Розробка лазерного комплексу для екологічного моніторингу атмосфери міських та промислових районів
DOI:
https://doi.org/10.15587/2706-5448.2020.210308Ключові слова:
лазерне зондування атмосфери, диференціальне поглинання, спонтанне комбінаційне розсіювання, газоаерозольний голографічний лідар.Анотація
Об’єктом дослідження є методи дистанційного екологічного моніторингу приземного шару атмосфери в межах житлових кварталів та промислових зон великих мегаполісів. Для дистанційного визначення кількісних характеристик газових та аерозольних забруднювачів повітря з високою точністю та просторовим розрізненням запропоновано мобільний лазерний комплекс. Визначення складу та концентрації газових забруднень здійснюється за допомогою двох методів – методу диференціального поглинання та методу спонтанного комбінаційного розсіювання (СКР). Метод диференціального поглинання застосовується для виявлення малих концентрацій забруднюючих газів вздовж стаціонарної траси зондування. Метод спонтанного комбінаційного розсіювання використано для дистанційного виявлення шкідливих газоподібних речовин при їх концентраціях, які перевищують гранично допустимі норми. Метод СКР, який застосовано в розробленому газоаерозольному лідарі, дозволяє отримувати тривимірні розподілення концентрацій газів, що визначаються, з розрізненням близько одного метра. Це дає можливість оперативно та з великою точністю виявляти екологічно небезпечні джерела забруднення повітряного середовища та обґрунтовано застосовувати штрафні санкції до порушників екологічних норм. Дистанційний аналіз аерозольного складу приземного шару атмосфери здійснюється за допомогою методів лідарної голографії, які розроблені в лабораторії радіо- та оптичної голографії Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна (Україна). Відмінність у відбитті від рідких та твердих аерозольних частинок робить можливим формування поляризаційних голограм і розглядання по них рідких та твердих аерозольних частинок окремо. Кількісний аналіз складу та концентрації частинок, що спостерігаються по їх голографічним зображенням, характеризується високим рівнем чутливості, оскільки, на відміну від інших відомих методів, не потребує апріорних припущень щодо якісного складу аерозолю, що визначається. Таким чином, завдяки використанню різних фізичних принципів взаємодії лазерного випромінювання з газовими та аерозольними компонентами повітряного середовища, розроблений лазерний комплекс для екологічного моніторингу атмосфери є ефективним засобом контролю за станом повітря в умовах сучасних мегаполісів.
Посилання
- Krekov, G. M., Matvienko, G. G. (2010). Razvitie lazernykh tekhnologii v probleme distantsionnogo zondirovaniia atmosfery. Optika atmosfery i okeana, 23 (10), 865–844.
- Ruzankina, J., Elizarov, V., Konopel’ko, L., Zhevlakov, A., Grishkanich, A. (2018). Raman lidar with for geoecological monitoring. Journal of Physics: Conference Series, 1124, 051036. doi: http://doi.org/10.1088/1742-6596/1124/5/051036
- Wandinger, U. (2005). Introduction to Lidar. Lidar: Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. Springer, 1–18. doi: http://doi.org/10.1007/0-387-25101-4_1
- Alimov, S. V., Kascheev, S. V., Kosachev, D. V., Petrov, S. B., Zheviakov, A. P. (2007). Multifunctional lidar for needs of oil-and-gas pipes. Proc. of SPIE, 6610. doi: http://doi.org/10.1117/12.739830
- Ismail, S., Browell, E. V. (2015). Differential absorption lidar. Encyclopedia of Atmospheric Sciences, 277–288. doi: http://doi.org/10.1016/b978-0-12-382225-3.00204-8
- Amediek, A., Ehret, G., Fix, A., Wirth, M., Büdenbender, C., Quatrevalet, M. et. al. (2017). CHARM-F – a new airborne integrated-path differential-absorption lidar for carbon dioxide and methane observations: measurement performance and quantification of strong point source emissions. Applied Optics, 56 (18), 5182–5197. doi: http://doi.org/10.1364/ao.56.005182
- Wagner, G. A., Plusquellic, D. F. (2016). Ground-based, integrated path differential absorption LIDAR measurement of CO_2, CH_4, and H_2O near 16 μm. Applied Optics, 55 (23), 6292–6310. doi: http://doi.org/10.1364/ao.55.006292
- Wagner, G. A., Plusquellic, D. F. (2018). Multi-frequency differential absorption LIDAR system for remote sensing of CO2 and H2O near 16 µm. Optics Express, 26 (15), 19420–19434. doi: http://doi.org/10.1364/oe.26.019420
- Shiina, T. (2018). Hydrogen gas detection by mini-Raman lidar. Ionizing Radiation Effects and Applications. Books on Demand, 41–60.
- Kim, D., Lee, H. (2019). Development of Raman Lidar for Remote Sensing of CO2 Leakage at an Artificial Carbon storage experimental site. Geophysical Research Abstracts, 21.
- Kim, D., Kang, H., Ryu, J.-Y., Jun, S.-C., Yun, S.-T., Choi, S. et. al. (2018). Development of Raman Lidar for Remote Sensing of CO2 Leakage at an Artificial Carbon Capture and Storage Site. Remote Sensing, 10 (9), 1439. doi: http://doi.org/10.3390/rs10091439
- Astmann, A., Müller, D. (2005). Lidar and atmospheric aerosol particles. Lidar: Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. Springer, 105–142. doi: http://doi.org/10.1007/0-387-25101-4_4
- Matvienko, G. G., Banakh, V. A., Bobrovnikov, S. M., Burlakov, V. D., Veretennikov, V. V., Kaul, B. V. et. al. (2009). Razvitie tekhnologii lazernogo zondirovaniia atmosfery. Optika atmosfery i okeana, 22 (10), 915–930.
- Volkov, N. N. (2012). Vybor parametrov mnogovolnovogo aerozolnogo lidara dlia distantsionnogo zondirovaniia atmosfery. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta informatsionnykh tekhnologii, mekhaniki i optiki, 1 (77), 6–9.
- Gimmestad, G. G. (2005). Differential-absorption lidar for ozone and industrial emissions. Lidar: Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. Springer, 187–212. doi: http://doi.org/10.1007/0-387-25101-4_7
- Wandinger, U. (2005). Raman lidar. Lidar: Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere. Springer, 241–271. doi: http://doi.org/10.1007/0-387-25101-4_9
- Nishita, T., Sirai, T., Tadamura, K., Nakamae, E. (1993). Display of the earth taking into account atmospheric scattering. Proceedings of the 20th Annual Conference on Computer graphics and interactive techniques (SIGGRAPH '93). Anaheim, 175–182. doi: http://doi.org/10.1145/166117.166140
- Deirmendjian, D. (1969). Electromagnetic scattering on spherical polydispersions. American Elsevier Pub. Co, 290.
- Safronov, G. S., Titar, V. P. (1994). Opticheskii lokator. Patent No. 944437 RF.
- Titar, V. P., Shpachenko, O. V. (2001). Poliarizatsionnye golograficheskie metody lidarnogo kontrolia za sostoianiem atmosfery. Elektromagnitnye iavleniia, 2 (1 (5)), 111–117.
- Tytar, V. P., Shpachenko, O. V. (2001). Holohrafycheskyi lydar dlia ekolohycheskoho monytorynha atmosferi. Visnyk khakrivskoho natsionalnoho universytetu im. V. N. Karazina. No. 513. Radiofizyka ta elektronika, 1, 151–160.
- Safronov, G. S., Titar, V. P. (1994). Opticheskii lokator. Patent No. 743401 RF.
- Sogokon, A. B., Titar, V. P. (1983). Golograficheskoe ustroistvo. A. C. No. 1149206 SSSR.
- Safronov, G. S., Sogokon, A. B., Titar, V. P. (1980). Sposob golograficheskoi identifikatsii materialov udalennykh obektov. A. S. No. 678969 SSSR.
- Hamamatsu Image Sensors. Selection guide (2019). Available at: https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/image_sensor_kmpd0002e.pdf
- Razenkov, I. A. (2013). Aerozolnii lidar dlia nepreryvnykh atmosfernykh nabliudenii. Optika atmosfery i okeana, 26 (1), 52–63.
- Hranychno dopustymi kontsentratsii (HDK) khimichnykh chynnykiv u povitri robochoi zony, zatverdzheni HDSL vid 17.07.2015. Available at: http://normativ.ua/sanpin/tdoc27838.php
- Measures, R. M. (1992). Laser remote sensing: fundamentals and applications. Malabar: Krieger Publishing Co., 510.
- Sorokhtin, O. G., Ushakov, S. A. (2002). Razvitie Zemli. Moscow: Izd-vo MGU, 506.
- Тuz, Iu. M. (1976). Strukturnye metody povysheniia tochnosti izmeritelnykh ustroistv. Kyiv: Vischa shkola. Golovnoe izd-vo, 127.
- DSTU 2682-94 Metrolohichne zabezpechennia (1994). Osnovni polozhennia. Vvedenyi 26.07.94. Kyiv: Derzh standart Ukrainy, 439.
- Olson, G., Piani, D. (2001). Tsifrovye sistemy avtomatizatsii i upravleniia. Saint Petersburg: Nevskii dialekt, 557.
- Ruzhentsev, Y. V., Lutskyi, S. V., Fetkyv, V. P., Podzyhun, O. I. (2017). Discrete probabilistic information laws factor of efficiency. Ukrainskyi metrolohichnyi zhurnal, 1, 67–71.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2020 Vladimir Titar, Olga Shpachenko, Oksana Panimarchuk, Mykhailo Guzenko, Sergii Koshman, Sergey Lutsky
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
