Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

Программно-алгоритмическая система для численного моделирования широкополосного лазерного газоанализа атмосферы


https://doi.org/10.31799/1684-8853-2018-6-66-73

Полный текст:


Аннотация

Введение: актуальной исследовательской задачей является разработка гибких программно-алгоритмических комплексов с возможностью эволюционного развития расчетного функционала для успешного решения проблем оперативного и качественного контроля параметров окружающей среды. Цель: разработка модульной системы численного моделирования лазерного газоанализа атмосферы. Результаты: на основе математического аппарата метода дифференциального поглощения разработана программно-алгоритмическая система, обеспечивающая расчет сечений молекулярного поглощения, коэффициентов молекулярного поглощения, спектров пропускания атмосферы и лидарных сигналов. Расчет контуров линий поглощения производится с использованием контура Фойгта. В качестве источников априорной информации используются базы спектроскопических данных HITRAN и статистические модели распределения температуры, давления и газовых компонент атмосферы. Вместе с тем для моделирования лидарных сигналов разработаны программные блоки расчета и учета коэффициента молекулярного рассеяния и коэффициентов аэрозольного поглощения и рассеяния. Для проверки применимости различных лазерных источников в задачах экологического мониторинга атмосферы разработан блок расчета ошибок восстановления концентраций исследуемых газовых компонент атмосферы при неучете поглощения лазерного излучения сторонними газами. В целях проверки корректности функционирования программного комплекса разработан программный блок сравнения результатов моделирования спектров поглощения и пропускания атмосферы с применением общепринятой информационной системы SPECTRA. Величина несовпадения результатов расчета спектров пропускания атмосферы, полученных с использованием программно-алгоритмической системы, при сравнении с результатами SPECTRA составляет менее 7%. Таким образом, набор представленных программных блоков позволяет осуществлять комплексное моделирование дистанционного газоанализа атмосферы. Практическая значимость: программно-алгоритмический комплекс позволяет производить экспресс-оценку возможностей применения широкого круга источников лазерного излучения в задачах дистанционного газоанализа атмосферы.


Об авторе

С. А. Садовников
Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН
Россия

Садовников Сергей Александрович - аспирант, младший научный сотрудник. В 2015 году окончил Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники по специальности «Фотоника и оптоинформатика». Является автором 16 научных публикаций.

Область научных интересов — атмосферный пограничный слой, физика лазеров, спектроскопия атмосферы.

пл. Академика Зуева, 1, Томск, 634055.



Список литературы

1. Schotland R. M. Some observations of the vertical profile of water vapor by a laser optical radar. Proc. Fourth Symposium on Remote Sensing of the Environment, Ann Arbor, Michigan, 1966, pp. 273–283.

2. Lampel J., Zielcke J., Schmitt S., Pöhler D., FrießU., Platt U., Wagner T. Detection of O4 absorption around 328 and 419 nm in measured atmospheric absorption spectra. Atmospheric Chemistry and Physics, 2018, vol. 18, iss. 3, pp. 1671–1683. doi:10.5194/acp-18-1671-2018

3. Романовский О. А., Суханов А. Я., Харченко О. В., Яковлев С. В., Садовников С. А. Моделирование дистанционного газоанализа атмосферы лазерной системой на основе параметрического генератора света. Информационно-управляющие системы, 2017, № 5, с. 71–79. doi:10.15217/issn1684-8853.2017.5.71

4. Sandford S. A., Bernstein M. P., Materese C. K. The infrared spectra of polycyclic aromatic hydrocarbons with excess peripheral H atoms (Hn-PAHs) and their relation to the 3.4 and 6.9 μm PAH emission features. The Astrophysical Journal Supplement Series, 2013, vol. 205, no. 1, pp. 1–30. doi:10.1088/0067-0049/205/1/8

5. Lambert-Girard S., Allard M., PichéM., Babin F. Differential optical absorption spectroscopy lidar for mid-infrared gaseous measurements. Applied Optics, 2015, vol. 54, no. 7, pp. 1647–1656. doi:10.1364/AO.54.001647

6. Griffith D. W. T., Pohler D., Schmitt S., Hammer S., Vardag S. N., Platt U. Long open-path measurements of greenhouse gases in air using near-infrared fourier transform spectroscopy. Atmospheric Measurement Techniques, 2018, vol. 11, iss. 3, pp. 1549–1563. doi:10.5194/amt-11-1549-2018

7. Айрапетян В. С., Маганакова Т. В. Расчет концентрации наркотических веществ методом дифференциального поглощении и рассеяния. СибОптика-2015: сб. материалов Междунар. науч. конф., Новосибирск, 13–25 апреля 2015 г., Новосибирск, 2015, т. 1, с. 141–147.

8. Guo J., Xie J.-J., Li D.-J., Yang G.-L., Chen F., Wang C.-R., Zhang L.-M., Andreev Y. M., Kokh K. A., Lanskii G. V., Svetlichnyi V. A. Doped GaSe crystals for laser frequency conversion. Light: Science & Applications, 2015, vol. 4, iss. 12, pp. 1–12. doi:10.1038/lsa.2015.135

9. Колкер Д. Б., Шерстов И. В., Костюкова Н. Ю., Бойко А. А., Зенов К. Г., Пустовалова Р. В. Комбинированный параметрический генератор света с непрерывной перестройкой длины волны излучения в спектральном диапазоне 2.5–10.8 мкм. Квантовая электроника, 2017, т. 47, № 1, с. 14–19.

10. Демьяненко М. А., Козлов А. И., Овсюк В. Н. Аналитическое сравнение характеристик фотоприемников инфракрасного диапазона на основе фотодиодов HgCdTe и фотодетекторов GaAs/AlGaAs с квантовыми ямами. Оптический журнал, 2016, т. 83, № 9, с. 64–71.

11. Bressert E. Scipy and Numpy: an Overview for Developers. O’Reilly Media, 2012. 67 p.

12. Gordon I. E., Rothman L. S., Hill C., Kochanov R. V., Tan Y., Bernath P. F., Birk M., Boudon V., Campargue A., Chance K. V., Drouin B. J., Flaud J.-M., Gamache R. R., Hodges J. T., Jacquemart D., Perevalov V. I., Perrin A., Shine K. P., Smith M.-A. H., Tennyson J., Toon G. C., Tran H., Tyuterev V. G., Barbe A., Császár A. G., Devi V. M., Furtenbacher T., Harrison J. J., Hartmann J.-M., Jolly A., Johnson T. J., Karman T., Kleiner I., Kyuberis A. A., Loos J., Lyulin O. M., Massie S. T., Mikhailenko S. N., Moazzen-Ahmadi N., Müller H. S. P., Naumenko O. V., Nikitin A. V., Polyansky O. L., Rey M., Rotger M., Sharpe S. W., Sung K., Starikova E., Tashkun S. A., Vander Auwera J., Wagner G., Wilzewski J., Wcisáo P., Yu S., Zak E. J. The HITRAN2016 molecular spectroscopic database. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2017, vol. 203, pp. 3–69. doi:10.1016/j.jqsrt.2017.06.038

13. Зуев В. Е., Макушкин Ю. С., Пономарев Ю. Н. Спектроскопия атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 248 с.

14. Edwards D. P. GENLN2: A general line-by-line atmospheric transmittance and radiance model. NCAR Technical Note, 1992. 147 p. doi:10.5065/D6W37T86

15. Бобровников С. М., Матвиенко Г. Г., Романовский О. А., Сериков И. Б., Суханов А. Я. Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2014. 508 с.

16. Hinkley E. D. Laser Monitoring of the Atmosphere. Springer-Verlag, 1976. 396 p.

17. Романовский О. А., Харченко О. В., Яковлев С. В. Методические аспекты лидарного зондирования малых газовых составляющих атмосферы по методу дифференциального поглощения. Журнал прикладной спектроскопии, 2012, т. 79, № 5, с. 799–805.

18. Terlouw J. P., Vogelaar M. G. R., Breddels M. A. Kapteyn documentation. https://media.readthedocs.org/pdf/kapteyn/latest/kapteyn.pdf (дата обращения: 27.09.2018).

19. Зуев В. Е., Комаров В. С. Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 264 с.

20. Penndorf R. Tables of the refractive index for standard air and the rayleigh scattering coefficient for the spectral region between 0.2 and 20.0 μ and their application to atmospheric optics. Journal of the Optical Society of America, 1957, vol. 47, iss. 2, pp. 176–182. doi:10.1364/JOSA.47.000176

21. Креков Г. М., Рахимов Р. Ф. Оптико-локационная модель континентального аэрозоля. Новосибирск: Наука, 1982. 199 с.

22. Kochanov R. V., Gordon I. E., Rothman L. S., Wcislo P., Hill C., Wilzewski J. S. HITRAN Application Programming Interface (HAPI): A comprehensive approach to working with spectroscopic data. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2016, vol. 177, pp. 15–30. doi:10.1016/j.jqsrt.2016.03.005

23. Михайленко С. Н., Бабиков Ю. Л., Головко В. Ф. Информационно-вычислительная система «Спектроскопия атмосферных газов». Структура и основные функции. Оптика атмосферы и океана, 2005, т. 18, № 09, с. 765–776.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Садовников С.А. Программно-алгоритмическая система для численного моделирования широкополосного лазерного газоанализа атмосферы. Информационно-управляющие системы. 2018;(6):66-73. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2018-6-66-73

For citation: Sadovnikov S.A. Software system for numerical simulation of broadband laser gas analysis of the atmosphere. Information and Control Systems. 2018;(6):66-73. (In Russ.) https://doi.org/10.31799/1684-8853-2018-6-66-73

Просмотров: 72


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1684-8853 (Print)
ISSN 2541-8610 (Online)