Синявський Іван Іванович. Оптична фур'є-спектрометрія малих газових складових земної атмосфери : Дис... канд. наук: 05.11.07 - 2009.
Анотація до роботи:
Синявський І.І. Оптична фур’є-спектрометрія малих газових складових земної атмосфери. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.07 – Оптичні прилади та системи. – Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2009 р.
Вдосконаленням оптичної схеми фур’є-спектрометра за рахунок зменшення кількості і оптимізації форми поверхонь оптичних елементів та розробки методів визначення концентрацій газових складових атмосфери по спектрограмам фур’є-спектрометра для забезпечення її сталого експрес-моніторингу.
Проведені дослідження оптичної схеми фур'є-спектрометра, запропоновано її вдосконалення за рахунок зменшення кількості й оптимізації форми оптичних поверхонь. Вперше розроблений новий метод розрахунку оптичного елемента "фокона", теоретично підтверджено, що асферический профіль, який описується параболою з деформацією четвертого порядку може бути представлений сферою зі зміщенням. Розроблено метод розрахунку та виготовлення оптичного елемента еліпсоїда, використання якого в оптичній системі вихідної оптики приладу дозволяє зменшити кількість оптичних поверхонь з чотирьох до однієї.
Запропоновано й теоретично обґрунтовано метод визначення концентрацій газових складових в приземному шарі атмосфери з використанням одношарової моделі переносу випромінювання по спектрограмам, одержаним за допомогою фур’є-спектрометра, метод визначення загального вмісту та висотного розподілення озону в вертикальному стовпі атмосфери з використанням багатошарової моделі переносу випромінювання.
Удосконалено оптичну схему лабораторного зразка фур'є-спектрометра з використанням розроблених дзеркальних асферических елементів. Для апробації розроблених методів, проведені польові вимірювання пропускання товщі атмосфери, як на горизонтальних, так і вертикальних трасах. Проведені експериментальні дослідження підтвердили високу точність та придатність до практичного застосування запропонованих методик обробки спектрограм.
В дисертаційній роботі вирішено науково-практичну задачу вдосконалення оптичної схеми фур’є-спектрометра за рахунок зменшення кількості і оптимізації форми поверхонь оптичних елементів та розробки методів визначення концентрацій газових складових атмосфери по спектрограмам фур’є-спектрометра для забезпечення сталого експрес-моніторингу в приземному шарі та по вертикальній структурі атмосфери.
Проведено аналіз фізичних процесів поглинання випромінювання в земній атмосфері, визначено робочий спектральний діапазон приладу для проведення моніторингу газового складу атмосфери, перш за все "парникових газів".
Cучасні системи контролю газового складу атмосфери побудовані на базі оптичних приладів – фур’є-спектрометрів. При проведенні досліджень схем фур’є-спектрометрів, виявлено, що оптичні схеми більшості відомих приладів відрізняються складністю конструкції, насамперед, в них пред’являються високі вимоги до якості оптичних елементів та їх юстування, а тому мають досить велику вартість. В той же час існує схемна побудова фур’є-спектрометра на основі інтерферометра "подвійне котяче око" (ПКО), який на відміну аналогів є більш простим та віброзахищеним і може бути використаний для моніторингу газового складу атмосфери.
Проведені дослідження оптичної системи лабораторного зразку фур’є-спектрометра на основі інтерферометра ПКО та показано можливість застосування даного приладу після вдосконалення його оптичної схеми в задачах дистанційного зондування атмосфери Землі та оперативного визначення її газового складу за багатьма складовими. Для зменшення кількості оптичних поверхонь та спрощення приладу вперше запропоновано використання проміжних дзеркальних асферичних оптичних елементів, що не мають параксіальної області для переносу ІЧ-випромінювання в оптичній системі, а саме:
розроблений метод розрахунку оптичного елементу "фокону", теоретично обґрунтовано, що асферичний профіль, який описується параболою з деформацією 4 порядку можна одержати за допомогою сфери зі зміщенням;
розроблений метод розрахунку та виготовлення оптичного елементу "еліпсоїду", застосування якого в оптичній системі вихідної оптики дозволяє зменшити кількість оптичних поверхонь з чотирьох до однієї.
Розроблено, теоретично та експериментально обґрунтовано метод оцінки мінімальних робочих трас для проведення вимірювань зі штучним джерелом випромінювання, що дозволяє "apriori" визначати граничні концентрації газових складових атмосфери при виявленні їх методом фур’є-спектрометрії, який може застосовуватися для оцінки ефективності інших трасових газоаналізаторів.
Розроблено та науково обґрунтовано метод визначення концентрацій газових складових, впершу чергу основних "парникових" газів в приземному шарі атмосфери, по спектрограмам фур’є-спектрометра, одержаних при дистанційному зондуванні з використанням штучного джерела випромінювання. Основна відмінність методу є відсутність необхідності зняття опорної спектрограми при вимірюваннях, та застосування еталонних багатоходових кювет зі складними газовими сумішами.
Розроблено та науково обґрунтовано метод визначення загального вмісту озону та його висотного розподілення нижніх та верхніх шарів атмосфери (спостереження прямого сонячного випромінювання) на основі програми MODTRAN, з використанням багатошарової моделі переносу випромінювання в атмосфері.
Одержані спектрограми пропускання атмосфери з використанням експериментального зразку мобільного комплексу, що включає в себе вдосконалений фур’є-спектрометр та штучне джерело ІЧ-випромінювання. Апробовані розроблені методи визначення концентрацій основних парникових газів в приземному шарі атмосфери а також загального вмісту озону над Києвом. Похибки визначення складають не більше 3.5 % та 3 % відповідно.
Впровадження запропонованих методів обробки спектрограм дозволило проводити систематичне визначення загального вмісту озону та озонових профілів над Києвом на протязі останніх років за програмою міжнародного співробітництва Європейського космічного агентства "OMI validation by ground based remote sensing: ozone columns and profiles". Одержані значення загального вмісту озону добре узгоджуються з даними супутникових вимірювань OMI TOMS та OMI DOAS. Стандартна помилка становить 1.11 DU і 0.68 DU зі стандартним відхиленням в 8.77 DU (2.7%) і 5.37 DU (1.8%) для даних OMI DOAS і OMI TOMS відповідно.
Публікації автора:
Велесь О. А. Застосування методу Фур’є-спектрометрії для дистанційного визначення газового складу атмосфери / О. А. Велесь, Ю. С. Іванов, І. І. Синявський // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2002. – Т.2, №9. – С.12-15.
Здобувачем проаналізовано можливості визначення концентрацій газових складових методом фур’є-спектрометрії
Іванов Ю. С. Розрахунок та виготовлення вхідної дзеркальної асферичної оптики ІЧ-приладу / Ю. С. Іванов, О. О. Монсар, І. І. Синявський // Вісник НТУУ "КПІ". Приладобудування. –2003. – Вип.25. – С.53-57.
Здобувачем сформульовано вимоги до асферичної оптики, що застосовується в фур’є-спектрометрі, розроблено методику розрахунку оптичних деталей, модернізувавши загальновідомі формули, які описують профіль асферичних поверхонь високих порядків.
Іванов Ю. С. Виготовлення глибокої асферики траєкторним копіюванням та її застосування / Ю. С. Іванов, О. О. Монсар, І. І. Синявський // Вісник НТУУ "КПІ". Приладобудування. – 2004. – Вип.28. – С.69-73.
Здобувачем запропоновано методику розрахунку параметрів оптичного елементу (еліпсоїду,) що призначений для переносу зображення з вихідної площини інтерферометру у площину приймача випромінювання.
Иванов Ю. С. Диспергирующая система спектрополяриметра низкого разрешения / Ю. С. Иванов, И. И. Синявский // Оптический журнал. – 2005. – Т72, №7. – С. 48-51.
Здобувачем проведено розрахунки для компонування пар оптичних стекол, що використовуються в призменому дисперсійному елементі, а також розрахунки призменних систем у складі спектрометру.
Алгоритм оперативного косвенного измерения концентрации газовых примесей в атмосфере по спектрам фурье-спектрометра / Е. Ф. Венгер, О. В. Бабак, И. В. Суровцев [и др.] // Управляющие системы и машины. – 2007. – №2. – С. 33-39. Здобувачем запропонована методика визначення концентрацій газових складових по спектрам пропускання атмосфери на однорідних трасах.
Ozone columns obtained by ground-based remote sensing in Kiev for Aura Ozone Measuring Instrument validation / A. V. Shavrina, Ya. V. Pavlenko, A. Veles [et al.] // Journal of Geophysical Research. – 2007. – Vol. 112. – D24S45.
Здобувачем підготовлено в "апріорні" дані, що використовуються в розрахунках загального вмісту та профілів озону над Києвом, виконана статистична обробка одержаних результатів.
Использование инфракрасных источников ИК-излучения для дистанционного зондирования приземного слоя атмосферы / И. И. Синявский, Ю. С. Иванов, М. Г. Сосонкин [и др.] // Приборы и техника эксперимента – 2008. – №4. – С.132-136.
Здобувачем обрано та обґрунтовано методику визначення ефективності використання фур’є-спектрометра при вимірюваннях на горизонтальних трасах з використанням штучного джерела випромінювання.
Общее содержание озона в тропосфере и тропосферные профили озона над Киевом в 2007 году / А. В. Шаврина., Я. В. Павленко, А. А. Велесь [и др.] // Космічна наука і технологія – 2008 – Т.14,№5 – C.85-94.
Здобувачем виконано порівняльний аналіз супутникових та наземних даних загального вмісту озону над Києвом.
Иванов Ю. С. Расчет и изготовление входной зеркальной асферической оптики для ИК-прибора / Ю. С. Иванов, О. А. Монсар, И. И. Синявский // Приладобудування 2003: стан і перспективи: наук. – техн. конф., 22-23 квітня 2003 р.: зб. тез доп. – Київ: НТУУ "КПІ", 2003. – С.44.
Іванов Ю. С. Виготовлення глибокої дзеркальної асферики траєкторним копіюванням / Ю. С. Іванов, О. А. Монсар, І. І. Синявський // Приладобудування 2004: стан і перспективи: наук.-техн. конф., 20-21 квітня 2004 р.: зб. наук. праць. – Київ: НТУУ "КПІ", 2004. – С.59-60.
Синявский И. И. Применение фурье-спектроскопии для дистанционного зондирования приземного слоя атмосферы / И. И. Синявский, Ю. С. Иванов, М. Г.Сосонкин // Атмосферная радиация (МСАР-2006): межд. симпоз. стран СНГ, 27-30 июня 2006 г.: сб. тезисов. – Санкт- Петербург: СПбГУ, 2006. – С.147-148.
Синявський І. І. Фур’є спектрометр для дистанційного зондування атмосфер / І. І. Синявський, М. Г. Сосонкін, Ю. С. Іванов [та ін.] // Приладобудування 2007: стан і перспективи: наук.-техн. конф., 24–25 квітня 2007 р.: збірка наук. праць. – Київ: НТУУ "КПІ", 2007. – С.67-68.
Синявский И. И. Измерение общего содержания озона в г. Киеве / И. И. Синявский А. В. Шаврина, Я. В. Павленко, А. А. Велесь, // Физика атмосферы: Наука и образование: межд. сим поз., 11-13-сентября 2007 г. :сб. тезисов докл. – С. Петербург: СПбГУ, 2007. – С.151-153.
Шаврина А. В. Общее содержание озона и атмосферные профили для Киева по наблюдениям с Фурье- спектрометром (ОМІ Валидация) / А. В. Шаврина, Я. В. Павленко, А. А Велесь [ и др.] // Околоземная астрономия- 2007 : межд. конф., 3-7 сентября 2007 г. : тезисы докл. – п. Терскол: КБНЦ РАН, 2007. – С.83.
