WWW.LIBRUS.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - собрание публикаций
 

«Гришканич Александр Сергеевич ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАСПЕКТРАЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ ИНДИКАТОРНЫХ ВЕЩЕСТВ МЕТОДАМИ ДИСТАНЦИОННОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ “ЛЭТИ” ИМ. В.И .

УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

На правах рукописи

Гришканич Александр Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАСПЕКТРАЛЬНОЙ СЕЛЕКЦИИ

ИНДИКАТОРНЫХ ВЕЩЕСТВ МЕТОДАМИ ДИСТАНЦИОННОЙ

ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность – 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Бузников Анатолий Алексеевич Санкт-Петербург Оглавление ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 . Разработка основ метода дистанционного лазерного зондирования веществиндикаторов месторождений нефти и газа .

1.1 Основные проблемы поиска месторождений нефти и газа

1.2 Создание геохимической модели распределения УВГ в приземном слое атмосферы над месторождением УВ.

1.3 Сопоставление современных научно-методических основ геохимических методов с результатами исследований

методами геологоразведочных работ

2. Лидарные методы дистанционной лазерной спектроскопии для задач ультраспектральной селекции индикаторных веществ

2.1 Методы лазерного дистанционного зондирования

2.2 Физические основы метода комбинационного рассеяния.

2.3 Физические основы метода дифференциального поглощения и рассеяния.

2.4 Определение параметров трассы, влияющих на обнаружительную способность лидара.. 48

2.5 Экспериментальное исследование спектров поглощение индикаторных веществ и выбор метода зондирования.

2.6 Экспериментальное исследование ультраспектральной селективности рамановского метода и создание базы данных стоксовых сдвигов индикаторных веществ

2.7 Выводы по главе 2.

3. Исследование ультраспектральной селективности СКР и КАРС методов для поиска изотопических сигнатур метана

3.1 Источники метана в атмосфере

3.2 Изотопный состав метана

3.3 Метод КАРС для измерения параметров газовой фазы углеводородов в атмосфере........ 80

3.4 Экспериментальное исследование изотопической ультраселективности рамановского метода

3.5 Выводы по главе 3.

4. Аппаратно-программный комплекс геолого-геохимических аэропоисков месторождений нефти и газа методом лазерного зондирования

4.1 Структура комплекса и назначение основных функциональных узлов

4.2 Модуль зондирования. Разработка лазерного канала.

4.3 Входной оптический канал с системой сканирования и спектроанализа

ПРИЛОЖЕНИЕ Г.

ПРИЛОЖЕНИЕ Д.

ПРИЛОЖЕНИЕ Е.

–  –  –

Несмотря на активное внедрение в последнее десятилетие различных энергосберегающих технологий и развитие альтернативной энергетики, преобладающее значение – это использование нефти и газа, что предопределяет приоритетность всех вопросов, связанных с разведкой, добычей, транспортом, переработкой и использованием этих ископаемых топлив .





При проведении геологоразведочных работ (ГРР) для поисков нефти и газа по предварительно выбранной сети профилей производят сейсмические исследования в пределах всей исследуемой территории.. К сожалению достоверность прогноза методов сейсморазведки, картировочного бурения, геологической съемки остается недостаточно высокой и в благоприятных условиях составляет, в лучшем случае, 30%. Особенно низка эффективность сейсморазведки при поисках неантиклинальных и сложно построенных ловушек, что характерно для районов Восточной Сибири. Поэтому на современном этапе развития нефтепоисковых работ необходим более широкий комплекс методов, имеющих различную физическую основу .

Геохимические методы поисков нефти и газа относятся к прямым методам поисков и позволяют надежно оценить возможность наличия залежей в недрах исследуемой территории .

Но они в отличие от сейсморазведки не могут показать геологическое строение территории, а только оценивают перспективы наличия залежей в недрах земли, то есть показывают картину в плане. Также к существенным недостаткам прямых геохимических методов следует отнести необходимость отбора проб на всей исследуемой территории, что затрудняет их использование в труднодоступных районах и при исследовании обширных территорий .

К наиболее перспективным относятся дистанционные авиационные методы измерения содержания предельных углеводородов (метана, этана, бутана и пропана) в приземном слое атмосферы при поверхностных выходах газа со сверхмалой концентрацией и автоматизированной обработкой информации. Применение наземных и аэрогеохимических поисков месторождений углеводородов базируется на установленном факте миграции из залежей нефти и газа углеводородных и других многокомпонентных флюидов (H2S, CO, CO2, H2, He), что приводит к изменению физических свойств пород над залежью и формированию ореолов метана, пропана и других углеводородов в приповерхностных отложениях и приземном слое атмосферы. В результате, по контуру залежи наблюдаются аномальные концентрации углеводородных газов .

Недостатком работы практически всех предприятий, деятельность которых связана с аэрогеофизическими съемками искомых месторождений углеводородного сырья в приземных слоях атмосферы, является отсутствие необходимых современных диагностических средств, технологий и специалистов. Для многих направлений дистанционного диагностирования повышение чувствительности и точности детектирования малых газовых примесей атмосферы остается наиболее проблемным и первичный анализ порой не в коей мере не заменяет наблюдений и измерений на местности. При этом одной из основной задач является разработка технических полевого авиационного лидара с ультравысокой чувствительностью и ультраспектральной селективностью, способного в комплексе с иными, традиционными средствами геологоразведки существенно повысить эффективность аэрогеохимического поиска углеводородных газов (УВГ) .

Степень разработанности тематики

Работа включает в себя исследование ультраспектральной селекции индикаторных веществ (ИВ) углеводородных месторождений методами лазерной спектроскопии. Показано, что лазерное зондирование - наиболее перспективный метод для пространственного поиска широкого спектра углеводородов, и для мониторинга в реальном времени окружающей среды необходимо создание автоматизированных лидарных систем, работающих по схеме СКР и КАРС, требующих разработки программно-аппаратного комплекса с высоким спектральным разрешением на основе банка спектральных сигнатур ИВ УВГ .

Цель диссертационной работы исследование и использование метода ультраспектральной селекции индикаторных веществ углеводородных месторождений методами дистанционной лазерной спектроскопии для создания аппаратуры, позволяющей дистанционно обнаруживать и количественно оценивать недроносность месторождений нефти и газа, используя лазерные источники зондирующего излучения для обнаружения индикаторных веществ углеводородных месторождений .

В работе решаются следующие задачи:

Исследование и проведение анализа химически и оптических свойств ИВ УВГ .

Исследование и выбор номенклатуры индикаторных веществ в задачах поиска ореолов нефтегазовых месторождений Исследование спектров ИВ УВГ и обоснование возможности применения лидарного зондирования для обнаружения ультрамалых концентраций УВГ Разработать базу стоксовых сдвигов предельных углеводородов – индикаторов нефтегазовых месторождений .

Экспериментально исследовать рамановские спектры .

Обосновать методики регистрации и обработки предельно слабых спектральных откликов .

Разработать аппаратно- программный комплекс дистанционного лидарного зондирования исследуемых ИВ УВГ с подвижных носителей

–  –  –

Объектами исследования являются вещества-индикаторы углеводородных месторождений (гомологи метана) и другие многокомпонентные флюиды (H2S, CO, CO2, H2, He) в рамках задач поиска месторождений нефти и газа. Предмет исследования – ультраспектральная селекция индикаторных веществ методами дистанционной лазерной спектроскопии, а именно методами дифференциального поглощения (ДП), спонтанного комбинационного рассеяния (СКР), когерентного антистоксового комбинационного рассеяния (КАРС), оценка предельной обнаружительной способностии лидаров, исследование физикохимических свойств ИВ, построение моделей распространения углеводородных газов (УВГ) над месторождениеями .

Методы исследований .

При решении поставленных задач использовались методы спектрального анализа состава газов, такие как дифференциальное поглощение (ДП), спонтанне комбинационне рассеяние (СКР), когерентне антистоксово комбинационное рассеяние (КАРС), внутрирезонаторная лазерная спектроскопия, абсорбционный анализ. Применялись методы регрессионного анализа при установлении математических зависимостей изменений исследуемых спектральных сигнатур, и проведено физико-математическое моделирование при создании геохимической модели распределения УВГ в приземном слое атмосферы над месторождением УВ. При разработке аппаратно-программного комплекса использовались такие программы и приложения как Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench, С++, Origin Data Analysis and Graphing Software, OriginLab. Были применены методы экспериментального моделирования функциональных узлов ультраспектральных высокочувствительных лидаров

Научная новизна работы состоит в следующем:

Полученный набор значений стоксовых сдвигов УВГ молекул-индикаторов нефтегазовых месторождений, а именно метана (СН4), этана (С2Н6) и пропана (С3Н8), обеспечивает дистанционный поиск месторождений нефти и газа при концентрации УВГ газов в ореоле месторождения не менее 200 ррb/ КАРС метод в рамановском лидаре с реализованным разрешением =0.6см-1, соответствующим спектральной селекции /10000, обеспечивает дистанционную регистрацию сверхмалых концентраций УВГ не менее 20 ppb Ультраспектральная селекция методом СКР разрешает изотопические сдвиги имитаторов индикаторных-веществ в УФ и ИК диапазонах на уровнях не менее 5 см-1 Работа в 4-ом порядке дифракции голограммной стигматической дифракционной решетки, установленной в рамановском лидаре, реализует ультраспектральную разрешающую способность с линейной дисперсией 0,046 нм/мм на длине волны блеска 283,31 нм .

Значимость полученных результатов для теории и практики:

Теоретическая значимость работы:

Составлена база данных стоксовых сдвигов для индикаторных углеводородов, сечения рассеяния и минимально определяемые концентрации, пригодные для дистанционного детектирования месторождений методом комбинационного рассеяния .

Обоснована предельно высокая чувствительность и изотопическая ультраселективность КАРС метода при дистанционном обнаружении УВГ Показано, что метод КАРС - метод в рамановском лидаре с реализованным разрешением =0.6см-1, соответствующим спектральной селекции /10000, и позволяет зарегистрировать индикаторные газы с концентрациями не менее 20 ppb

Практическая ценность результатов работы:

Реализован малогабаритный ультрафиолетовый лазерный источник излучения с воздушным охлаждением, пригодный для использования в лидарных системах с ультраспектральным разрешением .

–  –  –

Создан аппаратно-программный комплекс для регистрации, оцифровки, обработки, записи и визуализации сигналов в режиме реального времени .

Практическое значение проведенных исследований подтверждено фактом использования результатов при создании бортовых и мобильных рамановских лидаров, предназначенных для дистанционного и безопасного мониторинга окружающей среды с предельно высокой чувствительностью, в частности, для обнаружения месторождений нефти и газа в реальном масштабе времени, а также при выполнении проектов в рамках государственных контрактов, соглашения с Министерством образования и науки, таких как ПНИР «Разработка научнотехнических решений и методов создания аппаратно-программного комплекса мониторинга и экологического контроля состояния объектов добычи и переработки нефти и газа на основе технологий фотоники». 2014-2016 гг, СЧ ОКР «Разработка лазерного спектроскопического комплекса и аппаратуры для дистанционной подводной разведки и мониторинга месторождений углеводородов». 2013-2014гг., СЧ ОКР «Исследование технических путей создания лазерного сенсора для дистанционной разведки месторождений углеводородов на территориях и акваториях Российской Федерации». 2014-2016гг, что подтверждено 4 актами внедрения в АО «ГОИ им С.И.Вавилова», ФГУП "ВНИГРИ", ООО «Лазерные и оптические системы», Университет ИТМО .

Научные положения, выносимые на защиту:

С Полученный набор значений стоксовых сдвигов УВГ молекул-индикаторов 1 .

нефтегазовых месторождений, а именно метана (СН4), этана (С2Н6 и пропана (С3Н8), обеспечивает дистанционный поиск месторождений нефти и газа при концентрации УВГ газов в ореоле месторождения не менее 200 ррb .

КАРС метод в рамановском лидаре с реализованным разрешением =0.6см-1, 2 .

соответствующим спектральной селекции /10000, обеспечивает дистанционную регистрацию сверхмалых концентраций УВГ не менее 20 ppb Ультраспектральная селекция методом СКР разрешает изотопические сдвиги имитаторов 3 .

индикаторных-веществ в УФ и ИК диапазонах на уровнях не менее 5 см-1 Работа в 4-ом порядке дифракции голограммной стигматической дифракционной 4 .

решетки, установленной в рамановском лидаре, реализует ультраспектральную разрешающую способность с линейной дисперсией 0,043 нм/мм на длине волны блеска 283нм .

Апробация результатов работы .

Основные теоретические и практические результаты диссертации представлены и обсуждались на 15 международных конференциях. Наиболее значимые из них: Optical Sensing and Detection III (Брюссель, Бельгия, 2014), Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography VI (США, 2015), Advances in X-ray Free-Electron Lasers Instrumentation III (Прага, Чехия, 2015), Advanced Environmental, Chemical, and Biological Sensing Technologies XII (Балтимор, США, 2015), 17 th International Conference «Laser Optics 2014» ( г. Санкт-Петербург 2016), SPIE Photonics West (СанФранциско, США, 2016) Список конференций приведен в конце работы .

В 2010 году исследования по тематике диссертации получили поддержку в рамках конкурса Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере программа «УМНИК», а в 2016 проекту «Авиационный рамановский лазерный сканер для поиска месторождений нефти и газа» присуждена Международная энергетическая премия «Глобальная энергия» .

Степень достоверности результатов и проведенных исследований .

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается протоколами испытаний лидара, показавшим надежную работу всех компонентов рамановского лидара и позволившим судить о достоверности теоретических и экспериментальных исследований СКРлидара с ультраспектральным разрешением, а также использованием обоснованных и апробированных физических методов при его разработке. Анализ данных, полученных экспериментальным путем, проведен с учетом статистических методов обработки физических измерений. Все полученные результаты не противоречат существующим теоретическим представлениям и моделям .

Личный вклад автора

Основные научные и практические результаты, включенные в диссертационную работу, получены лично аспирантом. Научный руководитель Бузников А.А. принимал участие в постановке задачи, обсуждении полученных результатов, редактировании печатных работ .

Разработка и создание функциональных узлов рамановского лидара проводилась аспирантом под руководством научного консультанта кандидата физико-математических наук Жевлакова А.П .

Соавторство обусловлено работой научного коллектива, ввиду проведении ряда экспериментов и совместного обсуждении результатов .

–  –  –

По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, среди низ 20 публикаций в рецензируемых изданиях scopus/wos, 3 свидетельства о государственной регистрации программы ЭВМ, одно учебное пособие и 15 конференционных материалов Список публикаций приведен в конце работы .

Структура и объем диссертации .

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 6 приложений и списка литературы из 139 наименований. Общий объем работы составляет 159 страниц машинописного текста, диссертация содержит 73 рисунка и 33 таблицы .

Глава 1. Разработка основ метода дистанционного лазерного зондирования веществ-индикаторов месторождений нефти и газа .

–  –  –

Несмотря на активное внедрение в последнее десятилетие различных энергосберегающих технологий и развитие альтернативной энергетики, преобладающее значение – это использование нефти и газа, что предопределяет приоритетность всех вопросов, связанных с разведкой, добычей, транспортом, переработкой и использованием этих ископаемых топлив .

При проведении геологоразведочных работ (ГРР) для поисков нефти и газа по предварительно выбранной сети профилей производят сейсмические исследования в пределах всей исследуемой территории. Путем обработки и интерпретации данных сейсморазведки в геологическом разрезе территории проводится поиск ловушек, с которыми могут быть связаны залежи нефти и газа, и прогнозируют наличие залежей. Такой способ [1] поисков залежей нефти и газа весьма дорог, так как требует прокладки сейсмических профилей шириной (не менее 6 м), достаточной для прохода тяжелой колесной и гусеничной техники повышенной проходимости, в т .ч. в условиях тундры, болотистой, горно-лесистой, таежной местности и т.д., с рубкой просек, а также бурением малоглубинных скважин для проведения взрывных работ и инициации упругих волн. При этом можно успешно найти только ловушки структурного типа и с достаточно высокой степенью достоверности прогнозировать наличие залежей уникальных и крупных размеров [1]. В случае залежей средних и мелких размеров, которые в настоящее время составляют основную массу, возникают значительные трудности, так как влияние этих залежей на волновую картину соизмеримо или значительно ниже влияния геологических факторов .

Кроме того, в природе существуют залежи, связанные с ловушками неструктурного типа, которые методами сейсморазведки в большинстве случаев выявить невозможно. К сожалению достоверность прогноза методов сейсморазведки, картировочного бурения, геологической съемки остается недостаточно высокой и в благоприятных условиях составляет, в лучшем случае, 30%. Особенно низка эффективность сейсморазведки при поисках неантиклинальных и сложно построенных ловушек, что характерно для районов Восточной Сибири. Поэтому на современном этапе развития нефтепоисковых работ необходим более широкий комплекс методов, имеющих различную физическую основу .

Вместе с тем, не каждая выявленная ловушка структурного, либо неструктурного типа, содержит промышленные скопления углеводородов (УВ). В природе встречаются так называемые «пустые ловушки», не содержащие УВ. Используемые для отбраковки таких структур методы, включая наземную геохимию, требуют наземных маршрутов, либо пеших, либо с использованием колесной и гусеничной техники повышенной проходимости и также отличаются низкой производительностью .

В связи с этим для отбраковки непродуктивных ловушек, выявленных по данным сейсморазведки, приходится бурить большое количество поисковых глубоких скважин, для проводки которых требуется не только рубка просек, а и строительство временных дорог с выравниванием рельефа местности. При этом особенности исследуемой территории, например сильная заболоченность и отсутствие проходимых дорог, могут сделать сейсморазведку весьма затруднительной и дорогой .

Геохимические методы поисков нефти и газа относятся к прямым методам поисков и позволяют надежно оценить возможность наличия залежей в недрах исследуемой территории [2] .

Но они в отличие от сейсморазведки не могут показать геологическое строение территории, а только оценивают перспективы наличия залежей в недрах земли, то есть показывают картину в плане. Также к существенным недостаткам прямых геохимических методов следует отнести необходимость отбора проб на всей исследуемой территории, что затрудняет их использование в труднодоступных районах и при исследовании обширных территорий .

Комбинированным способом геологической разведки нефти и газа [3] на исследуемой территории проводят геохимическую съемку путем изучения газов, сорбированных на глинистой матрице, по результатам которой выявляют зоны углеводородных аномалий, а затем на участках площади по профилям в пределах выявленных углеводородных аномалий с выходом в нормальное поле проводят электроразведочные работы, по результатам которых судят о параметрах пласта на глубине от поверхностной геохимической аномалии до искомой залежи .

Однако данный способ не пригоден для осуществления поисков нефти и газа в сильно заболоченной местности и получения точных границ залежи. Также недостатками способа является высокая трудоемкость и большие затраты на поиск углеводородных залежей .

В [4] предложен способ дистанционного зондирования земной поверхности в интересах поиска полезных ископаемых, в частности, за счет того, что многозональное ландшафтное зондирование дополнено фотографированием растительности в узких зонах электромагнитного спектра в различные сроки фаз вегетации и определения групп химических соединений, накапливающихся в биомассе растительности по величине контрастов фотоизображений .

К наиболее перспективным относятся дистанционные авиационные методы измерения содержания предельных углеводородов (метана, этана, бутана и пропана) в приземном слое атмосферы при поверхностных выходах газа со сверхмалой концентрацией и автоматизированной обработкой информации .

Применение наземных и аэрогеохимических поисков месторождений углеводородов базируется на установленном факте миграции из залежей нефти и газа углеводородных и других многокомпонентных флюидов (H2S, CO, CO2, H2, He), что приводит к изменению физических свойств пород над залежью и формированию ореолов метана, пропана и других углеводородов в приповерхностных отложениях и приземном слое атмосферы. В результате, по контуру залежи наблюдаются аномальные концентрации углеводородных газов .

Недостатком работы практически всех предприятий, деятельность которых связана с аэрогеофизическими съемками искомых месторождений углеводородного сырья в приземных слоях атмосферы, является отсутствие необходимых современных диагностических средств, технологий и специалистов [5]. Для многих направлений дистанционного диагностирования повышение чувствительности и точности детектирования малых газовых примесей атмосферы остается наиболее проблемным и первичный анализ порой не может заменить непосредственных полевых наблюдений и измерений на местности. При этом одной из основной задач является разработка технических полевого авиационного лидара с ультравысокой чувствительностью и ультраспектральной селективностью, способного в комплексе с иными, традиционными средствами геологоразведки существенно повысить эффективность аэрогеохимического поиска углеводородных газов (УВГ) .

1.2 Создание геохимической модели распределения УВГ в приземном слое атмосферы над месторождением УВ .

Применяемые в настоящее время в практике геологоразведочных работ современные методы прямых поисков нефти и газа ставят своей целью выявление по тем или иным признакам наличие аномалий, которые позволяют связывать их с обнаружением залежей нефти и газа на глубине. Для правильной интерпретации полученных данных необходимо четко представлять формирование ореолов над залежью .

В литературе рассматриваются различные методические подходы и модели миграции углеводородов (УВ) от залежи к поверхности [1, 2, 6]. В основе всех геохимических моделей образования аномалий лежит общепринятое представление о диффузно-фильтрационном массопереносе УВ. Механизм массопереноса определяется тектоническими, литологическими, геотермическими, гидрологическими факторами. Вертикальная фильтрационная миграция УВ происходит под воздействием градиента давления по системе сообщающихся пор, трещин, каналов в обводненных и необводненных зонах разрывных нарушений .

Миграционные каналы приурочены к периферийным областям ловушек. Если миграция УВ происходит равномерно по всем зонам проницаемости, то на поверхности формируются кольцевые аномалии углеводородов. Минимальные концентрации углеводородных газов (УВГ) получены на своде, максимальные – на крыльях нефтегазоносных структур. Подобная природа аномалий объясняется наличием над залежами более плотной покрышки и нарушениями на периферии нефтегазоносной части структур .

Наряду с фильтрацией движение УВ происходит путем диффузии. Согласно теории диффузии, её скорость увеличивается при повышении температуры и уменьшается при повышении давления. С ростом молекулярной массы УВ коэффициент диффузии снижается .

Интенсивность диффузии УВ для одной и той же площади ниже её фильтрации .

Фильтрационные и диффузионные процессы миграции являются постоянно действующими во все времена существования нефти и газа. Геохимические аномалии, связанные с залежами антиклинального типа, характеризуются повышенным содержанием УВ по периферии антиклинальных структур и над их сводами, что приводит к формированию аномалий зонально-кольцевого типа. Над не антиклинальными залежами литолого-стратиграфического типа или тектонического типа формируются линейные аномалии УВ (рисунок 1.1) .

Для нефтегеологического анализа геохимической зональности УВ была принята теоретическая физико-химическая модель залежи, разработанная А.В. Петуховым и др. (1986) [7] (рисунок 1.2) .

Согласно этой модели пространственная локализация аномалий мигрирующих УВ в приповерхностном слое происходит над водонефтяным контактом (ВНК) .

В качестве информативных параметров принята концентрация легких и тяжелых УВГ (метод поиска по свободным газам). В основе метода лежит определение свободных газов в составе геохимических аномалий .

Многочисленные геохимические исследования [5 - 10] показывают, что над нефтегазовыми залежами образуются поля аномальных концентраций легких УВГ состава С 1– С4, тяжелых УВГ – С5–С6 и легких УВ – С7–С8. Исходя из этого, метан и его гомологи относятся к прямым показателям нефтегазоносности. Учитывая, что УВГ С2–С4 практически не образуются бактериями, именно эти соединения являются индикаторами нефтегазоносности недр. УВ состава С5–С8 типичны только для нефти. Их обнаружение в объектах окружающей среды или в приповерхностных слоях разреза (глубина 0–40 см) указывает на наличие п риродного источника их образования, при условии исключения антропогенного загрязнения почв .

На рисунках 1.3 и 1.4 приведены результаты наземной геохимической съемки, выполненной на Ванкорском месторождении, которые дают представление о структуре (распределении) геохимического поля над залежами нефти и газа. Распределение углеводородов по площади подчиняется определенной закономерности .

Рисунок 1.1 – Схема миграции УВ и образования геохимических аномалий

–  –  –

— фильтрационные аномалии углеводородных газов и минеральных новообразований — апикальная аномалия сорбированных углеводородных газов, гелия — аномалии парообразных и жидких углеводородных флюидов, фильтрующихся по зонам макро- и микротрещиноватости — кольцевые аномалии газов биохимического происхождения — рассеянной вторичной минерализации, не связанной с углеводородными флюидами, мигрирующими из залежи (фон) .

— надбарьерная активного аэробного окисления углеводородных флюидов ореола диффузионного рассеяния — подбарьерная диффузионного рассеяния углеводородных флюидов, их анаэробного окисления и вторичного минералообразования — барьерная активного анаэробного рассеяния и вторичного минералообразования — активного тепло- и массообмена и вторичного минералообразования, — концентрированного скопления углеводородных флюидов (залежь) и угнетенного вторичного минералообразования — активного массообмена и вторичного минералообразования Рисунок 1.2 – Физико-химическая модель залежи углеводородов Рисунок 1.3 – Схема распределения Ванкорское месторождение. Пласт Як-III-VII: 1 – внешний контур ВНК, 2 – внешний контур ГНК; пласт Нх-I: 3 – внешний контур ВНК; пласт НхIII-VII: 4 – внешний контур ВНК, 5 – внешний контур ГНК, 6 – внутренний контур ГНК; 7 – пласт Дл-1: газоводяной контакт; 8 – изолинии значений 1nТУ; 9 – структурообразующий разлом по данным интерпритации ПК гелия (Кринин, 2005, 2006);

Рисунок 1.4 – Геолого-газохимический разрез по линии I-I .

1 – графики распределения газовых показателей; 2- точка опробирования и ее номер на геохимическом профиле; 3 – уровень среднего содержания газового показателя; 4 – уровень высокого содержания; 5 – газонефтяной и газоводяной контакт, м(б); 6 – водонефтяной контакт, м; 7 – газонасыщение пласта; 8 нефтенасыщение пласта; 9 – водонасыщение пласта; 10 – зона трещиноватости пород; 11 – сеймический отражающий горизонт; 12 – верхняя и нижняя граница пласта; 13 – граница пласта, скореектированная по результатам интерпритации геохимических данных .

В районе водонефтяного контакта (ВНК) и газонефтяного контакта (ГНК) наблюдаются аномальные, а над залежью повышенные концентрации тяжелых углеводородов. Поведение метана над месторождением более сложное, с менее выраженными диагностическими признаками, изображенными на рисунке 1.4. Значимых ореолов углеводородов за пределами месторождения практически не наблюдается [11-13]. Широкое применение наземных геохимических съемок с целью поисков залежей углеводородов сдерживается по целому ряду причин .

Одной из основных причин является большая площадь перспективных участков. Так, на региональной стадии она составляет 20000-30000 кв. км, а на поисковой – в среднем 2500-3000 кв.км .

Как было показано выше, повышенное количество УВГ над залежью является прямым признаком, указывающим на нахождение УВ залежи. Газогеохимические исследования выполняются с использованием как свободной, так и сорбированной форм нахождения природного газа .

В качестве примера газогеохимических исследований по свободным газам на нефть (в основе метода лежит определение свободных газов, заполняющих поровые и капиллярные пространства в почве; геохимические пробы отбирались из нижней части почвенного слоя) можно привести работу, выполненную коллективом авторов [2] на эталонном Атовском газоконденсатном месторождении и Балаганкинской перспективной площади (рисунок 1.5). На Атовском эталонном участке бурением поисково-разведочных скважин установлено наличие газоконденсатной залежи, стратиграфически приуроченной к песчаникам парфеновского горизонта. Исследование поверхности отложений Атовского эталонного участка проводилось по трем профилям; шаг опробования составлял 500 м; расстояние между профилями – 5 000 м; всего 121 точка опробования. Опробование Балаганкинской перспективной площади проводилось по сети 2000х1000 м. Было опробовано 206 точек [15] .

На Атовском эталонном участке полученные геохимические данные позволяют установить серии надсводовых и кольцевых аномалий, приуроченные к проекции водонефтяного контакта. Углеводороды С1–С8, полученные методом поиска по свободным газам, образуют аномальные газо-химические поля в пределах газо-водного контакта, а также в районах установленных сейсмических аномалий на юге и северо-западе участка работ. По расположению относительно структур Атовского месторождения аномалии можно отнести к надсводовым, однако в центре проекции газо-водяного контакта уровень концентраций снижен. Аномалии алкенов (этен, пропен) также являются надсводовыми, но в отличие от алканов максимальные концентрации расположены в центре газоводяного контакта. Из неуглеводородных компонентов в наибольших концентрациях найден углекислый газ. Коэффициент корреляции с алканами 0.6, что свидетельствует о связи углекислого газа с процессами миграции УВ .

На участке работ отмечается повышенное содержание аренов С6–С8. образуют кольцевые аномалии по периферии газоводяного контакта Атовского месторождения [8,13] .

Проведенные литогеохимические исследования показали наличие повышенной доли неорганических соединений, особенно магния [16].Отмечается повышенное содержание его на периферийных частях газоводяного контакта и пониженное - в центре .

Из работа [17, 18,19] известно, что устанавливается зональная структура аномалий: легкие УВ и углекислый газ образуют надсводовые аномалии в пределах газоводяного контакта Атовского месторождения, а арены и магний образуют кольцевые аномалии по периферии газоводяного контакта .

На Балаганкинской перспективной площади выявлены геохимические аномалии различных УВ соединений, неуглеводородных газов и химических элементов. Карта аномалий УВ, СО2, Mg и прогнозная поисковая геохимическая карта Балаганкинской перспективной площади показаны на рисунке 3 (1–6).

Согласно установленной на Атовском участке поисковой модели на Балаганкинской площади можно выделить три перспективных участка:

1. Наиболее перспективный участок находится на юго-востоке площади вблизи Атовского газоконденсатного месторождения. В центре участка располагаются проекции Биркиснской и Западно-Атовской сейсмических структур. Аномалии метана (3–1) и этена (3–2) пространственно совпадают с данными структурами, при этом концентрация метана снижается ближе к центру. На участке установлены повышенные концентрации углекислого газа (3–3) .

Кольцевых аномалий о-ксилола не выявлено. Однако в южной части участка расположена аномалия, являющаяся частью большой кольцевой аномалии о-ксилола южной части Балаганкинской площади (3–4). Магний образует кольцевые аномалии по периферии участка (3– 5) [16] .

2. Менее перспективный участок располагается в северной части Балаганкинской площади. В центре участка выделяются надсводовые аномалии метана (3–1), этена (3–2) и углекислого газа (1-3). По периферии участка установлена кольцевая аномалия о-ксилола (3–4) и магния (3–5) .

3. Наименее перспективный участок находится в южной части площади. Участок выделен по кольцевой аномалии о-ксилола (1–4). Аномалии метана, этена и углекислого газа также присутствуют, но аномалии очень разобщены и выделяются по нескольким пробам [20,21,22] .

Таким образом, устанавливается зональная структура аномалий на рисунке 1.4 (6) – поисковая модель: легкие УВ и углекислый газ (метод поиска по свободным газам) образуют надсводовые аномалии в пределах газоводного контакта Балаганкинского месторождения (рисунок 1.5), а о-ксилол и магний образуют кольцевые аномалии по периферии газоводного контакта. [9,12 ]

–  –  –

0.5 4 8 13 50 1. 4 5 6 8 16 0. 24 0.29 0.34 0.78 0.1

–  –  –

Как пример объекта типичного классического месторождения можно привести Мишпарминское газоконденсатное месторождение, расположенное в Вуктыльском районе Республики Коми [23,24,25]. В тектоническом плане месторождение находится в северной части Верхнепечорской впадины, в пределах Вуктыльской тектонической пластины. В соответствии с нефтегазогеологическим районированием территории Тимано-Печорской провинции Мишпарминское месторождение входит в состав Вуктыльского НГР Северо-Предуральской НГО. На Мишпарминском месторождении пробурены четыре поисковые скважины, три из них находятся в контуре месторождения (рис.1.6, 1.7). Структура представляет собой вытянутую в меридиональном направлении антиклинальную складку, размером по ОГ - 9,5 х 3,5 (по изогипсе минус 3800 м) и амплитудой 110 м. По кровле карбонатов московского яруса по замкнутой изогипсе – 4175 м размеры структуры составляют 6,25 х 3,2 км, амплитуда - порядка 100 м .

Залежь открыта в 1985 году скважиной №1, в которой при опробовании в процессе бурения карбонатов московского яруса среднекаменноугольных отложений был получен приток газа дебитом 25 тыс.м3/сут [26]. Выявленная газоконденсатная залежь в пределах Мишпарминского поднятия вскрыта на глубине 4325-4390 м и приурочена к проницаемым карбонатным породам (известнякам и доломитам) верхнего карбона – московского яруса, близким по литологии, коллекторским свойствам и толщинам одновозрастным отложениям Вуктыльского ГКМ. Коллектор порово-трещинно-каверновый со средней открытой пористостью 11%. Залежь - массивная, сводовая, высота ее 52 метра, площадь 8,11 км2 .

Покрышкой является мощная толща плотных карбонатных пород нижней перми, терригенных образований верхнеартинского подъяруса, а также терригенно-сульфатных пород кунгурского яруса является надежной покрышкой для выявленной газоконденсатной залежи [10,23,24] .

Газ Мишпарминского высококонденсатный с содержанием жидкой фазы 361,0 см3/м3, азотный 6,99%, полусухой, с концентрацией гомологов метана 10,7%. Физико-химические свойства газа приведены в таблице 1.1. Как показано в таблице 1.1, состав глубинного газа на 92,85% представлен УВГ, неуглеводородные компоненты составляют 7,15%. Доминирующие УВГ: метан и этан – 97,39% (% на сумму УВ С1-С5). Концентрационное распределение УВГ образуют следующий ряд: СН4С2Н6С3Н8С4Н10С5Н12 .

–  –  –

На основании данных [27,28,29] о глубинном составе газа был проведен предварительный расчет средних концентраций индивидуальных УВГ в приземном слое атмосферы над Мишпарминским месторождением. При сравнительном рассмотрении составов УВГ были выявлены, как общие черты, так и различия. Общей чертой является преобладание метана, а различия состоят в концентрационном распределении индивидуальных углеводородов. Для глубинного газа наблюдается уменьшение УВ компонентов с увеличением молекулярного веса .

В составе приземного слоя четкой картины в распределении УВ не наблюдается. Химический состав газа приведен в таблице 1.2 .

Таблица 1.2 – Состав глубинного газа и газа приземного слоя атмосферы над Мишпарминском месторождении

–  –  –

В УВГ приземного слоя атмосферы над Мишпарминским месторождением по сравнению с глубинным газом уменьшилось содержание метана и этана, и увеличилась относительная доля более тяжелых УВ С3-С5., особенно пропана (C3H8). Количество метана уменьшилось на 11,67%, этана на 2,09%. Такое распределение УВГ в приземном слое атмосферы связано с процессами диффузии наиболее легких УВ в верхние слои атмосферы .

При рассмотрении обобщенных показателей углеводородного состава, рассчитываемых по соотношению содержаний метана, этана и пропана в газовой смеси (ОПУС-3), равных, соответственно, 7.93 и 8.01 условных единиц, прослеживается их соответствие свободному газу газовых и газоконденсатных месторождений, а по фазовому состоянию – газо-газоконденсату, жирному-сверхжирному [4] .

Из вышеизложенного следует важный вывод о соответствии состава газов в приземном слое атмосферы составу газов самого месторождения, что подтверждает возможность решения задачи прогнозирования нефтегазоносности недр новым методом геохимического аэропоиска при помощи мониторинга изменчивости геохимических полей, а точнее концентраций индикаторных веществ в атмосфере, являющихся прямыми признаками наличия месторождения .

Таким образом, согласно [30,31,32,33] и вышеприведенному анализу, индикаторными веществами являются метан, этан, пропан, бутан и пентан (таблица 1.3) .

–  –  –

Рисунок 1.7 – Геологический разрез по линии скважин [6]

- 25 Сопоставление современных научно-методических основ геохимических методов с результатами исследований На современном этапе развития геологической отрасли в геологической науке и практике обозначился закономерный процесс обновления и создания новых теоретических концепций и производственных технологий. Расширение сферы геологоразведочного процесса, выход в новые слабо освоенные районы [35,36,37], вовлечение в разработку глубокозалегающих продуктивных горизонтов, открытие нетрадиционных (неструктурных) залежей и новых нефтегазоносных бассейнов, привели к развитию инновационных технологических решений нефтегазопоисковых работ .

Основой всех существующих методов поиска месторождений нефти и газа, в том числе и современных научно-технических разработок, являются история геологического развития Земли и фундоментальные основы объективно существующих геологических и физикохимических и термабарических процессов [38,39], способствующих их возникновению и протекающих в пределах геологических объектов .

Для формирования залежи нефти или газа нужны, по крайней мере, три условия [5]:

1. Наличие коллектора - пористой проницаемой породы, способной принимать и отдавать природный флюид нефть, газ и воду. Например, пористые песчаники, известняки, доломиты .

2. Наличие природного резервуара – естественной емкости для нефти, газа и воды, форма которой обуславливается соотношением коллектора с вмещающими его плохо- или непроницаемыми породами, т.е. природный резервуар – это коллектор ограниченный непроницаемыми породами .

3. Наличие ловушки – части природного резервуара, в котором может формироваться залежь нефти и газа .

По характеру природного резервуара выделяют пластовые, массивные и литологически ограниченные со всех сторон залежи [40] (рис. 1.8). Залежи распределяются не только по характеру природного резервуара, но и по типу, существует – структурный тип, литологостратиграфический тип и тектонический тип .

Исследование современных научно-методических основ применения нового метода лазерного зондирования при аэропоиске месторождений нефти и газа, показало, что он также как и все существующие методы поиска, тесно связан с закономерностями формирования залежей различных типов, протекающими в них геохимическими процессами и принципами теории осадочно-миграционного происхождения нефти .

Теоретической основой нефтегазопоисковых геохимических методов является представление о наличии над залежами (Рисунок 1.8) специфических ореолов рассеяния, формирующихся в результате диффузионно-фильтрационного массопереноса газообразных и парообразных углеводородов и их микропросачивании в перекрывающие отложения .

При микропросачиваниях герметичность коллектора остается ненарушенной, а межзеренные границы и микротрещины в покрывающей породе над коллектором служат каналами для миграции углеводородных флюидов, возникающей под действием естественной движущей силы в результате высокого пластового давления и высокой концентрации углеводородов в коллекторе .

Результаты макропросачивания наблюдаются, когда при разрыве коллектора происходит перемещение углеводородных флюидов вдоль линии разлома .

Поступление углеводородов в приповерхностную часть разреза обычно сопровождается их бактериальным окислением, что приводит к вторичным преобразованиями пород и вод и позволяет в некоторых случаях расширить перечень нефтепоисковых индикаторов за счет косвенных геохимических показателей, отражающих эти процессы (наличие углеводородокисляющих бактерий, серы, сульфидов железа и др.) .

В соответствии с этим, объектом исследований нефтегазопоисковой геохимии является природный геохимический фон приповерхностной части разреза, в котором, на основе изучения закономерностей пространственной изменчивости полей концентраций, элементовиндикаторов, необходимо выявить аномалии, обусловленные влиянием залежей .

Контрастность данных аномалий зависит как от геологических условий, определяющих интенсивность миграционных процессов (экранирующие свойства покрышек, наличие зон тектонической трещиноватости, гидрогеологических "окон" и т.п.), так и геохимической обстановки в зоне опробования (сорбционные свойства пород, интенсивность инфильтрационного питания, активность жизнедеятельности углеводородокисляющих бактерий и др.) .

Опыт геохимических исследований показывает [41], что к числу наиболее информативных нефтепоисковых показателей относятся углеводородные газы (УВГ), характеризующиеся генетической связью с залежами нефти и газа и наивысшей миграционной способностью. В связи с этим, наибольшее применение получили различные модификации газовой съемки: атмогазогеохимические – основанные на исследовании состава подпочвенного воздуха; литогазогеохимические – сорбированных в грунтах и породах газов;

газогидрохимические – водорастворенных газов родников и скважин. Исходя из особенностей состава газовых "ореолов рассеяния" нефтяных залежей, к числу наиболее информативных показателей при выявлении аномалий нафтидного типа следует отнести гомологи метана (ТУпр), концентрация которых превышает фон в 10-100 раз. Специфической особенностью их состава является присутствие бутанов и пентанов. Так, если на нефтяных месторождениях

- 27 встречаемость этих компонентов достигает 50-90%, то на непродуктивных площадях она колеблется в пределах 0-20%. Отмеченное в ряде случаев повышение суммарных концентраций ТУпр на этих площадях обусловлено в основном этаном и отражает влияние сингенетичной органики [42,43,44,45] .

–  –  –

-100

-120

-140

-160

-100

-200

–  –  –

Известно, что геохимические поля, образующиеся над газовыми, газоконденсатными и нефтяными залежами, обусловлены фильтрационными и диффузионными процессами .

Общая схема формирования поля концентрации УВ над залежью показана на рисунке

1.9. Источники С1 и С2 в силу их региональной распространенности и малой мощности повсеместно порождают флуктуации поля нормальной концентраций [Ci (X,Y)], С3 – мощный локальный источник (залежь), порождающий аномалию в процессе интенсивного локального диффузионно-фильтрационного массопереноса в зоне влияния этого источника. При совместном взаимодействии всех источников, как наиболее вероятной форме проявления этого процесса, поле окажется состоящим из двух совокупностей: С ф(X,Y) – нормальных (фоновых) и Са(X,Y) – аномальных, развитых в зоне возмущения поля нормальных концентраций. По этой причине аномальные концентрации всегда представляют собой сумму (суперпозицию) региональной и локальной составляющих поля C(X,Y). Исходя из этих представлений под полем аномальных концентраций (аномалией) УВ и связанных с ними компонентов подразумевается локальная часть поля концентраций, в пределах которой количественные и качественные характеристики УВ и связанных с ними компонентов существенно отличаются от нормальных. Количественная характеристика поля аномальных концентраций определяется контрастностью, т.е. отношением средних значений геохимических показателей аномалии и фона [45] .

Перераспределение УВ-газов в приземных слоях атмосферы в целом может быть представлено в следующем виде:

(1.1) где mr - масса дискретного объема газа; X-высота подъема газового объема; FА Архимедова сила, FА = 4/3r3 вg; r- радиус дискретного объема; в - плотность воздуха; g ускорение свободного падения; FТР - сила трения газового шара о воздух, по формуле Стокса:

FТР = 6вr; в - динамическая вязкость воздуха; - скорость распространения газа; Р- вес дискретного объема газа, Р= 4/3r3 1g; r - плотность газа .

- 29 а б Рисунок 1.9 – Схема формирования поля концентраций УВ над залежью нефти и газа .

а- кривые распределения значений поля концентраций С х: 1- локальная составляющая (аномалия), 2 – региональная составляющая (фон), С1 – источники палеообразующего компонента Сх внутри картируемого горизонта, С3 – мощный локальный источник (в том числе залежь); б – кривые плотности вероятности встречаемости нормальных (1) и аномальных (2) концентраций Сх (С – амплитуда геохимической аномалии) .

Все углеводородные газы имеют плотность больше атмосферного воздуха. Для описания веществ с плотностью больше атмосферного воздуха введен термин - ”тяжелый газ”, а для описания их поведения в приземном слое, разработаны модели рассеяния тяжелого газах [53,54]. При наличии на некотором уровне от поверхности земли температурного инверсионного слоя распространение примеси происходит в пределах лишь, так называемого, слоя перемешивания, который в значительной степени затрудняет проникновение углеводородных газов в верхние слои атмосферы, расположенные за инверсионным слоем [5] .

Характеристики тяжелого газа (смеси выбросов с атмосферным воздухом ) определяются числом Ричардсона [53,55] = ( )/( 2 ), (1.2) представляющим собой отношение гравитационного ускорения турбулентной частицы (a)g/a к инерционному ускорению v2/h, обусловленному турбулентными флуктуациями воздуха со скоростью порядка величины динамической скорости u в пределах облака размером h .

- 30 Математическая модель движения тяжелого газа описывается уравнениями диффузии и Эйлера [56]. Таким образом, закономерности распространения углеводородных газов в атмосфере зависят от переноса воздушными массами, диффузии, определяемой мелкомасштабными турбулентными пульсациями скорости ветра и действия силы тяжести .

Данная модель описывает движение воздушных масс в приземном слое атмосферы толщиной до 100 м, в котором характеристики вертикальных потоков воздуха в основном не меняются по высоте [56]. Используя уравнение Эйлера с учетом силы тяжести, а также уравнения Клапейрона - Менделеева с учетом закона Дальтона, которым характеризуется зависимость давления от плотности и концентрации тяжелого компонента, может быть найдено уравнение диффузии для тяжелых газов [57,53] .

() + () = ( ) + ( ) + ( ), (1.3) где v — скорость движения смеси; — давление смеси; t — время; C — массовая концентрация тяжелого компонента .

На основе представленной выше математической модели было произведено численное моделирование распространения различных тяжелых углеводородных газов в приземном слое. На графиках (1.10 – 1.12) представлены данные о распределении концентрации тяжелых газов с молярной массой 16 г/моль CH4, 30 г/моль C2H6 и C3H8 соответственно с 44 г/моль при различных концентрациях. Анализируя данные графики, можно заметить, что максимальная концентрация УВГ газов находится в диапазоне 1 – 0,5 м над уровнем подстилающей поверхности .

–  –  –

Рисунок 1.12 - Форма поверхности УВГ облака .

[53]

- 32 Результаты моделирования хорошо сходятся с результатами расчета диффузии газов с молярными массами 20 – 50 г/моль в приземном слое атмосферы, представленными в работе Таким образом разработана геохимическая модель, позволяющая описывать [53] .

геохимические и динамические процессы и определять расчетным методом параметры транспорта веществ-индикаторов месторождений УВГ и дальнейшей их миграции в приземном слое атмосферы. В соответствии с приведенной геохимической моделью залежи углеводородов основной задачей метода лазерного аэропоиска месторождений нефти и газа является определение концентраций индикаторных УВ в приземных слоях атмосферы .

Необходимо отметить, что фоновые концентрации УВ в воздухе могут в различных регионах различаться на несколько порядков [58]. Таким образом, ключевой характеристикой выделения залежей УВ следует считать не абсолютные концентрации индикаторных элементов в приземном воздухе, а изменение концентрации по сравнению с фоновым значением. Основными индикаторными веществами, согласно проведенным выше исследованиям в разделах 1.2 – 1.4 и работах [46-51,59,60], являются метан, этан, пропан, бутан и пентан (таблица 1.4) .

–  –  –

- 33 Оценка эффективности метода лазерного зондирования в сравнении с современными методами геологоразведочных работ Освоение месторождений нефти и газа представляет собой длительный процесс, проходящий в несколько этапов – от общей геологической съемки, прогноза нефтегазоносности изучаемой территории и проведения поисковых работ до открытия и эксплуатации месторождений. Работы осуществляются комплексом методов, среди которых первостепенную роль играют сейсморазведка и бурение. Первая позволяет детально изучить глубинное строение литосферы и выявить перспективные локальные ловушки, которые могут содержать залежи УВ; бурение скважин позволяет однозначно ответить на вопрос о наличии УВ в недрах – но высокая цена и длительность работ не позволяют оперативно определить перспективы всех возможных ловушек, особенно неструктурных [23-26] .

В этих условиях важную роль играют методы, направленные непосредственно на определение наличия залежей углеводородов в недрах. Данные методы не могут рассматриваться как альтернатива бурению скважин или проведению сейсмических профилей

– однако, выступая с ними в комплексе, эти методы способны значительно увеличить общую эффективность геологоразведочного процесса и одновременно снизить стоимость проведения поиска и разведки месторождений УВ .

Методы прогноза содержания углеводородов в недрах подразделяются на прямые и косвенные, так как в основе методов выделения и оценки месторождений нефти и газа лежат либо прямые, либо косвенные признаки нефтегазоносности. По характеру получения информации методы подразделяются на наземные и дистанционные .

Для сопоставления метода лазерного зондирования аэропоиска месторождений с традиционными методами ГРР рассмотрим недостатки и преимущества прямых и косвенных геохимических и геофизических методов поисков нефти и газа, представленные в таблице 1.6 .

Прямые геохимические методы базируются на измерении полей концентраций УВгазов и битумоидов, являющихся прямыми показателями нефтегазоносности. По способу проведения работ геохимические виды съемок подразделяются на методы с отбором проб на профилях и последующим анализом УВ в стационарных лабораториях и методы с использованием переносного полевого оборудования, позволяющего проводить анализ проб непосредственно на месте их отбора .

Преимуществом первого способа является достаточно точное определение спектра и количественных содержаний извлекаемых УВ [46-51], а также достоверности их идентификации. Весьма существенным недостатком является необходимость обеспечения герметичности проб в полевых условиях, а также их транспортировки на значительные расстояния до местоположения стационарной лаборатории, что приводит к удорожанию работ

- 34 и кратному увеличению сроков их проведения без какой-либо гарантии надежной сохранности полевого материала .

Преимуществом второго способа является экспрессность как самих работ, так и получаемых результатов, необходимость герметизации и транспортировки только контрольных проб, что позволяет выполнять съемку по равномерной сети с небольшим шагом опробования и обеспечить высокую степень детализации исследуемых площадей .

Недостатком является низкая достоверностью получаемых результатов, необходимость транспортировки сложной высокочувствительной аналитической аппаратуры по пересеченной местности в различных климатических условиях, а также её настройки и калибровки по эталонным углеводородным смесям в полевых условиях и непосредственно на профилях, что не всегда может быть выполнено достаточно качественно .

Прямые геохимические методы фиксируют только факт наличия скоплений углеводородов в земной коре, в ряде случаев – фазовый состав флюида. Ни глубина, ни структурное строение залежи при этом не определяется. Поэтому любые модификации геохимических методов, хотя и являются достаточно эффективными при прогнозе нефтегазоносности, но применяться могут только в комплексе с другими методами поисков .

Косвенные методы основаны на изучении физических полей [4-8], возбуждаемых в Земной коре либо естественным, либо искусственным путем и основываются на изучении физико-химических параметров минеральных сред, микрофлоры и геохимических элементов, не связанных прямо с залежью, но свидетельствующих о возможном ее присутствии. Данные методы также подразделяются на наземные и дистанционные. Их роль в практике геологоразведочнвых работ на нефть и газ отражена в таблице 1 в приложении А .

Особые перспективы связаны с использование аэрометодов, позволяющих оперативно проводить съемку всего района работ, независимо от его доступности. Однако до последнего времени использование аэрометодов при поиске нефти и газа носило эпизодический характер, так как эти методы в массе своей относились к косвенным – и, следовательно, полученные при их использовании результаты обладали низкой точностью .

Аэромагнитометрические и аэрогравиметрические исследования широко используются при составлении геологических карт и прогноза глубинного состава земной коры, но роль этих методов при поиске нефти и газа невелика. Аэрогамма-спектрометрия и аэроэлектроразведка отличаются несколько большей эффективностью, однако значительные изменения показателей радиогеохимических и электрических показателей не позволяет повсеместно использовать данную технологии при поиске УВ. Эффективность данных методов напрямую зависит от состава и свойств нефти, т.е. от содержания в ней попутных металлов .

- 35 Тепловая инфракрасная съемка, основанная на выделении объектов с высокой тепловой контрастностью [61, 62], может использоваться с большей эффективностью. При ее использовании происходит автоматизированное картирование земной поверхности с выделением геотемпературных аномалий. Однако модель плотности потока теплового излучения позволяет лишь косвенно выделить потенциальные нефтегазоносные объекты, а также требует проведения весьма трудоемких исследований по сбору информации для проверки достоверности полученных этим методом данных, так как множество факторов влияет на точность дистанционных измерений и их интерпретацию. Например, геотемпературные аномалии, свойственные нефтегазоносным и пустым ловушкам, в ряде районов различаются менее чем на 1 C, а воздействие разных видов растительного покрова дает отличие на 2-3 C [27]. Выделение аномалий по дешифрированию космоснимков, в т.ч .

с выделением косвенных геохимических критериев (изменение растительности, снежного покрова, цвета водной поверхности) также имеет ряд недостатков (например, недостаточно точные данные о рельефе) и не позволяет со значительной степенью достоверности выявлять залежи УВ .

Также недостаточно высока эффективность при прогнозе нефтегазоносности таких дистанционных методов, как активная или пассивная радиолокация, индуктивные методы (индуктивное профилирование, вращающееся магнитное поле, метод переходных процессов), радиокип и т.д. По ним хорошо выделяются уже закартированные наземными методами крупные геологические структуры, однако на неизученных наземными методами территориях их выделение весьма проблематично и затруднительно .

Таким образом, из всех методов наиболее точными остаются поверхностные геохимические исследования, основанные на выделении углеводородных аномалий над залежью. В отличие от перечисленных выше косвенных методов, геохимический поиск является прямым, т.е. непосредственно фиксирует наличие мигрирующих из залежи углеводородов. Многочисленные исследования, проведенные при помощи данного метода, подтверждают его точность и надежность. Анализ концентрации УВ-газов и их ассоциаций позволяет не только подтвердить сам факт наличия залежи, но и определить ее тип, размеры и фазовый состав .

Однако исследования содержания УВ в почвенном и подпочвенном горизонте требуют длительного отбора образцов, что ограничивает их возможности исследованием по отдельным профилям .

Кроме того, отбор, транспортировка и последующая обработка полученных образцов представляет собой трудоемкий и длительный процесс, особенно при исследовании труднодоступных регионов. Эффективность прямых геохимических поисков могла бы значительно увеличиться при использовании дистанционных аэрогеохимических методов, позволяющих быстро проводить исследования значительных по площади и труднодоступных областей .

Однако до недавнего времени разрешающая способность дистанционных геохимических методов была недостаточна для корректного определения концентрации УВ

–газов (особенно тяжелых) в приземном слое атмосферы. Это обстоятельство, а также высокая стоимость работ не позволяла использовать дистанционные методы в промышленных масштабах для поисков перспективных нефтегазоносных объектов, однако требуется дополнительная информация о характере насыщенности ловушек, которую могут дать приведенные выше геохимические методы, направленные непосредственно на определение наличия в них (ловушках) углеводородов. Для эффективного и экономически выгодного комплексирования с современными геофизическими методами они должны характеризоваться достаточно высокой точностью и надежностью, относительно невысокой стоимостью выполненных на единицу полученной информации, возможностью контроля за работой регистрирующей аппаратуры и доступных способов её поверки в полевых условиях, несложной методикой проведения полевых работ, обработки и интерпретации получаемых данных. Всеми этими качествами в полной мере обладает метод лазерного зондирования при аэропоиске месторождений углеводородов (УВ) .

Авиационный метод лазерного зондирования является с одной стороны прямым методом поиска, так как в его основе заложена геохимическая модель и методические приемы, основанные на общепринятых представлениях о диффузных и фильтрационных процессах миграции углеводородов к поверхности, и образованию газовых аномалий в приземном слое атмосферы .

Данный метод также относится и к геофизическим методам, так как реализован на применении лазера, работающего по принципу комбинационного рассеяния, который позволяет дистанционно проводить анализ приземного слоя исследуемой территории и выделять ореолы рассеяния, образующиеся над залежами УВ при помощи обнаружения набора индикаторных веществ .

В результате, метод лидарной аэросъемки позволяет объединить преимущества дистанционных геофизических методов [46-51], давно нашедших широкое применение в различных сферах изучения строения недр, с надежностью наземных прямых геохимических методов. Быстрое получение и обработка массива полученных данных, с построением в реальном времени профилей изменения концентрации УВ-газов в приземном слое атмосферы, позволяет прямо в процессе исследований получать информацию о возможных углеводородных аномалиях; последующий компьютерный анализ данных, с построением карт распределения концентрации УВ газов и их ассоциаций по исследуемой территории дает возможность в короткий срок проводить оценку перспективности района и выделенных локальных структур, а также осуществлять выделение неструктурных и сложнопостроенных ловушек. Высокая скорость осуществления работ и первичной обработки результатов позволяет гибко использовать данный метод на различных стадиях геологазведочных работ – от общего исследования территории для обоснования заложения сейсмических профилей до оценки перспективности уже выделенных сейсмикой локальных объектов .

Безусловно, невысокие концентрации УВГ (ну уровнях десятков и сотен ppb) в приземных слоях атмосферы и зависимость их концентрации от целого ряда факторов (климатических, геоморфологических, техногенных) несколько снижает точность данного метода в каждой конкретной точке по сравнению с наземными геохимическими исследованиями. Однако учет влияния различных факторов на полученный результат, в совокупности с возможностью получить аналитические данные по огромному массиву точек нивелирует данную разницу. К преимуществам лидарной аэросъемки можно отнести также возможность быстро и с небольшими затратами откалибровать методику выделения залежей по уже имеющимся на территории эталонным объектам, т.е. известным месторождениям .

Таким образом, метод аэропоиска месторождений УВ при помощи лидарной съемки занимает промежуточное положение между традиционными наземными [60 - 68] геохимическими методами и распространенными в настоящее время дистанционными геофизическими методами. Лидарная съемка объединяет преимущества как первых высокая надежность полученных данных, прямо свидетельствующих о наличии в недрах скоплений УВ; так и вторых - высокая скорость и низкая себестоимость исследований, получение массива данных по всей территории; и может в комплексе с сейсморазведкой и бурением являться одним из основных методов поиска и разведки нефти и газа .

Данный метод не может рассматриваться как альтернатива сейсморазведочным [32, работам и бурению скважин, однако, использование его в комплексе позволит 33] значительно увеличить общую эффективность геологоразведочного процесса и одновременно снизить стоимость проведения поиска и разведки месторождений УВ при освоении малоизученных территорий в Восточной Сибири, на Дальнем Востоке (Сахалин), на полуострове Ямал, в Тимано-Печорской провинции (Республика Коми, Ненецкий автономный округ) и на континентальном шельфе арктических морей [21, 23]. Дальнейшие поисковые работы проводятся в пределах выявленных газоаномалий с целью выделения локальных ловушек нефти и газа, их оконтуривания, определения геологического строения, составления паспорта на структуру. Для выявления перспективных нефтегазопоисковых объектов («Батолит», «Алтай-Северная Земля») и постановки на них поисковых работ по сгущенным сейсмопрофилям вкрест региональным рекомендуется проведение лидарной съемки вдоль трасс региональных профилей .

1.6 Вывод по главе 1 Проанализированы современные методы используемых при геологоразведочных работах на нефть и газ. Аналогично современным методам прямых поисков нефти и газа новый метод лазерного зондирования также основан на изучении закономерностей пространственной изменчивости полей концентраций веществ-индикаторов месторождений нефти и газа, что подтверждается разработанной геохимической моделью распределения УВГ в атмосфере, теоретической основой которой послужила доработанная физико-химическая модель залежи, разработанная А.В. Петуховым .

Результаты геохемического моделирования хорошо сходятся с результатами расчета диффузии газов с молярными массами 20 – 50 г/моль в приземном слое атмосферы, представленными в работе [53]. Таким образом разработана геохимическая модель, позволяющая описывать геохимические и динамические процессы и определять расчетным методом параметры транспорта веществ-индикаторов месторождений УВГ и дальнейшей их миграции в приземном слое атмосферы .

Определено, что веществами-индикаторами месторождений нефти и газа являются метан и его гомологи, относящиеся к прямым показателям нефтегазоносности .

Концентрации в 200 ppb газов в ореоле нефтегазового месторождения, а именно метана (CH4), этана (C2H6) и пропана (C3H8), являются индикаторами нефтегазового месторождения при обнаружении его методами лазерного дистанционного зондирования .

Учитывая, что УВГ С2–С4 практически не образуются бактериями, именно эти соединения являются индикаторами нефтегазоносности недр. УВ состава С5–С8 типичны только для нефти. Обнаружение ИВ, таких как в объектах окружающей среды или в приповерхностных слоях разреза (глубина 0–40 см) указывает на наличие природного источника их образования, при условии исключения антропогенного загрязнения почв .

2. Лидарные методы дистанционной лазерной спектроскопии для задач ультраспектральной селекции индикаторных веществ

2.1 Методы лазерного дистанционного зондирования Лазерное зондирование является современным метод исследования и определения параметров компонентов окружающей среды, которые дистанционно не могут быть измерены другими методами. Принцип лазерного зондирования атмосферы заключается в том, что при распространении лазерного луча происходит его рассеивание молекулами и неоднородностями воздуха (частицы аэрозолей и примеси), за счет чего происходит частичное поглощение луча и изменение его физических параметров, что и позволяет проводить измерение качественных и количественных характеристик окружающей среды .

В настоящее время одно из приоритетных и стратегических направлений оптикоэлектронного приборостроения - лидарная техника [68 - 73] .

Лидар (световой или лазерный локатор) представляет собой технологию для получения и обработки данных дистанционного зондирования с проведением высокоточных измерений при помощи активного импульсного оптического источника (лазера) и отражающей способности света от поверхности Земли [61]. Сенсоры, основанные на дистанционном лазерном зондировании, позволяют проводить детальный анализ исследуемых объектов и компонентов окружающей среды по их спектральным характеристикам в условиях существенно ниже предельного уровня пространственного разрешения наблюдательных систем. Важнейшую роль играет число спектральных каналов и спектральное разрешение, площадь зоны захвата, оперативность получения информации .

Лазерное зондирование представлено следующими методами: метод оптической локации, метод комбинационного рассеяния, метод резонансной флюоресценции, метод регистрации проходящего излучения и дифференциальный метод .

Метод оптической локации аналогичен методу радиолокации [62]. С его помощью при частоте следования импульсов 103 — 104 Гц и длительности импульса порядка 10-8 с можно получать до 104 профилей аэрозольных слоев в секунду, но ввиду совпадения длин волн опорного и рассеянного излучений данный метод не подходит для регистрации и идентификации загрязняющих атмосферу УВ-газов, а лишь предоставляет информацию об общей концентрации частиц в атмосфере (Рис. 2.1) [47] .

1 - опорный источник лазерного излучения; 2 - оптическая система; 3 - объект зондирования; 4 - излучение рассеянное объектом; 5 - приемный телескоп; 6 интерференционный фильтр; 7 - фотоприемник; 8 - обрабатывающий блок

–  –  –

Возможности использования активных методов дистанционного зондирования определяются эффектами взаимодействия лазерного излучения с исследуемой средой [74,75]. К таким эффектам можно отнести молекулярное (или рэлеевское), аэрозольное (или рассеяние Ми), флюоресценция, дифференциальное поглощение и рассеяние., комбинационное ( в т.ч. резонансное) рассеяние. Об абсолютной и относительной интенсивности данных процессов можно судить по значениям дифференциальных сечений взаимодействия (таблица 2.1) .

–  –  –

Таким образом, в зависимости от выбранного метода зондирования лидары [76 - 79] способны регистрировать пространственное распределение углеводородных аномалий в приземных слоях атмосферы и осуществлять поиск месторождений нефти и газа, устанавливать места протечек в трубопроводах, улавливать выбросы углеводородов и продуктов их сгорания на месторождениях нефти и природного газа, анализировать влияние на окружающую среду объектов переработки нефти и газа. Лазерно-оптические методы также используются для оценки нефтяных загрязнений водной среды, за счет выделения находящихся в воде неоднородностей .

2.2 Физические основы метода комбинационного рассеяния .

Комбинационное рассеяние света представляет собой неупругое взаимодействие фотонов зондирующего излучения с молекулами рассеивающего вещества. Молекула при этом не поглощает налетающий фотон и не излучает новый, а происходит возмущение (поляризация) электронной оболочки молекулы в результате воздействия на нее электромагнитного поля налетающего фотона. Происходит переход молекулы на виртуальный уровень с последующим мгновенным (10-14 с) излучением на длине волны, отличной от лазерной. Разность энергий падающего и испущенного фотонов является характеристикой рассеивающей молекулы и обычно соответствует изменению колебательного квантового числа на единицу .

В отличие от других метод комбинационного рассеяния позволяет определять отношение концентрации любой составляющей к концентрации некоторой опорной компоненты (например, азота) при условии, что известны соответствующие сечения [80,81] .

Комбинационное рассеяние излучения газами, жидкостями и твёрдыми телами является прямым источником информации о химическом составе различных сред [82,83] .

При проведении спектрального анализа рассеянного на частицах излучения с волновым числом 0 = 1/0 ( – длина волны) наблюдаются серии боковых частот, сдвинутые на величины равные частотам колебательно – вращательных переходов облучаемых молекул кв:

–  –  –

В лидаре СКР интенсивность излучения отдельного спектрального компонента с волновым числом j (или длиной волны j = 1/j) рассеянного назад описывается в зависимости от расстояния до рассеивающего объёма L (м) обобщённым уравнением лазерной локации [2.2.3, 2.2.4]:

Fскр(j, L) = F0(0)·(dj /d)·nj·(Dэф2/4L2)·K'(j)·T(0)·T(j)·Y·L (2.2.5)

–  –  –

0, 0 – волновое число или длина волны лазерного излучения, см–1;

j, j – стоксовские волновое число или длина волны отдельного j – го спектрального компонента, см–1;

F0 = Eимп·nимп – интенсивность лазерного излучения, Вт;

Eимп – энергия лазерного импульса, Дж;

nимп – число импульсов в секунду, сек–1;

–  –  –

nj – концентрация j-ой компоненты в рассеивающем слое, см–3;

Dэф – эффективный световой диаметр входного объектива лидара, см;

K'(j) – пропускание оптической системы лидара;

T(0), T(j) и T(0), T(j) – пропускание атмосферы при толщине слоя L для волновых чисел 0 и j и соответствующих им длин волн;

–  –  –

а, р, м – объёмные коэффициенты ослабления за счёт рассеяния Ми на аэрозолях, релеевского рассеяния и поглощения атомарными и молекулярными составляющими атмосферы, соответственно;

Y – геометрический фактор, учитывающий перекрытие угла расходимости пучка лазера Л и угла поля зрения входного объектива ЛСКР ЛСКР. Y = 1 при ЛСКР 2Л;

L = (с·t)/2 = [c·(tимп + tвз + tэс)/2] – пространственное разрешение лидара, см;

с = 2,9979·108 (м·с–1) = 2,9979·1010 (см·с–1) – скорость света;

tимп – длительность лазерного импульса, сек;

tвз – время оптического взаимодействия данной компоненты с излучением, т.к .

комбинационное рассеяние происходит практически мгновенно, им можно пренебречь;

tэс – постоянная времени электронно-регистрирующего тракта .

Интенсивность (сила излучения) комбинационного рассеяния Iскр(j, L) назад на длине волны j объёма Vj, занимаемого j-той компонентой с концентрацией nj, в зависимости от расстояния L до расположения лазерного источника возбуждения описывается уравнением:

–  –  –

nj = n0·(pj/p0)·(T0/T) – концентрация j-ой компоненты в атмосфере, см–3;

n0 = 2,6872·1019 – число Лошмидта (p0 = 1 атм. и T0 = 273,15 К), см–3;

pj – парциальное давление j-ой компоненты в среде, атм.;

T – текущее значение температуры среды, К;

–  –  –

Л – угол расходимости лазерного излучения, рад;

Lj = (с·t)/2 – толщина слоя атмосферы, содержащего j-ю компоненту с концентрацией превышающей пороговую чувствительность лидара СКР .

Минимально возможное пространственное разрешение лидара Lмин = (с·tимп)/2 .

При tимп = 10 нсек – Lмин = 1,5 м .

nj = nj·Vj – полное содержание частиц j-ой компоненты в столбе атмосферы L, возбуждаемой лазерным пучком .

Зависимость для потока на чувствительном слое лидара Fj(j, Vj) от рассеивающего назад объёма Vj, содержащего j-ую компоненту, можно представить в виде Fj(j, Vj) = Iскр(j, Vj)·T(j, L)·Y·(Dэф2/4L2)·K'(j). (Вт). (2.2.11) В тоже время для аналогового канала

–  –  –

где Dэф – эффективный световой диаметр входного объектива лидара, м;

K'(j) – пропускание оптической системы лидара на длине волны j j-ой компоненты, определяемое при калибровке аппаратуры по эталонному источнику;

T(j, L)·– пропускание атмосферы при толщине атмосферного слоя L;

–  –  –

Fпор,j – пороговая чувствительность ФПУ канала j-ой компоненты, определяемая расчётом или при калибровке лидара по эталонному источнику, Вт;

Sj и Nj – сигнал и шум зарегистрированные ФПУ канала j-ой компоненты в процессе измерений, соответственно, В .

Тогда согласно (2.2.11) и (2.2.12)

–  –  –

Согласно зависимости (2.2.6) выражение для минимальной регистрируемой концентрации вещества по потоку при Sj/Nj = 1 имеет вид nj(L) = (Fпор,j/F0)·{[(dj /d)0]·(Dэф2/4L2)·K'(j)·T(0)·T(j)·Y·L} –1. (2.2.17) Для проведения оценок предельных регистрируемых концентраций j-ой компоненты в атмосфере по числу фотонов в импульсе и при обработке результатов измерений в режиме счёта фотонов выражение (2.2.17) можно представить в виде nj = (Nj/N0)·{[(dj /d)0]·(Dэф2/4L2)·K'(j)·(j)·T(0)·T(j)·Y·L} –1. (2.2.18) Здесь Nj – число фотонов, зарегистрированных от рассеивающего объёма Vj, занятого j-ой компонентой;

(j) – квантовый выход фоточувсвительного слоя на длине волны j – отношение числа освобождённых электронов (фотоэлектронов) к числу падающих фотонов, % .

Энергия фотона в зависимости от длины волны определяется по [2.2.19]

–  –  –

2.3 Физические основы метода дифференциального поглощения и рассеяния .

В методе дифференциального поглощения (ДП), как правило, сечение значительно превышает как эффективное (с учетом тушения) сечение флюоресценции [84]., так и сечение комбинационного рассеяния.

Его применение предполагает использование широкополосного источника излучения, а также обработку сигналов на двух длинах волн:

в центре и на крыле линии поглощения исследуемой молекулы. Дифференциальное ослабление двух зондирующих пучков определяется по их сигналам обратного рассеяния [84] .

За редким исключением, большинство полос поглощения, представляющих интерес для дистанционного зондирования, лежит в ИК-области спектра и соответствует колебательно-вращательным переходам[84,85].. К основным недостаткам метода ДП относятся низкое пространственное разрешение и малая чувствительность ИК-детекторов .

[86] Высокие чувствительность и пространственное разрешение могут быть достигнуты при сочетании дифференциального поглощения с рассеянием. Этот метод впервые был предложен для дистанционного определения содержания водяного пара в атмосфере. Он основан на сравнении обратно рассеянных лазерных сигналов: одного на частоте линии поглощения атома или молекулы, а другого в крыле линии. В этом случае пространственное разрешение и сильные сигналы на используемых частотах обуславливаются большим сечением рассеяния Ми, а отношение сигналов дает требуемую оценку дифференциального поглощения. Благодаря этому метод дифференциального поглощения обладает высокой чувствительностью при зондировании определенных молекулярных составляющих с больших расстояний [31] .

Принцип работы лидара ДПР показан на рис.2.2 [87]

–  –  –

произведение концентрации молекул детектируемого газа на сечение поглощения этих молекул .

При реализации метода ДПР используют уравнение (2.3.1) для двух длин волн лазерного излучения 0 и 1, причём вторая длина волны находится вне линии (полосы) поглощения молекулы детектируемого газа, и делят одно на другое. Используя отношение этих уравнений, можно получить выражение для определения концентрации исследуемых молекул .

Длины волн выбирают такими, чтобы коэффициенты обратного рассеяния и ослабления атмосферы не зависели от длины волны. Тогда можно будет пренебречь отдельными слагаемыми в выражении для определения концентрации молекул детектируемого газа. При этом выражение для концентрации упрощается к виду [2.3.3] .

N = –1·(2··r)–1·ln[ P0(r + r)·P1(r)·[P1(r + r)·P0(r)]–1] (2.3.4) Здесь = (0) - (1) – сечение дифференциального рассеяния;

(0) и (1) – сечения поглощения на соответствующих длинах волн 0 и 1, соответственно;

P0(r), P0(r + r) и P1(r), P1(r + r) – мощности отражённых сигналов для соответствующих длинах волн на расстояниях r и (r + r);

r = c·t/2 – пространственное разрешение лидарной системы с – скорость света, м/сек;

t – длительность лазерного импульса, сек .

Для оценки чувствительности лидарного метода ДПР удобно пользоваться формулой Nмин(r) = 2·[·r)·SNR(r)]–1, (2.3.5) где SNR(r) – отношение сигнал/шум на расстоянии r от лидара .

Чувствительность метода ДПР в значительной степени зависит от ширины линии зондирующего лазерного излучения. Сеё увеличением чувствительность метода снижается .

Следует выбирать линию поглощения, для которой отношение / максимально ( = |0 – 1|) .

2.4 Определение параметров трассы, влияющих на обнаружительную способность лидара .

Главным естественным источником электромагнитного излучения является Солнце .

Характер взаимодействия радиации с составляющими атмосферы существенно зависит от длины волны [89,90]. Рисунок 2.3 характеризует спектральную освещенность после прохождения солнечной радиации через атмосферу (кривая 1) и на ее верхней границе (кривая 2); кривая 3 отображает спектральную освещенность, которую бы создавало абсолютно черное тело при температуре 5900К. Из всей солнечной энергии, приходящей на Землю, 44 % приходится на видимый диапазон (0.40.76 мкм), 20 % – на более короткие длины волн и 36 % на длинноволновое излучение [82]. В ультрафиолетовой области излучение Солнца практически полностью экранируется озоновым слоем атмосферы [75]. Данное явление может быть полезным для лазерного зондирования, т. к. в области спектра короче 300 нм фоновые засветки практически подавлены. Для получения максимального соотношения полезный сигнал/шум целесообразно создавать лидарные системы в окнах прозрачности атмосферы и в области экранировки озоном УФ области спектра, в диапазонах 220 – 290 нм .

–  –  –

При прохождении лазерного излучения сквозь среду его ослабление описывается законом Бугера-Ламберта-Бэра:

= 0, где P0 и P- мощности зондирующего и прошедшего среду сигналов соответственно;

- показатель ослабления; L-длина пути, проходимого излучением в атмосфере .

Коэффициент пропускания среды e-L зависит от объемного показателя ослабления среды. Причем = + +, где каждое из слагаемых определяется, соответственно, аэрозольным рассеянием, молекулярным рассеянием и поглощением .

–  –  –

В случае, если поле зрения приемной системы лидара соответствует поперечному сечению зондирующего луча на объекте наблюдения или перекрывает это сечение, то используемая в работе оценка мощности принимаемого лидарного эхо-сигнала согласно формуле для однородной непоглощающей атмосферы может быть представлена в виде:

–  –  –

Дифференциальные сечения комбинационного рассеяния колебательных переходов ряда молекул, возбуждаемых импульсным азотным лазером с длиной волны излучения 0=337,1 нм, приведены в таблице 2.2 [2.2] .

–  –  –

Относительные коэффициенты ослабления а, нормированные на значение а (0,55 мкм), и коэффициенты рассеяния а (м–1) атмосферного аэрозоля приведены в таблице 2.3 [92] .

–  –  –

В УФ области спектра основными поглощающими компонентами в атмосфере являются молекулы озона О3 и кислорода О2. Сечения рэлеевского рассеяния и поглощения этих молекул в спектральном интервале 240 – 340 нм приведены в таблице 2.5 [94] .

–  –  –

Главная полоса поглощения озона – полоса Гартли. В ней на общий континуум накладываются многочисленные слабые полосы, отстоящие друг от друга примерно на 1 нм. На 300 нм добавляется более слабая система Геггинса, в которой ярко выражены отдельные полосы .

Ниже в таблице 2.6 [4.8] приведены десятичные (I = I0·10–·L) коэффициенты поглощения озона (см –1) при 291 К, которые связаны с сечением поглощения отдельной молекулы соотношением:

(Т) = 0,434··n(р, Тn(р, Т) – концентрация молекул поглощающего газа, см–3 .

–  –  –

256,410 134,12 272,8 77,3 289,7 17,5 0,93 305,3 2,09 0,92 254,6 121 273,1 76,0 0,96 290,6 15,5 0,94 305,9 1,97 0,91 255,3 126,5 273,8 72,2 0,97 290,8 14,6 306,1 2,01 0,93 256,6 119 274,8 68,8 0,97 291,4 13,3 0,93 306,6 1,90 257,2 121 275,2 66,4 291,8 12,4 0,93 307,5 1,59 0,91 257,9 119 275,6 64,3 0,96 292,6 11,3 0,94 307,7 1,62 0,91 258,7 124 275,9 63,5 0,96 293,1 10,7 0,93 308,3 1,46 0,91 259,8 115 276,3 62,1 293,7 9,87 308,5 1,48 0,91 260,6 119 277,3 57,6 0,96 294,1 9,50 0,93 309,2 1,35 261,7 112 278,2 52,9 294,6 8,90 0,93 309,8 1,16 0,90 262,4 114 278,4 52,4 0,96 294,8 8,76 310,0 1,19 0,91 263,5 106 279,2 48,0 295,9 7,86 0,94 310,4 1,11 264,3 109 279,9 46,1 0,96 310,6 1,12 296,7 6,88 0,94 265,2 102 280,9 42,0 0,96 310,9 1,02 0,90 297,3 6,31 0,94 265,6 104 282,3 37,7 0,95 311,2 1,05 0,91 297,7 5,85 0,94 267,1 93,0 283,3 35,4 0,96 298,2 5,50 0,94 313,0 0,750 0,83 267,6 96,0 284,1 31,7 0,95 298,7 5,18 0,94 313,5 0,796 0,87 269,3 86,0 284,5 30,9 0,95 314,6 0,583 0,80 299,8 4,49 0,92 269,7 88,0 285,0 29,2 314,8 0,610 0,81 300,4 4,19 0,92 270,2 87,0 285,9 26,8 0,94 315,1 0,566 0,82 301,6 3,55 0,92

–  –  –

1,01325·103 0 288,150 15,000 1,22500 28,96 8,98763·102 1000 281,651 8,501 1,11166 28,96 5,40483·102 –17,474 5000 255,676 0,73643 28,96

–  –  –

O3, pO3, B, pB – плотность и давление озона и воздуха в среде, соответственно .

В таблице 2.9 проведены средние значения rO3 (10– 9 г/г) на высотах 100, 300 и 500 м, измеренные в Таллахасси (1) и Черчилл (2) [92] .

–  –  –

Для многих расчётов можно использовать т. н. потенциальную температуру – температуру [92], которую приняла бы частица воздуха, если её адиабатически привести к давлению р0 = 1000 гПа .

–  –  –

где h0 – уровень, на котором р = р0 = 1000 гПа, м .

Тh = Т0·(р/р0)0,2857 .

Здесь Т0 и р0 – температура и давление в начальном состоянии .

Тогда h = Т0·(р/р0)0,2857 – 0,98·(h – h0)·10–2 .

Концентрация молекул на высоте h в атмосфере nh определяется из выражения nh = n0·p0–1·ph·(T0/Th). Здесь: p0 – атмосферное давление у поверхности Земли в реальных условиях измерений; ph – атмосферное давление на высоте h (м) над поверхностью Земли;

T0 – температура у поверхности Земли в реальных условиях измерений; Th – температура на высоте h в реальных условиях измерений .

Зависимость атмосферного давления ph от высоты h описывается барометрической формулой ph = p0·e[–m·g·h·(k·Th)–1], где m – масса молекулы, г; g = 9,8 – ускорение свободного падения, м·с–2; k = 1,38044 – постоянная Больцмана, эрг·К–1 .

Все вышеприведенные данные понадобятся для расчета концентрации СКР-лидара

2.5 Экспериментальное исследование спектров поглощение индикаторных веществ и выбор метода зондирования .

Развитие теории, позволяющей интерпретировать данные лазерного зондирования, создание аппаратуры, использующей современные твердотельные лазеры с различными активными средами, позволяют получить важные сведения о фотохимических реакциях в атмосфере. Открываются и возможности контроля искусственно и поиска областей с повышенной концентрацией УВ-газов и их взаимодействия с окружающей средой. Однако активные методы зондирования атмосферы являются косвенными, что предопределяет зависимость достоверности интерпретации результатов измерений искомых оптикофизических атмосферных параметров от точности измерений [96] .

Первоначально перед нами стояла задача определения полос поглащения ИВ, с целью выбора наиболее эффективного метода дистанционного зодирования (ДП или КР) [84] .

Метан, этан, пропан, бутан и пентан являются основными индикаторами нефтегазовых месторождений [43-51]. Для выбора метода лазерного зондирования залежей углеводородов и создания информационной базы необходимо опираться на спектральные характеристики веществ-индикаторов. Для выявления специфики каждого из перечисленных углеводородов были проведены измерения спектров поглощения. Газы поочередно наполнялись в кювету длиной 50 мм с оптическими окнами из ФКИ (CaF2) .

Измерения спектров поглощения проводились на спектрометре ФСМ 1201 (разрешение 2см-1) .

Рисунок 2.4 – Эксперименты на Фурье-спектрометре 1201 Фурье-спектрометр ФСМ 1201 (Рисунок 2 .

4 ) предназначен для регистрации и исследования оптических спектров в инфракрасной области, а также для количественного анализа и контроля качества продукции в химической, нефтехимической, фармацевтической, пищевой и парфюмерной промышленности, осуществления экологического контроля, криминалистической и др. видов экспертиз .

Основой фурье-спектрометра является двухлучевой интерферометр Майкельсона, в котором оптическая разность хода изменяется за счет движения (сканирования) одного их зеркал в плечах интерферометра. Оптическое излучение от источника проходит через интерферометр на выходе, которого регистрируется интерферограмма, представляющая собой зависимость интенсивности светового потока от оптической разности хода. Спектр, как зависимость интенсивности излучения от волнового числа, получается путем обратного преобразования Фурье интерферограммы, выполняемого с использованием компьютера .

Сканирование зеркала в интерферометре осуществляется с помощью прецизионного механизма и системы управления, обеспечивающей стабилизацию скорости сканирования на участке регистрации интерферограммы. Оптическая разность хода определяется с помощью референтного канала, регистрирующего интерферограмму излучения He-Ne лазера на том же интерферометре. Модуль интерферометра герметизирован и заполнен инертным газом .

В кюветном отделении фурье-спектрометра поочередно устанавливались кюветы с УВГ для исследования, а также приставки для измерения зеркального и диффузного отражения и спектров МНПВО .

Управление процессом измерения осуществлялось от встроенного контроллера и отдельного IBM PC совместимого компьютера. Программа FSpec обеспечивала управление фурье-спектрометром и оптимизацию процесса измерения, а также обработку полученных спектральных данных .

–  –  –

Рисунок 2.8 - Спектральная сигнатура поглощения ореола УВГ над месторождением Из анализа полученных графиков следует, что у индикаторных веществ месторождения нефти и газа в ИК области спектра наблюдается переналожение полос поглощения .

Поскольку в реальных условиях над месторождениями нефти и газа присутствуют одновременно ореолы многих гомологов углеводородов то, очевидно, для дистанционной идентификации состава индикаторных веществ нецелесообразно использовать метод дифференциального поглощения, и возникает необходимость в методе комбинационного рассеяния (КР) .

В отличие от других (дифференциального поглощения, флуоресценции) рамановский метод является прямым источником информации о химическом составе сложных сред. Отсутствие переналожения спектров СКР в широком диапазоне длин волн открывает возможности селекции искомых веществ на фоне подстилающей поверхности Земли при наблюдении с борта летательных аппаратов .

2.6 Экспериментальное исследование ультраспектральной селективности рамановского метода и создание базы данных стоксовых сдвигов индикаторных веществ Экспериментальное исследование спектров веществ – потенциальных загрязнителей – необходимо для дополнительного уточнения теоретически длин волн эхо-сигналов веществ углеводородов. Теоретический расчет рамановских спектральных сигнатур представляет собой нетривиальную физико-математическую задачу, решение которой требует создания специальных трехмерных моделей колебательных уровней, ввиду того что в спектре ИВ УВГ содержатся многоатомные молекулы (до 60 атомов и 4 элементов) и изомеров, и создание таких моделей требует большого количества времени и вычислительных способностей и не позволяет транслировать результаты моделирования на другие вещества и изомеры гомологов УВГ. Только эмпирический путь является наиболее результативным способом определения комбинационных сдвигов веществ индикаторов УВГ .

Рисунок 2.9 - Внешний вид кювет-имитаторов ореола Использованный в экспериментальном исследовании набор кювет (см .

рис.2.9) заполнялся различными веществами–индикаторами и иными сопутствующими газами, постоянно присутствующими в атмосфере с учетом специфики и географии использования прибора. Варьируя давление и удельное содержание искомого вещества, относительно атмосферного воздуха внутри кюветы получены различные комбинации полезных сигналов индикаторных веществ. Был применен атомно-абсорбционный метод, обладающий высокой точностью определения состава исследуемой среды, для первоначальной калибровки концентрации ИВ УВГ в кювете, Основной цель экспериментов состояла в создании специализированной базы данных спектральных рамановских сигнатур ИВ УВГ, для ее использования в составе автоматических авиационных лидарных комплексов в качестве набора реперных точек;

Исходя из анализа глав 2.1 – 2.4 были предложены схемы стенда для экспериментального исследования спектральных характеристик индикаторных веществ .

Экспериментальные исследования рамановских спектров и предварительные испытания системы проводились на лазерном экспериментальном стенде в нескольких модификациях ( рисунки 2.9, 2.10). В качестве источника излучения использовался твердотельный лазер с длиной волны 0.523, 0.355, 0.262 мкм, а также титан-сапфировый твердотельный лазер .

Основные функциональные элементы установки:

ТТЛ – твердотельный лазер применяется для возбуждения молекул-индикаторов в кювете со смесью УВГ .

ГВГ – генератор второй и четвертой гармоники применяется для преобразования излучения основной гармоники лазера .

ОПГ – оптический параметрический генератор применяется для когерентного преобразования лазерного излучения в излучение являющееся резонансным для возбуждения спектров комбинационного рассеяния на молекулах-индикаторах веществзагрязнителей в беспроточной кювете .

ГВП – газо-вакуумный пост, применяется для вакуумирования беспроточных кювет с дальнейшим их наполнением специальными смесями углеводородных газов и иных молекул-индикаторов веществ-загрязнителей .

ОСЛ – образцовая спектральная лампа, применяется для юстировки оптического тракта и настройки спектрофотометра на диапазон характеристической длины волны отклика молекул-индикаторов веществ-загрязнителей .

СФ – спектрофотометр, применяется для записи спектра принимаемого излучения и выделения характеристических полос молекул-индикаторов веществ-загрязнителей .

ФПУ – фотоприемное устройство регистрирующее и определяющее уровень характеристического сигнала от УВГ в кювете в зависимости от их состава, концентрации и энергии лазерного излучения .

РС – персональный компьютер обеспечивает расчет концентрации молекулиндикаторов веществ-загрязнителей по сигналу с фотоприемного устройства .

ПО – программное обеспечение, обеспечивающее расчет концентрации молекулиндикаторов веществ-загрязнителей Рисунок 2.10 - Схема регистрации рамановских сигнатур (НС- наносекундный твердотельный лазер, КР – кювета с углеводородным газом, Туголковый отражатель, Д – детектор лазерного излучения, СМ – спектроанализатор мобильный, ПК – ноутбук) Рисунок 2.11 - Принципиальная схема установки для экспериментального исследования спектральных сигнатур молекул-индикаторов УВГ .

В экспериментальном стенде роль источника зондирования выполняли неодимовый лазер с преобразованием во вторую гармонику и четвертую гармоники и титан-сапфировый лазер, предназначенный для возбуждения молекул углеводородов, находящихся в непроточной кювете, с целью определения их спектральных характеристик при релаксации .

Особенностью лазера является кольцевая схема резонатора на рисунок 2.12, обеспечивающая низкую расходимость пучка генерации (1,5 дифракционных пределов) и близкий к гауссову профиль распределения интенсивности в поперечном сечении пучка .

Для генерации высокоинтенсивных коротких импульсов с крутым передним фронтом используется режим модуляции добротности. Этот режим обеспечивается путем введения в резонатор оптического затвора, который вносит большие потери на протяжении периода времени с начала импульса накачки до момента получения максимальной инверсии населенностей энергетических уровней в активном элементе. Когда энергия, накопленная на верхнем лазерном уровне, становится максимальной, потери на затворе уменьшаются (затвор "открывается"), и в течение короткого периода времени формируется короткий высокоинтенсивный выходной импульс .

Таблица 2.11 Параметры облучения кюветы .

–  –  –

1 - система накачки; 2 - активный элемент; 3 - кристалл затвора; 4,5 - зеркала резонатора; 6 - внутрирезонаторная диафрагма; 7,8 – поляризаторы; 9 - фазовая пластина М2; 10 - поворотное зеркало; 11 - фазовращатель /4; 12 - кристалл КТР; 13 - узел сепараторов гармоник; 14 - выходное окно; 15 - заслонка; D1, D2, D3 - диафрагмы .

Рисунок 2.12 - Оптическая схема лазера .

В лазере в качестве электрооптического затвора используется ячейка Поккельса на основе кристалла ниобата лития (LiNbO3) в комбинации с поляризационными компонентами, установленными внутри резонатора. В режиме модуляции добротности (моноимпульсном режиме) на затвор подается "блокирующее" напряжение, добротность резонатора низкая, генерация отсутствует, энергия аккумулируется на верхнем лазерном уровне. Затем блокирующее напряжение на затворе дезактивируется, качество резонатора улучшается, генерируется короткий выходной импульс высокой интенсивности .

Генератор гармоник. Модернизация генератора LG 312 Высокая пиковая мощность импульсов с модулированной добротностью позволила обеспечить широкие возможности для преобразования частоты излучения в нелинейных оптических кристаллах .

Была осуществлена модернизация стандартных комплектующих на УФ диапазон (рисунок 2.15), и для генерации гармоник были установлены нелинейные кристаллы ВВО с синхронизмом типа I oo-e, при котором излучение основной частоты w и излучение 2-й гармоники 2w обыкновенный лучи, а излучение 3-ей или 4-ой гармоники 2w – необыкновенные лучи. Кристаллы ВВО обладают высокой нелинейностью и позволяют получать гармоники в широкой спектральной области до 210 нм .

Схема оптическая генератора представлена на рисунке 2.13, вид сверху представлен на рисунке 2.14 .

1, 5, 8 – защитные окна,2, 4 – аппертурные диафрагмы, 3 – кварцевый ротатор,6 – нелинейный кристалл ВВО,7 – кварцевый компенсатор смещения пучка КУ

–  –  –

6 – держатель кристалла ВВО,7 – держатель кварцевого компенсатора КУ,11 – ручка переключения положения кварцевого ротатора, 14 – микровинт для установки кристалла ВВО в положение синхронизма при перестройке длины волны, 17, 18 – винты крепления к оптическому столу .

–  –  –

Перестройку длины волны генерации гармоник осуществлялась путем вращения кристалла ВВО с помощью микровинта .

Рисунок 2.15– Настройка и установка новых оптических элементов в LG 312 Формирующая оптическая система предназначена для расширения диаметра лазерного пучка от 3 мм до 15 мм и его коллимирования на кювете .

Система представляет собой 6 - кратную схему Галилея, состоящую из двух линз. Первая с фокусным расстоянием 50 мм - кварцевая отрицательной линза. Вторая с фокусным расстоянием 300 мм кварцевая положительной линзы .

Приемная оптическая система предназначена для собирания излучения эмиссии атомов на вход волоконно-оптического спектрометра Maya 2000 pro. Система представляет собой телескопический объектив с входной апертурой 100 мм и общим фокусным расстоянием 350 мм. Оптическая схема системы представлена на рис. 2.6 .

Для выделения эмиссионных линий в эксперименте используется компактный, волоконно-оптический рамановский спектрометр Maya 2000 pro, используемый для различных спектральных измерений в диапазоне длин волн от 190 до 2200 нм. Прибор может предоставлять информацию о длинах волн, используемую для расчета поглощения, пропускания, отражения и излучения в образце. Спектрометр может предоставлять информацию о 2048, 1024 или 512 длинах волн, в зависимости от выбора детектирующего массива. Диапазон и погрешности разрешения определяются числом штрихов установленной дифракционной решетки. Вогнутая решетка обеспечивает превосходное оптическое изображение, так как плоское поле проектируется напрямую на детектирующий массив без использования зеркал, получая равномерное разрешение по всем диапазонам длин волн с минимально возможным рассеянием света. С целью точного контроля оптического разрешения щель надежно закреплена в разъеме оптического волокна. Это позволяет прибору сохранять требуемое оптическое разрешение при подключении оптических волокон с различными размерами. Оптическое разрешение определяет возможность прибора разделить соседние спектральные пики, которые могут относиться к различным компонентам вещества в образце. Детектирующий массив может включать 2000/3000 пиксельные ПЗС матрицы или 2000/3000 пиксельные массивы фотодиодов, или 512/1024 пиксельные массивы InGaAs фотодиодов ближнего ИК диапазона .

–  –  –

Для регистрации излучения эмиссии на выходную щель волоконно-оптического спектрометра устанавливается ПЗС-матрица (CCD-матрица) (сокр. от англ. CCD, «ChargeCoupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью. Данная видеосистема является интегрированной высокопроизводительной ПЗС-камерой с прямоугольной CCD-матрицей 1/2 дюйма 6.4 x 4.8 мм (1/2" format) .

Спектрометр поставляется вместе с программным обеспечением как анализатор спектра входного сигнала. Программный интерфейс многооконный и позволяет производить как качественные, так и количественные измерения и контролировать изображение в процессе измерений .

Газовакуумный пост содержит систему откачки беспроточной многопроходовой кюветы на основе вакуумного насоса 2НВР-5Д и набор баллонов с основными углеводородными газами. Кюветы оснащены необходимой соединительной арматурой и измерительными приборами (вакуумметр, манометр), позволяющими получить информацию, необходимую для предварительной оценки концентрации исследуемого газа в кювете .

Экспериментальная установка для исследования спектральных характеристик молекул-индикаторов УВГ (модификации с титан-сапфировым лазером) представлена на рисуноке 2.16 .

Лазер засвечивал герметичную кювету длиной с оптическими окнами. В данном случае задача определения предельно минимальной концентрации углеводородных газов не ставилась. Наполнение кювет УВГ осуществлялось после предварительной вакуумной откачки. Давление газов выбиралось из расчета эквивалентности оптической плотности зондируемой среды в кювете и в реальных условиях утечки природного газа из газопровода .

Поэтому в меньшей кювете (0.2 м) давление метана, пропана и бутана составляло ~ 0.01 Тор, что соответствует ореолу ~ 1 ppm каждого из этих УВ .

Предварительная настройка лазерной установки проводилась с использованием уголкового отражателя, установленного за кюветой по ходу лазерного луча на =0.523 мкм .

Для настройки и градуировки спектрального канала использовались образцовые спектральные лампы (Cd = 0.2288 мкм, Cs = 0.5350 мкм и Sn = 1.0894 мкм). В процессе эксперимента и испытаний эпизодически регистрировались энергия, форма и длительность импульсов на выходе твердотельного лазера. Прием лазерных импульсов осуществлялся детекторами Ophir FPS-1 .

Стоксово излучение на выходе из кюветы попадает в рамановский спектроанализатор MAYA 2000 PRO, а спектр обрабатывается на компьютере .

На рис 2.19 – 2 .

22 представлены типичные кривые, характеризующие спектры комбинационного рассеяния индикаторных углеводородов .

В таблице Б1 приложения Б и на рисунке 2.17 приведен спектр комбинационного рассеяния метана полученный в ходе экспериментального исследования в УФ диапазоне .

–  –  –

Рисунок 2.17 – Рамановский (СКР) спектр метана (СН 4 ) при давлении 0,01 Тор В таблице Б2 приложения Б на рисунке 2 .

18 приведен спектр комбинационного рассеяния этана полученный в ходе экспериментального исследования Рисунок 2.18 - Рамановский (СКР) спектр этана (С2Н6) при давлении 0,01 Тор В таблице Б3 приложения Б и на рисунке 2.19 приведен спектр комбинационного рассеяния пропана полученный в ходе экспериментального исследования Рисунок 2.19 - Рамановский (СКР) спектр пропана (С3Н8) при давлении 0,01 Тор

–  –  –

Результаты экспериментов показывают, что рамановские спектры исследованных индикаторных газов не перекрывают друг друга .

Рисунок 2.21 .

Спектр КР-сдвигов ИВ УВГ .

В ходе экспериментальных исследований спектральных обликов веществ были определены и уточнены значения этих сдвигов. Результаты исследований спектрального облика основных веществ-индикаторов приведены в таблицах 15 и 6, а также в работах [46

– 51] и [63-66] и Из результатов экспериментов видно, что стоксовы сдвиги спектральных сигнатур индикаторных веществ лежит чрезвычайно близко друг от друга и не превышают 1-2 нм, что в свою очередь говорит о необходимости применения в лазерном газоанализаторе спектрального тракта с разрешением /1000, позволяющим надежно разделить характеристические полосы веществ. Слабое характеристическое излучение ореола низкой концентрации, при узких и близко расположенных спектральных линиях и ультрамалым временем излучения спектральных сигнатур (10-14-10-10 с), требует нетривиальных подходов .

В лидарных системах одним из основных параметров, за который идет борьба, является отношение сигнал/шум .

Повысить это соотношения можно благодаря применению высокочувствительных микроканальных ФЭУ с темновым током не превышающим 10-100 нА, работа в режиме счета фотонов с накоплением заряда на катодах фотоприемников, применение регистрирующей аппаратуры субгигагерцового диапазона частот при сохранении приемлемых размеров позволяющих устанавливать оборудование на легких летательных аппаратах и энергетической эффективности, т.к. питание осуществляется от бортовой сети носителя .

–  –  –

2.7 Выводы по главе 2 .

Из анализа полученных графиков следует, что у предельных углеводородов в ИК области спектра наблюдается переналожение полос поглощения. Поскольку в реальных условиях ореолы над магистральными газопроводами одновременно формируются молекулами нескольких соединений, то, очевидно, для дистанционной идентификации состава индикаторных веществ целесообразно использовать метод спонтанного комбинационного рассеяния (СКР). В отличие от других (дифференциального поглощения, флуоресценции) рамановский метод является прямым источником информации о химическом составе сложных сред. Уникальность рамановского метода в том, что при зондировании одним лазером на одной длине волны возможно одновременно регистрировать и непосредственно измерять абсолютные значения концентраций множества химических веществ без изменения состава и режима аппаратуры (в отличие от ДП). Ультраспектральная селекция спектральных сигнатур СКР в диапазоне 200 нм – 1100 нм открывает возможности селекции сразу нескольких индикаторных УВГ в ореолах на фоне подстилающей поверхности Земли при наблюдении с борта летательных аппаратов .

Эксперименты показали, что ширина спектральных линий рамановских молекулярных колебаний не превышает 1 см-1, но из базы данных спектральных сигнатур ИВ УВГ видно, что спектры рамановского рассеяния ИВ УВГ (например метан и азот) могут располагаться близко друг к другу, поэтому использование метода комбинационного рассеяния для селекции широкого набора веществ требует ультраспектрального разрешения, что позволит исключить перекрытие СКР-линий при различных концентрациях индикаторных молекул .

Метод СКР обладает следующими преимуществами при поиске месторождений нефти и газа в сравнении с методам ДП:

Только СКР – методе реализуется одновременная регистрация сразу нескольких ИВ УВГ без изменения состава и режима аппаратуры при зондировании одним .

Так как у углеводородов наблюдается переналожение полос поглощения, то только метод СКР позволяет в широком диапазоне длин волн осуществлять поиск ИВ УВГ при наблюдении с борта летательных аппаратов. Метод дифференциального поглащения позволяет регистрировать только те вещества, спектр поглощения которых попадает в диапазон излучения зондирующего лазера Для метода ДП необходимо как минимум 2 лазера, либо система с перестройкой зондируемого излучения в спектральном интервале 2,5 – 15 мкм, одновременно генерирующая две близкорасположенные длины волны для идентификации каждого из веществ .

Из за перекрытия полос поглощения атмосферных примесей, таких как пары воды и углекислый газ, не возможно идентифицировать вещества, линии поглощения которых попадают в эти спектральные интервалы .

Ультравысокая чувствительность к различным спектральным характеристическим признакам покрытий и материалов, благодаря чему при обнаружении малоконтрастных объектов СКР-метод эффективен .

Реализуя дополнительную селекцию целей по отрицательному контрасту «объектфон» можно усилить эффективность метода. Из-за низкой чувствительности ИКдетекторов метод ДП обладает низким пространственным разрешением .

В отличие от метода ДП, СКР метод позволят использование аппаратуры в «солнечно-слепом» УФ спектральном диапазоне (короче 300 нм) и позволяет зондировать как ночью, так и днем из-за экранировки озоновым слоем УФ- солнечнего излучения .

Оптико-электронные системы с реализованным методом ДП обладают низкой чувствительностью из-за рассеянного днём солнечного излучения и собственного излучения теплового фона Земли, особенно в летних условиях;

Метод СКР позволяет измерять абсолютные концентрации ИВ УВГ, сравнивая уровни СКР-сигналов УВГ и азота, чья концентрация в атмосфере неизменна;

Для реализации СКР метода не требуется лазеров с перестраиваемой и стабилизированными длинами волн, а также охлаждаемые азотом ИК- фотоприемные устройства .

УФ области спектра СКР-метод обладает большой чувствительностью ввиду того, что рамановские дифференциальные сечения молекулярных колебательных переходов увеличиваются с уменьшением длины волны .

3. Исследование ультраспектральной селективности СКР и КАРС методов для поиска изотопических сигнатур метана

3.1 Источники метана в атмосфере Как известно метан является основным индикаторным газом месторождения нефти и газа. Однако источниками метана могут быть не только приповерхностные ореолы месторождений [96,97] .

Метан находится во всех резервуарах нашей планеты: в атмосфере, воде океанов и пресных водоемов, в почве, глубоко под землей. Люди используют метан в качестве топлива и химического сырья. Источники метана в природе разнообразны и многочисленны. Поэтому очень важно понимать изучать генезис метана (как естественного, так и антропогенного), определять и выявлять источники метана к оценивать мощность с достаточной степенью достоверности .

Метан может возникать в результате химической трансформации органического вещества. В том случае, если органическое вещество подвергается воздействию бактерий, то происходит генезис «бактериального» или «микробного» метана. В результате процессов пищеварения в желудках насекомых и преимущественно животных образуется в донных отложениях болот и других водоемов бактериальный метан. В случае термохимического генезиса метана образуется термогенный метан. В результате химической трансформации в осадочных породах в условиях высоких температур при погружении на глубины 3-10 км и давлений зарождается термогенный метан. В результате химических реакций неорганических соединений на больших глубинах в мантии земли образуется абиогенный метан. [96]. Возможным источником метана может служить реакция оливина с водой в присутствии углерода. Концентрация метана в атмосфере существенно превышает концентрацию остальных органических соединений, например, концентрация этана примерно в 1 000 раз меньше .

Метан в атмосфере был обнаружен Мигеотти в 1947 г. Концентрация метана составляла примерно 1400 ppb. Зная относительное содержание метана, можно легко оценить его количество в атмосфере. Вся атмосфера содержит 1,8*1020 молей .

Следовательно, количество молей метана составляет 3,24*1014 молей, что эквивалентно 5 200 млн т. Концентрация метана в долевом отношении не зависит от высоты в пределах тропосферы (0-11 км), а затем быстро убывает (рис. 3.1), достигая на высоте 50 км около 300 ppb [96-98] .

Рисунок 3.1 Зависимость концентрации метана от высоты Сейчас концентрация метана в атмосфере близка к 1 750 ppbv .

Концентрация метана за период 1948-2015 гг. росла со средней скоростью 6,7 ppb в год, что означает, в среднем, рост на 0,4%. Но это возрастание не было равномерным. В шестидесятые и семидесятые годы количество метана в атмосфере возрастало со скоростью близкой к 1% в год и равнялось примерно 17 ppb. В период 1997-2007 гг. прирост концентрации метана в атмосфере был очень мал. Не исключена возможность, что это торможение прироста было связано с обустройством свалок в Западных странах. На фоне непрерывного роста концентрации метана наблюдаются ее сезонные циклические колебания. Цикличность в изменении концентрации объясняется сезонными изменениями мощности источников метана и его стоков. Амплитуда этих колебаний составляет 10-20 ppbv, а минимумы приходятся на летние месяцы как в Северном (июль), так и в Южном (февраль) полушариях. Считается, что эти колебания созданы изменением мощности стоков: летом она возрастает за счет увеличения концентрации радикалов ОН вследствие повышенной солнечной радиации [96-98]. .

Из анализа видно, что существует множество источников метана, которые могут давать ложные сигналы при лазерном аэропоиске месторождений нефти и газа. Требуется создание новых подходов помехозащищённости метода дистанционного лазерного поиска нефтегазовых месторождений .

–  –  –

происхождении метана и времени его образования. Анализируя данные по содержанию радиоактивного изотопа С, можно определить доли метана биологического и небиологического происхождения .

Из главы 1 известно, что основой геохимических методов поиска нефти и газа является теория осадочно-миграционного происхождения нефти и газа из биоорганического вещества. Процесс образования можно разделить на три фазы .

Первая фаза является главным образом газовой и связана с диагенезом и протокатагенезом (градация ПК). На этой стадии образуется главным образом метан в количестве до 5,0% от общей массы органического вещества (ОВ) с характерным легким изотопным составом -13С от -30 до – 90‰ .

Вторая фаза (ГФН) – зона среднего катагенеза (градация МК1-МК2). В итоге рождается собственно нефть. Этот этап характеризуется высоким содержанием предельных тяжелых УВГ с изотопно-относительно тяжелым метаном 13С от – 37 до - 40‰ .

Третья фаза развивается в жестких термобарических условиях градаций катагенеза МК4-АК2 и характеризуется тем, что органические вещества преобразуются в газ и газоконденсат. Итогом этой фазы является генезис метана, но в отличие от зона среднего катагенеза газ имеет еще более тяжелый изотопный состав 13С – 30 до - 36‰ [21] .

Таким образом, для теории и особенно практики геохимических методов поиска месторождений нефти и газа (ГПНГ) необходимы сведения о типе и степени изменения ОВ, его нефтематеринском потенциале в зоне поискового геохимического зондирования, чтобы с генетических позиций оценить природу углеводородных аномалий в верхних горизонтах осадочного разреза. Этой же цели служат данные об изотопном составе метана .

Изотоп С образуется в атмосфере за счет космического излучения .

–  –  –

существенно превосходит время жизни большинства представителей живой природы на Земле. В дальнейшем радиоактивные ядра углерода испускают электрон и опять превращаются в стабильный изотоп N. Изотоп С реагирует с кислородом воздуха с образованием молекул углекислого газа Со2. Далее эти молекулы благодаря процессам

–  –  –

образования живого органического вещества. За время жизни живой организм накапливает некоторое количество радиоактивного углерода, но это накопление прекращается после смерти и захоронения организма. Начиная с этого времени количество радиоактивного углерода только падает. Поэтому, измеряя долю радиоактивного углерода относительно стабильного углерода, можно определить дату жизни организма. Так метан, поступающий из небиологических источников, например из шахт при добыче угля, имеет очень большой возраст и не содержит С. Обнаружено, что 21 3% атмосферного метана ископаемого происхождения. Это дает для величины потока в атмосферу примерно 100 млн т ископаемого метана в год, что представляется значительно завышенной величиной [96-98]. .

Содержание С обычно характеризуется относительной величиной (13 С/12 С) и выражается в промилле:

где величина ( С/ С)образец (стандарт) представляет собой отношение количеств изотопов 13С к 12С в образце (стандарте). Углерод содержит, в среднем, 1,1% углерода 13 С .

В качестве стандарта обычно используется Pee Dee Belemnite (PDB). Для стандарта величина С/12С = 0,0112372. Из выражения для (13 С/12 С) следует, что при нулевом содержании тяжелого изотопа в смеси величина (13 С/12 С) равна -1 000%, а при удвоенном количестве по сравнению со стандартом - +1 000%. Таким образом, содержание тяжелого изотопа будет выше в том образце, в котором величина (13 С/12 С) больше .

Для атмосферного метана величина = -47,7 ± 0,2. Как видно из таблице 3.1, все биологические источники сильно обогащены легким метаном, хотя в исходном материале, подвергшемся биологической обработке, как правило, существенно больше: трава для скота имеет = -27%, -28%, для зерна = -12,6%, -14%, болотных остатков растений лежит в пределах -25%, -28%. Таким образом, в процессе биохимической переработки происходит обогащение метана легким изотопом углерода. По мере старения исходного биологического материала и его химической трансформации происходит постепенное увеличение содержания тяжелого углерода. Поэтому метан, поступающий с глубин 3-10 км, имеет более высокие. Очень высокие значения наблюдаются и для метана, возникающего при горении биомассы .

Можно было полагать, что изотопное содержание метана в атмосфере будет представлять собой среднее значение по всем источникам с учетом их мощности. Однако изотопный состав атмосферного метана ввиду его большого времени жизни в атмосфере не отражает автоматически изотопный состав его источников: реакции радикалов OH и реакция поглощения метана почвой изменяют изотопный состав атмосферного метана. В обеих реакциях более предпочтительно участие легкого метана. Следовательно, атмосферный метан будет обогащен по сравнению с метаном из его источников более тяжелым метаном .

Таблица 3.1 Изотопный состав метана в зависимости от источников генезиса Изотопный эффект в реакциях исчезновения метана будет характеризоваться отношением двух констант, равным k/12 k, где k/12 k - константа скорости реакции исчезновения тяжелого (легкого) метана .

В случае реакции метана с радикалом ОН для величины а известны следующие значения: 0,997, 0,990 ± 0,007 и 0,9946 ± 0,0009 .

Изотопный эффект в реакции метана с почвой составляет 0,9750,984. Будем считать, что уход в стратосферу, который обусловлен турбулентной диффузией, протекает одинаково для обеих изотопных разновидностей метана .

Решая задачу об изотопном составе метана в атмосфере, можно найти:

где и ( а) - средневзвешенное изотопное содержание источников (атмосферного метана), а:

- изотопный эффект в реакции исчезновения в i-м канале, F - вес i-го канала в исчезновении легкого метана .

Оценим значение величины и. Для а примем значение -47,7 0,2%. Будем считать, что для величины а в реакции с радикалом ОН справедливо значение, равное 0,9946, и что вес этого канала составляет 0,92. Для поглощения метана почвой изотопный эффект примем равным 0,98, а вес этого канала установим как 0,06. Тогда средневзвешенное значение величины и для источников будет равно -54,2 2,5%. Основной вклад для а в отличие от За вносит, конечно, реакция с радикалом ОН. Учет только одной реакции с радикалом ОН приводит к величине а = -52,9%. Содержание дейтерия в атмосферном метане и его источниках исследовалось в ряде работ, например. В случае СН3О для атмосферного метана величина (D) = -80 8% [96-100]. В качестве стандарта для дейтерия выбирается океаническая вода. Обычное содержание дейтерия составляет 1,06.10-2%. Величина изотопного эффекта в реакции с радикалом ОН равна 0,67. Тогда для источников получаем и = -274%, если пренебречь каналом, связанным с поглощением метана почвой .

3.3 Метод КАРС для измерения параметров газовой фазы углеводородов в атмосфере Как правило, при дистанционном исследовании параметров газовых составов в атмосфере, таких как концентрация частиц или молекул, их состав, показатель преломления и т.д., использовались методы линейной оптики: измерения поглощения в различных спектральных диапазонах (абсорбционная спектроскопия ), измерения рассеяния в двух и более направлениях, поляризационные измерения, измерения спектров флюоресценции (спектрофлуориметрия ) и комбинационного рассеяния (КР). По сравнению со спектроскопическими методами адсорбции и поглощения, спектроскопия КР имеет определенные преимущества и дополняет их, так она способна разрешить сложные колебательно-вращательные полосы молекул, неактивных в поглощении (в области прозрачности среды), но разрешенных правилами отбора в КР. [101]. Поскольку при спектроскопии отдельных частиц или молекул в атмосфере используют достаточно большую плотность мощности лазера, достигающую 10 кВт/см2, происходит быстрое насыщение линии поглощения и дальнейшее просветление среды, что приводит к ограничению числа поглощаемых и, соответственно флюоресцентных фотонов. Линии КР свободны от быстрого насыщения и просветления, и поскольку накачка идет в полосе прозрачности и возможно использовать плотности мощности вплоть до уровня светового пробоя. Сигнал КР линейно зависит от концентрации, сечения рассеяния и интенсивности лазера накачки, а поскольку разные молекулы имеют различные комбинационные сдвиги .

Спектроскопия КР может быть использоваться как количественный инструмент для определения концентраций, температуры различных веществ и молекул, и их идентификации. Однако, КР весьма неэффективный процесс и его сечение рассеяния (~10 см2 на одну молекулу) на 14 порядков меньше величины сечения поглощения флюоресцирующих красителей ( ~10-16 см2 на одну молекулу). Таким образом для получения сигнала КР необходимо большое время интегрирования, что делает невозможным использовать данный метод при исследовании быстро изменяющихся потоков или в условиях сильного спектрального фона (например при парообразовании или в камере сгорания). В последнее время начали развиваться методы исследования параметров газовых составов в атмосфере с использованием методов нелинейной оптики [92-94]. Одним из путей повышения эффективности рассеяния КР является использование методов нелинейной спектроскопии когерентного антистоксового рассеяния света (КАРС) [101-105]., с использованием бигармонической накачки, при котором возможно усиление сигнала КР в 106 раз .

В методе КАРС, используется так называемая бигармоническая накачка [101]., состоящая из двух волн с различными частотами 1 и 2, разность между которыми сканируется вблизи частоты комбинационного перехода (рис.1).

Взаимовлияние двух волн приводит к тому, что в среде генерируется третья волна, сдвинутая по частоте в антистоксовую область:

–  –  –

причем спектроскопическую информацию можно получить путем измерения дисперсии интенсивности антистоксовой волны .

Рассмотрим простую модель разреженной среды, образованной невзаимодействующими молекулами с единственным невырожденным комбинационноактивным резонансом частоты. Пусть на среду падают две волны E1 и E2 с частотами 1

- 2, тогда суммарное поле внутри среды можно представить в виде:

–  –  –

где ki – волновые вектора, r – координатный вектор, к.с. – комплексно сопряженный член. Дипольный момент молекулы, индуцированный под влиянием поля (2), равен:

–  –  –

где (Q) – электронная поляризуемость, параметрически зависящая от ядерной конфигурации. где (X—поляризуемость молекулы). В классической теории (Q) поляризуемость является феноменологической величиной. Примем, что поляризуемость молекулы зависит от расстояния между ядрами атомов в данный момент .

Тогда, обозначив через Q колебательную координату, описывающую данное колебательное движение молекулы, и предполагая, что смещения ядер относительно равновесия малы, можно разложить (Q) в степенной ряд по Q в окрестности равновесного значения этой координаты Q = 0 (модель Плачека [3.15]):

–  –  –

Используя известное выражение для сечения комбинационного рассеяния отдельной молекулой [10], можно получить мощность рассеянного в угол = 4 излучения в случае

СКР:

–  –  –

Оценки по формуле (3.11), подтвержденные многими экспериментами по КАРС жидких, твердых и газообразных сред [3.12], показывают, что при использовании пучков с плотностью мощности ~ 10 кВт/см2 и хорошо разрешаемых линий СКР фактор F достигает 106 .

–  –  –

Рисунок 3.3 – Условие фазового синхронизма для процесса КАРС .

Со спектроскопией когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) связаны широкие возможности для измерений параметров сред в различных фазовых состояниях, для изучения быстропротекающих процессов в молекулярных системах в газовой, жидкой и твердотельной фазе. В сравнении со спонтанным КР существенные преимущества КАРС определяются очень высоким уровнем регистрируемого сигнала, малой расходимостью рассеяния эхо-сигнала (в пределах 10 стерадиан), отсутствием люминесценции исследуемых веществ в области антистоксовых частот [101] .

Рисунок 3.4 Предварительная схема эксперимента .

ФС – фемтосекундный лазер с длиной волны 800 нм, НС – наносекундный лазер с длиной волны 1064 нм, КР – кювета, наполненная пропаном или метаном, в которой происходит генерация ВКР, СМ – спектрометр, ПК – персональный компьютер .

Методика регистрации антистоксовых компонент в тяжелых углеводородных газах основана на использовании двух лазеров для засветки кюветы и регистрации спектров с помощью спектрометра Maya 2000 PRO .

Рисунок 3.5 Внешний вид экспериментальной установки для регистрации антистоксовых компонент .

В эксперименте засветка кюветы осуществлялась фемтосекундным лазером Ti:Al2O3 с длиной волны 800 нм и Nd :YAG лазерами. наносекундного лазера с длиной волны 1064 нм. лазер обладал выходной мощностью 2.5 Вт, накачка Ti:Al2O3 производилась с помощью Аr+ лазером. Излучение накачки фемтосекундного лазера с длиной волны 800 нм и наносекундного лазера с длиной волны 1064 нм фокусируются в кювету ВКР генератора .

Рисунок 3.6 Схема КАРС - экспериментальной установки для регистрации спектральных сигнатур УВГ .

Кювета с имитатором УВГ ореола месторождения нефти и газа (рисунок 3.7) располагался на расстоянии 5 м от лазеров. Давление газов C2H6, C3H8, C4H10 выбиралось из расчета эквивалентности оптической плотности зондируемой среды в кювете и в реальных ореолах в области залежей УВ. Поэтому в кювете длиной 0.2 м давление этана, пропана и бутана составляло ~ 0.001 Тор, что соответствовало ореолу глубиной 10 м концентрацией каждого из этих УВ на уровне 5•1012 см-3, т.е. 20 ppb. Рассеянное обратное антистоксовое излучение попадает на спектрометр Maya 2000 PRO, и спектр обрабатывается на компьютере .

Рисунок 3.7. Кювета – имитатор УВ ореола .

В связи с тем, что фемтосекундный лазер имеет широкий спетр, происходит генерация антистоксового излучения от фурье-компонент излучения накачки, соответствующих стоксовому сдвигу исследуемых газов от длины волны наносекундного лазера. Благодаря этому в спектре ВКР излучения можно наблюдать появления новых компонент около 650 нм, различных для разных газов. Регистрация спектров осуществлялась с помощью компактного, волоконно-оптического спектрометра Maya 2000 PRO (Ocean Optics, США; таблица 3.2) .

Рисунок 3.8 – Энергетическая диаграмма эксперимента .

Высокочувствительныq неохлаждаемый спектрометр Maya 2000 PRO оснащен матричными ПЗС-детекторами с покадровым переносом и освещением с обратной стороны и предназначен для измерений при низкой освещенности и анализа УФ спектров. Модель Maya2000 Pro оснащалась ПЗС-детектором Hamamatsu S10420 с покадровым переносом и освещением с обратной стороны (back-thinned 2D FFT-CCD), имеющим высокую чувствительность в глубоком УФ-диапазоне (~ 165-300 нм), высокое отношение сигнал/шум, высокую квантовую эффективность и широкий динамический диапазон, что делает их наиболее подходящими для регистрации слабых сигналов. Темновой шум практически отсутствует, что позволяет использовать длительные времена интегрирования .

Матричный ПЗС-детектор с покадровым переносом Hamamatsu S10420 с имеет квантовую эффективность на уровне 90%. Термоэлектрическое охлаждение обеспечивает низкий уровень шума и темнового сигнала, что позволяет регистрировать слабые сигналы с длительным интегрированием, обеспечивая тем самым широкий динамический диапазон .

Таблица 3.2 Характеристики спектрометра Maya 2000 PRO

–  –  –

Ввиду того, что фемтосекундный Ti:Al2O3 лазер излучает спектрально ограниченные импульсы, в кювете с УВГ происходит когерентное антистоксовое рассеяние от соответствующих фурье-компонент излучения фемтосекундной накачки (с = 800 нм) и стоксового сигнала ( = 1064 нм), отстоящих на величину стоксового сдвига исследуемых газов, из-за чего в в спектре антистоксового рассеяния можно наблюдать появление компонент гомологов метана = 656 нм для CH4 и = 658 нм С3H8,(рис.3.9) .

Рисунок 3.9 Спектральная диаграмма КАРС углеводородов, излучения Ti:Sapphire и Nd:YAG лазеров В силу использования импульсов наносекундной и фемтосекундной длительности в процессе проведения эксперимента большое внимание было уделено фазовому соглосованию волн накачки .

Как известно, интенсивность сигнала КАРС растет пропорционально квадрату длинны области когерентного взаимодействия лазерных пучков при точном фазовом соглосовании волн накачки. В противном случае интенсивность становится периодической функцией от длины когерентности и отличается в (2/)2 раз от интенсивности достигаемой в случае фазового синхронизма [106-108] .

На основании эксперементального исследования можно сделать вывод, что метод КАРС позволяет детектировать единичные молекулы ИВ УВГ, достигая уровня в 20 ppb и селектировать частицы тяжелых УВ в реальной атмосфере при наличии примесей. Таким образом ультраселективный КАРС метод обеспечивает дистанционную регистрацию сверхмалых концентраций УВГ не менее 20 ppb., что представлено работах [109-111] .

3.4 Экспериментальное исследование изотопической ультраселективности рамановского метода Известно, что метан является основным индикаторным газом месторождения нефти и газа, однако существует множество источников метана, которые могут давать ложные сигналы при лазерном аэропоиске месторождений нефти и газа. Одним из подходов селекции генезиса метана может стать метод сличения рамановскох изотопических сигнатур метана [96-100] .

По изотопному составу метана (содержанию С, С и D) можно судить о происхождении метана и времени его образования. Анализируя данные по содержанию С/13 С/12 С, можно определить доли метана биологического и радиоактивных изотопов небиологического происхождения, а также «возраст» вещества. Фактически реализуется дистанционный радиоуглеродный анализ .

–  –  –

схожую физико-химическую природы и одинаковые модели распространения. [52 - 56]. В “Cambridge Isotope Laboratories”, располагающейся в США были закуплены газы CO2 и CO2 с чистотой 99.994%. Нами совместно с коллегами из федеральное государственного унитарного предприятия "Всероссийский научно-исследовательский институт Метрологии Им.Д.И.Менделеева" изготовлено несколько кювет, содержащие изотопически чистые CO2 и 13CO2, а также смесь данных газов. Так, для каждого из изотопов кюветой служила фторопластовая трубка наружным диаметром 6 мм, внутренним 4 мм, длиной 50 мм (рис .

3.10). Для ее наполнения использовался баллон с газом, давление в котором составляло 5 атмосфер, с помощью жидкого азота диоксид углерода замораживался во фторопластовой трубке .

Рисунок 3.10 .

Внешний вид кюветы с изопопически чистым 12CO2 .

Смесь изотопов 12CO2 и 13CO2 была приготовлена в отдельном баллоне с молярной долью CO2, равной 1000 ppm, после чего соотношение изотопов в смеси было измерено с помощью анализатора изотопного состава PICARRO G2131-i (Picarro inc., США) (рис. 3.11

-3.13) .

Рисунок 3.11. Подготовка кюветы к эксперименту .

Анализатор Picarro G2131-i является наилучшим решением для измерения 13С в СО2 Имея гарантированную воспроизводимость измерений 0.1‰ и долговременный дрейф 0.5‰, этот анализатор обладает характеристиками, сравнимыми с достижимыми на изотопных масс-спектрометрах в режиме Continious Flow. [112] .

Рисунок 3.12. Схема эксперимента CRDS .

Анализатор Picarro G2131-i использует технологии лазерной внутрирезонаторной спектроскопии [114,115]. (Cavity Ring Down Spectroscopy - CRDS). CRDS основана на измерении времени затухания излучения в ячейке (кювете) с тремя высокоотражающими зеркалами при многократном прохождении света между ними [117]. Исследуемое вещество

– ИВ УВГ - помещают внутрь резонатора лазера с широкой спектральной полосой генерации. При исследовании абсорбционных спектров вещества с малым коэффициентом поглощения в обычной спектроскопии приходится увеличивать оптическую длину пути, помещая исследуемое вещество в многоходовую оптическую кювету. Отражаясь от её торцевых зеркал, свет многократно проходит через него. При этом приходится учитывать потери на отражение света от зеркал. В методе внутрирезонаторной лазерной спектроскопии, где роль многоходовой кюветы играет резонатор лазера, эти потери компенсируются усилением света в его активной среде. В результате чувствительность метода резко возрастает, что позволяет обнаруживать беспрецедентно низкие концентрации на уровнях 104 атомов/см3. Использование CRDS анализатора позволяет достичь точности измерения 0.05 ‰ [112,113] .

Кювета, используемая в приборе, имеет длину 150 мм, а ее объем составляет 35мл .

Высокая точность достигается за счет использования оптического пути длиной порядка 17 км. Подача смеси из баллона осуществлялась в течение 30 минут, после чего за 5 минут происходило усреднение показаний. Экспозиция - 600 мс. Усреднений - 50. По результатам измерений было получено отношение CO2 к CO2 равным 46.1‰, при этом СКО составило 0.7% .

–  –  –

Рисунок 3.15 .

Анализатор изотопного состава PICARRO G2131-i .

Данные были обработаны в OriginPro с программным модулем Peak Analyzer и получены следующие результаты (рисунке 3.16) .

–  –  –

молекулы 13CO2 -1370 см-1. Это обусловлено неравновесным приготовлением смеси, как в естественных условиях. Полученные экспериментально результаты хорошо согласуются с литературными данными [116] .

Из анализа приведенных графиков следует, что изотопы CO2 имеют стоксовы сдвиги, расположенные близко друг другу. Как известно, чувствительность рамановского метода обратно пропорциональна четвертой степени длины волны рассеяния. Принимая разность стоксовых сдвигов измеренных изотопов 12CO2 и 13CO2, равную =2 см-1, что в диапазоне длин волн короче 2.0 мкм ( 5000 см-1) данный метод обеспечивает спектральную селекцию на уровне / = /1000 .

3.5 Выводы по главе 3 .

Впервые продемонстрированы достоинства и эффективность использования метода комбинационного рассеяния и КАРС, достигаемые на антистоксовых частотах, при детектировании УВГ с концентрацией до уровня отдельных молекул. Показано, что данный метод обеспечивает спектральное разрешение, селективность и помехоустойчивость, необходимые для мониторинга, обнаружения и идентификации УВГ газов .

Экспериментально показано, что КАРС метод обеспечивает дистанционную регистрацию сверхмалых концентраций УВГ не менее 20 ppb Чувствительность рамановского метода обратно пропорциональна четвертой степени длины волны рассеяния. Принимая разность стоксовых сдвигов экспериментально полученных изотопических спектральных сигнатур изотопов (12CO2 = 1388 см-1, 13CO2 = 1370 см-1) 12CO2 и 13CO2, равную =2 см-1, что в диапазоне длин волн короче 2.0 мкм ( 5000 см-1) данный метод обеспечивает спектральную селективность на уровне / = /1000. Ультраспектральная селекция методом СКР и КАРС позволяет разрешить изотопические сдвиги имитаторов индикаторных-веществ в УФ и ИК диапазонах на уровнях не менее 5 см-1, что позволяет судить об изотопном составе метана и по соотношению концентраций 12C/13C опрелелить источник генезиса метана .

–  –  –

4.1 Структура комплекса и назначение основных функциональных узлов Исходя из требований, сформулированной в главе 1 и подходам к построению лидарных систем [118-127]., и работ анализированных в главе 2 был разработан аппаратнопрограммный комплекс по поиску на месторождения углеводородов. Лидарный комплекс построен по модульной схеме и состоит из следующих блоков (рисунок 4.1):

–  –  –

Как видно из схемы лидар построен по моностатической схеме и можно выделить 3 основных функциональных модуля:

- канал зондирования (лазер, выходная оптическая система, генерация гармоник)

- входной оптический канал с системой сканирования и спектроанализа

- модуль обработки электронных данных Дополнительно в комплекс могут быть включены: спутниковая навигационная система GPS на основе навигатора Garmin GPSMap 62s, подключенного к компьютеру по протоколу NMEA, система видеонаблюдения и ИК - тепловизоры .

Четреж общего вида и функциональная схема со спецификациями предствалены в Приложениях Г,Д,Е .

4.2 Модуль зондирования. Разработка лазерного канала .

В ходе выполнения проектирования решалась задача увеличения средней мощности лазерного излучателя вертолетного базирования. Сравнение технических характеристик имеющегося исходного образца и значения для разрабатываемого лазерного излучателя приведены в таблице 4.1 .

–  –  –

Способы увеличения энергии генерации Увеличение энергии излучения достигается увеличением диаметра активного элемента с 3,3 мм до 5 мм, что позволило получить на выходе первой ступени до 100 мДж в импульсе, вместо имеющихся 50 мДж .

Для получения генерации в режиме модуляции добротности используется электрооптический затвор на скрещенных кристаллах KTP с высокой лучевой стойкостью, до 2 ГВт/см2, что обеспечивает достаточно длительный период эксплуатации .

Выбор активной среды С точки зрения выбора активной среды, особенностями рассматриваемой системы являются требование диодной накачки и импульсный режим работы с модулированной добротностью .

Энергетическая эффективность моноимпульсного лазера определяется эффективностью энергозапасания и эффективностью энергосъема .

В случае, когда длительность импульса накачки не ограничена,- энергия, запасаемая в активной среде, пропорциональна времени жизни верхнего рабочего уровня активной среды. Кроме того, на эффективность энергозапасания хотя и в меньшей мере, оказывают влияние параметры активной среды, характеризующие эффективность поглощения излучения накачки - интенсивность линии поглощения излучения накачки abs и ее ширина, а так же параметр эффективности Stokes, учитывающий квантовый выход и стоксов сдвиг и характеризующий эффективность преобразования поглощенной энергии в инверсию .

К параметрам активной среды, характеризующим эффективность энергосъема extr, относится энергия насыщения активной среды Es, связанная с поперечным сечением вынужденного перехода соотношением Es=h/, предельно допустимая лучевая нагрузка Emax, а так же фактор энергосъема fmax характеризующий ограничение энергосъема заселением нижнего рабочего уровня. Заселение нижнего рабочего уровня определяется структурой уровней иона и соотношением времени жизни нижнего рабочего уровня 21 и длительности импульса генерации tpulse. Для эффективного энергосъема необходимо выполнение условий: Es Emax и fmax1. Последнее условие хорошо выполняется для четырехуровневых сред при 21tpulse .

Совокупность перечисленных параметров, характеризующих эффективность моноимпульсного лазера удобно представить в виде произведения:

Q=extrfmaxabsStokes .

Параметр Q имеет размерность Дж/Вт и фактически определяет предельно достижимое значение энергии моноимпульсной генерации при единичной пиковой мощности источника накачки. Параметр Q может быть использован в качестве одного из основных критериев пригодности активной среды для реализации моноимпульсного лазера с диодной накачкой .

Кроме перечисленных параметров, при выборе активной среды так же следует учитывать следующие факторы:

Длина волны максимума линии поглощения, коммерческая доступность диодных источников накачки с требуемой длиной волны Коммерческая доступность активных элементов Механические и технологические свойства кристаллов Применительно к рассматриваемой задаче, интерес представляют неодим содержащие лазерные среды, широко используемые в лазерах с диодной накачкой, работающих в непрерывном и квазинепрерывном режиме. Это в первую очередь касается кристаллов YVO4:Nd ( = 90 мкс), YAG:Nd( = 250 мкс), LSB:Nd ( = 118 мкс при CNd = 10%), YLF:Nd ( = 500 мкс). Эти кристаллы характеризуются высокой эффективностью поглощения излучения диодных источников накачки и высоким значением поперечного сечения вынужденного усиления. Наиболее высокий съем мощности был достигнут в лазерах на кристаллах Nd:YVO4. Однако, как показали проведенные оценки и численные расчеты, для достижения требуемого уровня энергозапасания в активном элементе это потребует высокой пиковой мощности лазерных диодов накачки. Помимо этого кристалл YVO4 обладает худшими по сравнению с YAG термооптическими характеристиками .

В таблице 4.2 приведены наиболее существенные для данной задачи параметры этих активных сред .

Выбор активной среды также определяется и конфигурацией накачки и резонатора, однако наиболее перспективным до рассмотрения вариантов накачки представляется среда Nd:YAG с накачкой на длине волны 883 нм и геометрией резонатора и активного элемента, позволяющих осуществить несколько проходов излучения генерации и значительной длины распространения накачки для обеспечения высокого коэффициента усиления и достаточного поглощения накачки .

При условии, что будет подобрана такая геометрия активного элемента и резонатора, будет получен заметный выигрыш на уменьшении тепловыделения в активном элементе за счет меньшего стоксова сдвига и термооптических искажений по сравнению с другими активными средами .

–  –  –

Рисунок 4.2 - Схема оптическая ЗГ .

1 – оптическое волокно, 2,3 – изображающий оптический разъем, 4 – активный элемент Nd:YAG 4 x 10 мм, 5 – фазовая пластина, 6 – выходной поляризатор, 7, 8 – расширитель пучка, 9 – зеркало, 10 – пассивный затвор Cr:YAG, 11 – призма Дове, 12, 13 – юстировочные клинья, 14 – глухое зеркало .

Задающий генератор представляет собой одномодовый Nd:YAG лазер, работающий в режиме пассивной модуляции добротности .

В задающем генераторе использован торцевой тип накачки. Излучение накачки доставляется в излучатель ЗГ по оптическому волокну (1) из БПиУ. Блок питания ЗГ находится в стойке электропитания .

Для реализации требуемой длительности импульсов в задающем генераторе используется режим пассивной модуляции добротности, для обеспечения которого служит пассивный затвор (10) .

Узел оптических клиньев (12, 13) служит для тонкой юстировки задающего генератора. После сборки и юстировки оптические клинья фиксируются. В процессе эксплуатации оптические клинья находятся в зафиксированном положении .

Конструктивно излучатель ЗГ состоит из оптического изображающего разъема, активного элемента в термостате, фазовой пластины, блока ретрорефлектора с поляризационным выводом и пассивным затвором, юстировочных клиньев, зеркала и расширителя пучка. Оптический изображающий разъем состоит из двух линз в оправах .

Одна из оправ крепится на корпусе ЛПМ и служит для присоединения оптического волокна накачки. Совместно линзы изображают выходной торец оптического волокна накачки в активный элемент задающего генератора .

Активный элемент Nd:YAG задающего генератора вклеен в корпус термостата. На один из торцов активного элемента нанесено дихроичное покрытие – высоко отражающее для длины волны 1,064 мкм и просветляющее для длины волны 0,808 мкм. Торец активного элемента служит одним из зеркал резонатора. Термостат состоит из теплоотвода и элемента Пельтье. Элемент Пельтье служит для отвода тепла выделяющегося в активном элементе и поддержания его температуры в заданном диапазоне. Питание элемента Пельтье осуществляется при помощи платы термоконтроллера, расположенной внутри корпуса ЗГ .

Для питания платы термоконтроллера к ЗГ подводится напряжение 12 В от системы БПиУ ЛПМ .

Фазовая пластина служит для настройки пропускания выходного поляризатора .

Фазовая пластина крепится в подвижной оправе в кронштейн, закрепленный на плите задающего генератора .

Блок ретрорефлектора состоит из зеркала, поляризатора, призмы Дове и пассивного завтора на Cr:YAG. Зеркало, поляризатор и призма Дове составляют вместе неразъюстируемый узел, который предотвращает влияние деформаций плиты задающего генератора на характеристики излучаемого пучка. Поляризатор служит для вывода рабочего излучения задающего генератора. Пассивный затвор на Cr:YAG служит для модуляции добротности задающего генератора. Перечисленные оптические элементы блока ретрорефлектора крепятся на едином корпусе ретрорефлектора .

Юстировочные клинья служат для тонкой юстировки резонатора. Юстировочные клинья в оправах подвижно закреплены в кронштейне на плите задающего генератора .

Зеркало служит вторым зеркалом резонатора. Состоит из зеркала с высокоотражающим покрытием для длины волны 1,064 мкм и кронштейна. Кронштейн крепится к плите задающего генератора .

Усилительный модуль

УМ предназначен для усиления излучения, поступающего от ЗГ, с минимальными искажениями пространственной и временной структуры. Максимальная энергия излучения на выходе УМ – не менее 2 Дж .

Конструкция УМ базируется на разработанной в «НИИ лазерной физики»

конструкции лазера 3 Дж/100 Гц .

Оптическая схема усилителя приведена на рис.4.3 .

Рисунок 4.3 - Схема оптическая усилителя .

1 – входное окно, 2,6 – АЭ, 3,4,5, – ретранслятор, 7,8 – зеркала, 9 – вращатель Фарадея, 10 – фокусирующая линза, 11 – ВРМБ кювета .

Конструктивно усилительный модуль размещен на платформе усилительного модуля в виде отдельных узлов, образующих оптическую схему усилителя. СОС крепится к УМ с помощью шарнира Гука, причем труба СОС внутри него вращается вокруг собственной оси и имеет небольшой люфт вдоль нее. Использование диодной накачки позволяет существенно сократить габаритные размеры усилителя. На текущий момент доступны отечественные диодные источники накачки, отвечающие уровню разрабатываемого изделия .

Квантрон Квантрон предназначен для размещения активного элемента (АЭ) и разводки волокон из СТН по стеклянной трубке, а так же для обеспечения температурного режима

АЭ. Состав квантрона:

АЭ;

Стеклянная трубка с узлами ввода оптических волокон;

Система каналов жидкостного охлаждения;

Крепления квантрона к установочной плите усилителя .

На рисунке 4.4 представлен общий вид квантрона с размещением источников накачки непосредственно в квантроне .

Рисунок 4.4 – Общий вид квантрона .

1 – осветитель, 2 – активный элемент в оправе, 3 – сборка излучателей накачки, 4 – корпус, 5, 6, 8, 9 – уплотнительные резинки, 11, 12 – фланцы .

Активный элемент АЭ выполнен в виде цилиндра из алюмоиттриевого граната с неодимом (YAG:Nd) размером 8х140 мм и 12х140 мм .

Торцы АЭ параллельны и закошены по отношению к оси цилиндра. Это сделано с целью предотвращения паразитного сброса инверсии за счет самовозбуждения на торцах и уменьшения воздействия паразитной усиленной люминесценции внутри АЭ. Скошенные торцы позволяют избежать паразитной завязки в оптической схеме усилителя и обеспечивают выведение бликов от торцов за пределы оптической схемы .

Для уменьшения сброса инверсии вследствие усиленной люминесценции применена специальная обработка образующей цилиндра АЭ .

Ретранслятор Ретранслятор предназначен для построения изображения центрального сечения одного АЭ в плоскости центрального сечения другого АЭ усилителя. Ретранслятор состоит из стеклянной трубы с герметично приклеенными на торцах линзами. Внутри трубы в расчетном положении перетяжки пучка расположена диафрагма, предназначенная для пространственной фильтрации паразитных бликов. В трубе создан вакуум и произведена отпайка .

ВРМБ зеркало ВРМБ зеркало предназначено для обращения волнового фронта в двухпроходовом усилителе и компенсации аберраций волнового фронта, возникающих в усилителе .

ВРМБ зеркало состоит из фокусирующей оптической системы и кюветы, заполненной ВРМБ-жидкостью, в качестве которой может быть использована низкопоглощающая на длине волны излучения лазера жидкость, например, SnCl4, подвергнутая глубокой очистке .

Стеклянная ВРМБ кювета помещена в металлический герметичный корпус, с целью предотвращения разлива жидкости в случае разрушения стеклянной кюветы .

Вращатель Фарадея Вращатель Фарадея предназначен для поляризационного вывода излучения из усилительного модуля. За два прохода он осуществляет поворот плоскости поляризации на 90 градусов. Использование вращателя Фарадея, расположенного между усилительными каскадами и ВРМБ зеркалом, дополнительно обеспечивает компенсацию двулучепреломления, не скомпенсированного 90 кварцевым вращателем .

Вращатель Фарадея состоит из системы постоянных магнитов, магнито-оптического элемента, изготовленного из тербий-галлиевого граната (ТГГ) диаметром 10 мм и механического корпуса. Магнитооптический элемент размещен внутри системы магнитов в центральном цилиндрическом канале .

Поверхности магнито-оптического элемента просветлены на длину волны 1,064 мкм .

Поскольку снаружи системы постоянных магнитов имеется остаточное магнитное поле, в конструкции узла вращателя Фарадея предприняты меры, исключающие возможность повреждения элементов лазера притягивающимися металлическими предметами. Юстировка вращателя Фарадея и его положения в процессе эксплуатации лазера не требуется .

Для защиты от внешних электромагнитных наводок вращатель Фарадея помещается в решетку Фарадея .

–  –  –

Рисунок 4.6 - Оптическая схема лазерного излучателя .

1 – АЭ 8, 2 – ретранслятор 1:1, 3 – ретранслятор 1,5:1, 4 – кварцевый вращатель, 5 – ВРМБ-кювета, 6 – вращатель Фарадея, 7 – линза, 8 - АЭ 8, 9 – ретранслятор 1:1, 10 – ретранслятор 1:1, 11 - АЭ 12, 12 – задающий генератор, 13 – кварцевый вращатель, 14 – вращатель Фарадея, 15 – окуляр ФОС, 16 - АЭ 12, 17 – объектив ФОС .

Энергетический расчет В задачи проведенного энергетического расчета входила оценка мощности накачки и диаметров активных элементов, необходимых для реализации требуемых параметров.

При расчете учитывались следующие требования:

Мощность накачки должна обеспечивать усиление сигнала задающего генератора до энергии не менее 2 Дж на полный обход усилительного модуля;

Диаметр активного элемента во втором квантроне должен быть уменьшен по сравнению с основным квантроном в целях обеспечения высокого коэффициента усиления и полного съема энергии, запасенной в основном квантроне на втором обходе;

Плотность энергии на выходах квантронов должна оставаться в пределах значений, обеспечивающих достаточный для надежной работы запас по лучевой прочности – не более 2 Дж/см2 .

Слабосигнальное усиление в квантронах не должно превышать 10 во избежание нежелательного самовозбуждения в системе накачки и схеме усилителя .

Исходя из перечисленных требований были выбраны диаметры активных элементов 12 мм для основного квантрона и 8 мм для второго квантрона. Номинальная пиковая мощность накачки для основного квантрона должна составлять 13 кВт, для второго квантрона – 7,5 кВт .

При длительности импульса накачки 230 мкс и расчетной эффективности осветителя 90% в основном квантроне будет создан коэффициент усиления 7,6, во втором квантроне 9,8. При таких коэффициентах усиления и энергии импульса ЗГ 2 мДж плотность энергии на выходе второго квантрона составит 1,6 Дж/см2, а на выходе основного квантрона 1,8 Дж/см2, на ВРМБ-кювету будет падать энергия 120 мДж, выходная энергия составит не менее 2 Дж .

–  –  –

Тепловыделение в основном квантроне на частоте 300 Гц составит 461 Вт, во втором квантроне – 230 Вт .

Таким образом был разработан надежный мощный лазерный Nd:YAG лазер (рисунок 4.7) для задач поиска месторождений нефти и газа .

4.3 Входной оптический канал с системой сканирования и спектроанализа В оптических схемах входных объективов – телескопов лидаров чаще всего применяется зеркальная оптика, поскольку они могут иметь большие размеры при отсутствии хроматизма .

Наибольшее распространение имеют схемы Ньютона (рис. 3.3.а) и Кассегрена (рис. 3.3.б), в фокусе которых устанавливается полевая диафрагма, щель спектрометра или световолокно .

Значительно реже в этих целях используются линзовые входные объективы, прежде всего из – за хроматических аберраций и габаритных ограничений .

Очевидно, что схема Кассегрена при одинаковых фокусных расстояниях компактнее схемы Ньютона, но при этом для обеспечения приемлемых аберрационных характеристик телескопа необходима установка зеркал с асферическими поверхностями (рис. 3.3), кроме того, экранирование вторичным зеркалом достаточно велико. В схеме Ньютона при определённых условиях парабола может быть заменена на сферическое зеркало. Обстоятельно аберрационные характеристики обеих схем при различных геометрических параметрах и полях зрения рассмотрены в [3.15] .

- 108 Рисунок 4.8. Оптические схемы лидара (б) .

Помимо оптических преимуществ схемы Ньютона [92]., необходимо учитывать и компоновку лидара в целом, то есть принимать во внимание стыковку с телескопом спектрографа

– полихроматора и его габариты, за счёт которых продольные габариты аппаратуры с объективом по схеме Кассегрена значительно вырастут, а поперечные при этом будут отличаться незначительно. Зеркала объектива изготовлены из ситалла СО 115М с УФ диэлектрическим покрытием. Исходя из выше изложенных соображений и учитывая рекомендации приведенные в главе 2 можно рекомендовать для входного объектива – телескопа следующие технические характеристики:

схема Ньютона;

главное зеркало – парабола;

диаметр главного зеркала D, мм 150;

относительное отверстие 1 : 4;

фокусное расстояние, мм 800;

С целью увеличения поля обзора, для лидарной системы используется специализированная сканирующая головка, обеспечивающая сканирование с частотой 20Гц и амплитудой качания 20 градусов за счет подвижного зеркала, что позволяет производить измерения на наклонных курсах. Для точного позиционирования зеркала используется шаговый

- 109 двигатель с контроллером, а также датчик углового поворота, что позволяет контролировать положение и управлять положением зеркала в реальном времени .

При выборе двигателя были учтены следующие параметры: Крутящий момент и величина полного шага. В данном случае оптимальным выбором является шаговый двигатель FL86STH156-6204A [128].,. Он обеспечивает достаточный крутящий момент (34 -122 кгс*см) для поворота крупногабаритного зеркала и достаточную величину полного шага (1,8 град) .

Для контроля параметров работы и управления используется совместимое устройство управления шаговыми двигателями OSM-88R. В режиме контроллера устройство управляется с помощью команд по интерфейсу USB. В системе используется абсолютный датчик начального положения, который использует последовательный интерфейс SSI для передачи данных в программу управления. Данные передаются в виде кода Грея .

Разработан виртуальный инструмент, который осуществляет обмен данными с контроллером и датчиком начального положения. Особенностью данной системы является возможность работать с несколькими процессами одновременно, в данном случае это необходимо для того, чтобы в режиме реального времени контролировать положение зеркала с помощью датчика, и моментально производить поправки и передавать команды двигателю .

Доступны команды задания скорости, ускорения, количества шагов, работы с датчиками. Обмен ПК с устройством осуществляется по принципу «Команда» - «Ответ». Ответ содержит информацию о выполнении или невыполнении команды (ошибке) с указанием номера ошибки .

Команда, посылаемая в устройство, состоит из двух байт мнемоники команды (буквенных символов) и, если необходимо, от 1 до 10 байт данных (символов цифр). В данном случае требовалось организовать поворот сканирующего зеркала по следующей циклограмме, показанной на рисунке 4.8. Поворот зеркала происходит с переменной скоростью, чтобы снизить нагрузки на вал двигателя .

Сканирующее зеркало выполнено эллиптической формой из алюминия со следующими габаритными размерами: высота 224 мм, ширина -156 мм, толщина - 26.5 мм (рисунок 4.9.) .

Сотовая структура зеркала позволила значительно снизить его массу при сохранении жесткости и надежности конструкции вплоть до максимальной частоты сканирования .

–  –  –

Рисунок 4.10 .

Сканирующая головка со сканирующим зеркалом в сборе .

Для ультрафиолетовых приборов необходима эффективная борьба с фоновыми засветками в самом приборе при одновременном эффективном подавлении релеевского рассеяния на молекулах воздуха лазерного излучения .

Рассеянный свет зависит от количества оптических деталей в приборе (чем их меньше, тем лучше) и от габаритов установки. Наиболее радикальным средством борьбы с рассеянным

- 111 светом является применение двойных и даже тройных монохроматоров в спектральном оборудовании. Однако требования к массогабаритам не позволили создать сложную оптическую схему полихроматора, например как двойной или тройной полихроматор со сложением дисперсий с несколькими вогнутыми сферическими дифракционными решетками. Было предложено реализовать ультраспектральную селективность с помощью голографические дифракционной решетки, работающей в 4 порядке дифракции [129].,. .

Известно, что голографические дифракционные решетки в сравнении с нарезными отличаются пониженным уровнем рассеянного света .

Для дифракционной решетки углы падения и дифракции связаны соотношением:

sin + sin = k··N, где k = 1, 2, 3,…. – порядок спектра; N – количество штрихов решётки на мм, штр/мм .

Угловая дисперсия : d/d = k/(b·cos ) Линейная дисперсия: dl/ d = f·d/d, где f – фокусное расстояние .

Предельная разрешающая способность / = Nb/ = h/, где b – период решетки, h – ширина заштрихованной части решетки .

Рисунок 4.11. Дифракционная решетка в сборе .

Ширина заштрихованной части h выбрана 120мм. Расчет производился для длины волны =283.31 нм, на которой происходит стоксов отклик метана СН4 при возбуждении лазерным излучением на длине волны =266 нм. Суммарная обратная линейная дисперсия на выходе двойного полихроматора (d/dl = 0,048 нм/мм) позволяет уверенно разделить линии метана СН4

- 112 нм) и азота N2 (278,69 нм), т. к. при разнице длин волн 4,62 нм линейное расстояние составит 82,4 мм. При ширине выходной щели полихроматора, равной 0.1мм, спектральное разрешение оказалось равным =0.6 см-1, что позволяет разделить изотопические рамановские сигнатуры метана .

4.4 Модуль обработки электронных данных Сигналы от рассеянного назад атмосферными компонентами излучения интенсивных источников света слабы во всём оптическом спектральном диапазоне спонтанного комбинационного рассеяния. Поскольку лидарный метод спектроскопии СКР реализуется обычно в УФ и видимой областях спектра. Чаще всего в качестве фотоприёмников используются ФЭУ, которые обладают высокой чувствительностью и быстродействием, что необходимо для регистрации сигналов с наносекундной длительностью. При этом могут быть применены два метода детектирования : цифровой – со счётом фотонов и аналоговый – с интегральным накопление. Оба метода имеют высокую скорость регистрации сигналов, позволяющие получать хорошее пространственное разрешение, и обеспечивают увеличение чувствительности за счёт накопления сигналов .

Прогресс в разработке высокочувствительных оптических матричных ФПУ и линеек для УФ и видимого диапазонов, которые могут быть использованы в лмдаре, открывает новые возможности в развитии лидаров СКР. В этой связи отметим, что существенными достоинствами подобных ФПУ является возможность одновременной регистрации всего спектра СКР в одноимпульсном режиме и режиме накопления сигнала на ПЗС фотоприёмнике в многоимпульсном .

Однако в связи с тем, что матричные ФПУ и линейки для УФ и видимого диапазонов имеют максимальный общий размер чувствительных элементов не более 25 мм, их удобно использовать для обзорного анализа. Для обнаружения конкретно выбранных отдельных веществ предпочтительно использовать ФЭУ, так как это даёт возможность применять спектрометры с высокой дисперсией для более надёжной идентификации вещества и повышения точности измерений .

Для регистрации слабых сигналов и надёжного их преобразования предпочтительно использовать фотоэлектронные умножители (ФЭУ), работающие в режиме счета фотонов .

Модуль с ФЭУ необходимо выбрать с высокой квантовой эффективностью на регистрируемой длине волны, определяющей в нужной области спектра соотношение «сигнал/шум», при этом также необходимо учитывать темновой порог и темновой ток. Так как лидарная система работает в УФ диапазоне на длине волны 283,31 нм, были выбраны солнечно-слепые ФЭУ Hamamatsu R7154 и модуль счета фотонов Hamamatsu C8855-01, и блок счета С8555-01. Так же присутствует

- 113 второй канал регистрации, реализуемый на базе ФЭУ Hamamatsu R7154 и измерительного блока C8908. Данный канал используется для определения концентрации в атмосфере реперного газа, например, азота. Использование дополнительного реперного канала необходимо для определения пороговой мощности при отсутствии фоновых помех в условиях опорной атмосферы .

Такая организация позволяет добиться уверенной регистрации сигналов комбинационного рассеяния от веществ с концентрацией на уровне 0,150 ppb при уровне полезного сигнала от 45 фотонов и обработать всю полученную информацию в режиме реального времени (рисунок 4.12). В таблице 4.5 представлены характеристики этих фотоприемников .

Таблица 4.5 .

Характеристики Hamamatsu R7154

–  –  –

- 114 Процесс счета фотонов производится в самом блоке счета фотонов, с помощью микроконтроллера. В результате, есть возможность получить данные за временные интервалы от 50 микросекунд до 10 секунд, при этом такая схема позволит регистрировать единичные импульсы от 10 нс .

Для отладки алгоритма вместо ФЭУ используется генератор сигналов, интегрированный в PXI систему. При детектировании в реальных условиях на выходе счетчика фотонов мы имеем сигнал с амплитудой, лежащей в диапазоне от -2 до -12 мВ, и длительностью от 10нс .

Идентичный сигнал моделировался с помощью генератора сигналов PXI комплекса и подан на входные интерфейсы счетчика фотонов .

Программное обеспечение для данного модуля включает в себя программу способную принимать данные, используя программную архитектуру NI VISA. Данные передаются от устройства по интерфейсу USB 2.0., который подключается к измерительному комплексу, используя библиотеку драйверов. Используя специализированную DLL библиотеку, (рисунок 4.13), сигнал принимается и передается в программный модуль .

Рисунок 4.13 .

DLL библиотека В данном случае был создан виртуальный инструмент, который позволяет работать одновременно с 2 каналами, к каждому из которых могут подключаться устройства регистрации .

Для реализации метода были реализованы два метода. Первый метод основан на использовании схемы сбора данных с двумя счетчиками, который позволяет производить измерения непрерывно. Такая организация позволяет организовать схему со счетом фотонов. Ниже схематически изображен процесс сбора данных с приемного устройства (рисунок 4.14) .

- 115 Рисунок 4.14 - Схема процесса сбора данных с приемного устройства Сбор данных происходит по следующему принципу: Входной сигнал обсчитывается с помощью счетчика А в течении времени срабатывания (gate time). В то время пока счетчик А заканчивает обработку, счетчик B начинает сбор данных. Данные со счетчика А сохраняются в специальной FIFO (First-In First-Out) памяти, пока счетчик В заканчивает подсчет. После цикла измерений по такому принципу, данные передаются в модуль обработки сигнала. [130-132]. На данном этапе съема данных пользователю доступны для настройки следующие параметры:

- Время срабатывания (gate time) – длительность одного цикла работы счетчика .

- Время измерения (measurement time) – общее время измерения .

- Точка измерений (measurement point) - количество циклов измерений .

Внешний вид окна программы приведен на рисунке (рисунок 4.14) .

Далее показан исходный код данного блока программы (рисунок 4.15). Данные настройки выставляются в процессе тестирования системы в лабораторных условиях. Оптимальные параметры задаются как параметры по умолчанию .

Для второго метода использована упрощенная схема. Данная схема использует один счетчик, поэтому его основными параметрами являются время счета (integration time) и время обработки полученных данных (dead time), во время которого приемник не принимает полезный сигнал. В процессе работы программы данные от фотоприемного устройства, которые представляют собой двухбайтовый бинарный код, поступают по интерфейсу RS-232 .

–  –  –

Блок обработки полученных данных. Данные, полученные модулями приемными устройствами поступают в программный модуль обработки.

Перед данным модулем стоят следующие задачи:

- Получение полезного сигнала от модулей сбора данных .

- Синхронизация .

- Представление сигнала в виде графика на экране ПК .

- 117 Выделение на полезном сигнале области, которая характеризует спектр исследуемого вещества .

- Программное уменьшение влияния помех от оборудования и соединительных проводов .

Вычисление значения концентрации исследуемого вещества и представление их пользователю в виде числовых значений .

Для реализации данных задач был разработан программный алгоритм и реализован с помощью отдельного виртуального (VI) компонента в среде LabView. В PXI платформе за синхронизацию отвечает ядро синхронизации и управления памятью (Synchronization and memory core – SMC), используя технологию NI T-Clock .

Следует отметить, что вычисление концентрации производится по основному лидарному уравнению для рамановской спектроскопии (глава 2.1):

–  –  –

V-параметр является очень удобным для обоснованной количественной оценки потенциальных возможностей лидара .

В данном алгоритме канал 1 - это основной приемный канал, принимающий данные об эхо-сигнале, реализованный на базе ФЭУ с режимом счета фотонов. Канал 2 - реперный канал .

- 118 Для уменьшения влияния помех используется целый ряд алгоритмов [133-136].. На начальном этапе используется ряд цифровых фильтров. В первую очередь к сигналу применяется медианный фильтр. Медианный фильтр – один из видов цифровых фильтров, широко используемый в цифровой обработке сигналов для уменьшения уровня шума. Медианный фильтр является нелинейным КИХ-фильтром. Значения отсчётов внутри окна фильтра сортируются в порядке возрастания (убывания); и значение, находящееся в середине упорядоченного списка, поступает на выход фильтра. В случае четного числа отсчетов в окне выходное значение фильтра равно среднему значению двух отсчетов в середине упорядоченного списка. Окно перемещается вдоль фильтруемого сигнала и вычисления повторяются. Далее используется полосовые фильтры, которые окончательно выделяют полезный сигнал на фоне шума. На завершающем этапе система регистрирует входной сигнал в отсутствии полезного импульса. Далее происходит регистрация полезного импульса. Результатом вычитания интегралов двух сигналов, является интеграл полезного импульса с минимальным уровнем помех. Набор данных операций позволяет существенно повысить качество измерений .

На рисунке 4.16 приведен вариант реализации системы фильтрации отдельным виртуальным инструментом .

Рисунок 4.16 Система фильтрации Данные полученные в результате измерений необходимо сохранять в базе данных (БД) .

БД входит в состав информационного обеспечения системы. Информационное обеспечение Системы включает в себя внемашинное и внутримашинное информационное обеспечение. За реализацию баз данных в приложении отвечает отдельный виртуальный инструмент(VI). В приложении был использован тулкит ADO-Toolkit. Данный тулкит поддерживает технологию ODBC Connection, которая позволяет использовать Microsoft Access Databases [137] и Microsoft SQL Server [138] базы данных. На рисунке представлен код программы управления БД .

- 119 Рисунок 4.17. Тулкит ADO-Toolkit .

Система управления лазерным источником. Система управления лазерным источником представляет собой специализированный блок питания, который управляется с помощью команд с ПК. Для реализации связи с ПК был выбран интерфейс RS-232, так как он наиболее прост в реализации и обладает достаточной скоростью обмена данными. Обмен данными между источником и центральным компьютером осуществляется только по инициативе центрального компьютера.

Все команды текстовые и передаются в следующем формате:

Для связи с данным типом источника питания разработан программный модуль, который содержит несколько виртуальных инструментов(VI). В одном из данных инструментов реализуется связь по интерфейсу RS 232. Второй отвечает за организацию программного интерфейса, который позволяет осуществлять управление блоком посредством виртуальных переключателей и регуляторов, а также сохранение настроек программы в памяти На рисунке

4.18 приведен вид программного интерфейса, а также на рисунке 4.19 код виртуальных инструментов .

Рисунок 4.18. Интерфейс управления лазером

- 120 Рисунок 4.19. Код программных инструментов Для разработки программного обеспечения использовалась среда визуального программирования Lab View [139], а также язык программирования С++/С#. Выбор данной среды программирования обусловлен тем, что она располагает широкими возможностями для сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами. Lab View поддерживает огромный спектр оборудования различных производителей и имеет в своём составе многочисленные библиотеки компонентов. При использовании Lab View c С++ открываются широкие возможности для использования современного оборудования и комплектующих, а также микроконтроллеров. При этом программное обеспечение будет иметь высокое быстродействие .

Программное обеспечение разделено на независимые синхронизированные между собой модули, что позволяет подключать каждый из модулей по необходимости. Такая организация программного обеспечения позволяет снизить нагрузки на вычислительные модули и повысить производительность.

В результате были разработаны следующие программы:

Программа регистрации и обработки сигналов, поступающих от лазерного спектроскопического комплекса. Свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ, № 2015610113 Беспалов В.Г., Жевлаков А. П., Макаров Е. А., Завьялов А. К., Матвеенцев А. В., Ромодин К. М., Кащеев С.В., Елизаров В.В .

Гришканич А.С .

Локальная геодезическая сеть. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015660038. Авторы: Редька Д.Н., Кипреев Е.В., Цветков К.В., Гришканич А.С., Колмаков Е.А .

–  –  –

4.5. Исследование предельной чувствительности рамановского лидара

Авиационный метод лазерного зондирования решает следующие функциональные задачи:

1. Формирует спектральное изображение набора химических компонентов в приземном слое атмосферы. В набор попадают вещества, спектральные характеристики которых содержатся в заложенной базе данных .

–  –  –

3. Определяют семейство точек с аномальной концентрацией УВ по спектральным и энергетическим параметрам пришедшего сигнала с помощью оболочки Lab View согласно основной формуле локации:

–  –  –

(R) - коэффициент обратного рассеяния (параметр вещества);

A (R) - сечение обратного рассеяния (параметр вещества);

( Ar R 2 ) - телесный угол приема (параметр приемной системы);

0 ( ) - эффективность оптической системы;

–  –  –

В программном пакете конечная формула для концентрации, полученная из этого уравнения, выглядит так:

–  –  –

dj/d – дифференциальное сечение СКР назад исследуемого компонента j, см2 ·ср -1;

Dэф – эффективный световой диаметр входного объектива, см; K' – пропускание оптической системы;

T(0),T(j) - пропускание атмосферы на длинах волн зондирующего и приемного сигналов соответственно;

G(R) – геометрический фактор, учитывающий перекрытие угла расходимости лазерного луча л и угла поля зрения входного объектива .

–  –  –

где, r – протяженность объекта; 1 2 - дифференциальное сечение поглощения газа (см2) для длин волн 1 и 2; R – расстояние до объекта; V – системный параметр лидара; Qx – параметр, описывающий эффективность обратного рассеяния объекта по отношению к обратному рассеянию опорной молекулярной атмосферы на опорной длине волны .

где r – расстояние до объекта; Ps-мощность эхо-сигнала; Pt-пороговая мощность в отсутствие фоновых помех в условиях опорной атмосферы; nимп – количество импульсов, зарегистрированных за время накопления; ()-эффективность обратного рассеяния; (0 )эффективность обратного рассеяния опорной молекулярной атмосферы; - пропускание атмосферы .

Полученные данные фиксируются при помощи программного продукта LabVIEW в виде графиков и данные о концентрации могут быть оперативно рассчитаны .

–  –  –

зондирования r и время накопления nимп, можно существенно увеличить предельную чувствительность. По результатам расчетов можно сделать вывод, что СКР-лидар при спектральном разрешении =0.6 см-1 имеет чувствительность измерения концентрации ИВ УВГ на уровне 20 ppb, что позволяет его эффективно использовать для поиска месторождений нефти и газа .

- 123 Вывод по главе 4 .

Разработан бортовой рамановский лидар для дистанционного поиска месторождения УВГ. Практически реализованные функциональные узлы рамановского лидара обеспечивают высокую селективность (/1000), широкополосное и узкополосное угловое сканирование подстилающей поверхности, синхронное управление лазерными источниками и высокоточную регистрацию слабых СКР сигналов в гигагерцовом диапазоне частот. Разработанный авиационный ультраспектральный СКР лидар обеспечивает дистанционную регистрацию сверхмалых концентраций УВГ не менее 200 ppb, что позволяет обнаруживать месторождения нефти и газа на дистанции 200 м. По принципу модульной архитектуры разработан программный комплекс для регистрации, обработки и хранения данных лидарных сигналов в режиме реального времени .

–  –  –

Проанализированы современные методы используемых при геологоразведочных работах на нефть и газ. Аналогично современным методам прямых поисков нефти и газа новый метод лазерного зондирования также основан на изучении закономерностей пространственной изменчивости полей концентраций веществ-индикаторов месторождений нефти и газа, что подтверждается разработанной геохимической моделью распределения УВГ в атмосфере, теоретической основой которой послужила доработанная физико-химическая модель залежи, разработанная А.В. Петуховым. Таким образом разработана геохимическая модель, позволяющая описывать геохимические и динамические процессы и определять расчетным методом параметры транспорта веществ-индикаторов месторождений УВГ и дальнейшей их миграции в приземном слое атмосферы .

Определено, что веществами-индикаторами месторождений нефти и газа являются метан и его гомологи, относящиеся к прямым показателям нефтегазоносности. Концентрации в 200 ppb газов в ореоле нефтегазового месторождения, а именно метана (CH4), этана (C2H6) и пропана (C3H8), являются индикаторами нефтегазового месторождения при обнаружении его методами лазерного дистанционного зондирования. Учитывая, что УВГ С2–С4 практически не образуются бактериями, именно эти соединения являются индикаторами нефтегазоносности недр. УВ состава С5–С8 типичны только для нефти. Обнаружение ИВ, таких как в объектах окружающей среды или в приповерхностных слоях разреза (глубина 0–40 см) указывает на наличие природного источника их образования, при условии исключения антропогенного загрязнения почв .

Экспериментально получены данные по поглощению ИВ УВГ. Показано, что у предельных углеводородов в ИК области спектра наблюдается переналожение полос поглощения. Поскольку в реальных условиях ореолы над месторождениями одновременно формируются молекулами нескольких соединений, то, очевидно, для дистанционной идентификации состава индикаторных веществ целесообразно использовать метод спонтанного комбинационного рассеяния (СКР). В отличие от других (дифференциального поглощения, флуоресценции) рамановский метод является прямым источником информации о химическом составе сложных сред. Уникальность рамановского метода в том, что при зондировании одним лазером на одной длине волны возможно одновременно регистрировать и непосредственно измерять абсолютные значения концентраций множества химических веществ без изменения

- 125 состава и режима аппаратуры (в отличие от ДП). Ультраспектральная селекция спектральных сигнатур СКР в диапазоне 200 нм – 1100 нм открывает возможности селекции сразу нескольких индикаторных УВГ в ореолах на фоне подстилающей поверхности Земли при наблюдении с борта летательных аппаратов .

Составлена база данных стоксовых сдвигов для индикаторных углеводородов, сечения рассеяния и минимально определяемые концентрации, пригодные для дистанционного детектирования месторождений методом комбинационного рассеяния. Полученный набор значений стоксовых сдвигов УВГ молекул-индикаторов нефтегазовых месторождений, а именно метана (СН4), этана (С2Н6) и пропана (С3Н8), обеспечивает дистанционный поиск месторождений нефти и газа при концентрации УВГ газов в ореоле месторождения не менее 200 ррb .

Экспериментально показано, что ширина спектральных линий рамановских молекулярных колебаний не превышает 1 см-1, но из базы данных спектральных сигнатур ИВ УВГ видно, что спектры рамановского рассеяния ИВ УВГ (например метан и азот) могут располагаться близко друг к другу, поэтому использование метода комбинационного рассеяния для селекции широкого набора веществ требует ультраспектрального разрешения, что позволит исключить перекрытие СКР-линий при различных концентрациях индикаторных молекул .

Обоснована предельно высокая чувствительность и изотопическая ультраселективность КАРС метода при дистанционном обнаружении УВГ Впервые продемонстрированы достоинства и эффективность использования метода комбинационного рассеяния и КАРС, достигаемые на антистоксовых частотах, при детектировании УВГ с концентрацией до уровня отдельных молекул. Показано, что данный метод обеспечивает спектральное разрешение, селективность и помехоустойчивость, необходимые для мониторинга, обнаружения и идентификации УВГ газов. Экспериментально показано, что КАРС метод обеспечивает дистанционную регистрацию сверхмалых концентраций УВГ не менее 20 ppb. Чувствительность рамановского метода обратно пропорциональна четвертой степени длины волны рассеяния .

Принимая разность стоксовых сдвигов экспериментально полученных изотопических спектральных сигнатур изотопов (12CO2 = 1388 см-1, 13CO2 = 1370 см-1) 12CO2 и 13CO2, равную =2 см-1, что в диапазоне длин волн короче 2.0 мкм ( 5000 см-1) данный метод обеспечивает спектральную селективность на уровне / = /1000. Ультраспектральная селекция методом СКР и КАРС позволяет разрешить изотопические сдвиги имитаторов индикаторныхвеществ в УФ и ИК диапазонах на уровнях не менее 5 см-1, что позволяет судить об изотопном составе метана и по соотношению концентраций 12C/13C опрелелить источник генезиса метана .

- 126 Разрабан бортовой рамановский лидар для дистанционного поиска месторождения УВГ .

Практически реализованные функциональные узлы рамановского лидара обеспечивают высокую селективность (/1000), широкополосное и узкополосное угловое сканирование подстилающей поверхности, синхронное управление лазерными источниками и высокоточную регистрацию слабых СКР сигналов в гигагерцовом диапазоне частот. Показано, что метод КАРС

- метод в рамановском лидаре с реализованным разрешением =0.6см-1, соответствующим спектральной селекции /10000, и позволяет зарегистрировать индикаторные газы с концентрациями не менее 20 ppb. Реализован малогабаритный ультрафиолетовый лазерный источник излучения с воздушным охлаждением, пригодный для использования в лидарных системах с ультраспектральным разрешением. Созданы функциональные узлы рамановского лидара с разрешающей способностью =0.6см-1 и селективностью / до 10000 и более, способного различать по спектру ИВ УВГ .

Разработанный авиационный ультраспектральный СКР лидар обеспечивает дистанционную регистрацию сверхмалых концентраций УВГ не менее 200 ppb, что позволяет обнаруживать месторождения нефти и газа на дистанции 200 м. По принципу модульной архитектуры создан аппаратно-программный комплекс для регистрации, оцифровки, обработки, записи и визуализации сигналов в режиме реального времени .

Благодарности .

Автор сердечно благодарит своего научного руководителя д.т.н. Бузникова Анатолия Алексеевича за проявленное терпение и выдержку, наставничество и ценные замечания при работе над диссертацией. Автор выражает искреннюю признательность и благодарность научному консультанту с.н.с. к.ф-м.н Александру Павловичу Жевлакову за неоценимую помощь на всех этапах выполнения диссертации.. Не могу не поблагодарить коллектив доктора физикоматематических наук Виктора Георгиевича Беспалова за неоценимую помощь в организации и постановке КАРС - экспериментов. Автор выражает выражает глубокую признательность своим коллегам Сергею Васильевичу Кащееву и Валентину Владимировичу Елизарову за активную помощь при подготовке экспериментов и обсуждении результатов, а также коллектив НО-1 ГОИ им С.И.Вавилова за предоставления лабораторной базы, необходимой для проведения диссертационного исследования .

- 127 Список основных публикаций по теме диссертации Основные теоретические и практические результаты диссертации представлены в 39 работах, среди низ 20 публикаций в рецензируемых изданиях scopus/wos, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 3 свидетельства о государственной регистрации программы ЭВМ, одно учебное пособие и 15 конференционных материалов .

Статьи в рецензируемых изданиях scopus/wos:

1. Kascheev, SV; Elizarov, Valentin V; Grishkanich, Alexander S; Bespalov, VG; Vasiev, SK;

Zhevlakov, AP;,Research remote laser methods for radionuclides monitoring (Исследование дистанционных лазерных методов для мониторинга радионуклидов),SPIE Photonics Europe,,,91411Y-91411Y-7,2014,International Society for Optics and Photonics

2. Zhevlakov, AP; Bespalov, VG; Elizarov, VV; Grishkanich, Alexander S; Kascheev, SV; Makarov, EA; Bogoslovsky, SA; Il'inskiy, AA;,Hydrocarbon halo-laser spectroscopy for oil exploration needs (Углеводородная гало-лазерная спектроскопия для исследования нефти),SPIE Photonics Europe,,,914125-914125-8,2014,International Society for Optics and Photonics

3. Zhevlakov, AP; Bespalov, VG; Elizarov, VV; Grishkanich, AS; Kascheev, SV; Makarov, EA;

Bogoslovsky, SA; Il’inskiy, AA;,Remote laser spectroscopy of oil and gas deposits (Дистанционная лазерная спектроскопия нефтяных и газовых месторождений),SPIE Sensing Technology+ Applications,,,91121F-91121F-8,2014,International Society for Optics and Photonics

4. Kascheev, SV; Elizarov, VV; Grishkanich, AS; Kosachev, DV; Petrov, SB; Zhevlakov, AP;

,Upgraded raman lidar with ultraspectral resolution (Модернизированный рамановский лидар с ультроспектральным разрешением), "Laser Optics, 2014 International Conference",,,1IEEE

5. Grishkanich, AS; Buznikov, AA; Elizarov, VV; Vasiliev, SK; Kascheev, SV; Zhevlakov, AP;,Laser sensor for radiation monitoring (Лазерный сенсор для дистанционного мониторинга радионуклидов),"Laser Optics, 2014 International Conference",,,1-1,2014,IEEE

6. Grishkanich, AS; Bespalov, VG; Bogoslovsky, SA; Elizarov, VV; Il'inskiy, AA; Kascheev, SV;

Makarov, EA; Zhevlakov, AP;,Laser sensor for airborne prospecting method of oil & gas deposits (Лазерный сенсор для авиаразведки,"Laser Optics, 2014 International Conference",,,1IEEE

7. Grishkanich, AS; Zhevlakov, AP; Bespalov, VG; Elizarov, VV; Kascheev, SV; Il’inskiy, AA;,Laser remote spectroscopy for geological exploration of hydrocarbons deposits (Лазерная дистанционная спектроскопия для геологической разведки углеводородных месторождений),SPIE/COS Photonics Asia,,,92741L-92741L-6,2014,International Society for Optics and Photonics

8. Grishkanich, AS; Bespalov, VG; Sidorov, IS; Gusarov, AS; Kascheev, SV; Elizarov, VV; Zhevlakov, AP;,Lidar for monitoring methane hydrate in the arctic permafrost (Лидар для поиска метан

–  –  –

9. Zhevlakov, AP; Bespalov, VG; Elizarov, VV; Grishkanich, AS; Kascheev, SV; Makarov, EA;

Bogoslovsky, SA; Il’inskiy, AA;,CARS technique for geological exploration of hydrocarbons deposits (Технология КАРС для геологической разведки месторождений углеводородов),SPIE Remote Sensing,,,92451U-92451U-7,2014,International Society for Optics and Photonics

10. Grishkanich, AS; Buznikov, AA; Elizarov, VV; Kascheev, SV; Zhevlakov, AP;,Monitoring of methane emissions in the Arctic by laser sensing to assess climate change (Мониторинг выбросов метана в Арктике лазерного зондирования для оценки изменения климата),"Laser Optics, 2014 International Conference",,,1-2,2014,IEEE

11. Grishkanich, AS; Bespalov, VG; Vasiev, SK; Gusarov, AS; Kascheev, SV; Elizarov, VV; Zhevlakov, AP;,Monitoring radioactive contamination by hyperspectral lidar (Мониторинг радиоактивных загрязнений гиперспектральным лидаром),SPIE Sensing Technology+ Applications,,,94860XX-8,2015,International Society for Optics and Photonics

12. Kascheev, SV; Elizarov, VV; Grishkanich, AS; Bespalov, VG; Vasiev, SK; Zhevlakov, AP;,Laser sensor for monitoring radioactive contamination (Лазерный сенсор для мониторинга радиоактивных заражений),SPIE/COS Photonics Asia,,,92741K-92741K-5,2014,International Society for Optics and Photonics

13. Zhevlakov, AP; Bespalov, VG; Grishkanich, AS; Il’inskiy, AA; Kosachiov, DA; Sidorov, IS;

Kascheev, SV;,Oil and gas deposits determination by ultraspectral lidar (Определение нефтяных и газовых месторождений с помщью ультроспектрального лидара),SPIE Sensing Technology+ Applications,,,94860V-94860V-9,2015,International Society for Optics and Photonics

14. Grishkanich, AS; Elizarov, VV; Kascheev, SV; Zhevlakov, AP; Sidorov, IS;,Specifics of processing SRS lidar signals in GHz frequency range (Особенности обработки лидарных сигналов SRS в диапазоне частот ГГц),Ninth International Symposium on Multispectral Image Processing and Pattern Recognition (MIPPR2015),,,98110G-98110G-10,2015,International Society for Optics and Photonics

15. Grishkanich, AS; Sidorov, IS; Redka, DN;,Features of creation of highly accurate models of triumphal pylons for archaeological reconstruction (Перспективы создания прецизионных высокоточных моделей триумфальных пилонов для археологической реконструкции),Ninth International Symposium on Multispectral Image Processing and Pattern Recognition (MIPPR2015),,,98150X-98150X-10,2015,International Society for Optics and Photonics

16. Grishkanich, AS; Zhevlakov, AP; Kascheev, SV; Sidorov, I; Elizarov, VV; Mak, AA;,Lidar for monitoring methane emission in Siberian permafrost (Лидар для мониторинга выбросов метана в вечной мерзлоте Сибири),SPIE LASE,,,97290M-97290M-11,2016,International Society for Optics and Photonics

–  –  –

18. Elizarov, VV; Grishkanich, AS; Kascheev, SV; Zhevlakov, AP;,Lidar scanning module for remote environmental monitoring (Сканирующий модуль лидара для дистанционного экологического мониторинга),"Laser Optics (LO), 2016 International Conference",,,R7-9-R7-9,2016,IEEE

19. Elizarov, VV; Grishkanich, AS; Kascheev, SV; Konopelko, LA; Zhevlakov, AP;,The concept of building a high-sensitive laser sensor for detection of isotopes of iodine (Концепт создания высокочувствительного лазерного сенсора для поиска изотопов йода),"Laser Optics (LO), 2016 International Conference",,,R7-14-R7-14,2016,IEEE

20. Grishkanich, AS; Redka, DN;,Coordinate measuring systems based on solid chip and microlasers (Координатно-измерительная система основанная на твердотельных микрочип лазерах),"Laser Optics (LO), 2016 International Conference",,,R7-3-R7-3,2016,IEEE

–  –  –

Перечень объектов интеллектуальной собственности (патенты, авторские свидетельства и т.д. ):

22. Программа регистрации и обработки сигналов, поступающих от лазерного спектроскопического комплекса. Свидетельство о государственной регистрации программы ЭВМ, № 2015610113 Беспалов В.Г., Жевлаков А. П., Макаров Е. А., Завьялов А. К., Матвеенцев А. В., Ромодин К. М., Кащеев С.В., Елизаров В.В. Гришканич А.С .

23. Локальная геодезическая сеть. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015660038. Авторы: Редька Д.Н., Кипреев Е.В., Цветков К.В., Гришканич А.С., Колмаков Е.А .

24. Разбивка облака по интенсивности. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015619589. Авторы: Редька Д.Н., Кипреев Е.В., Цветков К.В., Гришканич А.С., Колмаков Е.А .

Доклады на конференциях:

–  –  –

НИУВС - нетрадиционные источники углеводородного сырья ВНК – водонефтяной контакт ДОГА – дистанционные оптические газоанализаторы МВИ – методика выполнения измерений ОВ – органическое вещество ГКС – геологическая кольцевая структура ОПР – оптические параметрические генераторы ПДК – предельно допустимая концентрация ДП – дифференциальное поглощение СПК – спонтанное комбинационное рассеяние ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние НИР - научно-исследовательская работа .

–  –  –

ppb (parts per billion) - частей на миллиард;

sub-ppm (-ppb) -ниже (меньше), чем ppm (ppb);

ВОГ -вторая оптическая гармоника ВЭЖХ -высокоэффективная жидкостная хроматография; хроматография высокого давления;

КАРС -когерентное антистоксово рассеяние света КС-конденсационные следы самолета;

ПАУ- полициклические ароматические углеводороды

–  –  –

Геохимический метод поисков нефти и газа. Патент N 2039369 С1 от 09.07.1995 .

2 .

Комбинированный способ геологической разведки нефти и газа. Патент N 2102781 С1 от 3 .

20.01.1998 .

Способ дистанционного зондирования земной поверхности. Патент СССР, N1716469, 4 .

1992г .

Кременецкий А.А., Пилицын А.Г., Инговатов А.П., Грузнов В.М. Геохимические методы 5 .

и прогноз поисков нефтегазовых месторождений //Охрана и разведка недр. 2010. № 5. С. 63–69 .

Отчет о научно-исследовательской работе «Переоценка категорий запасов 6 .

углеводородного сырья месторождений нераспределенного фонда недр в соответствии с новой классификацией запасов и прогнозных ресурсов нефти и горючих газов» // Фонды ВНИГРИ 2010 .

10664 с .

Кузнецов О.Л., Петухов А.В., Зорькин Л.М. и др Физико-химические основы прямых 7 .

поисков залежей нефти и газа.- М.: Недра. — 1986. - 336 .

Соколов В.А. – Геохимия природных газов. – М.: Изд-во «Недра», 1981 .

8 .

Бондарев В.Л., Миротворский М.Ю., Облеков Г.И., Шайдуллин Р.М., Гудзенко В.Т. – 9 .

Нефтегазопоисковые геохимические исследования на территории Западно-Юбилейной площади (север Западной Сибири)// Геология, геофизики и разработка нефтяных и газовых месторождений. -2006. №1. С.38-48 .

Прищепа О. М., Орлова Л. А. Состояние сырьевой базы углеводородов и перспективы ее 10 .

освоения на Северо-Западе России //Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2007. – Т. 2. – С. 25-116 .

Панкратова Е. И., Богданов Б. П. Геологические предпосылки выявления пластовых 11 .

залежей в отложениях нижней перми-карбона автохтона вуктыльского нефтегазоконденсатного месторождения. – 2015 .

Прищепа О. М., Орлова Л. А., Аверьянова О. Ю. Северо-Западный регион–зеркало 12 .

общероссийских тенденций в геологоразведке //Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2010. – Т. 5. – №. 2. – С. 8 .

Агалаков С. Е. Газовые гидраты в Туронских отложениях на севере Западной Сибири 13 .

//Геология нефти и газа. – 1997. – №. 3. – С. 16-21 .

–  –  –

Николаевский В. Н. Геомеханика и флюидодинамика //М.: Недра,–1996.–447 с. – 1966 .

16 .

Вендельштейн Б. Ю., Резванов Р. А. Геофизические методы определения параметров 17 .

нефтегазовых коллекторов //М.: Недра.–1978. – 2016 .

Фролов А. Д., Озеров В. Д. Поиски нефтегазовых месторождений радиоволновыми 18 .

методами //Региональная разведка и промысловая геофизика.–М.: ВИЭМС. – 1969. – №. 19. – С .

32 .

Закревский К. Е. Геологическое 3D моделирование //Москва. – 2009 .

19 .

Коршак А. А., Шаммазов А. М. Основы нефтегазового дела: Учебник для вузов //Уфа:

20 .

ООО Дизайнполиграфсервис. – 2005 .

Соборнов К. О. Перспективные направления поисков нефти и газа в россии в контексте 21 .

мировых трендов в геологоразведке. – 2016 .

Максимов А. К., Королева А. Н. Отечественная геологоразведка сегодня: проблемы и пути 22 .

их решения (экономические аспекты) //Проблемы экономики и менеджмента. – 2012. – №. 8 (12) .

Ершов А. В. Перспективы нефтегазоносности верхнепермских отложений 23 .

Верхнепечорской впадины Тимано-Печорского нефтегазового бассейна .

Прищепа О. М. Методология и практика воспроизводства запасов нефти и газа (СевероЗападный регион) в современных условиях //Недра. – 2005. – Т. 3 .

Прищепа О. М. и др. Методика геолого-экономической оценки объектов резервного фонда 25 .

(на примере Тимано-Печорской провинции) //В сб.:” Теория и практика геолого-экономической оценки разномасштабных нефтегазовых объектов”, С-Пб, ВНИГРИ. – 1999. – С. 93-101 .

Запивалов Н. П. Как искать и осваивать нефтегазовые месторождения в палеозойском. – 26 .

2003 .

Прищепа О. М., Аверьянова О. Ю. К обсуждению понятийной базы нетрадиционных 27 .

источников нефти и газа–сланцевых толщ //Нефтегазовая геология. Теория и практика. – 2013. – Т. 8. – №. 3 .

Прищепа О. М., Аверьянова О. Ю. Роль нетрадиционных источников углеводородного 28 .

сырья в минерально-сырьевой политике //Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. – 2013. – Т. 20136. – С. 21-24 .

–  –  –

Чернова О. С. Стадийность построения комплексных геолого-геофизических моделей 30 .

месторождений нефти и газа //Известия Томского политехнического университета. – 2002. – Т .

305. – №. 6. – С. 259-268 .

Прищепа О. М., Григорьев Г. А., Отмас А. А. Результаты геологоэкономической оценки 31 .

нефтеперспективных объектов нераспределенного фонда недр Ненецкого автономного округа //Теория и практика геолого-экономической оценки нефтегазовых объектов.–Сб. ст. III Междунар. конф. – 2002. – С. 24-28 .

Прищепа О. М. и др. Нефть и газ низкопроницаемых сланцевых толщ–резерв сырьевой 32 .

базы углеводородов России //СПб.: ФГУП «ВНИГРИ. – 2014. – Т. 323 .

Прищепа О. М. Моделирование условий формирования зон нефтегазонакопления ТиманоПечорской провинции/Поиски, разведка и добыча нефти и газа в Тимано-Печорском бассейне и Баренцевом море: Сб //Поиски, разведка и добыча нефти и газа в Тимано-Печорском бассейне и Баренцевом море: сб. докл. Междунар. конф.-СПб.: ВНИГРИ. – 1994. – С. 180-186 .

Прищепа О. М., Аверьянова О. Ю., Жарков А. М. Нефтегазоносные отложения 34 .

доманикового типа-резерв поддержания добычи углеводородов в промышленно освоенных районах //Георесурсы. – 2013. – №. 4 (54) .

Гик Л. Д., Конторович В. А. Изучение месторождений углеводородов по критерию 35 .

декремента затухания //Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2009. – Т. 2 .

Bukaty M. B. Гидрогеологическое строение западной части сибирской платформы (в связи 36 .

с поисками, разведкой и разработкой месторождений нефти и газа)* МБ Букаты //Геология и геофизика. – 2009. – Т. 50. – №. 11. – С. 1201-1217 .

Агалаков С. Е. Газовые гидраты в Туронских отложениях на севере Западной Сибири 37 .

//Геология нефти и газа. – 1997. – №. 3. – С. 16-21 .

ЗАО «НПЦ Геохимия»: геохимические методы поисков месторождений // Нефть и газ 38 .

России / Волгоградская область.- 2011, № 9. С. 90-91 .

Захаров Е. В. Особенности прогнозирования нефтегазоносности континентальных 39 .

шельфов // Обзорн. информ. Сер. Геол. и разв. морских и газовых месторождений. 1986. Вып. 1 / ВНИИЭгазпром .

–  –  –

Зубайраев С. Л., Лаубенбах Е. А., Видяпин Ю. П. Нетрадиционная технология 41 .

комплексирования аэрогеохимических исследований в связи с поисками нефти // Новые идеи поиска, разведки и разработки нефтяных месторождений: Тр. Научно-практической конференции VII международной выставки «Нефть, газ – 2000», г. Казань, 5 -7 сентября 2000. Т.1. – С. 69 – 74 .

Ильинский А.А., Шапиро А.И., Митасов В.И., Богословский С.А., Мамаева Е.Ю., 42 .

Яшенкова Л.К., Рогозина Н.С. Методические основы применения аппаратного (лидарного) комплекса при аэропоиске и экологическом мониторинге месторождений углеводородов // Проблемы воспроизводства запасов нефти и газа в современных условиях: cб. науч. cтатей, посвященный 85-летию ВНИГРИ. – СПб.: ФГУП «ВНИГРИ», 2014. C. 336-343/ .

Калинко М.К. Неорганическое происхождение нефти в свете современных данных .

43 .

(Критический анализ). - М. : [s. n.], 1968. - 335 Калинко М.К. Тайны образования нефти и горючих газов. - М. : Недра, 1981. – 192 44 .

Конторович А.Э., Фрадкин Г.С. (Ред.) Из истории отечественной геологии нефти и газа .

45 .

Вып. 1 // Новосибирск: Изд-во СО РАН. НИЦ ОИГГМ, 1998. – 198 с .

46. Kascheev S. V. et al. Upgraded raman lidar with ultraspectral resolution //Laser Optics, 2014 International Conference. – IEEE, 2014. – С. 1-1 .

47. Grishkanich A. S. et al. Monitoring radioactive contamination by hyperspectral lidar //SPIE Sensing Technology+ Applications. – International Society for Optics and Photonics, 2015. – С .

94860X-94860X-8 .

48. Koch G. J. et al. Coherent differential absorption lidar measurements of CO 2 //Applied optics .

– 2004. – Т. 43. – №. 26. – С. 5092-5099 .

49. Zhevlakov A. P. et al. Remote laser spectroscopy of oil and gas deposits //SPIE Sensing Technology+ Applications. – International Society for Optics and Photonics, 2014. – С. 91121FF-8 .

50. Zhevlakov A. P. et al. Hydrocarbon halo-laser spectroscopy for oil exploration needs //SPIE Photonics Europe. – International Society for Optics and Photonics, 2014. – С. 914125-914125-8 .

51. Zhevlakov A. P. et al. Hydrocarbon halo-laser spectroscopy for oil exploration needs //SPIE Photonics Europe. – International Society for Optics and Photonics, 2014. – С. 914125-914125-8 .

–  –  –

54. Dobrocheev O. V., Kuleshov A. A., Lelakin A. L. A two dimensional model of heavy gas cloud dispersion under industrial accidents //Preprint IAE. – 1991. – Т. 1000. – С. 1991

–  –  –

Лазарев Ф.Д., Старостин В.К. Технология прогноза месторождений нефти и газа на основе 58 .

комплексных аэрогеофизических методов – необходимая стадия поисково-разведочного процесса. Режим доступа: [http://www.nfvsegei.com/publications/articles/articles-C-H/17/] .

Лаубенбах Е. А. Новые возможности нефтегазопоисковой аэрогеохимии // 59 .

Геоинформатика. – 2001. - № 3. - С. 71 – 74 .

Мамаева Е.Ю. Применение метода лазерного зондирования при аэропоиске 60 .

месторождений углеводородов // Актуальные проблемы развития нефтегазохимического комплекса и альтернативных источников энергии: VI Междунар. науч.-практ. конф. 28 ноября 2012 г.: тез. докл./редкол.: В.А. Балукова (отв. ред.) [и др]. – СПб.: СПбГИЭУ, 2012. – С.96-103 .

Муртазов А.К. Экологический мониторинг. Методы и средства. Учебное пособие. Часть I 61 .

// Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина. - Рязань, 2008. - 146 с .

Оптико-физические средства исследования океана / Под ред. Е.Г. Пащенко. Л.:

62 .

Судостроение, 1984. 264 с .

–  –  –

64. Grishkanich A. S. et al. Monitoring of methane emissions in the Arctic by laser sensing to assess climate change //Laser Optics, 2014 International Conference. – IEEE, 2014. – С. 1-2 .

65. Grishkanich A. S. et al. Lidar for monitoring methane emission in Siberian permafrost //SPIE LASE. – International Society for Optics and Photonics, 2016. – С. 97290M-97290M-11 .

66. Grishkanich A. S. et al. Laser sensor for airborne prospecting method of oil & gas deposits //Laser Optics, 2014 International Conference. – IEEE, 2014. – С. 1-1 .

Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды: Учеб .

67 .

Пособие для вузов / В.И. Козинцев, В.М. Орлов, М.Л. Белов и др. Под ред. В.Н. Рождествина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 528 с.: ил. (Сер. Электроника) .

68. Ferrare R. A. et al. Raman lidar measurements of the aerosol extinctiontobackscatter ratio over the Southern Great Plains //Journal of Geophysical Research: Atmospheres. – 2001. – Т. 106. – №. D17 .

– С. 20333-20347 .

69. Whiteman D. N. et al. Raman lidar measurements of water vapor and cirrus clouds during the passage of Hurricane Bonnie. – 2000 .

70. De Tomasi F., Perrone M. R. Lidar measurements of tropospheric water vapor and aerosol profiles over southeastern Italy //Journal of Geophysical Research: Atmospheres. – 2003. – Т. 108. – № .

D9 .

71. Ferrare R. A. et al. Raman lidar measurements of the aerosol extinctiontobackscatter ratio over the Southern Great Plains //Journal of Geophysical Research: Atmospheres. – 2001. – Т. 106. – №. D17 .

– С. 20333-20347 .

72. Wandinger U., Ansmann A. Experimental determination of the lidar overlap profile with Raman lidar //Applied Optics. – 2002. – Т. 41. – №. 3. – С. 511-514 .

Mayor S. D., Spuler S. M. Raman-shifted eye-safe aerosol lidar //Applied optics. – 2004. – Т .

73 .

43. – №. 19. – С. 3915-3924 .

74. Ablyazov E.K., Shemanin V.G. The hydrocarbon molecules concentration remote measurement by lidar with the diode lasers. Optical Memory& Neural Networks, 2010. V.19. №2. C.201-205 .

38 Макогон М.М. Сравнительный анализ спектроскопических методов дистанционной 75 .

диагностики биоаэрозоля. Оптика атмосферы и океана. 2010.Т.23, №5. С.350-358 .

–  –  –

Банах В.А., Смалихо И.Н., Пичугина Е.Л., Брюер А. Репрезентативность измерений 77 .

скорости диссипации энергии турбулентности сканирующим когерентным доплеровским лидаром. Оптика атмосферы и океана. 2009. Т.22,№10. С. 966-972 .

Смалихо И.Н., Рам Ш. Лидарные исследования влияния ветра и атмосферной 78 .

турбулентности на вихревой след за самолетом. Оптика атмосферы и океана. 2009. Т.22. №12. С .

1160-1169 .

Горелик Д.О., Конопелько Л.А. – Мониторинг загрязнения атмосферы и источников 79 .

выбросов. Аэроаналитические измерения. М: Изд-во стандартов 1992. 432с .

Сущинский М. М. Спектры комбинационного рассеяния молекул и кристаллов. М.: Наука, 80 .

1969. 516 с .

Шорыгин П. П. Комбинационное рассеяние света вблизи и вдали от резонанса. УФН. 1973 .

81 .

Т. 109. № 2. С. 293 – 332 .

Захаров В. М., Костко О. К. Метеорологическая лазерная локация. Л.: Гидрометеоиздат, 82 .

1977. 221 с .

Инаба Х. Обнаружение примесей газов в атмосфере посредством комбинационного 83 .

рассеяния. В сб. Лазерный контроль атмосферы. М.: Мир, 1976. С 181 – 260 .

Васильев Б. И., Маннун У. М. ИК лидары дифференциального поглощения для 84 .

экологического мониторинга окружающей среды //Квантовая электроника. – 2006. – Т. 36. – № .

9. – С. 801-820 .

Иващенко М. В., Шерстов И. В. Дальность действия лидара дифференциального 85 .

поглощения на основе CO 2-лазера //Квантовая электроника. – 2000. – Т. 30. – №. 8. – С. 747-752 .

Кольяков С. Ф., Малявкин Л. П. Лидар дифференциального поглощения на основе TEA 86 .

CO 2-лазера //Квантовая электроника. – 1988. – Т. 15. – №. 1. – С. 212-217 .

Привалов В. Е., Шеманин В. Г. Параметры лидара дифференциального поглощения для 87 .

обнаружения молекулярного йода в атмосфере //Оптический журнал. – 1999. – Т. 66. – №. 2. – С .

40-42 .

88. Holzapfel F., Gerz T., Frech M.,Tafferner A. et.al. The wake vortex prediction and monitoring system WSVBS.- Part1:Design. Air Traffic Control Quarterly.2009.V.7, №4. P.333-340 .

–  –  –

Милютин Е. Р., Яременко Ю. И. Статистические характеристики рассеянного солнечного 91 .

излучения в атмосфере //Оптика атмосферы. – 1992. – Т. 5. – С. 15-18 .

Зуев В. Е., Землянов А. А., Копытин Ю. Д. Атмосферная оптика. Нелинейная оптика 92 .

атмосферы. – 1989 .

Бегханов М., Лебединец В. Н., Курбанмурадов О. Полуэмпирические модели 93 .

аэрозольного состава верхней атмосферы. И. Диффузионно-седиментационная. модель //Оптика атмосферы. – 1990. – Т. 3. – №. 5. – С. 462-467 .

Шурыгин И. Г. и др. УФ-лидар для озонозондирования //Оптика атмосферы. – 1990. – Т .

94 .

3. – №. 10. – С. 1056-1059 .

Плачек Н.В. Релеевское рассеяние и Раман-эффект. - ОНТИУ, Киев, 1935 .

95 .

Бажин Н. М. Метан в окружающей среде //Новосибирск: ГПНТБ СО РАН. – 2010 .

96 .

Бажин Н. М. Метан в атмосфере //Соросовский образовательный журнал. – 2000. – Т. 6. – 97 .

№. 3. – С. 52-57 .

Ривкина Е. М. и др. Метан в вечномерзлых отложениях северо-восточного сектора 98 .

Арктики //Криосфера Земли. – 2006. – Т. 10. – №. 3. – С. 23-41 .

Подмарьков Ю. П. и др. Высокочувствительная регистрация газовых примесей методом 99 .

внутрирезонаторной лазерной спектроскопии на основе MgF 2: Co-лазера //Квантовая электроника. – 1999. – Т. 28. – №. 2. – С. 186-188 .

Алексеев А. и др. Природа шахтного метана. – 2010 .

100 .

Смирнов В. В. КАРС-спектроскопия газов //Журн. структур, химии. – 1983. – Т. 24. – С .

101 .

107-113 .

Карлов Н. В. Лазерное разделение изотопов //Успехи физических наук. – 1978. – Т. 124. – 102 .

№. 1. – С. 183-184 .

103. Knutsen K. P. et al. High-spectral-resolution multiplex CARS spectroscopy using chirped pulses //Biomedical Optics 2004. – International Society for Optics and Photonics, 2004. – С. 230-239 .

104. Rinia H. A. et al. Quantitative CARS spectroscopy using the maximum entropy method: the main lipid phase transition //ChemPhysChem. – 2007. – Т. 8. – №. 2. – С. 279-287 .

- 141 Акимов Д. А. и др. Фемтосекундная спектроскопия когерентного антистоксова рассеяния 105 .

света с использованием перестраиваемого излучения, генерируемого в микроструктурированных волокнах //Квантовая электроника. – 2004. – Т. 34. – №. 5. – С. 473-476 .

106. Zhevlakov A. P. et al. CARS technique for geological exploration of hydrocarbons deposits //SPIE Remote Sensing. – International Society for Optics and Photonics, 2014. – С. 92451U-92451ULim S. H., Caster A. G., Leone S. R. Fourier transform spectral interferometric coherent antiStokes Raman scattering (FTSI-CARS) spectroscopy //Optics letters. – 2007. – Т. 32. – №. 10. – С .

1332-1334 .

108. Roy S. et al. Temperature and CO 2 concentration measurements in the exhaust stream of a liquid-fueled combustor using dual-pump coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) spectroscopy //Combustion and flame. – 2004. – Т. 138. – №. 3. – С. 273-284 .

109. Zhevlakov A. P. et al. Energy effective dual-pulse bispectral laser for EUV lithography //SPIE Advanced Lithography. – International Society for Optics and Photonics, 2016. – С. 97760Q-97760QElizarov V. V. et al. The concept of building a high-sensitive laser sensor for detection of isotopes of iodine //Laser Optics (LO), 2016 International Conference. – IEEE, 2016. – С. R7-14-R7-14 .

111. Liu T., Jiang S., Neumann N. Advanced Sensor Systems and Applications VI //Proc. of SPIE Vol. – 2014. – Т. 9274. – С. 927401-1 .

112. Namboodiri V. et al. Surface-enhanced femtosecond CARS spectroscopy (SE-CARS) on pyridine //Vibrational Spectroscopy. – 2011. – Т. 56. – №. 1. – С. 9-12 .

Акимов В. А. и др. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием Cr 2+:

113 .

ZnSe-лазера //Квантовая электроника. – 2004. – Т. 34. – №. 2. – С. 185-188 .

Акимов В. А. и др. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия с использованием Fe 2+:

114 .

ZnSe-лазера //Квантовая электроника. – 2007. – Т. 37. – №. 11. – С. 1071-1075 .

Колеров А. Н. Малогабаритные внутрирезонаторные лазерные спектранализаторы 115 .

//Квантовая электроника. – 2000. – Т. 30. – №. 3. – С. 268-270 .

Плеханов В. Г. Изотопическая инженерия //Успехи физических наук. – 2000. – Т. 170. – 116 .

№. 11. – С. 1245-1252 .

Аракчеев В. Г. и др. КАРС-спектроскопия двуокиси углерода в окрестности критической 117 .

точки //Квантовая электроника. – 2004. – Т. 34. – №. 1. – С. 86-90 .

–  –  –

Ray M. D. et all. Ultraviolet mini – Raman lidar for stand – off, in situ identification of chemical 119 .

surface contaminants. Rev. Sci. Instrum. 2000. Vol. 71. № 9. P. 3485 – 3489 .

Дайер Д.Р.. Приложения абсорбционной спектроскопии органических соединений. Пер.с 120 .

англ. / - М. : Химия, 1970. - 163 с .

Алексеева Т.А., Теплицкая Т.А. Спектрофлуориметрические методы анализа 121 .

ароматических углеводородов в природных и техногенных средах. М.: Гидро-метеоиздат, 1981.с .

Применение спектров комбинационного рассеяния. - Под. ред. А.Андерсона, М.:

122 .

Мир,1977

123. Lin B., Campillo A.J., Opt. Lett., vol.20, p.1589(1995)

124. Golombok M., D.B.Pye, Opt.Lett., vol.15, p.872(1990) 125. 3.13 Pestov, R. K. Murawski, G. O. Ariunbold, X. Wang, M. C. Zhi, A. V. Sokolov, V. A .

Sautenkov, Y. V. Rostovtsev, A. Dogariu, Y. Huang, and M. O. Scully, “Optimizing the laser-pulse configuration for coherent Raman spectroscopy,” Science 316, 265–268 (2007) .

126. 3.14 Maker P.D., Terhune R.W., Phys.Rev.A, vol.137, p.801(1965)

3.15 Плачек Н.В. Релеевское рассеяние и Раман-эффект. - ОНТИУ, Киев, 1935 .

127 .

Электронный ресурс http://www.eprivod.ru/fl86sth.htm 128 .

Шестопалов В. П. и др. Дифракция волн на решетках. – Издательство Pubmix. com, 1973 .

129 .

130. Grishkanich A. S. et al. Specifics of processing SRS lidar signals in GHz frequency range //Ninth International Symposium on Multispectral Image Processing and Pattern Recognition (MIPPR2015). – International Society for Optics and Photonics, 2015. – С. 98110G-98110G-10 .

131. Mullen L. J. et al. Application of RADAR technology to aerial LIDAR systems for enhancement of shallow underwater target detection //IEEE Transactions on microwave theory and techniques. – 1995. – Т. 43. – №. 9. – С. 2370-2377 .

132. Morvan L. et al. Building blocks for a two-frequency laser lidar-radar: a preliminary study //Applied Optics. – 2002. – Т. 41. – №. 27. – С. 5702-5712 .

Котельников В. А. Теория потенциальной помехоустойчивости. – М. : Радио и связь, 1998 .

133 .

–  –  –

Василенко Ю. Г., Дубнищев Ю. Н. Уменьшение уровня «постоянной» составляющей и 135 .

шумов в выходном сигнале лазерного допплеровского измерителя скорости //Автометрия. – 1972. – №. 5. – С. 51-58 .

Кашаев И. А., Смык С. И., Шейгас А. К. Уязвимость систем аэронавигационного 136 .

обеспечения //Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних сил. – 2008. – № .

1. – С. 15-17 .

Prague C. N., Irwin M. R. Microsoft Access 2000 Bible. – John Wiley & Sons, Inc., 1999 .

137 .

Buffington J. Microsoft SQL Server //Data Protection for Virtual Data Centers. – 2010. – С. 267Bitter R., Mohiuddin T., Nawrocki M. LabVIEW: Advanced programming techniques. – CRC 139 .

Press, 2006 .

–  –  –

260 345 266,4 345 272,8 342 279,2 339 285,6 341 260,1 344 266,5 343 272,9 343 279,3 342 285,7 341 260,2 341 266,6 342 273 341 279,4 345 285,8 345 260,3 346 266,7 343 273,1 341 279,5 343 285,9 349 260,4 360 266,8 341 273,2 345 279,6 342 286 353 260,5 360 266,9 341 273,3 349 279,7 343 286,1 348 260,6 359 267 345 273,4 353 279,8 341 286,2 346 260,7 360 267,1 349 273,5 348 279,9 341 286,3 345 260,8 362 267,2 353 273,6 346 280 345 286,4 343 260,9 364 267,3 348 273,7 345 280,1 349 286,5 348 261 374 267,4 346 273,8 343 280,2 353 286,6 351 261,1 369 267,5 345 273,9 348 280,3 348 286,7 359 261,2 367 267,6 343 274 351 280,4 346 286,8 352 261,3 367 267,7 8756 274,1 359 280,5 345 286,9 345 261,4 367 267,8 10542 274,2 352 280,6 343 287 344 261,5 369 267,9 5784 274,3 345 280,7 348 287,1 341 261,6 368 268 352 274,4 344 280,8 351 287,2 346 261,7 370 268,1 345 274,5 341 280,9 359 287,3 360 261,8 369 268,2 344 274,6 346 281 352 287,4 360 261,9 369 268,3 341 274,7 360 281,1 345 287,5 359 262 371 268,4 346 274,8 360 281,2 344 287,6 360 262,1 376 268,5 360 274,9 359 281,3 341 287,7 362 262,2 384 268,6 360 275 360 281,4 346 287,8 364

- 151

–  –  –

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ЧЕРТЕЖ ОБЩЕГО ВИДА

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. СХЕМА ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ





Похожие работы:

«ООО НПО "МИР" УТВЕРЖДАЮ Исполнительный директор ООО НПО "МИР" А.И. Рейтер ДИСПЛЕЙ ПОТРЕБИТЕЛЯ МИР ДП-01.П Руководство по эксплуатации М12.060.00.000-01 РЭ Лит. О Подп. и дата Подп. и дата Начальник Управления НИОКР В.Ю. Матвеенко Взам. инв. № Инв. № дубл. Взам. инв. № Инв. № дубл. Начальник СР Управл...»

«ГОСТ 14340.3-69 МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ ПРОВОДА ЭМАЛИРОВАННЫЕ КРУГЛЫЕ МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ НА ЭЛАСТИЧНОСТЬ Издание официальное БЗ 1 0 -9 8 ИПК ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ Москва строительство под ключ У...»

«Степкина Мария Юрьевна СОЗДАНИЕ АЭРОЗОЛЯ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Бийск 2016 Работа выполн...»

«Оглавление Введение Литературный обзор по теме исследования 1.1.1. Ионизирующие излучения и их свойства 1.2. Радиоактивность горных пород 1.3 . Радиоактивность почв 1.4. Механизм воздействия ионизирующего излучения на организм человека...»

«Гущин Сергей Геннадьевич МАРКЕТИНГОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ СБЫТА НЕФТЕПРОДУКТОВ 08.00.05 Экономика и управление народным хозяйством (3. Маркетинг; 5. Региональная экономика) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата экономических наук Волгоград 2006 Работа выполнена в Волгоградском государств...»

«РИНЦ Содержание РОССИЙСКИЙ ИНДЕКС НАУЧНОГО ЦИТИРОВАНИЯ (РИНЦ) АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ АВТОРА РАБОТА СО СПИСКОМ ЦИТИРОВАНИЯ АВТОРА АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ ЖУРНАЛА РОССИЙСКИЙ ИНДЕКС НАУЧНОГО ЦИТИРОВАНИЯ (РИНЦ) Российский индекс научного цитирования (Р...»

«ПЕРЕЧЕНЬ Организаций по техническому обслуживанию, имеющих действующий сертификат соответствия на 29.01.2016 №№ НОМЕР ДАТА СРОК ОРГАНИЗАЦИЯ МЕСТО ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ п.п. СЕРТИФИКАТА ВЫДАЧИ ДЕЙСТВИЯ 1. 2021140027 ООО "ПАРМ-Авиа" г. Мо...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский государственный национальный иссле...»

«Бережной Александр Сергеевич УДК 621.438+621.541 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУЙНО-РЕАКТИВНОГО ПНЕВМОАГРЕГАТА НА ОСНОВЕ УТОЧНЕНИЯ МОДЕЛИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты Диссертация на получение научной степени кандидата техниче...»

«МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА К ЗАНЯТИЮ № 12-13. РАЗДЕЛ КУРСА: Онтогенетический (организменный) уровень организации живого. ТЕМА ЗАНЯТИЯ: Закономерности наследования. Медицинская генетика. Понятие о наследственных...»

«Чан Чонг Хыу МЕТОД И СИСТЕМА УДАЛЕННОГО МОНИТОРИНГА АПНОЭ СНА Специальность: 05.11.17 – Приборы, системы и изделия медицинского назначения Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург – 2018 Работа выполнена на кафедре Биотехничес...»

«Гуськов Константин Викторович Исследование и разработка системы измерения расхода газообразного рабочего тела для испытательного стенда электроракетного двигателя Специальность 05. 07. 05. Тепловые, э...»

«ГОСУДАРСТВЕННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ВЕТЕРИНАРИИ КРАСНОДАРСКОГО КРАЯ ПРИКАЗ Об установлении ограничительных мероприятий (карантина) на территориях неблагополучных по лейкозу крупного рогатого скота пунктов Абинского района Краснодарского края...»

«Сергачёва Елена Викторовна МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОЦЕНКИ ФАЗОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ИСКУССТВЕННОЙ АТМОСФЕРНОЙ ТРАССЕ Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля...»

«КОМПЛЕКС ПРОГРАММНОАППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ОПОВЕЩЕНИЯ (КПАСО) "МАРСАРСЕНАЛ"2 БОЛЕЕ ПОДРОБНАЯ ИНФОРМАЦИЯ НА САЙТЕ СОДЕРЖАНИЕ КПАСО "Марс-Арсенал" Отличительные особенности КПАСО "Марс-Арсенал". Центральный пульт управления. Блок акустического оповещения (БАО). Акустическ...»

«CS 8100 3D, CS 8100 3D Access, CS 8100SC 3D CS 8100 3D Family and CS 8100SC 3D Access Руководство пользователя по безопасности, регулированию и техническим характеристикам Уведомление Руководство пользователя по нормативной информации и техническим характеристикам систем серии CS 8100 3D включают информ...»

«ЛАНЦЕВ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ МЕХАНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ КОМПЛЕКСА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ВЕГЕТАТИВНО РАЗМНОЖАЕМЫХ ПОДВОЕВ ЯБЛОНИ Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Ми...»

«Масло моторное универсальное всесезонное РПБ № 84035624.19.50028 стр. 3 G-Profi MSI Plus 15W-40 по СТО 84035624-081-2012 Действителен до 19.01.2023 г. из 16 1 Идентификация химической продукции и сведения о производителе и/или поставщике 1.1 Идентификация химической продукции 1.1.1 Техническое наименование Масло...»

«Рагимова ^^aJ^ Асият Серкеровна Ь ОБОСНОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА БЕТОННЫХ ПЛОТИН НА М А Л Ы Х Р Е К А Х Д Л Я К О М П Л Е К С Н О Г О ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ГОРНОГО ДАГЕСТАНА Специальность 05.23.07 Гидротехническое строигельство АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени...»

«Приложение №3 Порядок формирования, утверждения и ведения планов закупок товаров, работ, услуг для обеспечения нужд Кемеровской области в АИС "Госзаказ" Кемеровской области Кемерово 2018 г. I. Общие положения Порядок разработан департаментом ко...»

«Техническое описание Унигерм-7(УН-7) ФГУП НИИПолимеров (резьбовой фиксатор) г.Дзержинск, Нижегородская обл., Россия Редакция ООО "Белая Полоса", 2009 Описание продукта Прочностные характеристики заполимеризованного продукта Продукт Унигерм-7(УН-7) является однокомпонентным, анаэробным, низковязким пол...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ" Инженерная школа контроля...»

«Cодержание 1. Технические характеристики...................... 2 2. Комплектация................. ................ 2 3. Свойства............................. 2 Руководство для...»

«Смазки многофункциональные литиевые РПБ № 84035624.02.37993 стр. 3 Gazpromneft Grease L EP, СТО 84035624-152-2014 Действителен до 08.05.2020 г. из 16 1 Идентификация химической продукции и сведения о производителе и/или поставщике 1.1 Идентификация химической продукции 1.1.1 Тех...»

«Секция 2: Инновационные технологии получения и обработки материалов в машиностроении 5. Alfyorova E.A., Lychagin D.V. Deformation relief in crystals as a way of stress relaxation . // Letters on Materials – 2017. –Vol. 7. (2). – P. 155–159.6. Lychagin D V., Alfyorova EA. Sl...»







 
2019 www.librus.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - собрание публикаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.