WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 11 | 12 || 14 | 15 |   ...   | 64 |

Приборы и методы контроля и мониторинга воздействия автотранспорта на атмосферный воздух северных городов

-- [ Страница 13 ] --

промежуточные уровни m, заселяемые в результате внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Как уже отмечалось выше, при поглощении резонансного фотона на втором этапе возникает конкуренция между процессами высвечивания и столкновений с другими молекулами воздуха. Последние приводят к безизлучательному снятию возбуждения, т.е. к переходу энергии падающего излучения в энергию поступательного движения молекул. Вследствие этого эффективность процесса (выход флуоресценции) уменьшается. Происходит тушение.

В квазирезонансном случае (vv0) выражение для дифференциального сечения флуоресценции принимает вид:

где фактор тушения Q = tex/tN, tex время жизни возбужденного состояния с учетом тушения; F доля регистрируемой флуоресценции, tex определяется из соотношения:

Значительную роль в процессе тушения играют молекулы, спектральные линии которых близки к линиям молекул детектируемого газа. Изменчивость состава атмосферы приводит к пространственной и временной неоднородности значений сечения флуоресценции, зависящей от эффективности процесса тушения.

Время жизни возбужденных состояний, соответствующих переходам с излучением в УФ- и видимом диапазонах, составляет для свободных молекул 10–5с – 10–7с, а в ИКдиапазоне 10–1с – 10–5с. Поскольку время безизлучательной вращательной релаксации равно 10–9с, а колебательной 10–4 с – 10–6с, то за время жизни возбужденных состояний энергия возбуждения успевает распределиться между различными вращательными и колебательно-вращательными уровнями молекул. В результате спектр флуоресценции, особенно в ИК-области, содержит множество линий, соответствующих различным колебательно-вращательным переходам. Однако в УФ-области спектральная структура РФсигнала достаточно проста.

2.2 Теоретическое обоснование лазерных дистанционных методов контроля загрязнения атмосферы автотранспортом Для реализации лазерных дистанционных методов и средств контроля атмосферы, загрязненной автотранспортом, необходимо рассмотреть основы взаимодействия лазерного излучения с атмосферным воздухом. [42,48-51,68,70-73,79Спектр основных эффектов взаимодействия световой волны с исследуемым слоем воздуха, используемых при зондировании, включает рассеяние Рэлея, Ми, Рамана, индуцированную флуоресценцию и резонансное поглощение. Характер и интенсивность процессов, протекающих в атмосфере при прохождении лазерного излучения, отражают ее состояние на момент прохождения луча, поэтому тщательное изучение обратного сигнала может дать достаточно полную информацию для проведения диагностики параметров и содержания исследуемого атмосферного образования. Основная и наиболее трудная задача, стоящая на пути создания локационных методов, заключается в том, чтобы разделить при приеме сигналов и их последующей обработке одновременно проявляющиеся эффекты взаимодействия лазерного излучения со средой, выделить из общей информации ту часть, которая содержит интересующую характеристику атмосферы. Это приводит к разделению технических приемов измерений в лидарных системах по физическому принципу:

а) измерение ослабления излучения при прохождении через исследуемый элемент объема вещества;

б) измерение излучения атомов и молекул в исследуемом пространственном слое.

Первый прием характерен для зондирования верхних слоев атмосферы и исследования аэрозольных образований. Зондирование атмосферы в окнах прозрачности позволяет получать данные о коэффициенте рассеяния и тем самым исследовать характеристики аэрозоля, его динамику во времени и пространстве. Этот технический прием является основой метода дифференциального поглощения (ДП). Второй прием применяется в КР- и ИФ-методах. Поскольку линии спектра (поглощения или испускания) являются признаком атомов и молекул, то спектральный анализ обратного сигнала дает информацию о содержании в атмосфере различных газов: по спектральным линиям производится идентификация вещественного состава, их интенсивность служит мерой количества или концентрации вещества. Реализация указанных приемов измерения позволяет наблюдать изменение параметров световой волны, связанное только с определенным явлением, и таким образом успешно решить поставленную выше задачу получения надежной информации о взаимодействии света с атмосферным веществом.

Следующая задача состоит в установлении однозначных связей параметров световой волны с характеристиками атмосферы. [105,108,109,134,136,145] Адекватное решение этой задачи получается при использовании уравнения лазерной локации, или лидарного уравнения, широко применяемого при обработке данных лазерного зондирования атмосферы. Оно описывает величину обратного сигнала при взаимодействии лазерного луча с атмосферой. Помимо характеристик лазерного импульса, в уравнения входят параметра аппаратуры и геометрический фактор. Последний определяется углом поля зрения приемника, расходимостью лазерного луча и взаимным расположением лазера и приемной антенны. Импульс направленного излучения в пределах конуса распространения подвергается рассеянию, а также поглощается и вызывает флуоресценцию газа в некотором ограниченном объеме. Часть излучения, выходящего из этого объема по всем направлениям, может быть зарегистрирована приемной антенной. Минимальная величина этого объема, определяющая пространственное разрешение, зависит от характера регистрируемого процесса. В частности, если лазер способен возбуждать флуоресценцию в мишени, то необходимо учитывать конечные эффекты релаксации. Кроме того, на величину обратного сигнала оказывают влияние не только величина и длительность лазерного импульса, но и его форма. Вывод лидарного уравнения проводится здесь только для прямоугольного импульса. [136]. Более общий случай рассмотрен в работе М.Е.





Берлянда [8,9,10].

Для импульсного моностатического лидара приращений мощности сигнала от элемента участка трассы (R, dR), получаемое детектором в интервале длин волн (, d) равно:

где К() спектральный коэффициент пропускания приемной оптики; А площадь апертуры приемника; а(R) площадь лазерного пятна на расстоянии R;j(R) геометрический фактор; Т(,R) функция пропускания для обратного сигнала длины волны, относящаяся к участку атмосферы длины R от мишени до приемника; W(,R) спектральная светимость слоя мишени единичной длины. Полная мощность сигнала, получаемая детектором в момент t=2R/c после прохождения лазерного импульса до мишени и сигнала обратно, может быть представлена выражением вида:

являющимся основным лидарным уравнением. Район волнового интегрирования идет по лидарной оптике к приемно-спектральному окну, центром которого является.

В зависимости от вида взаимодействия светимость принимает одну из двух форм.

В случае рассеивающей мишени:

где I(R) интенсивность луча на расстоянии R, i(0,R) коэффициент обратного рассеяния лазерного излучения длины волны 0i-го вида (аэрозольное, молекулярное, комбинационное) в районе мишени, fi()d доля рассеянного излучения приходящаяся на интервал (, d).

Поскольку сигнал рассеяния имеет очень узкую спектральную ширину, то справедливо приближение:

где -дельта – функция Дирака. Тогда имеем:

Как видно из рисунка 9, светимость рассеивающего объема пропорциональна интенсивности лазерного луча, поэтому район интегрирования здесь идет только по длине лазерного импульса.

Для прямоугольного импульса продолжительности t0 мощность рассеянного назад излучения может быть аппроксимирована простым, часто приводимым уравнением:

Здесь cto 2 представляет эффективный интервал наблюдаемого района, излучаемого в момент времени R/с. При выводе этого выражения предполагалось, что выполняется R cto 2 и зависимостями от R' в интервале от R до R* можно пренебречь.

Риунок 9 - Пространственно-временная диаграмма для лазерного импульса и сигнала рассеяния 1 расположение переднего края импульса в момент времени R/с; 2 пространственно-временной путь лазерного импульса продолжительности t0; 3 пространственная форма лазерного импульса в момент времени R/с; 4 эффективное пространственное разрешение L; 5, 6 форма рассеянного сигнала вдоль пространственно-временного пути, наблюдаемого в момент времени t = 2 R/с; 2 R/с + td соответственно.

Энергия излучения, поступающая на детектор за время (t, td), где td время детекции сигнала, равна:

где сделано предположение, что tdt=2R/c. Для прямоугольного импульса имеем:

где Р0 начальная мощность лазерного импульса, K 0 коэффициент потерь в оптике передатчика. Окончательные выражения для мощности и энергии обратного сигнала имеют вид:

энергия импульса, K = K(0)K() коэффициент потерь в оптике. Как видно из рис. 9, эффективное пространственное разрешение для такой системы зондирования ограничено величиной:

В случае флуоресцирующей мишени лазерное излучение резонансной частоты будет переводить определенную долю молекул (атомов) в одно из возбужденных состояний [105,108,109,134,136,145]. Возбужденная молекула может затем возвращаться в некоторое более низкое или основное состояние с последующей эмиссией излучения при некоторой нерадиационном процессе. Считая, что интенсивность лазерного луча не столь велика, чтобы вызывать вынужденные переходы из возбужденного состояния, и пренебрегая при поглощении изменением плотности частиц в основном состоянии, для населенности N i в возбужденном состоянии можем записать дифференциальное уравнение:

где i 0 сечение поглощения. Принимая N i R, 0 0, получаем решение уравнения в виде t:

Для импульса прямоугольной формы длительности t0 решение будет выглядеть следующим образом:

На рисунке 10 представлена пространственно-временная диаграмма процесса распространения лазерного импульса и возникновения обратного сигнала. Сплошной стрелкой показан пространственно-временной путь возбуждающего лазерного импульса прямоугольной формы ширины t0. За время R/с передний фронт импульса проходит расстояние R. Граница загрязненного объема находится на расстоянии R0 от начала координат.

состоянии. Сначала в течение промежутка времени t0 величина N i растет, а затем экспоненциально спадает, уменьшаясь в е раз за время ti. Штрих-пунктиром показаны обратные сигналы, поступающие в приемную систему в моменты времени t = 2R/с и 2R/с + td. Эти сигналы начинают свой путь от точек А и А', до которых передний фронт возбуждающего импульса доходит за время R/c и R/c + td/2. Вдоль пути обратных импульсов от точек А и А число молекул в возбужденном состоянии сначала растет до точек В и В', а затем экспоненциально спадает до пренебрежимо малого значения в точках С и С' (кривые 7 и 8).

Рисунок 10 - Диаграмма «расстояние – время» для РФ-метода 1 граница контролируемой среды; 2 эффективное пространственное разрешение L; расположение переднего края импульса в момент времени R/с; 4, 5 изменение населенности возбужденного состояния ( N i ) на уровнях R-c(t0 + ti )/2, и R-cto/2, соответственно; пространственно-временной путь лазерного импульса продолжительности t0; 7, 8 изменение населенности возбужденного состояния ( N i ) вдоль пространственно-временного пути обратного сигнала, наблюдаемое при t = 2 R/с и 2R/с + td, соответственно.

В момент времени, когда передний край лазерного импульса достигает расстояния R, среда мишени на расстоянии R'R будет облучаться лазерным светом в течение времени (RR')/с. Флуоресценция, вызванная передним краем лазерного импульса и идущая назад к детектору, будет усиливаться флуоресцирующей средой на расстоянии R', облучаемой в течение времени t' = 2(R - R')/c. Спектральная светимость этого участка среды имеет вид:

где f i доля флуоресценции, регистрируемой в интервале (', d'); ti естественное время жизни возбужденного состояния молекул (атомов) i-го вида; h, c постоянная Планка и скорость света в вакууме. Подстановка этого выражения в основное лидарное уравнение (2.22) приводит к волновому интегралу:



Pages:     | 1 |   ...   | 11 | 12 || 14 | 15 |   ...   | 64 |
 


Похожие работы:

« ЛЮБЧИК АННА НИКОЛАЕВНА ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, профессор Е.И. Крапивский САНКТ-ПЕТЕРБУРГ -2014 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ...»

« ПЕНКИН КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СТАДИИ СИНТЕЗА ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛАМИНОВ И РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ СИСТЕМ КОРРЕКЦИИ ЕГО ФРАКЦИЙ НА ОСНОВЕ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Сажин С.Г. Дзержинск – 2014 г. 2 Оглавление Введение Глава 1. Анализ ...»

« ПЕНКИН КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ Математические модели стадии синтеза этаноламина и разработка оптимальных систем коррекции его фракций Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Сажин С.Г. Дзержинск – 2014 г. 2 Оглавление Введение Глава 1. Анализ технологического процесса синтеза этаноламинов как ...»

«Величко, Александр Павлович Разработка ИК­радиометрического комплекса, обеспечивающего дистанционный контроль и исследование облаков и прозрачности атмосферы Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2007 Величко, Александр Павлович.    Разработка ИК­радиометрического комплекса, обеспечивающего дистанционный контроль и исследование облаков и прозрачности атмосферы [Электронный ресурс] : дис. . канд. техн. наук : 05.11.13. ­ Москва: РГБ, 2007. ­ (Из фондов Российской ...»

« Пастухов Юрий Викторович ИНФОРМАЦИОННО – ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПРОМЫШЛЕННОЙ КОРРОЗИИ С ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ НА ОСНОВЕ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении) Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – докт. техн. наук, профессор Муха Ю. П. Волгоград - 2014 2 Оглавление Введение.... 5 Глава 1. Современное состояние ...»

« Фесько Юрий Александрович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ФОРМЫ ОБЪЕКТОВ 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук, профессор Тымкул Василий Михайлович Новосибирск – 2014 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 1 Аналитический обзор научно-технической и патентной литературы по оптическим и оптико-электронным ...»

« ЛАРИН АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ СПОСОБЫ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ Специальность: 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель -кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бакулин В.Н. Научный консультант - кандидат технических наук, доцент Резниченко В.И. Москва 2013 2 Содержание ...»








 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.