Информация о ходе выполнения проекта № 075-15-2022-1209

Разработка лидарной системы для исследования динамики и контроля газового состава атмосферы

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении из федерального бюджета гранта в форме субсидии от 02.10.2022 № 075-15-2022-1209 (внутренний номер № 13.2251.21.0156) на этапе № 1 в период с 02.10.2022 г. по 31.12.2022 г. выполнялись следующие работы:

1. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96, показывающие современное состояние исследований по тематике проекта. Проведены анализ патентно-лицензионной ситуации в исследуемой области техники, анализ технического уровня разработок в исследуемой области техники, анализ тенденций и прогноз развития исследуемой области техники.

2. Исследованы различные наборы сечений (пропускания) поглощения газов (H₂O, CO₂, CH₄) в ИК-диапазоне спектра и отобраны наиболее пригодные информативные линии (длины волн) зондирования исследуемых целевых газов для их идентификации лидарным методом. Выполнено исследование влияния использования различного набора сечений поглощения озона (O₃) в УФ-диапазоне для их идентификации лидарным методом. Для восстановления профилей концентрации озона выбраны данные Горшелева и Сердюченко.

3. Исследованы выходные (амплитудно-временные, пространственные, спектральные) характеристики УФ-, ИК-источников лазерного излучения, входящих в состав передающей части разработанных и модернизируемых в ИОА СО РАН стационарных и мобильных лидарных систем газоанализа атмосферы.

4. Проведен расчёт обратно рассеянного лидарного сигнала при зондировании H₂O, CO₂, CH₄, O₃, с учетом искажающих факторов спектров поглощения малых газовых составляющих в открытой атмосфере.

5. Приведено описание методических аспектов лидарного мониторинга озона (O₃), водяного пара (H₂O), углекислого газа (CO₂), метана (CH₄). Для восстановления профилей озона используется МДП с учетом температурной и аэрозольной коррекций. Для восстановления профилей водяного пара, углекислого газа, метана (CH₄) используется как лидарный/трассовый МДП, так и методология лазерной диодной абсорбционной спектроскопии.

6. Разработан алгоритм и на его основе создана программа для обработки данных лидарного мониторинга парниковых газов в атмосфере (H₂O, CO₂, CH₄). Алгоритм включает такие функции как: настройка входных параметров для расчётов; загрузка априорно рассчитанных сечений поглощения; фильтрация и загрузка зарегистрированных лидарных сигналов; предварительная обработка лидарных сигналов; восстановление концентраций парниковых; отображение восстановленных концентраций парниковых газов; запись данных восстановления в файл. Результат работы программы представляет собой временной ход концентраций исследуемых парниковых газов. Разработан алгоритм и на его основе создана программа для обработки данных лидарного мониторинга экспериментального образца мобильного лидара для мониторинга O₃ в тропосфере-стратосфере. В состав алгоритма входят следующие функции: настройка параметров; инициализация данных и загрузка эхо-сигналов из файлов; выбор сечений поглощений; восстановление профилей концентрации озона; аэрозольная коррекция; температурная коррекция сечений поглощения; графическое отображение профилей концентрации O₃ на экран монитора; запись данных восстановления в файл. Результат работы программы представляет собой восстановленный профиль, записанный в файл. В алгоритме предусмотрен визуальный контроль загруженных эхо-сигналов и восстановленных профилей концентрации O₃.

7. Разработана конструкторская документация для создания экспериментального образца мобильного лидара для мониторинга парниковых газов в атмосфере (H₂O, CO₂, CH₄).

8. Разработана конструкторская документация для создания экспериментального образца мобильного лидара для мониторинга O₃ в тропосфере-стратосфере.

9. Проведен анализ эффективности детектирования скорости и направления ветра когерентным доплеровским лидаром.

10. Сформулированы основные требования к техническим параметрам когерентного доплеровского лидара.

11. Сформирован облик, состав и архитектура когерентной доплеровской лидарной системы.

12. Представлен аннотационный отчет, в котором отражен перечень работ за счет средств Иностранного партнера, включающий следующий разделы: разработка средств технологического контроля дефектной структуры и подповерхностного трещиноватого слоя методами когерентной оптики; определение физических механизмов, приводящих к инициированию оптического пробоя поверхности монокристаллов ZGP, KTP, YAG, YAP при воздействии импульсного наносекундного излучения ближнего и среднего ИК диапазона.

При этом были получены следующие результаты:

Отчет о патентных исследованиях;
Результаты расчетов спектров (пропускания) поглощения газов (H₂O, CO₂, CH₄, O₃) в УФ- и ИК-диапазоне для последующей их идентификации лидарным методом;
Оптимальные выходные характеристики УФ-, ИК-источников лазерного излучения разрабатываемых стационарных и мобильных лидарных систем ИОА СО РАН для газоанализа атмосферы;
Результаты расчета обратно рассеянного лидарного сигнала, с учетом искажающих факторов спектров поглощения газовых компонент в открытой атмосфере;
Методические аспекты лидарного мониторинга газовых примесей;
Алгоритмы и пакет программ для обработки данных лидарного газоанализа и последующего решения обратной задачи зондирования;
Конструкторская документация для создания экспериментального образца мобильного лидара для мониторинга парниковых газов в атмосфере (H₂O, CO₂, CH₄);
Конструкторская документация для создания экспериментального образца мобильного лидара для дистанционного детектирования O₃;
Результаты анализа эффективности детектирования скорости и направления ветра когерентным доплеровским лидаром;
Требования к техническим параметрам когерентного доплеровского лидара;
Облик, состав и архитектура лидарной системы, обеспечивающей измерение скорости ветра в верхней полусфере в приземном слое атмосферы для прогнозирования распространения газовых примесей.
Результаты разработки средств технологического контроля дефектной структуры и подповерхностного трещиноватого слоя методами когерентной оптики;
Результаты определения физических механизмов, приводящих к инициированию оптического пробоя поверхности монокристаллов ZGP, KTP, YAG, YAP при воздействии импульсного наносекундного излучения ближнего и среднего ИК диапазона.

Таким образом, все запланированные на этапе 1 проекта задачи выполнены, а полученные результаты соответствуют Плану работ научного исследования.