CC BY
9
УДК 535.3
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ И СРЕД В ПРИЗЕМНОЙ ЗОНЕ ЛАЗЕРНОГО МОНИТОРИНГА
Александр Викторович Бритвин
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, старший научный сотрудник, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Арсений Викторович Поважаев
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, младший научный сотрудник, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Никита Сергеевич Никитенко
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, ведущий инженер, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Борис Викторович Поллер
Институт лазерной физики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 15 Б, зав. лабораторией, тел. (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Приведена лазерная система мониторинга запасов снега в бассейнах рек для прогнозирования паводковой ситуации. Приведены результаты расчетов разрешающей способности системы для контроля в ближней зоне, до 40 м, а также оценка разрешающей способности системы на трассе длиной 1600 м, имитирующей размещение оптического зонда в труднодоступной горной местности, для контроля лавин, оползней.
Ключевые слова: лазерный сканатор, угол расходимости, оптическая система.
CHARACTERISTICS OF THE OPTICAL-ELECTRONIC SYSTEM FOR INSPECTION OF MOVING OBJECTS AND ENVIRONMENT IN THE GROUND LASER MONITORING ZONE
Alexander V. Britvin
Institute of Laser Physics SB RAS, 15 B, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Senior Researcher, phone: (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Arseniy V. Povazhaev
Institute of Laser Physics SB RAS, 15 B, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher, phone: (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Nikita S. Nikitenko
Institute of Laser Physics SB RAS, 15 B, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Lead Engineer, phone: (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
Boris V. Poller
Institute of Laser Physics SB RAS, 15 B, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Head of Laboratory, phone: (383)330-71-20, e-mail: [email protected]
The laser system for monitoring the snow reserves in river basins to forecast the flood situation is provided. The results of calculations of the system resolution for monitoring in the near zone, up to 40 m, as well as the estimation of the system resolution on a 1600 m long track, simulating the placement of the optical probe in a remote mountainous area for monitoring the avalanches and landslides are provided.
Key words: laser scanner, divergence angle, optical system.
Введение
Надежность известных и разрабатываемых моделей прогноза паводковой ситуации напрямую зависит от оперативности и полноты сведений о запасах снега в бассейнах рек, кроме того имеет место быть трудность получения информации о запасах снега в отдаленной и в горной местности [1, 2].
Известные методы оценки запасов снега сводятся к наблюдениям на метеопостах или к выездам групп в отдельные районы для ручного замера уровня снега с помощью снегомерных зондов. Для поведения измерений на метеопостах в г. Томске (Институт мониторинга климатических и экологических СО РАН) разработан метод измерения уровня снега на основе электронных интегральных датчиков температуры, размещенных на зонде, с возможностью беспроводной передачи информации, получаемой с датчиков [3]. Однако этот метод требует размещения электронных устройств и источников питания на зонде и зависит от теплопроводности несущей конструкции зонда и окружающей среды.
Методы и материалы
Развиваемый метод лазерного мониторинга основан на использовании лазерного сканирования заданной зоны площадью S, на которой размещены на определенных расстояниях L, N вешек высотой F с установленными на них к сегментированными отражателями с определенными размерами и площадью b. В такой конфигурации уровень снега Н сн определяется по величине отраженного лазерного сигнала Ротр от не засыпанных снегом отражателей кчист:
А ютр = WPo (Ькчист)
где W - оператор, учитывающий характеристики распространения и отражения лазерного сигнала P0 в определенных погодных условиях на трассе R от вешки до лазерного излучателя.
При использовании системы сканирования с многоэлементным фотоприемным устройством уровень снега будет равен:
Н = к - к
11 ¡сн Л Лчист
При этом точность измерения уровня снега будет зависеть от соотношения количества отражателей к к высоте F. Чем больше это соотношение, тем выше точность определения уровня снега.
Оперативное размещение вешек в зоне и затем лазерный мониторинг могут производиться с использованием БПЛА, как это показано на рис. 1.
При этом мониторинг может идти, как по видеоканалу оператором путем считывания отметок с вешек, так и путем лазерного сканирования зоны с вешками и накоплением данных в памяти сканатора, либо с передачей данных оператору по беспроводному каналу связи. При необходимости, для подсветки вешек, БПЛА может быть оснащен управляемым отражателем лазерного луча от излучателя, находящегося у оператора. Лазерный приемник может располагаться на БПЛА.
Вполне очевидно, что такой метод дает возможность оценивать средний уровень снега в труднодоступных местах и, например, в лавиноопасных местах в горной местности.
Для уточнения требований к лазерным устройствам мониторинга уровня снега и интенсивности таяния снегов на территории обсерватории «Кайтанак» в августе 2017 г. был установлен испытательный стенд, состоящий из 9 вешек с сегментированными отражателями для проведения контроля в зоне 40 м, а также сегментированный отражатель повышенной площади для контроля в зоне 1600 м. С помощью лазерной аппаратуры «БТАШЬА» в зоне 40 м была выставлена с точностью до 1 см лазерная плоскость параллельно земле с неровным рельефом, и относительно плоскости были размещены вешки с сегментированными отражателями, что позволило оценивать уровень снега данным методом на неровном рельефе. Контроль уровня снега производится
ЛС
Рис. 1. Лазерный мониторинг уровня снега с БПЛА: ЛС - лазерный сканатор; ВК - видеокамера
как визуально, так и с помощью цифровых фотографий и лазерного фотоприемника, построенного на базе многоэлементного фотоприемного устройства 811638 японской компании «Иашаша1ви». Снятие данных с фотоприемника и передача их в персональный компьютер производились при помощи разработанного блока управления фотолинейкой. На персональном компьютере была запущена управляющая программа, при помощи которой производилось построение теневой диаграммы фотолинейки и велась непрерывная запись данных в файл.
Основные технические характеристики лазерного фотоприемника:
1) напряжение питания, В - 5;
2) общий потребляемый ток, мА - 80;
3) частота опроса фотолинейки, Гц - 4800;
4) количество фотоэлементов - 2048;
5) размер одного фотоэлемента, мкм - 14 х 42.
В качестве БИ использовался полупроводниковый лазер АТС8000 со схемой накачки, обладающей следующими параметрами:
1) напряжение питания, В - 12;
2) потребляемый средний ток, мА - 200;
3) длительность излучаемых импульсов, мкс - 50;
4) частота излучаемых импульсов, Гц - 1000;
5) импульсный ток лазера, А - 7,8.
Испытания такого приемника на обсерватории «Кайтанак» в 2016 г. показали возможность оценивать размеры объектов на расстоянии 40 м с точностью около 1 мм.
Схема расположения вешек с сегментированными отражателями в области 40 м показана на рис. 2. Все вешки ориентированы сегментированными отражателями на максимальное отражение лазерного луча подсветки сканатора.
На рис. 3 изображены сегментированные отражатели, которые используются для измерения уровня снега на полигоне в зоне 40 м (а) и для экспериментальной оценки энергетики мониторинга на расстоянии 1 600 м (б).
Суммарная площадь отражателя, предназначенного для работы на 1600 м, составила около 450 см , отношение размера отражателя к длине трассы составило 1,875 10 - 4, угол наклона трассы 3,6°.
Функциональная схема определения разрешающей способности для данной трассы изображена на рис. 4.
При такой схеме, зная, что фокусное расстояние телескопа ТАЛ1-М составляет 808 мм, получаем, что угол поля зрения будет равен 1,02°.
На расстоянии 1600 м, характерный размер зоны сканирования будет составлять:
X = 2 х Ь х 1£(а) = 2 х 1600 х 1§(1,02) = 56 м
Тогда разрешающая способность такой системы окажется равной 27 мм.
Рис. 2. Схема расположения вешек на полигоне «Кайтанак»
для контроля зоны 40 м
а) б)
Рис. 3. Сегментированные отражатели:
а) для контроля уровня снега в зоне 40 м; б) для экспериментальной оценки энергетики мониторинга на расстоянии 1 600 м
Излучатель АТС8000
Телескоп ТАЛ1-М
Сегментированный отражатель
Многоэлементный фотоприемник
>
ПК
1600 м
Рис. 4. Функциональная схема определения разрешающей способности
фотоприемника для трассы 1600 м
Заключение
Таким образом, показано, что использование разработанного многоэлементного фотоприемника, позволяет достичь разрешающей способности в несколько десятков миллиметров на трассах длиной вплоть до нескольких километров.
Данное техническое решение может использоваться для дистанционного мониторинга уровня снега в труднодоступных местах, в лавиноопасных областях и в зонах оползней. Результаты измерений, могут быть использованы для создания методов прогнозирования паводковой ситуации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Владимиров В. А., Козубай М. П., Прокошев В. Г. и др. Прогнозирование уровня весенних паводков и мониторинг зон затопления на основе ГИС-технологий и систем искусственного интеллекта (ЦСИ ГЗ МЧС) // Стратегия гражданской защиты: проблемы и исследования. - 2012. - Т. 2, № 2. - С. 519-540.
2. Ромасько В. Ю., Бураков Д. А. Мониторинг снежного покрова речных бассейнов // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. - 2017. -Т. 10, № 6. - С. 704-713.
3. Кураков С. А. Пат. 2617146 Российская Федерация, МПК 001'^/14. Датчик уровня высоты снежного покрова для оценки лавинной опасности; патентообладатели Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН). -№ 2015144845; заявл. 19.10.2015; опубл. 21.04.2017, Бюл. № 12.
REFERENCES
1. Vladimirov, V. A., Kozubay, M. P., Prokoshev, V. G., et al. (2012). Prognostication the level of spring floods and monitoring flood zones based on GIS-technologies and artificial Intelligence systems. Strategiya grajdanskoi zachshity: problemy i issledovaniya [Civil Defense Strategy: Problems and Research], 2(2), 519-540 [in Russian].
2. Romasko, V. U., & Burakov, D. A. (2017). Monitoring of the snow cover of river basins. Jurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Seriya: Tehnika i tehnologii [Journal of Siberian Federal University. Series: Engineering and Technology], 10(6), 704-713 [in Russian].
3. Kurakov, S. A. (2017). Patent RF No 2617146. Tomsk: IP Russian Federation.
© A. B. Epumeun, A. B. noeawaee, H. C. HuKumeHKO, E. B. nomep, 2018
