Нелинейная колебательно-вращательная спектроскопия неравновесных многокомпонентных газов и ее применение в диагностике атмосферы (1097760), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Методоснован на том, что именно избыток воды (а не небольшой прирост температуры) впродуктахсгоранияуглеводородноготопливачрезвычайноувеличиваетрадиояркостный контраст следа за самолетом. Преимущества такого метода –высокая чувствительность, простота, дешевизна, малые габариты аппаратуры.7H0 = 2 км20618H0 = 10 км16H0 = 0144∆TB , K∆TB , K5321210864H0 = 8 км120001002003004000f, ГГц100200300400f, ГГцРис. 11. Спектры радиояркостного контраста следа ∆TB для различных высот H0расположения радиометра над землей.
Дальность до следа L=3 км, зенитный уголлинии визирования θ =0. Параметры следа: прирост температуры по сравнению сокружающей атмосферой ∆T=10 К; ширина следа на линии визирования ∆L = 100 м;относительная влажность RH=100%; плотность водного аэрозоля ρW = 0,1 г/м3.Были определены спектральные интервалы для обнаружения следа вразличных условиях. Показано, что его радиотепловая визуализация вполневозможна. В то же время радиояркостный контраст самолетного следа наатмосферном фоне сильно зависит от выбора частоты радиометра и высоты егорасположения над землей Н0.
При малых высотах (Н0 ≤ 2 км) контраст максимален вмикроокнах прозрачности 160 и 230 ГГц, превышая в некоторых случаях 10 К, чтовполне достаточно для экспериментальной регистрации. Радиояркостный контрастпри наблюдении в окне прозрачности заметно зависит от дальности наблюдения L,ширины следа ∆L на линии визирования, зенитного угла.
Спектр радиояркостногоконтраста следа кардинально меняется, если радиометр поднимается над землей: сувеличением высоты некоторые вращательные линии Н2О "инвертируются", имаксимальный контраст достигается именно в их центрах, при этом сильно31возрастая по величине (см. Рис. 11). В таких условиях частоты центров линий Н2О183.31 ГГц, 325.15 ГГц, 380.20 ГГц и др.
могут быть рекомендованы длярадиометрического обнаружения самолетного следа.Для быстрых оценок контраста самолетного следа в различных условияхразработана простая аналитическая модель для ∆TB трехслойной кусочнооднородной среды с подсветкой. На ее основе предложен метод повышениячувствительности детектирования самолетного следа (метод дифференциальногоконтраста-"мерцающий"внешнийисточникподсветки).Разработаннаяаналитическая модель может быть использована для изучения влияния на ∆TВ помех(завес) перед следом и позади него, а также внешних источников радиоизлучения(Солнце, Луна, искусственные источники).В разделе 5.4 предлагается способ уменьшения континуального поглощенияводяного пара в миллиметровых и субмиллиметровых окнах прозрачности. Способоснован на "разогреве" вращательных степеней свободы (TR>T) основногоколебательного состояния (000) Н2О без изменения колебательной температуры,следствием чего будет являться смещение интенсивных линий вращательногоспектра Н2О в более высокочастотную область и соответствующее снижениепоглощения в миллиметровой и субмиллиметровой области.ЗаключительнаяГлавапосвященаVIлазерномугазоанализумногокомпонентных смесей в ИК диапазоне.
В разделе 6.1 описана компьютернаяпрограмма ANLINES (analytical lines), разработанная для выбора аналитическихлазерных частот, пригодных для спектроскопического анализа различных газовыхсмесей. Основные характеристики ANLINES следующие: 1) программа позволяетработать с монохроматическими частотами излучения различных спектральныхдиапазонов: лазера на CO2 в области 9-11 мкм (включая основную изотопнуюконфигурацию молекулы и три ее изотопные модификации), 12C16O лазера в областиосновных и обертонных переходов, H19F и D19F лазеров в области основныхпереходов, а также лазеров на N2O и NH3; 2) анализируемая смесь может бытьсформированаизлюбогоколичествагазов,имеющихспектрывысокогоразрешения, и веществ, имеющих спектры низкого разрешения. Настоящая версияпрограммы работает со спектрами высокого разрешения 35 газов, содержащихся вбазе данных HITRAN-96: H2O, CO2, O3, N2O, CO, CH4, O2, NO, SO2, NO2, NH3,HNO3, OH, HF, HCl, HBr, HI, ClO, OCS, H2CO, HOCl, N2, HCN, CH3Cl, H2O2, C2H2,C2H6, PH3, COF2, SF6, H2S, HCOOH, HO2, O, ClONO2, а также с 3 спектрами низкогоразрешения - бензола C6H6, толуола C7H8 и p- ксилола C8H10; 3) сечения и32коэффициенты поглощения могут рассчитываться для произвольных давлений итемператур смеси.
Дополнительно вычисляются атмосферные коэффициентыпоглощения в рамках высотно- сезонно- широтных моделей, учитываетсяконтинуальное поглощение H2O, N2 и O2; 4) выбор аналитических частотпроводится с использованием критерия превышения пороговой величины сеченияпоглощения данного газа и/или отсутствия превышения максимальной отстройкилазерной частоты от центра линии поглощения (для спектров с высокимразрешением); 5) рассчитываются количественные параметры, характеризующиечувствительность и селективность детектирования конкретного газа в смеси:минимальнообнаружимаяконцентрация,парциальнаячувствительностьипарциальная селективность, перекрестная чувствительность.Далее в разделах 6.1-6.2 программа ANLINES применяется для практическихрасчетов и сравнения диагностических параметров различных лазеров.
В частности,оцениваются и сравниваются возможности лазеров на CO2, CO, HF, DF, NH3, N2O вИК диагностике 38 компонентной смеси (35 газов HITRAN-96 + 3 летучихорганических соединения). Показано, что лазеры на молекулах NH3 и CO внастоящее время обладают наилучшими характеристиками в спектроскопическомдетектировании. Отметим, что импульсный электроионизационный CO лазергенерирует излучение сразу на фундаментальных (∆V=1, λ=4,9-7,5 мкм) и наобертонных (∆V=2, λ=2,5-4,2 мкм) переходах, что снижает его спектральнуюмощность. Однако с точки зрения газоанализа такая одновременная генерацияфундаментального и обертонного излучения одним лазером является скореепреимуществом, чем недостатком: в этом случае значительно расширяетсяспектральный диапазон, и диагностические возможности обертонного и 5 мкм COлазеров суммируются.
Такой "широкодиапазонный" лазер может иметь уникальныепреимущества перед всеми другими лазерами в спектроскопическом газоанализе.Анализутакихпреимуществпосвященраздел6.2,гдепроведеносравнительное исследование детектирования загрязняющих веществ в атмосфере ивыхлопах двигателей (CO, NO, SO2, NO2, NH3, HNO3, OH, H2CO, HCN, H2O2, H2S,HO2, C2H4, C2H2, C6H6, C7H8, p-C8H10, C3H4O и др.) с помощью СО, HF/DF и СО2лазеров. Выбраны оптимальные спектральные области для диагностики поглощения40 органических и неорганических атмосферных загрязняющих веществ, имеющихзаметное поглощение в области генерации обертонного СО лазера (2.5-4.2 мкм).Результаты исследования наглядно демонстрируют, что широкодиапазонный COлазер имеет значительные преимущества в количественном спектроскопическом33газоанализе многокомпонентных смесей в сравнении с традиционными CO2 иHF/DF лазерами.В разделе 6.3 рассматриваются вопросы, связанные с определениемконцентраций веществ с помощью перестраиваемого трассового лазерногогазоанализатора трехмикронного диапазона, работающего на основе генератораразностной частоты.
Цель состояла в совершенствовании характеристик этогоприбора, обладающего широкой областью плавной перестройки частоты (λ=2.5-4.5мкм), достаточной мощностью излучения и устойчивостью работы в полевыхусловиях. Недостатком его является относительно большая ширина спектральнойлинии излучения (~ 0.2-0.3 см-1) при неизвестной форме контура. В связи с этимнами был разработан метод прямого экспериментального определения формыконтура линии узкополосного немонохроматического излучения (включая ближниекрылья), основанный на измерении пропускания газовой среды контролируемогосостава при модуляции длины ячейки с газом либо давления [26]. Метод позволяетизбежать решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода и связанных сэтим проблем регуляризации. Для проведения измерений в диапазоне λ=2.5-4.5 мкмрекомендованы конкретные КВ переходы и оптимальные давления CO2, N2O и CH4.Предложена численная методика обработки результатов экспериментов полазерномуспектрамигазоанализупримногокомпонентныхиспользованиисмесейсперекрывающимисядифференциальногопоглощениянемонохроматического зондирующего излучения [6].
Численные эксперименты порешению прямой и обратной задач лазерного газоанализа трехкомпонентных смесейвыявили сильную чувствительность результатов газоанализа к ошибкам измеренийпропускания, причина которой заключается в перекрытия спектров веществ смеси.Также показано, что в ряде случаев определение концентраций газовыхсоставляющих смеси может из-за немонохроматичности зондирующего излучения(уже при γлаз ~ 0.1 см-1) оказаться неоднозначным.В разделе 6.4 рассматривается ИК диагностика газов самолетного следа.Проанализированы спектры поглощения химически активных газов: ОH, HO2, H2O2,NO, NO2, HNO3, SO, SO2, SO3, S2O, HSO в широком диапазоне длин волн. Точноеизмерение их концентраций важно с точки зрения прогнозирования ходахимических реакций в различных областях следа. Обнаружено, что многие полосыуказанных газов перекрываются между собой, с интенсивными полосами воды иуглекислого газа, а также с полосами других соединений выхлопа двигателя, чтозатрудняет их детектирование.
Для каждой конкретной полосы поглощения34определены такие мешающие газы. Выделены полосы рассмотренных соединений,которые попадают в окна прозрачности атмосферы. Для окислов серы это 500-600см-1 (SO2 , SO3), 1150-1200 см-1 (SO, SO2 , S2O), 2450-2800 см-1 (SO2 , SO3, HSO).Обнаружено, что наименьшее влияние мешающих газов для окислов серынаблюдается в области 2400-2700 см-1, в которой имеются многочисленные линиигенерации обертонного СО лазера.Далеевэтомразделесиспользованиемаппаратапредельныхинформационно-метрических шкал проведен количественный анализ возможностейлазернойтрассовойлазернойИКабсорбционнойспектроскопиипридетектировании малых газовых компонент самолетного следа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
