ВАЖНЫЕ НОВОСТИ
Росатом представил новую версию программного пакета "Логос"

Госкорпорация «Росатом» представила обновленную версию своей флагманской системы математического моделирования и инженерного анализа «Логос». Эта разработка, относящаяся к классу программного обеспечения для систем автоматизированного проектирования и инженерных расчетов (САЕ), была обогащена более чем 40 новыми функциональными возможностями. Обновления затронули все модули пакета, включая «Логос ...

Первый российский флот ГРП получил сертификат ИНТИ, подтверждающий его готовность к серийному производству и промышленному применению

Совместно с партнерами "Газпром нефть" успешно завершила единые отраслевые испытания первого отечественного флота для гидравлического разрыва пласта (ГРП) — ключевого метода повышения нефтеотдачи, необходимого для разработки многих месторождений. "Системная работа, проводимая российскими предприятиями в кооперации с отраслевыми заказчиками, позволяет создавать востребованные топливно-энер...

Российские спутники врываются в будущее: лазерная связь обеспечит интернет по всей стране

Компания «БЮРО 1440» успешно завершила первую серию тестов лазерной межспутниковой связи собственной разработки. Теперь космические аппараты обмениваются информацией с помощью инфракрасных лазерных лучей. Это позволяет достичь более высокой скорости передачи данных. При такой технологии спутниковый интернет и связь будут доступны без перебоев в самых отдалённых уголках страны, а также там, где ...

К2Тех поздравляет с приближающимся Днем химика!

Химическое производство играет важную роль в развитии экономики и промышленности нашей страны, а также влияет на качество жизни каждого из нас. К2Тех поздравляет всех, кто связан с химической отраслью, с профессиональным праздником и желает дальнейшего роста и успехов в столь непростом деле! Ваша профессия такая же интересная и захватывающая, как восхождение на гору. Умение работать в экстре...

СберТех и «Цифра» договорились о реализации совместных проектов по цифровизации промышленных предприятий

Решения СберТеха и «Цифры» позволят промышленным компаниям создать надежный российский технологический стек. Российские ИТ-компании СберТех и «Цифра» договорились о реализации совместных проектов для цифровизации промышленных предприятий с использованием отечественных программных решений. Соглашение было подписано на ежегодной конференции «Цифровая индустрия промышленной России» (ЦИПР), проходя...

В Госдуме единогласно поддержали кандидатуру Антона Алиханова на пост Министра промышленности и торговли

Депутаты Государственной Думы на пленарном заседании рассмотрели внесенную Председателем Правительства РФ Михаилом Мишустиным кандидатуру Антона Алиханова на должность Министра промышленности и торговли Российской Федерации. В ходе пленарного заседания Госдумы Антон Алиханов рассказал о важности сохранения высокого потенциала, который был сформирован в отрасли и необходимости безусловного достижен...

15 Октября 2010

Флуорисцентно-аэрозольный лидар "Фаран М-1"

Флуорисцентно-аэрозольный лидар "Фаран М-1"

Ультрафиoлетoвый флуoреcцентнo-аэрoзoльный лидар "ФАРАН-М1" пoзвoляет в пoлевых уcлoвиях в любoе время cутoк не тoлькo oперативнo oценивать oптичеcкoе cocтояние атмоcферы, но и обнаруживать аэрозоли биогенного проиcхождения на фоне аэрозолей другой природы. Широкие возможноcти прибора cвязаны c его работой на двух каналах: дальноcть дейcтвия УФ-канала лидара по биогенным аэрозолям доcтигает 4 км, ИК-канала по облакам - превышает 50 км.

Принцип "выделения" биоаэрозолей

Для диcтанционного обнаружения в атмоcфере и идентификации физиологичеcки активных вещеcтв (ФАВ), включая бактерии и вируcы, могут быть иcпользованы такие методы лазерного зондирования, как лазерно-индуцированная флуоресценция (ЛИФ), комбинационное рассеяние (КР) и эмиссионная спектроскопия в лазерной плазме. Первый метод имеет наивысшую чувствительность, а второй - потенциально большую селективность. Большинство биологических клеток содержат в своем составе аминокислоты (тирозин, триптофан, фенилаланин), нуклеоти-ды и флавины [1], именно это отличает их от неорганического аэрозоля. Все эти молекулы флуоресцируют при возбуждении в ближней УФ-области спектра (рис.1).

В белках, которые содержат триптофан и другие флуоресцентные аминокислоты, обычно энергия, поглощенная фенила-ланином и тирозином, обычно передается триптофану и проявляется в свечении в диапазоне около 350 нм. Кроме того, содержание триптофана в белке примерно в 10000 раз больше, чем тирозина и NADH (никоти-намидаденин-динуклеотид восстановленный). Поэтому именно триптофан чаще всего выбирается в качестве маркера биологического объекта.

Экспериментальные исследования прототипов лидаров для обнаружения биогенных аэрозолей проводились с начала 90-х годов [3-5], о мобильном образце сообщается в [6].

Описание лидара "Фаран - М1"

В лидаре (рис.2) реализована схема одновременного наблюдения лидарных сигналов упругого рассеяния и флуоресценции при облучении среды на лазерных длинах волн 1064 и 266 нм соответственно, причем в ИК-канале сигнал формируется аэрозолями любой природы, а в УФ-канале - аэрозолями только биогенного происхождения. В комплект лидара входят два бензоэлектрогенера-тора, транспортируемых тем же автомобилем.' В городских условиях лидар можно подключить к однофазной сети 220 В. При-емо-передатчик, система сканирования и управления лидаром конструктивно объединены в единый модуль, установленный в автомобильный носитель. Во время движения рабочий объем кабины закрыт, при проведении измерений носитель останавливается, устанавливается на домкраты и лидар выдвигается в люк на крыше.

Рис 1. Характерные спектры одиночных частиц при возбуждении на длине волны 266 нм [2]
Рис 1. Характерные спектры одиночных частиц при возбуждении на длине волны 266 нм [2]

Сканирующая система выполнена по целостатной схеме, что позволяет наводить лидар в любую точку верхней полусферы. Зеркала 1, 2 размером 350х500 мм выполнены из монолитного ситалла и покрыты слоем алюминия (с подслоем титана), защищенного пленкой А12О3. Для исключения осаждения влаги при пониженных температурах на поверхности зеркал с обратной стороны зеркала установлены нагреватели, выполненные из нихро-мового провода Х20Н80. Сканирующая система установлена на подшипнике VLA 200544-N (INA, Германия) с внутренним диаметром 400 мм, обеспечивающим поворот системы вокруг вертикальной оси. Привод выполнен на шаговом двигателе 3 FL86STH118 (CHANGZHOU FULLING ELECTRONICS, Китай) и осуществляется через редуктор G150 той же фирмы и шестеренчатую передачу 4. Для определения угла поворота двигателя на нем установлен инк-рементный энкодер типа 5020 (Kuebler, Германия). Сканирование вокруг горизонтальной оси осуществляется поворотом зеркала 2, приводящегося в движение аналогичным шаговым двигателем с редуктором. Максимальная скорость сканирования составляет 1 градус в секунду, шаг сканирования около 1 угловой минуты. Углы поворота системы вокруг обеих осей ограничены концевыми оптическими датчиками НОА2005 (Honeywell, США). На зеркале 2 закреплен телевизионный гид, в качестве которого служит видеокамера VCC-ZM600P (Sanyo, Корея), установленный параллельно направлению зондирования. Гид размещен в теплоизолирующем боксе SVS L-260 (Россия). Рядом с гидом установлен датчик ИПВТ-ОЗМ-01 термогигрометра ИВТМ-7 МК-С (ЗАО "Эксис", Россия), показания которого используются при расчете пропускания атмосферы на рабочих длинах волн в УФ-диа-пазоне спектра. Сканирующая система показана на рис.3.

Рис.2. Лидар в транспортном положении
Рис.2. Лидар в транспортном положении

Питание электродвигателей и системы подогрева, а также передача сигналов датчиков и видеокамеры осуществляется но проводам и кабелям, уложенным в подвижный кабель-канал RV020CR (СР SYSTEMS CO., LTD, Корея). Аналогичный кабель-канал используется для подключения лидара к бортовой электрической и информационной сети автомобиля. Лазерное излучение, направляемое в атмосферу, оптически изолировано от канала приема с помощью подвижного экрана 5 цилиндрической формы. Основной несущей конструкцией лидара является ферма 6 (на рисунке показана условно), к которой на раме прикреплена сканирующая система. На ферме смонтированы четыре упора 7, к которым прикреплены винтовые домкраты, выдвигающие лидар из кабины в рабочее положение.

Источником излучения в ли-даре является специально разработанный фирмой АОТИС ТИИ (Республика Беларусь) лазер 8 LS-2137/20 на алюмоиттри-евом гранате. Излучение лазера последовательно преобразуется во вторую (длина волны 532 нм) и четвертую (266 нм) гармоники в нелинейно-оптических кристаллах КТР и DKDP соответственно. Оптическая схема лазера выполнена таким образом, что излучение всех гармоник выходит соосно. Энергия выходного излучения на длинах волн 1064 и 266 нм при частоте повторения импульсов 20 Гц составляет 250 и 80 мДж соответственно, на длине волны 532 нм не превышает 10 мДж.

Рис.3. Сканирующая система в рабочем положении
Рис.3. Сканирующая система в рабочем положении

Специально разработанный трехлинзовый коллиматор 9 ахроматизирован для длин волн 1064 и 266 нм и уменьшает до 0,18-0,2 мрад расходимость излучения (защищен Российским патентом [7]). Между лазером и коллиматором установлен электромеханический затвор, в случае необходимости перекрывающий излучение лазера. Коллимированное излучение с помощью двух призм из кварцевого стекла КУ-1, одна из которых юстируется (на рис.4 не показана), а вторая 10 неподвижна, выводится на оптическую ось приемного телескопа 12 и далее в атмосферу через два плоских зеркала 1 и 2.

Рассеянное атмосферным объектом излучение этими же зеркалами направляется в выполненный по схеме Мерсена приемный телескоп, образованный двумя параболическими зеркалами диаметром 350 и 50 мм. Приемный телескоп за-шишен от попадания фонового излучения и пыли кожухом 12. Сформированный телескопом параллельный пучок с помощью дополнительного плоского зеркала выводится из телескопа и направляется в фотоприемные модули (рис.5), расположенные в светозащищенном фотоприемном блоке 13. Электрические сигналы с модулей направляются для обработки и анализа в промышленный компьютер производства фирмы ADVANTECH, Тайвань.

Оптическая схема фотоприемного блока представлена на рис.5. На входе приемной системы установлен дихроичный спектроделитель 1: ИК-излуче-ние с длиной волны 1064 нм пропускается, а УФ-излучение в регистрируемой полосе длин волн 325—375 нм отражается. За спек-троделителем установлены обрезающие фильтры 2 и 8, которые на 4-5 порядков величины ослабляют рассеянное излучение на длине волны зондирования 266 нм. Далее ИК-излучение направляется в систему линз 3 и 5 с промежуточной диафрагмой 4 (УФ-излучение в элементы 9—11, соответственно). Размер диафрагм определяет угловое поле зрения лидарной системы в ИК- и УФ-каналах, а их положение - направление, в котором "смотрит" приемная система. Для точной настройки лидара используют сменные диафрагмы (с разными диаметрами) с возможностью перемещения в поперечных к оптической оси направлениях.

Почти параллельный пучок ИК-излучения, выходящий из линзы 5, направляется через интерференционный фильтр 6 в фотоприемный модуль 7, имеющий собственную входную оптическую систему. Динамический диапазон работы ИК-фотодиода С30956Е-ТС (Perkm&Elmer, США) достаточен для обеспечения заданного диапазона рабочих дальностей лидара. Для согласования динамического диапазона фотодиода с диапазоном работы аналого-цифрового преобразователя и повышения точности измерений модуль Si-AVALANCHE PHOTODIODE MODULE (Фал-кон ЛС, Республика Беларусь), приемным элементом которого является фотодиод, имеет два выхода с отличающейся в 10 раз амплитудой сигнала.

По аналогичной схеме 8-12 формируется пучок в УФ-кана-ле. В этом канале вариация сигналов больше, так что используются два модуля 16, 17, в одном из которых фотоумножитель R960 (HAMAMATSU, Япония) работает в аналоговом режиме (этот модуль также имеет два выхода), а во втором- Н5783-Р (HAMAMATSU)- в счетнофо-тонном. Поэтому после прохождения интерференционного фильтра излучение полупрозрачным зеркалом (13) делится на два пучка. Каждый пучок для согласования с размером катода ФЭУ (8 мм) слегка фокусируется линзами (14 и 15). Поверхности всех оптических компонентов, работающих в проходящих лучах, просветлены на соответствующие длины волн.

Сигналы с модулей 7 и 16 поступают в два двухканальных аналого-цифровых преобразователя Ла-н20-12РС1 (ООО "Руднев-Шиляев", Россия), выполненные в виде плат, устанавливаемых в компьютер. Импульсы с модуля 17 поступают в счетчик PhC-USB разработки ИОА СО РАН, выполненный в виде отдельного устройства, и далее в компьютер. Поступающие сигналы (два в ИК- канале и три в УФ- канале) в компьютере "сшиваются". Основные технические характеристики лидара указаны в таблице.

Испытание Лидара

Лидар "ФАРАН-М1" был разработан, спроектирован, изготовлен, испытан и введен в опытную эксплуатацию в 2008 году. Испытания лидара проводились по обширной программе и, в частности, проводилось зондирование искусственного аэрозольного образования, создаваемого за счет распыления водных растворов аминокислот триптофана и лизина и суспензии кишечной палочки Е. coli.

Рис.4. Блок-схема лидара
Рис.4. Блок-схема лидара

Б выделенной эллипсом зоне показана зависимость сигнала от дальности зондирования (вертикальная ось) и времени (горизонтальная ось); величина сигнала выражена в условных цветах (шкала справа). Генератор аэрозоля работал в интервале времени, соответствующем номерам импульсов от 40 до 270. Испытательный туннель, в котором находилось искусственное образование, распологался на расстоянии 570 м от лидара, и сигнал с этой дистанции был наиболее сильным. Под действием ветра аэрозоль выносился из туннеля и постепенно рассеивался, но, тем не менее, прослеживался лидаром до дальности 700-750 м.

Рис.5. Оптическая схема фотоприемного блока
Рис.5. Оптическая схема фотоприемного блока

Рис.7. Зависимость сигнала флуоресценции от 60 концентрации аэрозоля
Рис.7. Зависимость сигнала флуоресценции от 60 концентрации аэрозоля

На рис.7 показаны зависимости сигнала флуоресценции от концентрации аэрозоля; дальность зондирования составляла около 1000 м. Основные эксплуатационные достоинства лидара явились следствием того, что в его работе новые технические решения сочетаются с методикой УФ- и ИК-измерений. Прибор обладает преимуществами перед существующими зарубежными аналогами: лидар может производить полевые измерения в любом доступном месте благодаря установке на автомобильном носителе; наличие двух каналов (ИК- и УФ-диапа-зона), которые с помощью оригинальной оптической системы работают одновременно при одной посылке лазерного излучения, позволяет оперативно обнаруживать присутствие аэрозоля биогенного происхождения на фоне аэрозолей другой природы; лидар одновременно регистрирует сигналы в аналоговом и счетно-фотонном режимах, это позволяет эксплуатировать оборудование в любое время суток благодаря увеличению дальности зондирования как минимум в 3-4 раза; высокий энергетический потенциал прибора создает условия для эффективного контроля антропогенного загрязнения территорий и исследований аэрозольных слоев до высот 20-25 км.

Технические характеристики лидара
Технические характеристики лидара

Сканирующий лидар "ФА-РАН-М1" позволяет оценить интенсивность выбросов локальных источников загрязнений и картировать их аэрозольные шлейфы над городом. Его мобильность незаменима для предотвращения биологических террористических действий. Разрабатывали прибор многие сотрудники: к.ф.-м.н. Балин Ю., н.с. Климкин А., инженеры Ку-ряк А., Рынков О. и Новоселов М., д.ф.-м.н. Пономарев Ю., к.ф.-м.н. Симонова Г. Лидар получил диплом III степени Лазерной Ассоциации стран СНГ и Балтии на 5-й международной выставке лазерной, оптической и оптоэлектронной техники «Фотоника-2010».

Литература

1. Лакович Дж, Основы флуоресцентной спектроскопии. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986.
2. Hill, S.C., Pinnick, R.G., Niles, S. et al. Real-time measurement of fluorescence spectra from single airborne biological particles. - Field Anal Chem Tech, 1999, v.3 (№4-5).
3. Steven D. Christesen, Clifton N. et al. UV fluorescence lidar detection of bioaerosols. - Proc. SHE, 1994, v. 2222.
4. De Sha M., Dolash T. and Ross B. Tunable Ultraviolet LIDAR. - Proc.SPIE, 2000, v. 4036.
5. Buteau S., Simard J., Dery B. et al. Bioaerosols Laser-Induced Fluorescence provides specific robust signatures for standoff detection. - Proc. SPIE, 2006, v. 6378.
6. http://www.fibertek.com/ ProjectsJ)5 J3io.html.
7. Симонова Г., Макогон М., Пономарев Ю. и др. Ахроматический расширитель лазерного пучка для УФ- и ИК-областей спектра. Патент РФ на полезную модель № 89727, приоритет от 27.07.2009.

Г. Коханенко, к.ф.-м.н., М. Макогон, к.ф.-м.н.; Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Томск, mmm@asd.iao.ru

Статья опубликована в журнале "Фотоника" № 4 за 2010 год

Кол-во просмотров: 16699
Яндекс.Метрика