Разработка математического обеспечения автоматизированной измерительной системы лазерного оптико-акустического газового анализатора

• Автор: Володько, Александр Владиславович
• Шифр специальности: 05.13.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 163 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Современное состояние проблемы интерпретации данных аналитической спектроскопии в экологических системах мониторинга атмосферы

1.1. Современные методы мониторинга атмосферы

1.2. Разработка математической модели поглощения молекулярным газом импульсного лазерного излучения
1.3. Математическая модель поглощения импульсного лазерного излучения многокомпонентной газовой смесью атмосферным воздухом
1.4. Специализированное математическое и программное обеспечение ЭВМ интерпретации данных аналитической спектроскопии
1.5. Применение систем распознавания образов на базе нейронных сетей для решения задач аналитической спектроскопии

Цель работы и задачи исследования

2. Проблематика создания средств специализированного программного обеспечения автоматизированной

измерительной системы анализа многокомпонентных газовых смесей

2.1. Автоматизированная измерительная информационная система лазерного оптикоакустического газового анализатора
2.2. Вычислительная обусловленность некорректных задач аналитической спектроскопии
2.3. Повышение вычислительной устойчивости задачи газового анализа методом снижения объема входных данных
3. Методы и алгоритмы анализа информативных спектральных
участков
3.1. Современные методы и алгоритмы фильтрации спектральных данных аналитической спектроскопии
3.2. Вычислительное тестирование целевых функций анализа спектральных каналов измерения
многокомпонентных смесей
Выводы
4. Модели и алгоритмы распознавания состава газовых смесей методом лазерной оптикоакустической спектроскопии.
4.1. Структура специализированного программного обеспечения измерительной системы газового 4 анализатора
4.2. Идентификация парциального состава газовых
смесей априорно известно качественного состава
4.3. Идентификация парциально состава газовых смесей априорно неизвестного качественного состава
Выводы
Основные результаты работы
Список литературы


Эти довольно простые и надежные лазеры обладают высокой выходной мощностью в диапазонах длин волн, где многие углеводороды имеют сложные полосы поглощения. В частности, при использовании перестраиваемого СО2 лазера, возможно детектирование таких экологически- важных веществ, как озон (Оз), углеводороды (С2Нб, С3Нб, С6Н6, С2Н4, С7Н8, С4Н6, С2НС1, СНзОН, С2Н5ОН, С2Н3С1, С2СЦ), аммиак (ЫН3), окислы азота (N0, Ы) и многих других. По предварительным оценкам [7], при построении системы мониторинга на базе С лазера, потенциально возможно обнаружение до 0 атмосферных газов. Снтофгаот? Рис. Принцип действия лидара дифференциального поглощения. Метод корреляционной спектроскопии наиболее близок к принципам радиотехнической обработки сигналов. Излучение неба спектрометром разлагается на спектральные составляющие, которые затем обрабатываются с помощью вычислительных средств или методом наложения механической маски -прямым аналогом радиолокационного согласованного фильтра. По интенсивности излучения на выходе масочного устройства можно определить степень корреляции спектральной структуры маски и спектра исследуемой смеси и таким образом оценить состав атмосферы. Основные трудности при использовании корреляционной спектроскопии связаны с изменением структуры спектра и интенсивностью свечения неба, что приводит к дрейфу системы отсчета и изменению чувствительности прибора. Метод дифференциального оптического поглощения основан на использовании широкополосных источников излучения. При анализе спектра поглощения атмосферы, данное вещество обнаруживается по двум соседним длинам волн. К недостаткам метода корреляционной спектроскопии и метода дифференциального поглощения стоит отнести значительную стоимость спектрометров высокого разрешения и их сложность эксплуатации в полевых условиях [1]. Структурная схема ли-дара представлена на рис. Для мониторинга состава атмосферы лидар в основном используется в режиме дифференциального поглощения. Лазерное излучение испускается или одновременно либо поочередно на двух близких длинах волн: Я. Логг, где излучение не поглощается. В основе оптико-акустической (ОА) спектроскопии лежит эффект поглощения модулированного по амплитуде лазерного излучения молекулами среды. При локальном выделении тепла образуются волны давления, которые можно регистрировать электронными микрофонами. ОА эффект был известен более ста лет назад, но его широкое применение началось после появления мощных источников лазерного излучения. Чувствительные ОА измерения проводят, используя лазеры непрерывного излучения с модуляцией интенсивности при помощи механических или элек-трооптических устройств. Б-ссР. Проведенные теоретические исследования [7] предсказывают исключительно низкие пороги обнаружения , порядка ат;п~',осм'1 при мощности подводимого лазерного излучения 1 Вт. Кроме высокой чувствительности, для контроля загрязнения воздуха особый интерес представляет большой динамический диапазон ОА- систем [9], на практике превышающий шесть декад (0 дБ). Высокая динамика ОА метода позволит использовать один и тот же прибор для исследований как в близи мощных источников выброса загрязняющих газов, таких как химические предприятия, так и в удаленных сельских районах. Благодаря простой схеме измерения, возможна установка ОА анализаторов на подвижные объекты (вертолеты, самолеты, метеорологические зонды и т. Последние отечественные разработки в области перестраиваемых цельнометаллических СО2 лазеров с высокочастотной накачкой значительно расширяют сферы применения ОА анализаторов, поскольку эти конструктивно простые и неприхотливые лазеры способны работать в реальных полевых условиях при питании как от электрической сети, так и от бортовой сети автомобиля . Высокая линейность, чувствительность, возможность обнаружения большого числа различных загрязняющих веществ низкой концентрацией делает метод оптико-акустической лазерной спектроскопии наиболее привлекательным для построения на его базе систем многокомпонентного экологического мониторинга атмосферы.