Сотрудники молодежной лаборатории технологий фотоники и машинного обучения для сенсорных систем Физического факультета Новосибирского государственного университета, созданной в 2021 году в рамках национального проекта «Наука и университеты», в сотрудничестве с коллегами из Института лазерной физики СО РАН разработали алгоритм, который помогает сделать работу оптоакустических газовых сенсоров более стабильной.
Основной элемент такого сенсора – ячейка, содержащая исследуемый газ или газовую смесь. Она же является резонатором для акустических волн. При исследовании на концентрацию газ поглощает излучение лазерного источника и нагревается. При импульсном излучении газ то нагревается, то остывает. При этом происходит излучение звуковых волн, амплитуда которых улавливается и измеряется специальным микрофоном. Важно, чтобы частота следования лазерных импульсов совпадала с резонансной частотой газовой ячейки. Если это условие выполняется, амплитуда звуковых волн растет, и исследователи могут детектировать ее и с высокой точностью определить концентрацию газа, находящегося в ячейке.
Как рассказали исследователи, особенность этих сенсоров в том, что они стабильно и точно работают при кратковременных исследованиях (порядка нескольких десятков секунд), а при более длительных (продолжительностью от 10 минут до нескольких часов) могут выдавать некорректные результаты. При этом долгосрочная стабильность в работе оптоакустического газового сенсора требуется и при исследованиях, направленных на картирование местности при поиске месторождений нефти и газа, и в медицинской диагностике (для анализа выдыхаемого пациентом воздуха), и для оценки безопасности воздуха на промышленных предприятиях. Сделать их работу стабильной возможно путем применения математических алгоритмов. Именно этой задачей и занялись исследователи молодежной лаборатории ФФ НГУ.
— Мы предложили решение этой проблемы. При этом нами был применен оптимизационный алгоритм, а именно – алгоритм управления поиском экстремума. Он позволяет в реальном времени контролировать частоту следования лазерных импульсов таким образом, чтобы она соответствовала резонансной частоте газовой ячейки в каждый момент времени. Таким образом наша задача и была решена, — рассказала кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник молодежной лаборатории Анастасия Беднякова.
Разработанный учеными лаборатории алгоритм был внедрен в прототип газового сенсора, после чего вместе с коллегами из ИЛФ СО РАН сотрудники НГУ провели ряд экспериментов и тестов.
— В ходе эксперимента в течение длительного времени и в большом диапазоне изменялась температура газовой ячейки, и было показано, что измеренная концентрация газа при этом остается постоянной, а, значит, алгоритм работает правильно. В дальнейшем перед нами стоит задача оптимизации параметров алгоритма и дальнейшее улучшение характеристик сенсора с помощью алгоритмов машинного обучения, — добавила Анастасия.
Исследование поддержано в рамках программы «Приоритет 2030», а его
результаты опубликованы в журнале «Infrared Physics & Technology».
