Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


ПРИМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА СВЕТА СРЕДНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА ДЛЯ МОНИТОРИНГА МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ

Работа №196336

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

физика

Объем работы83
Год сдачи2020
Стоимость4815 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
12
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


ВВЕДЕНИЕ 6
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


Современные источники лазерного излучения для решения атмосферных задач созданы на основе широкодиапазонных ИК молекулярных лазеров, а также параметрических преобразователей частоты на основе нелинейных кристаллов, позволяющих путем генерации обертонов, гармоник, суммарных и разностных частот излучения лазеров перекрыть спектральный диапазон от 2 до 18 мкм.
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.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

В работе рассмотрены основные особенности мониторинга газовых компонент атмосферы (в частности, метана) с использованием технологий параметрической генерации света. Приведен обзор основных наземных и самолетных систем мониторинга метана в ближнем и среднем ИК- диапазонах спектра. Анализ обзора существующих систем показывает, что наиболее распространенными системами мониторинга метана, являются системы, использующие технологию параметрической генерации света и работающие в ближней ИК-области спектра, близ одной из сильных линий поглощения метана 1,65 мкм. Причем анализ общего содержания метана ведется в основном по IPDA-методике (т.е. определяется общее усредненное содержание метана по всей трассе зондирования). Выбор данной длины волны разработчиками, обусловлен более простым техническим решением реализации системы мониторинга (широкий выбор приемных фотодетекторов, легко реализуемая настройка на исследуемую длину волны). В ИОА СО РАН ведутся работы по разработке лидарной системы, осуществляющей зондирование по DIAL-методике (т.е. концентрация метана определяется на некотором участке трассы с заданным пространственным разрешением), что дает возможность более точного определения концентрации метана на исследуемых трассах зондирования.
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.



1. Mitev V., Babichenko S., Bennes J., et al. Mid-IR DIAL for high-resolution mapping of explosive precursors // Proceedings of SPIE. 2013. V. 8894. P. 88940S.
2. Cadiou E., Mammez D, Dherbecourt J.-B., et al. Atmospheric boundary layer CO2 remote sensing with a direct detection LIDAR instrument based on a widely tunable optical parametric source // Optics Letters. 2017.V. 42. № 5, P. 4044¬4047.
3. Shibata Y., Nagasawa C., Abo M. Development of 1.6 pm DIAL using an OPG/OPA transmitter for measuring atmospheric CO2 concentration profiles // Applied Optics. 2017. V. 56. № 4. P. 1194-1201.
4. Barrientos-Barria J., Dherbecourt J., Raybaut M., et al. 3.3-3.7 pm Nested Cavity OPO pumped by an amplified micro-laser for portable DIAL // 2013 Conference on Lasers and Electro-Optics-International Quantum Electronics Conference, (Optical Society of America, 2013), paper CD_5_4. (https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?URI=CLEO_Europe-2013-CD_5_4)
5. Mammez D., Cadiou E., Dherbecourt J.-P., et al. Multispecies transmitter for DIAL sensing of atmospheric water vapour, methane and carbon dioxide in the 2 pm region // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9645. P. 964507-964507-9.
6. Ayrapetyan V.S. Measurement of absorption spectra for atmospheric methane by a lidar system with tunable emission wavelength in the range 1.41-4.24 pm // Journal of Applied Spectroscopy. 2009. V. 76. № 2. P. 268-272.
7. Ayrapetyan V.S., Fomin P.A. Laser detection of explosives based on differential absorption and scattering // Optics and Laser Technology. 2018. V. 106. P. 202- 208.
8. Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Kharchenko O.V., Yakovlev S.V. Broadband IR lidar for gas analysis of the atmosphere // Journal of Applied Spectroscopy. 2018. V. 85. № 3. P. 457- 461.
9. Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Kharchenko O.V., Yakovlev S.V. Near/mid-IR OPO lidar system for gas analysis of the atmosphere: simulation and measurement results // Optical Memory & Neural Networks (Information Optics). 2019. V. 28. № 1. P. 1-10.
10. Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Kharchenko O.V., Yakovlev S.V. Development of Near/Mid IR differential absorption OPO lidar system for sensing of atmospheric gases // Optics and Laser Technology. 2019. V. 116. P. 43-47.
11. Veerabuthiran S., Razdan A.K., Jindal, M.K., Sharma R.K., Sagar V. Development of 3.0-3.45 nm OPO laser based range resolved and hard-target differential absorption lidar for sensing of atmospheric methane // Optics & Laser Technology. 2015. V. 73. P. 1-5.
12. Mammez D., Cadiou E., Dherbecourt J.-P., et al. Multispecies transmitter for DIAL sensing of atmospheric water vapour, methane and carbon dioxide in the 2 pm region // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9645. P. 964507964507-9.
13. Robinson I., Jack J.W., Rae C.F., Moncrieff J.B. Development of a laser for differential absorption lidar measurement of atmospheric carbon dioxide // Proceedings of SPIE. 2014. V. 9246. P. 92460U-92460U-6.
14. Dawsey M., Numata K., Wu S., Riris H. Optical parametric technology for methane measurements // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9612. P. 961205.
15. Foltynowicz, R. High-energy, broadband, rapid tuning frequency converter. US patent 8837538. 2014.
16. Lippert, J. L.; Stearns, S.V.; Brake, D.E.; Fisher, C.M. Gas flux determination using airborne DIAL LIDAR and airborne wind measurement. US patent 8121798. 2012.
17. Liu, J. Method and apparatus for wavelength locking free optical frequency comb based differential absorption Lidar. US patent 8541744. 2013.
18. DeAntonio, M.; Motto, R. Variable-wavelength lidar system. US patent application 14/101,143. 2013.
19. Vasil'ev B.I., Mannoun U.M. IR differential-absorption lidars for ecological monitoring of the environment // Quant. Electr. 2006. V. 36. № 9. P. 801-820.
20. Collis R.T.H., Russell P.B. Lidar Measurement of Particles and Gases by Elastic Backscattering and Differential Absorption // In: Laser Monitoring of the Atmosphere, Ed. E.D., Hinkley, Springer: New York. 1976. P. 91-180.
21. Бобровников С.М., Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Сериков И.Б., Суханов А.Я. Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы // Томск. Изд-во ИОА СО РАН. 2014. 510 с. ISBN 978-5-94458-148-8.
22. Балин Ю.С., Боровой А.Г., Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Клемашева М.Г. «Лидарный мониторинг облачных и аэрозольных полей, малых газовых составляющих и метеопараметров атмосферы» (под редакцией Матвиенко Г.Г.) // Томск. Изд-во ИОА СО РАН. 2015. 450 с. ISBN 978-5-94458-156-3.
23. Wojcik М., Crowther В., Lemon R., Development of differential absorption lidar (DIAL) for detection of CO2, CH4 and PM in Alberta // Procceding. of SPIE. 2015. V. 9486 P. 94860K.
24. Rolf C. Lidar observations of natural and volcanic-ash-induced cirrus clouds. Forschungszentrum Julich, 2012. vol. 163.
25. Bobrovnikov S. M., Matvienko G. G., Romanovskii O. A., et al. Lidarniy spektroskopicheskii gazoanaliz atmosfery (Spectroscopic Lidar gas analysis of atmosphere), Tomsk. Publishing house of the IAO SB RAS, 2014.
26. Saunois M. et al. The global methane budget 2000-2012 // Earth Syst. Sci. Data/ 2016. V. 8. № 2. P. 697-751.
27. Dlugokencky E Trends in atmospheric methane // https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends_ch4/ (4 May 2017).
28. WMO, The State of Greenhouse Gases in the Atmosphere Based on Global Observations through 2013. Greenhouse Gas Bulletin No. 10. (WMO 2014).
29. Yerasi A., Tandy W.D., Emery W.J., Barton-Grimley R.A. Comparing the theoretical performances of 1.65- and 3.3-pm differential absorption lidar systems used for airborne remote sensing of natural gas leaks // J. Appl. Remote Sens. 2018. V. 12. № 2. P. 026030.
30. Bartholomew J. et al. Wide area methane emissions mapping with airborne IPDA lidar // Procceedings of SPIE. 2017. V. 10406. P. 1040607.
31. Frish M. B. et al. Low-cost lightweight airborne laser-based sensors for pipeline leak detection and reporting // Proceedings of SPIE. 2013. V. 8726. P. 87260C.
32. Horn B. ALMA provides smarter gas pipeline aerial survey // Pipeline Gas J. 2014. V. 241. № 9. P 96.
33. Amediek A., Ehret G., Fix A., Wirth M., Budenbender C., Quatrevalet M., Kiemle C., Gerbig C. CHARM-F—a new airborne integrated-path differential-absorption lidar for carbon dioxide and methane observations: measurement performance and quantification of strong point source emissions // Applied Optics. 2017. V. 56. № 18. P. 5182-5197.
34. Degtiarev E.V., Geiger A.R., and Richmond R.D. Compact mid-infrared DIAL lidar for ground-based and airborne pipeline monitoring // Procceedings of SPIE. 2003. V. 4882. P. 432-442.
35. Murdock D. G. et al. Applications of real-world gas detection: Airborne Natural Gas Emission Lidar (ANGEL) system // J. Appl. Remote Sens. 2008. V.2. № 1. P. 023518.
36. Fix A. et al. CHARM—a helicopter-borne lidar system for pipeline monitoring // in 22nd Int. Laser Radar Conf. ESA. 2004. P 45-48.
37. Barrientos-Barria J., Dobroc A. Alexandre, Coudert-Alteirac H., et al. 3.3-3.7
pm OPO/OPA optical source for multi-species 200 m range integrated path differential absorption lidar // Applications of lasers for sensing and free space communications, Opt. Soc Am. (2013) P. LTh1B. 4.
https://doi.org/10.1364/LSC.2013.LTh1B.4
38. Mid-infrared light hydrocarbon dial lidar: Patent number 5250810. USA, G 01 N 21/35. Geiger A. R.; Filed 23.04.1992; Publication Date 05.10.1993.
39. Multi-sensors and differential absorption LIDAR data fusion: Patent number 7411196. USA, G 01 S 17/02. Kalayeh H. M.; Filed 18.07.2006; Publication Date 22.02.2007.
40. Method and apparatus for wavelength locking free optical frequency comb based differential absorption Lidar : Patent number 8541744. USA, G 01 S 17/10. Liu J.; Filed 09.03.2013; Publication Date 24.09.2013.
41. High-energy, broadband, rapid tuning frequency converter : Patent number 8837538. USA, H 01 S 3/0092. Foltynowicz R. Filed 26.09.2012; Publication Date 31.01.2013.
42. Riris H., Numata K., Li S., Wu S., Ramanathan A., Dawsey M., Mao J., Kawa R., Abshire J.B. Airborne measurements of atmospheric methane column abundance using a pulsed integrated-path differential absorption lidar // Applied optics. 2012. V. 51. № 34. P. 8296-8305.
43. Riris H., Numata K., Wu S., Gonzalez B., Rodriguez M., Scott S., Kawa S., Mao J. Methane optical density measurements with an integrated path differential absorption lidar from an airborne platform // J. Appl. Remote Sens. 2017. V. 11. № 3. P. 034001.
44. Fix A., Amediek A., Budenbender C., et al. Development and First Results of a new Near-IR Airborne Greenhouse Gas Lidar // Advanced Solid State Lasers Conference. OSA 2015. ATh1A.2.pdf. https://doi.org/10.1364/EE.2015.EM3A.3.
45. Fix A., Amediek A., Bovensmann H., et al. CoMet: An airborne mission to simultaneously measure CO2 and CH4 using lidar, passive remote sensing, and in¬situ techniques // EPJ Web of Conferences. 2018. 176. 02003. https://doi.org/10.1051/epjconf/201817602003.
46. Yakovlev S., Sadovnikov S., Kharchenko O., Kravtsova N. Remote Sensing of Atmospheric Methane with IR OPO Lidar System // Atmosphere. 2020. V. 11. № 70. doi:10.3390/atmos11010070.
47. URL: http://lop.iao.ru/EN/tor/gas/(дата обращения: 15.02.20)
48. Давыдов Д.К., Белан Б.Д., Антохин П.Н., Антохина О.Ю., Антонович В.В., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю. Мониторинг атмосферных параметров: 25 лет TOR-станции ИОА СО РАН // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т.
31. № 10. С. 845-853.

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.