Тема: ПРИМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА СВЕТА СРЕДНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА ДЛЯ МОНИТОРИНГА МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
1 Параметрические генераторы света ИК-диапазона, используемые в лидарных системах дистанционного мониторинга метана 11
1.1 Лидарное зондирование атмосферы 11
1.2 Лазерный дистанционный мониторинг СН4 18
1.3 Наземные системы лидарного мониторинга СН4 19
1.4 Самолетные системы лидарного мониторинга СН4 23
2 Поиск информативных длин волн (диапазонов) зондирования метана 33
2.1 Численное моделирование зондирования атмосферы излучением ПГС с шириной
линии 1 см-1 33
2.2 Численное моделирование зондирования атмосферы излучением ПГС с шириной
линии 3 см-1 38
3 Экспериментальные исследования зондирования атмосферы на приземных
горизонтальных трассах 44
3.1 Описание экспериментальной установки 44
3.2 Обработка и анализ полученных результатов 45
3.3 Перспективы разработки мобильной компактной самолетной ПГС-лидарной
системы ИК-диапазона для мониторинга метана 53
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 58
ПРИЛОЖЕНИЕ А 63
📖 Введение
Освоение данного диапазона, как наиболее перспективного для контроля практически всех газовых компонент атмосферы методом дифференциального поглощения, на сегодняшний день является актуальной задачей, так как спектры излучения существующих лазеров с приемлемыми для лидарных применений энергетическими параметрами перекрывают лишь некоторые участки указанного диапазона. Один из путей решения указанной проблемы - применение нелинейно-оптических кристаллов. Нелинейно¬оптические кристаллы активно используются для генерации лазерного излучения, получения гармоник различных порядков, оптического выпрямления, смешения частот и др. Лазерные системы на их основе отличаются высокой стабильностью характеристик излучения,
компактностью, возможностью быстрого изменения конфигурации лазера (вариативность компонентов) и, что чрезвычайно важно, наличием возможности настройки длины волны генерируемого излучения в широком спектральном диапазоне.
Необходимость дистанционного обнаружения и идентификации загрязняющих веществ в атмосфере стимулирует исследования энергетических и спектральных характеристик лидарных систем, позволяющих проводить перестройку частоты излучения в ИК-диапазоне с использованием параметрической генерации света (ПГС).
Успехи в исследованиях и производстве оптических кристаллов позволяют разрабатывать всё новые системы газоанализа, реализованные в работах [1-14] и патентах [15-18], и тем самым расширять возможности дистанционного контроля состояния окружающей среды.
В данной работе объектом исследований является атмосфера, в частности, метан, линии поглощения которого попадают в диапазон перестройки источника излучения от 3,30 до 3,50 мкм на основе ИК ПГС.
Целью магистерской диссертации является исследование возможностей использования ПГС-технологий среднего ИК-диапазона для мониторинга атмосферного метана. Предполагалось решение следующих задач:
- обзор литературы по параметрическим генераторам света ИК- диапазона, используемым в системах дистанционного мониторинга атмосферы;
- выбор оптимальных длин волн зондирования метана при использовании стационарной ПГС-системы с шириной линии лазерного излучения 1 см-1;
- выбор оптимальных длин волн зондирования метана при разработке компактной мобильной ПГС-системы с шириной линии лазерного излучения 3 см-1;
- обзор и рассмотрение конструкции стационарного параметрического генератора света среднего ИК-диапазона для мониторинга метана в приземном слое атмосферы, экспериментальные исследования, обработка результатов измерений;
- разработка оптической схемы измерений мобильной компактной ПГС-системы мониторинга метана в атмосфере.
Предметом исследований является ИК ПГС в составе лидарной системы для последующего определения концентрации метана из получаемых обратно-рассеянных сигналов при зондировании на приземных горизонтальных трассах.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Рассчитанные для 5 стандартных моделей атмосферы информативные длины волн (диапазоны) зондирования метана позволяют проводить дистанционный мониторинг с использованием ПГС-лидарной системы с шириной линии излучения 1 см-1, 3 см-1 на приземных горизонтальных трассах 1 км.
2. Экспериментальная апробация рассчитанных линий излучения ПГС-
лидарной системы для мониторинга метана с шириной линии 1 см-1 в условиях зимы средних широт показывает возможность получения лидарного отклика на атмосферных горизонтальных трассах > 1 км с использованием информативных длин волн зондирования.
Достоверность работы подтверждена результатами экспериментальных исследований возможностей мониторинга метана в атмосфере излучением ПГС с использованием отобранных в результате расчетов информативных длин волн зондирования.
Научная новизна
1. Проведен расчет информативных длин волн зондирования метана при использовании коммерчески реализуемых и используемых в стационарных и мобильных компактных лидарных системах ПГС- источников излучения с шириной линии излучения от 1 до 3 см-1.
2. Проведена настройка ПГС-лидарной системы на выбранные информативные длины волн зондирования метана при натурных атмосферных измерениях в условиях зимы средних широт.
Практическая значимость
Результаты работы могут найти применение при разработке лидарных технологий и технических средств экологического мониторинга, которые позволят оперативно и дистанционно получать информацию о концентрациях исследуемого газа в производственной зоне месторождений на горизонтальных приземных трассах, локальных техногенных газовых образованиях, шлейфах индустриальных выбросов, идентифицировать присутствие в них повышенного содержания исследуемого газа. Результаты исследований могут быть использованы для: контроля загрязнения воздуха в производственной зоне месторождения; контроля выбросов в нефтегазовой и автомобильной промышленности, теплоэнергетике, на транспорте; проведения экологической экспертизы выбросов промышленных предприятий; мониторинга состояния окружающей среды в заболоченных районах региона с целью анализа циклов эмиссии парниковых газов.
Апробация работы.
По теме работы опубликована 1 статья в журнале «Atmosphere» (Web of Science, Scopus, РИНЦ, импакт фактор журнала 2,046):
Yakovlev S., Sadovnikov S., Kharchenko O., Kravtsova N. Remote Sensing of Atmospheric Methane with IR OPO Lidar System // Atmosphere. 2020. V. 11(1). 70. doi:10.3390/atmos11010070.
Результаты работы докладывались и обсуждались на XVI Международной школе-конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инноватика-2020» (23-25 апреля 2020 г.). Конференция проводилась в заочной форме, материалы доклада опубликованы в периодическом сборнике «Инноватика-2020» и размещены в научной электронной библиотеке eLibrary (РИНЦ).
Заявлено участие автора работы с докладами по теме работы в следующих конференциях, проводимых в 2020 г.:
- XXVI Международный Симпозиум “Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы” (по материалам доклада будет опубликована статья в сборнике Proceedings of SPIE (с индексацией в Web of Science, Scopus));
- XIV Международная Школа молодых учёных «ФИЗИКА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ» им. А.Г. Колесника (по материалам доклада будет опубликована статья в электронном сборнике трудов Школы (с индексацией в РИНЦ)).
Личный вклад автора
Все результаты, представленные в работе, получены при непосредственном участии автора. Поиск информативных длин волн зондирования метана проводился автором с участием научного консультанта.
Экспериментальные исследования проводились при участии автора совместно с сотрудниками ИОА СО РАН (к.ф.-м.н. Яковлевым С.В., к.ф.-м.н. Садовниковым С.А.). Анализ и обработка полученных результатов проводились автором.
✅ Заключение
Разрабатываемая лидарная система работает в средней ИК-области спектра близ самой сильной линии поглощения метана 3,3 мкм. На данный момент реализован макет стационарной ПГС-системы для мониторинга метана в приземном слое атмосферы и проведены первые экспериментальные исследования. По результатам численного моделирования и экспериментальных исследований поставлена задача разработки и создания мобильной компактной ПГС-системы для мониторинга метана.
Для исследования возможностей создания такой системы проведен расчет информативных длин волн зондирования метана для 5 стандартных моделей атмосферы (лето средних широт, зима средних широт, лето полярных широт, зима полярных широт, тропики), которые позволяют проводить дистанционный мониторинг с использованием ПГС-лидарной системы с шириной линии излучения 1 см-1, 3 см-1 на приземных горизонтальных трассах 1 км.
Проведены экспериментальные исследования на приземных горизонтальных трассах в условии зимы средних широт, на основании проведенных экспериментов получен лидарный отклик на информативных длинах волн зондирования метана на трассах 1 км и более.
Для одной пары информативных длин волн зондирования рассчитана концентрация метана, которая соответствует фоновому значению.
Выработаны требования для разработки компактной мобильной ПГС- системы для мониторинга метана.



