CC BY
149
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛЕСА
ЛИДАРНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ВОЗДУШНОГО БАССЕЙНА
крупного промышленного центра в условиях чрезвычайной ситуации
B. Д. БУРКОВ, проф. каф. ИИС и ТПМГУЛ, д-р техн. наук,
C. В. ПЕРМИНОВ, научн. сотр. каф. ИИС и ТП МГУЛ, канд. техн. наук,
Д.Г. ЩУКИН, асп. каф. ИИС и ТП МГУЛ,
В.С. ШАЛАЕВ, проф., директор ИСИЛ МГУЛ, д-р техн. наук
Лидарные методы измерения параметров атмосферы на сегодняшний день представляются одними из наиболее перспективных для дистанционного оперативного контроля, а также краткосрочного прогнозирования состояния воздушного бассейна в районах аварий на крупных промышленных объектах, содержащих запасы ядовитых веществ в жидком и газообразном состоянии [1, 2]. Высокое пространственное и временное разрешение, оперативность и возможность исследовать большой сектор пространства выделяют эти методы среди существующих методов диагностики окружающей среды. Существенным преимуществом методов лазерного зондирования атмосферы по сравнению со стандартными методами, помимо указанных выше, является то, что первые позволяют определять ряд важных параметров атмосферы, которые не измеряются стандартными методами. Это относится, прежде всего, к компонентам индустриального происхождения, т.е. загрязнителям атмосферы.
Разработанный передвижной лидарый комплекс, входящий в состав автоматизированной системы дистанционного контроля и экомониторинга воздушного бассейна крупного промышленного центра, позволяет проводить дистанционные измерения в районе чрезвычайной ситуации. Аппаратура передвижного комплекса размещена на автомобильном носителе, оборудованном системами автономного электропитания и жизнеобеспечения. Общая структурная схема передвижного лидарного комплекса показана на рис. 1.
В состав комплекса входят две лидарные системы: инфракрасный гетеродинный лидар (ИКГЛ) и импульсный лидар ВУФ диапазона, имеющие общую оптическую систе-
av60017@comtv. ru
му наведения и приемный телескоп. Диаметр приемной апертуры оптической системы составляет 0,4м. Система наведения обеспечивает сканирование всей верхней полусферы со скоростью до 3 град/с, при точности позиционирования 10’. Переключение режимов работы лидара осуществляется поворотным зеркалом, расположенным внутри телескопа. Такая компоновка системы позволяет уменьшить объем, занимаемый аппаратурой, и повысить надежность эксплуатации. Вычислительно управляющий комплекс, являющийся общим звеном обеих лидарных систем, позволяет осуществлять управление работой измерительного комплекса и оперативно получать лидарную информацию. Полученные результаты заносятся в память компьютера и могут быть переданы в центр управления. Система кондиционирования воздуха позволяет поддерживать оптимальный температурный режим работы аппаратуры. Оперативная связь осуществляется посредством сотовой телефонной связи, которая позволяет также передавать компьютерные данные. Две ли-дарные системы, работающие в различных спектральных диапазонах, основанные на разных принципах действия, позволяют получать наиболее полную информацию о зоне поражения.
ИКГЛ представляет собой непрерывный гетеродинный лидар дифференциального поглощения. Длины волн зондирования данной системы находятся в ИК-диапазоне (9-11мкм). Принцип работы измерительного комплекса заключается в зондировании участка атмосферы сфокусированным пучком когерентного оптического излучения. Излучение рассеивается содержащимися в воздухе частицами аэрозоля во всех направ-
46
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МОБИЛЬНОГО Л И ДАРА
0ч
х
о
5
СО
04
5 X
со
X
о
о.
ф
5
Оч
X
0
5
0
о;
х
X
0
о
о.
0
5
к
с:
Рис. 1. Структурная схема мобильного лидара
лениях. Гетеродинный метод приема обратно рассеянного сигнала позволяет обнаруживать изменение частоты излучения, вызванное доплеровским эффектом от рассеяния на атмосферных частицах, что лежит в основе метода измерения скорости ветра. Из регистрируемого когерентным лидаром эхосигнала можно получить оценку радиальной составляющей скорости ветра, турбулентности воздушного потока, концентрации и размеров частиц аэрозоля. Перестройка лидара по дальности осуществляется перефокусировкой выходного излучения, что перемещает область перетяжки, из которой принимается сигнал. Лидар позволяет получать вертикальный профиль вектора скорости ветра (ВСВ) и турбулентности атмосферы в зоне аварии, а также степень загрязненности атмосферы аэрозольными частицами, на расстоянии до
2 км от измерительного комплекса. Для определения ВСВ использован алгоритм последовательного измерения проекции скорости по трем направлениям. Данный метод подробно анализируется в [3]. Для его реализации измеряются проекции скорости ветра по трем неколлинеарным направлениям. По измеренным значениям проекций ВСВ и углов выставки луча определяются три ортогональные составляющие ВСВ в земной системе координат. Для определения ВСВ проекции измеряются послойно. Диапазон измерения радиальной составляющей скорости ветра от 0,5 до 50м/с. Время проведения измерения одного вертикального профиля ВСВ не превышает 15 мин. Примеры измерения ВСВ приведены на рис. 2. Измерения проводились по одному алгоритму через определенные промежутки времени. Графики показывают
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013
47
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Зависимость скорости ветра от высоты
Рис. 2. Профили скорости ветра, измеренные ИКГЛ
динамику изменения скорости ветра с течением времени, в продолжение суток. Наблюдается сильная изменчивость ВСВ в нижнем слое измерений (до 250 м), что обусловлено нестабильностью ветрового потока в приземном слое, при высокой повторяемости результатов в верхних слоях измерительной области. В системе также реализован принцип дифференциального поглощения для измерения концентрации газовых примесей в атмосфере, описанный в ряде монографий, напр. [2]. Для измерения концентрации NH3 выбрана пара близкорасположенных длин волн генерации двух CO2 лазеров (10,6/10,716 мкм), один из которых настроен на линию поглощения аммиака (А, = 10,716 мкм), другой - на длину волны (А = 10,6 мкм), где поглощение практически отсутствует, позволяет одновременно с ВСВ проводить измерение концентрации аммиака на расстоянии до 3 км от измерительного комплекса. Одновременный прием и обработка сигнала по двум каналам позволяет исключить влияние временной нестабильности атмосферы. Таким образом, одновременно с ВСВ проводится измерение концентрации аммиака. Возможен также алгоритм панорамных измерений. Система позволяет проводить измерения в широком диапазоне измерений концентраций от 100мг/м3 до 40г/м3 (что соответствует от 5 до 2000 ПД-К ). Время измерений концентрации газа по
р3
трассе зондирования в пяти точках не более 60 с.
Импульсный лидар ВУФ диапазона позволяет проводить измерения концентра-
ции атмосферных загрязнителей (Cl2, NO2, О3 и др.) методом прямого детектирования, при этом одновременно получается информация об аэрозольном загрязнении. Принципы построения таких лидаров изложены в [4]. Появление нового класса твердотельных перестраиваемых лазеров открыло новые возможности импульсных лидаров. Новые лазеры имеют большой диапазон перестройки, простоту перестройки, при высокой энергии импульса [5]. В состав системы входят: лазерный излучатель с компьютерным управлением на основе импульсного перестраиваемого титан-сапфирового лазера с нелинейным преобразованием частоты генерации, блок калибровки длин волн и энергии выходного излучения, блок оптической фильтрации, детектор приемного излучения на основе ФЭУ Оптическая накачка перестраиваемого лазера осуществляется второй гармоникой Nd:YAG лазера. Предусмотрено расширение перечня исследуемых газов, спектры поглощения которых лежат в диапазонах перестройки лазера. Импульсный лазер позволяет получать излучение в следующих диапазонах длин волн: 750-900 нм (базовое излучение титан-сапфирового лазера), 450-480 нм (оптическое смешение базового излучения с излучением Nd: YAG лазера, работающим на длине волны 1064 нм.), 375-450 нм (вторая гармоника базового излучения), 280-305 нм (оптическое смешение излучения второй гармоники с излучением лазера накачки).
Зондирование атмосферы осуществляется на двух длинах волн последовательно.
48
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
2050
1850
. 1650 /
ш 1450 * W
^ К 1250
4 1050
1, > Шг * 850
650 + Уровень1—1000 + Уровень1=-2200 + Уровень2=-3400 + Уровень3=-4600 + Уровень4—5800
450
250
50
-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000
Рис. 3. Панорама распределения аэрозоля, полученная с помощью импульсного лидара в режиме обнаружения аэрозольного загрязнения. Время съемки 1,5 мин
СЗ
н
о
о
3
«
3600
3100
2600
2100
1600
1100
600
100
Вертикальное сечение содержания аэрозоля в атмосфере
1000 2000 3000 4000
расстояние (м)
0
■ Уровень1=1.5
■ Уровень2=2.5
■ Уровень3=3.5
■ Уровень4=4.5
■ Уровень5=5.5
Рис. 4а. Панорама распределения аэрозоля, полученная с помощью импульсного лидара в режиме измерения концентрации аэрозоля
После каждой пары импульсов производит- фильтрацией данных. В целях уменьшения
ся съемка фонового сигнала. Синхронизация работы системы осуществляется по сигналу фотодиода, установленного в блоке калибровки, куда отводится часть выходного излучения. Поскольку период следования импульсов (частота повторения импульсов 16 Гц) превосходит время стабильности атмосферы, для восстановления профиля концентраций применен метод накопления с последующей
погрешностей измерений применен регуля-ризующий алгоритм вычисления производных, входящих в уравнение концентраций. В системе реализована также обработка лидар-ных данных в режиме вычисления профиля атмосферного аэрозоля методом интегрального накопления. На рис. 3, 4, 5 приводятся примеры лидарных измерений загрязнения атмосферы. Максимальная дальность дейс-
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2013
49
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
Содержание двуокиси азота по горизонтальной трассе
Рис. 4б. Распределение концентрации NO2 по трассе зондирования, полученно на мобильном лидаре
твия лидара достигает 5 км, с разрешением по дальности 15 м. На рис. 3 показан разрез дымового шлейфа, снятый в режиме быстрого сканирования (время съемки панорамы составило 1,5 мин). Данный режим позволяет обнаруживать области аэрозольного загрязнения и отслеживать их динамику в реальном времени. Для определения относительной концентрации частиц аэрозоля и концентрации загрязняющих веществ используется режим измерения. На рис. 4а показана панорамная съемка в режиме измерения относительной концентрации частиц аэрозоля в условно чистой атмосфере, градации цвета отображают уровни загрязненности. Результат измерений концентрации примеси NO2 в атмосфере по трассе зондирования отображен на рис. 4б. Измерения проводились в чистой атмосфере, в условиях фоновых концентраций загрязнителя. График отображает фоновую концентрацию NO2 на уровне 50ррв, сравнимую с ПДКмр(NO2) = 40ррв, в то время как ПДК более чем в 50 раз превосходит измеренное значение. Время измерения по одному направлению составило 15 с.
Незначительные доработки систем позволят увеличить количество обнаруживаемых загрязняющих веществ до 10. Так, с помощью ИК гетеродинного лидара в диапазоне длин волн 9-11 мкм возможно обнаружение загрязнений сложными молекулами органического и неорганического происхождения, имеющими линии поглощения в ИК-
диапазоне (NH3, фреон, акролеин и др.)(6). В то время как импульсный лидар позволит контролировать наличие примесей простых молекул в атмосфере, таких как NO2, SO2, O3, галогены, формальдегид и др. Сопоставление аэрозольных данных, полученных на длинах волн от УФ до ИК диапазона, позволит определить распределение частиц по размерам, и их концентрацию в атмосфере.
Время развертывания системы позволяет оперативно менять точку наблюдения и проводить измерения в непосредственной близости от источника выбросов и отслеживать направление и скорость распространения облака с повышенной концентрацией загрязнителя.
Экипаж мобильного лидара состоит из 4-х человек, включая водителя. Время развертывания системы на местности составляет около 5 мин, при этом полный цикл измерений, включающий измерение ВСВ, секторную съемку, картирование концентраций NH3, CL2 и аэрозоля, составляет около 20 мин. Циклы измерений вредных примесей по трассе не превышают 1 мин. Данные измерения позволяют получать оперативную информацию о загрязнениях атмосферы в зоне чрезвычайной ситуации, что позволит контролировать ситуацию в зоне ЧС по измеряемым параметрам.
Таким образом, создан передвижной информационно-измерительный комплекс, включающий одно из самых современных средств дистанционного контроля состава
50
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2013
ИНСТИТУТ СИСТЕМНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ ЛЕСА
атмосферы крупных индустриальных центров в условиях чрезвычайной ситуации - ли-дар дифференциального поглощения. Данная система является уникальной по величине динамического диапазона, а также по оперативности, точности и достоверности получаемой информации. Комплекс позволяет проводить оперативные измерения содержания наиболее опасных для здоровья человека газов-загрязнителей (Cl2, NH3 и др.), находясь вне зоны их действия.
Наличие в составе комплекса двух средств измерения - импульсного лидара и непрерывного гетеродинного лидара инфракрасного диапазона значительно расширяет полосу рабочих длин волн, что значительно расширяет возможности системы.
Наличие в составе комплекса инфракрасного гетеродинного лидара позволяет наряду с контролем состава аварийного выброса проводить в реальном времени измерения метеопараметров атмосферы, таких как скорости воздушных потоков на различных высотах, степень их турбулентности. Данные измерения позволяют не только контролировать чрезвычайную ситуацию, но и прогнозировать ее развитие.
Рассмотренный передвижной лидар-ный комплекс, прошедший метрологическую аттестацию, может применяться для поверочных испытаний волоконного оптического ли-дара для контроля утечек газовых выбросов в задачах мониторинга атмосферы.
Библиографический список
1. Бурков В.Д. Нанотехнологии и проблемы экологического мониторинга / В.Д. Бурков, В.Ф. Крапивин // Вестник МГУЛ - Лесной вестник, 2011.
- № 3 (79) - С. 62-68.
2. Бурков В.Д. Оптические методы контроля утечек газовых выбросов в задачах мониторинга атмосферы / В.Д. Бурков, Д.Г. Щукин // Вестник МГУЛ
- Лесной вестник, 2012. - № 6 (89). - С. 4-17.
3. Бурков В.Д. Испытательный стенд для исследования оптических и волоконно-оптических приборов и систем / В.Д. Бурков, Д.Г. Щукин и др. // Вестник МГУЛ - Лесной вестник, 2012. - № 3 (86). - С. 180-184.
4. Зуев, В.Е. Лазерное зондирование индустриального аэрозоля / В.Е. Зуев, И.В. Самохвалов, Б.В. Кауль и др. - Новосибирск: Наука, 1986.
5. Лазерный контроль атмосферы, под общ. Ред. Е.Д. Хинкли. - М. Мир, 1979.
6. Kormakov A.A., Kosovsky L.A., Kurochkin N.N. Coherent CO2 lidars for wind velocity and atmospheric turbulence./opt. Eng./oct. 1994/V33 N10/p3206-3213.
ЗАДАЧА СИНТЕЗА ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ
в цифровых фазированных антенных решетках
В.Д. БУРКОВ, проф. каф. ИИС и ТПМГУЛ, д-р техн. наук,
П.В. МАРТЫНОВ, инженер ОАО «НПО ИТ»,
А.Е. ОРЛОВ, асп. каф. ИИС и ТП МГУЛ,
Ф.О. СУЛИМОВ, асп. каф. ИИС и ТП МГУЛ
syfo-dias@mail.ru, orlov1114@rambler.ru, fsul@mail.ru
В последнее время в связи с созданием многофункциональных радиоэлектронных средств различного назначения и значительным усложнением радиоэлектронной обстановки особую актуальность приобретают вопросы использования и размещения фазированных антенных решеток, обеспечивающих решение широкого круга задач на объектах-носителях. Широкое применение находят плоские ФАР, имеющие раскрыв с
произвольной формой границы, что обусловлено необходимостью размещения раскры-вов различных диапазонов на ограниченном участке поверхности, выделенном для антенных систем. Указанные ситуации возникают при установке антенн на кораблях, автомобилях и т.п. Другой особенностью, связанной с необходимостью работы ФАР в сложной помеховой обстановке, является формирование диаграмм направленности (ДН) с произволь-
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2013
51
