НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 543.421/.424

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

konstantinovps@gmail.com

vial@bmstu.ru

nnkulakova@gmail.com

png2000@mail.ru

Введение

В настоящее время важной задачей экомониторинга является дистанционное зондирование атмосферы (ДЗА) с целью обнаружения и идентификации токсичных веществ и поллютантов.

Лидирующее положение сегодня занимают оптические системы мониторинга [1]:

– лидарные комплексы (активная спектроскопия);

– Фурье-спектрометры (пассивная спектроскопия).

В данной статье приведены результаты натурных испытаний прототипа Фурье-спектрометра, разработанного ОАО «НПП «Геофизика-Космос».

1 Методика натурных испытаний

Принцип действия пассивных дистанционных газоанализаторов на основе ИК-ФСР основан на регистрации характеристических спектров излучения или поглощения загрязняющих веществ в инфракрасном (ИК) диапазоне. Фурье-спектрометры способны регистрировать тепловое излучение атмосферы, земли, зданий, растений, облаков, а также произвольную комбинацию этих излучений, прошедших через облако загрязнителя, и, кроме того, собственное тепловое излучение газов-загрязнителей.

Методологически изделие строится на основе метода пассивной дистанционной спектральной диагностики.

В этом способе измерений источником излучения является атмосфера или элементы ландшафта. Исследуемым объектом является загрязняющие газы на оптическом пути в атмосфере между источником излучения и приемником. Чувствительность метода не является постоянной величиной и возрастает при увеличении разности температур ΔТ между объектом и источником излучения (фоном) [2].

Типичный предел детектирования химических веществ составляет величину порядка 1 ppm (при ΔТ = 1 К и размере облака порядка 1 м) [3].

Спектральный диапазон прибора – 7÷14 мкм. Он выбран, исходя из того, что в этом диапазоне находится «окно прозрачности» атмосферы (компоненты атмосферы не имеют линий поглощения или излучения) и линии спектра основных интересующих нас загрязнителей [4].

Исходными данными для определения интегрального содержания вещества-мишени служат три экспериментальных спектра [7].

1) “Чистый” спектр фона. Представляет собой не просто спектр удаленного фонового объекта, а спектр, зарегистрированный точно в тех же условиях, в которых в дальнейшем предполагается регистрировать спектр вещества-мишени. Например, если концентрация вещества-мишени будет измеряться в спектрометрической кювете на фоне нагретого черного тела, то “чистым” фоновым спектром будет спектр этого черного тела, зарегистрированный сквозь пустую кювету. В дальнейшем расположение прибора, черного тела и кюветы не должно меняться. Тем самым автоматически окажется учтено влияние окон кюветы, а также естественных поглотителей излучения, которые присутствуют в окружающей атмосфере (вода, углекислый газ).

2) Спектр вещества-мишени. Регистрируется точно в тех же условиях, что и предыдущий, фоновый спектр. Вещество-мишень может быть распределено вдоль трассы измерения произвольным образом. Например, в кювете вещество занимает ограниченный объем и его концентрация в этом объеме постоянна; в случае открытого облака вещества-мишени его объем ничем не ограничен, а концентрация вдоль трассы измерения меняется.

3) Спектр черного тела, имеющего температуру газа-мишени. Обычно, как открытое облако вещества, так и спектрометрическая кювета, имеют температуру окружающей атмосферы. В этом случае используемое для регистрации третьего спектра черное тело может быть не очень качественным – на практике достаточно записать спектр любого объекта с пористой матовой поверхностью (например, листа картона).

В октябре 2010 года были проведены натурные испытания прототипа Фурье-спектрометра. Основной целью испытаний было определение работоспособности изделия, воспроизводимости экспериментальных результатов по идентификации и определению интегральных содержаний исследуемых веществ, в качестве которых использовались пары аммиака, шестифтористая сера и др., на различном фоне. При этом исследуемое вещество находилось в кювете. Для измерений спектров на фоне неба использовалось специальное зеркало с алюминиевым слоем и защитным покрытием.

Функциональная схема и внешний вид полевого экспериментального стенда представлены на рис. 1, 2.

Рис. 1 Функциональная схема полевого экспериментального стенда

1 ‑ специальный контейнер (КУНГ) для размещения эталонного абсолютно черного тела(АЧТ) и терминала управления прототипа Фурье-спектрорадиометра ПФС-01; 2 – эталонное АЧТ (2' ‑ криотермостат жидкостный LOIPFT-311-80 с температурным диапазоном от -80 до 100°С;2" ‑ полый тепловой излучатель ИРЭ-210.50 с апертурой 380 мм); 3 – зеркало для изменения угла зондирования α к горизонту (600 мм×600 мм, подложка ‑ стекло, отражающий слой – Alc защитным покрытием); 4 – кювета (4' – съемные окна из полиэтиленовой пленки толщиной 7 мкм); 5 – вентилятор для равномерного распределения газов и паров исследуемых соединений; 6 – система напуска газов и паров исследуемых соединений; 8 – газоанализатор переносной АСТРА-СВ (электрохимический сенсор на пары аммиака с диапазоном измеряемых концентраций от 0 до 300 мг/м³);7 ‑ ИК-Фурье-спектрорадиометр ПФС-01 (7' – терминал управления ПФС-01, ноутбук); 8 – тепловизор «VarioCAMhr» (детектор – неохлаждаемая микроболометрическая матрица – FPA ‑ 640×480 пикселей, спектральный диапазон ‑ 8÷12 мкм, объектив ‑ f’=30 мм, IFOV=0,8 мрад, FOV=30°×23°; температурное разрешение ~0,08 К, точность абсолютного измерения температуры ±1,5К); 9 – комплект метеорологический полевой КМП-5 (измерения направления и скорости ветра, температуры, давления и влажности); 10 ‑ теплозащитный экран

Рис. 2 Полевой экспериментальный стенд (нумерация аналогична приведенной на рис 1)

4 – кювета (4' – съемные окна из полиэтиленовой пленки толщиной 7 мкм); 7 – система напуска газов и паров исследуемых соединений; 8 – газоанализатор переносной АСТРА-СВ; 9 – газоанализатор переносной КОЛИОН-1В-04; 10 – ИК-Фурье-спектрорадиометр ПФС-01; 11 – тепловизор «VarioCAMhr»; 13 – теплозащитный экран

В качестве тест-объектов использовались пленки различной толщины, изготовленные из полимерных материалов. Пленки устанавливались непосредственно перед входным окном спекторадиометра.

Использование полимерных пленок в качестве тест-объектов позволяет проверить работоспособность и провести оценку аналитических возможностей испытуемого устройства [1].

Предварительная проверка работоспособности проводилась следующим образом.

1) Регистрация спектра встроенного в изделие абсолютно черного тела (далее АЧТ) при температуре окружающей среды (и изделия).

2) Температура АЧТ устанавливается на 10°С больше температуры окружающей среды (изделия).

3) Образец полимерной пленки известной толщины устанавливается между входным окном спектрорадиометра и окном встроенного АЧТ, производится регистрация спектра.

4) По результатам обработки полученных спектров определяют толщину пленки путем сравнения ее измеренного спектра с эталонным спектром [5]. При различии полученного и известного значений толщины пленки не более 10÷20% испытуемое изделие можно считать готовым к проведению дальнейших измерений.

Оценка аналитических возможностей спектрорадиометра выполнялась следующим образом.

1) Измеряется калибровочный спектр модели АЧТ, имеющего температуру примерно на 20 градусов ниже температуры окружающей атмосферы, с усреднением по 256 индивидуальным спектрам.

2) Измеряется калибровочный спектр встроенного АЧТ, имеющего температуру примерно на 20 градусов ниже температуры окружающей атмосферы, с усреднением по 256 индивидуальным спектрам.

3) Измеряется спектр модели АЧТ, имеющего температуру окружающей атмосферы, с усреднением по 256 индивидуальным спектрам.

4) Измеряется спектр встроенного АЧТ, имеющего температуру окружающей атмосферы, с усреднением по 256 индивидуальным спектрам.

5) Линия визирования испытуемого изделия направляется на необходимый фоновый объект (эталонное АЧТ) или естественный фон с помощью специального зеркала (поз. 3 на рис. 1) и измеряется спектр фона с  усреднением по 256 индивидуальным спектрам.

6) Создается стационарный поток газа через кювету с открытыми окнами и измеряются спектры с различным числом усреднений индивидуальных спектров (среди них как минимум один с максимальным числом усреднений 256).

7) Изменение концентрации газа в кювете в ходе испытаний регистрируется с использованием контрольных локальных датчиков.

Калибровочные спектры в операциях 1 (или 2) и 3 (или 4) не обязательно измерять при каждом изменении фонового объекта, но их регистрацию необходимо повторять не реже, чем раз в 15–30 минут в связи с возможными изменениями температуры прибора и окружающей атмосферы.

Концентрация вещества-мишени определяется, исходя из зарегистрированного ранее (или рассчитанного) спектра фона и спектра вещества-мишени.

Для оценки эффективности алгоритма расчета фонового спектра результаты сравниваются между собой.

Для изменения концентрации газа в кювете используют изменение интенсивности контролируемого потока испытуемого газа из его источника (баллона). За минимально обнаруживаемую концентрацию принимается такая концентрация, при которой расхождение значений, полученных с помощью испытуемого изделия и контрольного датчика, начинают различаться более чем на 50%.

Зондирование кюветы проводится при различных углах наблюдения по отношению к горизонту с помощью специального зеркала. В качестве фоновых объектов используются следующие подстилающие поверхности: ясное безоблачное небо, сплошная низкая облачность, нагретые солнцем поверхности топографических объектов.

Для практического применения наиболее интересным является случай, когда фоном является ясное небо. В качестве тест-объекта использовались пары аммиака. Перед созданием облака паров аммиака в кювете был записан спектр излучения атмосферы под углом 30° к горизонту. Затем в кювету помещалась чашка Петри, в которую был налит водный раствор аммиака 20%. В кювете находился вентилятор, который обеспечивал равномерное распространение паров аммиака в сечении кюветы. В результате были получены спектры, приведенные на рис. 3 (а, б)

а)

б)

Рис. 3 Спектры излучения чистой атмосферы под углом α≈30° к горизонту (ΔТ≈-52°С) и паров аммиака в кювете с открытыми окнами с интегральным содержанием ~106,9 мг/м² на фоне безоблачного неба в широком спектральном диапазоне (а) и в узком спектральном диапазоне (б)

Кроме того на рисунках представлены экспериментальный и расчетный спектры излучения атмосферы под углом 30° к горизонту.

На рисунке отчетливо видны линии излучения аммиака на фоне ясного неба. Эти результаты позволяют с достаточной точностью определить интегральное содержание аммиака в кювете или атмосфере (в случае открытых окон кюветы).

2 Результаты

В результате анализа полученных спектров вещества-мишени с использованием зарегистрированного фонового спектра и расчетного фонового спектра были получены значения интегрального содержания паров аммиака в атмосфере, приведенные в таблице.

Таблица «Результаты измерения интегрального содержания аммиака»

Нестабильность показаний, как локального датчика, так и испытуемого прибора связана с тем, что облако паров аммиака находилось в ничем не ограниченном объеме (в кювете с открытыми окнами). Следовательно, на результаты измерений могли повлиять порывы ветра, неравномерность распределения облака вдоль оптического пути (не зная оптического пути, невозможно точно пересчитать концентрацию в интегральное содержание и наоборот).

Также при проведении эксперимента использовался тепловизор «VarioCAMhr» [6]. Следует отметить симбатность уменьшения интегрального содержания аммиака и температуры, измеряемой тепловизором вдоль трассы зондирования.

Выводы

Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность и высокую надежность прототипа ИК-Фурье-спектрорадиометра.

Различие интегральных содержаний паров аммиака по данным локального сенсора и дистанционного Фурье-спектрорадиометра, как с использованием фонового спектра (излучение неба), так и без него можно объяснить следующим образом. Резкое изменение интегрального содержания аммиака по данным сенсора (34÷384 мг/м²) обусловлено пульсациями направления и скорости ветра в условиях эксперимента (при открытых окнах кюветы). Измеренные интегральные содержания аммиака с помощью испытуемого изделия при использовании фонового спектра в алгоритме обработки спектральных данных (0÷174,5 мг/м²) являются более достоверными (средний коэффициент корреляции ~0,76) по сравнению с алгоритмом без использования фонового спектра (средний коэффициент корреляции ~0,47).

Список литературы:

1. Морозов А.Н., Светличный С.И. Основы Фурье-спектрорадиометрии. М.: Наука, 2006. 275 с.

2. Белл Р.Дж. Введение в фурье-спектроскопию: пер. с англ. М.: Мир, 1975. 380 с.

3. Виролайнен Я.А., Поляков А.В., Тимофеев Ю.М. Погрешности одновременного определения содержания ряда атмосферных газов по наземным измерениям теплового ИК-излучения // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1999. Т. 35, № 2. С. 215-221.

4. МакКартни Э. Оптика атмосферы: пер. с англ. М.: Мир, 1979. 448 с.

5. Купцов А.Х., Жижин Г.Н. Фурье-спектры комбинационного рассеяния и инфракрасного поглощения полимеров. М.: Физматлит, 2001.656 с.

6. Dennis F. Flanigan Hazardous cloud imaging: a new way of using passive infrared // Applied Optics. 1997. Vol. 36, no. 27. P. 7027-7036.

7. Beil A., Daum R., Matz G., Harig R. Remote sensing of atmospheric pollution by passive FTIR spectrometry // Spectroscopic Atmospheric Environmental Monitoring Techniques / K. Schäfer, ed. Proceedings of SPIE. 1998. Vol. 3493. P. 32-43.