ІДЕНТИФІКАЦІЯ РЕЧОВИН У ВІДКРИТІЙ АТМОСФЕРІ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ ВИМІРЮВАНЬ ФУР’Є-СПЕКТРОРАДІОМЕТРА
Ковальов Олександр Олександрович
Національний університет цивільного захисту України, Харків, Україна
https://orcid.org/0000-0002-4974-5201
Титаренко Андрій Вікторович
Національний університет цивільного захисту України, Харків, Україна
https://orcid.org/0000-0003-4878-9170
DOI: 10.52363/2522-1892.2023.1.7
Ключові слова: Фур’є-спектроскопія, інфрачервоні спектри, дистанційний газоаналіз, ідентифікація речовин, відновлення концентрацій, шуми
Анотація
Проведено теоретичне обґрунтування вибору методу безпробовідбоного визначення речовин у відкритій атмосфері та обрано метод оперативного дистанційного безпробовідбірного газоаналізу атмосферного повітря в умовах надзвичайних ситуацій. У результаті аналітичного огляду методів безпробовідборного визначення речовин у відкритій атмосфері встановлено, що найбільш доцільним є застосування оптичних спектральних методів контролю якості атмосферного повітря складу атмосфери, які засновані на реєстрації електромагнітного випромінювання та аналізі хімічного складу об'єкта спостереження.
Для визначення ефективного методу дистанційного моніторингу складено аналітичну класифікацію оптичних спектральних методів дистанційного моніторингу: лідарні методи, акустооптичні фільтри, кореляційні спектрометри, інтерференційні світлофільтри з переналаштуванням, застосування інтерферометра Фабрі-Перо або Фур’є-спектрометрії. Визначено, що для вирішення задачі безпробовідбірного аналізу речовин у відкритій атмосфері найбільш доцільно застосування інфрачервоного Фур’є-спектрорадіометра середнього спектрального дозволу, що працює в пасивному режимі у вікні прозорості атмосфери 7…14 мкм і дозволяє отримувати експериментальну інформацію в режимі реального часу.
Розроблено алгоритми чисельного вирішення задачі ідентифікації речовин та визначення їх концентрацій за інфрачервоними спектрами середньої роздільної здатності в області 7…14 мкм, отриманими на ІЧ Фур’є-спектрорадіометрі. Алгоритми дозволяють встановлювати речовини за одиничним спектром відкритої атмосферної траси. Замість розгляду багатовимірної системи лінійних рівнянь пропонується вирішувати одне чи кілька одномірних завдань. Перехід до одномірного завдання здійснюється методами кореляційного аналізу. Досліджено вплив шумів у вихідному спектрі на величину похибки визначення концентрацій. Встановлено, що помилка розв'язання зворотної задачі лінійно зростає зі збільшенням середньоквадратичного значення шуму у вхідному спектрі.
Посилання
1. Ковалёв А. А. Обоснование метода оперативного контроля состояния атмосферы в условиях чрезвычайных ситуацій. Проблеми надзвичайних ситуацій. 2020. Вип. 31. С. 138–175.
2. Scanning Fourier transform spectrometer in the visible range based on birefringent wedges / Oriana A. et al. Journal of the Optical Society of America. 2016. Vol. 33. Issue 7. P. 1415–1420.
3. Study on recognition method of ethylene gas based on absorption characteristics of infrared spectrum / Liu J. et al. Applied Optics and Photonics China (AOPC2019), 2019, Beijing, China. Proceedings. 2019. Vol. 11338. Art. 113380G. P. 28–59
4. Killinger D. K., Menzies R. T. Editorial for the Special Issue “Optical and Laser Remote Sensing of the Atmosphere”. Remote Sensing. 2019. Vol. 11(7). Art. 742.
5. Impact analysis of surface albedo heterogeneity on shortwave radiation using a 3D radiative transfer model / Wang L. et al. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2020. Vol. 204. Art. 105287. P. 37–54.
6. Blaunstein N., Kopeika N. Optical waves and laser beams in the irregular atmosphere. CRC Press, 2017: 334 р.
7. Infrared laser-absorption sensing for combustion gases / Goldenstein C. S., Spearrin R. M., Jeffries J. B., Hanson R. K. Progress in Energy and Combustion Science. 2017. Vol. 60. P.132–176.
8. Метод локального моніторингу атмосфери за допомогою безпілотних літальних апаратів / Ковальов О. О., Єлізаров О. В., Коханенко В. Б., Манжура С. А. Проблеми надзвичайних ситуацій. 2021. Вип. 34. C. 208–231.
9. Remote sense for environment pollution gases in wide infrared spectral range / Zheng W. et al. Infrared and Laser Engineering. 2019. Vol. 48(11). Art. 110400. P. 34–58.
10. Development of compact stand-off hazardous chemical detector based on Michelson interferometer / Lee, J. H. et al. Optical Engineering. 2018. Vol. 57(8). Art. № 084105. P. 108–132.
11. Microring resonator-assisted Fourier transform spectrometer with enhanced resolution and large bandwidth in single chip solution / Zheng S. N. et al. Nature Communications. 2019. Vol. 10. Art. 2349. P. 18–32.
12. High-performance and scalable on-chip digital Fourier transform spectroscopy / Kita D. M. et al. Nature Communications. 2018. Vol. 9. Art. 4405.
13. Svedberg U. Fourier Transform Infrared Spectroscopy in Industrial Hygiene Applications: Assessment of Emissions from and Exposures in Wood Processing Industries, Doctoral thesis. Uppsala: Uppsala University, 2018. 58 p.
14. Метод організації моніторингу атмосферного повітря / Ковальов О.О. та ін. Техногенно-екологічна безпека. 2020. Вип. 9 (1/2020). С. 94–103.
15. Advances in 3-D infrared remote sensing gas monitoring. Application to an urban atmospheric environment / de Donato Ph., Barres O., Sausse J., Taquet N. Remote Sensing of Environment. 2016. Vol. 175. P. 301–309.
16. Standards VDI 4211 and VDI 4212 on passive FTIR and DOAS remote sensing techniques / Höfert N. et al. SPIE Remote Sensing. 2018. Berlin, Germany. Proceedings Vol. 10786, Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XXIII. Art. 107860W. P. 275–309.
17. Review of Chinese atmospheric science research over the past 70 years: Atmospheric physics and atmospheric environment / Wang T. et al. Science China Earth Sciences. 2019. Vol. 62. P. 1903–1945.
18. A new ground-based FTIR spectrometer reference site at Shadnagar (India) and preliminary columnar retrievals of CH4 and N2O / Mahesh P. et al. International Journal of Remote Sensing. 2017. Vol. 38. Issue14. P.122–185.
19. Suskind J., Bamet C. D., Blaisdell J. M. Retrieval of atmospheric and surface parameters from AIRS/AMSU/HSB data in the presence of clouds. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2017. Vol. 41. No. 2. P. 390–409.
20. Progress in static fourier transform infrared spectroscopy: assessment of sifti preliminary performances / Hébert P. et al. International Conference on Space Optics – ICSO Proceedings. 2017. Vol. 10567. Art. 1056723. DOI: 10.1117/12.2308129.
21. Nonlinear interferometer for Fourier-transform mid-infrared gas spectroscopy using near-infrared detection / Lindner, C. et al. Optics Express. 2021. Vol. 29. Issue 3. P. 4035-4047
22. Comparisons of Nitrogen Dioxide Profiles from the Atmospheric Chemistry Experiment Fourier Transform Spectrometer (ACE-FTS) and Stratospheric Aerosol and Gas Experiment (SAGE) / Walker K. A. et al. III Optical Sensors and Sensing Congress (ES, FTS, HISE, Sensors) OSA Technical Digest (Optical Society of America).2019.P. 219–254.
23. CMOS-compatible broadband co-propagative stationary Fourier transform spectrometer integrated on a silicon nitride photonics platform / Nie X., Ryckeboer E., Roelkens G., Baets R. Optics Express. 2017. Vol. 25. Issue 8. P. A409–A418.
24. The first remote-sensing measurements of HFC-32 in the Earth's atmosphere by the Atmospheric Chemistry Experiment Fourier Transform Spectrometer (ACE-FTS) / Dodangodage, R. et al. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer.2021. Vol. 272. Art. 107804.
25. Fourier transform spectrometer on silicon with thermo-optic non-linearity and dispersion correction / Souza M. C. M. M., Grieco A., Frateschi N. C., Fainman Y. Nature Communications. 2018. Vol. 9. Art. 665.
26. Frontiers and advances in molecular spectroscopy / eds. Laane J. Elsevier Science, 2018. 788 p.
27. Quantum Fourier Transform Spectroscopy / Landes T. et al. Rochester Conference on Coherence and Quantum Optics (CQO-11) OSA Technical Digest (Optical Society of America. 2019. Art. W4B.2.
28. Jabbari A., Hassani K., Tavassoly M.T. Determination of the spectral line profile using a phase gradient step and stationary Fourier transform spectroscopy. Applied Optics. 2019. Vol. 58. Issue 19. P. 5353–5359.
29. Schütze C., Sauer U. Challenges associated with the atmospheric monitoring of areal emission sources and the need for optical remote sensing techniques – an open-path Fourier transform infrared (OP-FTIR) spectroscopy experience report. Environmental Earth Sciences. 2016. Vol. 75, Art. 919.
30. Sensitive and broadband measurement of dispersion in a cavity using a Fourier transform spectrometer with kHz resolution / Rutkowski L. et al. Optics Express. 2017. Vol. 25. Issue 18. P. 21711–21718.