Подал: Правук Богдан Русланович (очно)
Авторы
Правук Б.Р.(1,2), Мещеринов В.В.(1,2), Казаков В.А.(1,2)
Организации
1) Институт космических исследований РАН
2) Московский физико-технический институт (МФТИ)
2) Московский физико-технический институт (МФТИ)
Секция
Космическое приборостроение и эксперимент
Научный руководитель
Родин А.В.
Текст тезисов
На сегодняшний день остро стоит проблема контроля антропогенного и естественного баланса климатически активных веществ, из которых наибольшее внимание привлекают такие парниковые газы, как CO2 и CH4. В связи с этим стоит вопрос о разработке устройств для прецизионного измерения концентрации и потоков климатически активных газов. Первенство в этой сфере занимает продукция компании LI-COR (США), в частности, приборы LI-7700, LI-7500, LI-7200. Мы представляем газоанализатор для измерения потоков парниковых газов в приземных слоях атмосферы, превосходящий подобные газоанализаторы для измерений потоков климатически активных веществ по ряду параметров.
Одним из отличий разрабатываемого газоанализатора является использование в качестве рабочего спектрального диапазона области вблизи линии поглощения метана на длине волны 3,24 мкм (3086 см-1), принадлежащей фундаментальной моде колебаний связи C-H. Интенсивность этой линии поглощения примерно в 40 раз превосходит интенсивность линии обертона этой моды вблизи 1,65 мкм (6057 см-1). Это позволяет уменьшить оптический путь генерируемого лазерного излучения, тем самым облегчая юстировку прибора и повышая его устойчивость к изменениям внешних условий. Также в отличии от приборов LI-COR, разрабатываемый газоанализатор может измерять одновременно три газовых составляющих атмосферного воздуха, являющихся наиболее эффективными парниковыми газами (H2О, CH4, CO2).
В приборе используется четырехпроводная кювета полуоткрытого типа, основанная на схеме Уайта. Длина оптического пути кюветы составляет 1,3 м, что для атмосферного воздуха в приземном слое будет соответствовать поглощению метана на уровне около 2%, и поглощению углекислого газа на уровне 20%.
В основе работы разрабатываемого газоанализатора лежит методика диодно-лазерной спектроскопии с модуляцией длины волны (wavelength modulation spectroscopy, WMS). Длина волны излучения лазера модулируется током инжекции на частоте f =13.3 кГц при стабилизации температуры для сканирования участка спектрального диапазона вблизи выбранной линии поглощения.
Демодуляция детектируемого сигнала, прошедшего через поглощающую среду, осуществляется путем вычисления второй гармоники сигнала на частоте 2f, которая пропорциональна поглощению и имеет форму второй производной сигнала. Данный метод позволяет избавиться от проблемы определения базовой линии, а также позволяет подавить низкочастотные шумы, к примеру, фликкер-шум.
Определение концентрации газов осуществляется, путем моделирования второй производной сигнала с помощью спектроскопической базы HITRAN и дальнейшего сравнения модели со второй производной измеренного сигнала при помощи регрессионного анализа. В результате измерений среднее значение CH4 в воздухе составило 2.3 ppm, CO2 – 420 ppm.
Одним из отличий разрабатываемого газоанализатора является использование в качестве рабочего спектрального диапазона области вблизи линии поглощения метана на длине волны 3,24 мкм (3086 см-1), принадлежащей фундаментальной моде колебаний связи C-H. Интенсивность этой линии поглощения примерно в 40 раз превосходит интенсивность линии обертона этой моды вблизи 1,65 мкм (6057 см-1). Это позволяет уменьшить оптический путь генерируемого лазерного излучения, тем самым облегчая юстировку прибора и повышая его устойчивость к изменениям внешних условий. Также в отличии от приборов LI-COR, разрабатываемый газоанализатор может измерять одновременно три газовых составляющих атмосферного воздуха, являющихся наиболее эффективными парниковыми газами (H2О, CH4, CO2).
В приборе используется четырехпроводная кювета полуоткрытого типа, основанная на схеме Уайта. Длина оптического пути кюветы составляет 1,3 м, что для атмосферного воздуха в приземном слое будет соответствовать поглощению метана на уровне около 2%, и поглощению углекислого газа на уровне 20%.
В основе работы разрабатываемого газоанализатора лежит методика диодно-лазерной спектроскопии с модуляцией длины волны (wavelength modulation spectroscopy, WMS). Длина волны излучения лазера модулируется током инжекции на частоте f =13.3 кГц при стабилизации температуры для сканирования участка спектрального диапазона вблизи выбранной линии поглощения.
Демодуляция детектируемого сигнала, прошедшего через поглощающую среду, осуществляется путем вычисления второй гармоники сигнала на частоте 2f, которая пропорциональна поглощению и имеет форму второй производной сигнала. Данный метод позволяет избавиться от проблемы определения базовой линии, а также позволяет подавить низкочастотные шумы, к примеру, фликкер-шум.
Определение концентрации газов осуществляется, путем моделирования второй производной сигнала с помощью спектроскопической базы HITRAN и дальнейшего сравнения модели со второй производной измеренного сигнала при помощи регрессионного анализа. В результате измерений среднее значение CH4 в воздухе составило 2.3 ppm, CO2 – 420 ppm.