Лазерные лидарные комплексы

Лазерные лидарные комплексы (ЛЛК) предназначены для оперативного дистанционного контроля биологической и химической обстановки. Комплексы осуществляют наблюдение за аномальными изменениями атмосферы, обусловленными наличием в ней аэрозолей, а также определение параметров перемещения облаков. Комплексы являются автоматизированной дистанционной системой оперативного контроля экологической обстановки промышленных центров и способны быстро, в автоматическом режиме обнаруживать аварии и обеспечивать информационную поддержку действий аварийно-спасательных служб.

Проблема мониторинга техногенного загрязнения окружающей среды и особенно атмосферного воздуха является в настоящее время чрезвычайно актуальной как в экологическом аспекте, так и в связи с современными проблемами общественной безопасности. Технологии лазерного дистанционного зондирования атмосферной среды дают возможность устранить недостатки и ограничения, присущие традиционным методам локального мониторинга: низкая информативность, трудность обеспечения широкой зоны покрытия, большое время развертывания сетей локальных датчиков и т.п. Особенно эффективным представляется применение мобильных многофункциональных комплексов дистанционного лазерного зондирования – мобильных лидаров.

Создание малогабаритного мобильного лидарного комплекса для мониторинга и прогнозирования экологической обстановки над критически важными (опасными) объектами и в районах вероятных террористических атак позволит:

    • определять концентрации широкого спектра веществ на расстояниях до 8 км;
    • в режиме реального времени отображать на карте местности районы загрязнения и количественные характеристики масштаба заражения;
    • определять распространение ядовитого облака;
    • прогнозировать развитее ситуации над критическими объектами;
    • контролировать содержание опасных веществ атмосфере и оповещать сигналом тревоги в случае превышения ПДК или обнаружения выбросов на контролируемых объектах или территории.
Сканирование сектора ответственности может осуществляться в различных временных режимах: непрерывном, периодическом и по требованию оператора (дежурного). Лазерный анализ позволяет определить в течение нескольких минут факт аномального выброса, вид вещества, интенсивность и направление его распространения.

Среди типовых аварийно – химических опасных веществ (АХОВ) можно выделить следующий перечень загрязнителей, заражение которыми представляет интерес на большинстве территорий, требующих усиленного контроля:

    • Хлор - Cl2
    • Аммиак - NH4
    • Диоксид серы - SO2
    • Диоксид азота - NO2
    • Соляная кислота - HCl
    • Продукты нефтепереработки.
Помимо указанных выше веществ существуют угрозы аварий на специфических объектах по производству, хранению и утилизации особо опасных химических веществ, а также СДЯВ и ОВ.

Использование высокочувствительных и разработанных лидарных методов зондирования атмосферы на наличие опасных веществ, таких как дифференциальное поглощение (DIAL) и дифференциальное рассеяние (DISC) позволяет измерять величины концентраций на уровнях ПДК рабочих и жилых зон. Для проведения комплексного анализа и прогноза экологической ситуации необходимо, чтобы все полученные данные были согласованы в пространстве, как по размерам зон покрытия, так и по пространственному разрешению, синхронизированы во времени и имели единый формат.

Нештатная экологическая ситуация или террористический акт сопровождается характерным аэрозольным выбросом. Аэрозольный лидар, построенный на основе безопасного для глаз Er - лазера или Nd:YAG - лазера, определяет наличие атмосферного аэрозоля и измеряет его концентрацию, строит пространственное распределение в реальном времени и анализирует его физическую природу.

Для этого аэрозольный Ми-лидар и поляризационный лидар объединены в единый функциональный узел.

Лидар дифференциального поглощения видимого и ближнего ИК-диапазона на основе двухканального перестраиваемого импульсного лазера на сапфире с титаном дистанционно измеряет распределение концентрации окислов азота, серы и широкого набора неорганических загрязнителей воздушной среды на уровне ПДК.

Многоспектральный лидар дифференциального поглощения дальнего ИК-диапазона на основе перестраиваемого импульсного СО2-TEA лазера измеряет поле концентраций широкого класса органических веществ, а также озона.

Объединение аэрозольного и флуоресцентного лидара, а также лидаров дифференциального поглощения видимого, УФ, ближнего и дальнего ИК-диапазонов на единой платформе увеличивает габариты системы до контейнера, способного разместиться на носителе с грузоподъемностью несколько тонн. Поэтому целесообразно разделить возлагаемые на комплекс задачи следующим образом:

    1. 1. Детектирование аэрозольных выбросов и слежение за динамикой (аэрозольный лидар);
    2. 2. Детектирование аэрозольных выбросов и идентификация неорганических АХОВ (аэрозольный лидар, коротковолновый ДИАЛ);
    3. 3. Детектирование аэрозольных выбросов и идентификация органических АХОВ и ОВ (аэрозольный лидар, длинноволновый ДИАЛ или пассивный ИК- спектрометр).

 

Дополнительная информация. Состав и технические характеристики предлагаемых вариантов:

1.   Детектирование аэрозольных составляющих выброса можно определить с помощью одного лазера. Лазер для аэрозольного канала может быть построен на базе безопасного для глаз эрбиевого волоконного излучателя с длиной волны 1,55 мкм или лазера на неодимовом стекле 1,064 мкм. Высокая частота следования импульсов позволяет производить сканирование с высокой угловой скоростью без потери углового разрешения, а короткие лазерные импульсы обеспечивают высокое пространственное разрешение.

Основные ТТХ комплекса

Параметр Значение
Максимальная дальность измерений в режиме сканирования не менее 5 км
Минимальная дальность измерений в режиме сканирования не более 0,5 м
Углы обзора -7° … +15°
Вертикальное направление (угол места)* ± 90°
Горизонтальное направление (азимут)* ± 180°
Размер детектируемых аэрозолей 0,5 – 11 мкм
Длина волны в режиме аэрозольного сканирования 1,55 (1,064) мкм
Время сканирования выбранного сектора ** не более 130 с
Пространственное разрешение в режиме сканирования 15 м
Энергия импульса 1 – 2 мДж (1,55 мкм)
100 мДж (1,064 мкм)
Длительность импульса ~10 нс
Частота следования импульсов 1 – 2 кГц
Диаметр приёмо-передающего телескопа 300 мм
Вес системы Менее 1 т.

)* - с автоматическим сканированием
)** в зависимости от шага сканера и выбранного сектора обзора

Состав оборудования

  • Поворотная платформа (одно или двухзеркальный сканер)
  • Система термостабилизации отсеков комплекса
  • Аппаратура проводной и беспроводной передачи данных
  • Бортовой компьютер
  • Лазерный излучатель аэрозольного лидара
  • Система синхронизации подсистем комплекса
  • Приемо-передающий телескоп
  • Приемники излучения
  • Аналоговый электронный блок управления и диагностики
  • Цифровой электронный блок обработки данных
  • Система автономного электропитания
  • Система видео наблюдения

2.   Детектирование аэрозольных составляющих выброса с возможностью идентификации неорганических АХОВ подразумевает использование наряду с аэрозольным лидаром лидара дифференциального поглощения в УФ, видимом и ближнем ИК-диапазоне. Линии поглощения основных АХОВ лежат в диапазоне перестройки лазера на титан сапфире, так для SO2 это – 300,05 нм (On) и 299,51 нм (Off), для NO2 – 448,25 нм (on) 446,83 нм (off).

Основные ТТХ комплекса
Параметр Значение
Максимальная дальность измерений в режиме сканирования не менее 8 км
Максимальная дальность измерений в режиме измерения не менее 3 км
Минимальная дальность измерений в режиме сканирования не более 0,5 м
Углы обзора -7° … +15°
Вертикальное направление (угол места)* ± 90°
Горизонтальное направление (азимут)* ± 180°
Размер детектируемых аэрозолей 0,5 – 11 мкм
Длина волны в режиме аэрозольного сканирования 1,55 (1,064) мкм
Время сканирования выбранного сектора ** не более 130 с
Пространственное разрешение в режиме сканирования 15 м
Энергия импульса 1 – 2 мДж (1,55 мкм)
100 мДж (1,064 мкм)
Длительность импульса ~10 нс
Частота следования импульсов 1 – 2 кГц
Ti:Sph лазер (2 шт.)
Диапазон длин волн 350 – 480 нм
230 – 310 нм
Частота следования импульсов 10 Гц
Энергия импульса
L=450 нм
L=300 нм
25 мДж
6 мДж
Вес системы Менее 1,5 т.

)* - с автоматическим сканированием
)** в зависимости от шага сканера и выбранного сектора обзора

Состав оборудования

  • Поворотная платформа (одно- или двухзеркальный сканер)
  • Система термостабилизации отсеков комплекса
  • Аппаратура проводной и беспроводной передачи данных
  • Бортовой компьютер
  • Лазерный излучатель аэрозольного лидара
  • Лазерный излучатель ДИАЛ-лидара
  • Система синхронизации подсистем комплекса
  • Приемо-передающий телескоп
  • Приемники излучения
  • Аналоговый электронный блок управления и диагностики
  • Цифровой электронный блок обработки данных
  • Система автономного электропитания
  • Система видео наблюдения

3.   Детектирование аэрозольных составляющих выброса с возможностью идентификации органических АХОВ подразумевает использование наряду с аэрозольным лидаром лидара дифференциального поглощения в дальнем ИК-диапазоне. Линии поглощения основных АХОВ лежат в диапазоне перестройки лазера на СО2. На сегодняшний день существуют ТЕА СО2-лазеры с высокими надежностными характеристиками, способные эффективно выполнять поставленные задачи.

Однако существуют системы пассивной ИК-фурьеспектрометрии, которые в сочетании с аэрозольным лазерным каналом позволяют определить дистанцию до объекта и проследить её эволюцию.

Технические характеристики
Параметр Значение
Максимальная дальность измерений в режиме сканирования не менее 5 км
Минимальная дальность измерений в режиме сканирования не более 0,5 м
Углы обзора -7° … +15°
Вертикальное направление (угол места)* ± 90°
Горизонтальное направление (азимут)* ± 180°
Детектируемые примеси

Канал СО2 FTDiaL

Особо опасные химические соединения

Размер детектируемых аэрозолей (для аэрозольного канала) 0,5 – 11 мкм
Длина волны в режиме аэрозольного сканирования 1,55 (1,064 мкм)
Диапазон длин волн в режиме анализа (не менее 60 линий CO2 VR-спектра) 9 – 11 мкм
Время сканирования выбранного сектора ** не более 130 с
Пространственное разрешение в режиме анализа 150 м
Пространственное разрешение в режиме сканирования 50 м
Параметры передающей системы.
TEA CO2 -лазер (2 шт.)
Энергия импульса (10P20) 0.3 Дж
Диапазон длин волн (не менее 60 линий CO2 VR-спектра) 9 – 11 мкм
Длительность импульса 1 мкс
Частота следования импульсов 200 – 300 Гц
Аэрозольный лидар
Энергия импульса 1 – 2 мДж
Длина волны 1,55 мкм
Длительность импульса 300 нс
Частота следования импульсов 1 – 2 кГц
Диаметр приёмо-передающего телескопа 300 мм

)* - с автоматическим сканированием
)** в зависимости от шага сканера и выбранного сектора обзора

Состав оборудования

  • Поворотная платформа (одно- или двухзеркальный сканер)
  • Система термостабилизации отсеков комплекса
  • Аппаратура проводной и беспроводной передачи данных
  • Бортовой компьютер
  • Лазерный излучатель аэрозольного лидара
  • Лазерный излучатель ДИАЛ-лидара (пассивный ИК-спектрометр)
  • Система синхронизации подсистем комплекса
  • Приемо-передающий телескоп
  • Приемники излучения
  • Аналоговый электронный блок управления и диагностики
  • Цифровой электронный блок обработки данных
  • Система автономного электропитания
  • Система видео наблюдения
Программное обеспечение всех указанных типов лидаров выполняет следующие функции:
  • управление лазерами;
  • обработка принятых сигналов из атмосферы;
  • выполнение процедуры обнаружения и идентификации аэрозольных и газовых загрязнений в результате математической обработки сигналов;
  • ведение базы данных веществ;
  • визуализация и наложение на карту местности результатов обнаружения аэрозольных и газо-аэрозольных образований;
  • сигнализация в случае обнаружения вещества из списка детектируемых веществ (нахождения в базе данных при сравнении спектров).