Лазерная и биомедицинская техника 5 страница

В качестве примере на рис. 2.14 приведена структурная схема системы управления лидара, у которого наведение на объект осуществляется с помощью видеокамеры.

Рис. 2.14. Структурная схема системы управления, регистрации и обработки информации: 1 - усилитель двигателей системы наведения; 2 - блок связи видеокамеры с компьютером; 3 - блок управления шаговым двигателем перестройки частоты лазера; 4 - синхронизатор блока запуска лазера

Лазеры, используемые в передатчиках лидаров

Первоначально наибольшее распространение в передатчиках получили твердотельные лазеры, обладающие сравнительно большой энергией излучения в импульсе и малой длительностью импульса при работе в режиме модуляции добротности. Чаще всего используется лазер на рубине с длительностью импульса 30 нс и энергией излучения в импульсе до нескольких Дж. Пространственное разрешение ∆z=сτ/2, где τ – длительность импульса, с – скорость света, при 30 нс составляет 4.5 м и вполне приемлемо для большинства задач лазерного зондирования атмосферы. Поскольку сечения молекулярного, аэрозольного и спонтанного комбинационного рассеяний растут с частотой излучения, выгодно использовать лазеры, излучающие в коротковолновой области спектра. Меньшая энергия излучения таких лазеров компенсируется, как уже сказано, возрастанием сечений рассеяния и квантовой эффективности фотоприемников. В частности, этим объясняется использование второй гармоники (347,2 нм) рубинового лазера при определении влажности нижней тропосферы методом спонтанного комбинированного рассеяния.

Все чаще в последнее время в лазерном зондировании атмосферы используются твердотельные лазеры на иттриево-алюминиевом гранате. Большие сечения рассеяния и квантовая эффективность фотоприемников для второй гармоники излучения (532 нм) по сравнения с длиной волны рубинового лазера (694.3 нм), а также частота импульсов промышленных лазеров, достигающая 100 Гц, компенсирует падение энергии излучения в импульсе на длине волны 532 нм.

Лазеры на органических соединениях (ЛОС) применяются в лидарах для определения концентраций газовых компонентов в приземном слое воздуха и концентрации атомов щелочных металлов в верхних слоях атмосферы. В первом случае используются, например, длины волн 448,2 и 446,9 нм (измерения NO₂ методом дифференциального поглощения), 300,1 и 301,4 нм (измерение SO₂ тем же методом). Во втором – длины волн 589 нм (определение Na), 769,9 нм (определение К) и 670,8 нм (определение Li). Энергия излучения в импульсе в этом случае составляет около 1 Дж при частоте повторения импульсов до 0,5 Гц (589 нм).

Возможность перестройки длины волны излучения ЛОС с дальнейшим удвоением частоты, например, кристаллом позволяет использовать такие лазеры для измерений стратосферного озона. В области спектра 290-315 нм была достигнута энергия излучения до 40 мДж. Энергия накачки задающего лазера на стекле с неодимом (1060 нм) достигает при этом 25 Дж. Столь низкие коэффициенты преобразования, малая частота импульсов, сложность и низкая надежность передатчика привела к замене ЛОС эксимерным лазером на XeCl (308,2 нм) для зондирования стратосферного озона.

Этот тип лазеров находит все большее применение в лазерных исследованиях атмосферы. Энергия импульса серийных лазеров достигает сотен мДж при частоте повторения до 100 Гц. Примерно такие же характеристики имеет другой тип эксимерного лазера на XeF, излучающий на длине волны 350 нм. Лазер на XeF может быть с успехом использован для самых различных целей: от определения параметров аэрозоля и облачности до измерения концентрации газовых составляющих в различных слоях атмосферы.

Перестраиваемые полупроводниковые лазеры, излучающие в диапазоне 3-15 мкм, несмотря на малую выходную мощность, все чаще применяются для определения газовых компонентов в приземном слое воздуха. Сравнительно простая перестройка частоты излучения позволяет добиться совпадения линий поглощения исследуемого газа и частоты лазера. С помощью этих лазеров произведены измерения концентраций окиси азота и углерода, паров воды и других малых газовых составляющих атмосферы. Возможности лидаров с передатчиками на диодных лазерах для определения газовых загрязнений приземного слоя атмосферы велики, так как большинство газов имеет линии поглощения в указанной области спектра.

В доплеровских лидарах для измерений ветра используются непрерывные и импульсные лазеры на углекислом газе. К степени когерентности и стабильности излучения таких лазеров предъявляются высокие требования.

Одним из основных параметров, определяющих возможность применения лазерных излучателей для определения ветра в атмосфере, является мощность. Здесь наиболее перспективными являются СО₂-лазеры.

Вопросы безопасного использования лидаров

Излучение лидаров представляет угрозу для здоровья людей в смысле возможного поражения органов зрения и ожогов кожи. Причем на практике наибольшее внимание уделяется только угрозе зрению случайных наземных наблюдателей, так как ожоги кожи возможны только на очень близких расстояниях (первые метры), т.е. только в лабораторных условиях, где с прибором работает специально обученный персонал с соблюдением всех норм безопасности.

Вопросы безопасного использования лидаров оказывают существенное влияние на методику выполнения лазерно-локационной съемки. Как будет показано ниже, обеспечение безопасности на практике сводится к определению минимально допустимой высоты полета, которое для некоторых моделей лидаров может составлять несколько сот метров. Понятно, что это ограничение существенно, так как высота съемки является одним из главных параметров, прямо влияющих на детальность (плотность сканирования), точность и ширину полосы захвата.

Методика расчета параметров безопасного применения лидаров достаточно сложна, поэтому рассмотрим только выводы:

1. Прежде всего, все производимые в мире аэросъемочные лидары в части проблемы безопасности для зрения могут быть разделены на две большие категории ‑ опасные и безопасные. Примеры представлены в таблице 5.

Таблица 5

Классификация аэросъемочных лидаров распространенных типов по степени опасности для зрения

Факторы опасности	Опасные - рабочая длина волны излучения около 1.0 мкм	Безопасные - рабочая длина волны излучения около 1.5 мкм
Модели аэросъемочных лидаров	Optech ALTM 3100, Leica ALS-50	IGI LiteMapper, TopoSys Falcon

Как видно из таблицы, степень опасности для зрения определяется рабочей длиной волны излучения. Лидары с длиной волны порядка 1.0 мкм оказываются самыми опасными, а лидары с длиной волны около 1.5 мкм оказываются самыми безопасными. Для примера укажем: в нормальных условиях съемки для ALTM 3100 минимально допустимая высота съемки составляет 550 м, а для LiteMapper - 0,5 м. Такое принципиальное различие объясняется тем, что стекловидное тело глаза в значительной степени прозрачно на длине волны 1.0 мкм и почти полностью непрозрачно на длине волны 1.5 мкм. Поэтому лазерное излучение на длине волны 1.5 мкм не может достигнуть сетчатки и вызвать ожог, все это излучение будет поглощено стекловидным телом глаза. Напротив, лазерное излучение с длиной волны около 1.0 будет сфокусировано хрусталиком и без серьезного ослабления достигнет сетчатки, что при превышении порогового значения поверхностной плотности энергии может привести к ожогу сетчатки.

Однако сказанное не означает, что лидары с рабочей длиной волны 1.5 мкм предпочтительны из-за своей почти полной безопасности. Вспомним, что стекловидное тело глаза почти полностью состоит из воды. Именно благодаря этому обстоятельству оно оказывается почти полностью непрозрачным - вода интенсивно поглощает электромагнитное излучение на длине волны 1.5 мкм. Но это обстоятельство имеет и одно крайне неблагоприятное последствие для практического применения аэросъемочных лидаров с рабочей длиной волны излучения 1.5 мкм - такие приборы крайне зависимы от содержания водяного пара в атмосфере. Иными словами, они "слепнут" даже при незначительном снижении метеорологической дальности видимости, в условиях даже самой легкой дымки. Кроме того, по понятным причинам лазерные импульсы на этой длине волны не дают отражений от водных (водоемов) и увлажненных (болота) поверхностей, а также от всех объектов, на поверхности которых по любым причинам образовался слой влаги (например выпадение росы).

2. Оценка минимально допустимой высоты и других параметров выполнения лазерно-локационной съемки проводится на основе вычисления суммарной энергии лазерных импульсов, которые в результате попадания на сетчатку могут вызвать ее нагрев выше допустимого уровня. Иными словами, имеет значение не только энергия каждого конкретного лазерного импульса. Если по условиям съемки глаз наблюдателя могут поразить несколько импульсов подряд, то эту возможность также следует учитывать.

3. Опасность поражения сетчатки тем выше, чем выше энергия одиночного импульса и чем меньше расстояние до источника излучения. Причем интенсивность главного поражающего фактора поверхностной плотности энергии излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния, т.е. при снижении высоты съемки меньше допустимого порога опасность для зрения возрастает в квадратичной зависимости.

4. В лидарах типа ALTM 3100 либо ALS-50 в качества инструмента развертки используется сканирующее зеркало. В конце каждой строки сканирования движение зеркала замедляется, затем на очень короткое время останавливается и начинает движение в обратном направлении. Именно в такие моменты создаются условия, когда глаз наблюдателя может быть поражен более чем одним лазерным импульсом. Т.е. для приборов с таким типом развертки параметры сканирования (амплитуда, частота) также прямо влияют на безопасность использования.

5. Вероятность поражения сетчатки выше ночью, чем днем, так как в ночное время зрачок полностью расширен. Так как в оптической системе глаза зрачок выполняет функции действующей диафрагмы, то понятно, что в ночное время сетчатка подвергнется воздействию максимальной дозы излучения. По этой же причине поражающий фактор лазерного излучения практически неограниченно возрастает при использовании оптических приборов (биноклей, монокуляров).

6. В лидарах типа ALTM компании Optech используется специальный прием, призванный значительно снизить значение минимально допустимой высоты безопасной съемки. За счет минимального усложнения оптической схемы (фактически за счет использования одной дополнительной линзы) появляется возможность увеличить расходимость зондирующего лазерного луча с 0.2 до 0.7 мрад. Иными словами, лазерный луч "уширяется". Понятно, что такая опция приводит к пропорциональному снижению поверхностной плотности энергии луча, и, следовательно, к возможности выполнять безопасную съемку на меньших высотах. В ALTM 3100 введение такой опции позволяет снизить минимально допустимую высоту с 550 до 80 метров. Соблюдение установленных правил гарантирует, что статистическая вероятность наступления неблагоприятного исхода пренебрежимо мала.

Примеры лидеров

Самолетный / вертолетный лидар АТМАРИЛ-3[6]

Бортовой лидар "Атмарил-3" (ATMospheric and MARine Lidar) предназначен для проведения атмосферно-оптических и гидрооптических измерений с борта платформы-носителя (самолет, вертолёт, судно).

При дистанционном зондировании морской акватории лидар способен:

· обнаруживать наличие косяков рыбы и их предвестников в приповерхностном слое моря;

· измерять показатель ослабления излучения в воде, т.е. её прозрачность, наличие подводных слоёв мутной воды;

· обнаруживать нефтяную пленку на поверхности воды;

· обнаруживать фитопланктон (микроводоросли) в водной толще;

· измерять глубину дна на мелководье, опасном для судов.

При зондировании атмосферы лидар может:

· измерять расстояние до облаков или антропогенных аэрозольных шлейфов;

· измерять показатель ослабления излучения и массовую концентрацию аэрозолей различного происхождения;

· различать капельные и кристаллические облака для предупреждения об опасности обледенения самолетов.

Установка лазерного локатора на борту летательного аппарата позволяет быстро обследовать в трехмерном измерении большие территории и акватории, недоступные наземной аппаратуре, за короткий отрезок времени.

Назначение: Исследование распределения загрязняющих аэрозолей на различных высотах и расстояниях от точки базирования; обнаружение косяков пелагических рыб в верхнем слое моря.

Технические характеристики
Длина волны излучения лазера, нм
Поляризация	линейная
Энергия импульса излучения, мДж
Глубина зондирования «чистой» морской воды (в зависимости от ее замутненности), м	до 20
Измеряемая глубина дна, м	до 35
Глубина зондирования облаков, м	50…300
Дальность обнаружения облаков, км	до 5
Общие размеры, м	1,0х1,2х0,7
Масса, кг
Потребляемая мощность, кВт	до 2

Спектрометр (лидар) лазерный дистанционный "Эхо-2"

Спектрометр (лидар) лазерный дистанционный "Эхо-2" разработан ФНПЦ "НПО ГИПО" и освоен на КОМЗе при участии ЦКБ "Фотон", предназначен для определения биоресурсов моря и дистанционного определения источников загрязнения окружающей среды:

· контроля газового состава атмосферы на предприятиях;

· диагностика потенциально опасных в экологическом отношении объектов;

· контроля уровня загрязнения почвы;

· определения углеводородного состава мест загрязнения водных поверхностей.