Автоматизированные акустические и оптико-электронные комплексы и системы для экологического и метеорологического мониторинга атмосферы

Контроль за экологическим состоянием окружающей среды и сокращение ее загрязнения является на сегодня одной из важнейших задач человеческого общества, напрямую связанной с возможностью его дальнейшего технологического развития и безопасностью. В связи с особой актуальностью проблемы указом Президента 2017 год объявлен в России Годом экологии [1].
Одним из определяющих экологических факторов территории является состояние воздушной среды, которое определяется характеристиками атмосферного пограничного слоя (АПС), в особенности его приземной части. При этом мезомасштабная экологическая ситуация, формирующаяся на локальной территории в тот или иной период времени, определяется не только загрязнением АПС источниками выбросов, но и складывающейся метеорологической обстановкой. Существенную роль в этом играют метеорологические факторы – скорость и направление ветра, температура и влажность воздуха, параметры осадков, присутствие вертикальных ветровых потоков и потоков тепла, наличие особых состояний АПС (инверсии, конвекции), другие статистические и динамические метеорологические характеристики. Поэтому анализ и прогнозирование экологического состояния АПС требуют осуществления комплексного контроля его параметров, в том числе, не входящих в стандартный перечень величин, контролируемых гидрометеорологической службой.
Обеспечение контроля экологической и метеорологической ситуации в режиме мониторинга и реализация технологий мезомасштабного и краткосрочного прогнозирования состояния АПС требует применения новых инструментальных средств и использования созданных на их основе программно- аппаратных систем для определения метеорологических параметров атмосферы и контроля количественного состава поллютантов в атмосферном воздухе.
На 7-м Всероссийском метеорологическом съезде в дискуссиях «за круглым столом» было отмечено, что особую актуальность в задаче инструментального

10
обеспечения мониторинга приобретает использование в основе измерительных сетей полностью автоматизированных измерительных станций («станций- роботов»), способных работать в течение длительного времени без участия человека. К таким «станциям-роботам» предъявляются дополнительные эксплуатационные требования, основными из которых являются полная автоматизация процессов измерения, регистрации и передачи информации, а также длительность автономной работы без обслуживания человеком (не менее 0.5 – 1 года), повышенный межповерочный интервал и возможность дистанционного контроля работоспособности станции.
Автоматические метеорологические станции нового поколения, кроме работы в составе наблюдательной гидрометеорологической сети, могут быть использованы непосредственно в технологических системах для решения задач оптимизации метеорологически зависимых технологических процессов на предприятиях различных отраслей промышленности. К области специальных задач, выполнение которых решается с помощью автоматических метеорологических комплексов, относятся, в гражданской сфере, обеспечение метеорологической безопасности населения и объектов хозяйственной инфраструктуры посредством оперативного обнаружения возникновения и прогнозирования эволюции опасных метеорологических явлений, а в военной сфере – оперативное метеорологическое обеспечения театра военных действий с целью повышения эффективности выполнения боевых задач различными видами вооруженных сил.
Мониторинг газовых загрязнений АПС, контроль источников выбросов и технологических процессов осуществляется посредством газоанализаторов различных типов. Для анализа многокомпонентных газовых сред приходится использовать датчики, работа которых основана на различных физических и химических методах: оптическом, акустическом, электрохимическом, хемилюминесцентном, хроматографическом и др. Однако, несмотря на свое разнообразие, существующие газоаналитические приборы и комплексы в

11
настоящее время не обеспечивают, в полной мере, решения проблем экологического мониторинга и контроля технологических процессов.
Существующее отставание отечественного приборостроения в области метеорологического мониторинга, создания метеорологических комплексов специального назначения, газоаналитического оборудования для экологического контроля и контроля технологических процессов привело к вынужденному использованию преимущественно импортных приборов, что влечет за собой технологическую зависимость от зарубежных компаний, недопустимую в сфере деятельности, имеющей важное значение для экономики и обороноспособности страны. Актуальность создания новых приборов и комплексов, использующих новые способы измерений в области метеорологического мониторинга, анализа загрязнения атмосферного воздуха и контроля связанных с ними технологических процессов, определена в документе Министерства образования и науки РФ «Прогноз научно-технического развития Российской Федерации на период до 2030 года» [2], составленном при участии Российской академии наук и ведущих научно-исследовательских институтов различных министерств и ведомств, и являющимся одним из основополагающих документов системы стратегического планирования развития Российской Федерации. В нем определены наиболее перспективные направления научных исследований, в том числе:
– разработка новых технологий инструментального контроля выбросов загрязнений в атмосферу и создание систем раннего обнаружения и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, разработка технологий обеспечения безопасности производственных объектов;
– создание систем мониторинга, оценки и прогнозирования состояния окружающей среды, включая разработку автоматизированных систем контроля состояния атмосферы, а также разработка оборудования для мониторинга, контроля риска возникновения и уменьшения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера и т.п.
Данная проблематика соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации «Рациональное

12
природопользование» и «Перспективные виды вооружения, военной и специальной техники», а так же входит в перечень критических технологий Российской Федерации («Технологии мониторинга и прогнозирования состояния окружающей среды, предотвращения и ликвидации ее загрязнения», «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера», «Базовые и критические военные и промышленные технологии для создания перспективных видов вооружения, военной и специальной техники»).
Настоящая работа выполнялась в рамках государственных заданий по программам:
1. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы». Направление «Рациональное природопользование», мероприятие 1.3. Проект «Разработка и создание измерительно-вычислительной системы для реализации технологии мезомасштабного мониторинга и прогнозирования состояния атмосферного пограничного слоя» (шифр ПНИ «2014-14-579-0004-034», идентификатор RFMEFI60714X0030) (2014-2016 гг.);
2. Программы СО РАН и ФНИ ГАН:
а) Базовый проект СО РАН 28.2.3 Разработка новых методов, технологий и приборов на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для контроля природных и техногенных систем, а также для решения спецзадач (2004-2006 гг.);
б) Базовый проект СО РАН 7.13.1.2 “Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем” (2007-2009 гг.);
в) Базовый проект СО РАН No VII.66.1.2 “Развитие физических методов и технических средств для мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности населения” (2010-2012 гг.);

13
г) Проект VIII.80.1.2 “Научные основы создания новых газоаналитических приборов и методик их использования для мониторинга окружающей среды и специального контроля” (2012-2016 гг.);
д) Проект VIII.80.2.2 “Научные основы создания оптических, акустических и электронных приборов, комплексов и систем для метеорологических измерений и технологии их применения в задачах мониторинга окружающей среды” (2012- 2016 гг.);
3. Проекты РФФИ:
а) No 09-05-99014/р_офи “Разработка научных основ технологии и создание измерительно-вычислительной системы для регионального прогноза опасных метеорологических явлений” (2009-2010 гг.);
б) No 11-05-98062/ р_сибирь_а “Разработка и исследование алгоритмов пространственно-временного прогнозирования возникновения и развития опасных метеорологических ситуаций и создание макета региональной измерительно-вычислительной системы для их реализации” (2011-2012 гг.);
4. В ОКР специального назначения (заказчик – МО РФ): “Городище-СО-М”, “Борисполь-2”, “Трасса-М”, “Ринг-2/15-ВДВ”, “Механизм”, “Фальцет”, “Канонада”, “Броненосец” и др.;
5. В двенадцати проектах Приборной программы СО РАН «Импортозамещение» (2005 – 2012 гг.).
6. По планам работ СКБ НП “Оптика” СО АН СССР, КТИ “Оптика” СО РАН и ИОМ СО РАН в период 1980-2003 гг.
В настоящей диссертационной работе описаны результаты разработки новых способов и реализующих их технических устройств экологического и метеорологического мониторинга для решения различных задач в гражданской и военной областях. Общим для этих разработок являются область их применения: мониторинг окружающей среды (а именно, контроль экологических и метеорологических характеристик АПС), и физические принципы, на которых основывается работа приборов: в основе разработок газоанализаторов и метеорологических измерительных приборов использованы оптические и

14
акустические методы измерений и их сочетание в одном измерительном комплексе. Это позволило разработать новые способы измерений и создать новые измерительные средства с улучшенными техническими характеристиками и широкими функциональными возможностями.
Целью диссертационной работы является разработка методологических основ и создание инструментальной базы для обеспечения экспериментальных натурных исследований новых алгоритмов, методов и технологий контроля атмосферного пограничного слоя, а также решение проблемы импортозамещения в области экологического и метеорологического приборостроения.
Основные задачи диссертационной работы:
– разработка, создание, испытания и организация производства новых автоматических приборов и комплексов на основе использования оптических и акустических методов;
– разработка метрологического обеспечения разрабатываемых технических средств;
– разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах для экологического и метеорологического мониторинга атмосферного пограничного слоя и в средствах контроля технологических процессов;
– разработка методов повышения информационной и метрологической надежности разрабатываемых приборов и средств контроля в процессе эксплуатации, обеспечение диагностики приборов контроля.