Оптические методы контроля утечек газовых выбросов в задачах мониторинга атмосферы

оёстД

ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ УТЕЧЕК ГАЗОВЫХ

выбросов в задачах мониторинга атмосферы

В.Д. БУРКОВ, проф. каф. ИИС и ТПМГУЛ, д-р техн. наук,

Д.Г. ЩУКИН, асп. каф. ИИС и ТП МГУЛ,

И.М. СТЕПАНОВ, проф. каф. вычислительной техники МГУЛ, д-р техн. наук

С усилением антропогенного влияния на природу большую актуальность приобретает проблема мониторинга окружающей среды. Значительный интерес представляет контроль состояния атмосферы, поскольку через атмосферу происходит перенос основного количества загрязнений. В нашей стране в связи с износом основных фондов и использованием устаревшего оборудования на первый план выходит проблема контроля атмосферной обстановки в зонах кризисных ситуаций.

Традиционно мониторинг атмосферы выполняется с применением контактных и дистанционных методов. Контактные методы основаны на использовании широкого спектра химических, электрофизических, оптических и др. эффектов. Дистанционные методы - это, прежде всего, оптические методы, в частности методы лазерного зондирования (лидарные методы). Контактные методы вследствие более раннего возникновения получили набольшее распространение, однако эти методы не могут удовлетворять требованиям современных методов мониторинга атмосферы из-за невозможности получения общей картины атмосферных процессов с высоким пространственным и временным разрешением, а также сложностью проведения наблюдений на больших высотах.

Необходимость использования методов лазерного зондирования состоит в том, что они позволяют измерять метеопараметры атмосферы и содержание газовых компонент и аэрозольных частиц в атмосфере с высоким пространственным и временным разрешением, охватывая диапазон высот от приземного слоя до мезосферы. Главным преимуществом лидарных методов является возможность оперативного мониторинга атмосферы по широ-

burkov@mgul.ac.ru

кому спектру параметров с построением карт распределения измеряемых параметров. Важной особенностью лидарных методов является также то, что проведение лидарных измерений не требует установки дополнительного оборудования перед проведением сеанса измерений.

Перспективным методом лидарного контроля атмосферы является метод дифференциального поглощения. Этот метод позволяет определять концентрации молекулярных загрязнителей в атмосфере. Причем, проводя зондирование в видимом и УФ спектральном диапазоне, можно находить концентрации более десятка атмосферных примесей, а расширив диапазон в ИК область, применяя многочастотное зондирование, можно получать информацию о большом числе органических загрязнителей. Все это дает возможность контролировать атмосферную ситуацию и прогнозировать ее развитие в зоне чрезвычайных ситуаций (ЧС) на больших расстояниях от лидарного комплекса.

Следует отметить, что при достаточно высоком уровне разработки физических принципов, на которые опирается лидарный метод, остаются большие возможности для разработки новых методик и современной аппаратуры на базе новейших достижений техники с целью расширения возможностей лазерного мониторинга атмосферы. Кроме того, развитие современной техники, связанное с созданием нового класса перестраиваемых лазеров, совместно с развитием компьютерных систем и успехами в области обработки лидарного сигнала создало серьезные предпосылки к качественному изменению в области построения лазерных систем мониторинга и сделало возможным создание надежных систем определения параметров атмосферы.

14

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012

Важной задачей при создании лидар-ных систем является разработка лазеров, обеспечивающих большой диапазон перестройки, высокую стабильность параметров излучения и высокую надежность при длительной эксплуатации.

Одной из наиболее перспективных в данном направлении является использование новых малогабаритных полупроводниковых лазеров в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, обладающих узкой спектральной линией излучения. Появилась возможность создания высокоточных и малогабаритных оптических анализаторов примесных газов в спектральной области 1-20 мкм, где находятся линии поглощения таких газов, как метан, углекислый газ, окиси азота, аммиака, воды и т.д., имеющие ширину линии около 0,1 нм. Ширина линий излучения полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью (РОС-лазеры) составляет около 0,01 нм, что дает возможность точно определять форму линий примесных газов.

В последние годы осуществляются как лабораторные исследования, так и натурные измерения наличия примесных газов в атмосфере с помощью полупроводниковых лазеров [1]. В этих измерениях отражение происходит от природных объектов: земного покрова, леса, также от искусственных сред типа строения, дороги и т.д. Рассмотрим возможные варианты построения реального прибора с излучателем непрерывной мощности Р~10 мВт, которую обеспечивают серийные коммерческие лазеры ближнего ИК диапазона. Естественно, луч лазера должен быть сколлимирован передающей системой в узкий, слабо расходящийся пучок, который отражается от диффузных объектов с коэффициентом отражения от ~ 90 до ~ 5 % (белый снег, вспаханная земля). При таких коэффициентах отражения к приемному объективу в лучшем случае вернется от ~ 9-(d/R)2 мВт до ~ 0,5-(d/R)2 мВт лазерного излучения. Здесь d - диаметр приемного объектива, R - расстояние до отражающей поверхности. Принимая потери в оптике 50 %, получаем, что до чувствительной площадки фотодетектора дойдет

от 4,5-(d/R)2 до 0,25-(d/R)2 мВт лазерной мощности. В случае использования pin-диодов основными шумами приемного тракта являются тепловые шумы входного усилителя [5], определяемые формулой

i 2 = 4kTB/R ,

где ij - квадрат шумового тока на входной нагрузке Rвx усилителя;

k- постоянная Больцмана;

Т-температура;

В-полоса частот. Подставляя в (1) реальные значения Т = 300°К, Rex =1 кОм, В = 1Мгц получаем ij = 4 • 10-9 А. Полезный сигнал определяется чувствительностью фотодетектора и принимаемой мощностью оптического сигнала, то есть

i = SPc ,

где ic - ток полезного сигнала;

S ~ 0,5 А/Вт - чувствительность фотоприемника,

Рс - принимаемая мощность.

Учитывая, что Рс =Pm^(d/R) 2, получаем

i== SPm

где т = 0,25-4,5 - коэффициент передачи лазерного излучения;

Р = 10 мВт- мощность лазерного источника.

Считая, что пороговая чувствительность достигается при /'с//ш = 1, а d = 0,1 м, получаем, приравнивая (1) и (3), R = 50 м при m = 0,25 и R = 900 м при m = 4,5.

То есть максимальное расстояние, на котором уверенно может работать лазерный газоанализатор, не превышает 50 метров, при отражении от темной поверхности. На самом деле реально это расстояние может быть еще меньше, поскольку, во-первых, надежный результат может быть получен при отношении сигнал/шум больше 1 (реально 10), а во- вторых, не учитываются метеоусловия на трассе, которые могут существенно снизить принимаемый сигнал.

При отражении света от облачных образований применяются мощные импульсные твердотельные лазеры. Для этого слу-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2012

15

фйстД

чая подробный расчет энергетики и апробация аппаратуры были проведены в [2]. Было выяснено, что чувствительности аппаратуры достаточно для определения концентрации частиц вплоть до расстояний 1-2 км. Причем, точность определения концентраций может составлять в зависимости от состояния атмосферы около 10 молекул/см или 0,1 ррт (частей на миллион). Такая точность вполне достаточна для осуществления мониторинга таких газов, как SO2, NO, NO2 в атмосфере. Необходимо отметить, что для осуществления таких измерений применялся мощный импульсный лазер с энергией в импульсе ~ 0,1дж, а также приемный телескоп с площадью зеркала ~ 1м2. В качестве фотоприемника использовался фотоэлектронный умножитель

с чувствительностью ~5Ч102 А/Вт. Применение фотоумножителя оказывается возможным в силу того, что в последнее время появились высокоэффективные малогабаритные ФЭУ в ближнем инфракрасном диапазоне [3], что позволяет надеяться на регистрацию молекул, поглощающих и на длинах волн более 1-5 мкм.

Для надежной и точной работы лазерного газоанализатора необходимо точно удерживать длину волны лазерного излучения на линии поглощения исследуемого газа. В [4] описывается устройство для стабилизации длины волны полупроводникового лазера, которое применялось в системе дистанционного зондирования метана. Необходимая точность удержания линии излучения лазера

^------^ ^ ----^=г

Рисунок. Блок-схема лазерного газоанализатора с системой стабилизации длины волны

16

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012

должна быть в пределах 0,01 нм, поскольку ширина линии поглощения в атмосфере составляет 0,1 нм. Описание устройства, в котором это реализовано, приведено в [5]. Блок-схема макета, в которой применялось данное устройство, показано на рисунке. Сигнал с волоконного выхода лазерного модуля направлялся на трассу. Отразившись от диффузного рассеивателя, сигнал принимался 25-сантиметровым зеркально-линзовым объективом и детектировался pin-фотодиодом с диаметром чувствительной площадки - 2 мм, затем оцифровывался 12-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и поступал в персональный компьютер (РС) по кабелю RS-232. В РС сигнал анализировался с целью выявления концентрации метана на трассе. Для работы лазерного источника на линии метана предусмотрены два контура стабилизации длины волны лазера. Первый контур - прецизионный, и его работа описывается следующим алгоритмом. Два стробирующих импульса по обе стороны от центра линии поглощения сравниваются между собой по амплитуде во вспомогательном фотоприемнике, и вырабатываемый сигнал ошибки управляет внутренним элементом Пельтье лазера, подстраивая, таким образом, длину волны лазерного излучения точно к центру линии поглощения метана. Все сигналы синхронизации и модуляции образуются в таймере и распределяются по отдельным блокам. Модуляция лазера осуществляется по пилообразному закону с частотой 2 кГц, а перестройка длины волны осуществляется в диапазоне ~0,1 нм, точность удержания длины прецизионным контуром составляет 0,005 нм.

В связи с высокой динамичностью атмосферных процессов и неоднородностью атмосферы, следует отметить, что на современном уровне недостаточно одиночных измерений отдельных параметров. Для обеспечения прогнозирования развития атмосферной ситуации в зоне кризисных ситуаций требуется высокая оперативность проведения измерений, зондирование максимально доступного числа компонентов при высокой точности получаемых результатов. Измери-

тельная аппаратура должна обладать высокой надежностью для обеспечения мониторинга круглосуточно и в составе объединенной сети наблюдательных пунктов.

Передвижные лидарные комплексы решают поставленные задачи атмосферного мониторинга на современном уровне. Отсутствие высоких требований к дальности зондирования позволяет разработать многофункциональную лидарную систему, обеспечивающую контроль большого числа параметров атмосферы, а установка оборудования на подвижном основании позволяет обеспечивать большой радиус проведения измерений. Проведение измерений совместно с системой стационарных лидарных постов позволяет проводить постоянный контроль атмосферы в зонах предполагаемых кризисных ситуаций.

Разработка передвижной лидарной установки для измерения концентрации газовых примесей в атмосфере, объединяющей в себе импульсный лидар дифференциального поглощения на основе перестраиваемого лазера в видимом, ИК и УФ диапазонах является важной частью программы создания системы мониторинга, кроме того разработка автономного комплекса для контроля и прогнозирования атмосферной обстановки в зоне ЧС имеет огромное практическое значение.

Библиографический список

1. Еремин, В.М. Лазерный газоанализатор для обнаружения утечек газообразных углеводородов из техногенных объектов / В.М. Еремин, Ф.Н. Люб-ченко, Ю.П. Сырых, П.Г. Филлипов. Патент РФ на полезную модель, RU 64779, МПК G01N 21/61.

2. Dubinsky I. Frequency-modulation impact remote sensing // Appl.Phys. 1998, Vol. 7, р.21.

3. Photomultiplier tube ВЗЗО9У68/699, www. hamamatsu.com.

4. Григорьевский, В.И. Устройство стабилизации длины волны лазера в системе контроля газовых компонент атмосферы на участках магистральных газопроводов / В.И. Григорьевский, В.П. Садовников, В.В. Хабаров // Экологические системы и приборы, 2006. - Т. 9. - С. 3-5.

5. Григорьевский, В.И. Дистанционный лазерный газоанализатор метана / В.И. Григорьевский, М.В. Григорьевская, Ф.А. Егоров, Ф.Н. Любченко и др. // патент РФ на полезную модель, RU 89705 от 31 07 2009 г.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2012

17