2
СОД Е РЖ АН И Е
стр.
ВВЕДЕНИЕ........................................................ 4
Глава 1. Методы мониторинга химического состава нижних слоев атмосферы. Электродинамические характеристики атмосферы и газов-загрязнителей в сверхвысокочастотном диапазоне длин воли............................. 13
1.1. Методы и системы дистанционного зондирования атмосферы .................................................. 14
1.2. Методы контроля содержания газов-загрязнителей в атмосфере с использованием приборов контактного типа...................................................... 18
1.3. Требования, предъявляемые к экологическим радиолокационным системам. Электродинамические характеристики атмосферы и газов-загрязнителей в сверхвысокочастотном диапазоне................................... 21
Выводы............................................... 33
Глава 2. Особенности спектральных характеристик газов-
загрязнителей в реальных условиях.................... 35
2.1. Факторы, оказывающие влияние на форму и параметры спектральных линий в реальных условиях. Существующие подходы к спектральным проявлениям меж-молекулярного взаимодействия.............................. 35
2.2. Форма и параметры линии резонансного поглощения с учетом д.ипамики многочастичных взаимодействий в квазиклассическом приближении............................. 42
2.3. Экспериментальное исследование спектральных линий газов-загрязнителей....................................... 53
з
Выводы............................................. 69
Глава 3. Пути построения радиолокационных систем и методы обработки радиолокационной информации для дистанционного зондирования............................... 70
3.1. Определение параметров газовых образований по анализу сигнала, отраженного расположенными на границе контролируемой площади опорными отражателями 71
3.2. Описание динамики газовых образований по анализу радиолокационного изображения подстилающей поверхности............................................... 81
3.3. Дистанционный анализ состава загрязнения. Учет поглощения излучения парами воды, входящими в состав
атмосферы.......................................... 87
Выводы............................................. 89
Глава 4. Исследование взаимодействия сверхкоротких СВЧ импульсов с газами па резонансных частотах молекул .......................................................... 91
4.1. Особенности распространения сверхкоротких СВЧ импульсов на резонансных частотах вращательного спектра молекул......................................... 92
4.2. Взаимодействие сверхкоротких импульсов с газами в
полу классическом приближении...................... 95
Выводы............................................. 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................. 106
Список литературы............................................. ПО
4
В В Е Д Е Н И Е
Взаимодействие электромагнитного излучения с газовыми средами, молекулы которых полярны, исследуется давно и к настоящему времени достаточно полная теория контура спектральных линий построена для двух предельных случаев: для сильно разреженных и сильно сжатых, приближающихся по свойствам к конденсированным средам, газов. Однако изучению спектральных характеристик газов в реальных условиях уделялось недостаточно внимания.
Проблема взаимодействия СВЧ излучения с полярными молекулами газов в реальных условиях имеет как научное, так и прикладное значение. Первое связано с гем, что исследование механизмов взаимодействия электромагнитных волн сантиметрового, миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов с газами в наиболее обобщенном виде и, в частности, учет влияния многочастичных взаимодействий в однородном газе и с частицами примеси на форму и параметры линий резонансного поглощения представляют собой самостоятельную научную проблему. Практическая значимость состоит в возможности использования известных радиотехнических методов для определения параметров газовых образований в атмосфере.
Последний вопрос представляет интерес с двух точек зрения. Во-первых, с точки зрения использования радиофизических методов для определения параметров смеси газов с учетом особенностей взаимодействия молекул при различных условиях (температура, давление, концентрация) и во-вторых, с точки зрения создания методов получения и обработки радиофизической информации с помощью радиотехнических систем, позволяющих анализировать излучение после его прохождения через газовую среду. Для решения этой задачи наиболее перспективным
является использование радиолокационных методов для обнаружения наличия и определения параметров газовых образований в атмосфере. Существующие радиолокационные методы основаны на анализе отраженного или рассеянного сигнала от исследуемого объекта и в настоящее время отсутствуют методы определения параметров поглощающих объектов, к которым относятся газы, имеющие полярные молекулы. Одним из подходов решения данной проблемы является использование радиофизических методов, основанных на резонансном поглощении излучения на частотах вращательного спектра, однако для реализации этого подхода необходима разработка методов обработки информации, получаемой от радиотехнических систем. Развитие данных методов позволит на качественно новом уровне решить задачу дистанционного мониторинга химического состава нижних слоев атмосферы, что в настоящее время является одним из наиболее актуальных направлений охраны окружающей среды.
Интенсивное развитие химической, газо- и нефтеперерабатывающей промышленности привело к появлению множества относительно больших по площади районов с повышенной опасностью неконтролируемых выбросов веществ-загрязнителей. Особую экологическую опасность представляют выбросы сероводорода из устья скважин (давление до 500 атм.) и трубопроводов, осуществляющих транспорт газа и конденсата на газоперерабатывающий завод (давление до 200 атм.). Высокое содержание сероводорода в пластовом газе (до 30 %) даже при незначительной аварии может вызвать в первые секунды образование облака диаметром до 100 - 200 м с концентрацией сероводорода до 15 -20 г/м3 (концентрация 0.5 - 1 г/м’ является смертельной), при этом в атмосферу может быть выброшено до 200 тонн сероводорода.
К нефтегазовым месторождениям с высоким содержанием сероводорода относятся Астраханское газоконденсатное месторождение и
6
Оренбургское у нас в стране, месторождение в Вернхорне и Баденбурге в Германии. Месторождения с высоким содержанием сероводорода имеются также во Франции, США и других странах. Поэтому своевременное обнаружение выбросов веществ-загрязнителей имеет важное значение.
Традиционные методики для определения и прогнозирования распространения веществ-загрязнителей в приземных слоях атмосферы основаны на использовании некоторых усредненных атмосферных характеристик (таких как региональный коэффициент стратификации атмосферы, предельная скорость ветра для данного региона, средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца года и т.п.), и результатах измерений концентраций веществ-загрязнителей в некоторых фиксированных точках, которые обычно проводятся при помощи устройств на основе контактных датчиков. Применение этих устройств не всегда обеспечивает необходимое быстродействие, а также требует создания фомоздких компьютерных и коммуникационных сетей, что затрудняет ведение экологического мониторинга на больших площадях.
Подобные недостатки обычно не свойственны методам и системам дистанционного мониторинга, которые позволяют определять параметры выбросов веществ-загрязнителей и отслеживать динамику возникших газовых образований в реальном масштабе времени. При этом наибольшие перспективы связаны с развитием радиолокационных методов'зондирования атмосферы, так как локационные системы СВЧ диапазона сохраняют работоспособность почти в любых погодных условиях. Однако практическая реализация таких систем в настоящее время сдерживается не только недостаточной изученностью механизма взаимодействия СВЧ излучения с веществами-загрязнителями в реальных условиях, но и отсутствием методов обработки радиолокационной информации.
7
Таким образом, исследование взаимодействия СВЧ излучения с полярными молекулами газов и реальных условиях и развитие радиолокационных методов зондирования нижних слоев атмосферы имеют несомненную актуальность. В связи с этим,
целью диссертационной работы являемся
исследование особенностей взаимодействия излучения миллиметрового и субмилл и метрового диапазонов длин волн с газами в реальных условиях на частотах резонансного поглощения и разработка радиолокационных методов мониторинга на основе изученных электродинамических характеристик газовых сред в СВЧ диапазоне.
Научная новизна.
В квазиклассическом приближении получена формула для оператора плотности, определяющего форму линии резонансного поглощения, с учетом динамики многочастичных взаимодействий, вырождения энергетических уровней молекул газа-поглотителя и неадиабатичности возмущения.
Впервые проведено экспериментальное исследование линий вращательною спектра сероводорода и других газов (N0, СО, 802) в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн при нормальных условиях и определены их параметры.
Показана возможность определения координат и параметров газовых образований в атмосфере, отслеживания динамики распространения газовых образований в реальном масштабе времени, а также анализа состава атмосферных загрязнений радиолокационными методами на частотах вращательного спектра молекул газов-загрязнителей.
Рассмотрены особенности распространения сверхкоротких импульсов (СКИ) на частотах вращательного спектра молекул тазов и возможности их использования для повышения информативности радиолокационных систем (РЛС).
8
Практическая значимость.
Разработаны методы, позволяющие определять параметры газовых образований с помощью радиолокационных систем на частотах вращательных спектров газов-загрязнителей. Данные методы могут быть положены в основу дистанционного контроля химического состава нижних слоев атмосферы. Определены информативные параметры, по которым возможно определение наличия газовых образований в атмосфере и разработаны алгоритмы обработки радиолокационной информации. Все это позволяет сформулировать требования к экологическим РЛС и принципам (схемам) их построения.
Апробация результатов.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Региональной научно-практической конференции «Состояние и проблемы развития эколого-экономической системы Саратовской области» (Саратов, 1997 г.), Научно-техническом семинаре «Перспективные подходы к решению проблем экологической безопасности Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода» (Астрахань, 1997 г.), Научно-технической конференции «Проблемы экологической безопасности Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией нефтегазовых месторождений с высоким содержанием сероводорода» (Саратов, 1998 г.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2000 г.) и опубликованы в 12 научных работах.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 статей и 6 докладов на научно-технических и научно-практических конференциях и семинаре.
9
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка библиографических ссылок, содержит 23 рисунка. Количество библиографических ссылок — 88. Общий объем работы — 119 страниц печатного текста, включая иллюстрации.
Объем работы н краткое содержание работы по главам.
Первая глава посвящена критическому анализу существующих методов и систем зондирования окружающей среды и рассмотрению основных электродинамических характеристик атмосферы и газов-загрязнителей в сверхвысокочастотном диапазоне длин волн.
В разделе 1.1 рассматриваются методы дистанционного зондирования окружающей среды (пассивные, активные), приводятся некоторые технические характеристики систем дистанционного зондирования.
В разделе 1.2 рассматриваются методы контроля химического состава нижних слоев атмосферы с использованием устройств на основе контактных датчиков, приводятся некоторые технические характеристики данных устройств.
В разделе 1.3 обсуждаются основные преимущества и недостатки методов контроля химического состава нижних слоев атмосферы, сформулированы требования, предъявляемые к экологическим РЛС. Рассматриваются некоторые явления, возникающие при распространении электромагнитных волн СВЧ диапазона в атмосфере в присутствии газов-загрязнителей, обосновывается целесообразность использования в экологическом мониторинге нижних слоев атмосферы радиолокационных систем, позволяющих измерять поглощение миллиметровых волн на резонансных частотах вращательного спектра газов-загрязнителей.
Вторая глава посвящена исследованию формы и параметров линий резонансного поглощения газов в СВЧ диапазоне в реальных условиях.
- Київ+380960830922