38945

Определение, назначение, действие, применение и классификация лидаров

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Действие лидара основано на таких свойствах лазерного излучения как высокая мощность квазимонохроматичность направленность и малая длительность импульсов и таких физических процессах как упругое молекулярное и упругое аэрозольное рассеяние упругое резонансное и неупругое комбинированное рассеяние флюоресценция и поглощение лазерного излучения при его взаимодействии с атомами молекулами и другими частицами веществ в окружающей среде. При распределении зондированного лазерного излучения ЛИ от передающего устройства лидара в исследуемой...

Русский

2013-09-30

244 KB

40 чел.

Определение, назначение, действие, применение и классификация лидаров.

Лидары – лазерные локационные оптико-электронные системы (ОЭС) активного типа, предназначенные для активного дистанционного зондирования окружающей среды с целью получения информации для решения  научных, военных, производственных, экологических и метрологических задач.

Исторически, название «лидар» соответствует латинской аббревиатуре «LIDAR» английского выражения «light identification, detection and ranging», то есть оптическое распознавание, обнаружение и локация (определение местоположения).

Действие лидара основано на таких свойствах лазерного излучения как высокая мощность, квазимонохроматичность, направленность и малая длительность импульсов и таких физических процессах как упругое молекулярное и упругое аэрозольное рассеяние, упругое резонансное и неупругое комбинированное рассеяние,  флюоресценция и поглощение лазерного излучения при его взаимодействии с атомами, молекулами и другими частицами веществ в окружающей среде.

При распределении зондированного лазерного излучения (ЛИ) от передающего устройства лидара в исследуемой среде образуется лазерный «след» за счет указанных физических процессов и возникает вторичное оптическое излучение, которое как лазерный локационный эхо-сигнал поступает на приемное устройство лидара, где регистрируется с помощью приемника оптического излучения (ПОИ) и подвергается обработке по определенным алгоритмам с целью получения данных о многих параметрах среды.

Например, при исследовании атмосферы Земли можно получить сведения о давлении, плотности, температуре, влажности, концентрации газов и частиц, размерах частиц, скорости ветра, турбулентных (вихревых) неоднородностей за счет хаотического движения воздуха верхней и нижней границы облаков и их стратификации (послойного распределения), содержание влаги в облаках и т.п.

Достаточно большое число параметров может быть определено и при исследовании лидаром гидросферы Земли: глубина водоема, плотность воды, замутненность, высота волн и т.д.

Таким образом, лидары как инструмент исследования окружающей среды является универсальным, кроме того, необходимо отметить высокую скорость лазерных исследований, так как ЛИ распределяется в среде со скоростью электромагнитных (э/м) волн (с = c0\n) и то, что при лазерном зондировании не происходит существенного возмущения исследуемой среды как при самолетном или ракетном зондировании атмосферы (при невысокой плотности ЛИ)

Универсальность лидаров позволяет использовать их для решения экологических и других задач. Применение лидаров для экологического мониторинга является многосторонним и имеет следующие основные направления:

  1.  Измерение концентрации основных и малых составляющих атмосферы Земли и, следовательно, контроль загрязнения атмосферы.
  2.  Определение  термических, структурных и динамических характеристик атмосферы и гидросферы Земли (океанов, морей, озер и рек), а также подстилающей поверхности Земли (суша, включающая пустыни, леса, поля и т.д.)
  3.  Регистрация пороговых концентраций определенных составляющих, что требуется в некоторых системах аварийного предупреждения о загрязнении.
  4.  Получение карт рассеивания сточных шлейфов и их эволюции во времени
  5.  Распознавание спектральных образов нефтяных пятен по их спектральным характеристикам.

Эти исследования с помощью лидаров могут проводиться дистанционно в реальном времени с неподвижных наземных и высотных платформ или с подвижных носителей (автомобилей, судов, вертолетов, самолетов и космических аппаратов) с получением в большинстве случаев пространственного и временного разрешения локационных сигналов от исследуемых участков окружающей среды за счет использования импульсных лазеров и импульсного режима работы приемных устройств лидаров.

Рассмотрим несколько конкретных примеров с применением лидаров для экологического мониторинга.

*** Лазерное дистанционное зондирование атмосферы Земли в настоящее время применяется как для контроля за химическим составом атмосферы так и для выявления границ областей загрязнения частицами дыма и твердыми промышленными выбросами.

В последнем случае используется явление отражения лазерного излучения от большого скопления аэрозольных частиц или твердых промышленных выбросов. Пример – лазерное зондирование дымового шлейфа судна с помощью лидара, установленного на борту исследуемого судна:

В таких лидарах чаще всего применяются импульсные твердотельные лазеры на кристаллах рубина или алюмо-иттриевых гранатх АИГ+Nd (неодим). Это объясняется тем, что аэрозольное рассеяние или отражение максимально при соизмеримости размеров частиц с длиной волны λи зондирующего ЛИ. Поэтому лазеры излучающие в видимом диапазоне (рубиновый лазер λи = 0,694 мкм) и ближнем ИК-диапазоне (ИАГ+Nd λи = 1,о64 мкм) наиболее подходят для определения частиц с размерами до 1 мкм. Кроме того импульс ЛИ распределяется с постоянной скоростью э\м волн в атмосфере Земли с = c0\nB = 1,0003 (для воздуха) и поэтому по времени его прохождения до аэрозольного образования и обратно к лидару, можно судить о расстоянии до этого образования. А по интенсивности принимаемого локационного сигнала оценивается концентрация аэрозоли в дымовом шлейфе. Дальность действия таких лидаров может составлять до нескольких сотен метров и более.

*** Если в лидаре используется лазер с перестраиваемой частотой или длиной волны зондирующего излучения υи = с\ λи, то лидар можно применять для лазерного химического анализа состава атмосферы Земли на основе эффекта комбинационного рассеяния молекулами химических соединений компонент атмосферы. При этом виде рассеяния во вторичном излучении появляются э\м колебания с новыми характерными для каких-либо соединений частотами или длинами волн.

Например, если при зондировании атмосферы Земли лазерным излучением рубинового лазера с λи = 0,694 мкм в спектре принимаемого излучения приемным устройством  лидара обнаружены э\м колебания с λк.р’. = 0,785 мкм и λк.р” = 0,798 мкм, то это свидетельствует о наличии в атмосфере молекул оксида азота NO и молекул оксида углерода СО соответственно. Сдвиг λ→Δ λк.р’ = λк.р‘-λи = 0,91 мкм соответствует частоте f’ = c/Δ λк.р‘ вращательно-колебательных энергетических переходов молекул NO, а сдвиг волны Δ λк.р.“ = 0,104 → f’ = c/Δ λк.р” вращательно-колебательных энергетических переходов  молекул СО.

Дальность действия лидаров такого типа практически составляет не более 300 метро в связи с малой интенсивностью вторичного излучения за счет эффекта комбинационного рассеяния.

Лидар с перестраиваемой λи зондирующего лазерного излучения может быть использован для химического анализа атмосферы Земли путем измерения интенсивности после прохождения исследуемой трассы.

Различные химические соединения газовых компонент атмосферы по-разному поглощают разное излучение с разной длиной волны. Причем для каждого химического соединения есть свои характерные длины волн. Например, СО2 имеет интенсивные линии поглощения оптического излучения с λи = 2,05; 2,6; 4,3; 4,8; 5,2; 9,4; 10,4 мкм и др.

Поэтому, исследуя зависимость интенсивности прошедшего в атмосфере Земли излучения к λи, можно по снижению интенсивности излучения с некоторой длиной волны судить о наличии определенного газа и его концентрации.

Если для зондирования атмосферы Земли лидары используются практически с момента создания импульсных лазеров (60-е годы XX века), то для исследования гидросферы их используют с 70-х годов XX века, а именно:

  1.  Для измерения глубины морей и океанов, озер при батиметрических (глубинномерных) исследованиях,
  2.  Для измерения параметров морского волнения,
  3.  Для исследования замутненности воды,
  4.  Для обнаружения подводных (в том числе плавающих) объектов – лодок, косяков рыб и нефтяных загрязнений вод,
  5.  Для определения областей скопления плавающих растительных организмов (фитопланктона) и определения содержания в них хлорофилла с целью выявления мест обитания рыбы,
  6.  Для индикации сильных органических загрязнений с целью наблюдения, рассеивания сточных шлейфов.

К числу наиболее  опасных загрязнителей гидросферы относятся нефть и продукты ее переработки. Ежегодно в моря и океаны попадает около 6 тонн нефти и нефтепродуктов. Эффективная борьба с нефтяными загрязнениями зависит от оперативности их обнаружения, для чего и используются лидары. Основной источник загрязнения – танкеры, промывающие водой емкости.

Допустим, что загрязнения нефтяной пленкой облучаются лазерным зондирующим излучением лидара, установленного на самолете.

При этом, ЛИ частично отразится от поверхности нефтяной пленки (стрелки 1-1), частично проникнет в пленку и поглотится в ней, остальная часть излучения попадет в чистую воду.

Если зондирующее ЛИ имеет соответствующую λи (обычно УФ), то возникнет флуоресценция нефтяного пятна (стрелки 2-2), а также комбинационное рассеяние ЛИ на молекулах нефти (стрелки 3-3) и молекулах воды (стрелки 4-4).

Регистрируя с помощью приемного устройства лидара спектр и интенсивность спектральных линий флуоресцентного излучения нефтяной пленки, можно установить наличие нефтяного загрязнения и определить его состав (различные виды нефти и нефтепродуктов флуоресцируют по-разному). Если исследовать еще и спектр вторичного излучения за счет комбинационного рассеяния, то можно определить и толщину пленки.

Лидары, использующие эффект флуоресценции, называются флюорометрами, которые также применяются и для обнаружения областей скопления фитопланктона и определения в них концентрации хлорофилла.

Например, если флюоресценция  происходит на λф = 0,68 мкм, то в данном месте находится жизнеспособный фитопланктон, так как «мертвый» фитопланктон утрачивает способность к фотосинтезу хлорофилла и флюоресцирует на других длинах волн.

Сканируя зондирующий лазерный луч по водной поверхности можно быстро определить границу участка богатого планктоном, жизнеспособность которого свидетельствует л  чистоте воды. А по интенсивности флуоресценции можно судить о плотности фитопланктона.

Эффект флюоресценции воды можно использовать для индикации сильных органических загрязнений и таким образом дистанционно наблюдать рассеивание шлейфов сточных вод.

О наличии на поверхности воды нефтяной пленки можно судить и по интенсивности отраженного излучения (стрелки 1-1). Объясняется это тем, что на λи от 10 до 12 мкм отражательная способность нефтяной пленки в 4-6 раз выше чем у воды. В связи с этим в лидаре можно использовать СО2 лазер с λи = 10,6 мкм (соответствует поглощению на изотопах С).

Достоинство такого лидара по сравнению с флюорометром  - относительная простота устройства.

Самолетный лидар – лазерный батиметр (глубиномер) м.б. использован для выявления областей выноса загрязняющих взвешенных в воде частиц, например песка или ила вблизи устья рек, путем измерения глубины водоема.


Зондирующее импульсное ЛИ от лидара, установленного на борту самолета облучает водную поверхность водоема. Зондирующее импульсное излучение, достигнув поверхности воды, частично отразится от нее (импульс S1(t)) и через некоторое время попадет на Приемное устройство лидара, а частично проникнет в воду и отразится от дна водоема (импульс S2(t)). Этот импульс также попадет на приемное устройство лидара через некоторый интервал времени τз после S1(t)

Измерив τз и зная скорость с = с0/nН20 = 1,3 можно определить расстояние от поверхности воды до дна водоема (глубину водоема) h = (c* τз)/2/

Для подводных исследований необходимо использовать лазеры, излучение которых слабо поглощается и рассеивается в воде. Известно что «окно прозрачности» морской воды лежит в сине-зеленой части спектра видимой области излучения с λи = 0,5 -0,55 мкм.

В связи с этим обычно используют газовый неоновый лазер с λи = 0,54 мкм, аргоновые лазеры с λи = 0,488 – 0,514 мкм.

Кроме того используют твердотельные лазеры на стекле с λи = 1,06 и АИГ+Nd с λи = 1,064, так как вторая гармоника этого излучения имеет λи = 0,53 мкм.

Лазерным батиметром можно измерять глубины до 20 м с погрешностью ± 0,25 м, что перспективно для исследования шельфовых (прибрежных) участков морей, озер и океанов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

18353. Видатки бюджету на соціальний захист населення і соціальну сферу 29.12 KB
  Тема 10. Видатки бюджету на соціальний захист населення і соціальну сферу На основі звітності про виконання місцевого бюджету за місцем проживання у 2009–2010 рр. провести аналіз соціальних видатків бюджету у таблиці 10.1. Охарактеризувати проблемні аспекти та перспективи о
18354. Видатки бюджету на оборону та управління 25.25 KB
  Тема 11. Видатки бюджету на оборону та управління Проаналізувати видатки місцевого бюджету на оборону та управління за 2009–2011 роки. Дані відобразити у таблиці 11.1. Розрахувати середній абсолютний приріст середній темп росту та середній темп приросту. Охарактеризува
18355. Видатки бюджету на обслуговування державного боргу 26.42 KB
  Тема 12. Видатки бюджету на обслуговування державного боргу Проаналізувати видатки бюджету на обслуговування державного боргу за 2009-–2011 роки. Дані відобразити за допомогою таблиці 12.1. Охарактеризувати проблемні аспекти обслуговування державного боргу та окреслити пер...
18356. Конструкция «Если» 206 KB
  2 урок Конструкция Если 1 урок Конструкция Если подразумевает 2 различных действия в зависимости от того выполняется условиеистина или нетложь. Вид конструкции: если условие то действие 1 выполняется если условие истинно и
18357. ПОЛНАЯ ФОРМА ВЕТВЛЕНИЯ 60.5 KB
  3 урок. Если 2 занятие. Введены 2 числа найти наибольшее. Результаты: Введено число определите четное оно или нет. Выполнение: Для самостоятельного решения Введены 2 числа найти наимен
18358. Если сложные условия 244 KB
  4 урок Если сложные условия. Составить программу отвечающую Привет на имя или Сергей или сергей; и Не знаю тебя в противном случае. Проверить принадлежит ли число введенное с клавиат
18359. Пример экзаменатора 59 KB
  6 урок Пример экзаменатора Рассмотрим простейший пример экзаменатора по географии задающий 5 вопросов по столицам государств. Рассмотрим варианты ввода как с заглавной так и со строчной буквы. Выполнение: Самостоятельно составьте экза
18360. Выбор 350 KB
  7 урок Выбор. Общий вид команды: выбор при условие 1 : серия 1 при условие 2 : серия 2 ... при условие n : серия n иначе серия n1 все Ключевое слово иначе вместе с соответствующей серией команд может отсутствовать: выбор при условие_1 : серия_1 при ус...
18361. Цикл N-раз 110.5 KB
  8 урок Цикл Nраз ознакомительно Общий вид цикла N раз: нц N раз серия команд кц Здесь N целое выражение задающее число повторений. При выполнении алгоритма последовательность команд циклически повторяется указанное число раз. Вывести на экран 10