Принцип действия лидара. Как технология LiDAR совершила переворот в картографии и сборе геопространственных данных Когерентный лидар

В данном разделе мы рассмотрим группу ОЭПиС с общей технологией получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.

Эту группу оптических приборов объединяют под названием- Лида́р (транслитерация LIDAR англ. Light Identification, Detection and Ranging ) .

Устоявшийся перевод LIDAR как «лазерный радар» не вполне корректен, так как впервые аббревиатура LIDAR появилась в работе Миддлтона и Спилхауса «Метеорологические инструменты» 1953 года, задолго до изобретения лазеров. Первые лидары использовали в качестве источников света обычные или импульсные лампы со скоростными затворами, формировавшими короткий импульс. В современных системах ближнего радиуса действия (например, предназначенных для работы в помещениях) вместо лазеров используют обычные светодиоды. Однако именно применение лазера (обусловленное его свойствами: когерентности, высокой плотность и мощности излучения) позволило создать приборы с радиусами действия от сотен метров до сотен километров.

Первые полевые испытания носимого лазерного дальномера XM-23 с мощностью излучения 2.5 Вт и диапазоном измеряемых расстояний 200-9995 м прошли в 1963 году. Тогда же, в первой половине 1960-х годов, начались опыты по применению лидара с лазерным излучателями для исследования атмосферы. В 1969 году лазерный дальномер и мишень, установленная на Аполлоне-11, применялся для измерения расстояния от Земли до Луны. Четыре мишени, доставленные на Луну тремя «Аполлонами» и «Луноходом-2», и по сей день используются для наблюдения за орбитой Луны. В течение 1970-х годов, с одной стороны, отлаживалась технология лазерных дальномеров и компактных полупроводниковых лазеров, а с другой - были начаты исследования рассеяния лазерного луча в атмосфере..

Рассмотрение этой группы оптических приборов начнём с простейшего представителя-лазерного дальномера. Принцип работы основан на способности электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью, что позволяет определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

где R - расстояние до объекта, c - скорость света в вакууме, n - показатель преломления среды, в которой распространяется излучение, t - время прохождения импульса до цели и обратно.

Рисунок 132 Принцип работы лазерного дальномера.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче импульс, тем лучше. Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазо-импульсный.
Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до объекта.
При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону с помощью модулятора (электрооптического кристалла, изменяющего свои параметры под воздействием электрического сигнала). Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 10…150 МГц (измерительная частота). Отраженное излучение попадает в приемную оптику и фотоприемник, где выделяется модулирующий сигнал. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза отраженного сигнала относительно фазы сигнала в модуляторе. Измеряя разность фаз, определяют расстояние до объекта.
Общая структурная схема простейшего лидара представлена на рисунке 133 и схожа с прибором ночного видения, в современной военной технике они даже совмещаются.

Рисунок 133. Общая структурная схема простейшего лидара (1-лазер, 2-объект, 3-блок приёмника, 4- оптическая система ПОИ(телескопическая система), 5-ПОИ, 7-блок обработки и анализа, 7-блок вывода информации, 8- блок управления лазером.

На рисунке 134 представлен современный российский лазерный дальномер "Сажень-ТМ-Д" служащий для определения дальности до космических аппаратов, оснащенных лазерными ретрорефлекторами, и измерения угловых координат КА по отраженному солнечному излучению для расчета высокоточных параметров движения КА, а также получения фотометрической информации в видимом диапазоне длин волн.

В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах.

Рисунок 134 Дальномер "Сажень-ТМ-Д"

Именно измерение интенсивности рассеяния лазерного излучения аэрозолем атмосферы дало второй сильный толчок для дальнейшего развития. Лидар посылает в атмосферу короткий импульс света и принимает обратно сигнал обратного рассеяния. Рассеяние света в атмосфере происходит как молекулами воздуха (Релеевское рассеяние), так и частицами аэрозоля. Таким образом, наличие аэрозоля в атмосфере увеличивает сигнал обратного рассеяния по сравнению с чистой атмосферой и концентрация аэрозоля может быть определена как функция расстояния и интенсивности сигнала на фоне чистой атмосферы. Несмотря на тот факт, что аэрозоли составляют не более 10 % от общей массы антропогенных загрязнителей атмосферы, потенциальный ущерб от этого типа загрязнителей, которые, как правило, представляют собой сильные токсиканты, существенно больше. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет. Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары , определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.

Физические принципы работы атмосферных лидаров мы с вами подробно рассматривали в разделе ИК газоанализаторов. Здесь мы остановимся на конструктивных особенностях лидаров данного типа. В качестве примера рассмотрим современную методику многоволнового лазерного дистанционного анализа опасных загрязнений атмосферы. Особенность заключается в том что лазерные источники могут одновременно генерировать излучение на нескольких длинах волн в одном направлении. Это позволяет:
проводить обнаружение и измерение концентраций нескольких компонент опасных примесей (до 6) одновременно в реальном масштабе времени;
существенно повысить точность измерения концентрации опасных примесей за счет уменьшения влияния временных флуктуаций принимаемого сигнала, обусловленных турбулентностью атмосферы.

В многоволновом лидаре в качестве базовых лазерных систем применяются импульсно-периодические лазеры на CO 2 и изотопах молекулы CO 2 (диапазон 9-11 мкм), а также могут использоваться их вторые (диапазон 4.5-5.5 мкм) и третьи (диапазон 3.0-3.4 мкм) гармоники, полученные при преобразовании частоты излучения базовых лазеров в нелинейных кристаллах типа AgGaSe 2 или ZnGeP 2 с эффективностью преобразования 5-10%. Принципиальным отличием от используемых в настоящее время стандартных схем дифференциального лазерного газоанализа, в которых определяемые компоненты воздуха детектируется одна за другой, в многоволновых лазерных системах они могут определяться практически одновременно за счет выхода в генерацию набора аналитических длин волн одновременно и их одновременного детектирования после прохождения атмосферного объема с повышенной концентрацией нескольких опасных газообразных веществ.

Схема применения лидара на основе многоволнового аммиачного лазера для контроля атмосферы приведен на рисунке 135. Блок – схема многоволнового лидара и его принципиальная оптическая схема приведены на рисунках 136 и 137.

Рисунок 135. Схема применения многоволнового лидара

Рисунок 136. Блок – схема многоволнового лидара

Рисунок 137. Принципиальная оптическая схема многоволнового лидара
(М – зеркала)

Многоволновой газоанализатор (дальность действия до 10км.), использующий новейшие методы дистанционного контроля, может эффективно использоваться в самых различных сферах производства и жизнедеятельности: контроль выбросов в атмосферу вблизи опасных химических производств;
контроль за газовыми и/или утечками на предприятиях ЯТЦ;
выявление предаварийных ситуаций, отслеживание обстановки по загрязненности атмосферы при аварийных ситуациях;
обеспечение безопасности важных объектов - правительственных зданий, военных объектов, АЭС и т.п.
дистанционный контроль (например, с борта самолета или беспилотного спутника) выбросов газов с объектов атомной промышленности в третьих странах с целью их идентификации, и следовательно, определения возможности этих стран по производству ядерного оружия;
определение динамики распространения ядовитых облаков в атмосфере при широкомасштабных авариях;

На рисунке 138 представлены двухволновый лидар ЛСА-2с и одноволновой лидар 4Р предназначенных для зондирования атмосферных аэрозолей и облаков.

Они имеют те же основные характерные блоки для лидаров:
-лазер-передатчик;
-передающая оптическая система;
-приемная оптическая система;
-спектроанализирующее и регистрирующее устройство (ФЭУ, CCD - камера, лавинный фотодиод);
-блок обработки сигнала;
-блок управления;
-система отображения полученной информации.

Рисунок 138. Двухволновый лидар ЛСА-2с и одноволновой лидар 4Р.

Как мы уже отмечали, основным излучателем в лидарах является лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и длины волн (в нанометрах):

§ 1550 нм - инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света - так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека

§ 1064 нм - ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения

§ 532 нм - зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды

§ 355 нм - ближнее ультрафиолетовое излучение

Задачи решаемые применением Лидаров:

· Исследования атмосферы

Исследования атмосферы стационарными лидарами остаётся наиболее публичной отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.

· Измерение скорости и направления воздушных потоков.

Теоретическое обоснование применения наземного доплеровского лидара для таких измерений было дано ещё в 1980-е годы. Принцип действия основан на использовании эффекта Доплера, согласно которому, частота принятого сигнала, отражённого от цели может отличаться от частоты излучённого сигнала и разница зависит от соотношения скоростей объектов относительно друг друга. В 2001 Alcatel предложил размещение лидаров на борту спутников, так, что «созвездие» спутников на орбите способно отслеживать движение воздушных масс в рамках целого континента, а в потенциале - на Земле в целом.

· Измерение температуры атмосферы . Разработано и реализовано на практике несколько основных методов измерения профилей температуры.

В первом методе используется резонансное рассеяние на атомах щелочных металлов, в частности, натрия, калия, а также железа. Облака атомов металлов находятся на высоте 85 - 100 км. Температура измеряется по доплеровскому уширению резонансных линий с помощью зондирования узкополосным подстраиваемым лазером. Первые измерения были осуществлены с помощью искусственных натриевых облаков, забрасываемых в атмосферу ракетами. Несмотря на то, что метод ограничен диапазоном высот, на которых присутствуют атомы металла, рассеянный сигнал оказывается относительно большим, и это дает возможность измерять температуру с точностью до 1.5 ˚К.

Второй метод - метод рэлеевского рассеяния (Rayleigh lidar), основан на нерезонансном рассеянии света на молекулах воздуха. Впервые он был применен в 1953 году в опытах с прожекторным зондированием атмосферы. Суть метода заключается в следующем. Если отсутствует аэрозольное рассеяние, то мощность обратно рассеянного сигнала прямо пропорциональна плотности воздуха, из которой можно расcчитать температуру. Разрежение воздуха с высотой позволяет использовать метод рэлеевского рассеяния на высотах не более 90 км. Нижняя граница высоты измерения (около 20-30 км) обусловлена присутствием в граничном слое большого количества аэрозоля, который значительно увеличивает рассеяние, но практически не влияет на плотность воздуха.

Третий метод основан на вращательном рамановском (комбинационном) рассеянии молекулами воздуха (Raman lidar). Когда температура увеличивается, интенсивность переходов с большими квантовыми числами возрастает, в то время как интенсивность линий вращательного рамановского спектра, соответствующих маленьким квантовым числам, уменьшается. Переходы с большими квантовыми числами соответствуют линиям рамановского спектра, расположенным дальше от центральной частоты. Температура определяется при использовании измерений в двух областях спектра с различной температурной зависимостью. Максимальная высота зондирования составляет около 30 км, погрешность измерения менее 1 ˚К до высоты 10 км . Так как в приемнике линия упругого рассеяния подавляется, то измерения можно проводить и в присутствии значительных концентраций аэрозолей.

· Раннее оповещение о лесных пожарах.

· Исследования Земли

Вместо установки лидара на земле, где принимаемый отражённый свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых, нижних слоях атмосферы, «атмосферный» лидар может быть поднят в воздух или на орбиту, что существенно улучшает соотношение сигнал-шум и эффективный радиус действия системы. Первый полноценный орбитальный лидар был выведен на орбиту NASA в декабре 1994 года в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment). Двухтонный лидар LITE с метровым зеркальным телескопом, поднятый на высоту 260 км, «рисовал» на земле размытое пятно диаметром 300 м, что было явно недостаточно для эффективного отображения рельефа, и был исключительно «атмосферным».

· Космическая геодезия.

Сканируют рельеф земной поверхности с приемлемой разрешающей способностью.

· Авиационная геодезия.

Национальная океанографическая служба США (NOAA) систематически применяет авиационные лидары для топографической съёмки морского побережья.

Особое направление, применяемое на практике в сейсмоопасных районах США - дифференциальное измерение высот с целью выявления локальных подвижек земных масс в районе разломов. Ещё в 1996 с помощью лидара была открыта неизвестная ранее зона разлома возле Сиэтла.

Совсем не давно с помощью подобного лидара группе ученых из Хьюстонского университета возможно, удалось найти в джунглях Гондураса легендарный Золотой город.

Рисунок 139 Применениепрежде засекреченной военными
технологию лазерного картографирования.

· Строительство и горное дело

Строительство - обмеры зданий, контроль отклонения плоскостей стен и несущих колонн от вертикали (в том числе в динамике), анализ вибраций стен и остекления. Обмеры котлованов, создание трёхмерных моделей стройплощадок для оценки объёмов земляных работ.

Архитектура - построение трёхмерных моделей городской среды для оценки влияния предлагаемых новостроек на облик города.

· Морские технологии

Измерение глубины моря. Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти полностью отражаются поверхностью моря, тогда как зелёные частично проникают в воду, рассеиваются в ней, и отражаются от морского дна. Технология пока не применяется в гражданской гидрографии из-за высокой погрешности измерений и малого диапазона измеряемых глубин.

Поиск рыбы. Аналогичными средствами можно обнаруживать признаки косяков рыбы в приповерхностных слоях воды. Специалисты американской государственной лаборатории ESRL утверждают, что поиск рыбы лёгкими самолётами, оборудованных лидарами, как минимум на порядок дешевле, чем с судов, оборудованных эхолотами.

· Промышленные и сервисные роботы

Системы машинного зрения ближнего радиуса действия для роботов, основанные на сканирующем лидаре IBM, формируют цилиндрическую развёртку с углом охвата горизонта 360° и вертикальным углом зрения до +30..-30

· Военные технологии

Здесь лидары получили самое широкое распространение и выполняют функции ооптико-локационной локации, разведки, наведения на цель итп.

Рисунок 139. Обнаружитель атакующих ракет (ОАР), Оптико-локационная станция ОЛС-35

Рисунок 140. Средство национального технического контроля испытаний стратегического вооружения в соответствии с международными Договорами.

4.8 ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ

Интерферометры - это измерительные приборы, действие которых основано на явлении интерференции.

Работа приборов построена на последовательном разложение пучка излучения (на два или большее количество когерентных пучков каждый из них проходит различные оптические пути) и последующим их сложением, в результате создаётся интерференционная картина, по которой можно установить смещение фаз пучков.

С помощью интерферометров производится измерение угловых размеров звезд и угловых расстояний между звездами, измерение показателей преломления газов и жидкостей, а также определение концентрации примесей в воздухе. Интерферометры используются для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей.

Так как в основе принципа работы интерферометров лежит явление интерференции света, начнём изучение данной группы приборов с изучения этого явления.

Интерференции света - перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.

Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627-1691 гг.) и Робертом Гуком (1635-1703 гг.). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773-1829 гг.), введя «Принцип суперпозиции», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803). Он также выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.

Рисунок 141. Опыт Юнга и Интерференция в тонкой плёнке.

Ещё один метод получения устойчивой интерференционной картины для света служит использование воздушных прослоек, основанное на одинаковой разности хода двух частей волны: одной - сразу отраженной от внутренней поверхности линзы и другой - прошедшей воздушную прослойку под ней и лишь затем отразившейся. Её можно получить, если положить плосковыпуклую линзу на стеклянную пластину выпуклостью вниз. При освещении линзы сверху монохроматическим светом образуется тёмное пятно в месте достаточно плотного соприкосновения линзы и пластинки, окружённое чередующимися тёмными и светлыми концентрическими кольцами разной интенсивности. Тёмные кольца соответствуют интерференционным минимумам, а светлые - максимумам, одновременно тёмные и светлые кольца являются изолиниями равной толщины воздушной прослойки. Измерив радиус светлого или тёмного кольца и определив его порядковый номер от центра, можно определить длину волны монохроматического света. Чем круче поверхность линзы, особенно ближе к краям, тем меньше расстояние между соседними светлыми или тёмными кольцами. Данная методика используется для контроля оптических деталей.

Рисунок 142. Кольца Ньютона

Разобрав явление интерференции, перейдём к рассмотрению схем построения интерферометров.

Интерферометр Майкельсона является одной из наиболее распространенных скелетных схем интерферометра, предназначенной для различных применений в случае, когда пространственное совмещение объектов, порождающих интерферирующие волны, невозможно или в силу каких-то причин нежелательно.

Рисунок 143. Интерферометр Майкельсона

Звездный интерферометр Майкельсона - интерферометр для измерения угловых размеров звёзд и углового расстояний между двойными звёздами. Если угловое расстояние между двумя звездами очень мало, в телескоп они видны как одна звезда. В таком случае говорят о двойных звездах и надо провести специальное наблюдение, чтобы отличить их от звезд одиночных. Для этого используется звездный интерферометр Майкельсона, который позволяет к тому же определить угловое расстояние между звездами.

Рисунок 143.Звёздный интерферометр Майкельсона

Лучи света, пришедшего от удаленной звезды, отражается от плоских зеркал M1 - M2, разнесенных на достаточно большое расстояние D, затем отражаются от двух других зеркал и собираются линзой на экране, помещенном в фокальной плоскости. Разнесенные на расстояние D зеркала можно рассматривать как точечные источники, расстояние между которыми и равно D. Вследствие этого в изображении звезды наблюдается интерференционная картина, аналогичная интерференции от двух щелей, расположенных на расстоянии D друг от друга. Угловое расстояние между соседними интерференционными максимумами в этой картине равно θ=λ/D, где λ – длина волны света. При наличии двух близких звёзд, находящихся на малом угловом расстоянии φ друг от друга, в телескопе образуются 2 интерференционные картины, которые также смещены на угол φ и накладываются друг на друга. В зависимости от соотношения углов θ и φ видимость полос суммарной картины будет различной. Изменяя расстояние D и, следовательно, изменяя угол θ, можно добиться совмещения максимумов одной интерференционной картины с минимумами другой, в результате чего видимость полос будет наихудшей. При этих условиях φ=½θ=λ/2D. Измерив D и зная λ, можно определить угловое расстояние между звёздами φ. Аналогично определяются угловые размеры одной звезды. Если звезду рассматривать как равномерно светящийся диск, то расчёт показывает, что исчезновение полос происходит при φ=1.22λ/D. Точность измерения звёздного интерферометра тем больше, чем больше база D. Построен звездный интерферометр, в котором D может достигать 18 м. что позволяет измерять угловое расстояние с точностью до 0,001". Для измерения угловых размеров очень слабых звёзд, свет от которых на уровне шумов, применяют метод корреляции интенсивностей.

Интерферометр Рождественского – это двухлучевой интерферометр, состоящий из 2-х зеркал M1 , M2 и двух параллельных полупрозрачных пластин P1 , P2; M1, P1 и M2, P2 устанавливаются попарно параллельно, но М1 и М2 наклонены относительно друг друга на малый угол; расстояние М1Р1 = М2Р2 и M1P2=P1M2. Луч света разделяется пластиной Р1 на 2 луча, которые после отражений от M1 , M2 и прохождения Р2 оказываются параллельными с разностью фаз

δ = (4πD/λ)(cos i1 - cos i2).

Рисунок 144. Интерферометр Рождественского

Поскольку δ не зависит от положения лучей на зеркалах и определяется лишь углами падения, интерференционная картина будет локализована на бесконечности (или в фокальной плоскости объектива О). Параллельному пучку лучей, падающих на Интерферометр Рождественского, соответствует одна точка интерференционно картины, и, следовательно, для наблюдения всей картины необходим пучок конечной апертуры. Вид картины (порядок и ширина полос, их ориентация) зависит от наклона зеркал M1 и M2. Если, например, ребро двугранного угла, образованного M1 и M2, вертикально (перпендикулярно чертежу), то даже при очень малой разности (i1-i2) полосы сравнительно высокого порядка (D велико) вертикальны и почти параллельны.Если же ребро двугранного угла горизонтально, то в поле зрении находятся горизонтальные полосы низкого порядка (в т.ч. нулевая), видные и в белом свете. Введение в один из пучков к.-л. прозрачного объекта, например пластинки, изменяет ширину, порядок и ориентацию полос: нулевая полоса не горизонтальна и появляется при некоторой промежуточной ориентации M1 и M2 ; при очень большой толщине этой пластинки в белом свете можно видеть только очень узкие, почти вертикальные полосы, когда ребро угла между M1 и M2 почти вертикально. Ширина полос зависит от угла между M1 и Р1, увеличиваясь с его уменьшением. Если все зеркала и пластины параллельны, то в отсутствие неоднородностей ширина полос бесконечна (интерференционное поле равномерно освещено).

Интерферометр Жамена (интерференционный рефрактометр) - интерферометр для измерения показателей преломления газов и жидкостей, а также для определения концентрации примесей в воздухе.

Интерферометр Жамена состоит из двух одинаковых толстых плоскопараллельных пластинок из стекла(или кварца), установленных почти параллельно друг другу. Пучок света падает на первую пластинку под углом i, близким к 45°. Каждый луч пучка после отражения на поверхностях пластинки делится на 2 когерентных луча S1 и S2 , идущих на некотором расстоянии друг от друга, зависящем от толщины пластинок d. Далее на второй пластинке каждый из них аналогичным образом разделяется на два луча. В результате от второй пластинки идут 4 параллельных когерентных луча S1’, S1”, S2’, S2”; Средние пучки S1” И S2’ налагаются и образуют интерференционную картину в фокальной плоскости объектива О1.

Рисунок 145. Схема интерферометра Жамена: ОО – ось вращения компенсаторных пластинок; L – лимб поворота компенсатора; О1 и О2 – объектив и окуляр зрительной трубы.

Разность хода между ними равна

где n п - показатель преломления пластинок.

φ - угол междуними.

При (φ ≈ 5′ - 15′ ∆ мала, поэтому при использовании источника белого света наблюдаются только интерференционные полосы низкою порядка, которые имеют форму прямых линий с белой ахроматической полосой в центре, окружённой системой окрашенных полос.).

Сравнительно большое расстояние между лучами S1 и S2 , позволяет установить на их пути две кюветы К1 и К2 одинаковой длины l с исследуемыми веществами, показатели преломления которых n1 и п2. Возникающая разность хода, что вызовет смещение интерференционной картины.

∆ = (n2-n1)l = δnl

С помощью Интерферометра Жамена проводят количественный анализ газовых смесей - определяют концентрацию некоторых газообразных примесей, например метана и СО2 , в воздухе шахт (т. к. n зависит от природы газа).

Интерферометр Физо- один из простейших интерферометров применяемый главным образом для контроля точности изготовления плоских поверхностей оптич. деталей.

Свет от монохроматического источника L с помощью конденсора O1 диафрагмы D и объектива О2 направляется параллельным пучком на эталонную Э и контролируемую К пластинки (положенные одна на другую) почти перпендикулярно к их поверхностям. При этом строго плоская эталонная и контролируемая поверхности пластинок образуют между собой небольшой угол a. С помощью полупрозрачной пластинки П в отражённом свете наблюдаются интерференционные полосы равной толщины,которыерые локализованы в области воздушного клина между контролируемой и эталонной поверхностями.

Рисунок 146. Интерферометр Физо; а - Вид дефектов сверху на контролируемой пластинке; б - Сечение эталонной и контрольной пластинок. Сечение по линии А-А (угол a и размеры дефектов для наглядности сильно увеличены); в - Вид интерференционной картины полос равной толщины в интерферометре Физо.

Положения этих полос определяются из условия: D=2dn+l/2=ml=const (при п~1), где d - толщина воздушного клина. Если контролируемая поверхность идеально плоская, то полосы равного наклона имеют форму прямых эквидистантных линий, параллельных ребру клина (d=const), расстояние между к-рыми равно z=l/2a (рис. 2, в) (при a=10"" и l~0,5 мкм, z=5 мм). Если же на контролируемой поверхности имеются к--л. дефекты, например, небольшие углубления или выступы, как на рисунке или она не строго плоская, то в области расположения этих дефектов наблюдаются отклонения dz от прямолинейности. При этом относит, величина отклонения dz/z связана с высотой или глубиной дефекта dh соотношением dh=(l/2)dz/z.

Невооружённый глаз может оценить величину dz/z~0,l, что соответствует величине обнаруженного дефекта dh=l/20 (при l=0,633 мкм, dh=0,031 мкм). Знак отклонения позволяет отличить тип дефекта: углубление или выступ. Если контролируемая поверхность имеет форму сферы, то интерференционные полосы имеют форму концентрических окружностей (см. Ньютона кольца). В интерферометре Физо поверхности контролируемой и эталонной пластинок из-за малости угла (угл. секунды) почти полностью соприкасаются друг с другом и в процессе юстировки могут быть повреждены. Поэтому для контроля поверхностей часто используются бесконтактные интерферометры, построенные по схеме интерферометра Майкельсона.

Рисунок 147. Интерферометр Физо конструкции Романова предназначен для бесконтактного измерения формы плоских полированных поверхностей и зеркал. Программное обеспечение предназначено для обработки интерференционных картин с дополнительно введёнными наклонами.

Литература.

1. Д. Н. Черкасова, А. В. Бахолдин / «Оптические офтальмологические приборы и системы Часть I»/ Санкт-Петербург 2010.
2. Лукин С.Б. / «КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ ОЭС» / СПбГУ ИТМО 2004г.
3. Латыев С.М./ « Конструирование точных (оптических) приборов»/ Электронный учебник по дисциплине: "Основы конструирования оптических приборов". СПбГУ ИТМО
4. А.Л. Андреев / «Автоматизированные телевизионные системы наблюдения» / СПбГУ ИТМО
5. Митрофанов С.С / «Теоретические и физические основы устройства ОП»/ Электронный учебник по дисциплине: "Прикладная оптика". СПбГУ ИТМО, кафедра КиПОП
6. http://biggest.su/samyj-bolshoj-teleskop/

7. В. Самохин, Н. Терехова/ «Видеопроекция сегодня и завтра»

8. М.А. Кустикова, М.Н. Мешалкина, В.Л. Мусяков, А.Н. Тимофеев/ «Методические указания к лабораторным работам по разделу «ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ» курса «ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ»

10. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/OPTIKA.html?page=4,6

11. .Захарьевский А.Н. «Интерферометры» 1952.

12. М.М. Мирошников / «Теоретические основы ОЭП»/ «Машиностроение « 1977г.

13. М.М. Русинов / «Габаритные расчёты оптических систем» Москва 1963

14. Г.Г. Ишанин, М. Г. Козлов, К.А. Томский / «Основы светотехники»/ СПб 2004г

В статье представлен общий обзор технологии лазерного сканирования объектов в пространстве, рассмотрены устройства, реализующие эту технологию и применяющиеся в мобильных робототехнических комплексах.

ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ LIDAR
Термин LIDAR (от англ. Light Detection and Ranging) относится к системам радиолокации, работающим в оптическом диапазоне и использующим в качестве источника излучения лазер. Часто в зарубежных источниках можно встретить аналогичные термины – LADAR (Laser Detection and Ranging) и Laser Radar. В мобильных наземных робототехнических комплексах и беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) эта технология играет очень важную роль: она используется для автоматического построения трёхмерной карты (сцены) окружающего пространства и пространственной ориентации аппарата. Существуют разные варианты систем LIDAR, но в общем случае все они включают следующие ключевые элементы, определяющие принцип работы системы: ● источник фотонов (чаще всего это лазер);
● детектор фотонов;
● тактирующая цепь;
● оптическая приёмопередающая часть .

Системы LIDAR времяпролётного типа (Time-of-Flight, ToF) используют короткие импульсы лазерного излучения, с высокой точностью фиксируя моменты их передачи и приёма откликов (отражённых сигналов), чтобы вычислить расстояния до объектов в окружающем пространстве или на поверхности земли (например, при топосъёмке с БПЛА). После объединения серии таких измерений с информацией о местоположении и ориентации аппарата, создаётся результирующая трёхмерная сцена интересующей области пространства. Чаще всего эта сцена сохраняется в виде массива координат (x, y, z), называемого облаком точек.

Несмотря на то, что существует множество устройств LIDAR для разных областей применения, все они состоят из похожего набора функциональных узлов (см. рис. 1), таких как:
● подсистема измерения расстояния (лазерный передатчик и приёмник);
● сканирующая подсистема;
● подсистема позиционирования и ориентации;
● система управления;
● хранилище данных.

ПОДСИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ
Принципиальные отличия отдельных устройств LIDAR заключаются в реализации функции измерения расстояния. Важнейший узел системы LIDAR – подсистема измерения расстояния – состоит, в свою очередь, из таких внутренних подсистем, как лазерный передатчик и электрооптический приёмник. Лазерный передатчик излучает энергию в виде сфокусированного луча, который до выхода из устройства про- ходит через ряд преобразовательных компонентов: переключатель приёмопередатчика, расширители луча, выходная телескопическая оптика и другое. В системе LIDAR могут использоваться различные типы лазеров, но чаще всего применяют твердотельный Nd:YAG-лазер, активной средой в котором выступает алюмо-иттриевый гранат (Y3Al5O12), легированный ионами неодима. Лазерные сканирующие дальномеры работают на различных длинах волн, но чаще других используются следующие:
● 1064 нм (ближний инфракрасный диапазон) – для топографических сканеров;
● 532 нм (зелёный) – для батиметрических (измеряющих глубину) сканеров;
● 600–1000 нм – для наземных устройств, предназначенных для коммерческого использования;
● ∼1500 нм – для наземных сканирующих систем, используемых в научных целях.

Выбор длины волны лазерного излучателя зависит от целого ряда факторов:
● отражающих свойств сканируемых объектов;
● характеристик окружающей среды;
● чувствительности используемого детектора;
● необходимой степени безопасности для глаз;
● требований к конструкции устройства.

Помимо длины волны излучения нужно также учитывать мощность лазера. Электрооптический приёмник получает энергию лазерного луча, отражённого или рассеянного целью, и фокусирует её на светочувствительном детекторе при помощи входной оптики.

Методы определения расстояния
Зафиксированные значения моментов передачи и приёма лазерного луча используются для расчёта времени, проведённого светом в пути, и, следовательно, расстояния до объекта, отразившего луч. В системе LIDAR обычно используется один из двух режимов, определяющих метод измерения расстояния: импульсный режим или режим непрерывной волны. В системах с импульсной модуляцией, также известных как время пролётные системы, лазером излучаются единичные световые импульсы с высокой частотой следования. Измеряется время, прошедшее c момента излучения импульсного сигнала до момента воз- врата отклика в приёмник. Расстояние до точки поверхности объекта, в которой произошло отражение лазерного луча, может быть вычислено по формуле: D = 0,5 × c × t, (1) где c – скорость света, t – полное время прохождения светом пути до точки отражения и обратно (раундтрип), D – искомое расстояние до точки отражения. В системах с непрерывной волной лазер излучает непрерывный сигнал, к которому затем применяется синусоидальная амплитудная модуляция. В этом случае время прохождения светом полного пути от передатчика до приёмника будет прямо пропорционально сдвигу фаз в излучённом и принятом сигналах: (2) где ϕ – фазовый сдвиг, T – период сигнала. После определения времени t про- хождения луча, расстояние D, как и в первом случае, вычисляется по формуле (1). Для снижения неопределённости может быть использована многотоновая синусоидальная модуляция. Также в системах с непрерывной волной используется альтернативный метод – с линейной частотной модуляцией. В таких системах переданный и принятый сигналы смешиваются, а для демодуляции и получения информации, содержащейся в несу- щей частоте, используется когерентный приёмник. Нужно отметить, что в уравнениях (1) и (2) предполагается, что детектор в течение времени t стационарен. Для случаев с передвигающимся детектором необходимо будет внести в уравнения соответствующие поправки.

Методы детекции
Обычно в системах LIDAR используется два способа детекции: прямая и когерентная. При прямой детекции приёмник преобразует сигнал непосредственно в напряжение или ток, который пропорционален входящей оптической мощности. Приёмники могут включать лавинные фотодиоды и фотоэлектронные умножители. LIDAR-детекторы также могут работать в режиме счёта фотонов. В этом режиме детектор способен регистрировать даже очень небольшое количество фотонов, а в режиме счётчика Гейгера становится чувствительным даже к отдельным фотонам. Электронная схема приёмника производит измерение генерируемого тока с поправкой на время пролёта фотонов в приёмнике, в результате чего получается прямое измерение момента приёма оптического отклика. При когерентной детекции полученный оптический сигнал смешивается с локальным осциллятором посредством гетеродина, и только после этого фокусируется на фоточувствительном элементе. При смешивании информация преобразуется в узкополосный сигнал, что снижает шум по сравнению с методом прямого детектирования, где используется оптический фильтр.

Бегущий луч и массив
Важно отметить, что описанные методы определения расстояния и способы детектирования требуют различной геометрии приёмников. В целом, большинство коммерческих систем LIDAR работают по принципу «бегущего луча», где для одного излучённого импульса фиксируется один или несколько (как правило, от 2 до 5) значений расстояния для оптических сигналов, вернувшихся вдоль одной и той же линии визирования (множественные возвраты). Для следующего импульса подсистема целеуказания изменяет направление линии визирования, и затем снова записывается несколько значений расстояния. Этот метод – метод точечного сканирования – обычно применяется в системах LIDAR, работающих в линейном режиме, при котором энергия лазера фокусируется на малой области исследуемой поверхности, и требуется достаточно сильный отражённый сигнал для записи отклика и расчёта дистанции. Однако существуют также системы LIDAR, которые используют лазерное излучение для засветки большой площади поверхности. При этом они оснащены покадровым матричным детектором с целью измерения значений расстояния для каждого пикселя в массиве. Этим системам с кадровой развёрткой требуется небольшая сила отражённо- го сигнала. Они записывают сотни или даже тысячи расстояний для излучённого импульса.

ПОДСИСТЕМА РАЗВЁРТКИ (СКАНИРОВАНИЯ)
В тех случаях, когда необходимо не просто определить расстояние до объекта, а сделать обзор целевой области, система LIDAR должна производить измерения во множестве точек. Для построения сцены целевой области пространства используется комбинация движения LIDAR-устройства в целом и работы подсистемы развёртки, через которую проходит излучаемый оптический сигнал. Распространённый вариант реализации подсистемы развёртки основан на использовании качающегося зеркала. Последовательное изменение направления линии визирования, вдоль которой излучается оптический сигнал, осуществляется с помощью подвижного зеркала. Это зеркало поворачивается на ограниченный угол (угол обзора) вокруг оси, лежащей на его плоскости и, как правило, параллельной направлению движения устройства. Качание зеркала позволяет сканировать целевую область пространства и формировать сцену нужной ширины, определяемой углом качания зеркала (см. рис. 2).

Подсистема на основе качающегося зеркала создаёт синусоидальную развёртку. При этом частота качания обратно пропорциональна задан- ному углу обзора (ширине сцены). Основной недостаток такого способа развёртки – непостоянная скорость движения зеркала. Дважды в течение рабочего цикла зеркало должно замедлиться, полностью остановиться, изменить направление движения на противоположное и вновь ускориться. В результате измерения, производимые с постоянной частотой, формируют сцену с неравномерной плотностью точек (меньше точек в середине полосы сканирования и больше по краям). Подсистема развёртки лазерного луча с помощью качающегося зеркала применяется, в частности, в лазерных сканерах фирм Leica и Optech . Альтернативный способ сканирования основан на использовании вращающейся призмы. В такой подсистеме развёртки многогранная призма с зеркальными гранями непрерывно вращается вокруг своей оси симметрии. Лазерный луч переходит от одной грани призмы к другой скачкообразно, в результате чего массив точек, формирующийся при движении устройства, состоит из ряда параллельных линий (см. рис. 3).

Этот вариант лишён недостатков качающегося зеркала, однако он сложнее в реализации и в том, что касается обработки результатов измерений. Системы LIDAR с вращающейся призмой производит австрийская фирма Riegl . Третий вариант подсистемы сканирования использует вращающееся зеркало. Ось вращения в этом варианте расположена почти перпендикулярно к поверхности зеркала (см. рис. 4).

За счёт отклонения поверхности зеркала от плоскости, перпендикулярной к оси вращения, формируется развёртка отражённого лазерного луча в виде эллиптической кривой. Преимущество метода заключается в том, что каждая точка пространства сканируется дважды. Вместе с тем эллиптическая развёртка значительно усложняет обработку результатов сканирования, так как обработка двойных измерений является весьма сложной задачей. Кроме того, поскольку точки в одной и той же области получены с разных позиций (так как система движется и меняет ориентацию в пространстве), полученное таким способом облако точек может содержать большое количество «шумов» . Примерами систем, использующих развёртку лазерного луча с помощью вращающегося зеркала, являются сканеры Leica AHAB DragonEye. В качестве альтернативы механической развёртке в настоящее время существует применяемая в некоторых системах LIDAR оптоволоконная подсистема для направления лазерного луча на целевую область. При таком способе достигается более стабильная геометрия сканирования, благодаря фиксированным связям между оптоволоконными каналами и другими оптическими каналами устройства. Лазерный луч направляется с помощью оптоволоконного пучка, а направление сканирования для каждого импульса зависит от того, из какого оптоволоконного канала он излучается. Подобная система пучков используется и в приёмной оптике (см. рис. 5).

ПОДСИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ
Для практического использования информации, получаемой с помощью сканирующих лазерных дальномеров, одного только массива значений расстояния от устройства до объектов и величин относительных углов сканирования недостаточно. Достоверность данных об окружающем пространстве (получаемых в виде трёхмерного облака точек или двумерного изображения с данными о расстояниях) может быть достигнута только при условии, что для каждой точки измеряются абсолютные значения положения и ориентации несущей платформы системы LIDAR в пространстве в момент приёма отклика от импульса. Для таких измерений используется подсистема ориентации и позиционирования. Эта подсистема включает в себя два основных компонента: приёмный модуль системы глобального позиционирования (ГЛОНАСС или GPS) и блок инерциальной навигации (IMU). Данные GPS-приёмника используются для записи местоположений несущей платформы в определённые моменты времени. Из множества существующих методов уточнения GPS-координат, в системах LIDAR, как правило, применяется дифференциальная постобработка сигнала со стационарной базовой станции или дифференциальные обновления в реальном времени. Для получения более точных наборов данных накладываются строгие ограничения на размещение базовой станции относительно платформы лазерного дальномера. Ориентация платформы измеряется при помощи блока инерциального измерительного устройства, в котором используются гироскопы и акселерометры. Данные GPS и IMU записываются во время движения плат- формы и объединяются (обычно во время шага постобработки данных).

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ (СИСТЕМНЫЙ КОНТРОЛЛЕР)
Для генерации облака точек все подсистемы, составляющие систему LIDAR, должны работать совместно. Качество полученных данных напрямую зависит не только от параметров каждой подсистемы, но и от взаимосогласованности их работы. Выставление параметров сенсоров и контроль работы подсистем осуществляет системный контроллер лазерного дальномера.

ХРАНИЛИЩЕ ДАННЫХ
Конечные данные LIDAR представляют собой файлы со значениями координат GPS и IMU, с измеренными значениями расстояний и иногда с информацией от других подсистем. Поскольку системы LIDAR могут генерировать очень большие объёмы данных, в системе предусмотрен накопитель, на который данные сохраняются сразу после сбора.

ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР: VELODYNE HDL-64E
В качестве примера рассмотрим устройство лазерного сканирующего дальномера высокого разрешения HDL-64E, производимого компанией Velodyne. Именно этот 64-лучевой LIDAR с трёхмерным сканированием установлен на беспилотные автомобили, разработанные компанией Google. Лазерный дальномер стал одним из ключевых компонентов, позволившим сделать автомобиль по-настоящему автономным.

Устройство Velodyne, установленное на крыше беспилотного автомобиля (см. рис. 6), генерирует подробную трёхмерную карту окружающего пространства. Бортовой компьютер объединяет данные измерений, полученных с LIDAR, с картами высокого раз- решения, формируя различные модели данных, которые позволяют роботизированному автомобилю передвигаться самостоятельно, избегая столкновений с препятствиями и не нарушая правил дорожного движения . Модель дальномера HDL-64E имеет 64 пары излучатель-детектор, которые обеспечивают наличие равноотстоящих секторных полей обзора по 26,5°. Для обеспечения 360-градусного обзора по азимуту весь оптический блок закреплён на вращающемся основании (см. рис. 7) и вращается с частотой 600 оборотов в минуту.

При необходимости эта частота регулируется в диапазоне 300…900 об/мин путём передачи простой текстовой команды через последовательный интерфейс. Этот же последовательный порт может быть использован для обновления прошивки сканера. Дальномер Velodyne обладает максимальным диапазоном измерения расстояния – до 120 м с погрешностью не более 2 см . Независимо от частоты вращения оптического блока, устройство постоянно генерирует большой объём данных – 1 млн точек в секунду, что соответствует горизонтальному угловому разрешению 0,05°. Устройство статически и динами- чески сбалансировано, что сводит к минимуму воздействие вибрации и обеспечивает стабильное изображение сцены. Каждый лазер дальномера HDL-64E излучает оптический импульс продолжительностью 5 нс (на уровне 50% амплитуды с максимальной пиковой мощностью 60 Вт). Высокое напряжение, необходимое для создания пикового тока в излучателе на уровне 30 А, генерируется схемой обратноходового преобразователя, что позволяет использовать для питания лазерной установки низкие напряжения. Выход- ной лазерный луч фокусируется линза- ми. При попадании на цель часть излучения отражается обратно в направлении источника. Этот отражённый свет проходит через отдельную систему линз и УФ-фильтр, необходимый для снижения фоновой оптической засветки (увеличения отношения сигнал/шум). Линзы приёмной системы фокусируют отражённое излучение на лавинный фотодиод, генерирующий электрический сигнал, пропорциональный интенсивности оптического. Лазер и лавинный фотодиод юстируются на заводе-изготовителе для обеспечения максимальной чувствительности при минимизации перекрёстных сигнальных помех, образуя, таким образом, наиболее эффективную пару излучатель-детектор. В соответствии с силой отражённого сигнала, детектируемого лавинным фотодиодом и схемой усилителя, система изменяет амплитуду лазерного импульса, поддерживая минимальный необходимый уровень излучения. Эта автоматическая подстройка мощности лазера, во-первых, снижает нагрев оптического блока и повышает его надёжность, а во-вторых, не даёт детекторам войти в режим насыщения. В противном случае, при получении детектором слишком большого количества оптической энергии, наступал бы режим насыщения, для выхода из которого детектору требуется значительное время (если оно превышает период следования импульсов, это неизбежно приводит к искажению детектируемого сигнала). В-третьих, если уровень сигнала сопоставим с шумом, что усложняет его детектирование, система автоматически повышает уровень мощности лазерного излучения. Это может происходить, например, в случае приближения к порогу чувствительности (120 м) или при слабом отражении от чёрной матовой поверхности. Выходной сигнал усиливается и передаётся на аналого-цифровой преобразователь с частотой дискре- тизации 3 ГГц. Затем оцифрованный сигнал с детектора передаётся в циф- ровой сигнальный процессор (DSP), использующий собственный алго- ритм анализа данных и определения времени возврата сигнала. Использо- вание коротких оптических импуль- сов в сочетании с высокочастотной обработкой сигнала обеспечивают большую разрешающую способность системы. Пары излучатель-детектор поделены на две группы по 32 лазера. Одна группа расположена в верхней части модуля и направлена на верхнюю половину поля обзора, а вторая группа, находящаяся под первой, направлена на нижнюю половину поля обзора. Поскольку верхний оптический блок предназначен для измерения бо′льших расстояний, угловое расстояние между оптическими импульсами у него больше, чем в нижнем блоке, который проводит измерения на более коротких дистанциях. Устройство предоставляет данные пользователю через стандартный порт 100BaseT Ethernet. Информация непрерывно передаётся в виде кадров. Частота генерации кадров равна часто- те вращения оптического блока (при 600 об/мин – 10 Гц). Объём данных, переданных за секунду, может содержать более миллиона точек. В пакетах данных содержится информация о расстоянии и интенсивности излучения для каждой пары излучатель-детектор, а также соответствующая угловая координата. Эти данные могут быть собраны с помощью стандартной утилиты сбора Ethernet-пакетов, например Wireshark , и визуализированы в компьютерной программе, такой как Velodyne Digital Sensor Recorder. Также полученные данные могут быть обработаны автономной навигационной системой для создания оценочной кар- ты, которая затем может использоваться для выявления препятствий, поиска оптимального маршрута и, в конечном итоге, для вычислений, связанных с рулевым управлением, торможением и ускорением. На рисунке 8 показан пример кадра данных с устройства HDL-64E, полученного при помощи приложения Velodyne Digital Sensor Recorder. Вблизи центра изображения различима белая точка, указывающая на положение сенсора. Для каждой пары излучатель-детектор сгенерированное облако точек представлено отдельным цветом. Пространственное представление данных формируется объединением двухмерных облаков точек. При вращении модуля набор точек от одной пары излучатель-детектор образует на ровной поверхности непрерывную окружность. Приведённый пример относится к варианту установки дальномера на крыше кабины грузовика, поэтому на изображении ниже белой точки имеется тёмная область – кузов. Как видно на рисунке, впереди грузовика находятся два транспортных средства: другой грузовик, пытающийся повернуть налево, и легковой автомобиль, пересекающий перекрёсток. Кроме того, позади легкового автомобиля на изображении видны дорожное ограждение, земля и деревья. Слева и справа от сенсора видны волнистые области, соответствующие дорожному ограждению и тротуару и выделяющие проезжую часть в поле зрения. Вдоль троту- ара различим кустарник. Полученные данные также позволяют определить дорожную ситуацию позади сенсора – на изображении имеется транс- портное средство, находящееся за грузовиком. Важно, что в любом из облаков точек нет разрывов в круговых данных (вокруг грузовика). Этот факт показывает, что частоты следования лазерных импульсов для верхнего и нижнего блоков дальномера сконфигурированы правильно. Если бы частота следования импульсов была ниже, чем требуется, то каждая из окружностей состояла бы из пунктирных линий. Пустые области на изображении возникают из-за находящихся на оптическом пути препятствий, не позволяющих получить данные о пространстве за ними (эффект затенения). Например, так возникает чёрная полоса позади кузова грузовика. Следует отметить, что устройство LIDAR также может быть установлено под углом 90° к вертикальной оси для изменения области обзора. Такая схема установки может быть использована в геодезических и картографических приложениях. Рассмотренный лазерный дальномер Velodyne HDL-64E относится к классу 1M, то есть считается безопасным для глаз. Сенсор помещён в водонепроницаемый корпус, сохраняет работоспособность при экстремальных темпера- турах и оптимален для использования в автомобилях. Основные технические характеристики устройства приведены в таблице.

Как концепция, лидар уже насчитывает несколько десятилетий. Впрочем, интерес к этой технологии в последние годы резко вырос, поскольку сенсоры становятся меньше, усложняются, а сфера применения продуктов с технологией лидара всё больше расширяется.

Слово лидар представляет собой транслитерацию LIDAR (Light Detection and Ranging - световая система обнаружения и измерения дальности). Это технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах. Лидар как прибор подобен радару, поэтому его применение - это наблюдение и обнаружение, но вместо радиоволн как в радаре в нем используется свет, генерируемый в подавляющем большинстве случаев лазером. Термин лидар зачастую используется равноправно с термином ладар, который означает laser detection and ranging (лазерное обнаружение и измерение дальности), хотя, по мнению Джо Бака, руководителя исследовательских работ в Coherent Technologies, входящего в дивизион космических систем компании Lockheed Martin, эти две концепции с технической точки зрения различны. «Когда вы смотрите на что-то, что может рассматриваться как мягкий объект, например твердые частицы или аэрозоль в воздухе, специалисты стремятся использовать лидар, когда говорят об обнаружении этих объектов. Когда вы смотрите на плотные, твердые объекты, например автомобиль или дерево, тогда вы склоняетесь к термину ладар». Чуть подробнее о лидаре с научной точки зрения смотрите раздел «Лидар: как это работает».

«Лидар был предметом исследований в течение многих десятилетий с момента своего появления в начале 60-х годов», - продолжил Бак. Впрочем, интерес к нему заметно вырос с начала этого столетия благодаря, прежде всего, техническому прогрессу. Он привел в качестве примера визуализацию с помощью синтезированной апертуры. Чем больше телескоп, тем более высокое разрешение объекта может быть получено. Если вам необходимо чрезвычайно высокое разрешение, тогда может понадобиться гораздо более крупная оптическая система, что может быть не очень удобным с практической точки зрения. Визуализация при помощи синтезированной апертуры решает эту проблему за счет использования движущейся платформы и обработки сигналов с целью получения действительной апертуры, которая может гораздо больше физической апертуры. Радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) используются уже много десятилетий. Однако, только в начале 2000-х начались практические демонстрации формирования оптических изображений с синтезированием апертуры, несмотря на то, что лазеры уже широко использовались в то время. «Реально понадобилось больше времени для разработки оптических источников, которые имели бы достаточную стабильность в широком диапазоне регулировки... Совершенствование материалов, источников света и детекторов (используемых в лидарах) продолжается. Вы не просто обладаете способностью проводить теперь эти измерения, вы способны выполнять их в небольших блоках, что делает системы практичными касательно размеров, веса и энергопотребления».

Также становится проще и практичнее собирать данные от лидара (или информацию, собранную лидаром). Традиционно она собиралась с сенсоров летательных аппаратов, говорит Ник Розенгартен, руководитель Geospatial Exploitation Products Group в компании ВАЕ Systems. Впрочем, сегодня сенсоры могут быть установлены на наземных транспортных средствах или даже в заплечных рюкзаках, что подразумевает сбор данных человеком. «Это открывает целый ряд возможностей, данные теперь могут собираться как в помещениях, так и на открытом воздухе», - пояснил Розенгартен. Руководитель дивизиона геопространственных решений в компании Textron Systems Мэт Моррис утверждает, что «лидар представляет собой реально удивительный массив данных, поскольку он предоставляет обширнейшую детализацию поверхности Земли. Он дает гораздо более детализированную и, если можно так выразиться, более оттеночную картинку, чем технология цифровых данных топографических высот DTED (Digital Terrain Elevation Data), которая предоставляет информацию касательно высоты земной поверхности в определенных точках. Возможно, одним из самых мощных сценариев использования, о котором я слышал от наших военных заказчиков, является сценарий развертывания в незнакомой местности, ведь им необходимо знать, куда им предстоит идти... подняться на крышу или перелезть изгородь. Данные DTED не позволяют вам видеть это. Вы не увидите даже зданий».

Моррис отметил, что даже некоторые традиционные данные о высотах точек рельефа местности с высоким разрешением не позволят вам увидеть эти элементы. А вот лидар позволяет это сделать из-за своего «шага позиций» - термин, описывающий дистанцию между позициями, которые могут быть точно показаны в массиве данных. В случае с лидаром «шаг позиций» может быть уменьшен до сантиметров, «поэтому вы можете точно узнать высоту крыши здания или высоту стены или высоту дерева. Это реально повышает уровень трехмерной (3D) ситуационной осведомленности». Кроме того, стоимость сенсоров лидар снижается, как и их размеры, что делает их более доступными. «Десять лет назад сенсорные системы лидаров были очень большими и очень дорогими. Они действительно имели высокое энергопотребление. Но по мере своего развития, совершенствования технологий, платформы становились значительно меньше, снижалось энергопотребление, а качество генерируемых ими данных повысилось».

Моррис сказал, что основное применение лидара в военной области - это 3D планирование и отработка боевых задач. Например, продукт Lidar Analyst его компании для моделирования условий полетов позволяет пользователям принимать большие объемы данных и «быстро генерировать эти 3D модели, затем они могут очень точно планировать свои задачи». То же самое верно и для наземных операций. Моррис пояснил: «Наш продукт используется для планирования путей входа и выхода в район цели, а так как исходные данные имеют высокое разрешение, то можно проводить очень точный анализ обстановки в пределах прямой видимости».

Наряду с Lidar Analyst компания Textron разработала RemoteView - программный продукт анализа изображений, заказчиками которого являются американские военные и разведывательные структуры. Программное обеспечение RemoteView может использовать различные источники данных, в том числе данные с лидара. Компания BAE Systems также предоставляет программное обеспечение (ПО) для геопространственного анализа, ее флагманским продуктом здесь является SOCET GXP, который обеспечивает множество возможностей, включая использование данных лидара. Кроме того, как пояснил Розенгартен, компания разработала технологию GXP Xplorer, которая представляет собой приложение управления данными. Эти технологии вполне подходят для военного применения. Розенгартен, например, упомянул об инструменте для расчета посадочной зоны вертолета, который входит в состав ПО SOCET GXP. «Он может брать данные лидара и предоставляет пользователям информацию о зонах на земле, которых может быть достаточно для посадки вертолета». Например, он может подсказать им, есть ли вертикальные препятствия на пути, например, деревья: «Люди могут использовать этот инструмент для определения зон, которые могут быть лучше всего подходить в качестве эвакуационного пункта во время гуманитарных кризисов». Розенгартен также подчеркнул потенциал метода «монтирование мозаикой», когда множественные массивы данных лидара собираются с конкретной зоны и «сшиваются» друг с другом. Это стало возможным в связи с «повышенной точностью метаданных лидарных сенсоров в комбинации с таким ПО, как например, приложение SOCET GXP от BAE Systems, которое может превратить метаданные в точные зоны на земле, рассчитанные с помощью геопространственных данных. Процесс основывается на данных лидара и не зависит от того, как эти данные собраны».

Как это работает: лидар

Лидар работает, подсвечивая цель светом. В лидаре может использоваться свет видимого, ультрафиолетового или ближнего инфракрасного диапазонов. Принцип действия лидара прост. Объект (поверхность) освещается коротким световым импульсом, измеряется время, через которое сигнал вернется к источнику. Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени между передачей светового импульса и его отражением, исходя из постоянной скорости света равной 299792 км/с. Измеряя этот промежуток времени можно вычислить дистанцию между лидаром и отдельной частью объекта и, следовательно, построить изображение объекта на основе его положения относительно лидара.

Сдвиг ветра

Тем временем господин Бак указал на возможное военное применение технологии WindTracer от Lockheed Martin. Коммерческая технология WindTracer использует лидар для измерения ветрового сдвига в аэропортах. Такой же процесс может использоваться в военной сфере, например, для точной выброски с воздуха. «Вам необходимо сбросить запасы с достаточно большой высоты, для этого вы складываете их на поддоны и сбрасываете с парашюта. А теперь посмотрим, где они приземлятся? Вы можете попробовать и предсказать, куда они улетят, но проблема состоит в том, что пока вы снижаетесь, ветровой сдвиг на разных высотах меняет свое направление, - пояснил он. - И как вы после этого предскажите, где поддон приземлится? Если вы можете измерить ветер и оптимизировать траекторию, то вы можете доставить запасы с очень высокой точностью».

Лидар также используется в наземных безэкипажных транспортных средствах. Например, производитель автоматических наземных аппаратов (AHA), компания Roboteam, создал инструмент, названный Top Layer. Это 3D технология картографирования и автономной навигации, которая использует лидар. Top Layer задействует лидар двумя способами, рассказывает руководитель компании Roboteam Шахар Абухазира. Первый позволяет картографирование закрытых пространств в реальном времени. «Иногда видео недостаточно в подземных условиях, например, может быть слишком темно или видимость ухудшилась из-за пыли или дыма, - добавил Абухазира. - Возможности лидара позволяют вам уйти от ситуации с нулевыми ориентацией и пониманием окружающей обстановки... теперь он составляет карту комнаты, он составляет карту тоннеля. Незамедлительно вы можете понять обстановку, даже если вы ничего не видите и даже, если вы не знаете, где вы находитесь».

Второе применение лидара заключается в его автономности, помощи оператору в контролировании более одной системы в любой данный момент. «Один оператор может контролировать один AHA, но есть два других AHA, которые просто отслеживают управляемый человеком аппарат и следуют за ним автоматически», - пояснил он. Подобным же образом солдат может войти в помещение, а АНА просто следует за ним, то есть нет необходимости откладывать в сторону для того, чтобы управлять аппаратом. «Это делает работу простой и интуитивной». Более крупный AHA Probot компании Roboteam также имеет на борту лидар, который помогает проходить ему большие дистанции. «Вы не можете требовать от оператора, чтобы он жал кнопку три дня подряд... вы используете лидарный сенсор для того, чтобы просто следовать за солдатами, или следовать за машиной или даже в автоматическом режиме перемещаться от одного пункта к другому, лидар в этих ситуациях поможет избежать препятствий». Абухазира ожидает в будущем крупных прорывов в этой области. Например, пользователи хотели иметь ситуацию, в которой человек и АНА взаимодействуют подобно двум солдатам. «Вы не контролируете друг друга. Вы смотрите друг на друга, вы зовете друг друга и действуете точно так, как должны действовать. Я полагаю, что в известном смысле мы получим этот уровень общения между людьми и системами. Это будет более эффективно. Я считаю, что лидары ведут нас в этом направлении».

Идем под землю

Абухазира также надеется, что лидарные сенсоры улучшат проведение операций в опасных подземных условиях. Лидарные сенсоры дают дополнительную информацию, выполняя картографирование тоннелей. Кроме того, он заметил, что порой в небольшом и темном тоннеле оператор может даже не понять, что ведет AHA не в том направлении. «Лидарные сенсоры работают как GPS в реальном времени и делают процесс похожим на видеоигру. Вы можете видеть вашу систему в тоннеле, вы знаете, куда движетесь в реальном времени».

Стоить отметить, что лидарные сенсоры это еще один источник данных и не должны рассматриваться как прямая замена радара. Бак заметил, что имеются большая разница в длине волн этих двух технологий, которые имеют свои преимущества и недостатки. Зачастую лучшим решением является использование обеих технологий, например, проведение измерения параметров ветра при помощи аэрозольного облака. Более короткие длины волн оптических сенсоров обеспечивают лучшее определение направления по сравнению с более длинными волнами радиочастотного сенсора (радара). Впрочем, свойства пропускания атмосферы очень разнятся для двух типов сенсоров. «Радар способен проходить сквозь облака определенных типов, с которыми лидару было бы сложно справиться. Но в тумане, например, лидар может показать себя чуть лучше радара».

Розенгартен сказал, что сочетание лидара с другими источниками света, например, панхроматическими данными (когда изображение строится с использованием широкого диапазона световых волн) даст полную картинку исследуемой зоны. Хорошим примером здесь является определение посадочной площадки для вертолета. Лидар может просканировать зону и сказать, что она имеет нулевой уклон, не принимая во внимание, что фактически он смотрит на озеро. Этот тип информации может быть получен за счет использования других источников света. Розенгартен считает, что промышленность, в конечном счете, займется слиянием технологий, сведением вместе различных источников визуальных и иных световых данных. «Она найдет способы свести все данные под одним зонтиком... Получение точной и исчерпывающей информации - это не просто использование данных лидара, а комплексная задача с привлечением всех доступных технологий».

По материалам сайтов:
www.nationaldefensemagazine.org
www.lockheedmartin.com
www.baesystems.com
www.textron.com
www.robo-team.com
www.robotshop.com
www.Geo-Plus.com
www.nplus1.ru

Сегодня для исследований атмосферы Земли, ее газового состава, перемещения воздушных масс применяются все новые и новые технологии. Одна из них - лидары наземного, воздушного, космического базирования.

Лида́р (транслитерация LIDAR англ. LIght Detection and Ranging ) - технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах. Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара - светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели. В отличие от радиоволн , эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды - достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.

Опыт западных стран свидетельствует об успешном использовании этой не так давно сугубо военной технологии в задачах экологического мониторинга, управления воздушным движением и т.п.

В 60-70-е годы лидары, – лазерные локаторы, работающие в видимом или ближнем ИК-диапазонах волн, – в основном использовались в военной технике. Cегодня они с успехом применяются для решения многих задач, например для мониторинга состояния атмосферы, измерения скорости ветра и т.п. Установленные в районах аэропортов, лидары измеряют ветровые сдвиги на летном поле, завихренность следа самолета и другие атмосферные параметры, знать которые необходимо для обеспечения безопасности взлета и посадки. Хорошие результаты дает применение таких систем для измерения дальности, доплеровской скорости и при формировании изображений объектов, находящихся на летном поле. Так, один из лидаров, выпущенных германской фирмой DLR, установлен в аэропорту Франкфурта между двумя взлетно-посадочными полосами, расположенными близко друг к другу. Он измеряет скорость воздушных вихревых следов от двигателей самолета, приближающегося к одной посадочной полосе, а также перемещения воздуха над другой полосой, вызванного его приближением. Такая информация использовалась службой управления воздушным движением для обеспечения безопасной посадки самолетов по двум полосам. По всей территории Англии установлен компактный робастный лазерный измеритель доплеровской скорости с коническим сканированием, разработанный британской фирмой DRA Malvern. Информация о скорости ветра, получаемая с помощью этих устройств, существенно дополняет данные метеозондов. В 1994-1995 годах в аэропорту Хитроу (Лондон) проходил испытания лазерный измеритель скорости. В числе прочих задач он должен был определять вихревые следы от двигателя самолета и их распространение ветром по летному полю на высоте 30-150 метров. Интересно отметить, что в ходе испытаний был обнаружен неожиданный эффект - возвращение воздушного вихря почти с исходной мощностью в область глиссады примерно через 70 секунд после прохода самолета. Импульсный когерентный лидар на углекислом газе французской фирмы Laboratoire de Meteorologie Dynamique (LMD) применяется для измерения параметров атмосферы и скорости ветра. Дальность действия прибора в горизонтальном направлении - около 12 километров, в вертикальном – вплоть до тропопаузы. Основой аппаратуры лидара служит импульсный СО2-лазер с поперечной накачкой, одномодовым излучением и длиной волны 10,6 мкм. Для расширения луча используется 17-см телескоп Кассегрена со смещенной осью. Управление лучом осуществляется с помощью двухзеркального сканера. Отраженный сигнал собирается тем же телескопом и преобразуется гетеродином. Сдвиг частоты составляет 30 МГц. Принимаемый сигнал оцифровывается восьмиразрядным осциллоскопом с частотой выборки 100 МГц. Для хранения данных используется компьютер. Высокую точность при измерении малых доплеровских сдвигов частоты обеспечивает разработанный в Лаборатории атмосферных исследований НАСА доплеровский лидар, использующий краевой эффект. В устройстве частота излучения лазера выбирается на границе полосы пропускания оптического фильтра с высоким спектральным разрешением. При этом небольшие сдвиги частоты значительно изменяют амплитуду измеряемого сигнала. Доплеровские смещения частоты сигнала, вызванные ветровыми перемещениями, определяются по разности частоты излучения и частоты принимаемого сигнала, отраженного от атмосферы. В лидаре использован импульсный твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом (Nd:YAG-лазер). Длина волны излучения - 1064 нм, длительность импульса - 15 нс, ширина полосы - 40 МГц. Отраженные сигналы собираются телескопом диаметром 0,4 м с полем зрения 0,2 мрад. Сканирующая оптика позволяет направлять луч в секторе от 30 до 120о по углу места и от 0 до 360о - по азимуту. Лидарная установка прошла натурные испытания, в ходе которых измерялись ветровые сдвиги на высотах от 200 до 2000 метров. Интервал измерений по вертикали составлял 22-26 метров. Результаты измерений скорости ветра сопоставлялись с данными метеозондов. Расхождение не превысило 1 м/c, а разброс результатов при 10 измерениях оказался менее 0,4 м/с. Специалисты Лаборатории атмосферных исследований отмечают, что столь высокая точность измерений предоставляет уникальные возможности для изучения турбулентных процессов в нижних слоях атмосферы. Помимо научных исследований прибор можно с успехом применять для высокоточных измерений ветровых сдвигов и микротурбулентностей в районе аэропортов. В последние годы растет интерес ученых к изучению газового состава атмосферы Земли. Их внимание особенно привлекает озон как наиболее важный химически активный газ. Озон, находящийся в стратосфере, защищает биосферу Земли от вредного влияния ультрафиолетового излучения Солнца. В то же время большие концентрации озона в тропосфере способствуют развитию парникового эффекта и образованию фотохимического смога, что отрицательно воздействует на животный и растительный мир планеты, а также на здоровье людей. Как показывают наблюдения, с начала 70-х годов каждые 10 лет концентрация озона в тропосфере увеличивается примерно на 10% и на столько же снижается в нижних слоях стратосферы. Это говорит о крайней важности тщательного исследования данных процессов. Высокую точность измерения концентрации озона в тропосфере обеспечивают лидары дифференциального поглощения - наземные или размещаемые на самолетах. Они зондируют пространство с помощью двух лучей на разных частотах, по-разному поглощаемых озоном. Концентрацию озона в пространстве вычисляют по разнице амплитуд двух разнесенных по времени отраженных сигналов, которые собираются одним или несколькими телескопами. В таких лидарах особенно важно правильно выбрать частоты излучения, которые, кроме различного поглощения в озоне, должны иметь минимальное молекулярное и партикулярное поглощение. Наземный лидар дифференциального поглощения с диапазоном сканирования частоты излучения лазера от 286 до 292 нм создан специалистами Национальной лаборатории океанических и атмосферных исследований и Института изучения окружающей среды (США, шт.Колорадо). Поскольку на характеристики излучения влияет состояние атмосферы, в частности облачность, лидар установили на высоте 2,7 километра над уровнем моря. В состав установки включены два идентичных лазера на красителе, накачка производится от Nd:YAG-лазера. Лазеры возбуждаются последовательно с интервалом 400 мкс. Сигналы детектируются двумя автономными системами, оптимизироваными для приема сигналов с разных высот, и после обработки в специальных фильтрах поступают на фотоэлектронные умножители. Во время испытаний лидар работал непрерывно более суток, при этом отклонение длины волны излучения не превысило 0,01 нм. Исследования проводились на высотах от четырех километров над уровнем моря до уровня нижней стратосферы (примерно 12 километров). Шаг измерений по высоте составлял менее километра. Точность определения концентрации озона в тропосфере при ясной погоде для данной установки оказалась не хуже 10%. Лидар находится в эксплуатации с 1993 года. В последнее время лидарные установки все чаще устанавливают на самолетах для обнаружения ветровых потоков и измерения их скорости, определения истинной воздушной скорости летательного аппарата и других параметров. Кроме того, бортовые лидары используют в системах отслеживания рельефа местности и предупреждения о препятствиях. Одной из первых лазерных систем самолетного базирования стала система измерения истинной воздушной скорости LATAS (Laser True Airspeed System) производства английской фирмы Royal Signals and Radar Establishment (RSRE). В модернизированном варианте эта система применяется и сегодня. LATAS размещается в носовой части самолета. В ее состав входит лазер на углекислом газе с выходной мощностью 4 Вт, поляризационная оптика на четверть- и полуволновых пластинах, а также детектор на теллуриде кадмия и ртути с полосой 100 МГц. Для измерения воздушной скорости лидар фокусируют на расстояние 30-100 м перед носовой частью самолета, для измерения ветрового сдвига – на 250-300 м. Точность измерения скорости - 0,2 м/с. На многих воздушных судах, в частности на транспортных самолетах “Каравелла” , истребителях “Mираж”, вертолетах “Пума”, установлен доплеровский лидар Crouzet производства французской фирмы Crouzet SA. В его основе - СО2-лазер, излучающий непрерывный сигнал с выходной мощностью 3 Вт, диодный детектор с шириной полосы 200 МГц, выполненный на теллуриде кадмия и ртути, поляризационная волновая пластина и пластина Брюстера. Частота гетеродина задается при двойном прохождении луча через ячейку Брэгга. В системе использован телескоп Далла-Кирхама с эффективной апертурой 7,5 см. Принимаемые сигналы обрабатываются спектр-анализатором на ПАВ. Интервал измерения доплеровских скоростей составляет –25 ...+400 м/с, а дальность измерения - 10-100 м. Общий вес системы Crouzet - около 250 кг. По заказу правительств Франции и Великобритании консорциум фирм Dassault Electronique (Франция) и GEC Marconi (Великобритания) разрабатывает когерентный лазерный авиационный локатор CLARA (Coherent Laser Airborn Radar), работающий в диапазоне 10 мкм. Система предназначена для предупреждения о препятствиях, отслеживания рельефа местности, а также измерения воздушной скорости самолета и наведения на цель. Аппаратура, включающая СО2-лазер, сканер, процессор обработки сигналов и данных, размещается в контейнере под фюзеляжем. Обнаружение, классификация и отображение объектов производятся в реальном времени. Система CLARA проходила испытания на борту самолетов A6-E, HS748 и “Торнадо”. Доплеровский лидар для измерения скорости ветра WIND (Wind Infrared Doppler Lidar) разрабатывают французские фирмы CNRS и CNES и в сотрудничестве с германской DLR. В основе системы - лазер на углекислом газе с поперечной накачкой, формирующий одномодовое излучение. Лазер имеет выходную согласующую оптику с Гауссовой отражательной способностью, что позволяет выделить полезный сигнал на фоне поперечных мод высокого порядка, а также на фоне эхо-сигналов от целей с большой отражательной способностью. В системе использован телескоп Далла-Кирхама со смещенной осью (диаметр свободной апертуры - 20 см, коэффициент расширения апертуры - 15). Фокусное расстояние регулируется от 200 м до предельного значения. Летные испытания лидара проходили на борту самолета Falcon 20 (рис. 1). Во время испытаний производилось коническое сканирование в секторе 30о от надира. Период сканирования - 20 или 30 сек, частота повторения импульсов лазера - 4 или 10 Гц. Хорошие характеристики были получены при средней энергии излучения 360 мДж и частоте повторения 4 Гц. Успешно прошла испытания бортовая лидарная установка, разработанная специалистами Лаборатории им. братьев Райт ВВС США. Система предназначена для трехмерного измерения распределения скорости ветра по высоте (ветрового профиля) в реальном времени. Такие сведения важны для повышения точности десантирования и сбрасывания груза с самолета, увеличения вероятности поражения цели при ракетных и артиллерийских стрельбах. Сигнал, излучаемый лазером, отражается от перемещающихся по ветру частиц пыли и воздушных аэрозолей. Скорость ветра определяется путем измерения доплеровских сдвигов сигналов, отраженных от этих частиц. Сканирование лазерного луча - коническое, что позволяет производить измерения в различных направлениях. Размещение лидара в грузовом отсеке самолета показано на рис.2. Измерение ветрового профиля с помощью этой системы позволило повысить точность приземления при десантировании в 2-10 раз. Широкие возможности для изучения атмосферы Земли, проведения различных метеорологических и климатологических исследований открывают лидары космического базирования. Больших успехов в этой области достигли специалисты исследовательского центра Longley (НАСА). Они создали немало наземных и авиационных лидарных систем для изучения атмосферных аэрозолей и водяных паров, облаков, озоновых дыр. В частности, в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment) разработана первая в мире лидарная установка для изучения Земли из космоса. С помощью установки LITE изучалась структура облаков, процессы образования облачности, находящиеся в атмосфере аэрозоли, в том числе антропогенного происхождения, определялась высота приземного слоя атмосферы, измерялось горизонтальное распределение температуры и плотности воздушных слоев на высотах от 25 до 40 км, анализировались процессы отражения лазерного излучения от земной и морской поверхностей. LITE имеет традиционную конструкцию лидара прямого обнаружения: передающий лазерный блок, блок оптической юстировки и приемный блок. Передатчиком служит Nd:YAG-лазер с накачкой лампой-вспышкой. Для резервирования в передающем блоке установлены два идентичных квантовых генератора, из которых в рабочем состоянии находится только один. Передатчик одновременно формирует гармоники излучения с длиной волны 1064, 532 и 355 нм. Излучаемая мощность на этих частотах составляет 470, 560 и 160 мДж, соответствено. Блок оптической юстировки содержит поворотную призму для поддержания оптической центровки выходного лазерного луча и угла зрения приемника. В составе приемного блока - телескоп диаметром 1 м, оптические устройства передачи сигнала и электронные устройства предварительной обработки. Для разделения принимаемого сигнала на три частотные составляющие используется дихроичный расщепитель. В каналах обработки сигналов длин волн 532 и 355 нм установлен ударопрочный фотоэлектронный умножитель, для сигналов 1064-нм диапазона используется кремниевый лавинный фотодиод. В устройстве предусмотрены также узкополосные интерференционные фильтры и апертурный диск, которые служат для реконфигурации приборов при работе в дневное и ночное время. Размер дневной апертуры составляет 1,1 мрад, ночной – 3,5 мрад. После прохождения фотоприемников и фильтров сигналы поступают в электронный усилитель и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Ширина полосы усилителя - 2,1 МГц. АЦП - 12-разрядный, с тактовой частотой 10 МГц. Период стробирования данных - 550 мкс. Электронные устройства обработки включают также резисторную схему, установленную после первого каскада усиления. Схема обеспечивает подавление сигнала в пределах 0-63 дБ. Благодаря этому сильный сигнал, отраженный от плотных облаков или поверхности Земли, не выходит за рамки динамического диапазона 12-разрядных АЦП. Основные вычислительные операции производит быстродействущий сигнальный процессор. Масса аппаратуры составляет 990 кг. Потребляемая мощность в рабочем состоянии - 3,1 кВт, в резервном - 560 Вт. Мощность излучения лазера и расходимость луча выбираются таким образом, чтобы интенсивность лазерного пучка на поверхности Земли была значительно ниже принятых санитарных норм. Cобранные космическим лидаром LITE данные передавались на Землю двумя потоками: с низкой (~20,8 кбит/с) и высокой (~2 Мбит/с) скоростью передачи. Первый поток транслировался через систему связи S-диапазона, второй - через систему телеметрической связи. По мнению специалистов, испытания лидаров LITE в космических условиях прошли успешно. В ходе эксперимента собран большой объем высокоточной информации, на основании которой сформирована общедоступная база данных о состоянии атмосферы. Эксперимент подтвердил возможность применения лидаров в длительных орбитальных полетах. Ожидается, что новые разработки лазеров с диодной накачкой позволят снизить потребляемую мощность, что даст возможность устанавливать лидары на небольших спутниках.

Лазерные лидарные комплексы (ЛЛК) также 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:

• Аммиак - NH 4

  Диоксид серы - SO 2

  Диоксид азота - NO 2

  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 СО 2 -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. Детектирование аэрозольных выбросов и слежение за динамикой (аэрозольный лидар);

2. Детектирование аэрозольных выбросов и идентификация неорганических АХОВ (аэрозольный лидар, коротковолновый ДИАЛ);

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

)* - 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 SO 2 это – 300,05 нм (On) и 299,51 нм (Off), для NO 2 – 448,25 нм (on) 446,83 нм (off).

Основные ТТХ комплекса