Лазерный мир

Рассмотрена задача разработки информационного обеспечения лазерного измерителя для рутинного газоанализа источников антропогенных газовых загрязнений, за которыми ведется постоянное наблюдение. Описаны алгоритм оперативного поиска длин волн измерения и алгоритм восстановления концентраций газов из лазерных многоспектральных измерений, учитывающие априорную информацию о контролируемом источнике газовых загрязнений и не требующие большого объема вычислений. Методом математического моделирования показана эффективность работы описанных алгоритмов поиска длин волн измерения и количественного анализа газовых выбросов.

Введение

В настоящее время в атмосферу Земли выбрасывается большое количество газовых загрязнителей, многие из которых оказывают сильное влияние на химические, биологические и физические процессы в природе. Поэтому проблема загрязнения земной атмосферы и гидросферы занимает все более важное место не только во внутренней, но и во внешней политике государств. Это проявляется в сфере международных соглашений по охране окружающей среды.

Для разработки мероприятий по охране окружающей среды важна объективная информация о количественно оценке фактического содержания газовых загрязнителей в атмосфере.

Для мониторинга источников газовых загрязнений и количественного измерения содержания газовых загрязнителей требуется создание высокочувствительных быстродействующих газоанализаторов.

Лазерные газоанализаторы (на основе различных эффектов взаимодействия лазерного излучения с газами) являются наиболее эффективными для дистанционного или неконтактного измерения содержания газовых загрязнителей в земной атмосфере [1-12].

1. Постановка задачи

При мониторинге конкретных источников антропогенных газовых загрязнений (за которыми ведется постоянное наблюдение из-за возможных выбросов загрязняющих веществ) лазерный газоанализатор должен периодически проводить стандартный (рутинный) анализ выбросов этих источников газовых загрязнений.

На сегодняшний день накоплен достаточно большой объем данных по концентрациям газовых загрязнителей на различных металлургических, химических, нефтехимических и т.п. производствах.

Обработка этих данных позволяет получить априорную информацию о статистических характеристиках концентраций газовых загрязнителей (средних значениях и стандартных среднеквадратических отклонениях концентраций). Эта априорная информация упрощает разработку информационного обеспечения лазерного газоанализатора для рутинного измерения состава газовых смесей.

Лазерный газоанализатор для периодического рутинного анализа должен проводить автоматизированные измерения количественного состава атмосферного воздуха в производственном помещении и (или) на территории предприятия.

Информационное обеспечение лазерного газоанализатора должно включать в себя базу данных с коэффициентами поглощения загрязняющих веществ (характерных для потенциальных источников загрязнений) на возможных длинах волн измерения (заполненную для конкретного излучателя лазерного измерителя), а также алгоритмы оперативного поиска длин волн измерения и алгоритмы количественного анализа газовых смесей.

В настоящее время разработаны различные приборы для лазерного газоанализа (см., например, [1-12]). Однако, многие важные для практики вопросы, связанные с разработкой информационного обеспечения лазерного газоанализатора для рутинных измерений остаются неясными. Наиболее важными из этих вопросов являются разработка алгоритма оперативного поиска длин волн измерения и алгоритма количественного газоанализа, учитывающего априорную информацию о контролируемом источнике загрязнений.

Цель работы — разработка информационного обеспечения лазерного измерителя для рутинного газоанализа источников антропогенных газовых загрязнений, за которыми ведется постоянное наблюдение.

2. Алгоритм поиска длин волн измерения

Если априорно известен состав газовых загрязнителей (для конкретного источника загрязнений), то поиск длин волн источника излучения, используемого в лазерном измерителе, может быть осуществлен заранее (до начала проведения измерений) оператором, работающим с лазерным газоанализатором.

Выбор длин волн измерения лазерного газоанализатора (когда измерения проводятся методом дифференциального поглощения и для определения концентрации одного газа требуется проведение лазерных измерений на двух длинах волн) проводится по следующей методике [12]:

1. Для каждого газа, входящего в состав газовой смеси, выбирается две длины волны измерения, расположенные близко друг от друга, так что разность коэффициентов поглощения на этих длинах волн была по возможности наибольшей. При этом на выбранных двух длинах волн коэффициенты поглощения остальных компонент газовой смеси были по возможности наименьшими.

2. При выборе длин волн измерения предпочтение отдается длинам волн с большей интенсивностью излучения лазерного источника, используемого в измерителе.

Описанная методика хорошо работает, однако, чем больше компонент в газовой смеси, тем сложнее становится работа оператора по выбору набора длин волн измерения. Кроме того, не всегда (например, из-за срочности проведения мониторинга) выбор набора длин волн измерения оператором может быть осуществлен заранее. Поэтому важной является задача оперативного поиска длин волн измерения.

Задача разработки алгоритма поиска спектральных каналов измерения для анализируемой газовой смеси является сложной и неоднозначной.

Наиболее приемлемой (по отсутствию грубых ошибок и оперативности работы) является разработанная на основе математического моделирования эвристическая методика [12], требующая небольшого объема вычислений.

На первом этапе для каждого газа выбираются такие две длины волны, для которых изменение коэффициента поглощения является по возможности максимальным, затем эти пары длин волн для каждого газа ранжируются в соответствии с параметром стоимости F (конкретное выражение для параметра стоимости может быть и другим):

Сравнение результатов математического моделирования, приведенных на рисунках 2-4, показывает, однако, что зависимость погрешности определения концентраций газов от отличия задаваемых средних значений концентраций газов смеси от их действительных значений достаточно слабо выражена.

Таким образом, алгоритм, основанный на использовании байесовской оценки, позволяет проводить количественный анализ газовых смесей в широком диапазоне концентраций их компонент, при большой неопределенности значений их концентраций и может быть использован в задачах мониторинга источников газовых загрязнений.

Заключение

Рассмотрена задача разработки информационного обеспечения лазерного измерителя для рутинного газоанализа источников антропогенных газовых загрязнений, за которыми ведется постоянное наблюдение. Описаны алгоритм оперативного поиска длин волн измерения и алгоритм восстановления концентраций газов из лазерных многоспектральных измерений, учитывающие априорную информацию о контролируемом источнике газовых загрязнений и не требующие большого объема вычислений. Методом математического моделирования показана эффективность работы описанных алгоритмов поиска длин волн измерения и количественного анализа газовых выбросов.

Полное содержание: https://cyberleninka.ru/article/n/lazernyy-gazoanalizator-dlya-monitoringa-istochnikov-gazovyh-zagryazneniy