ЛИДАРНАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для дистанционного контроля загрязнения атмосферы над исследуемой областью пространства, обеспечивает непрерывный автоматизированный контроль уровней предельно-допустимых концентраций загрязняющих веществ над исследуемой областью пространства.
Известна лидарная система контроля загрязнения атмосферы (патент RU №2022251). Система содержит устройство для многокомпонентного анализа воздуха, построенное по схеме лидара дифференциального поглощения и включающее лазерный излучатель, оптическую приемную антенну, спектроанализатор, фотоприемное устройство.
Недостатком этой системы является низкое временное и пространственное разрешение, присущее всем лидарам дифференциального поглощения, и кроме того сложная оптическая схема системы.
В случае контроля качества атмосферного воздуха над промышленным предприятием использование такой системы не позволяет получить необходимое пространственное разрешение для контроля молекул предельных углеводородов над исследуемой областью пространства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является мобильный лидарный комплекс для дистанционного контроля состояния атмосферы (полезная модель RU №43657), взятым нами за прототип, который содержит твердотельный лазер, два TEA CО2 лазера, телескоп, двухкоординатный зеркальный сканер, оптические системы передачи излучения, приемную спектральную систему, систему синхронизации, блок сопряжении, вычислительно-управляющий комплекс. Данный мобильный комплекс предназначен для определения уровня загрязнения атмосферы большим количеством загрязняющих веществ, что является избыточными и нецелесообразным для решения локальных задач, а именно определения уровней предельно-допустимых концентраций молекул предельных углеводородов, характерных для промышленных объектов, ввиду сложности самого комплекса.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение арсенала средств для контроля качества атмосферного воздуха над промышленным предприятием.
Техническим результатом является упрощение конструкции лидарной системы контроля качества атмосферного воздуха за счет использования принципа комбинационного рассеяния света, что позволяет использовать только один лазер для определения степени загрязнения атмосферного воздуха молекулами предельных углеводородов в атмосфере над промышленной зоной.
Лидарная система контроля качества атмосферного воздуха построена на принципе комбинационного рассеяния света. Технический результат в предложенной лидарной системе достигается за счет платформы с установленными на ней твердотельным лазерным излучателем на алюмоиттриевом гранате с неодимом, работающий в режиме третьей гармоники на длине волны 355 нм, оптической системы передачи лазерного излучения, приемного телескопа, блока сбора информации и вычислительно-управляющего комплекса. Оптическая система передачи лазерного излучения дополнительно содержит преломляющую призму, направляющая лазерное излучение в исследуемую область пространства. Приемный телескоп выполнен в виде телескопа типа Ньютона со сферическим зеркалом и линзовым объективом, а блок сбора информации содержит интерференционный светофильтр для выделения участка спектра комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами с линиями молекул углеводородов, фотоэлектрический умножитель, масштабный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и плату сбора данных.
Так как над промышленным предприятием основными загрязняющими веществами являются молекулы предельных углеводородов, то нам нецелесообразно использовать сложное оборудование для многокомпонентного анализа воздушного пространства над исследуемой областью, а достаточно использовать простую в исполнении лидарную систему для определения степени загрязнения атмосферного воздуха только молекулами предельных углеводородов.
На фигуре 1 представлена оптическая схема лидарной система контроля качества атмосферного воздуха. Лидарная система включает в себя приемный телескоп типа Ньютона со сферическим зеркалом 1 диаметром 0,4 м, линзовый объектив 2, интерференционный светофильтр 3 с максимумом пропускания на длине волны комбинационного рассеяния света, фотоэлектрический умножитель 4, преломляющая лазерное излучение призма 5, 6 - твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом, 7 - контролируемая область пространства, 8 - вычислительно-управляющий комплекс, 9 - масштабный усилитель, 10 - аналого-цифровой преобразователь, 11 - плата сбора данных.
Принцип лазерного дистанционного зондирования методом комбинационного рассеяния света заключается в регистрации лазерного излучения, комбинационно рассеянного молекулами предельных углеводородов в направлении 180° с частотным сдвигом, характерным именно для этих молекул и определяемым их колебательными полосами.
Система работает следующим образом: импульс твердотельного лазерного излучателя 6 на алюмоиттриевом гранате с неодимом, работающий в режиме третьей гармоники на длине волны 355 нм, направляется в исследуемую область пространства 7 над промышленной зоной. Часть лазерного излучения используется для создания опорного сигнала, который задает начало отсчета времени, а его амплитуда - энергию лазерного импульса. Рассеянное назад излучение комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами собирается телескопом типа Ньютона 1, фокусируется через линзовый объектив 2, проходя сквозь интерференционный светофильтр 3 на фотокатод ФЭУ-79 4. Импульс напряжения с ФЭУ-79 подается на вход масштабного усилителя 9, затем при помощи аналого-цифрового преобразователя 10 через плату сбора данных 11, сигнал поступает на вычислительно-управляющий комплекс, где информация обрабатывается стандартным программным обеспечением и формируется сигнал для передачи его по каналам связи (Internet, wi-fi и т.д.).
Для сопоставления достоверности измерений в нашей ситуации, были рассчитаны и даны оценки мощности регистрируемого излучения комбинационного рассеяния света молекулами предельных углеводородов по лидарному уравнению для комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами.
a
L
Полученные результаты подтверждают, что для заданной концентрации N и энергии комбинационного рассеяния, равной энергии 10 фотонов, оптимальным вариантом для обнаружения предельных углеводородов на расстояниях до 6 км является длина волны лазерного излучения: λ=355 нм, которая позволяют использовать минимально возможное при энергии импульса лазера 1 мДж время измерения.
По всей трассе зондирования с увеличением расстояния от 0,01 до 2 км время измерения увеличивается примерно на 4 порядка. Если за установленное время с расстояния R=2,0 км, при заданном числе импульсов, посылаемых в атмосферу, ФЭУ регистрирует больше, чем 10 фотонов, мы можем сказать о превышении на этом расстоянии концентрации молекул над заданным уровнем. Кроме того, полученные значения времени измерения удовлетворяют требованию по быстродействию лидара.
Метод обеспечивает высокую точность измерений, в качестве источников загрязнений выступают молекулы предельных углеводородов.
Лидар в режиме секторного обзора, который обеспечивается за счет поворота платформы, устанавливают в промышленной зоне на доминирующее по высоте строение. Лидарная система контроля качества атмосферного воздуха предназначена для непрерывного контроля содержания газообразных предельных углеводородов в исследуемой области пространства. В случае обнаружения аварийного выброса или превышения уровня предельно-допустимых концентраций, в режиме реального времени происходит обработка результатов в вычислительно-управляющем комплексе и передача сигнала по каналам связи.