Лидарный информационно – измерительный комплекс контроля вредных примесей в атмосфере

• 1550 нм – инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света – так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека;
• 1064 нм – ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения;
• 532 нм – зелёное излучение неодимового лазера, эффективно "пробивающее" массы воды;
• 355 нм – ближнее ультрафиолетовое излучение.

     В устройствах ближнего радиуса действия  вместо коротких импульсов может  использоваться непрерывная амплитудная  модуляция излучения переменным напряжением с частотой в единицы мегагерц.

     Простейшие  атмосферные лидарные системы не имеют средств наведения и направлены вертикально в зенит.

     Для сканирования горизонта в одной  плоскости применяются простые  сканирующие головки. В них неподвижные  излучатель и приёмник также направлены в зенит; под углом 45° к горизонту  и линии излучения установлено зеркало, вращающееся вокруг оси излучения. В авиационных установках, где надо сканировать полосу, перпендикулярную направлению полёта самолёта-носителя, ось излучения – горизонтальна. Для синхронизации мотора, вращающего зеркало, и средств обработки принимаемого сигнала используются точные датчики положения ротора, а также неподвижные реперные риски, наносимые на прозрачный кожух сканирующей головки.

     Сканирование  в двух плоскостях добавляет к  этой схеме механизм, поворачивающий зеркало на фиксированный угол с каждым оборотом головки – так формируется цилиндрическая развёртка окружающего мира. При наличии достаточной вычислительной мощности можно использовать жёстко закреплённое зеркало и пучок расходящихся лучей – в такой конструкции один "кадр" формируется за один оборот головки [6].

      Важную  роль играет динамический диапазон приёмного  тракта. Например, приёмный тракт новейшей (2006 год) подсистемы машинного зрения MuCAR-3 с динамическим диапазоном 1:106 обеспечивает эффективный радиус действия от 2 до 120 м (всего 1:60). Чтобы избежать перегрузки приёмника интенсивной засветкой от рассеивания в "ближней зоне", в системах дальнего радиуса действия применяют высокоскоростные механические затворы, физически блокирующие приёмный оптический канал. В устройствах ближнего радиуса со временем отклика менее микросекунды такой возможности нет.

      1.3. Применение лидарных систем

 

      В настоящее время лидарные системы  используются для проведения следующих  исследований:

• исследование атмосферы;
• измерение скорости и направления воздушных потоков;
• измерение температуры атмосферы;
• раннее оповещение о лесных пожарах;
• исследования Земли;
• космическая геодезия;
• авиационная геодезия;
• строительство и горное дело.

     Исследования  атмосферы стационарными лидарами остаётся наиболее публичной отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.

     Теоретическое обоснование применения наземного доплеровского лидара для измерения скорости и направления воздушных потоков было дано ещё в 1980-е годы. Первые практические разработки использовали неподвижные оптические системы с лучом, направленным вертикально в зенит; в 1990-е годы были предложены технологии, позволяющие доплеровским лидарам сканировать широкий угол обзора. В 2001 Alcatel предложил размещение лидаров на борту спутников, так, что "созвездие" спутников на орбите способно отслеживать движение воздушных масс в рамках целого континента, а в потенциале – на Земле в целом. Лидары активно используются для наблюдений за загрязнением атмосферы. Особый класс дифференциальных лидаров (differential absorption lidar, DIAL), излучающих одновременно свет с разной длиной волны, способен эффективно определять концентрацию отдельных газов, оптические показатели которых зависят от длины волны.

     Для измерения температуры атмосферы  разработано и реализовано на практике несколько основных методов измерения профилей температуры.

     В первом методе используется резонансное рассеяние на атомах щелочных металлов, в частности, натрия, калия, а также железа. Облака атомов металлов находятся на высоте 85 — 100 км. Температура измеряется по доплеровскому уширению резонансных линий с помощью зондирования узкополосным подстраиваемым лазером (используются жидкостные лазеры с активным веществом в виде раствора органического красителя). Первые измерения были осуществлены с помощью искусственных натриевых облаков, забрасываемых в атмосферу ракетами. Несмотря на то, что метод ограничен диапазоном высот, на которых присутствуют атомы металла, рассеянный сигнал оказывается относительно большим, и это дает возможность измерять температуру с точностью до 1.5 ˚К.

     Второй  метод – метод рэлеевского  рассеяния (Rayleigh lidar), основан на нерезонансном рассеянии света на молекулах воздуха. Впервые он был применен в 1953 году в опытах с прожекторным зондированием атмосферы. Суть метода заключается в следующем. Если отсутствует аэрозольное рассеяние, то мощность обратно рассеянного сигнала прямо пропорциональна плотности воздуха, из которой можно рассчитать температуру. Разрежение воздуха с высотой позволяет использовать метод рэлеевского рассеяния на высотах не более 90 км. Нижняя граница высоты измерения (около 20-30 км) обусловлена присутствием в граничном слое большого количества аэрозоля, который значительно увеличивает рассеяние, но практически не влияет на плотность воздуха.

     Третий  метод основан на вращательном рамановском (комбинационном) рассеянии молекулами воздуха (Raman lidar). Когда температура увеличивается, интенсивность переходов с большими квантовыми числами возрастает, в то время как интенсивность линий вращательного рамановского спектра, соответствующих маленьким квантовым числам, уменьшается. Переходы с большими квантовыми числами соответствуют линиям рамановского спектра, расположенным дальше от центральной частоты. Температура определяется при использовании измерений в двух областях спектра с различной температурной зависимостью. Максимальная высота зондирования составляет около 30 км, погрешность измерения менее 1 ˚К до высоты 10 км. Так как в приемнике линия упругого рассеяния подавляется, то измерения можно проводить и в присутствии значительных концентраций аэрозолей.

     Измерение температуры может проводиться так же с помощью DIAL лидара, но этот метод не получил большого распространения.

     Помимо  научных целей и метеорологических  наблюдений, активно испытываются комплексные системы мониторинга воздушных потоков в районах аэропортов. Среди практических предложений последних лет – системы автоматического управления ветрогенераторами, использующие лидары для определения силы и направления ветра.

     Лидар, размещённый на возвышенности (на холме  или на мачте) и сканирующий горизонт, способен различать аномалии в воздухе, порождённые очагами пожаров. В отличие от пассивных инфракрасных систем, распознающих только тепловые аномалии, лидар выявляет дымы по аномалиям, порождаемым частицами горения, изменению химического состава и прозрачности воздуха и т. п. Технология с радиусом обнаружения дымов в 20 км была впервые заявлена в 1990, активные поиски оптимальных конфигураций систем ведутся по сей день.

     Вместо  установки лидара на земле, где принимаемый  отражённый свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых, нижних слоях атмосферы, "атмосферный" лидар может быть поднят в воздух или на орбиту, что существенно улучшает соотношение сигнал-шум и эффективный радиус действия системы. Первый полноценный орбитальный лидар был выведен на орбиту NASA в декабре 1994 года в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment). Двухтонный лидар LITE с метровым зеркальным телескопом, поднятый на высоту 260 км, "рисовал" на земле размытое пятно диаметром 300 м, что было явно недостаточно для эффективного отображения рельефа, и был исключительно "атмосферным". Особо ценным оказался опыт верификации данных космической съёмки с использованием синхронных данных более 60 наземных лидаров по всему миру [7]. Первый европейский орбитальный лидар (проект ALADIN) запущен в 2008 году.

 

 1.4. Современные лидары, используемые для мониторинга атмосферы

 

      Современные лидарные системы представляют собой  сложные программно – аппаратные комплексы, разрабатываемые, как правило, под конкретный заказ той или иной лаборатории. Так, например, астрофизическая обсерватория Белгородского Государственного Университета имеет два лидарных комплекса с аналогичными характеристиками: стационарный лидарный комплекс МВЛ-60, размещенный под куполом обсерватории, и мобильный лидарный комплекс МВЛ-60 МОБ, установленный в транспортном средстве (в фургоне-кунге автотракторного прицепа) [8]. Лаборатории зарубежных центров мониторнига атмосферы также имеют два – три лидара.

     В качестве примера рассмотрим технические харакетрсики двух наиболее частот используемых лидаров [9]:

• многоволновый рамановский лидар MRL-400;
• озонный лидар дифференциального поглощения OLS-100.

     Многоволновый рамановский лидар MRL-400 [10] служит для определения концентрации о высотном распределении микрофизических параметров частиц атмосферного аэрозоля естественного и антропогенного происхождения, то есть для изучения одного из ключевых факторов, определяющих радиационный баланс Земли. В рамановском лидаре производится одновременная регистрация сигнала упругого рассеяния, а также рамановского сигнала рассеяния азота. Как следствие, становится возможным вычисление коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля для различных длин волн с высокой точностью. Вычисленные коэффициенты используются для определения микрофизических параметров аэрозоля (радиуса, концентрации, показателя преломления) путем решения соответствующей обратной задачи.

 

Рис. 1.4.1. Структура лидара MRL-400.

 

     Излучение лазера телескопируется внеосевым параболическим зеркальным коллиматором. Лазер вместе с коллиматором крепится на приемном телескопе (рис. 1.4.1), что позволяет проводить измерения под любым углом к горизонту. Семиканальный электронный модуль Licel позволяет проводить одновременную регистрацию в аналоговом режиме и в режиме счета фотонов.

      Лидар включает:

• Nd:YAG лазер Quantel Brilliant B с генератором третьей гармоники (энергия в импульсе 300/300/200 мДж при длине волны 1064/532/355 нм, частота повторения 10 Гц);
• внеосевой параболический зеркальный коллиматор с коэффициентом увеличения 5. Диэлектрические зеркальные покрытия обеспечивают работу коллиматора на длинах волн 355, 532, 1064 нм;
• телескоп Ньютона с апертурой 400 мм и фокусным расстоянием 1200 мм;
• приемный модуль, содержащий семь каналов регистрации (каналы упругого рассеяния 355, 532, 1064 нм; каналы рамановского рассеяния азота 387, 608 нм; канал рамановского рассеяния водяного пара 408 нм; деполяризационный канал 355 нм);
• семиканальный электронный модуль LICEL для одновременного измерения в аналоговом режиме и в режиме счета фотонов.

На рис. 1.4.2 показана схема фотоприемного модуля.

      Информация  об аэрозоле получается по результатам следующих измерений:

• коэффициенты обратного рассеяния на длинах волн излучения 355, 532 и 1064 нм;
• коэффициент экстинкции на длинах волн 355, 532 нм;
• коэффициент деполяризации на длине волны 355 нм;
• параметр Ангстрема;
• средний и эффективный радиусы;
• числовая, поверхностная и объемная концентрации;
• комплексный показатель преломления;
• содержание водяного пара.

 

Рис. 1.4.2. Cхема фотоприемного модуля лидара MRL-400.

 

      На  рис. 1.4.3 и рис. 1.4.4 показаны соответственно типичный лидарный сигнал на длине волны 355 нм и вариации коэффициента обратного рассеяния на длине волны 1064 нм.