МОБИЛЬНЫЙ ЛИДАРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ

Полезная модель относится к локационным системам и может быть использована для оперативного дистанционного определения физического состава атмосферы в мегаполисах, крупных промышленных центрах, в районах экологических катастроф или военных действий с возможным с возможным применением химических отравляющих веществ.
Известен «Способ дистанционного измерения параметров пространственного распределения концентрации аэрозоля в атмосфере и устройство для его осуществления» [см. описание к изобретению по А.С.№1812535, МКИ G 01 S 17/00, СССР] заключающийся в направлении зондирующего импульсного излучения в первую точку выброса, затем во второй точке, смещенной вдоль направления выброса, осуществляют доплеровское зондирование. При этом определяют пространственное распределение концентраций по направлению второй точки, а также определяются направление и скорость сноса выброса. Следующее доплеровское зондирование в третьей точке дает направление убывание максимума концентрации выброса. Устройство определяющее этот способ содержит: импульсный лазерный источник излучения; фокусирующую оптическую систему; сканер; оптическую систему; сопряженный с оптической системой фотоприемник; оптически сопряженный в обратном ходе луча с оптической системой; усилитель, соединенный с выходом фотоприемника; измеритель пространственного распределения концентраций аэрозоля; блок определения предварительных значений скорости и угла сноса выброса; синхронизатор; а также - источник непрерывного лазерного излучения; вторую фокусирующую оптическую систему, оптически сопряженную со сканером; гетеродинное фотоприемное устройство, оптически сопряженное с непрерывным источником лазерного излучения и второй оптической системой в обратном ходе луча; второй усилитель; смеситель; усилитель промежуточной частоты; измеритель частоты; суммирующий масштабирующий усилитель; управляемый гетеродин; запоминающие устройства; дополнительный блок определения предварительного значения доплеровской скорости выброса и угла сноса; блок определения угла разворота сканера.
Недостатком рассмотренных способа и устройства его реализирующего является - ограниченные функциональные возможности.
2
Известна лидарная система, использующая для измерения спектра атмосферы вертикальный след поглощения излучения, образующийся при передачи излучения по пути «земля - орбитальный спутник (рефлектор) -земля»[статья «Laser transmitter/receiver system for earthsatellite - earth long - path absorption measurements of atmospheric trace species using the retroreflector in space», авторы: Kehichi Ozawa, Nobuhico Koda и др. в журнале: 3234, Optical Engineering, vol.36(12) December, 1997 - ближайший аналог - прототип]. Лидарная система содержит три лазера; два TEA CO -импульсные, с длиной волны λ=0,53 мкм и твердотельный Nd:YAG -непрерывного активного слежения за орбитальным спутником. Система содержит также телескоп, двухкоординатный зеркальный сканер, оптические системы передачи излучения, приемную спектральную систему, систему синхронизации, блок сопряжения, соединяющий оптико-механический блок объектов управления (лазерных систем) с компьютерным вычислительно-управляющим комплексом.
Недостатками рассмотренной системы являются: низкие функциональные возможности, т.к. используется только одна длина волны коротковолнового диапазона; низкая чувствительность из-за использования прямого детектирования, что недопустимо для исследования плотных слоев атмосферы; а также в рассмотренной системе отсутствует пространственно разрешение ситуации в атмосфере; система стационарна.
Задачей полезной модели является - создание многофункционального мобильного лидарного комплекса для дистанционного контроля состояния атмосферы за счет повышения чувствительности при работе в плотных слоях атмосферы.
Технический результат поставленной задачи достигается тем, что мобильную лидарную систему для дистанционного контроля атмосферы, содержащую, платформу, и, установленные на нее, твердотельный лазер, два TEA CО2 лазера, телескоп, двухкоординатный зеркальный сканер, оптические системы передачи излучения, приемную спектральную систему; систему синхронизации, блок сопряжения, включающий: блок управления приводами и блок сбора информации от датчиков, вычислительно-управляющий комплекс, предлагается твердотельный лазер выполнить двухканальным перестраиваемым на Ti: Sapphire с блоками Nd излучателей; каждый TEA CО2 лазер снабдить парой идентичных, оптически соединенных между собой CО2 лазеров: гетеродинным и инжекционным, выходом соединенным со входом TEA CО2 лазера, совместно образующие двухканальный гетеродинный лидар, при этом оптическая система передачи излучения каждого канала двухканального гетеродинного лидара состоит из: соединенной с выходом TEA CО2 лазера, первой части оптического тракта, соединенного с оптическим ключом-модулятором, второй части оптического тракта, нижней части телескопического расширителя пучка излучения, половины объектива телескопа и сканера,
2
причем оптический ключ-модулятор соединить с системой синхронизации, соединенной с компьютерным вычислительно-управляющим комплексом, оптическая система передачи излучения твердотельного двухканального лидара содержит оптический тракт, например, из одного плоского зеркала, и сканера, приемная спектральная система двухканального гетеродинного лидара содержит фото приемную матрицу, оптически соединенную фокусирующей линзой со светоделителем-смесителем излучений, с одной стороны последовательно оптически соединенным с прямоугольной призмой, верхней частью телескопического расширителя пучка излучения, половиной объектива телескопа, и сканером, с другой стороны - со светоделителем, соединенным коллимирующей линзой и оптическим трактом с выходом гетеродинного CO лазера, при этом фотоприемная матрица соединена с системой синхронизации и компьютерным вычислительно-управляющим комплексом, приемная спектральная система двухканального твердотельного лидара содержит, оптически соединенные, сканер, телескоп, линзовый телескоп и дихроичный светоделитель, образующий два идентичных канала с различной спектральной селекцией, оптически соединенный с ними: первый канал состоит из, последовательно соединенных, набора интерференционных фильтров, линзы и фото приемного устройства в виде фотоэлектронного умножителя, второй канал состоит из, последовательно соединенных, интерференционного фильтра и поляризационного куба, образующего два измерительных канала параллельной и кросс-поляризации, оптически соединенных линзами с соответствующими фото приемными устройствами в виде лавинных фотодиодов, при этом каждое фото приемное устройство соединено с системой синхронизации и компьютерным вычислительно-управляющим комплексом, а также комплекс снабжен автоматизированными системами: визуального слежения за состоянием атмосферы, контрольно-измерительной настройки, юстировки и контроля юстировки; платформа выполнена виброизолированной. Мобильный лидарный комплекс отличается также тем, что оптический ключ-модулятор выполнен в виде двусторонне зеркальной диафрагмы, установленной с возможностью переключения каналов. Мобильный лидарный комплекс отличается также тем, что первая часть оптического тракта системы передачи излучения двухканального гетеродинного лидара содержит первое зеркало оптически соединенное с выходом TEA СО2 лазера и вторым зеркалом, соединенным с оптическим ключом-модулятором, вторая часть оптического тракта -содержит, соединенный с оптическим ключом-модулятором, светоделитель, оптически соединенный зеркалом, прямоугольной призмой, зеркалом объектива телескопа, нижней частью телескопического расширителя пучка излучения, половиной телескопа и сканером.
На рис.1 представлена блок-схема мобильного лидарного комплекса (МЛК).
На рис.2 представлена оптическая схема приемно-передающей системы МЛК.
На рис.3 - диаграмма работы двухканального гетеродинного лидара.
На рис.4 - изображение на экране монитора в режиме телевизионного обзора.
На рис.5 - блок-схема интерфейсов операторского режима работы МЛК.
2
2
Мобильный лидарный комплекс (МЛК)содержит: твердотельный двухканальный перестраиваемый лидар 1 на базе Ti: Sapphire лазера, снабженного блоками Nd-излучателей. Система коротковолновая (диапазон λ=0,25-1,06 мкм) прямого детектирования видимого и ультрафиолетового диапазона; и двухканальный гетеродинный лидар 2 каждый канал которого образован одним TEA СО лазером и двумя идентичными, оптически соединенными между собой СО лазерами;
2
2
гетеродинным 3 инжекционным 4, выход инжекционного 4 СО лазера соединен со входом TEA CO лазера 5. Двухканальный гетеродинный лазер 2 является длинноволновой (λ=9-11 мкм) системой инфракрасного излучения.
Лидарные системы спектрально независимы, но работают с общим телескопом 6 и сканером 7. Двухканальный гетеродинный лидар 2 содержит оптический ключ - модулятор 8, переключения каналов лидара. Оптический ключ - модулятор 8 выполнен в виде двусторонне зеркальной диафрагмы. Излучение инжекционного лазера 4 первого канала оптогальванически стабилизировано на центр линии VR перехода посредством имеющейся обратной связи, обеспеченной светоделителем 9, неохлаждаемым КРТ детектором 10 и пьезо-приводом зеркала лазерного резонатора.
Гетеродинный лазер 3 первого канала имеет оптогальваническую стабилизацию такую же, как у инжекционного лазера.
Оптическая система передачи излучения твердотельного двухканального лидара 1 состоит из оптического тракта соединяющего выход лидара посредством плоского зеркала 11, размещенного внутри корпуса телескопа б, оптически соединенного со сканером 7.
2
Оптическая система передачи изучения каждого канала двухканального гетеродинного лидара 2 состоит из: первой части оптического тракта, включающего первое зеркала 12, оптически соединенное с выходом TEA СО лазера 5, и второе зеркало 13, соединенное с оптическим ключом - модулятором 8; вторая часть оптического тракта - содержит, соединенное с оптическим ключом -модулятором 8, светоделитель 14, оптически соединенный зеркалом 15, прямоугольной призмой 16, зеркалом объектива 17 телескопа 6, нижней
частью телескопического расширителя 18 пучка излучения, половиной объектива телескопа 6 и сканером 7.
Приемная спектральная система двухканального перестраиваемого твердотельного лидара 1 содержит, оптически соединенные, сканер 7, телескоп 6, линзовый телескоп 19 и дихроичный светоделитель 20, образующий два идентичных канала с различной спектральной селекцией, оптически соединенной с ними. Первый канал состоит из, последовательно соединенных, набора 21 интерференционных фильтров, установленного на вращающемся диске, что позволяет сохранить необходимое соотношение сигнал/шум при работе днем. Вращающиеся фильтры набора 21 осуществляют спектральную селекцию для длины волны λ=230-532 нм при частоте приема - 10 Гц. Количество фильтров - 10 штук. Тип фильтра на определенную волну и полосу пропускания выбирается в зависимости от режима работы. Смена фильтров осуществляется автоматически. Каждый интерференционный фильтр из набора 21, фокусирующей линзой 22, оптически соединен с фото приемным устройством 23 - фотоэлектронным умножителем. Второй канал состоит из последовательно соединенных: интерференционного фильтра 24 и поляризационного куба 25, образующего два измерительных канала: параллельной и кросс поляризации, оптически соединенных линзами 26, 27 с соответствующими фото приемными устройствами 28, 29 - лавинные фотодиоды. Спектральная селекция осуществляется постоянным инерционным фильтром 24 для длины волны А=1,06 мкм, при частоте приема - 10 Гц.
2
Приемная спектральная система двухканального гетеродинного лидара 2 содержит фото приемную матрицу 30 из охлаждаемых КРТ диодов, размер приемной площадки, фокусирующей линзой 31, соединена со светоделителем 32, являющимся смесителем излучений: принятого рассеянного на аэрозолях излучения и излучения гетеродинного СО лазера 3. Светоделитель - смеситель 32 с одной стороны последовательно оптически соединен с прямоугольной призмой 16, верхней частью телескопического расширителя 19 пучка излучения, половиной объектива телескопа 6, и сканером 7; с другой стороны - со светоделителем 33, соединенным коллимирующей линзой 34 и оптическим трактом, содержащим, последовательно соединенные зеркала 35, 36, 37, с выходом гетеродинного СО2 лазера 3.
Предварительный двухканальный лидар 1 оснащен системой юстировки. Система юстировки содержит две триппель - призмы 38, которые могут вводится в лазерные лучи. В тоже время, зеркало 39 автоматически вводится в область зрения, и линза 40 формирует фокальное пятно на чувствительной площадке ССД камеры 41. В результате юстировки зеркал 11 оператор должен совместить изображение фокального пятна на компьютерном дисплее с перекрестием, соответствующим правильному положению.
Двухканальный гетеродинный лидар 2 также оснащен системой юстировки. Луч инжекционного лазера, после сдвига акустооптическим модулятором 9, слабо фокусируется линзой 42 и вводится через зеркало 12, имеющее маленькое отверстие, в резонатор TEA CО2 лазера. Неохлаждаемые КРТ детекторы 43, 44 обеспечивают обратную связь для контроля длины резонаторов. Неохлаждаемый КРТ детектор 45, линза 46 и светоделитель 14 служат для измерения энергии и формы пучка и старта электроники системы сбора данных. Для юстировки CО2 лазеров двухканального гетеродинного лидара 2 используется Не-Ne лазер, его излучение вводится в луч лазера при помощи легко съемных зеркал 48. Оптические элементы 49, 50, 51 служат для совмещения двух выходных лучей CО2 лазеров.
Оптический элемент 52 служит для транспортировки излучения лазера 47 юстировки. Двухканальный твердотельный лидар 1 и двухканальный гетеродинный лидар 2 соединены системой синхронизации 53 и компьютерами 54, 55 вычислительно-управляющего комплекса 56. Фото приемные устройства 23, 28 и 29, а также фото приемная матрица 30 соединены с системой синхронизации 53 и вычислительно-управляющим комплексом 56. Сканер 7 и приводы 59 соединены с блоком сопряжения 57, включающим блоки управления приводами и блок сбора информации от датчиков 60, и вычислительно-управляющим комплексом 56. Мобильный лидарный комплекс содержит систему визуального слежения 61, состоящую из двух телекамер: дневная - цветная и ночная - черно-белая, установленные на телескопе и соединенные с компьютерным вычислительно-управляющим комплексом 56. Контроль юстировки также осуществляется телекамерой. Кроме того, МЛК оснащен системой 63 видеозаписи с ТВ монитора 62.
Мобильный лидарный комплекс, выполнен полностью автоматизированным. Комплекс содержит мощный бортовой компьютер, позволяющий использовать программы: для управления системами комплекса; для получения телевизионной и лидарной информации; для математической обработки полученной информации; для визуализации полученной информации для наложения ее на топографическую карту или план-схему местности; для передачи информации конечному пользователю для принятия решения; и для контроля (мониторинга) за системами комплекса. Обработка лидарной информации осуществляется ADSP -процессором, позволяющим принимать оригинальные алгоритмы деконволюции принятого сигнала в реальном времени. Идентификация атмосферных примесей основана на использовании как общепринятых (HITRAN), так и оригинальных баз данных, включающих подробную информацию о сечениях поглощения веществ в различных частях спектра.
Программное обеспечение делится на два пакета программ предназначенных соответственно для первого и второго рабочих мест
операторов комплекса. Оператор первого рабочего места посредством вычислительно-управляющего комплекса осуществляет
1) управление системами комплекса
2) их контроль
3) выбор критических объектов и режимов наблюдения
4) обработку и визуализацию данных
5) принятие решений по контролю кризисной ситуации, исследование (атмосферная спектроскопия, моделирование лидарных измерений), а также архивирование результатов измерений.
Оператор второго рабочего места выполняет практически те же функции, которые могут быть разделены необходимостью осуществлять оперативный контроль пространства в кризисной ситуации.
Работа автоматизированного мобильного лидарного комплекса осуществляется следующим образом.
Оператор осуществляет автоматическую настройку комплекса, запуская с помощью компьютера программу самотестирования (настройки) основных систем комплекса: Ti: Sapphire лазера, СО2 лазеров, сканера. Процесс самодиагностики соответствующих устройств отображается на компьютере. Комплекс можно настраивать целиком или каждую систему индивидуально автоматически или в ручном режиме.
После получения подтверждения готовности комплекса к работе, оператор может перейти к основным режимам работы: работа в режиме телевизионного обзора; работа в режиме записи лидарной панорамы; ручное или автоматическое управление сканером; технологический/исследовательский режим работы комплекса.
Рассмотрим перечисленные режимы работы комплекса.
Работа в режиме телевизионного обзора (см рис.4), это дежурный автоматический режим, эффективный в дневное и сумеречное время.
В этом режиме лазеры не работают, сканер непрерывно вращается вокруг азимутальной оси, при этом внешние телевизионные камеры (цветная - дневная, черно-белая - сумеречная и ночная) регистрируют изображения контролируемого объекта в режиме стоп кадра (например, при поле зрения телевизионной камеры 40° полная панорама может быть передана десятью стоп кадрами - через каждые 36° с небольшим перекрытием). При скорости вращения по азимуту 10°/с полная панорама может быть получена примерно за 40 с. программный автомат сравнивает последовательно полученные кадры, выделяют новообразования по заданному порогу, сигнализирует о превышении порога, привлекая внимание оператора. Оператор, анализируя изображение, принимает решение о типе наблюдаемой ситуации.
Работа в режиме съемки-записи лидарной панорамы (экологический мониторинг). Это режим периодического исследования воздушной среды в
2
2
3
зоне контрольного объекта (город, промышленная зона, склад вредных веществ с характерными утечками газов). В данном режиме проводится аэрозольное зондирование на λ=0,53 мкм, а также DIAL - зондирование для заданных, характерных для контрольного объекта загрязнителей (например, для города - NO, SО, О, NO).
1
2
1,2
Двухканальный твердотельный перестраиваемый лидар 1 на Ti: Sapphire с блоками Nd излучателей работает следующим образом. Лидар 1 производит импульсы света с параметрами ⌀ 32 мм (два пучка), длина волны λ=l,06 мкм, λ=0,53 мкм (режим 1) и λ,=0,25-0,45 мкм (режим 2), длительность импульса τ=30 нс, частота повторения - 10 Гц (каждый из каналов). Через накапливающее плоское зеркало 11 (см. рис.2) и сканер 7 излучение выводится в атмосферу. Часть излучения рассеянного на аэрозолях, попадает на сканер и собирается половиной объектива телескопа 6. После отражения излучения от верхней части дихроичной светоделительной пластины 18 оно попадает в спектральный узел. Линзовый телескоп 19 формирует параллельный пучок и направляет на дихроичный светоделитель 20, создающий два идентичных канала с различной спектральной селекцией. Спектральная селекция осуществляется интерференционными фильтрами 21 и 24. Фильтры 21 устанавливаются автоматически для λ=230-532 нм. После фильтров 21 излучение фокусируется линзой 22 на приемную площадку фотоэлектронного умножителя 23. После стационарного фильтра 24 на λ=1,06 мкм излучение попадает на поляризационный куб 25, образующий два измерительных канала: параллельной и кроссполяризации, а затем соответствующими фокусирующими линзами 26, 27 излучение подается на приемные площадки соответствующих лавинных фотодиодов 28, 29. Каналы переключаются вращающимся оптическим - модулятором 8: для λ=1,06 мкм - "отражение", для λ=230-532 нм - "пропускание". Сигнал с фото приемных устройств 23, 28, 29 поступает в систему синхронизации 53 и компьютерный вычислительно-управляющий комплекс 56, где обрабатывается програмным обеспечением и оператор на экране видит распределение концентрации аэрозоля в виде графика.
Двухканальный гетеродинный лидар 2 работает следующим образом. Каждый канал содержит: инжекционный СО2 лазер 4, гетеродинный СО2 лазер 3 и TEA CО2 лазер 5. Каналы лидара 2 идентичные, работают по очереди. Переключаются каналы вращающимся оптическим ключом -модулятором 8 в два положения "дверка" и "зеркало" (см. рис.2 и 3). Это соответствует фазе "Настройка" для одного канала и фазе "Работа" для другого канала, который был настроен предварительно. Управляет модулятором 8 датчик (не показан) соединенный с системой синхронизации 53 и вычислительно-управляющим комплексом 56. Спектральная фильтрация не используется. Инжекционный CО2 лазер 4
производит непрерывное излучение с параметрами: мощность Р=10-100 мВт, диаметр пучка ⌀ 3-5 мм.
Зеркальный модулятор 48 совмещает два выходных луча непрерывных СО2 лазеров. Акустооптический модулятор 49 сдвигает частоту приблизительно на 20 МГц, линза 42 - слабо фокусирует луч. Излучение непрерывных СО2 лазеров 3,4 оптогальванически стабилизируется на центр линии VR перехода обратной связью, обеспеченной светоделителем 9, неохлаждаемыми КРТ детекторами 10 и пьезо-приводом зеркала лазерного резонатора. TEA CО2 лазер 5 производит мощное импульсное излучение с заданными спектральными характеристиками. Часть основного излучения поступает на КРТ детектор 43 для контроля между импульсами длины резонатора TEA CО2 лазера 5 по интерферограмме, образованной на детекторе.
Основная часть излучения TEA CО2 лазера 5,посредством первой части оптического тракта (зеркала 12, 13) через оптический ключ-модулятор 8 и вторую часть оптического тракта (светоделитель 14, зеркало 15, прямоугольная призма 16, зеркало объектива 17, телескопа 6, нижняя часть телескопического расширителя 18 пучка излучения, половину объектива телескопа 6) попадает на зеркало сканера 7 и поступает в атмосферу. Часть излучения, рассеянного на аэрозолях, попадает на сканер 7 и собирается половиной объектива телескопа 6. После отражения, верхней частью телескопического расширителя 19, прямоугольной призмой 16, смесительным фотоделителем 32, излучение фокусируется линзой 31 на фотоприемной матрице 30. Одновременно на фотоприемную матрицу 30, посредством светоделителя 32, поступает излучение гетеродинного CО2 лазера 3. При этом светоделитель-смеситель 32 оптически соединен со светоделителем 33, коллимирующей линзой 34, зеркалами 35, 36, 37.
Сигнал от фотоприемной матрицы 30, через систему синхронизации 53, поступает в компьютерный вычислительно-управляющий комплекс 56, обрабатывается программным обеспечением и оператор видит на экране информацию в виде графика зависимости концентрации загрязняющего облака от расстояния.
С помощью секторного сканирования оператор может отследить динамику развития загрязняющего облака в виде изолиний.
Определение концентраций загрязняющих примесей может осуществляться совместным использованием DIAL CО2 и DIAL Ti:
3
6
2
2
3
Sapphire лидар. Перестройка излучения лазеров в диапазоне длин волн позволяет определить большое количество различных примесей. Так CО2 лидар определяет NH, SF, HCN, фреоны, сильнодействующие ядовитые и отравляющие вещества. NLSapphire лидар определяет NO, SO, О, С1 и др. для выявление конкретной примеси требуется точно настроить лидар на необходимую длину волны.
2
Кроме рассмотренных режимов оператор может осуществить объемное сканирование. Для этого оператор в режиме телевизионного обзора выделяет на экране сектор с признаками кризисной ситуации, фиксирует стоп кадр или видеофрагмент (ведется запись на видеомагнитофон), грубо определяет азимут кризисной ситуации с помощью телевизионной камеры. Затем оператор осуществляет запуск секторного лидарного зондирования. С помощью лидара определяются точные значения азимута и дальности кризисной ситуации, осуществляется привязка лидарограммы к цифровому плану местности. Используя возможную априорную информацию (характеристики выброса) оператор запускает режим объемного секторного лидарного зондирования (по одному из ингредиентов выброса). Луч лидара (СО или Ti: Sappire, в зависимости от определенной примеси) с заданным шагом проходит весь исследуемый спектр. Это дает картину распределения исследуемой примеси в выделенном объеме. Этот объем также исследуется с помощью телевизионной камеры, работающей в режиме тепловизора, что дает температурное распределение в выделенном секторе. Полученная лидарограмма секторного объемного зондирования закладывается на стоп кадр кризисной ситуации. Вся информация о кризисной ситуации используется для принятия решения по управлению о кризисной ситуации.
Предлагаемый мобильный лидарный комплекс позволяет оперативно определять: местоположение и оперативно отслеживать эволюцию естественных и искусственных аэрозольных образований в атмосфере (аэрозольный лидар); физическую структуру образований (капли жидкости, твердые кристаллические частицы и т.п.) (поляризационный лидар);
концентрацию газов в атмосфере, линии поглощения которых совпадают диапазонов излучения лазеров (DIAL) или коэффициенты обратного рассеяния которых имеют сильную спектральную неоднородность (DAS).
Комплекс полностью автономен и высокоавтоматизирован, имеет собственные энергоснабжение и климатическую установку.