Лидарная система контроля загрязнения воздуха

Лидарная система контроля загрязнения воздуха, содержащая оптически сопряженные лазер, поворотную призму, приемный телескоп, линзовый объектив с интерференционным фильтром и фотоприемник, электрически связанный с блоком сбора и обработки информации. В контролируемой области пространства с загрязнениями (мишени) расположен отражатель, оптически сопряженный с поворотной призмой и приемным телескопом. Технический результат - повышенная чувствительность системы для дистанционного мониторинга загрязнений опасных предприятий.

Предлагаемое техническое решение относится к области лазерной измерительной техники и может быть использовано при создании дистанционных приборов контроля загрязнения воздуха, в том числе на промышленных объектах, с повышенной чувствительностью.

Известен лидарный комплекс контроля загрязнения воздуха (Патент РФ 2022251, МПК G01N 21/61, опубл. 30.10.1994). Комплекс содержит лидар дифференциального поглощения и устройство для многокомпонентного анализа воздуха. Лидар дифференциального поглощения содержит последовательно установленные по ходу отраженного излучения систему наведения, оптическую приемную антенну, оптико-механический блок и систему приема и обработки сигнала. Система наведения, оптическая приемная антенна, спектроанализатор и фотоприемное устройство последовательно установлены по ходу принимаемого излучения, выход лазерного излучателя через оптический коммутатор одновременно оптически связан с входом системы наведения и с входом блока калибровки. Недостатком комплекса является его громоздкость и сложность, а также низкая чувствительность, что приводит к большим габаритам и стоимости и ограничению радиуса действия.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является лидарная система контроля качества атмосферного воздуха (Патент на полезную модель РФ 101836, МПК G01N 21/61, опубл. 27.01.2011), включающая оптически сопряженные лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом, поворотную призму, приемный телескоп типа Ньютона, линзовый объектив с интерференционным фильтром и фотоумножитель, электрически связанный с блоком сбора и обработки информации. Лидарная система контроля качества атмосферного воздуха позволяет проводить дистанционный мониторинг загрязнения воздуха путем измерения энергии импульса, отраженного от загрязнений (мишени). Однако, при малых загрязнениях и больших расстояниях до мишени энергия импульса уменьшается в 10³-10⁹ раз, становясь соизмеримой с шумами электронных приборов. В результате полезный сигнал может быть неразличим в этих шумах. Таким образом, недостатком лидарной системы контроля качества атмосферного воздуха является низкая чувствительность к малым загрязнениям, которая падает с ростом расстояния до мишени.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка лидарной системы дистанционного контроля загрязнения воздуха с повышенной чувствительностью за счет увеличения энергии импульса, отраженного от мишени.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что аналогично прототипу лидарная система контроля загрязнения воздуха включает оптически сопряженные лазер, поворотную призму, приемный телескоп, линзовый объектив с интерференционным фильтром и фотоприемник, электрически связанный с блоком сбора и обработки информации. В отличие от прототипа, система содержит отражатель излучения, оптически сопряженный с поворотной призмой и приемным телескопом, и установленный на пути рассеянного загрязнениями (мишенью) лазерного излучения, например, непосредственно на вентиляционной трубе промышленного объекта или на летательном аппарате, включая беспилотный.

Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков лидарная система контроля загрязнения воздуха позволяет выявлять даже малые загрязнения над опасными объектами на большом от них расстоянии путем повышения чувствительности к энергии рассеянного лазерного излучения.

Сущность предлагаемого решения иллюстрируется фиг., на которой изображена функциональная схема системы, где 1 - приемный телескоп со сферическим зеркалом, 2 - линзовый объектив с интерференционным светофильтром. 3 - фотоприемник, 4- лазер, 5 - поворотная призма для направления лазерного излучения, 6 - контролируемая область пространства с загрязнениями (мишень), 7 - отражатель рассеянного излучения, 8 - блок сбора и обработки информации.

Лидарная система контроля загрязнения воздуха, включает оптически сопряженные лазер 4, поворотную призму 5 для направления излучения лазера в мишень 6, приемный телескоп 1, линзовый объектив 2 с интерференционным фильтром и фотоприемник 3, электрически связанный с блоком 8 сбора и обработки информации, а также отражатель 7, оптически сопряженный с поворотной призмой 5 и приемным телескопом 1. Отражатель 7 устанавливают на пути рассеянного загрязнениями (мишенью 6) лазерного излучения.

Лидарная система контроля загрязнения воздуха работает следующим образом. Импульс лазерного излучения из лазера 4 поворотной призмой 5 направляется в сторону мишени 6. Основная часть излучения достигает мишени 6 и рассеивается ею, формируя информацию об уровне загрязнения. Очень малая часть рассеянного излучения направляется назад в приемный телескоп 1. Более значительная часть рассеянного излучения достигает отражателя 7 и направляется им в приемный телескоп 1. Оба указанных потока излучения собираются линзовым объективом 2 с интерференционным светофильтром и направляются в фотоприемник 3, формирующий электрический импульс. Последний поступает в блок 8 сбора и обработки информации, где вырабатывается сигнал об уровне загрязнения.

Определение уровня загрязнения воздуха происходит более точно, т.к. итоговый сигнал формируется двумя потоками излучения, вместо одного, как было у прототипа. Поток от отражателя 7 на порядок и более превышает рассеянное назад мишенью 6 излучение. Поэтому чувствительность предлагаемой системы заметно превышает чувствительность прототипа.

В частном случае реализации, если контролируемой областью пространства с загрязнениями является промышленный объект (атомная станция, нефтеперерабатывающий или цементный заводы и т.п.производства), то отражатель 7 устанавливают непосредственно на этом объекте, например, на вентиляционной трубе. Тогда выходящий из трубы поток является мишенью 6. При направлении импульса лазерного излучения на срез трубы обратно рассеивается загрязнениями весьма малая часть излучения. Если отражатель 7 устанавливают на пути рассеянного загрязнениями лазерного излучения так, чтобы большая часть отраженного излучения направлялось в приемный телескоп 1, то достигающий приемного телескопа 1 рассеянный поток лазерного излучения многократно возрастает, обеспечивая более высокую чувствительность лидарной системы. Можно предложить другой случай реализации предлагаемого технического решения. Отражатель 7 устанавливают на летательном аппарате (включая беспилотный). Последний зависает над наиболее опасной зоной контролируемого пространства, поворотная призма 5 направляет излучение лазера 4 на отражатель 7, а последний направляет значительную часть рассеянного лазерного излучения в приемный телескоп 1, обеспечивая более высокую чувствительность лидарной системы. Чем больше площадь отражателя 7, тем больше поток рассеянного лазерного излучения, направленного в приемный телескоп 1. Рост площади отражателя 7 в приведенных примерах ограничивается прочностью соединения отражателя 7 с вентиляционной трубой или подъемной силой летательного аппарата, а также возможностью сохранять способность к направлению излучения в приемный телескоп 1 при порывах ветра и других атмосферных явлениях. Оптимальная форма отражателя 7 - параболоид, в фокусе которого находится мишень 6. Допустимы в отдельных случаях - плоский отражатель, уголковый отражатель. Отражатель 7 может быть снабжен селективными отражающими покрытиями для соответствующих длин волн рассеянного излучения.

Эффективность предлагаемой модели можно продемонстрировать на следующем примере. Источником излучения служит лазер на алюмоиттриевом гранате с неодимом со средней мощностью излучения второй гармоники излучения (длина волны 0,532 мкм) 1 Вт. Мишенью являются пары йода-131 над радиоактивном объектом. Объект отстоит на 1 км от лидарной системы. Мощность излучения, рассеянного обратно в приемный телескоп без отражателя обычно составляет 1-10 мкВт и менее. При установке отражателя диаметром 0,5 м у среза вентиляционной трубы, мощность вернувшегося рассеянного излучения увеличивается на несколько порядков и достигает 1-10 мВт в зависимости от погодных условий и расстояния от излучающего лазера, что позволяет определить степень повышения загрязнений от ПДК с повышенной чувствительностью.

Предлагаемая лидарная система контроля загрязнения воздуха позволяет выявлять даже малые загрязнения над опасными промышленными предприятиями на большом от них расстоянии путем повышения чувствительности к энергии рассеянного лазерного излучения.

1. Лидарная система контроля загрязнения воздуха, включающая оптически сопряженные лазер, поворотную призму, приемный телескоп, линзовый объектив с интерференционным фильтром и фотоприемник, электрически связанный с блоком сбора и обработки информации, отличающаяся тем, что дополнительно содержит отражатель, оптически сопряженный с поворотной призмой и приемным телескопом.

2. Лидарная система по п.1, отличающаяся тем, что отражатель устанавливают непосредственно на вентиляционной трубе промышленного объекта.

3. Лидарная система по п.1, отличающаяся тем, что отражатель устанавливают на летательном аппарате (включая беспилотный).