Способ определения газового состава атмосферного воздуха Советский патент 1992 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к дистанционным оптическим методам контроля состава атмосферного воздуха.

Существуют активные оптические дистанционные способы измерения содержания газовых примесей атмосферного воздуха на горизонтальных трассах, использующие автономные источники излучения: лазеры или дуговые газоразрядные лампы и лампы накаливания (1). Эти способы требуют использования или мощных источников излучения для получения отраженного пучка света (от топографических объектов, от аэрозолей атмосферы) или установку удаленных зеркальных отражателей, В первом случае из-за слабого отраженного сигнала ограничена дальность действия и чувствительность способов, во втором - оперативность и возможность определения пространственного распределения газовой примеси.

Один из недостатков приведенных способов, а именно необходимость использования мощного источника излучения устранен в пассивном способе измерений газовых примесей, при котором в качестве источника излучения используется прямое солнечное излучение, направляемое удаленным зеркальным отражателем через горизонтальную трассу на вход спектрометра, который определяет по спектрам поглощения общее содержание измеряемой газовой примеси на горизонтальной трассе (прототип) 2.

xj

QS

N О

Способ включает в себя также регистрацию спектров прямого солнечного излучения, направленного непосредственно на вход спектрометра, минуя горизонтальную трассу. Концентрация газовой примеси в воздухе получается делением измеренного общего содержания газовой примеси на горизонтальной трассе на расстояние до зеркального отражателя.

Существенным недостатком данного способа является необходимость использования удаленного зеркального отражателя и невозможность проведения измерений в облачной обстановке. Эти недостатки снижают оперативность измерений, исключают возможность их проведения с перемещающихся транспортных средств, не позволяют получать информацию о пространственном распределении газовой примеси вдоль горизонтальной трассы.

Целью изобретения является упрощение реализации измерений, повышение оперативности, возможности проведения измерений с подвижных транспортных средств при отсутствии прямого солнечного излучения, а также получения возможности исследования распределения содержания газовой примеси вдоль горизонтальной трассы.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения состава атмосферного воздуха, включающем определение спектра солнечного излучения в горизонтальном направлении и в направлении падения солнечного излучения измерение интенсивности спектральных линий и обработку результатов измерений в горизон- тальнбм направлении определяют коэффициент ослабления (рассеяния) и спектр рассеянного солнечного излучения, имеющего горизонтальную поляризацию, значения которых используют при обработке результатов измерений.

На чертеже, поясняющем суть предлагаемого способа измерений прямыми лини- ями, изображены направления падения солнечного излучения, а волнистыми - направления рассеяния света, и dli° и dl2° - интенсивности направленного в спектрометр рассеянного света на участке рассея- ния длиной dl, расположенном на расстоянии I от объектива спектрометра, соответственно совпадающие и не совпадающие с полосой поглощения измеряемого газа, dh и dla - интенсивности упомянутых пучков света принимаемых спектрометром, 1 линза объектива спектрометра, 2 - спектрометр, 3 - блок обработки сигнала.

Рассмотрим реализацию способа в условиях гладкости спектра солнечного излучения (dli° dl2°), слабого поглощения (dh ), а также постоянства коэффициента рассеяния солнечного излучения постоянства концентрации газовой примеси/3 вдоль горизонтальной трассы. Тогда интенсивность излучения dl, принимаемого спектрометром 2 с помощью объектива 1 с участка трассы dl пррпорциональна:

dl aexp{-al}dl,(1)

где а - коэффициент рассеяния (ослабления) излучения на трассе. В соответствии с законом Бугера:

jUjnp-Aa.p.,.(2)

где Да- разность коэффициентов поглощения в полосе и вне полосы поглощения измеряемого газа. Сигнал спектрометра R, обусловленный полными потоками принимаемого излучения И /dh и 2 / dh с горизонтальной трассы в соответствии с выражениями (1) и (2) равен

R - /dH-/dl2 Ag-p /I dl /dH/dl

00

Асг-р f a -expfcljdl

/ ехрЈ a lid

Дст-уэ(а) 1 (з)

.dl

Из выражения 3 следует, что измеряя интенсивность излучения И и 12 в полосе и вне полосы поглощения исследуемого газа и коэффициент ослабления (расстояния)излучения на трассе по рассеянной солнечной радиации, используя выражение (3), блок обработки сигнала 3 может вычислить среднюю концентрацию/ искомого газа на горизонтальной трассе длиной .

На практике вследствие неравномерности спектра солнечного излучения, освещающего горизонтальную трассу сигнал спектрометра R имеет вид:

R Да-р (а) 1 +Ro где Ro - постоянная составляющая не зависящая от концентрации измеряемого газа, которую определяют направляя объектив спектрометра вверх в направлении падения солнечного излучения, освещающего горизонтальную трассу.

Для выполнения геометрии эксперимента при приеме рассеянного вдоль горизонтальной трассы солнечного излучения выделяют только компоненту с гориизон- тальной поляризацией при этом подавляются компоненты солнечного излучения, освещающие горизонтальную трассу сбоку. При измерении на нескольких длинах волн газовой компоненты, имеющей поглощение

в широкой полосе спектра, вследствие зависимости коэффициента рассеяния от длины волны, появляется возможность исследовать распределение концентрации газовой примеси вдоль горизонтальной трассы.

Новый способ определения газового состава атмосферного воздуха позволяет проводить в светлое время суток непрерывный пассивный дистанционный контроль загрязненности атмосферного воздуха с земли и с летательных аппаратов и не использовать в таких измерениях зеркальных отражателей. Способ является недорогой и эффективной альтернативой, активным лидарным способом зондирования газового состава атмосферного воздуха, позволяет создать сеть станций

контроля газового состава воздушного бассейна большого города.

Формула изобретения Способ определения газового состава

атмосферного воздуха, включающий определение спектра солнечного излучения в го- ризонтальном направлении и в направлении падения солнечного излучения, измерение интенсивности спектральных линий и обработку результатов измерений, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации, в горизонтальном направлении определяют спектр рассеянного солнечного излучения, выделяют его горизонтально поляризованную компоненту и определяют коэффициент ослабления, значение которых используют при обработке результатов измерений.

Использование: дистанционные оптические методы контроля состава атмосферного воздуха. Целью изобретения является повышение оперативности измерений, получение возможности определять распределение газовой примеси вдоль горизонтальной трассы и проводить измерения с передвижных транспортных средств. Сущность изобретения: на вход спектрометра направляют солнечное излучение, рассеянное на горизонтальной трассе, имеющее горизонтальную поляризацию, из полученного сигнала спектрометра вычитают нулевой сигнал, определяемый как средневзвешенную по соответствующим интенсивностям сумму сигналов спектрометра, полученных при непосредственном направлении на его вход восходящего и нисходящего на горизонтальную трассу рассеянного и отраженного от земли солнечного излучений, а разность делят на эффективную длину горизонтальной трассы, определяемую как величину обратную коэффициенту ослабления излучения на трассе на используемой длине волны, причем для изменения длины горизонтальной трассы меняют используемую для измерения длину волны принимаемого излучения в пределах полосы поглощения измеряемого газа, 1 ил. сл с

v4 У fy+dJz