Министерство  образования Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.Н.Туполева

 
 

Институт  радиоэлектроники и телекоммуникаций

 
 
 
 

Кафедра радиоэлектроники и информационно измерительной техники

 
 
 

Дипломный проект на тему:

"Лидарный информационно – измерительный комплекс контроля вредных примесей в атмосфере"

 
 
 
 

                                           Выполнил студент  гр.

                                           Сухоруков А.

                                           Руководитель проекта

                                           Горбачев С.Ф.

 
 
 
 

Казань 2010

 

Аннотация

 

     Произведен  расчет лидарного информационного измерительного комплекса. Такой измерительный комплекс служит для дистанционного контроля концентрации загрязняющих примесей в атмосфере. Принцип работы основан на зондировании атмосферы лазерным лучем и анализе отраженного лазерного сигнала.

      Произведен  расчет структурной схемы измерительного комплекса и инструментальной погрешности измерения, выбрана элементная база и составлена принципиальная схема приемника оптического излучения, разработан алгоритм работы измерителя.

 
 
 

Abstract

 

     Calculation of lidar an information measuring complex is made. Such measuring complex serves for the remote control of concentration of polluting impurity in atmosphere. The work principle is based on atmosphere sounding laser beam and the analysis of the reflected laser signal.

     Calculation of the block diagramme of a measuring complex and tool error of measurement is made, the element base is chosen and the basic scheme of the receiver of optical radiation is made, the algorithm of work of a measuring instrument is developed.

 
 

 

Содержание

 

Введение

 

         В связи с активной хозяйственной деятельностью человечества остро встает проблема оперативного дистанционного контроля загрязнений атмосферы и гидросферы. По имеющимся оценкам, аэрозоли антропогенного происхождения составляют 10...15% в общем составе аэрозолей земной атмосферы, и их концентрация продолжает возрастать.

     Чрезвычайно значителен антропогенный выброс в  атмосферу твердых частиц – дыма, пепла, пыли от автотранспорта, промышленных предприятий, тепловых электростанций, а также от лесных и торфяных пожаров. Общее их количество оценивается в 2,5×10⁸ т. в год, к нему еще можно добавить 2,7×10⁸ т. в год солей – сернокислых, азотнокислых и других, образующихся из антропогенных газов атмосферы.

     В аэрозолях некоторых промышленных предприятий присутствуют и исключительно ядовитые вещества, источником которых являются химические соединения. Эти вещества попадают в атмосферу и накапливаются в ней. Промышленные предприятия также выбрасывают в атмосферу различные загрязняющие газы – окись углерода (СО), окислы азота (NO), двуокись серы (SO₂), метан (СН₄), аммиак (NH₃), фреоны и многие другие. Подобные аэрозольные и газовые загрязнения при определенных концентрациях являются вредными для жизни и здоровья человека, отрицательно влияют на животный и растительный мир. Неоднократно наблюдались массовые отравления людей в крупных городах при неблагоприятных погодных условиях. Хорошо известны смоговые туманы, дымовые шлейфы над промышленными городами, кислотные дожди. Растет содержание в атмосфере радиационно-активных газов (СО₂, CH₄, N₂O, фреоны и др.), что уже в обозримом будущем может привести к глобальным пагубным последствиям: модификации озоносферы, усилению парникового эффекта и изменению климата Земли.

     Природная среда, находящаяся под постоянным антропогенным воздействием, постепенно утрачивает уникальную способность к самоочищению, что может привести в конечном итоге к необратимым процессам, грозящим гибелью человечества и без ядерного катаклизма Таким образом, индустриальное воздействие на природную среду настолько серьезно, что требует постоянного контроля экологической обстановки для своевременного принятия неотложных мер по сохранению в допустимых пределах уровня загрязнений атмосферы и гидросферы.

     Наиболее  оперативно контроль экологической  обстановки осуществляется средствами дистанционного зондирования Земли и ее атмосферы в оптическом и радиодиапазонах спектра. Среди дистанционных методов контроля загрязнений природной среды важнейшими являются оптические, вследствие высокой информативности таких эффектов взаимодействия оптической волны со средой, как аэрозольное (гидрозольное) рассеяние и резонансное поглощение в линиях молекулярного спектра загрязняющих газов.

     В видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах спектра метод аэрозольного рассеяния обладает наибольшей чувствительностью к частицам микронной и субмикронной фракции, имеющих диаметр, сравнимый с длиной волны. Именно такие размеры характерны для естественных аэрозолей и многих аэрозолей индустриального происхождения. Для метода резонансного поглощения наибольший интерес представляет ИК-область спектра, поскольку здесь располагаются линии поглощения основных загрязняющих атмосферу газов.

     Оптические  системы, применяемые для контроля загрязнений природной среды, разделяют на пассивные, регистрирующие прямопрошедшее (рассеянное) солнечное или тепловое излучение исследуемого объекта, и активные, использующие искусственную подсветку.

     Активные  методы контроля стали интенсивно развиваться  лишь с появлением лазеров. Лазерные источники, обладающие малой расходимостью излучения, большой импульсной мощностью и высокой степенью монохроматичности обеспечили методам аэрозольного рассеяния и резонансного поглощения широкие возможности. Импульсное отраженное атмосферой лазерное излучение несет информацию о распределении концентрации аэрозольного загрязнителя по всей трассе зондирования. При этом пространственное разрешение, определяемое длительностью зондирующего импульса, составляет единицы метров. Измерение газовых загрязнителей может проводиться в приземном слое атмосферы на трассе с отражением от естественных топографических поверхностей или аэрозольных образований.

     Методы  аэрозольного рассеяния и резонансного поглощения находят широкое применение в лазерных системах контроля загрязнений  приземного слоя атмосферы аэрозолями и газами индустриального происхождения.

     Пассивные оптические методы находят широкое  применение в спутниковых наблюдательных системах контроля за газовым составом атмосферы Земли. Хотя в большинстве случаев эти методы дают лишь суммарное содержание загрязнителя вдоль трассы зондирования, они являются единственно возможным инструментом для наблюдения глобальных и долговременных антропогенных изменений состава атмосферы.

      В данном дипломном проекте рассматривается  один из активных методов оптического контроля атмосферы – лазерное зондирование, основанное на методе спонтанного комбинационного рассеяния и флуоресценции. Источником излучения является полупроводниковый лазер, работающий в диапазоне длин волны 300 – 500 нм. В дипломном проекте производиться расчет приемника оптического излучения и разрабатывается алгоритм работы измерительного комплекса.

 

1. Лидарные системы

 

     LIDAR¹ – технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.

     Лидар как прибор представляет собой, как  минимум, активный дальномер оптического диапазона. Сканирующие лидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. "Атмосферные" лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет [1]. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары, определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.

     Устоявшийся перевод LIDAR как "лазерный радар" не вполне корректен, так как в системах ближнего радиуса действия (например, предназначенных для работы в помещениях), главные свойства лазера: когерентность, высокая плотность и мгновенная мощность излучения – не востребованы, излучателями света в таких системах могут служить обычные светодиоды. Однако, в основных сферах применения технологии (исследование атмосферы, геодезия и картография) с радиусами действия от сотен метров до сотен километров, применение лазеров неизбежно [2].

     1.1. История развития лидарных систем

 

     Аббревиатура LIDAR впервые появилась в работе Миддлтона и Спилхауса "Метеорологические инструменты" 1953 года, задолго до изобретения лазеров [3]. Первые лидары использовали в качестве источников света обычные или импульсные лампы со скоростными затворами, формировавшими короткий импульс. В 1963 году в США начались полевые испытания носимого лазерного дальномера XM-23 с мощностью излучения 2,5 Вт и диапазоном измеряемых расстояний 200-9995 м [4]. XM-23 был изначально несекретным образцом и стал базовым прибором для гражданских исследователей 1960-х годов. К концу 1960-х годов лазерные дальномеры стали стандартным оборудованием новых танков США (первым образцом, спроектированным с учётом лазерных дальномеров стал M551 Шеридан, запущенный в серию в 1967). Гражданские применения лазерных дальномеров были ограничены лишь высокой стоимостью интегральных схем того времени. Тогда же, в первой половине 1960-х годов, начались опыты по применению лидара с лазерным излучателями для исследования атмосферы [5].

     В 1969 году лазерный дальномер и мишень, установленная на Аполлоне-11, применялся для измерения расстояния от Земли до Луны. Четыре мишени, доставленные на Луну тремя "Аполлонами" и "Луноходом-2", и по сей день используются для наблюдения за орбитой Луны.

     В течение 70-х годов, с одной стороны, отлаживалась технология лазерных дальномеров и компактных полупроводниковых лазеров, а с другой – были начаты исследования рассеяния лазерного луча в атмосфере. К началу 80-х годов эти исследования стали настолько известными в академических кругах США, что аббревиатура LIDAR стала именем нарицательным – lidar, что зафиксировал словарь Уэбстера 1985 года. В те же годы лазерные дальномеры достигли стадии зрелой технологии (по крайней мере, в военных приложениях) и выделились в отдельную от лидаров отрасль техники.

 

      1.2. Принцип действия лидарных систем

 

     Принцип действия лидара не имеет больших  отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара – светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели (рис. 1.2.1).

 

Рис. 1.2.1. Принцип действия лидара.

 

     В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды – достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.

     В абсолютном большинстве конструкций  излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd-YAG лазеры и длины волн (в нанометрах):