Головна

Лазерна та біомедична техніка 5 сторінка

  1.  1 сторінка
  2.  1 сторінка
  3.  1 сторінка
  4.  1 сторінка
  5.  1 сторінка
  6.  1 сторінка
  7.  1 сторінка

Як прикладі на рис. 2.14 приведена структурна схема системи управління лидара, у якого наведення на об'єкт здійснюється за допомогою відеокамери.

Мал. 2.14. Структурна схема системи управління, реєстрації та обробки інформації: 1 - підсилювач двигунів системи наведення; 2 - блок зв'язку відеокамери з комп'ютером; 3 - блок управління кроковим двигуном перебудови частоти лазера; 4 - синхронізатор блоку запуску лазера

Лазери, що використовуються в передавачах лидаров

Спочатку найбільшого поширення в передавачах отримали твердотільні лазери, які мають порівняно великою енергією випромінювання в імпульсі і малою тривалістю імпульсу при роботі в режимі модуляції добротності. Найчастіше використовується лазер на рубін з тривалістю імпульсу 30 нс і енергією випромінювання в імпульсі до декількох Дж. Просторова роздільна здатність ?z = с? / 2, де ? - тривалість імпульсу, с - швидкість світла, при 30 нс становить 4.5 м і цілком прийнятно для більшості завдань лазерного зондування атмосфери. Оскільки перетину молекулярного, аерозольного і спонтанного комбінаційного розсіяння ростуть з частотою випромінювання, вигідно використовувати лазери, що випромінюють в короткохвильовій області спектра. Менша енергія випромінювання таких лазерів компенсується, як уже сказано, зростанням перетинів розсіювання і квантової ефективності фотоприймачів. Зокрема, цим пояснюється використання другої гармоніки (347,2 нм) рубінового лазера при визначенні вологості нижньої тропосфери методом спонтанного комбінованого розсіювання.

Все частіше останнім часом в лазерному зондуванні атмосфери використовуються твердотільні лазери на иттриево-алюмінієвому гранаті. Великі перетину розсіювання і квантова ефективність фотоприймачів для другої гармоніки випромінювання (532 нм) по порівняння з довжиною хвилі рубінового лазера (694.3 нм), а також частота імпульсів промислових лазерів, що досягає 100 Гц, компенсує падіння енергії випромінювання в імпульсі на довжині хвилі 532 нм.

Лазери на органічних сполуках (ЛОС) застосовуються в лидара для визначення концентрацій газових компонентів в приземному шарі повітря і концентрації атомів лужних металів у верхніх шарах атмосфери. У першому випадку використовуються, наприклад, довжини хвиль 448,2 і 446,9 нм (вимірювання NO2 методом диференціального поглинання), 300,1 і 301,4 нм (вимір SO2 тим же методом). У другому - довжини хвиль 589 нм (визначення Na), 769,9 нм (визначення К) і 670,8 нм (визначення Li). Енергія випромінювання в імпульсі в цьому випадку становить близько 1 Дж при частоті повторення імпульсів до 0,5 Гц (589 нм).

Можливість перебудови довжини хвилі випромінювання ЛОС з подальшим подвоєнням частоти, наприклад, кристалом дозволяє використовувати такі лазери для вимірювань стратосферного озону. В області спектра 290-315 нм була досягнута енергія випромінювання до 40 мДж. Енергія накачування задає лазера на склі з неодимом (1060 нм) досягає при цьому 25 Дж. Настільки низькі коефіцієнти перетворення, мала частота імпульсів, складність і низька надійність передавача привела до заміни ЛОС ексимерним лазером на XeCl (308,2 нм) для зондування стратосферного озону .

Цей тип лазерів знаходить все більше застосування в лазерних дослідженнях атмосфери. Енергія імпульсу серійних лазерів досягає сотень мДж при частоті повторення до 100 Гц. Приблизно такі ж характеристики має інший тип ексимерного лазера на XeF, що випромінює на довжині хвилі 350 нм. Лазер на XeF може бути з успіхом використаний для самих різних цілей: від визначення параметрів аерозолю і хмарності до вимірювання концентрації газових складових в різних шарах атмосфери.

Перебудовувані напівпровідникові лазери, що випромінюють в діапазоні 3-15 мкм, незважаючи на малу вихідну потужність, все частіше застосовуються для визначення газових компонентів в приземному шарі повітря. Порівняно проста перебудова частоти випромінювання дозволяє домогтися збігу ліній поглинання досліджуваного газу і частоти лазера. За допомогою цих лазерів зроблені виміри концентрацій окису азоту і вуглецю, водяної пари та інших малих газових складових атмосфери. Можливості лидаров з передавачами на доданих лазерах для визначення газових забруднень приземного шару атмосфери великі, так як більшість газів має лінії поглинання в зазначеній галузі спектра.

У доплеровских лидара для вимірювань вітру використовуються безперервні і імпульсні лазери на вуглекислому газі. До ступеня когерентності і стабільності випромінювання таких лазерів пред'являються високі вимоги.

Одним з основних параметрів, що визначають можливість застосування лазерних випромінювачів для визначення вітру в атмосфері, є потужність. Тут найбільш перспективними є СО2-лазери.

Питання безпечного використання лидаров

Випромінювання лидаров становить загрозу для здоров'я людей в сенсі можливого ураження органів зору та опіків шкіри. Причому на практиці найбільша увага приділяється тільки загрозу зору випадкових наземних спостерігачів, так як опіки шкіри можливі тільки на дуже близьких відстанях (перші метри), тобто тільки в лабораторних умовах, де з приладом працює спеціально навчений персонал з дотриманням всіх норм безпеки.

Питання безпечного використання лидаров істотно впливають на методику виконання лазерно-локаційної зйомки. Як буде показано нижче, забезпечення безпеки на практиці зводиться до визначення мінімально допустимої висоти польоту, яке для деяких моделей лидаров може становити кілька сот метрів. Зрозуміло, що це обмеження суттєво, так як висота зйомки є одним з головних параметрів, прямо впливають на детальність (щільність сканування), точність і ширину смуги захоплення.

Методика розрахунку параметрів безпечного застосування лидаров досить складна, тому розглянемо тільки висновки:

1. Перш за все, всі вироблені в світі аерозйомочні лідари в частині проблеми безпеки для зору можуть бути розділені на дві великі категорії - небезпечні і безпечні. Приклади представлені в таблиці 5.

Таблиця 5

Класифікація аерос'емочних лидаров поширених типів за ступенем небезпеки для зору

 фактори небезпеки  Небезпечні - робоча довжина хвилі випромінювання близько 1.0 мкм  Безпечні - робоча довжина хвилі випромінювання близько 1.5 мкм
 Моделі аерос'емочних лидаров  Optech ALTM 3100, Leica ALS-50  IGI LiteMapper, TopoSys Falcon

Як видно з таблиці, ступінь небезпеки для зору визначається робочою довжиною хвилі випромінювання. Лідари з довжиною хвилі порядку 1.0 мкм виявляються найбільш небезпечними, а лідари з довжиною хвилі близько 1.5 мкм виявляються найбезпечнішими. Для прикладу вкажемо: в нормальних умовах зйомки для ALTM 3100 мінімально допустима висота зйомки становить 550 м, а для LiteMapper - 0,5 м. Таке принципове розходження пояснюється тим, що склоподібне тіло очі в значній мірі прозоро на довжині хвилі 1.0 мкм і майже повністю непрозоро на довжині хвилі 1.5 мкм. Тому лазерне випромінювання на довжині хвилі 1.5 мкм не може досягти сітківки і викликати опік, все це випромінювання буде поглинена склоподібним тілом очі. Навпаки, лазерне випромінювання з довжиною хвилі близько 1.0 буде сфокусовано кришталиком і без серйозного ослаблення досягне сітківки, що при перевищенні порогового значення поверхневої густини енергії може привести до опіку сітківки.

Однак сказане не означає, що лідари з робочою довжиною хвилі 1.5 мкм кращі з-за своєї майже цілковитій безпеці. Згадаймо, що склоподібне тіло очі майже повністю складається з води. Саме завдяки цій обставині воно виявляється майже повністю непрозорим - вода інтенсивно поглинає електромагнітне випромінювання на довжині хвилі 1.5 мкм. Але ця обставина має і одне вкрай несприятливий наслідок для практичного застосування аерос'емочних лидаров з робочою довжиною хвилі випромінювання 1.5 мкм - такі прилади вкрай залежні від вмісту водяної пари в атмосфері. Іншими словами, вони "сліпнуть" навіть при незначному зниженні метеорологічної дальності видимості, в умовах навіть найлегшою димки. Крім того, зі зрозумілих причин лазерні імпульси на цій довжині хвилі не дають відображень від водних (водойм) і зволожених (болота) поверхонь, а також від усіх об'єктів, на поверхні яких з якихось причин утворився шар вологи (наприклад випадання роси).

2. Оцінка мінімально допустимої висоти і інших параметрів виконання лазерно-локаційної зйомки проводиться на основі обчислення сумарної енергії лазерних імпульсів, які в результаті попадання на сітківку можуть викликати її нагрівання вище допустимого рівня. Іншими словами, має значення не тільки енергія кожного конкретного лазерного імпульсу. Якщо за умовами зйомки очей спостерігача можуть вразити кілька імпульсів підряд, то цю можливість також слід враховувати.

3. Небезпека ураження сітківки тим вище, чим вище енергія одиночного імпульсу і чим менше відстань до джерела випромінювання. Причому інтенсивність головного вражаючого фактора поверхневої густини енергії випромінювання обернено пропорційна квадрату відстані, тобто при зниженні висоти зйомки менше допустимого порогу небезпеку для зору зростає у квадратичної залежності.

4. У лидара типу ALTM 3100 або ALS-50 в якості інструменту розгортки використовується скануючий дзеркало. В кінці кожного рядка сканування рух дзеркала сповільнюється, потім на дуже короткий час зупиняється і починає рух в зворотному напрямку. Саме в такі моменти створюються умови, коли око спостерігача може бути вражений більш ніж одним лазерним імпульсом. Тобто для приладів з таким типом розгортки параметри сканування (амплітуда, частота) також прямо впливають на безпеку використання.

5. Імовірність ураження сітківки вище вночі, ніж вдень, так як в нічний час зіницю повністю розширено. Так як в оптичній системі ока зіниця виконує функції діючої діафрагми, то зрозуміло, що в нічний час сітківка піддасться впливу максимальної дози випромінювання. З цієї ж причини вражаючий фактор лазерного випромінювання практично необмежено зростає при використанні оптичних приладів (біноклів, монокуляри).

6. У лидара типу ALTM компанії Optech використовується спеціальний прийом, покликаний значно знизити значення мінімально допустимої висоти безпечної зйомки. За рахунок мінімального ускладнення оптичної схеми (фактично за рахунок використання однієї додаткової лінзи) з'являється можливість збільшити розбіжність зондуючого лазерного променя з 0.2 до 0.7 мрад. Іншими словами, лазерний промінь "уширяется". Зрозуміло, що така можливість стосується пропорційного зниження поверхневої густини енергії променя, і, отже, до можливості виконувати безпечну зйомку на менших висотах. У ALTM 3100 введення такої опції дозволяє знизити мінімально допустиму висоту з 550 до 80 метрів. Дотримання встановлених правил гарантує, що статистична ймовірність настання несприятливого результату дуже мала.

приклади лідерів

Парк літаків / вертолітний лідар Атмар-3 [6]

Бортовий лідар "Атмар-3" (ATMospheric and MARine Lidar) призначений для проведення атмосферно-оптичних і гідрооптичних вимірювань з борта платформи-носія (літак, вертоліт, судно).

При дистанційному зондуванні морської акваторії лідар здатний:

- Виявляти наявність косяків риби і їх провісників в при поверхневому шарі моря;

- Вимірювати показник ослаблення випромінювання в воді, тобто її прозорість, наявність підводних шарів каламутної води;

- Виявляти нафтову плівку на поверхні води;

- Виявляти фітопланктон (мікроводорості) у водній товщі;

- Вимірювати глибину дна на мілководді, небезпечному для судів.

При зондуванні атмосфери лідар може:

- Вимірювати відстань до хмар або антропогенних аерозольних шлейфів;

- Вимірювати показник ослаблення випромінювання і масову концентрацію аерозолів різного походження;

- Розрізняти краплинні і кристалічні хмари для попередження про небезпеку обмерзання літаків.

Установка лазерного локатора на борту літального апарату дозволяє швидко обстежити в тривимірному вимірюванні великі території і акваторії, недоступні наземної апаратури, за короткий відрізок часу.

Призначення: Дослідження розподілу забруднюючих аерозолів на різних висотах і відстанях від точки базування; виявлення косяків пелагічних риб у верхньому шарі моря.

 Технічні характеристики
 Довжина хвилі випромінювання лазера, нм
 поляризація  лінійна
 Енергія імпульсу випромінювання, мДж
 Глибина зондування «чистої» морської води (в залежності від її замутнений), м  до 20
 Вимірюється глибина дна, м  до 35
 Глибина зондування хмар, м  50 ... 300
 Дальність виявлення хмар, км  до 5
 Загальні розміри, м  1,0х1,2х0,7
 маса, кг
 Споживана потужність, кВт  до 2


Спектрометр (лідар) лазерний дистанційний "Ехо-2"

Спектрометр (лідар) лазерний дистанційний "Ехо-2" розроблений ФНПЦ "НВО гіпо" та освоєно на КОМЗ за участю ЦКБ "Фотон", призначений для визначення біоресурсів моря і дистанційного визначення джерел забруднення навколишнього середовища:

- Контролю газового складу атмосфери на підприємствах;

- Діагностика потенційно небезпечних в екологічному відношенні об'єктів;

- Контролю рівня забруднення грунту;

- Визначення вугле місць забруднення водних поверхонь.




 Навчальний посібник |  застосування лазерів |  Лазерна та біомедична техніка 1 сторінка |  Лазерна та біомедична техніка 2 сторінка |  Лазерна та біомедична техніка 3 сторінка |  Технічні характеристики 2 сторінка |  Технічні характеристики 3 сторінка |  Технічні характеристики 4 сторінка |  Технічні характеристики 5 сторінка |  біомедичних ОПТИКИ |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати