Взаимодействие СВЧ излучения с газами на резонансных частотах молекул и возможность радиолокационного мониторинга химического состава нижних слоев атмосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Методы мониторинга химического состава нижних слоев атмосферы. Электродинамические характеристики атмосферы и газов-загрязнителей в сверхвысокочастотном диапазоне длин волн.

1.1. Методы и системы дистанционного зондирования атмосферы.

1.2. Методы контроля содержания газов-загрязнителей в атмосфере с использованием приборов контактного типа. 1В

1.3. Требования, предъявляемые^ экологическим радиолокационным системам. Электродинамические характеристики атмосферы и газов-загрязнителей в сверхвысокочастотном диапазоне.

Выводы.

Глава 2. Особенности спектральных характеристик газовзагрязнителей в реальных условиях.

2.1. Факторы, оказывающие влияние на форму и параметры спектральных линий в реальных условиях. Существующие подходы к спектральным проявлениям межмолекулярного взаимодействия.

2.2. Форма и параметры линии резонансного поглощения с учетом д.инамики многочастичных взаимодействий в квазиклассическом приближении.

2.3. Экспериментальное исследование спектральных линий газов-загрязнителей.

Выводы.

Глава 3. Пути построения радиолокационных систем и методы обработки радиолокационной информации для дистанционного зондирования

3.1. Определение параметров газовых образований по анализу сигнала, отраженного расположенными на границе контролируемой площади опорными отражателями

3.2. Описание динамики газовых образований по анализу радиолокационного изображения подстилающей поверхности

3.3. Дистанционный анализ состава загрязнения. Учет поглощения излучения парами воды, входящими в состав атмосферы.

Выводы.

Глава 4. Исследование взаимодействия сверхкоротких СВЧ импульсов с газами на резонансных частотах молекул

4.1. Особенности распространения сверхкоротких СВЧ импульсов на резонансных частотах вращательного спектра молекул.

4.2. Взаимодействие сверхкоротких импульсов с газами в полуклассическом приближении.

Выводы.

Выводы

Вследствие сильного уширения спектра сверхкоротких импульсов, поглощение и дисперсия оказывают существенное влияние на спектральный состав и временную форму СКИ. Изменение характеристик СКЙ при прохождении через контролируемую среду может служить дополнительным информативным параметром при дистанционном мониторинге нижних слоев атмосферы.

По сравнению с узкополосным сигналом величина относительной поглощенной энергии СКИ на резонансной частоте газа значительно меньше, так как большая часть энергии СКИ приходится на частоты, лежащие вне линии резонансного поглощения газа. Уменьшение поглощения с ростом амплитуды практически не наблюдается, поскольку за время воздействия СКИ насыщение не достигается.

Зависимость относительной поглощенной энергии импульса большой амплитуды от числа периодов несущей на резонансной частоте

0.0100 а

0.0010

0.0001

• • и—I I 111и!-1—I I 111и]-1—I I 111и!-1—I I 111 н|

100 1000 10000 к

Рис.23

Амплитуда ^ = 0.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

- Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие основные результаты и выводы.

Практическая реализация радиолокационных методов контроля химического состава нижних слоев атмосферы в настоящее время сдерживается недостаточной изученностью механизмов взаимодействия СВЧ излучения с газами-загрязнителями в реальных условиях, а также отсутствием алгоритмов обработки радиолокационной информации, позволяющих определять требуемые параметры газовых образований.

Для обнаружения и определения параметров газовых образований радиолокационными методами с требуемой точностью и достоверностью целесообразно использовать свойство резонансного поглощения энергии СВЧ излучения на частотах вращательных спектров молекул газов загрязнителей, лежащих преимущественно в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Поскольку в субмиллиметровом диапазоне наблюдается сильное поглощение в атмосфере, обусловленное присутствием водяных паров, то наиболее оптимальным с точки зрения дистанционного зондирования является миллиметровый диапазон. Радиолокационные методы контроля химического состава нижних слоев атмосферы обладают рядом преимуществ перед методами мониторинга с использованием устройств на основе контактных датчиков, а также лазеров видимого и инфракрасного диапазонов. Радиолокационные системы позволяют определять параметры выбросов газов-загрязнителей и отслеживать динамику газовых образований в реальном масштабе времени. Сохранение работоспособности РЛС практически в любых погодных условиях позволяет использовать радиолокационные методы в целях экологического мониторинга нижних слоев атмосферы на больших площадях.

Для построения экологических РЛС необходимо исследование формы и параметров (полуширины, сдвига, интенсивности) линий резонансного поглощения газов-загрязнителей в реальных условиях. В СВЧ диапазоне при давлении 1 ч- 10 атмосфер и температуре 300 ч- 1000 К, что соответствует реальным выбросам; фактором, определяющим параметры и форму спектральных линий, является межмолекулярное взаимодействие. При этом для ряда газов адекватное описание контура линий резонансного поглощения возможно только с учетом динамики многочастичных взаимодействий.

В рамках квазиклассической теории получено аналитическое выражение для оператора плотности, позволяющее определять контур спектральной линии с учетом вырождения уровней, динамики многочастичных взаимодействий и неадиабатичности возмущения. Показано, что в предельных случаях полученный результат переходит в известные формулы, найденные с использованием различных приближений. Проведен сравнительный анализ характеристик спектральных линий, построенных с учетом динамики многочастичных взаимодействий и в ударном приближении. Контур спектральной линии, полученный с учетом многочастичных взаимодействий, асимметричен и смещен относительно «ударного» контура, при этом с ростом концентрации постороннего газа полуширина и сдвиг возрастают по нелинейному закону.

Проведено экспериментальное исследование линий вращательного спектра сероводорода, окиси углерода, окиси азота и двуокиси серы в диапазоне частот 100 ч- 330 ГГц при нормальных условиях (давлении 760 мм рт. ст. и температуре 300 К). Измерены интенсивности линий. Определены значения полуширины и интегральной интенсивности линий резонансного поглощения сероводорода, а также эффективные радиусы столкновений молекул сероводорода между собой и с газами, входящими в состав атмосферы. Спектральные линии газов асимметричны, линия сероводорода, соответствующая резонансной частоте 168.7 ГГц, с ростом концентрации имеет тенденцию красного сдвига. Эти эффекты могут быть вызваны наличием квазиустойчивых соединений молекул (например, димеров).

Разработаны алгоритмы определения координат и параметров газовых образований радиолокационными методами на частотах вращательного спектра молекул газов-загрязнителей. Координаты, радиус газового образования, обладающего симметрией относительно оси, перпендикулярной поверхности земли, и концентрация газа-загрязнителя могут быть найдены по измерению затухания зондирующего излучения, отраженного от расположенных на границе контролируемой площади опорных реперов, и, таким образом, дважды прошедшего через газовое образование. При одночастотном методе необходимо измерить мощность зондирующего сигнала от четырех реперов, при двухчастотном в общем случае необходимы три независимых отсчета по азимуту.

Восстановление функции распределения концентрации вещества-загрязнителя в случае газового образования произвольной формы возможно посредством анализа изменения радиолокационного изображения подстилающей поверхности, обусловленного появлением атмосферного загрязнения.

Используя широкополосный сигнал или перестраивая частоту зондирующего излучения в достаточно широком диапазоне, возможно определение состава загрязнения, компоненты которого имеют линии резонансного поглощения в соответствующем интервале частот.

При перекрытии спектральных линий газа-загрязнителя и паров воды необходимо учитывать частотную зависимость коэффициента поглощения атмосферы. В этом случае для определения координат центра

109 и параметров газового образования при неизвестной концентрации водяных паров в атмосфере необходимо измерять мощность отраженного сигнала на трех частотах, лежащих в пределах линии резонансного поглощения газа-загрязнителя.

В полуклассическом приближении исследованы особенности поглощения энергии СКИ в газовых средах. По сравнению с узкополосным сигналом величина относительной поглощенной энергии СКИ на резонансной частоте газа значительно меньше, так как большая часть энергии СКИ приходится на частоты, лежащие вне линии резонансного поглощения газа. Уменьшение поглощения с ростом амплитуды практически не наблюдается, поскольку за время воздействия СКИ насыщение не достигается.

Использование сверхкоротких импульсов является одним из способов повышения информативности радиолокационных систем. Рассмотрено изменение формы и спектральных характеристик СКИ в процессе распространения в среде загрязнитель-атмосфера на примере радиоимпульса прямоугольной формы, спектр которого включает резонансную частоту контролируемого газа-загрязнителя. Это изменение может использоваться в качестве дополнительного информативного параметра.

1. Дистанционное зондирование в метеорологии, океанографии и гидрологии / Под ред. А. П. Крэкнелла. Пер. с англ. К. Н. Лаврова и др. -М.: Мир, 1984. -535 с.

2. Шанда Э. Физические основы дистанционного зондирования. -М.: Недра, 1990.-207 с.

3. Богородский В. В., Козлов А. И. Микроволновая радиометрия земных покровов. -М.: Гидрометеоиздат, 1985. -272 с.

4. Taylor L. Н. A Concept for open path air pollution monitoring // Microwave Journal. -1994. February. -P.64-70.

5. Калениченко С. П. Обнаружение и слежение за радиоактивными и аэрозольными облаками с помощью наземных радиолокационных станций//Безопасность жизнедеятельности, 1994. -С. 51-63.

6. Кононов Е. Н., Решетняк С. А., Шелепин JI. А., Щеглов В. А. Применение радиолокационных средств для дистанционного контроля радиационной обстановки // Письма в ЖТФ. -1996. -Т.22. Вып. 17. -С. 86-90.

7. Sandy J., Gournay L. S. Overview of gas-sensing radar surveys theory, instrumentation, surveying, and interpretation. // Oil and Gas Journal. -1988. February 1. -P. 69-71.

8. SkolnikM., HemenwayD., Hansen J. P. Radar detection of gas seepage associated with oil and gas deposits. // IEEE Trans Geosci. Remote Sensing. -1992. -V. 30. -N 3, May. -P. 630-633.

9. Дрягин Ю. А., Кукин JI. M., Лебский Ю. В. и. др. Радар мм диапазона дистанционного мониторинга атмосферы. Препринт / Институт прикладной физики РАН. -1997. -N444. -С. 1-19.

10. Карвер К. Р., Улаби Ф. Т. Дистанционное зондирование из космоса в СВЧ диапазоне//ТИИЭР. -1985. -Т. 73. -№ 6. -С. 30-56.

11. Мериакри В. В., ЧигряйЕ. Е. Контроль сред и материалов с помощью миллиметровых волн // Тезисы докладов Всесоюзного семинара «Новые применения миллиметровых волн в народном хозяйстве». -Москва, 1991.-С. 4-11.

12. Россихин А. С., Шкатов Е. Ф., Миронов Ю. Т. Методы и средства контроля серу содержащих соединений в химической промышленности. -М.: НИИТЭХИМ, 1990. -207 с.

13. Автоматизированные системы газового анализа: Обзорная информация. ТС-4. Дашковский А. А., Галиев И. Н. и др. -М.: ЦЕ1ИИТЭИ приборостроения, 1983. Вып. 5. -45 с.

14. Тенденция развития средств газового анализа за рубежом: Обзорная информация. ТС-4. Шумович В. С., Небесный Г. В. и др. -М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1983. Вып. 6. -38 с.

15. Проспект фирмы «Хьюстон Атлас», США.

16. Проспект фирмы «Вормалд», Англия.

17. Проспект фирмы «Дженерал Мониторе», Англия.

18. Техника субмиллиметровых волн / Под ред. Валитова Р. А. -М.: Сов. радио, 1969. -480 с.

19. Ельяшевич М. А. Атомная и молекулярная спектроскопия. -М.У Физматгиз, 1962. -892 с.

20. King G.W., Hainer R. M., Cross P. C. Expected microwave absorption coefficients of water and related molecules // Phys. Rev. -1947. -V.71. -N 7. -P.433-443.

21. Palik E. D., Rao K. N. Pure rotational spectra of СО, NO, and N20 between 100 and 600 microns // J. Chem. Phys. -1956. -V.25. -N 6. -P.l 174-1176.

22. Копнин A. H., Федосеев H. A. Применение метода газовой спектроскопии для контроля загрязнения воздушной среды // Тезисы докладов Всесоюзного семинара «Новые применения миллиметровых волн в народном хозяйстве». -Москва, 1991. -С. 13-15.

23. Ефременко В. В., Маркина H. Н. Исследование возможностей мониторинга малых газовых составляющих атмосферы в миллиметровом диапазоне волн на основе базы данных GEISA // Радиотехника и электроника. -1993. -Т.38. -№10. -С.1822-1827.

24. Герцберг Г. Колебательные и вращательные спектры многоатомных молекул. -М.: ИЛ, 1949. -648 с.

25. Таунс Ч., Шавлов А. Радиоспектроскопия. -М.: ИЛ, 1959. -757 с.

26. Горди В., Смит В., Трамбаруло Р. Радиоспектроскопия -М.: Гостехиздат, 1955. -448 с.

27. Burrus С. A., Gordy W. One-to-two millimeter wave spectroscopy. II. H2S//Phys. Rev. -1953. -V.92. -N 2. -P.274-277.

28. Квазиоптика / Под ред. Каценеленбаума Б. 3. и Шевченко В. В. -М.: Мир, 1966.-504 с.

29. Lichtenstein M., Gallagher J. J., Cupp R. E. Millimeter spectrometer using a Fabry-Perot interferometer // Rev. Sci. Instr. -1963. -V. 34. -N 8. -P.843-846.

30. Van Vleck J. H. The absorption of microwaves by uncondensed water vapor//Phys. Rev. -1947. -V.71. -N 7. -P.425-433.

31. Жевакин С. А., Наумов А. П. О коэффициенте поглощения электромагнитных волн водяными парами в диапазоне Юр, -ь 2см // Изв. вузов. Радиофизика. -1963. -Т.6. -№4. -С.674-694.

32. Rusk J. R. Line-breadth study of the 1.64-mm absorption in water vapor//J. Chem. Phys. -1965. -V.42. -N 2. -P.493-500.

33. Введенский Б. А., Колосов M. А., Соколов А. В. Исследования распространения метровых, дециметровых, сантиметровых и субмиллиметровых радиоволн // Радиотехника и электроника. -1967. -Т.12. -№11. -С.1867-1890.

34. Харвей А. Ф. Техника сверхвысоких частот. -М.: Сов. радио, 1965.-Т.2.-775 с.

35. Уилтсе Д. С. Ближние миллиметровые волны. // ТИИЭР. -1985.-Т.73.-№ 1.-С. 49-54.

36. Боландер Р. В., Макмиллан Р. У., Галлахер Д. Д. Влияние атмосферы на распространение электромагнитных волн ближнего миллиметрового диапазона//ТИИЭР. -1985. -Т.73. -№1. -С.54-67.

37. Бертен Ф. Основы квантовой электроники. -М.: Мир, 1971. -631с.

38. Афраймович В. С., Веричев Н. Н., Рабинович М. И. Стохастическая синхронизация колебаний в диссипативных системах // Изв. вузов. Радиофизика. -1986. -Т.29. -№9. -С. 1050-1060.

39. Анищенко В. С., Вадивасова Т. Е., Постнов Д. Э., Сафонова М. А. Вынужденная и взаимная синхронизация хаоса // Радиотехника и электроника. -1991. -Т.36. -№2. -С.338-351.

40. Heagy J. F., Carroll Т. L., Pecora, L. M. Synchronous chaos in coupled oscillator systems // Phys. Rev. E. -1994. -V.50. -N3. -P.1-874-1885.

41. Rosenblum M. G., Pikovsky A. S., Kurths J. Phase synchronization of chaotic oscillators // Phys. Rev. Lett. -1996. -V.76. -Nil. -P.1804-1807.

42. Rosenblum M. G., Pikovsky A. S., Kurths J. From phase to lag synchronization in coupled chaotic oscillators // Phys. Rev. Lett. -1997. -V.78. -N22. -P.4193-4196.

43. Анищенко В. С., Астахов В. В., Николаев В. В., Шабунин А. В. Исследование хаотической синхронизации в системе симметрично связанных генераторов // Радиотехника и электроника. -2000. -Т.45. -№2. -С.196-203.

44. LorentzH. //Proc. Amsterd. Acad. Sci. -1906. -V.8. -P.591.

45. Van Vleck J. H., Weisskopf V. F. On the shape of collision-broadened lines//Rev. Mod. Phys. -1945. -V.17. -N2,3. -P.227-236.

46. Gross E. P. Shape of collision-broadened spectral lines // Phys. Rev. -1955. -V.97. -N 2. -P.395-403.

47. Anderson P. W. Pressure broadening in the microwave and infrared regions // Phys. Rev. -1949. -V.76. -N5. -P.647-661.

48. Вайнштейн JI. А., Собельман И. И. Нестационарная теория штарковского уширения спектральных линий в плазме // Оптика и спектроскопия. -1959. -Т.6. Вып.4. -С.440-446.

49. Тонков М. В., Филлипов Н. Н. Теория контура колебательно-вращательных линий в газах // Оптика и спектроскопия. -1979 -Т.46. Вып.2. -С.249-254.

50. Chen S., Takeo М. Broadening and shift of spectral lines due to the presence of foreign gases // Rev. Mod. Phys. -1957. -V.29. -N 1. -P.20-73.

51. Собельман И. И. Введение в теорию атомных спектров. -М.: Физматгиз, 1963. -640 с.

52. Вайнштейн Л. А., Собельман И. И., Юков Е. А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. -М.: Наука, 1979. -320 с.

53. Margenau Н. Theory of pressure effects of foreign gases on spectral lines//Phys. Rev. -1935. -V.48. November 1. -P.755-765.

54. Welsh H. L., Crawford M. F., Locke J. L. Infra-red absorption of hydrogen and carbon dioxide induced by intermolecular forces // Phys. Rev. -1949. -V.76. -N 4. -P.580.

55. Birnbaum G., Maryott A. A., Wacker P. F. Microwave absorption by the nonpolar gas C02//J. Chem. Phys., -1954. -V.22. -N 10. -P. 1782.

56. Маляренко A. M., Фомин В. В. Индуцированные столкновениями спектры поглощения простейших молекулярных систем // Спектральные проявления межмолекулярных взаимодействий в газах. -Новосибирск: Наука, 1982. -С. 100-127.

57. Каплан И. Г., Родимова О. Б., Фомин В. В. Свойства димеров и их роль в атмосфере // Спектральные проявления межмолекулярных взаимодействий в газах. -Новосибирск: Наука, 1982. С.51-100.

58. Викторова А. А. // О вращательном спектре и интенсивности поглощения димеров водяного пара в атмосфере. I. Конфигурация димера с линейной водородной связью // Изв. вузов. Радиофизика. -1964. -Т.7, -№3. -С.415-423.

59. Викторова А. А., Жевакин С. А. Вращательный спектр димера водяного пара // Изв. вузов. Радиофизика. -1975. -Т.28. -№2. -С.21 1-221.

60. Braun С., Leiclecker И. Rotation and vibration spectra for H20 di-mer. Theory and comparison with experimental data // J. Chem. Phys. -1974. -V.61. -N 8. -P.3104-3113.

61. Рытов С. M. Введение в статистическую радиофизику. Часть I. Случайные процессы. -М.: Наука, 1976. -496 с.

62. Давыдов А. С. Квантовая механика. -М.: Физматгиз, 1963. -748 с.

63. Левич В. Г., Вдовин Ю. А., Мямлин В. А. Курс теоретической физики. М.: Наука, 1971. Т.2. -936 с.

64. Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В. Введение в теорию квантованных полей. М.: Наука, 1976. -480 с.

65. Ivanchenko V. A., Nikolaev V. V. Application of radar systems for remote monitoring of lower atmosphere layers' chemical composition // Journal of Huazhong Agricultural University. -2000. -V.19. -N 3. -P.296-301.

66. Howard R. R., Smith W. V. Microwave collision diameters. I. Experimental//Phys. Rev. -1950. -V.79. -N 1. -P.128-131.

67. Радиотехнические системы / Под. ред. Казаринова Ю. М. М.: Высш. шк., 1990. -495 с.

68. Финкелынтейн М. И. Основы радиолокации. -М.: Радио и связь, 1983. -578 с.

69. Иванченко В. А., Николаев В. В. Определение координат газовых образований в атмосфере радиолокационными методами // Вопросы прикладной физики. Межвуз. науч. сб. Издательство СГУ. -1997. Вып.З. -С.126-128.

70. Иванченко В. А., Николаев В. В. Определение параметров газовых образований в атмосфере радиолокационными методами на частотах вращательного спектра // Письма в ЖТФ. -1997. -Т.23. Вып.24. -С.1-5.

71. Потапов А. А. Радиофизические эффекты при взаимодействии электромагнитного излучения миллиметрового диапазона волн с окружающей средой. Часть I // Зарубежная радиоэлектроника. -1992. -№ 8. -С. 36-76.

72. Станцо В. Астраханский триптих // Химия и жизнь. -1988. -№12. -С.4-11.

73. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1975. -428 с.

74. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985. -297 с.

75. Иванченко В. А., Николаев В. В. Определение параметров газовых образований в атмосфере путем восстановления радиолокационного изображения подстилающей поверхности // Письма в ЖТФ. -1999. -Т.25. Вып.З. -С.73-76.

76. Хармут X. Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи. -М.: Радио и связь, 1985. -373 с.