RU2092814C1

RU2092814C1 - Method of remote examination of atmosphere for presence of sought-for gas

Info

Publication number: RU2092814C1
Application number: RU95114022A
Authority: RU
Inventors: А.Ю. Сомов; В.А. Иванченко; Ю.И. Лыков
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 1997-10-10

Abstract

FIELD: measurement technology, remote monitoring of atmospheric pollution. SUBSTANCE: method includes active probing of examined zone by electromagnetic signal on resonance frequency of spectrum of absorption of sought-for gas of millimeter range of lengths of waves in interval 120.0-08313.0 GHz near line of absorption of water vapors in atmosphere. Parameters of sought-for gas are judged by degree of absorption of signal. In addition examined zone is subjected to action of reference signal on image frequency outside spectrum of absorption of sought-for gas and frequency of reference signal is chosen from spectrum of absorption of water vapor. EFFECT: increased authenticity. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного исследования атмосферы на наличие искомого газа, в том числе и газов-загрязнителей. The invention relates to measuring technique and can be used for remote study of the atmosphere for the presence of the desired gas, including pollutant gases.

Известны способы контроля состояния атмосферы, основанные на использовании электрохимических, спектральных, хроматографических и полупроводниковых датчиков [1]
Однако использование этих способов в системах экологического мониторинга требует создания громоздких и дорогостоящих коммуникационных систем. Такие системы обладают малым быстродействием и узким динамическим диапазоном по величине концентрации, что не позволяет быстро оценивать ситуацию и принять решение, особенно в случае аварийных выбросов газов-загрязнителей.Known methods for monitoring the state of the atmosphere, based on the use of electrochemical, spectral, chromatographic and semiconductor sensors [1]
However, the use of these methods in environmental monitoring systems requires the creation of cumbersome and expensive communication systems. Such systems have low speed and a narrow dynamic range in terms of concentration, which does not allow you to quickly assess the situation and make a decision, especially in the case of accidental emissions of polluting gases.

Известны также активные методы СВЧ-зондирования природных ресурсов из космоса [2] в радиоэхолокации ледяных масс [3]
Однако традиционные методы активного СВЧ-зондирования основаны на использовании изменения электропроводимости объекта или резкого скачка диэлектрической проницаемости на границе раздела объект-атмосфера. Атмосфера и ее компоненты в данном случае являются источником помех, от которых избавляются в том числе и выбором для работы длинноволновых (метровых, дециметровых) участков СВЧ-диапазона.Also known are active methods of microwave sounding of natural resources from space [2] in the radio echolocation of ice masses [3]
However, traditional methods of active microwave sounding are based on the use of changes in the electrical conductivity of an object or a sharp jump in dielectric constant at the object-atmosphere interface. The atmosphere and its components in this case are a source of interference, which are also eliminated by the choice for operation of long-wave (meter, decimeter) sections of the microwave range.

Наиболее близким к предложенному является способ дистанционного исследования атмосферы [4] включающий зондирование исследуемой зоны лазерным излучением в инфракрасном диапазоне длин волн на резонансной частоте спектра поглощения искомого газа и измерение степени поглощения, по величине которой судят о параметрах искомого газа. Closest to the proposed method is a remote study of the atmosphere [4], which includes probing the studied area with laser radiation in the infrared wavelength range at the resonant frequency of the absorption spectrum of the desired gas and measuring the degree of absorption, the value of which is used to judge the parameters of the desired gas.

Однако способы на основе инфракрасной абсорбции обладают большими погрешностями измерений в условиях повышенной влажности, запыленности, тумана, дождя, снега и других отклонениях параметров атмосферы от нормальных. However, methods based on infrared absorption have large measurement errors in conditions of high humidity, dust, fog, rain, snow and other deviations of the atmospheric parameters from normal.

Технический результат достигается тем, что в способе дистанционного исследования атмосферы на наличие искомого газа, включающем активное зондирование исследуемой зоны электромагнитным сигналом на резонансной частоте спектра поглощения искомого газа и определение наличия газа по степени поглощения измерительного сигнала, зондирование осуществляют на частоте из интервала 120 183,3 ГГц вблизи линии поглощения водяного пара в атмосфере. The technical result is achieved by the fact that in the method of remote study of the atmosphere for the presence of the desired gas, including the active sounding of the studied area with an electromagnetic signal at the resonant frequency of the absorption spectrum of the desired gas and determining the presence of gas by the degree of absorption of the measuring signal, the sounding is carried out at a frequency from the interval 120 183.3 GHz near the absorption line of water vapor in the atmosphere.

Кроме того, усовершенствованием способа, например, с целью повышения точности измерения концентрации искомого газа является дополнительное воздействие на исследуемую зону опорным сигналом на зеркальной частоте вне спектра искомого газа. In addition, an improvement of the method, for example, with the aim of increasing the accuracy of measuring the concentration of the target gas is an additional effect on the studied area of the reference signal at a specular frequency outside the spectrum of the target gas.

Другим, оптимальным, вариантом усовершенствования заявленного способа является то, что воздействие осуществляют опорным сигналом на частоте из спектра поглощения водяного пара. Another optimal option for improving the inventive method is that the exposure is carried out by a reference signal at a frequency from the absorption spectrum of water vapor.

Достоинствами способа являются его применимость для обнаружения газов, обладающих хорошими диэлектрическими свойствами (другими словами, неотражающими объектами), а также его селективность по отношению к многим газам-загрязнителям, обусловленная тем, что в избранном интервале зондирующих частот резонансные линии поглощения газов-загрязнителей имеют достаточно большую интенсивность и не перекрываются по частоте. The advantages of the method are its applicability for the detection of gases with good dielectric properties (in other words, non-reflecting objects), as well as its selectivity with respect to many polluting gases, due to the fact that in the selected range of probing frequencies the resonant absorption lines of polluting gases have enough high intensity and do not overlap in frequency.

В связи с тем что заявленный способ дистанционного исследования атмосферы основан на использовании резонансной линии поглощения газа-загрязнителя (искомого газа), при технической реализации системы зондирования в первую очередь должна быть решена задача определения степени поглощения излучения в исследуемой зоне. Предложенный способ дистанционного исследования допускает два варианта технических решений определения степени поглощения излучения. В первом передающее и приемное устройства системы зондирования разнесены в пространстве и исследуемая зона находится между ними. Во втором передающее и приемное устройства находятся рядом, а информация о наличии газа-загрязнителя получается по результатам обработки сигналов, отраженных от топографических признаков или реперов. Due to the fact that the claimed method of atmospheric remote sensing is based on the use of a resonant absorption line of a polluting gas (the desired gas), the technical implementation of the sensing system should first of all solve the problem of determining the degree of absorption of radiation in the studied area. The proposed method for remote research allows two variants of technical solutions for determining the degree of absorption of radiation. In the first, the transmitting and receiving devices of the sensing system are separated in space and the studied zone is located between them. In the second, the transmitting and receiving devices are nearby, and information on the presence of a polluting gas is obtained from the processing of signals reflected from topographic features or benchmarks.

На чертеже представлена блок-схема системы зондирования типа радиолокационной, реализующая предложенный способ дистанционного исследования атмосферы с разнесенными в пространстве передающим и приемным устройствами. The drawing shows a block diagram of a sounding system of the type of radar, which implements the proposed method for remote study of the atmosphere with transmitting and receiving devices spaced in space.

Позициями на чертеже обозначены: узел ориентировки антенны в пространстве и совмещения осей приемной и передающей антенн 1; антенна 2; облучатель
3; диэлектрический волновод 4; СВЧ генератор 5; блок питания генератора 6; волновод связи облучателя с приемником СВЧ-излучения-7; приемник излучения с блоком питания 8; индикатор системы 9.The positions in the drawing indicate: the node orientation of the antenna in space and the alignment of the axes of the receiving and transmitting antennas 1; antenna 2; irradiator
3; dielectric waveguide 4; Microwave generator 5; generator power unit 6; a waveguide for connecting an irradiator with a microwave radiation receiver-7; radiation receiver with power supply 8; system indicator 9.

Заявленный способ по схеме, представленной на чертеже, осуществляется следующим образом. The claimed method according to the scheme shown in the drawing, is as follows.

Передающее (I) и приемное (II) устройства располагаются таким образом, чтобы оси антенн 2 совпадали, а контролируемая часть атмосферы находилась между ними. Система зондирования калибруется для учета состояния уровня поглощения измерительного сигнал в атмосфере в момент измерения либо по уровню прошедшего сигнала через участок исследуемой зоны без искомого газа, либо по величине сигнала на второй частоте (зеркальной, не входящей в спектр поглощения искомого газа, или на частоте из спектра поглощения водяного пара). Сигнал от СВЧ-генератора 5, настроенного на частоту резонансного поглощения искомого газа вблизи линии поглощения водяного пара в атмосфере, с помощью элементов 3, 4 и антенны 2 направляется через контролируемую часть атмосферы к приемному устройству (II), в котором измеряется уровень прошедшего сигнала. Если прошедший сигнал при измерениях не отличается от сигнала при калибровке, то искомый газ отсутствует или его количество меньше предельно обнаруживаемого. Ослабление принятого сигнала по сравнению с сигналом в режиме калибровки свидетельствует о наличии искомого газа и по степени ослабления сигнал можно судить о количественных параметрах газа. The transmitting (I) and receiving (II) devices are located so that the axes of the antennas 2 coincide, and the controlled part of the atmosphere is between them. The sounding system is calibrated to take into account the state of the level of absorption of the measuring signal in the atmosphere at the time of measurement, either by the level of the transmitted signal through the portion of the studied zone without the desired gas, or by the magnitude of the signal at the second frequency (specular, not included in the absorption spectrum of the desired gas, or at the frequency of water vapor absorption spectrum). The signal from the microwave generator 5, tuned to the frequency of the resonant absorption of the desired gas near the absorption line of water vapor in the atmosphere, is sent through elements 3, 4 and antenna 2 through the controlled part of the atmosphere to the receiving device (II), in which the level of the transmitted signal is measured. If the transmitted signal during measurements does not differ from the signal during calibration, then the desired gas is absent or its amount is less than the maximum detectable. The attenuation of the received signal compared with the signal in the calibration mode indicates the presence of the desired gas and the degree of attenuation of the signal can be used to judge the quantitative parameters of the gas.

Например, при помещении в исследуемую зону на расстоянии 35 м от передающей антенны шара из непроводящего материала диаметром 30 см, заполненного сероводородом с 50% концентрацией, происходило ослабление принятого сигнала на 2,5 дБ при работе на частоте 178,7 ГГц. Этот же шар, заполненный сухим воздухом, практически не изменял уровень прошедшего сигнала. Величина ослабления сигнала в данном эксперименте меняется в зависимости от концентрации сероводорода в шаре. For example, when a ball of non-conductive material with a diameter of 30 cm filled with hydrogen sulfide with a 50% concentration was placed in the test area at a distance of 35 m from the transmitting antenna, the received signal was weakened by 2.5 dB when operating at a frequency of 178.7 GHz. The same ball filled with dry air practically did not change the level of the transmitted signal. The value of signal attenuation in this experiment varies depending on the concentration of hydrogen sulfide in the ball.

Claims

1. A method for remote study of the atmosphere for the presence of the target gas, comprising actively sensing the studied area with a measuring electromagnetic signal at the resonant frequency of the absorption spectrum of the target gas and determining the presence of gas by the degree of absorption of the measuring signal, characterized in that the sounding is carried out at a frequency of 120.0 183.3 GHz near the absorption line of water vapor in the atmosphere.

2. The method according to claim 1, characterized in that in addition to the studied area is affected by a reference signal at a mirror frequency outside the absorption spectrum of the desired gas.

3. The method according to claim 2, characterized in that the effect is carried out by a reference signal at the frequency of the absorption spectrum of water vapor.