СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ЭМИССИЙ ГАЗОВЫХ КОМПОНЕНТ В АТМОСФЕРЕ Российский патент 2017 года по МПК G01W1/00 G01N21/31 

Изобретение относится к области экологии, в частности к дистанционным методам мониторинга природных сред, и может найти применение в системах санитарно-эпидемиологического контроля промышленных регионов и региональных Центрах МЧС.

Промышленный прогресс неизбежно связан с увеличением выбросов в атмосферу так называемых «парниковых газов», вызывающих положительный тренд средней температуры Земли.

Контроль загрязнения атмосферы является составной частью обязанностей государств по экологическому мониторингу природных сред, подписавших Парижские соглашения 2015 г.

Для решения объемных пространственных задач используют методы дистанционного зондирования Земли космическими средствами. Известен «Способ определения концентрации углекислого газа в атмосфере», Патент RU №2422807 от 27.06.2011 г. - аналог.

В способе аналога путем лабораторных наземных измерений выбирают равное количество смежных спектральных полос поглощения кислорода O₂ и углекислого газа СО₂ в ближнем инфракрасном диапазоне, осуществляют с космического носителя спектрометрические измерения на выбранных спектральных полосах светового потока, отраженного от подстилающей поверхности и дважды прошедшего атмосферу, рассчитывают энергию регистрируемых сигналов в полосе кислорода

и углекислого газа

вычисляют суммарные потери на затухание в полосах О₂ и СО₂ как разницу между энергией эталонного, по Планку, солнечного спектра в тех же полосах W_этал(О₂) и W_этал(CО₂) и энергией зарегистрированных сигналов:

ΔW(O₂)=W_этал(О₂)-W(O₂); ΔW(CO₂)=W_этал(CO₂)-W(CO₂),

а концентрацию углекислого газа в атмосфере по трассе полета носителя в каждом кадре спектрометрических измерений рассчитывают из соотношения:

где О₂[%] - концентрация кислорода в атмосфере, равная 21%;

I_i(O₂), I_i(CO₂) - амплитуды регистрируемых сигналов каждого из газов;

λ_i - средняя длина волны спектральной линии;

n - количество спектральных линий в каждой полосе. Недостатками аналога являются:

- локальность получаемых результатов измерений, привязанная только к трассе узкого луча зондирования;

- однокомпонентная оценка загрязнения атмосферы углекислым газом, в то время как антропогенные выбросы содержат множество газовых компонент.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ определения объема выбросов в атмосферу от природных пожаров» Патент RU №2578515, 2016 г. Способ ближайшего аналога включает синхронную съемку подстилающей поверхности цифровой видеокамерой и гиперспектрометром, установленными на космическом носителе, с положением входной щели спектрометра соосно центральному участку кадра видеоизображения, выделение методами пространственного дифференцирования функции яркости I(x, y), градиентного контура пожара на видеоизображении, расчет концентрации q_Σ[мг/м³] вредных выбросов от пожара по измеренному гиперспектрометром эталонному затуханию светового луча, дважды прошедшего атмосферу в полосе поглощения кислорода 761…767 нм, концентрация которого в атмосфере считается известной, и его затуханию в видимом диапазоне, построение гистограммы яркости пикселей внутри контура и их калибровку в значениях измеренной концентрации для пикселей центрального участка кадра видеоизображения, определение объема выбросов V[тонн]=m_Σ⋅S⋅A⋅H, где m_Σ[мг/м³] - средняя концентрация суммарного загрязнения по всем прокалиброванным пикселам контура пожара, S[m²] - площадь контура пожара, А - метеорологический коэффициент высотной температурной стратификации атмосферы, Н[м] - высота источника пожара.

Недостатками ближайшего аналога следует считать:

- невозможность непосредственного использования из-за различия используемых средств зондирования и технологии обработки сигналов;

- ограниченность измерений видимым участком диапазона солнечного спектра.

Задачей, решаемой заявленным техническим решением, является количественное измерение объема эмиссии газовых компонент путем комплексирования спектрометрических и видеометрических измерений отраженного от подстилающей поверхности светового потока в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного.

Способ определения эмиссии газовых компонент в атмосфере включает синхронную съемку подстилающей поверхности видеокамерой ультрафиолетового, спектрозональной камерой видимого и ближнего инфракрасного диапазонов и гиперспектрметром в диапазоне от 190 до 790 нм, установленными на космическом носителе, с положением входной щели спектрометра соосно центральному участку кадров видеоизображений, с привязкой кадров к географическим координатам от бортовой аппаратуры потребителей системы позиционирования «ГЛОНАСС» расчет средневзвешенного смещения спектра Δλ, энергии затухания ΔW(Δλ) и количества поглощенных квантов (N=ΔW(Δλ)/средняя энергия одного кванта) солнечного потока, относительно эталонного по Планку солнечного потока, вычисление эмиссии Q_тонн газовых компонент в объеме луча зондирования спектрометра как количество молей n=N/A (А - число Авогадро), умноженных на средний молярный вес парниковых газов (50 г/моль), построение калибровочной характеристики тракта зондирования Q=Q(Δλ), формирование синтезированной матрицы изображения путем попиксельного сложения яркости пикселей видеокамер, выделение методом программного расчета градиента контуров загрязнений на поле синтезированной матрицы, вычисление площади контуров S_i и средней яркости их пикселей I_i, определение объема эмиссий в атмосфере по всей исследуемой площади как

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - метод измерений затухания светового потока, дважды прошедшего атмосферу;

фиг. 2 - эталонный, по Планку, солнечный спектр: а) одна из реализаций спектрограмм, б) нормированные относительно максимумов;

фиг. 3 - выделенные контуры интенсивности загрязнений атмосферы на поле синтезированной матрицы;

фиг. 4 - калибровочная характеристика тракта измерений объема эмиссий газовых компонент;

фиг. 5 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность изобретения состоит в следующем. Взаимодействие солнечного излучения с антропогенными частицами происходит на молекулярном уровне. При сталкивании фотонов светового потока с молекулами газов происходит передача квантов энергии (hυ) молекулам, которые переходят в возбужденное состояние. При всех видах возможного взаимодействия светового потока с молекулами смогов в атмосфере, как то: поглощение, рассеяние, флуоресцентное переизлучение - интегральный эффект состоит в смещении спектра видимого диапазона в его длинноволновую часть (красная область) [см., например, Р. Межерис. Лазерное дистанционное зондирование, перевод с англ., Мир, М., 1987 г., стр. 124, табл. 3.4 Волновые числа комбинационного сдвига на длине волны 337,1 нм] Ниже представлены некоторые извлечения из данной таблицы для некоторых «парниковых» молекул смогов.

В результате комбинационного рассеяния солнечного света происходит перераспределение энергии между спектральными составляющими видимого диапазона, а регистрируемое спектрозональное изображение антропогенно загрязненных участков приобретает преимущественно красноватый или темно-вишневый оттенок.

Интегральный эффект взаимодействия фотонов светового потока с молекулами смогов состоит в сдвиге спектра в длинноволновую (красную) область, как это иллюстрируется фиг. 2. Количественным параметром такого смещения служит средневзвешенная длина волны λ_ср отраженного потока, исчисляемая как:

Средневзвешенное значение длины волны делит площадь под графиками фиг. 2 пополам. Для исчисления абсолютной величины затухания сигналов в спектральных полосах измерений необходим эталон для сравнения. В качестве эталона используют функцию солнечного спектра I(λ) по Планку. Эталонная (по Планку) функция солнечного спектра, нормированная по интенсивности, иллюстрируется графиком фиг. 2а, а одна из реализаций спектрограммы измерений, нормированная относительно максимума, иллюстрируется фиг. 2б. Для приведенных графиков фиг. 2 средневзвешенные значения λ_ср составили соответственно 490 и 570 нм, сдвиг спектра Δλ=80 нм. Энергия одного фотона (по квантовой теории Планка) равна W=hυ, где h - постоянная Планка, равная 6,626⋅10^-34 Дж⋅с, υ - круговая частота, равная 2πƒ. Поскольку длина волны солнечного спектра λ=с/ƒ, где с - скорость света, равная 3⋅10⁸ м/с, то энергия фотона составит: . Для средней длины волны солнечного спектра λ_i=500 нм средняя энергия фотона ≈0,214⋅10^-17 Дж [см., например, Советский энциклопедический словарь под ред. A.M. Прохорова, изд. Сов. энц., М., 1989 г., стр. 1022, Планка постоянная]. Полную эталонную энергию светового потока вычисляют по соотношению Рэлея [см., например, Заездный В.М. «Основы расчетов по статистической радиотехнике», Связь-издат, М., 1964 г., стр. 93-94]:

где I(Δλ) - амплитуда эталонного сигнала на спектральной линии λ_i;

n - количество спектральных линий в полосе, на которых проводят измерения.

Энергию затухания светового потока за счет поглощения фотонов в объеме эмиссии газовых компонент рассчитывают из соотношения:

ΔW=W_этал-W_изм,

где W_изм - энергия сигнала в тех же спектральных полосах.

Устойчивость результата испытаний, независимого от систематических ошибок (высота Солнца, азимута зондирования, коэффициента отражения), достигается использованием метода отношений измеряемых величин: ΔW/W_этал.

Проведенные расчеты (графоаналитическим методом) показали, что относительное затухание сигнала [%] при смещениях отраженного спектра Δλ (нм) соответствуют следующему дискретному ряду:

В первом приближении можно считать, что каждый фотон однократно поглощается молекулами смогов. Тогда общее число молекул газовых компонент, в объеме луча зондирования спектрометра, взаимодействующих с фотонами, составит величину: N=ΔW/энергия одного фотона.

Полная энергия солнечного потока (W_этал) у поверхности Земли определяется Солнечной постоянной, которая составляет 1373±20 Вт/м² [см. Космонавтика, Энциклопедия, изд. Энцикл., М., 1985 г., стр. 314, Солнечная постоянная]. Количество фотонов в полном потоке составит: ≈1300 Вт/м²/0,214 10^-17 Дж (средняя энергия фотона)=6,1⋅10²⁰ [единиц]. Светосбор через щель спектрометра осуществляется с площади порядка 10×10 км, (10⁸ м²), таким образом, количество фотонов в луче зондирования составляет ≈6,1⋅10²⁸ [единиц]. Количество молей загрязнителей определится из соотношения: число фотонов/число Авогадро, 6,8⋅10²³ молекул/моль.

Основными загрязнителями природных сред по ЮНЕП являются окислы углерода (СО, CO₂), азота (NO₂), серы (SO₂), углеводороды типа метан (С₂Н₄), фториды. Средний молярный вес перечисленных загрязнителей принят равным 50 г/моль. Объем эмиссии газовых компонент в луче зондирования определится произведением: (коэффициент затухания х количество молей х молекулярный вес). На фиг. 4 представлена калибровочная характеристика зависимости объема эмиссии [тонн] от смещения спектра (Δλ). Количественные расчеты приведены ниже в примере реализации. Для определения объема эмиссии газовых компонент во всем объеме атмосферы над исследуемой территорией осуществляют построение гистограммы распределения яркости пикселей синтезированного изображения. Вычисляют калибровочный коэффициент относительной яркости для любой точки изображения в пропорции: чем меньше яркость, тем больше величина затухания сигнала в точке изображения

Объем эмиссии газовых компонент над всей исследуемой площадью вычисляют суммированием всех пикселей синтезированной матрицы с весовым коэффициентом k_i.

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг. 5. Функциональная схема устройства фиг. 5 содержит орбитальный комплекс наблюдения 1, типа космического аппарата (КА) «Ресурс» с установленными на его борту гиперспектрометром 2 (типа «Астрогон» и цифровыми видеокамерами 3 (типа «Фиалка-МВ-Космос ультрафиолетового диапазона) и спектрозональной камеры 4 (типа «MOMS-2P», Германия). Трассовую покадровую съемку запланированных районов осуществляют по командам от бортового комплекса управления (БКУ) 5 из Центра управления полетом (ЦУП) 8 по радиолинии командного управления 9. Результаты измерений записываются в буферное запоминающее устройство 6 с привязкой кадров по координатам от бортового устройства потребителей 7 системы позиционирования «ГЛОНАСС». В зонах радиовидимости КА с наземных пунктов, по командам БКУ, информацию измерений сбрасывают по мобильному каналу связи на наземные пункты приема информации (ППИ) 10. После предварительной обработки кадров по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты участка) на средствах 11 информацию передают в Центр тематической обработки 12, где через устройство ввода 13 она вводится в ПЭВМ 14 в стандартном наборе элементов: процессор 15, винчестер 16, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 17, дисплей 18, принтер 19, клавиатура 20. Результаты измерений объема эмиссий по трассе полета КА выводятся на сервер 21 сети Интернет.

Гиперспектрометр «Астрогон» имеет 5 спектральных каналов от ультрафиолетового диапазона до ближнего инфракрасного (0,2…1,6 мкм). Угловое разрешение 1±0,5° с площадью обзора щели 10×10 км. В 100 линиях спектра, разрядностью квантования отсчетов 12 бит, число элементов в каждом канале 250000.

Ультрафиолетовая видеокамера «Фиалка-МВ-Космос» (используется на борту PC МКС) имеет поле зрения 10,5° область чувствительности 220…380 нм, со сменными фильтрами УФС с максимумами пропускания на длинах волн 260, 290 и 320 нм, разрешающая способность по центру изображения ≈40 линий на мм.

Спектрозональная камера «MOMS-2P» имеет четыре спектрозональные полосы b, g, r, i с максимумами чувствительности соответственно: 420, 520, 620 и 720 нм.

Таким образом, весь спектральный диапазон гиперспектрометра «Астрогон» перекрывается поддиапазонами покадровой съемки видеокамер «Фиалка-МВ-Космос» и «MOMS-2P».

Дистанционно регистрируемый уровень отраженной солнечной радиации является суммой отражений от подстилающей поверхности и атмосферной дымки. При замутненной атмосфере происходит «замывание» спектрально-энергетических и пространственных характеристик подстилающей поверхности. Существуют методы параметрического разделения эффектов подстилающей поверхности в результирующей яркости [см., например, «Итоговый отчет по исследованию параметров Атмосфера-Поверхность дистанционными методами», Эксперимент МКС-М-МКФ-6 на Станции Салют-7, 1983…1985 гг., М., ИКИ, АН СССР, стр. 23-31]. Одним из методов параметрического разделения является генерализация изображения, т.е. использование снимков различного пространственного разрешения. Коэффициент отражения светового потока зависит от длины волны. В ультрафиолетовом диапазоне он существенно выше, чем в видимом и ближнем ИК-диапазоне. Последнее позволяет обеспечить эффект «замывания» путем попиксельного сложения изображения ультрафиолетовой камеры и спектрозональной камеры при формировании синтезированной матрицы. Формирование синтезированной матрицы представляется стандартной операцией специализированного программного обеспечения [см., например, MATH CAD. 7.0 PLUS, ИЗДАНИЕ 3-е стереотипное, информационно-издательский дом «Филинъ», 1998 г., стр. 211, Векторизация элементов матрицы.] После этого осуществляют нормирование функции сигнала синтезированной матрицы в стандартной шкале 0…255 уровней квантования. Затем методами градиентного анализа выделяют контуры загрязнений на поле синтезированной матрицы. Выделение контуров на изображении с использованием масок различных операторов представляется стандартной математической операцией [см., например, П.А. Минько «Обработка графики Photoshop CS2», изд. Эксмо, 2007 г., стр. 47-56]. Результат выделения областей загрязнения иллюстрируется фиг. 3. После чего рассчитывают количественные значения объема эмиссий.

Как показано выше, количество молей загрязнений в луче зондирования спектрометра, при площади светосбора 10×10 км, определяется соотношением:

Итоговая калибровочная характеристика тракта зондирования в дискретных расчетных точках примет значения:

Параметры синтезированной матрицы:

минимальная яркость пикселя: I min=48;

максимальная яркость пикселя: I max=214;

средняя яркость пикселей в щели спектрометра 112 в шкале квантования 0…255 уровней.

Эмиссия газовых компонент в объеме луча зондирования спектрометра (для графика фиг. 2б Δλ=80 нм) Q=980 кг, при площади щели 10×10 км. Исследуемая площадь (45×40) км². Суммарный объем эмиссии в атмосфере (по соотношению формулы изобретения) Q_Σ≈23 тонн.

Заявленный способ реализован на существующей технической базе.

Эффективность способа характеризуется глобальностью, документальностью, оперативностью измерений, а также непосредственностью измерений технического критерия.

Изобретение относится к дистанционным методам атмосферных исследований. Сущность: проводят синхронную съемку подстилающей поверхности, применяя следующие устройства, установленные на космическом носителе: видеокамеру ультрафиолетового диапазона, спектрозональную камеру видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, гиперспектрометр с рабочим диапазоном 190-790 нм. При этом гиперспектрометр устанавливают на космическом носителе таким образом, чтобы его входная щель располагалась соосно центральному участку кадров видеоизображений. Привязывают кадры к географическим координатам, полученным с помощью системы “ГЛОНАСС”. Рассчитывают средневзвешенное смещение спектра, энергию затухания и количество поглощенных квантов солнечного потока относительно эталонного по Планку солнечного потока. Вычисляют эмиссию газовых компонент в объеме луча зондирования спектрометра. Строят калибровочную характеристику тракта зондирования. Формируют синтезированную матрицу изображения путем попиксельного сложения яркости пикселей видеокамер. Выделяют методом программного расчета градиента контуры загрязнений на поле синтезированной матрицы. Вычисляют площади контуров загрязнений и средней яркости их пикселей. С использованием полученных данных определяют объем эмиссий газовых компонент в атмосфере по всей исследуемой площади. Технический результат: количественное определение эмиссии газовых компонент в атмосфере. 5 ил.

Способ определения объема эмиссий газовых компонент в атмосфере, включающий синхронную съемку подстилающей поверхности видеокамерой ультрафиолетового диапазона, спектрозональной камерой видимого и ближнего инфракрасного диапазонов и гиперспектрометром в диапазоне от 190 до 790 нм, установленными на космическом носителе так, что положение входной щели спектрометра соосно центральному участку кадров видеоизображений, с привязкой кадров к географическим координатам от бортовой аппаратуры потребителей системы позиционирования “ГЛОНАСС”, расчет средневзвешенного смещения спектра Δλ, энергии затухания ΔW(Δλ) и количества поглощенных квантов (N=ΔW(Δλ)/средняя энергия одного кванта) солнечного потока относительно эталонного по Планку солнечного потока, вычисление эмиссии Q_тонн газовых компонент в объеме луча зондирования спектрометра как количество молей n=N/A (А - число Авогадро), умноженных на средний молярный вес парниковых газов (50 г/моль), построение калибровочной характеристики тракта зондирования Q=Q(Δλ), формирование синтезированной матрицы изображения путем попиксельного сложения яркости пикселей видеокамер, выделение методом программного расчета градиента контуров загрязнений на поле синтезированной матрицы, вычисление площади контуров S_i и средней яркости их пикселей I_i, определение объема эмиссий в атмосфере по всей исследуемой площади как .