Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2026, № 2 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

Hardware and software systems for remote sensing of atmospheric carbon dioxide

A.V. Kryuchkov1, M.P. Gerasimova1, A.A. Markova1, S.A. Sadovnikov1, V.V. Filatov1, S.V. Yakovlev1, O.A. Romanovskii1, Y.V. Kistenev2

1 V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics of Siberian Branch of the RAS, Tomsk, Russia
2 National Research Tomsk State University, Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2026.2.15 UDC 621.317.7 EDN BXTVWJ

Abstract

This paper describes the development and technical implementation of a high-precision hardware and software system designed for remote real-time monitoring of atmospheric carbon dioxide. The proposed solution is based on an integrated hardware complex for greenhouse gas sensing using a combination of Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) and Direct Absorption Spectroscopy (DAS) techniques. The underlying physical principle relies on the Beer-Lambert law, while the data processing unit utilizes the Voigt profile analysis to account for both Doppler and collision broadening of spectral lines, ensuring measurement accuracy under fluctuating atmospheric pressures and temperatures. The system architecture is built upon the Red Pitaya platform, leveraging the computational power of the Xilinx Zynq FPGA. To achieve high sensitivity, the FPGA logic incorporates Direct Digital Synthesis (DDS) modules for precise laser frequency scanning along with high-speed digital averaging and coherent integration algorithms. These hardware-level features significantly improve the signal-to-noise ratio (SNR) in the presence of atmospheric turbulence and optical path distortions. The developed complex enables the solution of the inverse spectroscopic problem in real time, providing a robust tool for environmental remote sensing and climate monitoring. By integrating on-chip digital signal processing with advanced spectroscopic modeling, this research offers a compact and scalable approach for mobile LIDAR systems capable of detecting anthropogenic emissions and global greenhouse gas dynamics with sub-second temporal resolution, meeting the stringent requirements of modern environmental instrumentation and radio-electronic engineering.

  • remote sensing
  • carbon dioxide
  • Tdlas
  • das
  • fpga
  • Red pitaya
  • absorption spectroscopy
  • environmental monitoring
Аннотация (на русском)

Программно-аппаратные средства дистанционного зондирования углекислого газа в атмосфере

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.

For citation

Kryuchkov A.V., Gerasimova M.P., Markova A.A., Sadovnikov S.A., Filatov V.V., Yakovlev S.V., Romanovskii O.A., Kistenev Y.V. Hardware and software systems for remote sensing of atmospheric carbon dioxide // Journal of Radio Electronics. – 2026. – No. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.2.15

References

  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.