ROUTE CARBON DIOXIDE METER
ROUTE CARBON DIOXIDE METER
Abstract
The steady increase in carbon dioxide concentrations is known to result in a significant intensification of the greenhouse effect on planet Earth. The main focus has been on its ability to influence the global climate. Much less discussed is the direct impact of the rising concentrations and spatial distribution of the gas on forested areas and agricultural crops. Some assessments suggest that the accumulation of carbon dioxide in the atmosphere has rendered the Siberian forests unable to absorb such an amount of carbon dioxide. Clearly, at a time of such rapid climate change, it is vital that the gas composition of the atmosphere, including carbon dioxide, be monitored intensively.
1. Введение
Изменение климата и состояния окружающей среды – одна из самых сложных проблем, с которой человечество столкнулось в конце прошлого столетия. Измерение концентраций газов в атмосфере на трассах различной протяжённости является одним из актуальных направлений исследований и может применяться как для фундаментальных исследований динамики парниковых газов в различных регионах, так и при решении широкого круга прикладных задач. Наряду с пробоотборными подходами при решении научной проблемы наблюдения за газовым составов атмосферы активно применяются лидарные методы и системы зондирования , , .
Лидарные системы обладают рядом существенных преимуществ и позволяют бесконтактно и дистанционно регистрировать данные о параметрах атмосферы в различных пространственных масштабах. Инфракрасный (ИК) диапазон спектра представляет значительный интерес в вопросах наблюдения за концентрациями парниковых газов и обнаружения повышенного содержания техногенных газов в атмосфере, так как в нём расположен большой набор полос поглощения различных газов.
2. Трассовый метод дифференциального поглощения
При разработке систем дистанционного газоанализа могут применяться самые различные источники излучения: естественные (излучение Солнце и отраженное от Луны солнечное излучение), широкополосные лазеры, узкополосные лазерные диоды, газовые лазеры и т.д. Однако особый интерес представляют системы, основанные на лазерах с параметрической генерацией света (ПГС), которые способны обеспечивать широкий спектральный диапазон высокоэнергетического перестраиваемого излучения. В рамках исследования решалось несколько задач: расчет лидарных сигналов, отражающихся от топографических объектов, так как планируется применение трассовой схемы зондирования с использованием метода дифференциального поглощения , , разработка конструкции лидара. В методе дифференциального поглощения при зондировании используется от двух линий генерации лазерного излучения (т.н. online и offline), одна из которых попадает в максимум линии поглощения исследуемых молекул, а вторая располагается вне этой линии, либо на её крыле. Информация о концентрации исследуемых газов в атмосфере извлекается путём сравнения регистрируемых лидарных сигналов на этих двух или более длинах волн. Трассовая схема зондирования для решения подобных задач предполагает регистрацию лазерного излучения, отраженного от топографических целей.
На первом этапе работы проводился расчёт спектров пропускания газовой смеси в кювете для определения положения наиболее мощных полос поглощения углекислого газа. Далее для обнаруженных областей поглощения было проведено численное моделирование спектров пропускания атмосферы. На основе полученных результатов были обнаружены поддиапазоны с наименьшим влиянием водяного пара. После решения данных задач, можно было переходить к расчёту лидарных сигналов. Расчёт лидарных сигналов проводился для двух пограничных случаев – тропики и полярные широты (см. рис. 1).
![Лидарные сигналы трассового зондирования углекислого газа](/media/images/2023-04-10/8755d8d3-5191-48e5-80f3-505b69746aa3.png)
Рисунок 1 - Лидарные сигналы трассового зондирования углекислого газа
Примечание: протяжённость трассы 1 км, альбедо отражающей поверхности 0,1
Уровень изображённых на рисунке 1 лидарных сигналов для тропических и полярных широт свидетельствует о возможности эффективной регистрации обратно-рассеянного излучения в выбранном спектральном диапазоне. Выбранные длины волн зондирования попадают на участки с различным поглощением целевого газа, поэтому могут быть использованы на трассах различной протяжённости.
3. Калибровка длин волн генерации лазера
Для корректной работы лидарных систем дистанционного газоанализа атмосферы неотъемлемым этапом является калибровка длин волн генерации лазера. В рамках настоящей работы калибровка положения линий излучения параметрического генератора ближнего ИК диапазона проводилась с применением газовой кюветы, наполненной целевым газом (СО2). На рисунке 2 представлена схема эксперимента по калибровке спектрального положения линии генерации лазера.
Перед экспериментом производились следующие действия: в первую очередь к газовой кювете подсоединялся газовый баллон наполненный СО2 (ГОСТ 8050-85). Для регулировки подачи углекислого газа в кювету применялся редуктор УР 6 6 mini (Krass, Россия, Китай). Подключение редуктора к газовой кювете производилось с использованием силиконового шланга. Для вытеснения из газовой кюветы сторонних газов производилась продувка углекислым газом.
![Схема эксперимента по калибровке положения линии генерации](/media/images/2023-04-10/f27ca652-0a68-4e22-bd37-e8bb926cb30f.png)
Рисунок 2 - Схема эксперимента по калибровке положения линии генерации
![Восстановленный спектр пропускания газовой смеси](/media/images/2023-04-10/f848484c-0def-4464-bec3-dd52c46eed01.png)
Рисунок 3 - Восстановленный спектр пропускания газовой смеси
С учётом характеристик лазера и газовой кюветы восстановленный спектр пропускания газовой смеси, представленный на рисунке 3, соответствует теоретически ожидаемому и подтверждает возможность использования лазерного источника для перехода к проведению работ по измерению концентрации углекислого газа в атмосферных условиях.
4. Программа автоматического формирования перестроечной кривой лазера с ПГС и конструкция лидара
При эксплуатации параметрических генераторов света с угловым синхронизмом одной из возможностей для доработки является частичное изменение конфигурации лазерной системы, например, смена диапазона генерации путём замены нелинейных кристаллов. По этой причине одной из часто возникающих задач является формирование перестроечных кривых лазера, а именно, зависимостей положения шаговых двигателей и дифрагирующих элементов от длины волны генерации. Зачастую подобные системы обладают набором шаговых двигателей для более удобной, быстрой и точной установки нелинейных кристаллов и дифракционных решёток в положения, наиболее пригодные для эффективной генерации. Несмотря на относительную простоту процедуры формирования перестроечных кривых, при работе с лазерами, перестраивающимися в широких диапазонах спектра (сотни нанометров), она приобретает крайне время- и трудозатратный характер. Именно по этой причине одна из задач настоящего проекта состояла в разработке программы автоматического формирования перестроечной кривой лазера с параметрической генерацией света.
Принцип работы программы заключается в следующем – на вход программы подаётся не менее трех реперных точек для каждой из перестроечных кривых, определяющих положение дифракционной решётки, кристаллов первого и второго каскада, полученных в ходе первичных экспериментов. Следующий шаг – формирование сглаженных перестроечных кривых с использованием полиномиальных функций различных порядков. На рисунке 4 представлены результаты работы программы.
![Рассчитанные перестроечные кривые](/media/images/2023-04-10/bd719ae2-7a5b-4f01-9e94-06c205335bab.png)
Рисунок 4 - Рассчитанные перестроечные кривые
Для контроля корректности рассчитанных функций была разработана программа автоматического измерения зависимости энергии импульса от длины волны генерации. При поставке лазер был укомплектован стандартной программой управления положением шаговых двигателей, однако данная программа ограничена функциями «ручного» управления. По этой причине в первую очередь был разработан модуль управления шаговыми двигателями для проведения автоматизированных экспериментов без участия оператора. Для решения данной задачи в качестве языка программирования (ЯП) выбран Python 3.8.11 , включающий библиотеку «winapi» , которая позволяет виртуально управлять приложениями операционной системы «Windows». Применение данной библиотеки позволило обращаться к отдельным полям приложения, обеспечив возможность программного ввода необходимых положений шаговых двигателей, нажимать соответствующие кнопки управления, а именно, «сбросить», «установить», «сбросить и установить» угол поворота.
Вторая часть решения рассматриваемой задачи состояла в автоматизации измерения энергии импульсов с применением упомянутого ранее прибора PM100USB (Thorlabs, США) с пироэлектрическим датчиком. Данная работа проводилась с использованием стандартной библиотеки ctypes, которая позволяет использовать динамически подключаемые библиотеки различных ЯП. Применяя поставляемый с прибором комплект для разработки программного обеспечения, удалось разработать модуль для регистрации лазерных импульсов с возможностью изменения диапазона измерения энергий и количества усредняемых импульсов.
Далее, рассмотренные ранее модули были объединены в единую программу, графический интерфейс которой представлен на рисунке 5.
![Графический интерфейс программы автоматического измерения зависимости энергии импульса от длины волны](/media/images/2023-04-10/c13b1394-6f04-4321-8b46-ab04097222e9.png)
Рисунок 5 - Графический интерфейс программы автоматического измерения зависимости энергии импульса от длины волны
Вместе с тем в процессе выполнения задач исследования спроектирована трехмерная модель конструкции лидара для измерения усредненной концентрации углекислого газа в атмосфере (см. рис. 6).
![Трехмерная модель приемной части лидара](/media/images/2023-05-15/2b9ded89-f960-480a-9412-bd66c9ab4013.jpg)
Рисунок 6 - Трехмерная модель приемной части лидара
При разработке конструкции использованы коммерчески-доступные элементы Thorlabs для обеспечения возможности её воспроизведения при возникновении необходимости масштабирования или модификации существующих лидарных установок и в случаях разработки новых систем. Корпусы для фотоприемников предполагается изготавливать с помощью 3D-принтера. Эксплуатация разрабатываемой системы может проводиться в помещениях, либо на передвижных платформах, в которых обеспечивается температура от +15 °C до +27 °C и относительная влажность воздуха от 45% до 60%. При этом условия внешней среды, исходя из результатов численного моделирования спектров пропускания атмосферы и лидарных сигналов, могут варьироваться от тропических до полярных широт, с учётом соответствующих вариаций концентрации водяного пара. При этом на практике предполагается применение данной системы в условиях средних широт.
5. Заключение
Таким образом, разработана программа обеспечивающая возможность автоматического формирования перестроечной кривой лазера с ПГС с последующей экспериментальной проверкой эффективности его генерации, разработана трехмерная модель конструкции лидара. Косвенный результат разработки программного обеспечения – возможность существенного ускорения проведения экспериментов по измерению спектров пропускания газовых смесей в кювете. На текущий момент проводятся работы по созданию экспериментальной установки для измерения концентраций СО2 в атмосфере, базирующейся на представленных результатах численного моделирования, разработанных программных модулях и сформированной трёхмерной модели.