Программный комплекс «LIDAS» для поиска информационных длин волн и численного моделирования лазерного газоанализа методом дифференциально

Министерство  образования и науки РФ

Томский государственный университет

Факультет инновационных технологий

Кафедры управления инновациями

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС «LIDAS»

ДЛЯ ПОИСКА ИНФОРМАЦИОННЫХ ДЛИН ВОЛН И ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ГАЗОАНАЛИЗА МЕТОДОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

 

 

 

 

 

 

Руководитель

Зав. НОЦ  ИОА СО РАН, к.ф.-м.н.

_____________ О. А. Романовский

подпись

«_______» _______________2012г.

Студент группы № 18903

________________ Е. А. Денисова

подпись

 

 

 

 

 

Томск 2012

СОДЕРЖАНИЕ:

 

Введение……………………………………………………………………………………..…..3

1. Методика  дифференциального поглощения………………………………………………..5

2. Методика  поиска информативных длин волн  лидарного зондирования МГС…………...9

2.1. Линии поглощения………………………………………………………………….9

2.2. Критерии  выбора линий поглощения, информативных   для зондирования…..10

2.3. Общая схема  работы автоматизированной системы  поиска……………………10

3. Обзор программ, испольлзуемых для поиска информативных                                                      длин волн зондирования …………………....................................................................13

4. Программный комплекс «LIDAS»………………………………………………………….14

            4.1. Описание алгоритмов программы ………………………………………………..14

4.1.1. Описание алгоритма работы  лидара…………………………………....14

4.1.2. Алгоритм формирования массивов  данных……………………………15

4.1.3. Алгоритм расчета характеристик………………………………...…….15

4.1.4. Алгоритм поиска газов…………………………………………………..16

4.2. Описание реализации программы………………………………………………...17

4.2.1 Выбор средств реализации……………………………………………….17

4.3. Реализация структур данных……………………………………………………...18

4.3.1. Реализация интерфейса…………………………………………………..18

4.3.2. Реализация таблиц и графиков………………………………………….18

4.3.3. Реализация выбора характеристик……………………………………...18

4.4. Общие сведения …………………………………………………………….……..19

4.5. Работа с программой………………………………………………………………20

5. Результаты численного моделирования……………………………………………………24

Заключение……………………………………………………………………………………..26

Список литературы…………………………………………………………………………….27

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Деятельность  человека во все времена его существования  всегда была связана с проблемами загрязнения окружающей среды. Одним  из основных и наиболее опасных видов загрязнения является загрязнение воздуха атмосферы. В связи с этим все более актуальной становится проблема контроля концентраций загрязняющих атмосферу газовых примесей, которую можно решить при дистанционном лазерном зондировании атмосферы, позволяющим получать оперативную широкомасштабную информацию.

Среди методов лазерного контроля газовых компонент атмосферы  наибольшее распространение получил  метод дифференциального поглощения (МДП). Этот метод базируется на рассмотрении двух длин волн, одна из которых попадает в максимум полосы поглощения исследуемых молекул, а вторая – вне этой полосы, причем информация о распределении концентрации этих молекул в атмосфере извлекается из сравнения регистрируемых лидарных сигналов на этих двух длинах волн в достаточно узком спектральном интервале. В настоящее время с помощью МДП произведено измерение ряда газов, при этом используется для зондирования лазер на парах стронция, имеющего ряд линий генерации в ближней и средней ИК области спектра, обладающего высокой эффективностью и мощностью, работающего в области 1 - 6.5 мкм.

Представляется перспективным  использование СО лазера, спектральный диапазон, в котором расположены  линии генерации CO лазера ИК (длина  волны 4.7-8.2 мкм для основных колебательных  переходов и 2.5-4.2 мкм для обертонных переходов), которые являются наиболее информативными с точки зрения лазерного зондирования как малых газовых составляющих (МГС) атмосферы (H₂O, CO₂, CH₄, NO₂, N₂O и др.), так и газовых компонент, представляющих собой сильные загрязнители, токсины, взрывчатые или наркотические вещества.

В данный момент в Научно-образовательном  центре ИОА СО РАН ведётся создание программного обеспечения для лидара, работающего по методу дифференциального  поглощения.

Целью моей работы является изучение возможностей применения программного комплекса «LIDAS» для поиска информативных длин волн и численного моделирования лазерного газоанализа методом дифференциального поглощения.

 

 

Решаемые задачи:

• Изучение метода дифференциального поглощения;
• Ознакомление с методикой поиска информативных длин волн зондирования;
• Обзор программ, используемых для поиска информативных длин волн зондирования;
• Рассмотрения программного комплекса «LIDAS»;
• Анализ результатов численного моделирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. МЕТОД ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

 

Метод ДП впервые был предложен  и реализован на практике Счетлэндом в 1964г. для лазерного зондирования водяного пара атмосферы. Счетлэнд назвал этот метод методом «дифференциального поглощения рассеянной энергии» (DASE). Применяют также термины «лидар дифференциального поглощения» (DIAL), «дифференциальное поглощение и рассеяние» (DAS) или просто «метод дифференциального поглощения».

Дифференциальное  поглощение и рассеяние (ДПР) являются в настоящее время одними из наиболее отработанных методов дистанционного газоанализа. Он базируется на сравнении двух обратно рассеянных лазерных сигналов: одного – на частоте линии

поглощения интересующей молекулы, а другого – на крыле линии, что позволяет достигнуть высокой чувствительности при значительном пространственном разрешении.

В этом случае пространственное разрешение и сильные сигналы  на используемых частотах обуславливаются  большими сечениями рассеяний Ми, а отношение сигналов дает требуемую  оценку дифференциального поглощения.

Благодаря этому метод ДП обладает наилучшей чувствительностью при зондировании определенных молекулярных составляющих с больших расстояний.

* Лидарный метод дифференциального  поглощения      (Р_on, P_off – мощности отраженных сигналов на длинах волн λ_on и λ_off)

Лазерное зондирование профилей концентраций малых газовых  составляющих (МГС) атмосферы с использованием МДП основано на эффекте резонансного поглощения лазерного излучения в пределах селективной линии поглощения исследуемой газовой компоненты. Концентрация газовой составляющей  n(z) , усредненная по пространственному интервалу Dz, определяется в этом случае по известной формуле:

 

 

             ,                               (1)

где    и - значения коэффициентов поглощения вдоль трассы зондирования в точке   на частотах, расположенных внутри  n₁ и вне n₂ контура селективной линии поглощения исследуемой газовой компоненты, предварительно рассчитываемые с использованием высотных модельных профилей метеопараметров атмосферы; P(n₁ ,z),P(n₂ ,z), P(n₁ ,z+Dz) и P(n₂ ,z+Dz) -  значения лазерных эхо-сигналов на частотах зондирования  n₁ и n₂  из точек  z и z+Dz  по трассе зондирования, регистрируемые приемной системой лидара.

 

Лидарные сигналы  описываются с помощью известного уравнения лазерной локации, которое  в приближении  однократного рассеяния  можно представить в виде:

         (2)

где   c  -  пропускание приемной оптики лидара;  h - эффективность фотоприемника; P(n,z0) - мощность лазерного излучения, посылаемая из места расположения лидара z0;    c - скорость света; t - длительность импульса лазерного излучения; A - эффективная площадь приемной оптической системы;  и                           обьемные коэффициенты молекулярного и аэрозольного рассеяния лазерного излучения в направлении назад;  a(n,z) - профиль коэффициента ослабления лазерного излучения, который можно представить в виде суммы коэффициентов ослабления, обусловленных поглощением и рассеянием аэрозолями и молекулами атмосферных газов:

a(n,z) =  a_ma(n,z) +  a_ms(n,z) +  a_aa(n,z) +  a_as(n,z),             (3)

 

где a_ms(n,z) - профиль обьемного коэффициента ослабления лазерного излучения за счет молекулярного рассеяния; a_aa(n,z) и a_as(n,z) - профили коэффициентов ослабления, обусловленного поглощением и рассеянием атмосферными аэрозолями, соответственно; a_ma(n,z) – профиль обьемного коэффициента ослабления лазерного излучения за счет молекулярного поглощения, который можно описать как

a_ma(n,z) = n(z) · K(ν, z) ,                           (4)

 

где К(n,z) - профиль коэффициента поглощения зондирующего лазерного излучения молекулами исследуемого газа, который можно представить в следующем виде:

  K(n,z) = K₀(z) · j_n (b,w) ,                      (5)

   ,                                                                  (6)

где  S(z)  и g_D(z)  - интенсивность и доплеровская полуширина линии поглощения в точке z ;  j_n(b,w)  - форма спектрального контура линии поглощения, которая в общем случае для любых атмосферных высот может быть описана с использованием фойгтовского контура (интеграл Фойгта):

,                                                         (7)

     ,              ,                                        (8)

где  - лоренцевская полуширина линии поглощения вдоль трассы зондирования;  n₀  -  центр линии поглощения исследуемого газа.

Спектральные параметры  S(z), g_L(z)  и  g_D(z), зависят от температуры Т и давления Р атмосферы следующим образом [47,122 ]:

,                                                    (9)

   ,                                                              (10)

            ,                                                           (11)

где  S₀  и g₀  -  интенсивность и лоренцевская полуширина при температуре Т₀  и давлении Р₀ ;  h - постоянная Планка;  k  -  постоянная Больцмана;  m  -  масса молекулы атмосферного газа;  n  -  параметр, равный  n=1  -  для линейных молекул и  n=1.5  -  для нелинейных молекул;  E^”  -  энергия нижнего состояния поглощающего перехода. Показатель степени  q  в формуле (10) согласно газокинетической теории Лоренца равен 1/2.

Из выражения (5)...(11) следует, что ширина линии лазерного излучения равна нулю.

 На практике источники лазерного  излучения обладают конечной спектральной шириной лазерного излучения. В  этом случае высотные профили коэффициентов поглощения могут быть представлены в следующем виде:

 

       (12)

 

 

где K(n,z) - профили монохроматических коэффициентов поглощения;  I(n1,n) - спектральное распределение мощности зондирующего импульса лазерного излучения;

      -    квадрат пропускания, описываемый в случае учета молекулярного поглощения исследуемым газом как

       (13)

 

Выражение (2.13) – это запись известного зако́на Бугера — Ламберта — Бера, определяющего ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде:

       (14)

где I₀ — интенсивность входящего пучка,  l — толщина слоя вещества, через которое проходит свет, kλ — коэффициент поглощения.

Показатель поглощения характеризует  свойства вещест-ва и зависит  от длины волны λ поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. МЕТОДИКА ПОИСКА ИНФОРМАТИВНЫХ ДЛИН ВОЛН ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ МГС.

 

 

2.1. Линии поглощения

Наряду с линиями, которые полностью поглощаются на трассе, имеются линии, которые попадают в «микроокна» прозрачности атмосферы и могут быть использованы при дистанционном зондировании по МДП. Для работы по данному методу требуется наличие в узком спектральном интервале как достаточно мощной линии поглощения исследуемого газа l₁, так и окна прозрачности l₂, в котором зондируемая компонента атмосферы либо не поглощает лазерное излучение, либо поглощает достаточно слабо по сравнению с длиной волны l₁. Узость спектрального диапазона между двумя длинами волн зондирования обусловлена, прежде всего, влиянием на ослабление лазерного излучения аэрозолей атмосферы.