Самолетный спектрометр на основе перестраиваемых диодных лазеров для измерения концентраций малых газовых примесей в тропосфере

• Автор: Кузьмичев, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 25.00.30
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Долгопрудный
• Количество страниц: 138 с. : ил.

Оглавление

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ МАЛЫХ ГАЗОВЫХ

составляющих :

1.1. Методы регистрации газовых примесей

1.2. Особенности метода диодной лазерной спектроскопии

1.3. Использование методов диодной лазерной спектроскопии для измерения концентраций парниковых газов с мобильных платформ
Выводы
2. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ С ПОМОЩЬЮ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ДИОДНЫХ
ЛАЗЕРОВ
2.1. Модельные расчеты спектров поглощения парниковых газов в тропосфере
2.2. Моделирование высотных профилей поглощения по методу «Line-by-line»
2.3. Особенности функционирования перестраиваемого диодного лазера
2.4. Фотоприемники для системы регистрации парниковых газов
2.5. Чувствительность ДЛ-спектрометра
2.5.1. Шумы фотоприемников
2.5.2. Шумы диодных лазеров
2.5.3. Шумы оптического тракта спектрометра
2.6. Анализ характеристик спектрометра в зависимости от времени накопления сигнала
2.7. Метод определения концентраций малых газовых составляющих
Выводы
3. РАЗРАБОТКА САМОЛЕТНОГО СПЕКТРОМЕТРА НА ОСНОВЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ДИОДНЫХ ЛАЗЕРОВ
3.1. Функциональная схема спектрометра
3.2 Состав блока диодных лазеров
3.2.1. Электроника по управлению диодными лазерами

3.2.2. Фотоприемники
3.2.3. Волоконно-оптические элементы
3.2.4. Реперные кюветы
3.2.5. Диодные лазеры
3.3. Состав кюветного блока
3.3.1. Компьютерная станция для обработки и получения данных
3.3.2. Электрическое питание ДЛ-спектрометра
3.3.3. Система стабилизации давления в аналитической кювете
3.3.4. Многопроходная кювета
3.4. Внешние и внутренние соединения блоков ДЛ-спектрометра
3.4.1. Соединения внутри кюветного блока спектрометра
3.4.2. Соединения внутри электронного блока спектрометра
3.4.3. Внешние соединения
3.5. Схема расположения спектрометра на борту самолета
3.6. Массогабаритные характеристики спектрометра
3.7. Амортизация прибора в стойке
Выводы
4. АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЙ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
4.1. Принцип записи данных о спектральных линиях
4.1.1 .Алгоритм регистрации
4.1.2. Режим временного мультиплексирования трехканальной системы
4.2. Программа управления ДЛ-спектрометром
4.2.1 .Программа контроля работы спектрометра и получения данных о концентрациях
4.2.2. Программа измерения шумовых характеристик спектрометра
4.3. Передача данных от спектрометра на бортовой информационновычислительный комплекс (БИВК)

Выводы
5. ИСПЫТАНИЯ И ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ САМОЛЕТНОГО СПЕКТРОМЕТРА
5.1. Лабораторные исследования параметров аналитических спектральных линий некоторых парниковых газов
5.2. Натурные испытания спектрометра
5.3. Проверка работоспособности спектрометра при различных условиях эксплуатации
5.4. Наземные испытания ДЛ-спектрометра
5.4.1. Калибровочные лабораторные испытания ДЛ-спектрометра
5.4.2. Наземные испытания спектрометра в составе самолета-лаборатории ЯК-42 Д
5.5. Первые результаты летных испытаний ДЛ спектрометра
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Рисунок 5 Зависимость оптической плотности основных изотопов водяного пара от волнового числа в области генерации лазера
Условия моделирования: L=39m, Р=50 мБар, С(Н20)=5000 ppm. Спектры изотопов паров воды отмечены следующими цветами: Н2160- красный, Н2пО-зеленый, Н2180-голубой и HDO-черный.
Особенностью выбора этого диапазона является наличие в области перестройки диодного лазера (2 см'1) линий поглощения 4-ех основных изотопов водяного пара, таким образом, с помощью одного источника излучения имеется возможность измерять 4 различных концентрации.
На основании предварительного моделирования, были выбраны рабочие спектральные диапазоны для измерения метана, углекислого газа, водяного пара и его изотопов и определено оптимальное, с учетом возможности детектирования одновременно трех газов, давление воздуха в аналитической кювете. Следующим этапом работы был выбор типов лазеров и фотоприемников, способных обеспечить достаточную быстроту и точность измерений.