СИСТЕМА АВИАЦИОННОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ В КРЕЙСЕРСКОМ ПОЛЕТЕ Российский патент 2007 года по МПК G01W1/02 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к системам оценки антропогенных воздействий на окружающую среду, роли атмосферных загрязнений, изучению их влияния на климат Земли, а также к созданию и отработке аппаратуры при проведении летных исследовании в интересах экологии.

В отчете межгосударственной комиссии по изучению изменения климата "А Special Report of Working Groups I u III of the Intergovernmental Panel of Climate Change, Cembridge University Press, 1999" показано, что существенный вклад в загрязнение верхней тропосферы вносит авиация. Продукты сгорания, выделяемые авиационными двигателями, повышают концентрацию углекислого газа, водяного пара, метана, окислов углерода, азота и др. и содержат аэрозоли, которые, в свою очередь, инициируют образование и развитие перистой облачности, оказывающей заметное влияние на радиационный обмен.

Перистые облака обычно занимают значительные площади. Чаще всего перистое облако является частью фронтальной облачной системы и либо соединено с нижележащим облачным слоем, либо составляет обособленный слой. Они имеют вид сплошных однородных полей и относятся к перисто-слоистым облакам (Cs), иногда включают в себя участки перисто-кучевых (Cc). Внутримассовые перистые облака отличаются разнообразием видов, что отражает различие механизмов их формирования (волновые и конвективные движения, смешение воздушных масс, пограничные возмущения в струйных течениях и др.). По фазовому строению облака верхнего яруса относят к чисто ледяным, особенно при температурах ниже -40°С, где длительное существование воды в жидком состоянии невозможно. Эти облака состоят из достаточно крупных кристаллических частиц. Характерную волокнистую неоднородность их визуальной пространственной структуры связывают с полосами падения крупных кристаллов.

Одним из наиболее существенных факторов влияния авиации на образование и развитие перистых облаков являются конденсационные следы (КС) самолетов, которые образуются в результате конденсации и замерзания водяного пара, содержащегося в выхлопной струе авиадвигателей. КС образуются на тех же высотах, что и перистые облака, по структуре они близки к ним. К началу 1990-х годов площадь, покрываемая КС, оценивалась в среднем 0,1% земной поверхности. К 2050 г. можно ожидать увеличения площади до 0,5%. При соответствующих метеорологических условиях (повышенная влажность при низких температурах, ниже -40°С) в верхних слоях тропосферы и нижних слоях стратосферы КС могут служить запускающим механизмом (эффект "триггера") для образования и особенно для интенсивного развития перистых облаков, существующих вблизи пролегания авиатрасс.

Известны работы, направленные на разработку моделей изменения климата и погоды, однако она недостаточно полно учитывают влияние загрязнений атмосферы эмиссией авиационных двигателей на образование конденсационных следов и в конечном счете - на образование и развитие перистой облачности.

Известна летающая лаборатория IPA DLR Falcon (Германия) для исследования изменения климата в Европе, построенная в соответствии с программой Mesoscale Alpine Program (MAP), принятой в Цюрихе в 1994 г. (http://www.map2.ethz.ch/mip). В состав оборудования ЛЛ входят лидар на основе обратного рассеяния аэрозолей, доплеровский лидар (wind), сбрасываемые радиозонды, используемые для комплексных работ по определению состояния погоды, гидрологической обстановки, гравитационных явлений.

Известен способ дистанционного экологического мониторинга урбанизированных территорий (см. патент РФ №2003120018, G01C 11/04 от 2003.07.01), реализуемый в реальном масштабе времени на борту летательного аппарата, включающий конструирование системы эвристических признаков для различных классов однородных структур и их классификацию по решающему правилу, основанному на критерии минимума взвешенных расстояний. Конструирование эталонной системы информационных признаков осуществляется для неоднородных структур, формирующихся вдоль траектории полета в процессе разбиения земной поверхности на области анализа равной площади, определяемой техническими характеристиками аппаратуры. Для каждой области анализа на выбранных опорных уровнях в трехмерном пространстве строится нормированный эталонный вектор, вычисляется разность между этим вектором и нормированным вектором, измеренным в процессе мониторинга. Вычисленная суммарная разность векторов по всем опорным уровням, являющаяся признаковой мерой изменений, происшедших в областях анализа, сравнивается с порогом обнаружения, зависящим от априорной вероятности обнаружения изменений, и при превышении меры порога принимается решение о наличии экологических изменений.

Однако данный способ не предназначен для исследования КС самолетов, связанных с их влиянием на образование перистых облаков.

Известны (см. патент США №5285256) аппаратура с задним обзором и способ обнаружения конденсационных следов (КС) самолета. С помощью лидара, установленного в хвостовой части самолета, случайно модулированный лазерный луч направляется в сторону обнаружения объема КС. Лидар бистатического типа имеет лазер и приемный телескоп с детектором обнаружения рассеивания луча «вперед». Процесс детектирования рассеивания луча включает компьютерную обработку результатов и анализ обнаружения КС в хвостовой части самолета.

Лидар, установленный на борту самолета, позволяет различать КС от облаков, что позволяет решать задачу идентификации КС и перистых облаков. На начало образования КС влияют скорость полета, тип двигателя и различные атмосферные параметры. Перистые облака имеют малую степень перенасыщения, время их образования от 1 мкс до 1 с.

Луч лазера глубже проникает в структуру перистого облака, но КС эффективнее отражает свет в объеме обнаружения. В это время сигнал лидара будет иметь больший по величине пик от КС, чем от перистых облаков, который рассеивается назад с увеличением расстояния.

Лидар устанавливается под определенным углом к оси двигателей. Возвращаемый сигнал от КС принимается детектором (обзорным датчиком) с помощью телескопа лидара. Сигналы лидара модулированы по случайному закону распределения, поэтому принимаемые сигналы от каждого двигателя различаются индивидуально. Определение возникновения КС в облаке производится при компьютерной обработке экспериментов и выводится на экран дисплея.

Однако данный способ и аппаратура обнаружения КС не позволяет получить комплексную оценку параметров КС, в частности определять геометрические и оптические параметры (протяженность, диаметр, плотность) и длительность существования уже образовавшихся КС.

Известна летающая лаборатория (ЛЛ) Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) "Циклон" на базе самолета Ил-18, которая предназначалась для исследования физики свободной атмосферы, облачности, исследования состояния погоды, озоносферы, исследования аэрозолей, радарной и радиозондовой техники и др.

Оборудование ЛЛ включало: инерциальную систему навигации И-21, спутниковую навигационную систему (СНС) - GPS, радиовысотомер РВ-18, датчики углов атаки и скольжения, систему измерения температуры и пульсаций наружного воздуха с инфракрасными датчиками температуры, датчики статического и динамического давлений, связанные с системой регистрации данных - вычислителем. Кроме того, на ЛЛ были установлены лидары измерения поляризации и концентрации излучения аэрозолей, вертикального распределения аэрозолей, аппаратура определения спектра и концентрации аэрозолей и частиц, солнечный спектрометр, ультразвуковой радиометр.

Однако данная система не предназначена для исследований конденсационных следов самолетов и их влияния на образование перистых облаков и в данное время физически не существует.

Значительные трудности экспериментальных исследований микроструктуры и микрофизических параметров (водность, прозрачность и др.) перистых облаков и особенно КС за самолетами связаны с низкими значениями величин, подлежащих измерениям, в большинстве случаев лежащими ниже порогов чувствительности распространенных самолетных приборов.

Цель изобретения - повышение точности оценки условий образования и характеристик КС и влияния на них физико-химического состава продуктов сгорания выхлопной газовой струи при авиационном мониторинге загрязнения атмосферы в крейсерском полете.

Для решения указанной задачи в систему авиационного экологического мониторинга загрязнений атмосферы в крейсерском полете включены измеритель газового состава аэрозолей, измеритель спектрального состава аэрозолей, нефелометр, измерители давления и температуры атмосферы, измерители относительной влажности и водности атмосферы, подключенный к их выходам центральный процессор бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ), размещенные на борту самолета-зондировщика, содержащего воздухозаборник, систему связи и управления, последовательно соединенные бортовую аппаратуру потребителя СНС, систему навигации и наведения, систему автоматического управления, отдельно подключенные через выходы системы связи и управления, системы навигации и наведения к шестому и седьмому входам центрального процессора БЦВМ.

Согласно изобретению в систему введены самолет-генератор с последовательно соединенными бортовой аппаратурой потребителя СНС, системами навигации и наведения, автоматического управления, отдельно управляемой системой связи и управления, подключенной ко второму входу системы навигации и наведения.

Дополнительно в систему управления на самолете-генераторе включено устройство впрыска воды в выхлопное сопло авиадвигателя, позволяющее варьировать влагосодержанием струи в экспериментальных целях, для моделирования газовой выхлопной струи двигателей, которые будут работать на альтернативных топливах. Кроме этого, для фоторегистрации кристаллической и капельной фазы облаков введена наземная измерительная система, оснащенная лидаром и электронно-оптическим преобразователем, подключенным к входам ЭВМ.

В структуру самолета-зондировщика включены аппаратура для измерения параметров потока встречного воздуха и выхлопной струи исследуемого двигателя самолета-генератора, аппаратура для измерения физико-химического состава КС, измерителей влажности, водности и прозрачности облаков и КС, соединенными со входами БЦВМ, вычислитель условий образования КС, связанным с выходом БЦВМ, образующими аналитическую информационную систему для прогноза образования конденсационного следа и комплексной оценки влияния его параметров на окружающую среду. При этом самолет-генератор и наземная аппаратура связаны с самолетом-зондировщиком через системы связи и управления.

Таким образом, система авиационного экологического мониторинга, включающая самолет-генератор, самолет-зондировщик и наземную аппаратуру, позволит выявить количественный и физико-химический состав КС исследуемых двигателей и влияние их на загрязнение атмосферы в крейсерском полете.

Для пояснения сущности изобретения на фиг.1 приведена структурная схема системы авиационного экологического мониторинга для авиационных двигателей; на фиг.2 - траектория полета самолетов генератора и зондировщика; на фиг.3 - температурные зависимости парциального давления пара в смешанной струе и насыщенного пара над водой и льдом.

На фиг.1 изображены:

1 - спутниковая навигационная система (СНС), космическая часть

2 - оборудование и аппаратура самолета-зондировщика

3 - бортовая аппаратура потребителя СНС

4 - система навигации и наведения (СНН)

5 - система автоматического управления (САУ)

6 - система связи и управления (ССУ)

7 - измерители давления (Р) и температуры (Т) атмосферы

8 - измерители относительной влажности (гигрометр) и водности атмосферы

9 - аналитическая информационно-измерительная система (АИИС)

10 - центральный процессор бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ)

11 - измеритель газового состава аэрозолей - газоанализатор (ГА)

12 - измеритель прозрачности КС

13 - измеритель спектрального состава аэрозолей

14 - нефелометр

15 - заборник встречного атмосферного потока или газовой струи исследуемого двигателя

16 - оборудование и аппаратура самолета-генератора с исследуемым двигателем

17 - бортовая аппаратура потребителя СНС

18 - система навигации и наведения (СНН)

19 - система впрыска воды в выхлопную струю

20 - система связи и управления

21 - система автоматического управления

22 - наземная аппаратура управления мониторингом

23 - система связи и управления

24 - электронно-оптический преобразователь (ЭОП)

25 - ЭВМ

26 - лидар

27 - вычислитель условий образования КС

28 - комплекс измерительной аппаратуры летающей лаборатории самолета-зондировщика.

На фиг.2 изображены:

1 - спутниковая навигационная система (СНС), космическая часть

35 - самолет-зондировщик

36 - самолет-генератор с исследуемым двигателем

23 - система связи и управления

24 - электронно-оптический преобразователь (ЭОП)

25 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ)

26 - лидар.

На фиг.3 изображены:

29 - зависимость парциального давления пара, насыщенного над водой

30 - зависимость парциального давления пара, насыщенного надо льдом

31 - линия смешения выхлопной струи при насыщении над водой

32 - линия смешения при насыщении надо льдом

33 - граничный случай линии смешения

34 - линия смешения ниже насыщения надо льдом.

Система авиационного экологического мониторинга загрязнений атмосферы в крейсерском полете включает измеритель газового состава аэрозолей 11, измеритель спектрального состава аэрозолей 13, нефелометр 14, измерители давления и температуры атмосферы 7, измерители относительной влажности и водности атмосферы 8, подключенный к их выходам центральный процессор БЦВМ 10, размещенные в комплексе измерительной аппаратуры летающей лаборатории 28 на борту самолета-зондировщика 35, содержащего заборник встречного воздуха 15, систему связи и управления 6, последовательно соединенные бортовую аппаратуру потребителя 3 спутниковой навигационной системы (СНС) 1, систему навигации и наведения 4, систему автоматического управления 5, отдельно подключенные через выходы системы связи и управления 6 и системы навигации и наведения 4 к шестому и седьмому входам центрального процессора БЦВМ 10. В ее состав введены самолет-генератор 36 с системой впрыска воды 19 в выхлопное сопло исследуемого двигателя, последовательно соединенными бортовой аппаратурой потребителя 17 СНС, системами навигаций и наведения 18, автоматического управления 21, отдельно управляемой системой связи и управления 20, подключенной к входу системы впрыска воды, второму входу системы навигации и наведения 18. Наземная аппаратура управления 22, выполненная с лидаром 26, электронно-оптическим преобразователем 24, подключенными к входам ЭВМ 25. Кроме того, в состав комплекса измерительной аппаратуры летающей лаборатории 28 самолета-зондировщика 35 включены измеритель прозрачности КС 12, соединенный с входами БЦВМ 10, вычислитель условий образования КС 27, связанный с выходом БЦВМ 10, образующими аналитическую информационно-измерительную систему АИИС 9. При этом самолет-генератор 36 в наземная аппаратура 22 связаны с самолетом-зондировщиком 35 через устройства системы связи и управления 6, 20, 23.

Система работает следующим образом (фиг.1 и фиг.2).

Экологический мониторинг загрязнения атмосферы осуществляют в крейсерском кильватерном полете самолета-генератора 36 и самолета-зондировщика 35 с пилотажно-навигационной аппаратурой 3, 4, 5, 6 и 17, 18, 20, 21 при управлении в дополнительном контроле наземными средствами, не зависящими от изменения погодных условий. Предварительно определяют температуру за турбиной исследуемого двигателя, установленного на самолете-генераторе 36, относительную влажность, температуру, водность атмосферы, измеряется спектральный состав аэрозолей встречного воздуха и газовой струи исследуемого двигателя. А система впрыска воды в выхлопное сопло двигателя 19 применяется для моделирования повышенного влагосодержания в случае применения (в перспективе) альтернативных топлив, например жидкого водорода.

Количественные характеристики образования КС.

КС за самолетами образуются на тех же высотах, что и перистые облака, и по структуре близки к ним, поэтому их называют даже искусственными перистыми облаками. КС образуются при определенном сочетании параметров атмосферы: температуры, давления, влажности и параметров выхлопной струи авиадвигателя. Физически образование КС начинается в процессе охлаждения выхлопной струи, смешивающейся с окружающим воздухом, когда ее температура понижается до точки росы, и при дальнейшей охлаждении наступает пересыщение пара, в результате чего выделяется конденсат. Этот процесс продолжается до того момента, когда за счет дальнейшего смешивания (разбавления) струи влажность уменьшается до значения, при котором конденсация прекращается, несмотря на понижение температуры. В дальнейшем КС может устойчиво существовать продолжительное время, только если влажность окружающего воздуха остается выше насыщения надо льдом. При понижении давления пара ниже этого значения КС испаряется.

При повышенной концентрации ядер кристаллизации в атмосфере и в смешанной струе образование КС может происходить и при давлении пара ниже насыщения над водой, но при пересыщении надо льдом. Такие КС очень неустойчивы, быстро рассеиваются и имеют небольшую оптическую плотность.

Для количественной оценки условий образования и существования КС должны быть известны: температура t_нв, давление p и относительная влажность окружающего воздуха на рассматриваемой высоте ϕ%, температура выхлопных газов за турбиной t_т, коэффициент избытка воздуха камеры сгорания газогенераторного контура двигателя α_кс; для двухконтурного двигателя - t_см на срезе выхлопного сопла камеры смешения и коэффициент избытка воздуха α_см (при отсутствии камеры смешения - значения t_см и α_см, полученные в результате смешения струй от вентилятора и газогенератора в атмосфере на уровне выхлопного сопла газогенератора).

В вычислителе АИИС (блок 9) вычисляются:

- температурный градиент изменения парциального давления пара в смешанной струе (линия смешения) по формуле:

где - индекс паровыделения, т.е. масса водяного пара, образующегося при сгорании 1 кг топлива (для применяющегося в настоящее время авиационного керосина ); α - коэффициент избытка воздуха - для одноконтурного двигателя это относится к камере сгорания, т.е. α_кс, для двухконтурного - к камере смешивания, т.е. α_см;

- зависимость парциального давления насыщенного пара от температуры по формуле:

в которой для давления пара над водой а=7,63; в=241,9; надо льдом а=9,5, в=265,5; Е_0°С=610,7 Па.

- парциальное давление пара в атмосфере:

e_нв=Eϕ/100 Па.

В результате обработки полученных данных на выходе вычислителя получают график зависимости парциального давления пара в смешанной струе от температуры на рассматриваемой высоте полета (давлении окружающего воздуха) и известных параметров выхлопной струи двигателя. В зависимости от сочетания указанных факторов возможны следующие случаи (фиг.3): если линия смешения проходит выше кривой насыщения над водой (прямая 31), т.е. имеется пересыщение над водой, то образуется устойчивый КС; если линяя смешения проходит ниже насыщения над водой, но имеется пересыщение надо льдом (прямая 32), то КС может образоваться при повышенной концентрации ядер кристаллизации в атмосферном воздухе и в выхлопной струе; если линия смешения проходит ниже кривой насыщения надо льдом (прямая 34), то КС не может образоваться.

КС видимы благодаря отражению света составными частицами следа в направлении наблюдателя. Свечение следа зависит от отражающих свойств частиц и интенсивности и направления падающего света. КС становится видимым, если его свечение (относительно фона, т.е. контраст) превысит определенное пороговое значение. Для этого нужно, чтобы оптическая толщина τ - произведение объемного коэффициента ослабления (экстинции) света средой на длину пути светового луча в этой среде - была не меньше 0,02. Оптическая толщина τ=D·d²(π/4)·n·Q_cxi зависит от плотности числа частиц, n, их диаметра, d, геометрического диаметра следа D (который зависит от угла зрения) и от интенсивности поглощения Q_cxi. Последняя нелинейно возрастает в зависимости от диаметра частиц d, но в меньшей степени, чем длина волны света λ (около 0,55 мкм): изменяется от 0 до 1 в диапазоне значений 0≤d/λ≤1 и достигает значения 2 при d/λ>1.

Для известной величины частиц числовая плотность определяется соотношением:

где m_L - удельная водность воды (или льда), кг/кг, ρ и ρ_L - плотности воздуха и воды.

Таким образом:

где D - диаметр следа,

d - диаметр частиц,

τ - оптическая толщина.

Вследствие того, что свет отражается малыми частицами вперед (относительно падающего света), КС видев лучше, если наблюдается под небольшим углом относительно Солнца.

КС диаметром 50 м с каплями воды диаметром 2 мкм может быть видимым при водности 0,1 г/м³. Для образования слабо различимого следа нужна водность 0,004 г/м³ и для четкого следа - 0,01 г/м³. Но при неблагоприятных условиях наблюдения требуется уже большая водность, порядка 0,1 г/м³. Для более точного определения границ КС необходимо знать спектр размеров частиц и определенные сведения об условиях наблюдения.

Оптическая толщина может быть выражена через индекс выделения частиц EI_парц - масса частиц (капель или кристаллов) на единицу массы топлива (кг/кг), который связан с плотностью числа частиц n, фактором рассеивания F, зависимостью КС может быть невидимым также в случае, когда содержит очень много мелких частиц; при d<0,5 мкм наблюдается голубой туман с малой контрастностью относительно фона.

Величина капель и кристаллов льда в КС может увеличиваться или уменьшаться вследствие процессов конденсации или испарения. Изменения размера частиц и характер их распределения по размерам могут оказывать сильное влияние на свойство аэрозоля. Пары способны конденсироваться с образованием капель и в отсутствие центров конденсации, если степень пересыщения достаточно велика. В этом случае скорость образования (нуклеации) становится существенной только тогда, когда величина пересыщения достигает 200...400%.

Эффективность оптических методов исследования микроструктуры атмосферного аэрозоля определяется разрешающей способностью оптической аппаратуры и особенностями функциональных зависимостей между оптическими характеристиками рассеивающих сред и их микроструктурой.

Измерение параметров облачности и КС подразделяется на:

- микрофизические свойства облаков;

- аэрозольные свойства в межоблачной и внеоблачной атмосфере,

- внутреннее содержание в кристаллах частиц, оставшихся после выпаривания закристаллизовавшейся воды;

- концентрация газов в атмосфере в зоне авиатрасс.

Частица аэрозоля и кристаллы размером более 0,1 мкм измеряются с помощью оптических приборов, к ним относятся:

- оптический измеритель дисперсности - определитель размеров частиц, измеритель численной плотности мелких частиц и дифференциальный анализатор со счетчиком в блоке 13;

- нефелометр - поляризационный прибор для измерения оптической плотности в блоке 14.

Бортовая аппаратура имеет следующие диапазоны измерений характеристик атмосферы (фона): измерители температуры (0...-70°С) и давления (200...1100 ГПа), блок 7; относительной влажности над водой (0...100%) и надо льдом (0...120%), блок 8; измерители суммарной водности (0...0,1 г/м³); численной плотности частиц (0...10 1/см³), блок 12.

Измерители характеристик КС имеют следующие диапазоны: измерители температуры (-20°С...-65°С), блок 7; относительной влажности над водой (10...100%), надо льдом (10...130%), блок 8; водности жидкой фазы (0,001...1 г/м³), кристаллической фазы (0,001...2 г/м³) с частотой повторения измерении не ниже 1 Гц, блок 8; измеритель размеров капель (1...95 мкм), блок 13; размеров и формы частиц (25...800 мкм) спектра размеров частиц аэрозоля (0,1...3 мкм), блок 13; измеритель коэффициента экстинкции (0...5 1/км), блок 12; измеритель оптической плотности частиц (0...20 1/см³), блок 12.

В измерителе газового состава аэрозолей, блок 11 - в газоанализаторе, принцип действия заключается в использовании зависимости одного из оптических свойств анализирующей смеси от концентрации определяемою компонента. Для решения задачи газового анализа требуется определить однозначную зависимость оптического параметра определяемого компонента от его концентрации. Оптические ГА основаны на измерении коэффициента преломления газовой среды газонитерферометра или параметров поглощения лучистой энергии в УФ- или ИК-областях спектра.

Поглощение газом лучистой энергии в блоке 11 приводит к изменениям энергетического состояния атомов, молекул и их групп, причем характер и степень этих изменений зависят от энергии поглощенного излучения. Поглощение энергии в ИК-области спектра связано с внутримолекулярными переходами, обусловленными вращательными движениями внутри молекул и их групп. Способностью поглощать ИК-излучение обладают газы, молекулы которых состоят из двух и более атомов, кроме кислорода, азота и водорода. Различия в спектрах поглощения, а также зависимость поглощения от концентрации газа позволяют вести избирательный анализ определяемого компонента (поглощающего радиацию) в сложных газовых смесях.

Функциональная схема ГА ИК-поглощения состоит: из источника излучения - нихромовая спираль, накаленная проходящим током до 700...900°С, спектр испускания в пределах 1800...4500 нм, модулятора лучистой энергии, подающего его на измерительную камеру (с газом) с частотой ƒ_м=5...20 Гц и электронной схемы с применением усилителя переменного тока. В камере лучеприемника, заполненной газом и загерметезированной, находящийся в ней газ поглощая радиацию, нагревается, изменение температуры ΔТ приводит к повышению давления в лучеприемнике на ΔР. Преобразовательным элементом лучеприемника является конденсаторный микрофон, мембрана которого, представляя собой стенку лучеприемника, вместе с неподвижным электродом подключается ко входу усилителя - оптическо-акустический эффект. Чувствительность лучеприемника составляет 10^-4 Вт/см².

Основной количественной характеристикой в блоках 12 и 13 поглощения энергии оптической волны атмосферными газами является монохроматический коэффициент поглощения К(V), входящий в выражение закона Бугера, описывающего затухание плоской монохроматической волны. Зная зависимость этого коэффициента от длины волны, спектр поглощения газа можно определить вызванными этим газом энергетическими потерями лазерного излучения и любого излучения с наперед заданным распределением интенсивности по длинам волн. Для смеси газов необходимо знать разрешенные спектры поглощения каждого из составляющих смесь компонентов. Лазерная спектроскопия сочетает высокую монохроматичность получения с возможностью управлять длиной волны, обеспечивает получение спектров со сверхвысоким разрешением.

Оптические волны, встречая на своем пути различные атмосферные аэрозоли, теряют энергию за счет ее рассеяния на частицах. Величина потерь зависит от размера частиц, их концентрации, химического состава и формы. Все эти четыре параметра меняются в очень широких пределах.

Получение спектра поглощения вещества в газовой фазе производится в блоке 13 при исследовании загрязнений окружающей среды методами лазерного зондирования. Удовлетворительное разрешение и чувствительность дает метод скоростной лазерной спектроскопии. Спектроскопические измерения с помощью этого метода сводятся к прецизионным измерениям длины волны генерации лазера (с одновременным ее изменением в течение генерации) и отображения интенсивностей зондирующего и исследуемого сигналов. Исследуемым веществом заполняется многоходовая оптическая кювета. Источником излучения служит рубиновый лазер с регулярным режимом генерация и управляемым спектром излучения. Измерение длины волны излучения производится с использованием стабилизированного гелий-неонового лазера, интерферометра Фабри-Перо и фотоэлемента (метод селективных потерь). При этом увеличивается время взаимодействия излучения с веществом. Большая часть приборов контроля окружающей среды способна измерять только одну какую-либо величину, поэтому для комплексной опенки параметров окружающей среды приходится пользоваться большим числом приборов и иметь дело с огромным потоком поступающей от них информации, которая представляется этими приборами в виде разнородных и быстро меняющихся величин. Совокупно измеряемые величины становятся известными в результате математической обработки. Поэтому для комплексной оценки параметров окружающей среды используется система, которая получает информацию непосредственно от измерительных датчиков; осуществляет квантование по уровню и времени, цифровое кодирование измеряемой величины, производят математические или логические операции с измеряемыми величинами, и которая хранит полученную информацию и выдает ее в требуемом виде. Данные функции выполняет аналитическая измерительно-информационная система АИИС (блок 9), включающая центральный процессор БЦВМ 10 и вычислитель условий образования КС 27. Структура АИИС - параллельного действия. АИИС выполняет автоматический контроль параметров окружающей среды и поддержания их в определенных пределах, а также может работать в режиме прогноза. Средства представления в виде графиков, таблиц на экранах. АИИС выполняет математическую обработку измерительной информации, анализ примесей, аэрозолей в воздухе; используются методы распознавания образов, методы факторного анализа и др.

При исследовании метеообразований зондированием атмосферы поляризационным лидаром 26 может быть существенно расширен объем получаемой информации. Излучение, отраженное от сферической однородной частицы, сохраняет состояние поляризации падающей волны, а частичная деполяризация возникает при отражении от несферических и неоднородных частиц. При локации реальных метеообъектов наблюдается дополнительная деполяризация отраженного сигнала, обусловленная многократным отражением на ансамбле частиц. Величина деполяризации излучения, отраженного от водных облаков, не зависит существенно от длины волны излучения в видимой и близкой ИК-областях спектра и от рассеяния до облака, а определяется в большей степени спектром размеров, концентрацией облачных частиц и телесным углом приема. Лидар 26 позволяет проводить исследования деполяризующих свойств различных состояний атмосферы и облаков кристаллической и капельной фазы. Моностатическая система имеет расположенные в одном месте лазерный источник и приемный телескоп. Принцип действия системы основав на использовании рассеяния в качестве основного средства изучения атмосферы. Это может быть рассеяние либо непосредственно на исследуемых компонентах, либо на других составляющих; когда интересующие компоненты оказывают измеримое влияние на пропускание пучка лазерного излучения.

В лидаре 26 фоторегистратор настраивается на длину волны лазерного излучения. При распространении в атмосфере лазерное излучение взаимодействует с аэрозолями и молекулами. Часть рассеянного излучения собирается телескопом и регистрируется чувствительным фотоумножителем. Обнаруженный сигнал регистрируется как функция времени, чтобы обеспечить возможность разрешенных в пространстве измерений атмосферного рассеяния. Затем осуществляется анализ зарегистрированных данных для нахождения распределения аэрозолей.

Для изучения рассеяния наиболее важная характеристика аэрозоля - функция распределения.

Распределение частиц по размерам получают путем взятия проб и измерение частиц или косвенно - по измерениям ослабления в блоке 14, определяющим концентрацию, размеры и формы диспергирующих частиц.

Методы, использованные для счета и измерения частиц, позволяют получить число частиц в определенном интервале размеров (классы размеров). Данные представляются в виде гистограмм, показывающих, сколько частиц n_i в классе размеров r_i. Концентрация - полное число в единицах объема равно

Эта величина пропорциональна общей площади гистограммы.

Важно соотношение между распределением частиц по размерам и характеристика рассеяния. Вычисляется коэффициент ослабления при рассеянии по измеренному распределению частиц по размерам. Содержание частиц и коэффициент ослабления реально не могут быть измерены в одном и том же объеме газа. С помощью интегрирующего нефелометра измеряются коэффициентов ослабления путем пропускания потока аэрозолей через освещенную камеру инструмента и измерением получающегося рассеяния. Объем и масса частиц в микрограммах на 1 м² измеряемого по пробам аэрозоля в том месте, где находится нефелометр.

Для определения состава частиц и их вертикального распределения используется оптическое зондирование, проводимое с поверхности земли. В дополнении метода забора проб оптические методы позволяют осуществить непрерывный контроль за вертикальной структурой аэрозоля в течение нескольких часов - метод, основанный на измерении рассеяния, в блоке 26. Прожектор устанавливается вертикально или под известным зенитным углом. Яркость определенного участка прожекторного луча измеряется электронно-оптическим методом (блок 24), причем приемник располагается достаточно далеко от прожектора, чтобы обеспечить благоприятный с точки зрения геометрии задачи угол измерения. Для получения от источника заданной мощности яркость наблюдаемого участка луча зависит от индикатрисы рассеяния на данной высоте и от вертикального распределения полного коэффициента. По этим данным определяется концентрация частиц.

Для комплексной оценки исследований состояний атмосферы и облаков кристаллической и капельной фазы используется ЭВМ 25, а также для управления и контроля наземных средств 22 независимо от изменения погодных условий.

Положительный эффект при функционировании системы авиационного экологического мониторинга при проведении летных исследований достигается при изучении комплексного воздействия физико-химического состава эмиссий исследуемого двигателя, установленного на самолете-генераторе. Система авиационного экологического мониторинга позволяет также делать прогнозы о влиянии авиации на образование КС и влияние их на развитие перистых облаков, оказывающих существенное воздействие на радиационный обмен атмосферы и земной поверхности.

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для проведения мониторинга загрязнения атмосферы в крейсерском полете. Сущность: система содержит размещенные на борту самолета-зондировщика измерители газового состава аэрозолей, спектрального состава аэрозолей, давления и температуры атмосферы, относительной влажности и водности атмосферы, прозрачности облаков и конденсационного следа от двигателя самолета-генератора, нефелометр, центральный процессор бортовой цифровой вычислительной машины. Самолет-зондировщик включает воздухозаборник, систему связи и управления, бортовую аппаратуру потребителя спутниковой навигационной системы (СНС), системы навигации и наведения, автоматического управления. Дополнительно в состав системы введены самолет-генератор и наземная аппаратура управления. Самолет-генератор содержит бортовую аппаратуру потребителя СНС, системы навигации и наведения, автоматического управления, связи и управления. Наземная аппаратура управления содержит лидар, электронно-оптический преобразователь, ЭВМ. Самолет-генератор и наземная аппаратура связаны с самолетом-зондировщиком через устройства системы связи и управления. Технический результат: повышение точности оценки условий образования и характеристик конденсационных следов. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Система авиационного экологического мониторинга загрязнений атмосферы в крейсерском полете, включающая измеритель газового состава аэрозолей, измеритель спектрального состава аэрозолей, нефелометр, измерители давления и температуры атмосферы, измерители относительной влажности и водности атмосферы, подключенный к их выходам центральный процессор бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ), размещенные на борту самолета-зондировщика, содержащего воздухозаборник, систему связи и управления, последовательно соединенные бортовую аппаратуру потребителя спутниковой навигационной системы (СНС), систему навигации и наведения, систему автоматического управления, отдельно подключенные через выходы системы связи и управления, системы навигации и наведения к шестому и седьмому входам центрального процессора БЦВМ, отличающаяся тем, что в ее состав введены самолет-генератор с последовательно соединенными бортовой аппаратурой потребителя СНС, системами навигации и наведения, автоматического управления, отдельно управляемой системой связи и управления, подключенной ко второму входу системы навигации и наведения, наземная аппаратура управления, выполненная с лидаром, электронно-оптическим преобразователем, подключенными к входам электронной вычислительной машины, обеспечивающей фоторегистрацию облаков кристаллической и капельной фазы, а в самолет-зондировщик введены измерители прозрачности облаков и конденсационного следа от двигателя самолета-генератора, соединенные с входами БЦВМ, вычислитель условий образования конденсационного следа, связанный с выходом БЦВМ, образующими аналитическую информационную систему, при этом самолет-генератор и наземная аппаратура связаны с самолетом-зондировщиком через устройства системы связи и управления.2. Система авиационного экологического мониторинга загрязнений атмосферы в крейсерском полете по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно в систему управления на самолете-генераторе включено устройство впрыска воды в выхлопное сопло авиадвигателя для моделирования газовой выхлопной струи двигателей, которые будут работать на альтернативных топливах.