Диссертация (Методы обработки сигналов в лидарных системах при исследовании газодымовых выбросов в зонах кризисных и чрезвычайных ситуаций), страница 4

В основе МЛК тот же лазер, что и в стационарном лидаре. Для генерацииизлучения на второй длине волны использовано удвоение частоты (генерация 2гармоники). МЛК производил измерения как высотного профиля коэффициентаослабления аэрозоля, так и профиля на угловой трассе. Диапазон зондированиясоставил от 300 до 7500 м., погрешность измерений та же, что и у стационарного лидара.В США в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment)в 1994 году была создана первая в мире лидарная установка для изучения Землииз космоса [119].

С помощью этой установки изучались структура облаков, находящиеся в атмосфере аэрозоли, в том числе антропогенного происхождения,определялась высота приземного слоя атмосферы, измерялось горизонтальноераспределение температуры и плотности воздушных слоев на высотах от 25 до40 км.

Система имела традиционную конструкцию лидара прямого обнаружения: передающий лазерный блок, блок оптической юстировки и приемныйблок. Передатчиком служил Nd:YAG-лазер с накачкой лампой-вспышкой. Длярезервирования в передающем блоке были установлены два идентичных квантовых генератора, из которых в рабочем состоянии находится только один. Основные вычислительные операции производил быстродействующий сигнальный процессор.В Белоруссии в 1991 – 1995 г. было произведено комплексное экологическое обследование промышленного района с центром в г. Солигорск.

В данномпромышленном районе ведётся добыча калийных руд и производство калийныхудобрений. Так как промышленные предприятия района производили большоеколичество выбросов в атмосферу, в исследованиях применялись лидарныестанции. Алгоритм обработки данных был ориентрирован на определение массовой концентрации аэрозоля через измерение лидарными методами коэффи-17циента ослабления аэрозоля.

При этом переход от ослабления аэрозоля к егомассовой концентрации производился путём задания коэффициента перехода.Данный коэффициент находился путём калибровочных измерений, когда вблизи трассы измерений лидара ставился контактный датчик, измеряющий концентрацию аэрозоля. Полученные в ходе эксперимента значения концентрации аэрозоля для разных типов лазерных излучателей составили 0,68±0,62 мкг/м3,1,37 ± 0,5 мкг/м3 и 0,3 ± 0,2 мкг/м3, т. е. в отдельных случаях погрешность достигает 90% [33]. Другой опыт подобных измерений был реализован в Болгарии,измерялась массовая концентрация аэрозоля в Факелах от металлургического ицеллюлозно-бумажного заводов. Расчётные значения составляют 0,378 ± 0,26мкг/м3 [102].Начиная с 2000 г. в Европе, Азии и в СНГ начинают развиваться региональные лидарные сети, объединяющие в себе лидарные станции несколькихстран [77].В Европе в 2000 г.

начала функционировать лидарная сеть EARLINET(European Aerosol Research Lidar Network) [110]. На сегодняшний деньEARLINET включает в себя 27 лидарных станций, расположенных в странахЕС, одна из станций расположена в Белоруссии в г. Минске. Начиная с 2000 г.имеется большое множество публикаций результатов исследований по изучению атмосферы в Европе, полученных с помощью лидарных станцийEARLINET [84, 100, 116]. В частности, в 2010 и 2011 г.

были проведены измерения параметров вулканической пыли, образовавшейся при извержениях вулканов. Так, в период с 15 по 24 апреля 2010 г. проводились измерения параметров пылевых частиц, образовавшихся в результате извержения вулкана Эйяфьятльлайокудль в Исландии. В числе прочего измерялись коэффициенты ослабления и обратного рассеяния. Данные по этим измерениям приведены в [83,118]. По этим данным погрешность измерения коэффициента ослабления составляет в среднем 30%. 23 – 28 мая 2011 г.

производились исследования напредмет нахождения в воздухе вулканической пыли, образовавшейся в результате извержения другого исландского вулкана – Гримсвётн. Значительные слои18пыли и пепла были зафиксированы на высоте 2 – 3 км в Германии и в Голландии, менее значительное количество пыли – в Испании, Норвегии и Румынии.Лидарная сеть стран СНГ – CIS-LiNet начала формироваться в 2004 году.В настоящее время сеть включает в себя 7 станций, расположенных в России,Белоруссии и Кыргызстане [32]. Главную роль в становлении CIS-LiNet сыграли Институт физики НАН Беларуси и Институт оптики атмосферы СО РАН. Внастоящее время имеется множество работ по результатам исследований атмосферы с помощью лидаров [61, 20, 66].В России в области разработки аэрозольных лидаров для мониторингавоздушной среды при КС и ЧС, а также в экологически неблагоприятных районах наиболее значительных успехов достигли организации ОАО «Научнопроизводственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения»,ООО «Обнинская фотоника» и ООО НПП «Лазерные системы».ООО «Обнинская фотоника» разработало и произвело ряд аэрозольныхлидаров (МВЛ-60, ЛСА-2с) [75, 76], используемых для контроля аэрозольныхвыбросов промышленных предприятий (цементных, металлургических заводов), при взрыво-технических работах, а также для обнаружения пожаров, втом числе визуального.

Лидарные системы, разработанные и произведенныеООО «Обнинская фотоника», используются не только в России, но и в Испании, Португалии, Иране, Южной Корее, Китае и Киргизии. Лидар ЛСА-2с является двухволновым аэрозольным лидаром на основе Nd:YAG-лазера, используемым для определения концентрации аэрозоля в атмосфере, оценки размероваэрозольных частиц и проведения мониторинга аэрозольного загрязнения вэкологически неблагоприятных районах.Обработка лидарного сигнала относительно коэффициента ослабленияаэрозоля производится по методу Клетта [98, 99], при этом дополнительнойфильтрации на различных этапах обработки не производится. Погрешность определения коэффициента ослабления аэрозоля составляет 35% [113].191.3.

Лидары дифференциального поглощения для мониторинга газовыхсоставляющих атмосферыВ Германии одной из первых лидарных систем по мониторингу городской воздушной среды стала система в г. Лейпциге [92, 93]. Система используется для измерения концентрации таких компонентов, как O3, NO2, SO2. Система построена на основе лидара с перестраиваемым твердотельным титансапфировым (Ti:Sph) лазером, накачиваемым четырьмя лампами, с последующей генерацией 2-й и 3-й гармоник. Для увеличения отношения сигнал/шумприменяется усреднение по 1000 пар импульсов. Некоторые результаты измерений относительной концентрации NO2 приводятся в [92, 93] в виде кривыхвысотного профиля.

Анализ приведённых графиков показывает, что погрешность измерения NO2 составила 35%.Другой интересной разработкой в Германии является лидар для обсерватории горы Цугшпитце, разработанный Технологическим университетом Карлсруэ [115]. Лидар предназначен для изучения распределения высотного профиля концентрации водяного пара, для определения которой используется метод ДПР. Излучатель лидара состоит из Nd:YAG-лазера, используемого в качестве источника высокостабильного излучения, двух перестраиваемых источников излучения для получения необходимой длины волны и выходного оптического усилителя на основе Ti:Sph лазера.

Для получения достаточного для расчёта отношения сигнал/шум необходимо усреднение по числу пар импульсовлидарного сигнала на выходе ФП более чем 104. Усреднение производится аппаратно в цифровом сумматоре после АЦП. В программе обработки лидарногосигнала производится расчёт отношения сигнал/шум по высоте, затем участки снаихудшим отношением сигнал/шум отбрасываются. После этого производитсячисленный расчёт по методу ДПР с применением метода линейной регрессии.Подробное описание конструкции лазерной системы лидара, описание методоврасчёта и результаты измерений можно найти в [115].

Погрешность измерения20концентрации водяного пара составила 20% на высотах до 4 км, 50% на высотах более 5 км.В Китае Институтом физики атмосферы для мониторинга экологическойситуации был разработан четырехволновый стационарный лидарный комплекс.Комплекс основан на Nd:YAG-лазере с длиной волны 1064 нм и генерацей второй и третьей его гармоник (длины волн 532 и 355 нм). Излучение на каждойдлине волны используется для определения коэффициента ослабления аэрозоля, а пара длин волн 355/308 нм применяется также для определения концентрации озона методом ДПР. Результаты измерений приводятся в [120], погрешность приведённых результатов составляет примерно 40%.