Лазерные технологии для дистанционного контроля окружающей среды

Преимущества лидарных технологий

Сравнение с традиционными методами контроля

Сегодня лидарная техника относится к одному из приоритетных и наиболее быстро развивающихся направлений мирового оптико-электронного приборостроения. И это не случайно.

Сенсоры, основанные на дистанционном лазерном зондировании, позволяют проводить детальный анализ исследуемых объектов и компонентов окружающей среды по их спектральным характеристикам. При этом — в условиях существенно более низкого предельного уровня пространственного разрешения наблюдательных систем.

К преимуществам лидарного метода по сравнению с традиционными (например, физико-химическими) относятся:

• ✓ Дистанционность
• ✓ Бесконтактность
• ✓ Возможность непрерывного площадного и профильного сканирования
• ✓ Одновременное определение широкой гаммы химических элементов и соединений
• ✓ Высокая скорость детектирования

Кроме того, важно, что лидарные комплексы осуществляют оперативное зондирование окружающей среды без деструктивных воздействий на нее.

По сравнению с радиоволновыми радарами достоинства лазерных сенсоров заключаются, прежде всего, в помехоустойчивости и более высоком пространственном разрешении. Не говоря уже о выявлении спектральных признаков обнаруживаемых объектов.

Например, маскирующие покрытия, используемые по STELS-технологии на военных самолетах, затрудняют их обнаружение радаром. А вот лазерный сенсор справится.

История развития технологии

Лазерные источники зондирования начали использоваться в качестве передатчика практически во всех лидарах с 70-х годов.

А в 90-х годах развитие лидарной техники вышло на новый уровень. Благодаря:

1. Удешевлению комплектующих изделий и элементной базы
2. Прогрессу в лазерной технике
3. Развитию средств вычислительной техники
4. Совершенствованию программного обеспечения

Оптоэлектронная информационно-вычислительная система в автоматическом режиме работы стала решать задачи сбора, обработки, накопления, систематизации и документирования огромных массивов информации.

В настоящее время лазерное зондирование — наиболее современный метод исследования параметров компонентов земной биосферы и окружающей среды.

Актуальность экологического мониторинга

Глобальные проблемы и Киотский протокол

Номенклатура задач, при решении которых используется лидарная техника и доставляемые с ее помощью информационные материалы, непрерывно расширяется.

К ней относятся:

• Различные задачи экологии
• Метеорология
• Геодезия
• Поиск и охрана природных недр
• Представление трехмерных цифровых изображений и сигнатур инженерных объектов
• Мониторинг зданий, сооружений, регионов

И актуальность этой технологии сложно переоценить.

Согласно Киотскому протоколу, действие которого заканчивается в декабре 2012 г., наиболее острой и актуальной проблемой в области охраны и безопасности окружающей среды является контроль атмосферных газов.

Каких именно?

Тех, что ответственны за:

1. Создание парникового эффекта
2. Разрушение озонового слоя
3. Нарушение радиационного баланса вокруг Земли
4. Образование кислотных дождей

Антропогенное загрязнение

В настоящее время в приземной атмосфере находится много десятков тысяч тонн загрязняющих веществ антропогенного происхождения.

Главными антропогенными загрязнителями окружающей среды являются:

Крупные экологические катастрофы

История знает немало примеров. Вот лишь некоторые из них.

Разлив нефти в Мексиканском заливе (2010)

В конце апреля 2010 г. крупнейшая в истории экологическая катастрофа произошла на платформе британской нефтяной компании BP в Мексиканском заливе.

Беспрецедентный разлив нефти нанес значительный ущерб природе региона.

Рис. 1 Авиационный рамановский лидар

Нефтяная отрасль России

Россия является вторым по величине производителем нефти в мире. Открываются новые нефтеналивные порты, например, крупнейший в России порт Приморск в Ленинградской области.

С каждым годом растет объем перевозок в акватории Финского залива — чувствительной водной территории с уникальным природным миром.

Соответственно увеличивается риск аварийных ситуаций и вероятность разливов нефти и различных видов негативного воздействия, вызываемого морским транспортом.

Торфяные пожары в Подмосковье (2010)

Нельзя не вспомнить торфяные пожары в Подмосковье летом 2010 года.

Результаты:

• ПДК угарного газа превышена в 6,6 раз
• Взвешенных веществ — в 2,2 раза
• Концентрация углеводородов составляла 6,2 мг/куб. метр

Впечатляет, правда?

Катастрофа в Венгрии (2010)

Среди негативных последствий хозяйственной деятельности человека значительное место принадлежит загрязнению различных компонентов природной среды тяжелыми металлами.

4 октября 2010 г. в результате прорыва резервуара с токсичными отходами на алюминиевом заводе в г. Айка (запад Венгрии) произошло затопление трех населенных пунктов «красным шлаком».

Что содержал этот шлам?

• Оксиды алюминия, железа, титана
• Щелочь
• Соединения ядовитых металлов: мышьяка, ртути, свинца, хрома и кадмия

По официальным данным, в окружающую среду попало примерно 700 000 кубометров ядовитых отходов. Площадь их разлива составила порядка 40 000 м².

Радиационная безопасность

Особое место занимают чрезвычайные происшествия на атомных объектах.

В таких случаях определяющим фактором радиоактивного загрязнения являются изотопы:

• Инертных газов
• Цезия
• Йода
• Стронция
• Других элементов

История атомных аварий:

1. 1957 год — Великобритания, АЭС Уиндскейл
2. Аварии в США, Германии
3. Чернобыльская АЭС
4. Япония, АЭС «Фукусима»

Кроме того, существует масса предприятий, работающих с радиационно-активными материалами (производство, транспортировка, захоронение).

Известно, что в Россию регулярно прибывают корабли из Германии и Франции с обедненным гексафторидом урана — радиоактивными отходами, которые образуются при производстве топлива для атомных электростанций.

Таким образом, разработка методов и приборов для контроля выбросов (от минимальных, позволяющих предупредить опасную ситуацию, до аварийно-высоких) на всех этапах работы с радиоактивными материалами (добыча-захоронение) является первостепенной задачей.

Причем особое внимание должно уделяться практически не развивающимся дистанционным средствам обнаружения активных радионуклидов. Требующим аппаратуры с чрезвычайно высокой чувствительностью и спектральной селективностью.

Применение лидарных систем

Основные функции мониторинга

При пространственно-техническом мониторинге объектов энергетики эффективность средств дистанционного лазерного зондирования определяется выполнением следующих основных функций:

1. Освещение оперативной сцены
2. Экспресс-анализ и идентификация фоновой и целевой обстановки
3. Поиск и обнаружение объектов, определение координат и картирование местности
4. Наблюдение и распознавание облика объекта
5. Обработка и представление информации в реальном времени

Отличительная особенность лидаров состоит в способности дистанционно обнаруживать источники радиационных утечек и выбросов в атмосферу. Работать с большими зараженными территориями.

Только так может быть гарантирована полная безопасность операторов при проведении радиационного контроля в зоне контейнерных захоронений и утилизации отходов топлива АЭС.

Геологоразведка и поиск полезных ископаемых

Стратегическое значение приобретают и проблемы получения объективной информации о фактическом состоянии природных ресурсов и возможных изменениях недроносных территорий.

Основными геофизическими методами поисков залежей нефти и газа является сейсмическая и радиоволновая разведка.

Но достоверность прогноза этими методами остается недостаточно высокой. И при самых благоприятных условиях составляет не более 30%.

Ореолы тяжелых углеводородных газов, в частности, пропана, на земной поверхности, формируемые залежами нефти, характеризуются чрезвычайно низкими концентрациями.

Для их уверенного выявления требуется аппаратура с чувствительностью на уровне 10…20 ppb (частиц на миллиард).

Лазерное зондирование и здесь может служить высокоэффективным методом геологоразведочных работ:

• На региональных поисковых этапах для прогноза нефтегазоносности
• Оценки зон нефтегазонакопления
• Выявления локальных структур под глубинное бурение

Сравнительный анализ газоанализаторов

Судя по последним разработкам и предлагаемым на мировом рынке лазерным газоанализаторам, можно сделать вывод:

Лазерные средства контроля газовых компонентов в настоящее время превосходят по многим техническим параметрам газоанализаторы, применяемые до последнего времени в системах контроля загрязнения атмосферы и в системах контроля выбросов промышленных предприятий.

Какие параметры?

• Чувствительность к измеряемым компонентам
• Избирательность к мешающим измерениям компонентам
• И другие

Российские разработки и достижения

Семинар в Санкт-Петербурге (ноябрь 2011)

Потребности и достижения лазерного приборостроения на примере Северо-Западного региона России продемонстрировал семинар «Состояние и перспективы развития лазерного приборостроения для контроля техногенных загрязнений окружающей среды».

Проходил он в ноябре 2011 г. в Санкт-Петербурге, в стенах Оптического Общества России им. Д.С.Рождественского.

В нем принимали участие 47 руководителей и специалистов:

• Научно-исследовательских институтов
• Учебных заведений
• Учреждений
• Промышленных предприятий г. Санкт-Петербурга
• Академии Инженерных Наук им. Ф.М.Прохорова
• Российской Академии Наук

Тематика семинара охватывала широкий фронт направлений развития лазерного приборостроения в диапазоне спектра от ультрафиолетовой области (0,2-0,4 мкм) до терагерцовой (30-300 мкм).

Рис. 2 Зондирующий твердотельный лазер с диодной накачкой

Рис. 3 Голограммная решетка 2-го типа

Разработки научных институтов

Ряд докладов (ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, НПП «Лазерные системы», ЗАО «Лазеры и оптические системы») показал острую потребность в лидарных системах контроля газовых компонентов в атмосфере.

Которые методически необходимы как средства контроля фонового загрязнения атмосферы на уровне крыш зданий (по аналогии с системой OPSIS, применяемой в Стокгольме).

В НИЦЭБ РАН разрабатываются автоматические станции контроля качества природных вод и воздушной среды.

В части мониторинга экологического состояния окружающей среды Институт успешно взаимодействует с предприятиями Санкт-Петербурга, занимающимися разработкой и созданием лидарных комплексов.

Мобильный лидар в Санкт-Петербурге

В настоящее время в городе используется мобильный лидар с дальностью действия свыше 10 км, созданный в ООО «Лазерные системы».

Авиационный лидар для Газпрома

В НПК ГОИ им. С.И.Вавилова совместно с ЗАО «Лазеры и оптические системы» разработан и создан лидар для аэропоиска утечек на магистральных газопроводах.

Вертолетный образец (рис. 1-3) после успешного проведения полевых летных испытаний передан дочернему предприятию ОАО «Газпром».

По реализованному спектральному разрешению (λ/Δλ>>1000) данный авиационный лидар превосходит известные аналоги почти на два порядка.

Его отличают:

• ★ Повышенные чувствительность и информативность
• ★ Широкий диапазон диагностируемых антропогенных выбросов

Перспективы развития лазерного приборостроения

Стационарные станции и самолет-лаборатории

Семинар показал, что научно-технический и технологический задел, накопленный предприятиями Санкт-Петербурга, позволяет в короткие сроки подготовить к эксплуатации:

1. Стационарные лидарные станции
2. Самолет-лаборатории, оборудованные отечественными датчиками дистанционного зондирования

Для решения широкого круга задач экологического мониторинга акваторий РФ.

Радиационный контроль

В докладе «Перспективные средства мониторинга радиационной обстановки» (Аварийно-технический центр Минатома России) был сделан упор на актуальную потребность в развитии дистанционных средств радиометрического контроля приземных слоев атмосферы.

Как уже указывалось, перспективность использования лидарной техники в этом направлении связана с обеспечением безопасности при проведении диагностики поверхностей, зараженных бета-активными радионуклидами.

Промышленное освоение разработок

Результаты, представленные в докладах специалистов по лазерному приборостроению, ясно указывают на своевременность промышленного освоения в Северо-Западном регионе и по стране в целом лидарной техники для диагностики окружающей среды.

Предприятия-участники:

• ЗАО «ФИД Техника»
• ЗАО ОПТЭК
• НПП «Лазерные системы»
• ЗАО «Лазеры и оптические системы»
• ООО «НЕФ»
• НИИ «Гипрорыбфлот»

На указанных предприятиях лазерная продукция проходит полный инновационный цикл:

1. Опытно-конструкторские и технологические работы
2. Постановка производства
3. Реализация высокотехнологичной продукции на рынке

Терагерцовые спектрографы и рефлектометры

Также к внедрению в промышленное производство и тиражированию вплотную подошли терагерцовые спектрографы и рефлектометры СПб ГУ ИТМО.

Не имеющие отечественных аналогов.

Качество окружающей среды

Качество окружающей среды определяется совокупностью параметров и напрямую зависит от научно-технического прогресса.

В условиях сильной технической отсталости природоохранных предприятий внедрение инновационного лазерного диагностического оборудования позволит решить острые экологические проблемы.

Предотвратив тем самым экологическую катастрофу.

Международная конференция «Оптика лазеров – 2012»

В период 26-29 июня в г.Санкт-Петербурге состоится 15-я международная конференция «Оптика лазеров – 2012».

На которой (в отличие от предыдущих), будет представлена секция «Лазеры в мониторинге окружающей среды».

Конференция открывает широкие возможности для:

• Ознакомления с новейшими мировыми достижениями
• Популяризации собственных инновационных разработок в области лазерных измерительных средств
• Диагностики окружающей среды

Это серьезно.

К.ф.-м.н. А.П.Жевлаков

НПК ГОИ им. С.И.Вавилова,

Сопредседатель секции

«Лазеры в мониторинге окружающей среды»

15 международной конференции

«Оптика лазеров-2012»

г. Санкт-Петербург

Тел. (812) 328 57 34, 328 10 93

E-mail: a_zhevlakov@ilph.ru

Литература:

1. Жевлаков А.П., Лещенко Д.О., Пакконен С.А., Сидоренко В.М. — Исследование методики использования эксимерного лазера для измерения толщины пленки нефтепродукта на поверхности воды. // Океанология 1993, Т. 33. №3. С.452-455.
2. Жевлаков А.П., Лещенко Д.О., Пакконен С.А., Сидоренко В.М. — Дистанционное измерение толщины пленки нефтепродуктов на поверхности воды с использованием эксимерного лазера. // Известия РАН. Сер.Физическая 1994.Т.58. №2.С.175-179.
3. Жевлаков А.П., Соколов С.А., Тульский С.А., Федорова Т.Н., Яковлев В.В. — Новые газоразрядные источники и дозиметры бактерицидного излучения. // Оптический журнал 1994. №12.С. 62-66.
4. Жевлаков А.П., Смирнов В.А., Багров И.В., Тульский С.А., Высотина Н.В. — Аномалии во флуоресценции нефтепродуктов при возбуждении лазерным излучением. // Оптический журнал 1999. № 5.С.44-49.
5. Alimov S.V., Kascheev C.V., Kosachev D.V., Petrov S.B., Zhevlakov A.P. — Multifunctional lidar for needs of oil-and-gas pipes. // Proceeding SPIE Vol.6610
6. Алимов С.В., Данилов О.Б., Жевлаков А.П., Кащеев С.В., Косачев Д.В, Мак Ан.А., Петров С.Б., Устюгов В.И. — Авиационный рамановский лидар с ультраспектральным разрешением // Оптический журнал 2009. №.4.С. 31-38.

"