ЛИДАР ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ НА МОБИЛЬНОМ НОСИТЕЛЕ
LIDAR OF DIFFERENTIAL ABSORPTION ON MOBILE MEDIUM

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для дистанционного зондирования различных примесей, находящихся в атмосфере, в частности природного газа, паров органических жидкостей.
Широко используются мобильные лидары, которые представляют собой устройства для дистанционного зондирования и оперативного обнаружения областей протечек природного газа из трубопроводов, устанавливаемые на транспортных средствах, как наземных, так и воздушных, и измеряющие концентрацию примеси метана в воздухе с помощью лазерного излучения. Чувствительность и быстродействие лидаров зависит от многих факторов, в частности от конструкции фотоприемного тракта.
Известны системы фирм Nanoplus GmbH, German Aerospace Centre DLR and Adlares GmbH, E. ON Ruhrgas AG и других.
Одной из близких к заявляемой системе по своим техническим характеристикам является система SELMA производства фирмы Pergam-suisse AG (http://www.pergam-suisse.ch/), которая осуществляет дистанционный контроль утечек природного газа в городских условиях, взятая за один из прототипов. Заявленная система монтируется на крышу транспортного средства, такого как автомобиль, что требует специального переоборудования его и является недостатком. Дистанционное зондирование с автомобиля происходит только при определенном движении или при полной остановке транспортного средства, а также только в местах, доступных для проезда, что создает неудобства в процессе измерения.
Поэтому в этой же фирме была создана мобильная система LMD06A, которая меньше по своим габаритным размерам, соответственно удобна в переноске оператором, не требует никаких переоборудований транспортного средства и пригодна для проведения измерений при медленном движении (пеший шаг). К заявляемому техническому решению, данная система близка по своим габаритным размерам, но обладает техническими характеристиками для дистанционных измерений на малых расстояниях, что не всегда удобно.
В конструкции вышеперечисленных систем заложен лидар, работающий по принципу дифференциального поглощения. В Российской Федерации и в мировом сообществе очень много различных лидаров, работающих по этому же принципу (см. патенты WO 2007062810 от 28.11.2006 «MOBILE REMOTE DETECTION OF FLUIDS BY A LASER»; US 5,015,099 от 14.05.1991 г. «DIFFERENTIAL ABSORPTION LASER RADAR GAS DETECTION APPARATUS HAVING TUNABLE WAVELENGTH SINGLE MODE SEMICONDUCTOR LASER SOURCE»; US 5,202,570 от 13.04.1994 г. «GAS DETECTION DEVICE»; US 7,075,653 от 11.06.2006 г. «METOD AND APPARATUS FOR LASER - BASED REMOTE METHANE LEAK DETECTION»). Длина волны излучения лазера изменяется в течение цикла измерений. Исходя из разности величин оптического сигнала, в качестве источника излучения может использоваться лазер, например полупроводниковый, с перестраиваемой длиной волны в спектральной области поглощения света детектируемого вещества. Также возможно использование двух и более лазеров, настроенных на некоторые фиксированные длины волн, соответствующие максимальному и минимальному поглощения света молекулами детектируемого вещества.
Основным недостатком лидарных систем, работающих на принципе дифференциального поглощения, в том числе обоих систем фирмы «Pergam-suisse AG», является погрешность измерений, возникающая из-за образования спекл-структуры, иначе случайной интерференционной картины отраженного излучения лазера. Причиной возникновения спекл-структуры является взаимная интерференция когерентных волн при отражении от случайно-неоднородной поверхности или при прохождении света через оптически неоднородную среду. Присутствие спекл-структуры приводит к неравномерному распределению интенсивности отраженного света и к погрешности лидарных измерений (см. фиг.1 спекл-структура лазерного излучения, отраженного от произвольной поверхности).
Спекл-структура проявляется в виде зернистости отраженного излучения и влияет на величину светового потока, попадающего на фотоприемные устройства. Эффект образования спекл-структуры оказывает влияние на функционирование лазерных измерительных устройств, не только лидаров, но и таких приборов, как лазерный сканер, интерферометр, велосиметр и других. Также спекл-структура влияет на работоспособность устройств, где лазеры используются в качестве источников света, например в лазерных проекторах, микроскопах, так как ухудшает визуальное восприятие наблюдаемых изображений.
Различные варианты устранения спекл-структуры и решения этой проблемы отражены в патентах US 6952435 от 04.10.2005 г. «SPEKLE FREE LASER PROBE ВЕАМ»; US 7567349 от 28.06.2009 г. «SPEKLE REDUCTION IN OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY BY PATH LENGTH ENCODED ANGULAR COMPOUNDING»; US 7114393 от 03.10.2006 г. «METOD AND APPARATUS FOR LASER VIBROMETRY».
Однако предложенная система коррекции спекл-структуры на сегодняшний день никогда не использовалась применительно к лидарам дифференциального поглощения.
Задачей заявляемого изобретения является создание мобильного лидара дифференциального поглощения высокой чувствительности с системой устранения влияния спекл-эффекта на лидарные измерения.
Решение этой задачи осуществляется за счет использования устройства для рандомизации фазы лазерного излучения, позволяющего изменять спекл-структуру за время, меньшее, чем цикл единичного измерения.
Величина оптического сигнала, попадающего в фотоприемный тракт, равна суммарной интенсивности светового потока от элементов спекл-структуры. В силу природы эффекта наблюдаемая спекл-структура меняется при изменении длины волны света. Если «зернистость» спекл-структуры достаточно большая, при изменении длины волны света сигнал фотодетектора может измениться случайным образом. Поэтому спекл-эффект оказывает влияние на точность измерений, в особенности при неподвижном положении лидара или при медленном движении, так как при быстром движении световой поток усредняется в течение времени измерения.
Рандомизатор фазы, используемый в лидаре, осуществляет относительный сдвиг фазы частей волнового фронта в пределах поперечного сечения луча лазера, что приводит к многократному изменению спекл-структуры в течение цикла лидарного измерения и, вследствие этого, усреднению светового потока. Поэтому устраняется зависимость величины светового потока, попадающего на фотодетектор, от флуктуации, связанных с зернистостью спекл-структуры.
При проведении измерений лидаром дифференциального поглощения, необходимо, чтобы цикл изменения фазы оптического сигнала не был синхронизован с циклом сканирования (или изменения) длины волны излучения.
Благодаря использованию системы рандомизации фазы лазерного излучения и устранению влияния спекл-структуры достигается особо низкий уровень шума оптического сигнала, что обеспечивает точность измерений.
Для более полного раскрытия изобретения представлено графическое описание, см. фиг.2 - лидар дифференциального поглощения.
На фиг.2 находятся:
Лазерный излучатель (поз.1.1) предназначен для генерации излучения с перестраиваемой длиной волны в области спектральной линии поглощения метана или другой детектируемой атмосферной примеси;
Рандомизатор фазы лазерного излучения (поз.1.2) на основе электромеханического устройства, содержащего вращающуюся фазовую пластинку. Также в качестве устройства для рандомизации фазы возможно использование других электромеханических устройств, в том числе устройства на основе одного или нескольких движущихся зеркал или линз, или электрооптического устройства на основе жидких кристаллов и др. электроактивных материалов, сдвигающих фазу излучения или изменяющих поляризацию излучения.
Приемо-передающий оптический тракт (поз.2) делится на передающую (поз.2.1) и приемную (поз.2.2) часть. Передающая часть состоит из системы направляющих зеркал, позволяющих направить излучение лазера вдоль оптической оси телескопа. Используются зеркала, имеющие высокий коэффициент отражения на длине волны излучения лазера. Приемная часть лидара состоит из приемного телескопа, зеркал, направляющих собранное телескопом излучение на фотоприемный модуль (поз.4), и светофильтра, уменьшающего засветку фотоприемника за счет узкой полосы пропускания.
Пилотный лазер (поз.3) предназначен для подсветки топомишени и визуализации направления измерений (поз.5), так как излучение самого лазера лидара невидимо для оператора лидара.
Фотоприемный модуль (поз.4) оборудован системой охлаждения фоточувствительного элемента, позволяющей снизить уровень шумов фотоприемника.
Система управления и обработки данных предназначена для задания параметров лазерного излучения, сбора и обработки данных, поступающих на фотоприемник.
Встроенный GPS приемник предназначен для получения информации о текущем местоположении лидара.
Заявляемое изобретение работает следующим образом: Лидар устанавливается на мобильном носителе, на крышу, на открытую платформу автомобиля или в салоне автомобиля напротив окна, а также на вертолете, чтобы в направлении детектирования присутствовала топомишень (произвольные объекты или же поверхность земли). Направление детектирования контролируется с помощью пилотного лазера видимого диапазона (в конструкции используется лазер зеленого цвета, возможно использование лазера другого цвета).
Передающий канал генерирует направленное излучение с требуемыми пространственно-временными и спектральными характеристиками, позволяющими исключить влияние спекл-структуры на результаты лидарных измерений.
В то же время приемный канал осуществляет сбор рассеянного сигнала, отраженного от топомишени, находящейся позади исследуемой области протечки газа, и обновление информации о концентрации газа, в частности метана или паров органических жидкостей в исследуемом объеме атмосферы.
Детектирование газа и других атмосферных примесей, например паров органических веществ, также может осуществляться за поверхностью, частично прозрачной для лазерного излучения.
Детектирование может производиться в движении и при остановке мобильного носителя.
Режим детектирования следующий:
Лазерный излучатель осуществляет сканирование длины волны излучения в области спектральной линии поглощения атмосферной примеси, метана, другого газа или паров жидкости. Сигнал, попадающий на фотодетектор, анализируется с помощью встроенного компьютера. В процессе измерения производится самокалибровка лидара, при которой учитываются фоновая концентрация детектируемого газа и вклад иных атмосферных примесей, в том числе водяных паров. Вся собранная информация о концентрации газа записывается системой хранения данных, совместно с информацией о текущем местоположении лидара.
Небольшие габариты и, как следствие, малый вес лидара позволяют использовать его установленным на любом транспортном средстве без необходимости внесения изменений в его конструкцию, или удерживаться оператором на руках. Все данные лидарных измерений передаются по беспроводному каналу, что позволяет при необходимости устанавливать лидар на удалении от оператора и обойтись без прокладки информационных кабелей.