ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2026. №2

УДК: УДК 621.317.7, 543.422

Программно-аппаратные средства дистанционного
зондирования углекислого газа в атмосфере

А.В. Крючков¹, М.П. Герасимова¹, А.А. Маркова¹, С.А. Садовников¹,
В.В. Филатов¹, С.В. Яковлев¹, О.А. Романовский¹, Ю.В. Кистенев²

¹Институт оптики атмосферы имени В. Е. Зуева Сибирского отделения РАН,
634055, Томск, площадь Академика Зуева, 1

²Национальный исследовательский Томский государственный университет,
634050, Томск, проспект Ленина, 36

Статья поступила в редакцию 3 февраля 2026 г.

Аннотация. Настоящая статья посвящена разработке и технической реализации прецизионных программно-аппаратных средств, предназначенных для дистанционного оперативного мониторинга концентрации диоксида углерода в открытых атмосферных трактах. В работе детально обосновывается архитектура гетерогенного измерительного комплекса, функционирующего на принципах совмещения диодно-лазерной абсорбционной спектроскопии (TDLAS) и методов прямой регистрации поглощения (DAS). Теоретический базис исследования опирается на закон Бугера-Ламберта-Бера и математической аппроксимации контура линии поглощения через сверточный профиль Фойгта, для минимизации систематических погрешностей, обусловленных флуктуациями термодинамических параметров среды. Данный подход позволяет в автоматизированном режиме разделять вклады лоренцевского и доплеровского механизмов уширения, что является критически важным условием для корректного восстановления концентрации CO₂ в условиях переменного атмосферного давления. Аппаратная часть системы реализована на базе встраиваемой платформы Red Pitaya, использующей вычислительные ресурсы программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) Xilinx Zynq. В цифровом домене ПЛИС реализованы модули прямого цифрового синтеза (DDS) для формирования прецизионной линейной развертки тока накачки перестраиваемого диодного лазера, а также высокоскоростные конвейерные алгоритмы когерентного накопления и цифрового усреднения данных. Интеграция данных узлов непосредственно в логику ПЛИС позволила достичь существенного улучшения отношения сигнал/шум (SNR) даже в условиях интенсивной атмосферной турбулентности и значительных амплитудных искажений на измерительной трассе. Разработанный комплекс обеспечивает решение обратной задачи спектроскопии в режиме жесткого реального времени, гарантируя высокую точность и повторяемость результатов экологического зондирования. Применение методов детерминированной обработки сигналов на кристалле в сочетании с прецизионными спектрометрическими моделями делает данную разработку перспективным решением для создания компактных систем лидарного типа. Такие системы востребованы для мониторинга антропогенных выбросов и глобального контроля газового состава тропосферы с субсекундным временным разрешением, полностью отвечая современным требованиям радиоэлектронного приборостроения в области высокотехнологичного экологического приборостроения.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, углекислый газ, TDLAS, DAS, ПЛИС, Red Pitaya, спектроскопия поглощения, экологический мониторинг.

Финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (соглашение № 075-15-2024-557 от 25.04.2024 г.).

Автор для переписки: Крючков Александр Владимирович, kaw@iao.ru

Литература

1. Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы / С.М. Бобровников, Г.Г. Матвиенко, О.А. Романовский, [и др.]. – Томск : ИОА СО РАН, 2014. – 508 с.

2. Фирсов К.М., Чеснокова Т.Ю., Размолов А.А. Влияние континуального поглощения паров воды на радиационный форсинг углекислого газа в атмосфере для региона Нижнего Поволжья. // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. № 12. С. 1029–1035. http://doi.org/10.15372/AOO20221210.

3. Фирсов К.М., Чеснокова Т.Ю., Размолов А.А. Влияние вариаций общего содержания паров воды на радиационный форсинг углекислого газа и метана в тропосфере и стратосфере. // Оптика атмосферы и океана. 2024. Т. 37. № 07. С. 594–601. http://doi.org/10.15372/AOO20240708.

4. Молекулярная спектроскопическая база данных HITRAN [сайт]. – http://www.hitran.org (дата обращения: 29.01.2026). – Текст: электронный.

5. Lackner M. Tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) in the process industries–a review // Reviews in Chemical Engineering. – 2007. – Vol. 23. – No. 2. – P. 65-147. http://doi.org/10.1515/REVCE.2007.23.2.65.

6. Ono S. et al. Measurement of a doubly substituted methane isotopologue, 13CH3D, by tunable infrared laser direct absorption spectroscopy //Analytical Chemistry. – 2014. – Vol. 86. – No. 13. – PP. 6487-6494. http://doi.org/10.1021/ac5010579.

7. Rieker G.B., Jeffries J.B., Hanson R.K. Calibration-free wavelength-modulation spectroscopy for measurements of gas temperature and concentration in harsh environments //Applied optics. – 2009. – Vol. 48. – No. 29. – PP. 5546-5560. http://doi.org/10.1364/AO.48.005546.

8. Measures, R.M. Laser remote sensing: Fundamentals and applications / R.M. Measures. – New York : Wiley-Interscience, 1984. – 521 p.

9. Никитенко А.А., Тимофеев Ю.М., Виролайнен Я.А., Неробелов Г.М., Поберовский А. В. Сравнения измерений стратосферного содержания СО2 наземным и спутниковым методами. // Оптика атмосферы и океана. 2022. Т. 35. № 03. С. 191–194. http://doi.org/10.15372/AOO20220303.

10. Platt, U. Differential optical absorption spectroscopy / U. Platt, J. Stutz. – Berlin : Springer-Verlag, 2008. – 597 p. http://doi.org/10.1007/978-3-540-75776-4.

11. Red Pitaya Hardware User Manual // Red Pitaya Documentation : [сайт]. – http://redpitaya.readthedocs.io (дата обращения: 22.01.2026). – Текст: электронный.

Для цитирования:

Крючков А.В., Герасимова М.П., Маркова А.А., Садовников С.А., Филатов В.В., Яковлев С.В., Романовский О.А., Кистенев Ю.В. Программно-аппаратные средства дистанционного зондирования углекислого газа в атмосфере. // Журнал радиоэлектроники. – 2026. – №. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.2.15