Математические методы, алгоритмы и программные средства решения задач оптического абсорбционного газоанализа

• Автор: Катаев, Михаил Юрьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 339 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .

Г ЛАВА I ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ И МОДЕЛИ ИЗМЕРЕНИЙ

1.1 Лазерные методы зондированиЯГазового состава.

1.1.1 Лидарный метод дифференциального поглощения.

1.1.2 Трассовый метод дифференциального поглощения

1.1.3 Метод комбинационного рассеяния.

1.1.4 Метод производных.

1.2 Метрды пассивного газоанализа.г.

1.2.1 Спектроскопия прямого солнечного излучения

1.2.2 Спектроскопия рассеянного в зените солнечного излучения.

1.3 Источники излучения.
1.3.1 Солнце
1.3.2 Луна
1.3.3 Звезды
1.3.4 Лазеры
1.4 Атмосфера Земли .
1.4.1 Давление воздуха
1.4.2 Температура атмосферы .
1.4.3 Газовый состав атмосферы
1.4.4 Модели атмосферы
1.4.5 Аэрозоли атмосферы
1.5 Расчет коэффициента поглощения
1.6 Базы данных параметров спектральных линий.
1.7 Модели континуального поглощения
1.8 Молекулярное рассеяние.Г
ГЛАВА 2 КАЧЕСТВЕННЫЕ ЗАДАЧИ ГАЗОАНАЛИЗА АТМОСФЕРЫ
2.1 Байесовский критерий обнаружения
2.1.1 Вычислительный эксперимент
2.1.2 Обнаружение газов.
Оптикоакустический газоанализатор
2.1.3 Обнаружение газовЛ
Трассовый газоанализатор дифференциального поглощения
2.2 Выбор информативных спектральных каналов
2.2.1 Критерий поиска оптимальных спектральных каналов
2.2.2 Выбор оптимальных спектральных каналов
Оптикоакустический газоанализатор
г .
2.2.3 Выбор оптимальных спектральных канатов
Трассовый газоанализатор дифференциального поглощения
2.3 Минимчьнообнаружимые концентрации.
, I I
2.3.1 Критерий оценки Миниматьнообнаружимых концентраций
2.3.2 Оценка Миниматьнообнаружимые концентрации
Оптикоакустический газоанализатор
2.3.3 Оценка Миниматьнообнаружимые концентрации
Трассовый газоанашзатор дифференциального поглощения
ГЛАВА 3 ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
ГАЗОВОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ
3.1 Математические методы обращения лидарных данных.
метод дифференциального поглощения
3.1.1 Метод сплайнфункций.
3.1.2 Метод регуляризации.
3.1.3 Метод оптиматьной параметризации
3.2 Сравнение методов решения обратной задачи лидарного
зондирования .
3.3 Решение задачи лидарного зондирования с помощью.
дескриптивных сглаживающих сплайнов
3.4 Аналитический метод
3.5 Восстановление профиля озона из реапьных лидарных данных
3.6 Лидарное зондирование тропосферного озона
3.7 Зондирование газового состава атмосферы трассовым методом
3.7.1 Математические аспекты решения обратной задачи.
3.7.1.1 Метод наименьших квадратов.
3.7.1.2 Метод регуляризации.
3.7.1.3 Метод линейного программирования.
3.7.1.4 Метод нелинейного программирования .
3.7.2 Результаты вычислительного эксперимента и обработки
натурных данных трассового газоанализатора
3.7.3 Зондирование излучением конечной спектральной ширины
3.7.4 Точность решения обратной задачи.
ГЛАВА 4 ПАССИВНЫЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ГАЗОВОГО
СОСТАВА АТМОСФЕРЫ ИЗМЕРЕНИЕ ПРЯМОГО СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
4.1 Определение общего содержания газов в УФ области спектра
4.1.1 Стандартная методика опрсцеления общего содержания газов
4.1.2 Экспресс метод определения общего содержания газов
4.1.3 Обработка реальных данных озономегра М4.
4.2 Восстановление общего содержания С по данным
солнечного спектрофотометра в ИК области спектра
4.3 Восстановление профилей газовых составляющих по.
данным Фурьссиектроскопии высокого разрешения
ГЛЛВЛ 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ
ТЕМПЕРАТУРЫ
5.1 Зондирование температуры методом дифференциального
поглощения
5.2 Зондирование плотности воздуха, давления и температуры
одночастотным лидаром анализ погрешностей
5.3 Восстановление профиля температуры по данным измерений
уходящего излучения атмосферы
5.3.1 Постановка обратной задачи термического зондирования.
5.3.2 Обзор методов восстановления температуры со спутников
5.3.3 Метод функции Грина
5.4 . Численный эксперимент. .
5.5 Определение температуры подстилающей поверхности
5.6 Восстановление профиля температуры из реальных
спутниковых данных
к I
ГЛАВА 6 ПАКЕТЫ ПРОГРАММ ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
И ОБРАБОТКИ РЕАЛЬНЫХ ДАННЫХ ОПТИЧЕСКОГО АБСОРБЦИОННОГО ГАЗОАНАЛИЗА
6.1 Разработка программного обеспечения для моделирования
и обработки реальных данных оптического абсорбционного
газоанализа
6.2 Пакеты программ для моделирования лазерного газоанализа
трассовым методом и обработки реальных
данных
6.3 Пакет для моделирования лазерного зондирования
атмосферных газов методом дифференциального
поглощения
6.4 Пакет для обработки лидариых данных.
зондирования стратосферного озона
6.5 Информационная система для обработки, анализа и хранения
данных стратосферных оптических измерений I
6.6 Пакет для трассового газоанализатора на основе
непрерывного перестраиваемых лазеров
6.7 Пакет программ СПЛАЙН
6.8 Пакет программ для Моделирования и обработки
данных дистанционного зондирования газового состава
атмосферы спектрофотометрическими методами
6.9 акет программ 1 для определения параметров контура
линии поглощения из оптикоакустических измерений
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА


Здесь же мы отметим два вида погрешности, источником которых является сама атмосфера. Погрешность, обусловленная сдвигом центра линии поглощения давлением воздуха. Влияние этого явления наиболее существенно для вертикальных трасс. Выполненные измерения в контура линии Н2О 4. Влияние сдвига линии на точность определения концентрации водяного пара из лидарных данных может достигать на высоте км при зондировании наземным лидаром. Погрешность, вызванная лоилеровским уширением линии рэлеевского обратного рассеяния. Искажение спектра, лазерного импульса вследствие доплеровского уширения линии рэлеевского обратного рассеяния приводит к изменению величины эффективного дифференциального поглощения, что в свою очередь приводит к погрешности определения концентрации газа. Влияние этого эффекта рассматривается в целом ряде статей Выполненные нами исследования показали, что проявление этого эффекта различно для двух типов трасс сверхувниз и снизувверх. Наибольшие искажения результатов интерпретации лидарных данных возникают при зондировании наземным лидаром влажности на высотах км. При зондировании самолетным лидаром погрешность за счет эффекта доплеровского уширения линии рэлеевского обратного рассеяния не превосходит . Исследованию нелинейных искажений лидарных сигналов при регистрации и способам их коррекции посвящено незначительное число работ. В основном они относятся к лидарам, содержащим фотоприемники на основе ФЭУ. Все нелинейные искаже
ния выходного сигнала связаны с внутренними и внешними факторами, а также воздействием регистрируемого сигнала на параметры ФЭУ и фоторегистратора в целом. К внутренним факторам можно отнести медленные и быстрые изменения фагоэмиссионных свойств динодов, их неоднородность, инерционность и т. Рассмотрим три искажающих фактора. ОИ, вследствие чего происходит недосчитывание импульсов просчеты импульсов . Второй фактор связан с появлением паразитных импульсов последействия. Влияние последействия ФЭУ обычно проявляется на хвосте лидарного сигнала из удаленных участков трассы зондирования в виде накапливаемого превышения фиксируемого
выходного сигнала над истинным лидармым сигналом. Третий искажающий фактор возникает изза инерционности ФЭУ. Искажение эхосигналов при этом происходит в сторону их уменьшения вследствие слипания ОИ. Алгоритм корректировки сигналов для этого вида искажений рассмотрен в работе . V среднее число поступивших на вход ФЭУ импульсов и число зарегистрированных ОИ. Для решения нелинейного уравнения 1. П ехрхО х0 2 I х0. Во многих практических случаях диапазон изменения максимальных интенсивностей и динамический перепад значений лидарного эхосигнала в импульсе составляет раз за время с . Для сокращения динамического диапазона СДД регистрируемого лидарного эхосигнала используются четыре метода домножснис принятого сигнала на квадрат времени . Аг площадь приемного телескопа, Ь длина нуги от передагчика до офажателя. Часто предполагается, что гоп г. Д можно брать из таблицы1. Таблица1. Аг X2 . В табл. Г ТехР

где ix измеренная оптическая толща давление воздуха на высоте
дифференциальный коэффициент поглощения на высоте г г, 2, раниць поглощающего слоя. Р,г давление мешающих газов. Ь длина трассы измерений А1 время накопления сигнала. МЕР2г2 V, 1. ЫЕР2п1ги1п, 1. ЫЕР2ч2и2, 1. У К 2Кр 6 . Величины последнего уравнения эквивалентны величинам формулы 1. К дифференциальный коэффициент поглощения УУ содержание газа, степень спектральной чистоты сигнала см. На практике, реальная погрешность восстановления концентрации газов больше, чем может быть рассчитана на основе 1. При измерениях на реальных атмосферных трассах всегда присутствуют флуктуации лазерного излучения связанные с турбулентными пульсациями, вегром и другими факторами. Запишем уравнение лидарного зондирования для случая комбинационного рассеяния КР. Пусть зондирующее излучение на длине волны Л0 посылается в атмосферу, а прием ведется на длинах волн Л и Л2, соответствующих первым стоксовым компонентам рассеяния, нпример. Ы2 и Н. РРК а0 Гха Мн2
1.