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):

• 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.