Лидар. На пути к цифровому прибору

Научная библиотека Комментариев к записи Лидар. На пути к цифровому прибору нет

В. Привалов // Фотоника. Выпуск #6/2014, с: 30-38

Дистанционное лазерное зондирование осуществляют с помощью лидаров. Точность измерений – это всегда качество и безопасность. Пока лидары имеют большую погрешность измерений. В статье рассмотрены инструментальные методы ее снижения.

Описание на английском языке:

Lidar. On the Way to Digital Device
V. Privalov

Lidar is the instrument with the help of which the remote laser probing is performed. Quality and safety of human vital activities depend on the value of measurement error. Unfortunately, so far the lidar measurements have large error and the search of methods of its reduction is continued.

Почти тридцать лет отделяют нас от момента издания первых книг, посвященных лазерному дистанционному зондированию окружающей среды [1, 2]. Позднее, с развитием лидарной техники, появились новые работы [3, 4], отражающие новые результаты. Создавалось впечатление, что все достоинства и недостатки лидарных технологий зондирования достаточно хорошо изучены. Но возникли новые подходы к выводу лидарного уравнения [5, 6], и следует ожидать, что они приведут нас к новым, более усовершенствованным лидарам. Рассмотрим схемы работы некоторых из них.

Конструкция разработанного мобильного лидарного комплекса для дистанционного контроля атмосферы [7] представляет собой платформу, на которой установлены элементы измерительной системы: твердотельный лазер, два TEA (Trancversly Excited Atmospheric) CО2-лазера, телескоп, двухкоординатный зеркальный сканер, оптические системы передачи излучения, приемная спектральная система. Там же помещена система синхронизации, блок сопряжения, состоящий из блока управления приводами и блока сбора информации от датчиков, вычислительно-управляющий комплекс. Твердотельный лазер выполнен в виде двухканального перестраиваемого излучателя на основе Ti:Sapphire с блоками Nd-излучателей. Каждый TEA CО2-лазер снабжен парой идентичных, оптически соединенных между собой CО2-лазеров (гетеродинным и инжекционным). При этом оптическая система передачи излучения каждого канала двухканального гетеродинного лидара состоит из двух частей. Комплекс обладает большими возможностями, но довольно громоздок. В ряде случаев часть практических задач можно выполнить более простым устройством, которое предложено авторами [8]. Упрощение конструкции лидарной системы контроля качества атмосферного воздуха осуществлено за счет использования принципа комбинационного рассеяния света. Это позволяет использовать только один лазер для определения степени загрязнения атмосферного воздуха молекулами предельных углеводородов в атмосфере над промышленной зоной. Лидарная система состоит из платформы с установленными на ней твердотельным лазерным излучателем на алюмоиттриевом гранате с неодимом, работающим в режиме третьей гармоники на длине волны 355 нм, оптической системы передачи лазерного излучения, приемного телескопа, блока сбора информации и вычислительно-управляющего комплекса.

Оптическая система передачи лазерного излучения дополнительно содержит преломляющую призму, направляющую лазерное излучение в исследуемую область пространства. Приемный телескоп выполнен в виде телескопа типа Ньютона со сферическим зеркалом и линзовым объективом. Блок сбора информации содержит интерференционный светофильтр для выделения участка спектра комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами с линиями молекул углеводородов, фотоэлектрический умножитель, масштабный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и плату сбора данных.

Основными загрязняющими веществами над промышленным предприятием являются молекулы предельных углеводородов. Поэтому нецелесообразно использовать сложное оборудование для многокомпонентного анализа воздушного пространства над исследуемой областью, а достаточно использовать простую в исполнении лидарную систему для определения степени загрязнения атмосферного воздуха только молекулами предельных углеводородов.

Принцип лазерного дистанционного зондирования методом комбинационного рассеяния света известен. Он заключается в регистрации лазерного излучения, комбинационно рассеянного молекулами предельных углеводородов, с частотным сдвигом, характерным именно для этих молекул и определяемым спектром их колебаний. При этом учитывают лишь та доля рассеяного излучения, которая направлена в противоположную относительно зондирующего излучения сторону.

Лидарная система контроля качества атмосферного воздуха, оптическая схема которой представлена на рис.1, работает следующим образом. Импульс твердотельного лазерного излучателя на алюмоиттриевом гранате с неодимом, работающего в режиме третьей гармоники на длине волны 355 нм, направляется в исследуемую область пространства (мишень) над промышленной зоной. Часть лазерного излучения используется для создания опорного сигнала, который задает начало отсчета времени, а его амплитуда – энергию лазерного импульса. Рассеянное назад излучение комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами собирается телескопом типа Ньютона, фокусируется через линзовый объектив, проходя сквозь интерференционный светофильтр на фотокатод фотоумножителя. Импульс напряжения с ФЭУ подается на вход масштабного усилителя, затем при помощи аналого-цифрового преобразователя, через плату сбора данных, сигнал поступает в ЭВМ, где информация обрабатывается стандартным программным обеспечением и формируется сигнал для передачи его по каналам связи (Internet, wi-fi и т. д.).

Для сопоставления достоверности измерений были рассчитаны оценки мощности регистрируемого излучения комбинационного рассеяния света молекулами предельных углеводородов по лидарному уравнению для комбинационного рассеяния света исследуемыми молекулами.

Полученные результаты подтверждают, что для заданной концентрации зондируемых атомов Na и энергии комбинационного рассеяния, равной энергии десяти фотонов, оптимальной для обнаружения предельных углеводородов на расстояниях до 6 км является длина волны лазерного излучения λL = 355 нм. Если энергия лазерного импульса достигает 1 мДж, то такая величина позволяет проводить измерения в минимально возможное время.

тот недостаток исправляет другая лидарная система контроля загрязнения воздуха [9] (рис.2). Алгоритм ее функционирования следующий. Импульс лазерного излучения из лазера поворотной призмой направляется в сторону области загрязнения (мишени). Основная часть излучения достигает мишени и рассеивается ею, формируя информацию об уровне загрязнения.

Определение уровня загрязнения воздуха происходит более точно, поскольку итоговый сигнал формируется двумя потоками излучения вместо одного, как было у авторов работы [8]. Поток от отражателя на порядок и более превышает рассеянное назад мишенью излучение. Поэтому чувствительность предлагаемой системы заметно превышает чувствительность системы авторов работы [8]. В частном случае реализации, если контролируемая область пространства с загрязнениями представляет собой промышленный объект (атомная станция, нефтеперерабатывающий или цементный заводы и т. п. производства), то отражатель устанавливают непосредственно на этом объекте, например на вентиляционной трубе. Тогда выходящий из трубы поток является мишенью. При направлении импульса лазерного излучения на срез трубы обратно рассеивается загрязнениями весьма малая часть излучения. Если отражатель устанавливают на пути рассеянного загрязнениями лазерного излучения так, чтобы большая часть отраженного излучения направлялось в приемный телескоп, то достигающий приемного телескопа рассеянный поток лазерного излучения многократно возрастает, обеспечивая более высокую чувствительность лидарной системы.

Возможен и другой случай реализации предлагаемого технического решения. Отражатель устанавливают на летательном аппарате (включая беспилотный). Последний зависает над наиболее опасной зоной контролируемого пространства, поворотная призма направляет излучение лазера на отражатель, а последний направляет значительную часть рассеянного лазерного излучения в приёмный телескоп, обеспечивая более высокую чувствительность лидарной системы. Чем больше площадь отражателя, тем больше и поток рассеянного лазерного излучения, направленного в приемный телескоп. Рост площади отражателя в приведенных примерах ограничивается прочностью соединения отражателя с вентиляционной трубой или подъемной силой летательного аппарата, а также возможностью сохранять способность к направлению излучения в приемный телескоп при порывах ветра и других атмосферных явлениях. Оптимальная форма отражателя – параболоид, в фокусе которого находится мишень. В отдельных случаях допустимо использовать плоский или уголковый отражатели. Отражатель может быть снабжен селективными отражающими покрытиями, соответствующими длинам волн рассеянного излучения.

Эффективность предлагаемой модели можно продемонстрировать. Источником излучения служит лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом со средней мощностью излучения второй гармоники излучения (длина волны 0,532 мкм) 1 Вт. Мишенью являются пары йода-131 над радиоактивным объектом. Объект отстоит на расстоянии 1 км от лидарной системы. Мощность излучения, рассеянного обратно в приемный телескоп без отражателя обычно составляет 1–10 мкВт и менее. При установке отражателя диаметром 0,5 м у среза вентиляционной трубы мощность вернувшегося рассеянного излучения увеличивается на несколько порядков и достигает 1–10 мВт в зависимости от погодных условий и расстояния от излучающего лазера, что позволяет определить степень повышения загрязнений от ПДК с повышенной чувствительностью.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/4/article_4399_323.pdf

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top