СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ НА НАЛИЧИЕ ИСКОМОГО ГАЗА Российский патент 1997 года по МПК G01N21/61 G01N22/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного исследования атмосферы на наличие искомого газа, в том числе и газов-загрязнителей.

Известны способы контроля состояния атмосферы, основанные на использовании электрохимических, спектральных, хроматографических и полупроводниковых датчиков [1]
Однако использование этих способов в системах экологического мониторинга требует создания громоздких и дорогостоящих коммуникационных систем. Такие системы обладают малым быстродействием и узким динамическим диапазоном по величине концентрации, что не позволяет быстро оценивать ситуацию и принять решение, особенно в случае аварийных выбросов газов-загрязнителей.

Известны также активные методы СВЧ-зондирования природных ресурсов из космоса [2] в радиоэхолокации ледяных масс [3]
Однако традиционные методы активного СВЧ-зондирования основаны на использовании изменения электропроводимости объекта или резкого скачка диэлектрической проницаемости на границе раздела объект-атмосфера. Атмосфера и ее компоненты в данном случае являются источником помех, от которых избавляются в том числе и выбором для работы длинноволновых (метровых, дециметровых) участков СВЧ-диапазона.

Наиболее близким к предложенному является способ дистанционного исследования атмосферы [4] включающий зондирование исследуемой зоны лазерным излучением в инфракрасном диапазоне длин волн на резонансной частоте спектра поглощения искомого газа и измерение степени поглощения, по величине которой судят о параметрах искомого газа.

Однако способы на основе инфракрасной абсорбции обладают большими погрешностями измерений в условиях повышенной влажности, запыленности, тумана, дождя, снега и других отклонениях параметров атмосферы от нормальных.

Технический результат достигается тем, что в способе дистанционного исследования атмосферы на наличие искомого газа, включающем активное зондирование исследуемой зоны электромагнитным сигналом на резонансной частоте спектра поглощения искомого газа и определение наличия газа по степени поглощения измерительного сигнала, зондирование осуществляют на частоте из интервала 120 183,3 ГГц вблизи линии поглощения водяного пара в атмосфере.

Кроме того, усовершенствованием способа, например, с целью повышения точности измерения концентрации искомого газа является дополнительное воздействие на исследуемую зону опорным сигналом на зеркальной частоте вне спектра искомого газа.

Другим, оптимальным, вариантом усовершенствования заявленного способа является то, что воздействие осуществляют опорным сигналом на частоте из спектра поглощения водяного пара.

Достоинствами способа являются его применимость для обнаружения газов, обладающих хорошими диэлектрическими свойствами (другими словами, неотражающими объектами), а также его селективность по отношению к многим газам-загрязнителям, обусловленная тем, что в избранном интервале зондирующих частот резонансные линии поглощения газов-загрязнителей имеют достаточно большую интенсивность и не перекрываются по частоте.

В связи с тем что заявленный способ дистанционного исследования атмосферы основан на использовании резонансной линии поглощения газа-загрязнителя (искомого газа), при технической реализации системы зондирования в первую очередь должна быть решена задача определения степени поглощения излучения в исследуемой зоне. Предложенный способ дистанционного исследования допускает два варианта технических решений определения степени поглощения излучения. В первом передающее и приемное устройства системы зондирования разнесены в пространстве и исследуемая зона находится между ними. Во втором передающее и приемное устройства находятся рядом, а информация о наличии газа-загрязнителя получается по результатам обработки сигналов, отраженных от топографических признаков или реперов.

На чертеже представлена блок-схема системы зондирования типа радиолокационной, реализующая предложенный способ дистанционного исследования атмосферы с разнесенными в пространстве передающим и приемным устройствами.

Позициями на чертеже обозначены: узел ориентировки антенны в пространстве и совмещения осей приемной и передающей антенн 1; антенна 2; облучатель
3; диэлектрический волновод 4; СВЧ генератор 5; блок питания генератора 6; волновод связи облучателя с приемником СВЧ-излучения-7; приемник излучения с блоком питания 8; индикатор системы 9.

Заявленный способ по схеме, представленной на чертеже, осуществляется следующим образом.

Передающее (I) и приемное (II) устройства располагаются таким образом, чтобы оси антенн 2 совпадали, а контролируемая часть атмосферы находилась между ними. Система зондирования калибруется для учета состояния уровня поглощения измерительного сигнал в атмосфере в момент измерения либо по уровню прошедшего сигнала через участок исследуемой зоны без искомого газа, либо по величине сигнала на второй частоте (зеркальной, не входящей в спектр поглощения искомого газа, или на частоте из спектра поглощения водяного пара). Сигнал от СВЧ-генератора 5, настроенного на частоту резонансного поглощения искомого газа вблизи линии поглощения водяного пара в атмосфере, с помощью элементов 3, 4 и антенны 2 направляется через контролируемую часть атмосферы к приемному устройству (II), в котором измеряется уровень прошедшего сигнала. Если прошедший сигнал при измерениях не отличается от сигнала при калибровке, то искомый газ отсутствует или его количество меньше предельно обнаруживаемого. Ослабление принятого сигнала по сравнению с сигналом в режиме калибровки свидетельствует о наличии искомого газа и по степени ослабления сигнал можно судить о количественных параметрах газа.

Например, при помещении в исследуемую зону на расстоянии 35 м от передающей антенны шара из непроводящего материала диаметром 30 см, заполненного сероводородом с 50% концентрацией, происходило ослабление принятого сигнала на 2,5 дБ при работе на частоте 178,7 ГГц. Этот же шар, заполненный сухим воздухом, практически не изменял уровень прошедшего сигнала. Величина ослабления сигнала в данном эксперименте меняется в зависимости от концентрации сероводорода в шаре.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам дистанционного исследования атмосферы на наличие искомого газа, и может быть использовано для дистанционного контроля загрязнения атмосферы. Сущность изобретения: способ включает активное зондирование исследуемой зоны электромагнитным сигналом на резонансной частоте спектра поглощения газа миллиметрового диапазона длин волн в интервале 120 - 183,13 ГГц вблизи линии поглощения водяного пара в атмосфере, по степени поглощения сигнала судят о параметрах искомого газа. Кроме того, дополнительно на исследуемую зону воздействуют опорным сигналом на зеркальной частоте вне спектра поглощения искомого газа и частоту опорного сигнала выбирают из спектра поглощения водяного пара. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ дистанционного исследования атмосферы на наличие искомого газа, включающий активное зондирование исследуемой зоны измерительным электромагнитным сигналом на резонансной частоте спектра поглощения искомого газа и определение наличия газа по степени поглощения измерительного сигнала, отличающийся тем, что зондирование осуществляют на частоте 120,0 183,3 ГГц вблизи линии поглощения водяного пара в атмосфере. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно на исследуемую зону воздействуют опорным сигналом на зеркальной частоте вне спектра поглощения искомого газа. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что воздействие осуществляют опорным сигналом на частоте спектра поглощения водяного пара.