CC BY
29ISSN G868-5886
НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2GG2, том 12, № 4, с. 81-86
- 25 лет Институту аналитического приборостроения РАН
УДК551.510: 551.521.3
© В. В. Акулиничев, И. В. Курнин, Е. Г. Курочкина
ЛИДАР С БЕЗОПАСНЫМ ДЛЯ ЗРЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЕМ
На основе Er-лазера с излучением, безопасным для глаз (длина волны излучения 1.54 мкм), создан лидар, предназначенный для детектирования дымов и других примесей в воздухе. Показано, что в зависимости от рассеивающих свойств дыма возможна его регистрация на расстояниях до 10-12 км.
ВВЕДЕНИЕ
С появлением лазеров и построенных на их основе приборов дистанционного контроля нового типа — лидаров (от английского. Light Detection and Ranging) появилась возможность решения различных экологических задач, связанных с дистанционным контролем окружающей среды. Областями применения таких лидаров являются: наблюдение атмосферных взвесей; неспецифическая идентификация аэрозолей, других примесей, прозрачных или не отражающих в радиочастотном диапазоне; определение их физико-химических характеристик; обнаружение летучих взвесей техногенного или природного происхождения (дымы, производственные выбросы); обнаружение в воздухе различных объектов (стаи птиц, воздушные зонды); высокоточная дальнометрия и т.д. И конечно, одной из самых актуальных задач является раннее обнаружение лесных пожаров и их повторных возгораний [1, 1а, 2].
Развитие лазерной техники позволило использовать для таких лидарных систем излучение, относительно безопасное для глаза человека, например с длиной волны 1.54 мкм. Существуют различные способы получить такое излучение: параметрическая генерация [3], вынужденное комбинационное рассеяние в сжатом метане импульсов Nd:YAG-лазера [4] или использование в качестве активного элемента лазера Бг-стекла [5]. Так как первые два варианта дают импульсы существенной нестабильности, то наиболее предпочтительным представляется третий.
Для решения таких задач предназначена лидар-ная система, разработанная и созданная в ИАнП РАН совместно с ООО "Мультитех" [6]. Отличительными особенностями этой системы являются: невидимый и безопасный для зрения инфракрасный диапазон излучения лазерного источника; компактность и легкость всей конструкции, которые делают ее наиболее пригодной для оперативного экологического мониторинга, требующего использования портативных и переносных установок, исключающих возможность травм и пораже-
ний обслуживающего персонала и посторонних лиц.
В состав устройства входит лазерная система LID-Er (источник лазерного излучения с блоком питания), система приема и регистрации рассеянного лазерного излучения, состоящая из телескопической оптической системы, фотоприемника и системы визуального наведения на объект. Задачи мониторинга окружающей среды, как правило, не требуют применения излучателей с высокой частотой повторения импульсов, что позволило отказаться от системы принудительного охлаждения лазерной головки. Это существенно повысило компактность лазерного блока. Отраженное от объекта или рассеянное лазерное излучение с длиной волны около 1.5 мкм попадает в приемный тракт (телескопическая система). После прохождения приемника (лавинный фотодиод) сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь (ПУПСИК) и обрабатывается на ПК в реальном масштабе времени.
ЛИДАРНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА LID-Er
Лидарная лазерная система LID-Er состоит из компактного источника лазерного излучения и блока питания (LID-Er Driver), позволяющего осуществлять простое и надежное управление излучателем. Источник питания допускает дистанционное управление лазером от ПК через интерфейс.
Источник излучения представляет собой твердотельный лазер с ламповой накачкой. Активный элемент лазера — эрбиевое стекло. Длина волны излучателя — 1.54 мкм лежит в диапазоне, безопасном для зрения человека.
Лазер управляется затвором на вращающейся призме. В процессе работы сигнал с вращающегося затвора периодически поступает на источник питания, который вырабатывает импульс запуска лазера. Внутри блока лазера расположен дополнительный контрольный фотодиод, который в момент вырабатывания лазерного импульса посылает
ев
о
л
ч
с
8
и
Л
X
О
а
ев
О
л
ч
с
8
и
Л
X
О
Номера режимов
б
а
//' А
^И>ыш
41*
200 300 400 500
Время, нс
и
а
<и
X
(П
«
о
X
ев
ч
«
ч
о
б
Напряжение накачки, В
Диафрагма, мм
Рис. 2. Параметры лазерного импульса: а — длительность, б — расходимость
Рис. 1. Зависимость энергии импульса лазера а — от режимов вращения призмы, модулирующей лазерное излучение; б — от напряжения накачки
сигнал на источник питания. Этот же сигнал играет роль импульса синхронизации. Зависимости энергии выходного импульса от параметров (режимов) вращения призмы и напряжения накачки представлены на рис. 1, а и б. Энергия лазерного импульса измерялась калориметром ИМО-2Н. Длительность генерируемого импульса и его расходимость представлены на рис. 2, а и б. Расходимость лазерного излучения определялась методом диафрагм.
Низкая частота следования выходных импульсов определяет малое тепловыделение излучателя, что позволяет ограничиться естественным охлаждением лазера и отказаться от установки охлади-
тельных систем. Это дает возможность расположить накопительные конденсаторы, разрядную цепь и лампу накачки в одном компактном корпусе, что существенно снижает влияние радиопомех.
В лазерной головке помещается также вспомогательный диодный лазер с автономным питанием от батарейки и выключателем, который создает луч-пилот для наведения и юстировки лидара.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ
Лазерная головка
Длина............................ 152 мм
Ширина............................. 80 мм
Высота.......................... 45 мм
Масса........................... 0.5 кг
Рис. 3. Схема приемной системы лидара.
А — труба телескопа с главным зеркалом и наклонным зеркалом.
B — система регистрации с полупрозрачным зеркалом, светофильтром, фокусирующей линзой и фотоприемником.
С — система визуального наведения на объект.
1 — главное зеркало, 2 — наклонное зеркало, 3 — дихроичное наклонное зеркало, 4 — диафрагма, 5 — узел светофильтра, 6 — фокусирующая линза, 7 — узел фотоприемника, 8 — окуляр визуального канала приемной системы, 9 — объектив системы визуального наведения, 10 — визирная сетка, 11 — окуляр
б
Длина волны излучения.............. 154 мкм
Максимальная энергия импульса...... 12 мДж
Длительность импульса.............. ~ 30 нс
Максимальная частота следования .. 5 имп /мин Теоретическая дифракционная
расходимость пучка....................3.76 мрад
Реальная расходимость пучка (90 %).. 3.84 мрад
Импульсный источник питания (ИП) ЬГО-Ег позволяет осуществлять питание и управление всеми функциями лазерной головки лидарного комплекса. Питание ИП осуществляется стандартным сетевым напряжением 220 В, 50/60 Гц или постоянным напряжением 12 В. ИП состоит из зарядного устройства и микропроцессорной системы
управления вращением призмы. ИП оснащен блоками светодиодной индикации работы лазера и возможных неисправностей, возникающих в процессе его работы, а также жидкокристаллическим дисплеем, с помощью которого контролируются и задаются необходимые параметры выходного сигнала.
Параметры блока питания ЬГО-Ег
Длина....................... 250 мм
Ширина...................... 190 мм
Высота..........................80 мм
Масса............................2 кг
Напряжение питания ИП.......~220 В, 50/60 Гц,
.... +12 В
Приемная система
Приемная система лидарного комплекса выполнена на базе телескопа ТАЛ-1. В состав телескопа конструктивно входит система визуального наведения. Рассеяннное лазерное излучение фокусируется телескопом на приемник (лавинный фотодиод ЛФД-2) с коэффициентом усиления предусилителя 100 и полосой частот пропускания усилителя 30 МГц. Для визуального наблюдения и юстировки лидара с системой фотоприема совмещен объектив с фокусным расстоянием 25 мм. Схема приемной системы представлена на рис. 3.
Телескоп ТАЛ-1
Телескоп ТАЛ-1 состоит из следующих основных частей:
— телескоп;
— система визуального наведения, 6 х;
— окуляр, :Г =25 мм, 1.25";
— штатив с поворотной системой;
— опора телескопа;
— суппорты (3 шт.).
Параметры телескопа:
Диаметр главного зеркала...........
Диафрагменное число
главного зеркала......................
Фокусное расстояние................
Увеличение с 25 мм окуляром........
Увеличение с 15 мм окуляром........
Телесный угол (при увеличении 32х)
Телесный угол (при увеличении 54)
Разрешение.........................
Угол зрения системы наведения......
Увеличение системы наведения.......
Габариты телескопа:
Длина................................ 885 мм
Ширина.............................. 800 мм
Высота в рабочем положении.......... 1650 мм
Масса не более......................20 кг
110 мм
f / 7.3 805 мм
28 мрад 1.4 мрад 1.3"
8 '
х
ПРИМЕНЕНИЕ ЛИДАРНОЙ СИСТЕМЫ
Для предварительного тестирования созданной лидарной системы исследовались импульсы, отраженные от дымящей трубы, расположенной на известном расстоянии. Полученные сигналы представлены на рис. 4, а (в ясную погоду) и б (во время снегопада). Во втором случае отчетливо виден сигнал от падающего снега.
Возможности созданной лазерной системы можно проанализировать теоретически. Мощность отраженной лазерной энергии, дошедшая до приемной системы лидара, представляется выражением [7]
Рг = Е{ ■ (с -п ■ В2 /8К2) ■ткх ■ттх х
к
х ехр(-2|а(г)дг) -(Р(Я)), (1)
0
где Е\ — выходная энергия лазерного импульса,
120-=
100-^ -1 80~ | 605 -о £ 40- О е 20- 0- і', I і і І І І/ і ,І\ і\ л/ 'УіГ, и І а V № \\ггЛчп~
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Расстояние (т)
— 200 о; а> а — 150 § X |_ і б
^ 1<Ю Н О Ь І \ і Ч І і
50 0 : ^ і \ ї І ^ гД4‘и' ■ 1 і '! !І ьи , і \ V,
0 50 100 150 200 250 |^і і '1 300 350 400
Расстояние (т)
Рис. 4. Тестовая регистрация сигнала лидара а — при ясной погоде, б — при снегопаде
c — скорость света, {в( R)) — средний коэффициент рассеяния назад на пути распространения луча до расстояния R, D — диаметр эффективной площадки приемника, ttx и trx — соответственно эффективности излучателя и приемника, а а — коэффициент поглощения. Отношение сигнал/шум (SNR) представляется выражением [8]
P
SNR =----------------^-------------, (2)
Pth + Pa + Pdark + Pshot + Pback
где Psig — мощность детектируемого электрического сигнала, Pth — мощность тепловых шумов, Pa — мощность шумов усилителя, Pdark — мощность темнового тока, Pshot — мощность дробового шума, Pback — мощность фоновой засветки. Выражения для Psig, Pth, Pa, Pdark, Pshot, Pback приводятся в [7, 8]. Поскольку выражение (2) характеризует способность приемной системы выделить пришедший сигнал, а (1) определяет мощность этого сигнала, то отсюда можно определить условия обнаружения в зависимости от рассеивающих свойств объекта и расстояния до него. Для параметров нашего лидара получаются следующие результаты. Фиксируем для надежного обнаружения сигнала SNR на уровне 10. Для значений коэффициента рассеяния в
в = 1.2 -10-1 м астер-1 — для случая горения нефти со средней концентрацией частиц продуктов горения 1.3- 108 см-3 размером 0.12 мкм [9];
в = 1.3 -102 м_1стер-1 — для случая горения древесины со средней концентрацией частиц продуктов горения 3.8 - 107 см-3 размером 0.19 мкм [10];
в = 6.6 -10-3 м-1стер-1 — для случая горения древесины со средней концентрацией частиц продуктов горения 3.8 - 107 см-3 размером 0.12 мкм [11];
в = 3.6 -10-4 м 'стер 1 — для случая горения древесины со средней концентрацией частиц продуктов горения 1.9 109 см-3 размером 0.05 мкм [10] — находим в зависимости от расстояния до объекта величину превышения регистрируемого сигнала над минимально возможным для обнаружения (см. таблицу).
Отношение уровней регистрируемого сигнала ли-дара к минимально обнаруживаемому
R, км в, м 1 стер 1
1.2 -10-1 1.3-10-2 6.6-10-3 3.6 -10-4
1.5 1914 207 105 5.7
3 354 38 20 1.1
5 85 9.2 4.7 0.26
12 3.7 0.4 0.2 0.01
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, предлагаемая лидарная система может быть использована для дистанционного обнаружения на местности локализованных в пространстве летучих взвесей (дым пожаров, производственные выбросы), неспецифической индикации аэрозолей, обнаружения вне зависимости от времени суток в воздухе объектов (стаи птиц, воздушные зонды). Дальность действия лидара может составлять 1012 км в зависимости от параметров регистрируемого объекта и погодных условий. Невидимый и безопасный для зрения инфракрасный диапазон излучения, вырабатываемого лазерным источником, компактность и легкость всей конструкции делают ее наиболее пригодной для оперативного экологического мониторинга, требующего использования портативных и переносных установок, исключающих возможность травм и поражений обслуживающего персонала и посторонних лиц.
Авторы выражают искреннюю и глубокую благодарность проф. Р. Вилару (Instituto Superior Tec-nico, Lisboa, Portugal) и д-ру А.В. Лаврову (РНЦ "Прикладная химия", Санкт-Петербург, Россия).
Работа выполнена при поддержке фонда INTAS, грант INTAS-99-1634.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Vilar R., Lavrov A. // Proc. SPIE. 1999. V. 3868. P. 473-485.
1а. Vilar R., Lavrov A. // Appl. Phys. 2000. V. B71. P. 225-229.
2. Utkin A., Lavrov A., Costa L., Simoes F., VilarR. // Appl. Phys. 2002. V. B74. P. 77-83.
3. Overbeck J.A., Salisbury M.S., Mark M.B., Watson E.A. // Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 7724-7729.
4. Акулиничев В. В., Горбунов В. А., Пивин-ский Е.Г. // Квант. электроника. 1997. Т. 24. С.362-366.
5. Garnish W., Trickl T. // Rev. Sci. Instrum. 1994. V. 65. P.3324-3329.
6. http://www.laser-design.com
7. Youmans D.G., Garner R., Peterson K.R. // Industrial Application of Laser Radar / Ed. by Kamerman G.W., Keicher W.E. (Proc. SPIE). 1994. V. 2271. P. 13-28.
8. Yariv A. Optical Electronics. Sanders College Publishing. 1991.
9. Benech B., Dinh P.V., Ezcirra A. // Atmos. Envir. 1988. V.22.P.1071-1078.
10. Hueglin C., Gaegauf C., Kunzel S., Burtscher H. // Environ. Sci. Technol. 1997. V. 31. P. 34393444.
11. Stith J.L., Radke L.F., Hobbs P. V. // Atmos. Environ. 1981. V. 15. P. 73-81.
Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург
Материал поступил в редакцию 12.08.2002.
EYE-SAFE LIDAR
V. V. Akulinichev, I. V. Kurnin, E. G. Kurochkina
Institute for Analytical Instrumentation RAS, Saint-Petersburg
A LIDAR system based on Er-laser with eye-safe radiation (the wavelength is 1.54 ^m) has been created and tested for smoke and other pollution in air. Both theoretical estimations and preliminary experiments show that the needed signal registration may be possible at 10-12 km depending on smoke scattering parameters.
