // Квантовая электроника. 1977. - Т. 4, № 2. - С. 245-289.

115. Кулевский Л.А. Параметрический генератор ИК-излучения // УФН. 1981. -Т. 134, вып. З.-С. 535-541.

116. Смирнов В.В. Исследования по созданию параметрического генератора инфракрасного диапазона: Дис. канд. физ.-мат. наук. М., 1974. - 141 с.

117. Сканирующий интерферометр Фабри-Перо для измерения ширины линии излучения в инфракрасной области спектра / В.А. Городничев, Б.А. Измайлов, В.И. Козинцев и др. // Приборы и техника эксперимента. 1990. - № 4. - С. 248.

118. Макушкин Ю.С., Мицель A.A., Хмельницкий Г.С. Лазерная абсорбционная диагностика атмосферных газов // Журнал прикладной спектроскопии. —л1981. — Т. 35, вып. 5. С. 785-790

119. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. A.M. Прохоров. М.: Сов. Энциклопедия, 1984. — 944 с.

120. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. — М.: Наука, 1973. 720 с.

121. Окабе X. Фотохимия малых молекул. М.: Мир, 1981. - 504 с.

122. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: Радио и связь, 1981.-288 с.

123. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. — М.: Сов. радио, 1970. 496 с.

124. Carbon dioxide laser absorption spectra and low ppb photoaccoustic detection of hydrazine fuels / G.L. Loper, A.R. Calloway, M.A. Stamps et al. // Appl. Opt. 1980. - V.19, № 16. - P. 2726-2734.

125. Pierson R.H., Fletcher, Gantz E. St. Catalog of infrared spectra for qualitative analysis of gases //Anal'. Chem. 1956. -V. 28, № 8. - P. 1218-1239.

126. The HITRAN molecular spectroscopic database: edition of 2000 including updates through 2001 / L.S. Rothman, A. Barbe, D. C. Benner et al. // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 2003. - V. 82, № 1. - P.4-44.

127. The 1997 spectroscopic GEISA databank / D.C. Reuter, O.V. Naumenko, J. Orphal et al. // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. — 1999. — V. 62, №2.-P. 205-254.

128. Сравнительный анализ методов поиска спектральных каналов измерения для лазерного оптико-акустического газоанализатора / М. JI. Белов, В. А. Городничев, В. И. Козинцев, Ю. В. Федотов // Оптика атмосферы и океана. -2002.-Т. 15, №8.-С. 665-671.

129. Городничев В.А., Козинцев В.И., Прокудина Т.М. К вопросу о точности метода дифференциального поглощения в ИК области спектра // 8 Всесоюзныйсимпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы — Томск, 1984.-Ч. 1.-С. 272-276.

130. Городничев В.А., Козинцев В.И., Белов М.Л. О лидарном многокомпонентном газоанализе атмосферы // Лазеры в науке, технике, медицине: VI Международная научно-технич. конф. Суздаль, 1995. — С. 30-31.

131. Городничев В.А. Сравнительный анализ схем лазерного зондирования для задачи контроля концентраций газовых загрязнителей атмосферы // Медико-технические технологии на страже здоровья: 3-я Международная научно-техническая конференция. М., 2001. — С. 63.

132. Городничев В.А. Восстановление концентраций газов при лидарном газоанализе атмосферы методом подбора решений // Медико-технические технологии на страже здоровья: 3-я Международная научно-техническая конференция. -М., 2001. С .66.

133. Городничев В.А. Выбор длин волн зондирования при лидарном газоанализе загрязнителей атмосферы // Медико-технические технологии на страже здоровья: 3-я Международная научно-техническая конференция. М., 2001.-С. 67.

134. Городничев В.А. Сравнительный анализ схем лазерного зондирования для задачи контроля концентраций токсичных веществ в атмосфере // Вестник МГТУ. Приборостроение. -2001 № 4. - С. 24-32.

135. Городничев В.А. Анализ схемы лазерного зондирования с использованием уголкового отражателя для контроля чистоты воздуха // Медико-технические технологии на страже здоровья: 4-я Международная научно-техническая конференция М., 2002. - С. 94.

136. Городничев В.А. Сравнительный анализ методов поиска длин волн зондирования для оперативного лидарного газоанализа атмосферы // Медико-технические технологии на страже здоровья: 4-я Международная научно-техническая конференция. М., 2002. - С. 95.

137. Городничев В.А. Определение концентраций газов из данных лазерного зондирования при малом числе компонент газовой смеси // Медико-технические технологии на страже здоровья: 4-я Международная научно-техническая конференция. — М., 2002. — С. 96.

138. Городничев В.А. Анализ схемы зондирования с использованием уголкового отражателя для задачи контроля газовых загрязнений в атмосферы // Биомедицинская радиоэлектроника. 2002. - № 9. - С. 64-67.

139. Gorodnichev V.A. Automated method and algorithm of sounding wavelength search for differential absorption lidar on the basis of OPO // Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics: 10 Joint International symposium. — Tomsk, 2003.— P. 142.

140. Городничев В.А. Метод математического моделирования в задачах многокомпонентного газоанализа атмосферы // Медико-технические технологии на страже здоровья: 5-я Международная научно-техническая конференция М., 2003. - С. 105.

141. Городничев В.А. Проблемы количественного лазерного газоанализа многокомпонентных газовых смесей // Медико-технические технологии на страже здоровья: 5-я Международная научно-техническая конференция. — М., 2003.-С. 106.

142. Городничев В.А. Методы восстановления концентраций газов для задачи лидарного контроля газовых загрязнителей атмосферы // Биомедицинская радиоэлектроника. 2003. - № 9. - С. 52-56.

143. Городничев В.А. Выбор метода обработки результатов измерений для решения задачи количественного лазерного газоанализа // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2003 - № 4. — С. 26-35.

144. МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (МИНОБОРОНЫ РОССИИ)

145. УПРАВЛЕНИЕ Директору научно — исследовательского

146. ПЕРСПЕКТИВНЫХ института Радиоэлектроники и лазерной техники МЕЖВИДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИИ 3 ATttv и ~1. И СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОЕКТОВ

147. Г. Москва, 119160 107005, г. Москва, ул. 2-я Бауманская, 5, ГОУf4 ноября 2008 г. № 249/4/ "'/(?/£ , ВПО МГТУ им. Н.Э.Баумана1. На №

148. УТВЕРЖДАЮ» Директор НИИ РЛ МГТУ им. Н.Э. Бауманаоф.1. Н. Рождествин 2008 г.1. АКТреализации научных результатов диссертационной работы Городничева Виктора

149. Результаты диссертационных "исследований нашли отражение в научно-технических отчетах по данным НИР.1. Председатель комиссии1. Члены комиссии1. В.Е. КарасикV

150. Результаты диссертационных исследований нашли отражение в научно-технических отчетах: по НИР «Барний» за 2001 — 2002 г.г.; по НИР «Саламандра 2-МГТУ-Т» за 1996 1999 г.г.; по НИР «Саламандра-РВО» за 1995 г.

151. Председатель комиссии ^^ И. Росляков

152. Члены комиссии П. Гончаров1. Н. Прудников1. УТВЕРЖДАЮ»

153. Начальник сектора Старший инженер1. Начальник НМ-138

Похожие работы

Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
05.11.00