Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание технологий лазерного дистанционного зондирования атмосферных проявлений чрезвычайных ситуаций природного (вулканы, лесные пожары, песчаные бури и т.д.) и техногенного (взрывчатые вещества, аварийные выбросы промышленных предприятий и т.д.) характера

Докладчик: Романовский Олег Анатольевич

Должность: зав. НОЦ ИОА СО РАН, доцент, д.ф.-м.н.

Цель проекта:
Основная цель проекта при создании технологий лазерного дистанционного зондирования атмосферы заключается в развитии физических основ взаимодействия лазерного излучения с веществом для выявления новых физических эффектов, разработке новых методов интерпретации и обработки получаемой информации, а также разработке на их основе оригинальных лазерных приборов дистанционного зондирования компонент атмосферы природного и техногенного происхождения.

Основные планируемые результаты проекта:
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
1. Разработка многоволновой лазерной дистанционной системы на основе лазерных излучателей в диапазоне 2 – 16 мкм для диагностики аварийных выбросов опасных производств и взрывчатых веществ.
Возможный путь решения задачи.
Проект ориентируется на сочетание отечественных разработок лазерных излучателей (Институт лазерной физики СО РАН и ООО «Специальные технологии», г. Новосибирск) разработок многоволновых спектроскопических методов дистанционного зондирования, (Институтом оптики атмосферы им. В.Е.Зуева СО РАН).
Дистанционные лазерные детекторы с такими потенциальными возможностями в настоящее время в мире не производятся.
2. Разработка и исследование метода дистанционной диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР с высокой чувствительностью и помехозащищенностью и создания на его основе СКР-лидара.
2.1. Проанализировать возможность создания метода дистанционной диагностики окружающей среды на основе эффекта СКР при использовании УФ диапазона длин волн;
2.2. Разработать математическую модель процесса зондирования атмосферы на основе эффекта СКР в УФ области спектра. Определить требования к характеристикам лидара. Провести математическое моделирование оптической схемы лидара;
2.3. Разработка информационно-вычислительной системы для дистанционного газоанализа атмосферы методом дифференциального поглощения;
2.4. Разработать оптимальный вариант выделения спектральных компонент откликов СКР на загрязняющих веществах;
3. Разработка аэрозольно-рамановского поляризационного многоволнового лидара для контроляоптических и микрофизических параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы.
3.1. Разработка теоретических основ по анализу данных многоволновых лидарных и фотометрических наблюдений для восстановления высотной тонкой структуры озона, водяного пара, микрофизических параметров аэрозоля, восстановлению оптических параметров из совместного анализа сигналов упругого и комбинационного рассеяния
3.2. Разработка макетов приемо-передатчика лидара с использованием линейной и круговой поляризации; двух приемных телескопов – ближней и дальней зоны зондирования; блока системы регистрации лидарных сигналов, обеспечивающих одновременный прием сигналов в аналоговом и счетно-фотонном режимах.
3.3. Разработка методики поляризационного лазерного зондирования кристаллических облаков для выявления областей с хаотической и упорядоченной ориентацией кристаллов.
Возможный путь решения задачи.
Решение обратных задач по определению параметров атмосферы в условиях априорной неопределенности.
Разрабатываемые алгоритмы включают устойчивый метод численного дифференцирования.
Преобразование области допустимых значений коэффициента ослабления сводит задачу к восстановлению профиля лидарного отношения, что приводит к повышению разрешения по сравнению с традиционными методами. Теоретическое получение аналитических выражений по оценке степени деполяризации излучения из измерений с линейной или круговой поляризацией по формулам, соответствующим диагональной форме матрицы обратного рассеяния света (МОРС).
Ожидаемые результаты
1. Результаты полного системного анализа локализации полос поглощения молекул опасных химических соединений в диапазоне 2-16мкм, выбор и обоснование перспективных лазерных источников и рабочих интервалов частот.
2. Эскизно- конструкторская документация на макет дистанционного лазерного детектора для диапазона 7-11 мкм.
3. Создание и испытания на исследовательском стенде ИОА СО РАН макета дистанционного лазерного
детектора и измерительных методик.
4. Специализированный пакет алгоритмов и программ для моделирования дистанционных многоволновых лазерных детекторов.
5. Математическая модель процесса зондирования атмосферы на основе эффекта СКР в УФ области спектра;
6. Макет СКР-лидара для дистанционного контроля химических и взрывчатых веществ;
7. Рекомендации по методикам настройки и калибровки, как отдельных узлов, так и СКР-лидара в целом.
8. Макет аэрозольно-рамановского поляризационного многоволнового лидара для контроля оптических и микрофизических параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы.
9. Информационно-вычислительная система для дистанционного газоанализа атмосферы методом дифференциального поглощения;
10. Проект ТЗ на ОКР на многоволновый дистанционный детектор опасных химических соединений на основе многоволновых ИК лазеров с широкой областью перестройки; СКР-лидар для дистанционного контроля химических и взрывчатых веществ; аэрозольно-рамановский поляризационный многоволновой лидар для контроля оптических и микрофизических параметров аэрозольных и облачных полей атмосферы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения планируемых результатов:
- Контроль техногенных атмосферных проявлений:
- Обеспечение служб обнаружения и контроля за аварийными выбросами на производственных объектах, контроля за производством, локализацией и распространением взрывчатых веществ, диагностика опасных газовых эмиссий естественного и антропогенного происхождения с помощью мобильных многоволновых лазерных детекторов дистанционного действия;
- Дистанционная скрытная инспекция продуктов переработки на техногенных производствах. Внеплановая проверка выбросов из организованных источников. Оценка вклада отдельных источников в общее поле загрязнения атмосферы. Определение распределения загрязняющих примесей в атмосфере и масштаба техногенных катастроф. Количественный контроль несанкционированных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Итогом применения разрабатываемого метода и приборов на его основе станет оснащение оперативных постов экологического и производственного контроля, мобильных и стационарных пунктов досмотра техники и людей. Особенностью разрабатываемой системы является ее универсальность и использование ключевой комплектации отечественного производства.
- Контроль атмосферных проявлений при чрезвычайных ситуациях природного характера. Комплексная система мониторинга будет являться эффективным механизмом для внедрения результатов методических и аппаратурных разработок в области контроля параметров атмосферных компонентов для решения экологических задач, оценки последствий чрезвычайных ситуаций, загрязнения атмосферы и изменения климата. Комплексная система дистанционного мониторинга параметров газовых и аэрозольной компонентов атмосферы будет использоваться для валидации и анализа спутниковых данных.
- Результаты регулярных и специальных наблюдений будут использоваться для оценки экологических условий в регионах, идентификации источников загрязняющих выбросов и определения зон влияния, оценки воздействия крупномасштабного и трансграничного переноса загрязнений на качество воздуха и состояния окружающей среды в регионах.
ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТА
Выход на рынок заключается в создании новых технологических решений в области лидарного приборостроения. Такие решения в настоящее время обусловлены созданием отдельных блоков лидара, которые могут использоваться повсеместно в мировой лидарной сети. В частности, актуальными являются блоки спектральной селекции сигналов спонтанного комбинационного рассеяния при измерении профилей температуры атмосферы, фотометрические блоки лидара для измерений в условиях сильных солнечных помех и т.д. Все это требует проведения соответствующей опытно-конструкторской работы, для чего к работам и привлекается индустриальный партнер.
Отдельной задачей выхода на рынок является создание приборов дистанционного зондирования опасных и взрывчатых веществ.
Сфера применения - обеспечение служб обнаружения и контроля за аварийными выбросами на производственных объектах, контроля за производством, локализацией и распространением взрывчатых веществ, диагностика опасных газовых эмиссий естественного и антропогенного происхождения с помощью мобильных многоволновых лазерных детекторов дистанционного действия.
Масштабность использования предлагаемых методов и образцов техники в этой области по нашим оценкам составят от десятков до сотен единиц в год, в зависимости от типа создаваемого образца, только в масштабах России.

Текущие результаты проекта:
За отчетный период получены следующие результаты проекта:
- Подготовлен аналитический обзор и анализ научно-технической литературы в области мониторинга атмосферы;
- Проведены патентные исследования, определены технические и методологические решения, подлежащих защите как РИД;
- Проведены исследование, обоснование и выбор направления исследований и способов решения поставленных задач;
- Проведены исследование и разработка спектроскопических методов для дистанционного лазерного газоанализа атмосферы;
- Проведены исследование и разработка алгоритмов для дистанционного газоанализа атмосферы методом дифференциального поглощения;
- Разработана математическая модель процесса зондирования атмосферы на основе эффекта СКР;
- Разработана математическая модель оптической схемы лидара и определены требования к характеристикам лидара;
- Разработана методика определения оптимальных спектральных интервалов в диапазоне 2-16 мкм и технических требованиям к многоволновым лазерным излучателям;
- Разработана методика многочастотного лазерного зондирования оптических характеристик атмосферных аэрозолей по сигналам обратного упругого рассеяния.