автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Улучшение информационных свойств, повышение точности и быстродействия фотометрических преобразователей для исследования микрофизических свойств атмосферного аэрозоля

Ч- сЬ

¿л- На правах рукописи

-Л/ \

ИВАНОВА ПОЛИНА ЮРЬЕВНА

УЛУЧШЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ, ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ И БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ

Специальность05.12.17-радиотехнические и телевизионные системы и устройства

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор, Ильин Г.И. Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Сидельников Ю.Е. < - доктор технических наук, профессор Васильев В.П

Ведущая организация - ФНПЦ ГИПО

Защита диссертации состоится " " 1998 г в часов на заседании диссертационног«

Совета К 063. 43. 05 при КГТУ им. А.Н. Туполев; ( 420111 г. Казань, ул. К. Маркса, 10 )

С диссертацией можно ознакомиться в Научно! библиотеке Казанского государственного технической университета.

Автореферат разослан " " 1998 г. Ученый секретарь Совета

Доцент //г Козлов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Аэрозоль является одним из важнейших компонентов окружающей среды, оказывающим большое влияние на всевозможные физические процессы, происходящие в атмосфере. Именно с аэрозолями связаны процессы загрязнения воздушного бассейна Земли и переноса радиоактивности.

В настоящее время в связи с нарастающим антропогенным загрязнением атмосферы особую актуальность приобретает мониторинг экологических последствий этого процесса и динамика климатических условий обусловленная концентрацией аэрозолей в атмосфере. Поэтому исследования атмосферных аэрозолей приобретают все большее значение. Особо важным фактором при решении этого вопроса является то, что нам необходимо иметь информацию о рассеивающих свойствах как ансамбля аэрозольных частиц, так и данные по рассеянию от каждой отдельно взятой частицы, а также измерения этих характеристик. Основной интерес представляют данные о размере частицы, ее форме, структуре и показателе преломления. Все эти показатели частицы позволяют глубже понять природу аэрозольных образований в атмосфере. Все параметры рассеяния аэрозолей играют принципиально важную роль при разработке различного вида оптических приборов, работающих в атмосфере, как на приземных трассах, так и из космоса. Знание этих параметров необходимо также для

определения процессов массопереноса в атмосфере экологического мониторинга и экологического контроля.

Все вышесказанное определяет важность измерена вышеуказанных характеристик частиц, причем, с максимальнс высокой точностью. Следовательно, любое расширение возможностей измерения параметров атмосферных аэрозолеС является, на наш взгляд, несомненно актуальной задачей.

ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является улучшение информационных свойств, повышение точности и быстродействия фотометрических преобразователей для исследования микрофизических свойств атмосферного аэрозоля.

Исходя из поставленной цели, можно определить решаем! задачи как:

1. На базе уравнений электродинамики провес™ исследование тех специфических характеристик индикатрись рассеяния, которые могут нести информацию о показателе преломления, структуре и форме частицы

2. На базе известных и полученных данных рассмотреть возможности улучшения метрологических характеристш измерителей индикатрис рассеяния. Решение этой задачу включает в себя, прежде всего, уменьшение времени измерения индикатрисы рассеяния с тем, чтобы обычно используемый критерий "замороженное™ атмосферы" выполнялся наилучшие образом. Кроме того, необходимо решить внутреннюю задачу повышения точности измерений индикатрисы рассеяния.

3. Улучшение метрологических характеристик счетчикоЕ частиц за счет использования дополнительной информации об

индикатрисах рассеяния и зависимости этих параметров от показателя преломления и формы частиц. На базе этих исследований усовершенствование существующих схем интерференционных счетчиков частиц.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Впервые предложена новая оптическая , схема построения индикатрисометров, позволяющая снизить время измерения индикатрисы рассеяния и обеспечить выполнение условия "замороженности атмосферы", что является необходимым условием при исследовании нестационарных, неизотропных сред. Кроме того, эта схема позволяет значительно уменьшить габариты прибора. Рассмотрены два варианта выполнения оптической схемы индикатрисометра.

2. На базе анализа уравнений рассеяния показано, что в интерферометрических счетчиках частиц с независимым определением размеров частиц, соотношение амплитуд сигнала на различных длинах волн несет информацию о комплексном показателе преломления частицы. Предложена оптическая схема построения интерферометрического счетчика частиц и блок-схема блока электронной обработки сигналов для получения информации о комплексном показателе преломления частицы.

3. На основе проведенного анализа было показано, что узкие лепестки индикатрисы рассеяния несут информацию о форме частиц. В результате чего предложена оптическая схема построения интерферометрического счетчика частиц и блок-схема блока электронной обработки сигналов для получения информации о форме частицы.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ представленной работ! заключается в том, что:

1. На базе решения уравнений элекгродинамик определены свойства индикатрис рассеяния в зависимости о показателя преломления, формы и структуры часицы.

2. Впервые предложены две принципиально новы схемы построения измерителей индикатрис рассеяния позволяющих существенно повысить скорость измерена индикатрисы рассеяния, и тем самым выполнить услови< "замороженности атмосферы".

3. Впервые предложены две новых схемы построена интерференционных счетчиков частиц, отличающиеся тем, что 1 них независимо измеряются размеры частицы. Кроме того, п< интегральной характеристике рассеяния на различных длина: волн определяется усреднненный показатель преломлена частицы, а по узкополосным пикам индикатрисы рассеяния н; различных длинах волн можно судить о форме частицы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1.Две принципиально новые схемы измерителей индикатрис рассеяния с улучшенными метрологическими характеристиками, позволяющими осуществлять исследования нестационарных аэрозольных образований при выполнении условия "замороженности атмосферы".

2. Возможность использования структуры индикатрис рассеяния -на различных длинах волн одиночной частицы для независимого определения показателя преломления и формы частицы.

3. Две новые оптические схемы построения счетчиков частиц, в которых на базе интегрального измерения рассеяния в широких апертурных углах на различных длинах волн независимо определяется усредненный показатель преломления, а по узкополосным пикам индикатрисы рассеяния отдельной частицы можно судить об их форме.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты данной диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (Обнинск-Барнаул, 1988);

Международная научно-техническая конференция "Авионика" ( Киев, 1995 );

Международный конгресс "Развитие мониторинга и оздоровление окружающей среды" ( Казань, 1994 );

Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1996 г.)

Межреспубликанский симпозиум по

распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 1997).

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации отражено в 17 публикациях и одном авторском свидетельстве.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Основной

объем работы составляет 154 страницы, включая 8 таблиц, 15 рисунков и список литературы из 119 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВО ВВЕДЕНИИ дано обоснование актуальности проблемы исследования. Приведено краткое содержание работы по главам.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ описаны основные характеристики, описывающие атмосферный аэрозоль. Показано, что этими характеристиками являются: комплексный показатель преломления и распределение частиц по размерам. Комплексный показатель преломления аэрозольной частицы:

п ( к) = т (% ) - ] ф ( X.) определяется химическим составом вещества частицы и имеет сложную зависимость от длины волны в пределах оптического диапазона длин волн. Приведены выражения для основных видов распределения, используемых для описания аэрозоля. Проведен краткий обзор и анализ существующих методов измерения параметров атмосферного аэрозоля. На базе проведенного анализа составлена таблица, содержащая основные методы исследования атмосферного аэрозоля и критерии оценок, соответствующие данным методам. Рассмотрены зависимости между динамическим диапазоном, точностью измерений, информационной емкостью и разрешающей способностью различных типов систем. На базе проведенного анализа показана необходимость создания измерителя индикатрис рассеяния, обладающего более высоким быстродействием и более высокой точностью измерения индикатрис рассеяния нестационарных

неизотропных образований в реальной атмосфере. В конце первой главы сформулированы цель и задачи исследований, приведены основные положения работы, выносимые на защиту.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ проанализированы известные схемы построения индикатрисометров и основные источники ошибок, присущие измерению индикатрис рассеяния. На основе проведенного анализа все достоинства и недостатки существующих методов обобщены в таблицу. Показано, что общая погрешность измерения индикатрисы рассеяния известными методами равна как минимум 15,2%.

Представлены результаты расчета индикатрисы рассеяния асферических частиц методами электродинамики. В результате проведенных вычислений было получено следующее выражение для определения индикатрисы рассеяния:

Ер = I СО Цев (г) 2 л (А - го) (А го )

Анализ индикатрис рассеяния на основе законов электродинамики показал, что измерение интенсивности света на разных длинах волн, под несколькими углами рассеяния позволяет получить информацию как о форме частицы, так и о ее внутреннем строении.

Приведены основные математические выражения для вычисления индикатрисы рассеяния.

Показано, что все существующие схемы построения индикатрисометров обладают маленьким быстродействие, что исключает возможность их использования при исследовании нестационарных сред, так как в данном случае не выполняется

условие замороженности атмосферы. Индикатрисомегр, выполненный по наиболее совершенной схеме позволяет обеспечить общую погрешность измерений не менее 13%. Время измерения одной индикатрисы рассеяния таким способом определится: ^ = N /

где N - число направлений облучения исследуемой среды,

f - частота излучения импульсного излучателя. Предложена принципиально новая оптическая схема построения измерителя индикатрис рассеяния, позволяющая существенно снизить время измерения одной индикатрисы рассеяния за счет того, что измерение индикатрисы рассеяния в этом случае измеритель индикатрис рассеяния с такой системой разделения луча позволяет проводить измерения индикатрисы рассеяния не за время излучения N импульсов, как это было необходимо при использовании указанных выше схем, а за время:

Ь = 2 Ти + ( N -1 ) Ь где {з - время задержки между импульсами, в течение которого отраженные от всех N светоделителей части импульса излучения.

Следовательно, время измерения одной индикатрисы рассеяния, при использовании нашей схемы, уменьшается в Ь / Ь раз. Это позволяет проводить измерения индикатрис рассеяния быстропротекающих процессов, проведение которых имевшимися ранее методами и устройствами было невозможно.

Кроме того, предложена схема построения такого измерителя индикатрис рассеяния с линиями задержки, выполненными с помощью световолокон. Это позволяет значительно уменьшить габариты прибора, что делает

возможным его использование в полевых условиях и на подвижных объектах.

Измеритель индикатрис рассеяния, выполненный по предложенной оптической схеме имеет характеристики:

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ рассмотрены основные принципы построения оптических схем счетных объемов ФЭС и источники ошибок, присущие каждой из них.

В работе был проведен комплексный анализ источников ошибок, присущих различным схемам построения ФЭС.В этой работе были выделены основные источники ошибок, оценены предельные характеристики по размерам измеряемых частиц и счетных концентраций, а также дан сопоставительный анализ точностных характеристик.

Интерферометрический метод отличается независимостью получаемых результатов от природы исследуемых частиц. Но он имеет ограничения, связанные с дифракцией в счетном объеме и достаточно узким интервалом размеров измеряемых частиц. К тому же источники ошибок, присущие этому методу, исследованы намного меньше, чем ошибки амплитудного метода измерений. В последнее время появилось большое количество счетчиков

Число углов визирования.....

Рабочие длины волн ( мкм ). . . .

Динамический диапазон.......

Общая погрешность измерений Число точек усреднения......

...........8

. .. 1,06 и 0,53

..........10"

не более 10 % ..........103

частиц, в которых в счетном объеме сформированы различные системы полос.

В настоящее время идет постоянный поиск новых принципов построения оптических счетчиков аэрозольных частиц, в которых информация о размере частиц извлекалась бы за счет измерения других параметров рассеянного света. К ним относятся:

- интерферометрические счетчики;

- методы черно - белых полос;

-цветных полос света-тени различной ширины.

Интерферометрические счетчики частиц основаны на регистрации рассеянного света от частицы, пролетевшей периодически неоднородно освещенный счетный объем. При этом, рассеянный свет, являясь промоделированным по интенсивности, позволяет судить о размере пролетевшей частицы. В таких счетчиках аэрозольных частиц используются интерферометрические методы выделения счетного объема.

. Таким образом, основными недостатками интерферометрического метода являются: ограничение дифракцией нижнего предела размеров измеряемых частиц; сравнительно узкий диапазон измеряемых размеров ( размер частиц приблизительно равен периоду сформированной в счетном объеме решетки ) и неоднозначность зависимости глубины модуляции сигнала от размера частицы.

Для расширения возможностей интерферометрических методов было предложено формировать в счетном объеме моноцветные полосы света-тени или цветные полосы различной ширины, или создавать ФЭС, в которых размер частицы

определяется по форме сигнала, полученного на выходе фотоэлемента при пролете частицы через счетный объем.

Проведенный анализ источников ошибок, присущих предложенному методу измерения размеров частиц, и оценки их величин позволяет сделать выводы:

1. Ошибку, вызванную пролетом частицы через счетный объем под углом к полосатой структуре, можно не учитывать, так как она меньше 10% для всех размеров частиц при с) < 0,98 1_.

2. В результаты измерений не вносит ошибок искривление полос в счетном объеме порядка 0,5%. А искривление (3 порядка 1% приводит к ошибке менее 10% для всех частиц с с! < 0,92 1_.

3. Определены ошибки, связанные с неточностью юстировки оптической системы. Современные технологии обеспечивают требования к юстировке, позволяющие сделать эти ошибки менее 10%.

4. Ошибка, вызванная немонохроматичностью источников излучения АХ, всегда меньше 10%, при выполнении условия ДА. / А <0,1. Это дает возможность использовать в качестве источников излучения не только лазеры.

5. Данный принцип построения счетного объема позволяет снизить его линейные размеры до Дх « Дг « 51_ и 50 мкм и, следовательно, измерять концентрации частиц до 5 10® см'3.

В этой главе рассматриваются две схемы интерферометрических счетчиков частиц на разноцветных полосах, свободных от многих недостатков, присущих описанным ранее схемам построения ФЭС. Эти схемы дают возможность производить независимые измерения размеров частиц,

комплексного показателя преломления и получать дополнительные данные о форме частицы. Это достигается путем введения в описанную выше схему счетчика частиц измерительного канала, интегрирующего рассеянное излучение в большом телесном угле. Поскольку интегральное рассеяние определяется отношением размеров частицы к длине волны и комплексным показателем преломления, то это позволяет исключить влияние узких пиков индикатрисы рассеяния на соотношение сигналов на различных длинах волн. И тем самым, это отношение, при известных значениях размера частицы позволяет определить интегральный показатель преломления частицы. Таким образом, отношение интенсивностей сигналов на различных длинах волн будет зависеть только от двух параметров: размера частицы и комплексного показателя преломления. И практически не будет зависеть от формы частицы. Так как размеры частицы нам известны из независимых измерений, то, измеряя соотношение амплитуд на различных длинах волн, мы можем определить комплексный показатель преломления.

Из решения уравнений электродинамики следует, что если регистрировать рассеянные сигналы в узких телесных углах, то появляется дополнительная возможность судить о форме исследуемой частицы. Для решения этой задачи в предложенную схему были введены две группы фотоприемников, собирающих рассеянное излучение в узком телесном угле. Причем, каждый фотоприемник принимает рассеянное излучение только на одной длине волны. Таким образом, при' введении в схему этих

фотоприемников решается задача определения формы исследуемой частицы.

В работе даны конкретные технические рекомендации по выбору оптической и электронной части таких счетчиков, позволяющие снизить влияние источников ошибок до величины, не превышающей 10%.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ РАБОТЫ сформулированы основные результаты работы:

1. Проанализированы основные источники ошибок при измерении индикатрис рассеяния. Показано, что в основном, эти ошибки связаны с невыполнением условий: "замороженности атмосферы"; с различием потерь на трассах распространения света под различными углами; с точностью определения коэффициента перекрытия трасс от излучателя до фотоэлемента приемника.

2. Предложена схема индикатрисометра с делением импульса излучения и направлением отдельных его частей с регулируемой задержкой во времени под разными углами, что позволило значительно снизить время измерения индикатрисы рассеяния. Предложена схема разделения импульса и одновременно его задержкой, при использовании в качестве линии задержки системы световолокон. Это позволило резко сократить габариты и стоимость прибора, и упростить его оптическую схему.

3. Для уменьшения динамического диапазона оптических сигналов, измеряемых индикатрисометром, целесообразно, используя априорные данные, выбирать коэффициенты деления

зондирующего сигнала обратнопропорциональными коэффициенту рассеяния в данном направлении.

4. Прибор, выполненной по предложенной схеме, был экспериментально реализован и использован в измерительном комплексе.

5. На основе анализа индикатрис рассеяния показано, что соотношение сигналов на различных длинах волн позволяет судить о комплексном показателе преломления частицы. В . результате чего предложено включить в схему интерферометра

на разноцветных эквидистантных полосах интегральный канал, собирающий рассеянное'излучение в широком апертурном угле и, включающий одновременно в себя измерение интенсивности сигнала на различных длинах волн. При этом соотношение сигналов на различных длинах волн позволяет выделить информацию о комплексном показателе преломления, при независимом определении размеров частицы по глубине модуляции интенсивности света на разных длинах волн.

6. Предложено ввести в схему интерферометра, кроме интегрального канала приема сигнала, узкоапертурные каналы для снятия индикатрисы рассеяния под определенными углами. Это позволяет, имея данные независимых измерений по размерам частицы и комплексному показателю преломления, судить о форме частицы.

7. Рассмотрено влияние динамического диапазона сигналов на точность измерения параметров частиц в ФЭС. Наличие сильной зависимости интенсивности сигнала от размеров частицы приводит к тому, что необходимо выбирать последовательность цветов в счетчике частиц на разноцветных

полосах в определенном порядке с тем, чтобы минимальный шаг световой интерференционной картины создавался на тех длинах волн, где имеются хорошие фотоприемники с большим динамическим диапазоном. Поэтому предложено в качестве базового цвета для наиболее частой решетки использовать синее излучение, которое позволяет использовать в качестве фотоприемников ФЭУ.

8. Проанализированы особенности построения электронных схем для выделения сигналов с выходов приемников на различных длинах волн для их последующей обработки. Рассмотрены вопросы выбора структурной схемы всего счетчика частиц в целом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Ильин Г.И., Польская П.Ю. Аэрозольный модуляционный индикатрисометр. Всесоюзное совещание по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (тезисы докл. ) Обнинск- Барнаул, 1988.

2. Ильин Г.И., Польская П.Ю. Аэрозольный модуляционный индикатрисометр. Всесоюзное совещание "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе". (тезисы докл.), Барнаул, 1988.

3. Ильин Г.И., Насыров А.Р., Польская П.Ю., Филиппов В.Л. "Измеритель индикатрис рассеяния". A.C. № 1474525 от 22.12.88 г.

4. Ильин Г.И., Польская П.Ю. Измеритель индикатрис рассеяния аэрозольных частиц. Всесоюзная школа "Лазеры и атмосфера", (тезисыдокл. )Обнинск, 1989.

5. Иванова П.Ю., Польский Ю.Е., Филиппова Н.В. Интерферометрический счетчик аэрозольных частиц на разноцветных полосах.//Оптический журнал, 1994, № 9.

6. Иванова П.Ю., Филиппова Н.В. Метрологические характеристики дисперсного анализа аэрозолей для экологического мониторинга. Междунар. Конгр. "Развитие мониторинга и оздоровления окружающей среды" ( тезисы докл.), Казань, 1994.

7. Иванова П.Ю., Польский Ю.Е. Аэрозольный спектрометр повышенной точности для обеспечения полетов и экологического мониторинга. Ill Международная научно -техническая конференция "Авионика". (тезисы докл. )Киев, 1995.

. 8. Иванова П.Ю., Польский Ю.Е. Повышение информативности измерений в интерферометрических счетчиках уастиц. Ill Межреспубликанский симпозиум " Оптика атмосферы и океана" ( тезисы докл.), Томск, 1996.

9. Ivanova P., Polskiy Ju. Aerosol spectrometer with high accuracy. High - power lasers Gas and Solid State lasers. France, Besanson, June 1996.

10. Даутов О.Ill, Иванова П.Ю., Польский Ю.Е. Индикатрисы рассеяния асферических частиц. Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (тезисы докл.), Томск, 1997.

11. Makarov A., Ivanova P., Polskiy Yu. Particle's counter with high measuring characteristics. European Symposium on Lasers and Optics in'Manufacturing. FR Germany, Munich, 1997.