автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и использование метода спонтанного комбинационного рассеяния в бортовом лидаре с ультраспектральным разрешением

Федеральное агенство по образованию Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)

ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА СПОНТАННОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ В БОРТОВОМ ЛИДАРЕ С УЛЬТРАСПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

На правах рукописи

004617466

Кащеев Сергей Васильевич

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ЛЕК 2010

Санкт-Петербург - 2010

004617466

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки РФ,

Официальные оппоненты:

Храмов Валерий Юрьевич, доктор технических наук, профессор Филатов Юрий Владимирович, доктор технических наук, профессор

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И.Менделеева (ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева»)

Защита состоится^'/^а.^^А'» 0> '3& на заседании совета по

защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.238.08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

Автореферат разослан «лч " 2010 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций,

кандидат технических на; ^мирков Евгений Андреевич

доктор технических наук, профессор

Бузников Анатолий Алексеевич

Консультант:

Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Жевлаков Александр Павлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лидарная техника относится к одному из приоритетных и стратегических направлений оптико-электронного приборостроения. Это обусловлено тем, что сенсоры, основанные на дистанционном лазерном зондировании, позволяют проводить детальный анализ исследуемых объектов и компонентов окружающей среды по их спектральным характеристикам в условиях существенно ниже предельного уровня пространственного разрешения наблюдательных систем. Номенклатура задач, при решении которых используется лидарная техника и доставляемые с ее помощью информационные материалы, непрерывно расширяется.

Лазерное зондирование - наиболее современный метод дистанционного обследования Земли, позволяющий определять параметры составляющих атмосферы и гидросферы таких, как загрязнение окружающей среды выбросами химических предприятий, выбросы углеводородного сырья и топлив на предприятиях ТЭК и магистральных нефте-, продукта-, газопроводах, которые дистанционно в принципе не могут быть измерены другими методами. До последнего времени практически полностью отсутствовали разработки авиационных лидарных систем, обладающих экстремально высокой чувствительностью и избирательностью при синхронном поиске широкой гаммы химических веществ и соединений,, направленные на экспресс-оценку содержания загрязняющих веществ в биосфере. Это было связано с отсутствием должных исследований методов и технологий, обеспечивающих соответствующие уровни спектрального разрешения, помехозащищенности, фоновых засветок, а также режимов регистрации и обработки приемных сигналов.

Данная работа посвящена исследованию метода и техники формирования ранее недостижимых уровней чувствительности, спектральной селекции приемных сигналов в авиационном лидаре путем значительного снижения уровня фоновых засветок, достижения ультраспектрального разрешения измерений и создания на этой основе аппаратно-программного комплекса для экспресс-оценки степени загрязнения биосферы техногенными выбросами, что позволит на ранних стадиях обнаруживать утечки загрязняющих веществ на предприятиях и снизить негативную нагрузку на экологию.

Целью диссертационной работы является исследование и использование метода спонтанного комбинационного рассеяния (Рамановского рассеяния) для создания аппаратуры, позволяющей дистанционно обнаруживать и количественно оценивать содержание загрязняющих компонентов в биосфере, используя один источник зондирующего излучения для обнаружения широкого спектра примесей.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

• Исследование и анализ состояния существующих лидарных источников зондирующего излучения для дистанционного зондирования.

• Исследование влияния зондирующего излучения в "УФ-области спектра на вещества - потенциальные загрязнители биосферы.

• Исследование индикаторных веществ для использования их в качестве реперов при дистанционном поиске.

• Исследование информативных спектров рассеяния веществ для оценки состояния среды.

• Разработка метода дистанционной экспресс-оценки загрязнения биосферы техногенными выбросами.

• Разработка аппаратно-программного комплекса для экспресс-оценки степени загрязнения биосферы техногенными выбросами.

Методы исследования и аппаратура. В работе использовался метод спектрального анализа состава газов. В качестве источника возбуждающего излучения использовался Nd:YLF твердотельный лазер с диодной накачкой, излучающий на трех длинах волн 1.047, 0.523, 0.262 мкм, разработанный специально для решения задач исследования. Монохроматор МДР-12 - для изучения спектров рассеяния исследуемых веществ и настройки функциональных узлов лидара. Экспериментальные данные обрабатывались статистическими методами. Для первоначальной калибровки смесей применялся атомно-абеорбционный метод определения содержания веществ. Методы регрессионного анализа применялись при установлении математических зависимостей изменений исследуемых параметров от изменений концентраций тяжелых металлов. В процессе исследований был создан мобильный полихроматор, обладающий значительно более высоким разрешением, нежели известные аналоги. Калибровки высокоразрешающего полихроматора проводилась с помощью образцовых газоразрядных ламп, спектр излучения которых предварительно был определен на монохроматоре Jobin Yvon HR 1000. Для предварительной фиксации сигналов с ФЭУ полихроматора использовался цифровой осциллограф Tektronix TDS5054, позволяющий сохранять осциллограммы в виде массива данных для дальнейшей их обработки на ПК с помощью статистических методов. Для упрощения фиксации сигналов, их обработки и визуализации использовался аппаратно-программный комплекс, созданный на основе компонентов National Instruments и программного пакета Lab VIEW.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Создана база данных спектров спонтанного комбинационного рассеяния основных загрязняющих атмосферу веществ в УФ-диапазоне, положенная в

1 основу разработки лидарной системы с ультраспектральным разрешением.

• Использование для дистанционного зондирования «солнечно-слепой» области спектра для повышения соотношения сигнал/шум при малой мощности зондирующего лазера

• Реализация ультраспектрального разрешения и увеличение отношения сигнал/шум более чем на порядок величины достигнуты на основе использованием ультрафиолетовых широкоапертурных голограммных решеток в сочетании с атомарно-гладкими зеркалами входного телеобъектива.

• Регистрация и обработка приемных сигналов в субгигагерцовом диапазоне частот обеспечивает повышение чувствительности дистанционных измерений

концентраций малых газовых примесей в приземных слоях атмосферы до единиц ррт.

Научная новизна. Впервые создана база данных (комбинационного рассеяния) КР-сдвигов малых газовых компонентов в УФ-области спектра. Полученное в настоящей работе существенное (на два порядка) превышение спектрального разрешения по сравнению с аналогами, сочетание высокого разрешения с высокой чувствительностью измерения концентраций химических веществ и соединений позволяют повысить обнаружительную способность и селективность авиационных лидаров.

Впервые создан УФ-лидар с ультраспектральным разрешением, позволяющий дистанционно и бесконтактно оценивать химический состав атмосферы и составлять экологическую карту местности с высокой скоростью и точностью, ранее доступной лишь для контактных абсорбционных методов.

Разработан аппаратно-программный комплекс, реализующий на практике метод дистанционной количественной экспресс-оценки атмосферных загрязнений и позволяющий оперативно оценить их уровень с точностью до единиц ррт.

Теоретическая и практическая значимость результатов работы состоит в том, что:

• Составлена база данных загрязняющих веществ, содержащая спектры их комбинационного рассеяния, сечения рассеяния и минимально определяемые концентрации.

• Реализован малогабаритный ультрафиолетовый лазерный источник излучения с воздушным охлаждением, пригодный для использования в лидарных системах с ультраспектральным разрешением.

• Реализован малогабаритный полихроматор малой массы для использования в портативных системах дистанционного контроля биосферы, обеспечивающий разрешение )УД/>>1000.

• Теоретически и экспериментально исследована возможность создания атомарногладких поверхностей зеркал сотовой структуры для повышения чувствительности прибора и создан приемный телескоп на основе зеркал с атомарно-гладкими поверхностями.

• Создан аппаратно-программный комплекс для регистрации, оцифровки, обработки, записи и визуализации сигналов в режиме реального времени.

Реализация и внедрение результатов исследований:

Теоретические положения, методики расчета и результаты исследований диссертации использованы в 3 НИР, выполненных в течение 2006-2009 гг.:

• «Исследование и разработка фундаментальных основ и новых методологий дистанционного зондирования природной среды в оптическом и радиодиапазонах электромагнитного спектра» ФИЕТ/КЭОП-35 2006-2009 г.

• «Разработка теоретических основ физики и технологии создания систем квантовой и оптической электроники» КЭОП-40 2009-2010 г.

• НИОКР «Разработка экспериментальной установки для аэропоиска утечек газа» - Институт лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И.Вавилот». 20062008 г.

Результаты диссертационной работы используются в организациях:

• Открытое акционерное общество «ГАЗПРОМ».

» Закрытое акционерное общество «Лазеры и оптические системы».

• СПбГЭТУ «ЛЭТИ» - в дисциплинах «Оптико-электронные системы

дистанционного зондирования», «Расчет и конструирование лазерных и оптико-электронных систем».

• Институт лазерной физики ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И.Вавилова».

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах:

• Международная конференция «Laser Optics - 2006», 23-27.06.2006, г.Санкт-Петербург.

• XI Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика - 2008», 22-24.10. 2008, г. Санкт-Петербург.

• Международная конференция «Laser Optics - 2008», 23.06 - 27.06. 2008, г.Санкт-Петербург.

• Выставка «LASER - 2009», 15-16.06.2009, г. Мюнхен, Германия

• 62-е чтения им. академика Д.С. Рождественского ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И.Вавилова» 15.12.2009, г.Санкт-Петербург.

• IV Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 26-29 .04.2010. г.Саров

• 60-ая, 61-ая, 62-ая научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

• XII Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика-2010», 20-22.10.2008, г. Санкт-Петербург.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 4 работах из них: 3 в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 9 докладов, получивших одобрение на 9 международных, всероссийских, и межвузовских научно-практических конференциях

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения и практических рекомендаций. Она изложена на 122 страницах машинописного текста, включает 24 рисунка, 8 таблиц, 5 приложений и содержит список литературы из 82 наименований, среди которых 45 отечественных и 37 иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении кратко обосновывается актуальность темы диссертационной работы, излагаются цель и задачи исследования и формулируются положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. Кратко рассмотрены основные современные методы, применяемые при оценке экологического состояния биосферы по оптическим характеристикам и дан критический анализ этих методов. Отмечено, что основным недостатком абсолютного большинства методов является качественный характер оценки состояния биосферы, в то время как основной интерес представляет количественная оценка загрязнения, представляющая собой более сложную задачу. Рассмотрены физические аспекты дистанционного зондирования состояния биосферы и приведен сравнительный анализ основных приборов для спектральных измерений в полевых условиях.

В общем случае, условия распространения оптического излучения оказывают большое влияние на возможность использования лазеров в различных системах, поскольку при прохождении лазерного излучения через атмосферу происходит его поглощение, рассеивание, возникает рефракция, а также нарушаются пространственная и частично временная когерентность излучаемых лазером колебаний.

Ослабление оптического излучения в атмосфере подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бэра:

Р = (1)

Где Р и Р0 - мощности пришедшего и зондирующего атмосферу сигналов соответственно; а- показатель ослабления; £ - длина пути излучения. Коэффициент пропуская атмосферы е01 зависит от объемного показателя ослабления атмосферы а, характеризующего, во сколько раз уменьшается поток излучения на единичном пути в направлении распространения. Причем

а^+о^+ст,,, (2)

где каждое из слагаемых определяется, соответственно, аэрозольным рассеянием, молекулярным рассеянием и поглощением.

В общем случае любая модель лидара строится на основании уравнения оптической локации или лидарного уравнения, связывающего в себе пространственные изменения оптических параметров атмосферы на трассе зондирования и мощность рассеянного обратно излучения; уравнение в случае однократного рассеяния имеет следующий вид:

РГ(Л, К) = 1 С{К)Р0ст1А{^ тг2(л, Щ, Ш'2, (3)

где Ро - мощность импульса излучателя; тр - длительность импульса; с -скорость света; X - длина волны; Я — текущая дальность; Аг - площадь входного зрачка; = а-Ь- объемный коэффициент обратного рассеяния; а - объемный

коэффициент рассеяния; 6 = /?„/<7- лидарное отношение, или модуль вектора индикатрисы рассеяния для угла тс; а - объемный показатель ослабления; £0(Л) -пропускание приемной оптической системы; О(Я) - геометрический фактор лидара, характеризуемый интегралом перекрытия зондирующего луча и поля зрения приемника Я) = 1 при полном перекрытии).

= (4)

■ ' ■ где Т(Х, К) - коэффициент пропускания, или прозрачность атмосферы, на длине волны X

В случае, если поле зрения приемной системы лидара соответствует поперечному сечению зондирующего луча на объекте наблюдения или перекрывает это сечение, то используемая в работе оценка мощности принимаемого лидарного эхо-сигнала согласно формуле 1 для однородной непоглощающей атмосферы может быть представлена в виде:

Р, (Х,Л) = С(Ю ■ (Р0 / Аем) • ■ Я • г4) • Д) ■ (4 / Л1) • & №'ехр

где - перекрытие пучка излучения, полем зрения приемника, Р(/А„уча -плотность мощности на объекте, Аы^'П-тд - зондируемый объем, Д,(Л)- коэффициент

обратного рассеяния, А^-п-ТеХ-Р^) - сечение обратного рассеяния, (А,/Я2) -

телесный угол приема, ¿?0(Я) - эффективность оптической системы, ехр|^--

ослабление излучения атмосферой на двойном пути.

Среди активных дистанционных методов измерений содержания газообразных и конденсированных веществ в окружающей среде, в основном, используются метод дифференциального поглощения (ДП) и метод спонтанного комбинационного рассеяния (СКР), за рубежом называемый рамановским и флюоресценция. Однако, широкополосная природа молекулярной флюоресценции является причиной низкой величины отношения сигнала к шуму; при этом основной вклад в шум дает фоновое излучение.

Комбинационное рассеяние излучения газами, жидкостями и твёрдыми телами является прямым источником информации о химическом составе различных сред. При проведении спектрального анализа рассеянного на частицах излучения с волновым числом = 1Д, наблюдаются серии боковых (стоксовых) частот ус, сдвинутые на величины, равные частотам колебательно - вращательных переходов облучаемых молекул vкв_

(6)

В сравнении с ДП метод СКР обладает несколькими достоинствами:

• только рамановский метод позволяет при зондировании одним лазером одновременно регистрировать широкую гамму химических веществ без изменения состава и режима работы аппаратуры. Отсутствие переналожения спектров СКР в

-2^а(г)с1г

(5)

широком диапазоне длин волн открывает возможности селекции антропогенных выбросов на фоне Земли при зондировании с борта летательных аппаратов;

• метод дифференциального поглощения (ДП) пригоден для регистрации лишь тех веществ, линии поглощения которых совпадают с длиной волны зондирующего лазера. При этом для идентификации каждого из веществ требуется набор лазеров или лазер с перестройкой в спектральном диапазоне 2,5 - 15 мкм, работающий одновременно на двух близкорасположенных длинах волн. Кроме того, широкие полосы поглощения атмосферными парами воды и углекислого газа не позволяют обнаруживать компоненты, имеющие собственные полосы поглощения в этих же спектральных интервалах;

• чрезвычайно высокая чувствительность к спектральным отличительным признакам различных покрытий и материалов, поэтому метод спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) особенно эффективен при обнаружении малоконтрастных объектов. Метод СКР можно применять как в ночных, так и дневных условиях из-за отсутствия солнечных помех при использовании ультрафиолетовой области спектра (короче 0,3 мкм).

Лидарный метод комбинационного рассеяния широко используется за рубежом. В главе 1 диссертации приведены в качестве аналогов примеры авиационных рамановских лидаров, выпускаемых в стране и за рубежом. Анализируя современное состояние авиационных лидаров можно отметить три достаточно четко выраженных направления их развития:

- новейшие технологии в лазерной (малогабаритные твердотельные лазеры (ТТЛ) с диодной накачкой, оборудованные преобразователями гармоник), оптической и оптико-электронной элементной базах (высококачественные зеркала с сотовой структурой, высокоскоростные приемники и блоки обработки сигналов), позволяющие селектировать и распознавать объекты окружающей среды с высоким спектральным и пространственным разрешением;

- лазерное зондирование на длинах волн, безопасных для органов зрения и эффективных с точки зрения высокой помехоустойчивости и минимизации фоновых засветок;

- техника регистрации, считывания и обработки сверхмалых приемных сигналов, обеспечивающая оптимальное отношение «сигнал/шум», экстремально высокую чувствительность (обнаружительную способность) и достоверность информации.

На основании проведенного обзора открытых источников информации сделано заключение, что до последнего времени разработки лидарных систем, обладающих экстремально высокими спектральным разрешением и селективной способностью, практически отсутствовали.

Во второй главе приводятся результаты экспериментального исследования спектров комбинационного рассеяния малых газовых компонент в УФ-области спектра, являющихся основными загрязнителями атмосферы.

Экспериментально было установлено, что комбинационные спектры веществ, входящих в группу вероятных загрязнений атмосферы выбросами промышленных предприятий, находятся чрезвычайно близко друг от друга, в некоторых случаях разница между характеристическими полосами может составлять 1-2 нм. Работая в

УФ-области спектра можно обнаружить такие вещества как СИ, (0,2833 0,2844 мкм) N2 (0,279 мкм) Н2Й (0,281 мкм), обладающие близко расположенными характеристическими линиями, что говорит о необходимости применения высококлассного полихроматора с ультраспектральным разрешением в спектральном тракте проектируемого прибора.

Хотя молекулярные колебания имеют ширину спектральной линии не более 1 см"1, спектры рамановского рассеяния различных молекул, могут располагаться близко друг к другу; Поэтому использование рамановского метода для селекции набора атмосферных примесей требует высокого спектрального разрешения, чтобы исключить перекрытие спектральных линий СКР при существенной разнице концентраций соответствующих молекул атмосферных газов. По селективной способности современные лидары, как и спектрометры, делятся на многоспектральные ()7Д/. > 10), гиперспектральные (*/7Л). > 100) и ультраспеюральные (УАХ > 1000). Поэтому для практической реализации метода необходимо ориентироваться на создание СКР-лидара с ультраспектральным разрешением.

Улучшение инструментальной точности и массо-габаритных характеристик в оптико-электронных комплексах, связано с уменьшением длины волны излучения. В том числе и поэтому была выбрана УФ-область спектра для зондирования. Наиболее , мощными источниками УФ когерентного излучения традиционно являлись электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов. Однако, современные ШгУЫ7 ТТЛ с преобразователями гармоник обеспечивают подходящую длину волны, достаточную частоту, энергию и длительность импульса (менее 10 не) для обеспечения высокого пространственного разрешения при малых габаритах и энергопотреблении.

Применение УФ-средств подсветки и приема в лидаре позволили увеличить чувствительность и точность обнаружения химических веществ и физических объектов, т.к. при этом отсутствует фоновая солнечная засветка, благодаря экранирующему действию озонового слоя (рисунок 1,а).

Повышение чувствительности приемных систем, как правило, связаны с увеличением светосилы входной оптики и с уменьшением спектральной ширины сигналов. В лидарных комплексах подобный путь часто сопровождается необходимостью увеличения мощности зондирующего излучения, что не гарантирует безопасного воздействия на органы зрения людей, попавших в область его распространения. С этих позиций выбор УФ-области спектра для зондирования является существенно менее опасным, чем в диапазоне 0.4 - 1.0 мкм (рисунок 1, б).

•»ОТ1-!

-Л

л г10"8]

Длина

ваДМЫ, Л1КЯ1

—I_I_I |

0.8

т

т

Д)тиа ведхвдс (мкы)

а)

б)

Рисунок.1 а) Спектральная освещенность прямой солнечной а диапазоке0-0,6 мкм б) Диаграмма безопасного для глаз уровня энергии лазерного излучения

В УФ области спектра метод СКР имеет наибольшие чувствительность и быстродействие. Для работы в приземном слое атмосферы наиболее приемлем диапазон 1= 0,25-Ю,32 мкм. В этом, «солнечно-слепом» диапазоне существенно повышается чувствительность лидара из-за предрезонансного усиления сигнала СКР, в частности, для основных загрязнителей атмосферы (802, N0^ N0, 1Г2Й, >ТН3 и ароматических углеводородов), полосы поглощения которых лежат в данной области спектра.

Для приборов, измеряющих слабые сигналы, необходима эффективная борьба с фоновыми засветками. Наиболее радикальным средством борьбы с рассеянным светом является применение двойных и даже тройных монохроматоров с оптикой высокого качества.

Сигналы от рассеянного назад атмосферными компонентами излучения относительно слабы во всём спектральном диапазоне чувствительности метода. Поэтому в качестве приемников излучения целесообразнее применять ФЭУ, т.к. они, по сравнению с ПЗС модулями обладают более высокой чувствительностью и быстродействием, что необходимо для регистрации наносекундных сигналов.

Третья глава посвящена исследованию характеристик функциональных компонентов авиационного СКР лидара.

Бортовой рамановский лидар построен по модульному принципу и содержит следующие основные компоненты:

• Малогабаритный твердотельный лазер (ТТЛ) с диодной накачкой и преобразователем гармоник

• Телеобъектив

• Полихроматор с отрезающим фильтром

• Детекторы

• Дальномер и блок контроля зондирующего пучка

• Промышленный ПК с специализированным программным обеспечением

Разработанный лидар представляет собой моностатическую систему. Оптико-

механический тракт построен по схеме Кассегрена. Зондирование осуществляется на длине волны >.=0,262 мкм малогабаритным ТТЛ с диодной накачкой и преобразователями гармоник. Лазерный пучок совмещен системой поворотных зеркал с осью приемного телеобъектива и направляется в обследуемую область атмосферы. Рассеянное назад рамановское излучение (эхо-сигнал) попадает в фотоприемное устройство, состоящее из телеобъектива, полихроматора и детекторов.

Энергия импульса основной гармоники Nd:YLF ТТЛ составляет 50 мДж, длительность 6 не и частота 100 Гц. Далее фундаментальная частота последовательно удваивается кристаллах КТР и ВВО. Энергия излучения на /.=0,262 мкм номинально составляет 6 мДж, в форсированном режиме - 10 мДж. Выходной пучок несет гауссово распределение интенсивности.

Лазер не имеет жидкостного охлаждения. Термостабилизация диодных линеек и активного элемента осуществляется термоэлектрическими элементами Пельтье.

Зеркала Кассегрен-объектива выполнены облегченными из ситалла СО 115М с УФ диэлектрическими покрытиями. Относительное отверстие объектива - 1:3, световой диаметр - 350 мм, мгновенное поле зрения 1,5 мрад.

Спектрометрический канал в лидаре состоит из двойного полихроматора со сложением дисперсий и трех детекторов для регистрации в атмосфере молекул N2 (в качестве репера), СН* и S02. Полихроматор содержит фильтр, отрезающий излучение с длиной волны короче 0,266 мкм (фирмы Barr Associate Inc., USA), широкоапрертурные стигматические голограммные решетки 2-го типа с пространственной частотой N=3600 мм"1, радиусом R=500 мм.

Краткие технические характеристики лидара представлены в таблице 1.

Использование в приемном канале голограммных оптических элементов позволило снизить шумовые характеристики в сравнении с нарезными решетками, и работать с широкой апертурой, поскольку в отличие от нарезных голограммные свободны от сферической аберрации и астигматизма.

Предельная разрешающая способность дифракционной решетки определяется соотношением

А/Д X = N-b/A = h/X, (7)

здесь N - количество штрихов на 1 мм, b - период решетки, h - ширина заштрихованной части решетки.

Полихроматор работает в диапазоне 0,264-5-0,294 мкм, в первом порядке дифракции и собран на основе двух вогнутых голограммных решеток с размером заштрихованной части h= 125 мм (¿V=3600 мм"1), каждая из которых имеет разрешающую силу на уровне 450 000 для длин волн около 280 нм и спектральный коэффициент отражения 60%. Суммарная обратная линейная дисперсия полихроматора получена равной d)Jdl - 0,224 нм/мм. Такое ультраспектральное

разрешение позволяет уверенно разделить линии СН4 (0,2833; 0,2844 мкм), К2 (0,2786 мкм) и 802 (0.2809 мкм).

ФЭУ НатаяШви 116350, обладают чрезвычайно слабым темновым анодным током (0,02 нА), большим коэффициентом усиления (более 4-107) и 20%- ным квантовым выходом на Д= 0,280 мкм.

Приемный канал работает с пороговым уровнем эхо-сигналов на входном зрачке в несколько десятков фотонов. В таком режиме критерием качества приемного канала соотношение сигнал/шум, определяющее вероятность обнаружения СКР-сигнала и точность измерения его величины.

Сигнал обратного рассеяния, принятый ФЭУ стробируется по дальности около момента времени 2Ь/с с шириной строба 1стр. Импульс строба задаётся генератором, запускаемым от стартового (лазерного) импульса, и сдвигается цепью задержки до совмещения его с моментом прихода рассеянного сигнала 21Ус. Таким образом, стробирование позволяло регистрировать только те фотоны, которые прошли внутри строба, и эффективно подавлять шумы вне временного отрезка 1С|р= 0,6-КЗ,0 мкс при Ь= 100+5 00м соответственно.

Таблица.1 Основные характеристики лидара.

Йысота полета, км 0,1-1 Спектральное разрешение (Х/ДХ) >1 000

[Спектральный диапазон, мкм 264-294 Количество одновременно регистрируемых спектров 3

|Поле обзора 0,16° Частота, Гц 100

Цветовой диаметр, мм 355 Габариты, мм 1200*660x1120

[Относительное отверстие 1/3 Масса, кг 65

Современный экспресс-анализ требует представлять результат в цифровом виде. Для этого используется система сбора данных на основе высокоскоростной шины передачи данных PXI и платформы Compact DAQ от компании National Instruments (N1), позволяющие проводить plug-and-play подключения для проведения измерений в полевых условиях.

Важным аспектом применения разработанного комплекса в режиме реального времени и проведения экспериментов является необходимость полной автоматизации исследований. Решение проблемы полной автоматизации описанного выше комплекса было одной из приоритетных задач автора Т.к. процесс СКР очень короткоживущий процесс, обладающий невысоким сечением рассеяния, то для корректного приема сигналов необходимо применение электронного оборудования, работающего в субгигагерцовом или более диапазоне частот. В разработанном приборе применена современная промышленная платформа N1, оснащенная высокопроизводительным процессором и модулями сбора и оцифровки информации. Для автоматизации всего комплекса и вычисления значений концентрации, мной разработано специализированное программное обеспечение (ПО) на основе графического программного пакета Lab View блок-схема работы которой представлена на рисунке 2, а. '■'■■

щ Ей г —ш гаг 13 U»

И ЧрбтЫИ

Е ИЗ—Ш L В 14

L..

TS

a) 6)

Рисунок 2 а) Блок-схема программно-аппаратного комплекса фиксации, обработки, записи и визуализации сигналов; б) Внешний вид типичного эхо-сигнала в окне программы расчета концентрации

Программно-аппаратный комплекс позволяет подключать модули системы фиксации лабораторных исследований Lab View 7.0, библиотеки MathCad и конвертер сигналов для удаленного управления работой лазера через блок питания посредством шины RS-232. Предусмотрена возможность подключения к компьютеру GPS-навигатора для привязки данных сканирования к конкретным точкам на электронной загружаемой карте.

Обработка ведется в режиме реального времени, посредством отдельного программного приложения (рисунок 3, б).

Методика обработки информации, поступающей с фотоприемного устройства, основана на использовании лидарного уравнения (5). Основным расчетным параметром является концентрация искомого загрязнения в атмосфере, определяемая по следующей формуле:

г2 (8)

N =---,

2kaRVQx exp(-2ra)

где г - протяженность объекта; Aa = crl-cr2 - дифференциальное сечение поглощения газа (см2) для длин волн X¡ и Х2\ R — расстояние до объекта; V— системный параметр лидара, определяющийся по формуле:

V = PJP„ <9>

где Ps и Р, - мощность эхо-сигнала и пороговая мощность в отсутствие фоновых помех в условиях опорной атмосферы; Qx - параметр, описывающий эффективность обратного рассеяния объекта по отношению к обратному рассеянию опорной молекулярной атмосферы на опорной длине волны:

а<АЛ) = А(А)/АШ (10)

F-параметр является очень удобным для обоснованной количественной оценки потенциальных возможностей лидара.

Таим образом, зондирующий лазер с высокой энергией импульса излучения и фотодетектор с высокой обнаружителыюй способностью обеспечивает требования детектирования малых утечек газа на расстояниях в сотни метров.

Авиационный полихроматор с ультраспектральным разрешением )7Д/» 1000, позволил разделить близкостоящие спектральные полосы рассеянного излучения и обеспечил возможность идентификации целого спектра химических веществ, входящих в состав загрязнений.

В четвертой главе приведены методика подготовки и проведения натурных испытаний ультраспектрального лидара для аэропоиска утечек на магистральных газопроводах. Сформулирован разработанный метод дистанционной экспресс-оценки загрязнения биосферы техногенными примесями, позволяющий количественно оценить уровень загрязнения по рассеянному излучению.

Разработанный СКР лидар был установлен на борту вертолета МИ-8, испытан в условиях реальной трассы газопровода и после испытаний передан дочернему предприятию ОАО «Газпром». В процессе проведения инспекции обследуемой трассы аппаратура позволила не только обнаруживать утечки метана, но и получать пространственное распределение его концентраций, в т.ч. 3D - представление, в зоне очаговых утечек (рисунок 3). В тестовых измерениях на высотах от 100 до 450 м установлены данные по чувствительности лидара к СН4 6 ррт и S02 4 ррт. В режиме накопления аппаратура обеспечивает измерения концентраций веществ на уровне, близком к фоновым значениям.

Картирование местности с результатами аэропоиска утечек газа производилась спутниковой навигационной системой (GPS), синхронизированной по мировому времени с блоками регистрации, обработки и записи информации.

Полет на вертолете с установленным на нем СКР лидаром осуществлялся над магистральным газопроводом. Во время полета зондирующий лазер должен работать с частотой 15-100 Гц. При попадании облака углеводородного сырья в поле излучения лазера происходит поглощение света с последующим переизлучением последнего с Рамановским сдвигом частоты.

Эхо-сигнал попадает в приемный телескоп, затем в полихроматор, настроенный на заданные спектральные линии, и попадая на ФЭУ, преобразуется в электрический выходной сигнал лидара. Сигнал с ФЭУ подается на специальную плату преобразования с АЦП и обрабатывается специальным программным обеспечением.

Основным этапом испытаний был облет на вертолете МИ-8, с установленным в нем лидаром. площадки, принадлежащий подразделению «ГазпромАвиа». Для калибровки и окончательной настройки лидара была организована утечка метана на компрессорной станции с откалиброванным расходом и скоростью истечения. По этому факелу была проведена калибровка всех систем прибора. Далее был произведен облет участка трассы со специально организованными утечками, не подвергавшимся какой-либо калибровке, с расходом от 0,1 до 15 м3/час (данные вычислены нами по полученным результатам). Составлены карты распределения метана в атмосфере (см. рис 3)

>Оэ 100

О 100 200 300 400 500 Првтикеннасгьочщ'а. утечки, м

Рисунок 3 Распределение облака метана в пространстве и его концентрация в отдельно взятых точках

Результаты полетов показали надежную работу всех компонентов рамановского лидара и подтвердили, что технические требования, заложенные при его разработке успешно выполнены. По окончании летных испытаний подписан протокол испытаний, подтвердивший достоверность теоретических и экспериментальных исследований СКР-лидара с ультраспектральным разрешением и его реализации по всем техническим характеристикам.

В заключении приведены основные результаты и выводы.

1. Создана база данных спектров спонтанного комбинационного рассеяния основных загрязняющих атмосферу веществ в УФ-диапазоне, положенная в основу разработки лидарной системы с ультраспектральным разрешением.

2. Проведены исследования компонентной базы СКР-лидара с использованием новейших достижений и технологий в области твердотельных лазеров с диодной накачкой, высокопрецизионной и дисперсионной ультрафиолетовой оптики, фотоприемных устройств, а также в области автоматизированных средств регистрации и обработки сигналов в гигагерцовом диапазоне частот. Практическое использование этих технологий позволило снизить фоновые засветки в СКР лидаре практически до нуля и реализовать экстремально высокую чувствительность дистанционных измерений.

3. Разработан и оптимизирован по техническим характеристикам УФ ТТЛ с диодной накачкой для дистанционного зондирования приземных слоев атмосферы. Установлено, что дистанционное зондирование лазерным пучком в области спектра, соответствующей экранированию озоновым слоем атмосферы, отличается высокой надежностью и эффективностью в процессах селекции и распознавании широкой гаммы атмосферных примесей.

4. Продемонстрированы достоинства практического использования метода СКР для лидарных исследований антропогенных выбросов в атмосферу с борта летательных

аппаратов для регистрации пространственных распределений концентраций загрязняющих компонентов.

5. Развиты метод и средства регистрации и обработки сигналов в гигагерцовом диапазоне частот в режиме счета фотонов. Такой режим позволяет оперативно проводить обнаружение и экспресс-анализ вредных газовых примесей в атмосфере с уровнем концентраций, близким к фоновым значениям.

6. Реализован авиационный лидар с ультраспектральным разрешением, превышающим на два порядка аналоги (ДЛС-Пергам), отличающийся универсальностью и широким диапазоном в регистрации и распознавании комплекса веществ, составляющих земную биосферу. .

Полученные экспериментальные результаты по обнаружению малых концентраций утечек газа на ре&пьном газопроводе позволяют сделать вывод о возможности многофункционального использования СКР лидара для экологического мониторинга окружающей среды, предупреждения аварийных ситуаций на магистральных газопроводах, станциях и предприятиях химической промышленности.

Публикации по теме диссертации.

В изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Alimov S. V.; Kascheev S. V.; Kosachev D. V.; Petrov S. В.; Zhevlakov A. P. Multifunctional lidar for needs of oil-and-gas pipes [Текст]/ S. V. Alimov; S. V. Kascheev; D. V. Kosachev; S. B. Petrov; A. P. Zhevlakov // Proceedings SPIE 2007r. Vol.6610. P.6610B-1 -6610BB-5

2. Алимов C.B., Данилов О.Б., Жевлаков А.П., Кащеев C.B., Косачев Д.В., Мак Ан.А., Петров С.Б., Устюгов В.И. Авиационный рамановский лидар с ультраспектральным разрешением [Текст] / C.B. Алимов, О.Б. Данилов, А.П. Жевлаков, C.B. Кащеев, Д.В. Косачев, Ан.А. Мак, С.Б. Петров, В.И. Устюгов // Оптический журнал. -2009 г. Т. 76, вып. 4,- С.41-52

3. Гаврилов Е.В., Жевлаков А.П., Кащеев C.B., Куянпаа В., Савинайнен Т. Трансформация пространственных характеристик излучения эксимерного лазера [Текст] / Е.В. Гаврилов, А.П. Жевлаков, C.B. Кащеев, В. Куянпаа, Т. Савинайнен // Оптика и спектроскопия. -2011 г. Т.110, №1, С.149-153

Другие статьи и доклады:

4. Кащеев C.B., Бузников A.A. Жевлаков А.П. Ультраспектральная селективность в авиационном СКР-лидаре» [Текст]/ C.B. Кащеев, A.A. Бузников, А.П. Жевлаков // XI Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика - 2008», г. Санкт-Петербург. Материалы конференции С. 287-289

5. Kascheev S. V., Kosachev D. V., Mak An.A., Zhevlakov A. P. Ultraspectral resolution in scanning Raman-lidar [Текст] / S.V. Kascheev, D. V. Kosachev, An.A. Mak, A. P. Zhevlakov //

Международная конференция «Laser Optics - 2008», г.Санкг-Петербург. Сборник докладов С. 42-43

6. Жевлаков А.П., Кащеев C.B. Лидары с высоким спектральным разрешением [Текст] / А.П. Жевлаков, C.B. Кащеев //62-е чтения им. академика Д.С. Рождественского ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И.Вавилова» г.Санкт-Петербург Сборник докладов

7. Кащеев C.B., Жевлаков А.П. Авиационный лидар с экстремально высокой чувствительностью и избирательностью для систем инструментальной разведки [Текст] / C.B. Кащеев, А.П. Жевлаков // IV Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», г.Саров Сборник докладов С.42-44 ,

8. Кащеев C.B., Бузников A.A., Жевлаков .АЛ- Информационные возможности авиационного лидара с ультраспектральным разрешением для дистанционной оценки состояния газопроводов и объектов природной среды [Текст] / C.B. Кащеев, A.A. Бузников, А.П. Жевлаков // XII Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика - 2010», г. Санкт-Петербург. Материалы конференции С.299-300

Подписано в печать 22.11.2010. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 1/1122. П. д. 1.0. Уч.-изд. д. 1.0. Тираж 100 зкз.

ЗАО «КопиСервис» Адрес: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 3. тел.: (812) 327 5098

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Анализ методов современного дистанционного мониторинга атмосферы и природных образований на поверхности земли.

1.1.1 Основные методы аэрокосмической спектрофотометрии природной среды.

1.1.2 Физические основы современных аэрокосмических методов дистанционного зондирования среды.

1.2 Атмосфера как исследуемая среда. Лидарное уравнение.

1.3 Выводы по главе.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА

СПОНТАННОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ.

2.1 Методы лазерного дистанционного зондирования.

2.2 Теоретическое исследование спектров комбинационного рассеяния веществ.

2.3 Экспериментальное исследование комбинационных спектров рассеяния веществ - основных загрязнителей атмосферы.

2.4 Выводы по главе.

Глава 3. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ГАЗОПРОВОДОВ.

3.1 Требования, предъявляемые к лидарным комплексам и их отдельным элементам для работ на магистральных газопроводах.

3.2 Разработка структуры автоматизированного лидарного комплекса.

3.3 Методика оптимизации характеристик.

3.4 Разработка аппаратных средств комплекса.

3.5 Разработка программных средств комплекса.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДА И АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ.

4.1 Магистральные газопроводы как объект контроля.

4.2 Классификация дефектов на магистральных газопроводах.

4.3 Современные методы и оборудование контроля состояния магистральных газопроводов.

4.4 Методика исследования технического состояния участков магистрального газопровода.

4.5 Результаты испытаний лидарного комплекса «Факел» на участке магистрального газопровода.

Лидарная техника относится к одному из приоритетных и стратегических направлений оптико-электронного приборостроения. Это связано с тем, что сенсоры, основанные на дистанционном лазерном зондировании, позволяют проводить детальный анализ исследуемых объектов и компонентов окружающей среды по их спектральным характеристикам в условиях существенно ниже предельного урбвня пространственного разрешения наблюдательных систем. При этом использование лидарных комплексов не вызывает деструктивного воздействия на объекты окружающей среды.

Создание источника когерентного излучения привело к разработке широкого класса систем активного дистанционного зондирования, которые получили различные названия, например: лазерный радар, лидар, лазерный флюорометр, лазерный батометр и т.д. С учетом общности составных элементов всех этих устройств этот новый класс систем активного дистанционного зондирования объединили одним термином -лидар.

С 70-х годов лазерные источники в качестве передатчика стали использоваться практически во всех лидарах. А в 90-х годах лидарная техника получило масштабное развитие благодаря удешевлению комплектующих изделий и элементной базы, с одной стороны, и прогрессу в лазерной технике, средствах вычислительной техники и программного обеспечения, с другой. Таким образом, лазерное зондирование - наиболее современный метод исследования параметров компонентов земной биосферы и окружающей среды в целом, которые в принципе дистанционно не могут быть измерены другими методами.

Дистанционное зондирование, как правило, осуществляется с борта летательных аппаратов. Создание авиационного лидара с предельно высокой чувствительностью и избирательностью связано с выбором методов и технологий, обеспечивающих соответствующие уровни спектрального разрешения, помехозащищенности, фоновых засветок, а также режимов регистрации и обработки приемных сигналов. Для дистанционного зондирования нижних слоев атмосферы и земной поверхности с борта летательного аппарата практически используются лидары, основанные на методах флуоресценции, спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) и дифференциального поглощения (ДП).

Широкополосная природа молекулярной флюоресценции является причиной низкой величины отношения сигнала к шуму; при этом основной вклад в шум дает фоновое излучение. Флуоресцентные лидары, в основном, используются для обнаружения и классификации нефтяных продуктов, загрязнений, исследования распределения фитопланктонных и других биологических объектов в морях и внутренних водосистемах. Среди активных дистанционных методов измерений содержания газообразных и конденсированных веществ в окружающей среде, чаще всего используются метод дифференциального поглощения (ДП) и метод спонтанного комбинационного рассеяния (СКР), за рубежом называемый рамановским по имени индийского физика Рамана, открывшего это явление в 1928 г.

Лидары, построенные на методе ДП, в основном работают в ИК диапазоне в окнах прозрачности атмосферы, где, за редким исключением, лежит большинство полос поглощения, соответствующих колебательно-вращательным переходам и представляющих интерес для дистанционного зондирования. Метод ДП пригоден для регистрации лишь тех веществ, линии поглощения которых совпадают с длиной волны зондирующего лазера. При этом для идентификации каждого из веществ требуется набор лазеров или лазер с перестройкой в широком спектральном диапазоне, работающий одновременно на двух близкорасположенных длинах волн. Кроме того, широкие полосы поглощения атмосферными парами воды и углекислого газа не позволяют обнаруживать компоненты, имеющие собственные полосы поглощения в этих же спектральных интервалах. Указанных недостатков лишен рамановский метод. Комбинационное рассеяние излучения газами, жидкостями и твёрдыми телами является прямым источником информации о химическом составе различных сред. Только использование рамановского лидара позволяет одновременно определять широкий набор химических элементов и соединений и распознавать спектральные сигнатуры объектов зондирования.

Несмотря на то, что лидарные средства измерения считаются достаточно новой технологией, сегодня они получили массовое распространение не только в промышленно развитых, но и во многих развивающихся странах. Номенклатура задач, при решении которых используется лидарная техника и доставляемые с ее помощью информационные материалы, непрерывно расширяется. К ней относятся различные задачи экологии, метеорологии, геодезии, поиска и охраны природных недр, представления трехмерных цифровых изображений и сигнатур инженерных объектов, зданий, сооружений, регионов и т.д. Развитие этой аппаратуры идет в направлении определения наиболее перспективных способов получения спектральной информации, повышения чувствительности, пространственного и спектрального разрешения, увеличения точности привязки шкалы длин волн при сокращении габаритов и веса, внедрения унифицированных узлов аппаратуры и т.д. При исследовании в атмосфере газовых составляющих с низкой концентрацией необходимо использовать уже лидары, обеспечивающие спектральное разрешение Х/дХ >1000 в широком спектральном диапазоне.

Целью данной работы является исследование и использование метода спонтанного комбинационного рассеяния (Рамановского рассеяния) для создания аппаратуры, позволяющей дистанционно обнаруживать и количественно оценивать содержание загрязняющих компонентов в биосфере, используя один источник зондирующего излучения для обнаружения широкого спектра примесей.

В данной работе достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

• Исследование и анализ состояния существующих лидарных источников зондирующего излучения для дистанционного зондирования.

• Исследование влияния зондирующего излучения в УФ-области спектра на вещества - потенциальные загрязнители биосферы.

• Исследование индикаторных веществ для использования их в качестве реперов при дистанционном поиске.

• Исследование информативных спектров рассеяния веществ для оценки состояния среды.

• Разработка метода дистанционной экспресс-оценки загрязнения биосферы техногенными выбросами.

• Разработка аппаратно-программного комплекса для экспресс-оценки степени загрязнения биосферы техногенными выбросами.

К моменту постановки настоящей работы прогресс в развитии авиационных рамановских лидаров, обладающих высоким спектральным разрешением, тормозился из-за отсутствия, с одной стороны, эффективных и компактных лазерных источников, обладающих приемлемыми характеристиками излучения в сочетании с длительным ресурсом эксплуатации, а, с другой, фотоприемных устройств, позволяющих обеспечить повышенную помехозащищенность, низкий уровень фоновых помех и применять современные методы детектирования и обработки приемных сигналов. В то же время до последнего времени разработки лидарных систем, обладающих ультравысоким спектральным разрешением, практически не проводились в России и за рубежом. Указанные пробелы в значительной степени вызваны отсутствием комплексных исследований новейших достижений и технологий в области твердотельных лазеров с диодной накачкой, высокопрецизионной ультрафиолетовой оптики, фотоприемных устройств, а также в области фоноцелевых моделей, автоматизированных средств регистрации и обработки сигналов в гигагерцовом диапазоне частот. Такие исследования и составляют сущность тех задач, решаются в процессе выполнения данной работы.

В диссертационной работе защищаются следующие научные положения:

• Создана база данных спектров спонтанного комбинационного рассеяния основных загрязняющих атмосферу веществ в УФ-диапазоне, положенная в основу разработки лидарной системы с ультраспектральным разрешением.

• Использование для дистанционного зондирования солнечно-слепой области спектра для повышения соотношения сигнал/шум при малой мощности зондирующего лазера

• Реализация ультраспектрального разрешения и увеличение отношения сигнал/шум более чем на порядок величины, достигнуто использованием ультрафиолетовых широкоапертурных голограммных решеток в сочетании с атомарно-гладкими зеркалами входного телеобъектива.

• Регистрация и обработка приемных сигналов в субгигагерцовом диапазоне частот обеспечивает повышение чувствительности дистанционных измерений концентраций малых газовых примесей в приземных слоях атмосферы до единиц ррш.

В работе использовался метод спектрального анализа состава газов. В качестве источника возбуждающего излучения использовался твердотельный лазер с диодной накачкой, излучающий на трех длинах волн 1,047, 0,523, 0,262 мкм, разработанный специально для решения задач исследования. Монохроматор МДР-12 - для изучения спектров рассеяния исследуемых веществ и настройки функциональных узлов лидара. Экспериментальные данные обрабатывались статистическими методами. Для первоначальной калибровки смесей применялся атомно-абсорбционный метод определения содержания веществ. Методы регрессионного анализа применялись при установлении математических зависимостей изменений исследуемых параметров от изменений концентраций тяжелых металлов. В процессе исследований был создан мобильный полихроматор, обладающий значительно более высоким разрешением, нежели известные аналоги. Калибровки высокоразрешающего полихроматора проводилась с помощью образцовых газоразрядных ламп, спектр излучения которых предварительно был определен на монохроматоре Jobin Yvon HR 1000. Для предварительной фиксации сигналов с ФЭУ полихроматора использовался цифровой осциллограф Tektronix TDS5054, позволяющий сохранять осциллограммы в виде массива данных для дальнейшей их обработки на ПК с помощью статистических методов. Для упрощения фиксации сигналов, их обработки и визуализации использовался аппаратно-программный комплекс, созданный на основе компонентов National Instruments и программного пакета Lab VIEW.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что впервые создана база данных (комбинационного рассеяния) КР-сдвигов малых газовых компонентов в УФ-области спектра. Полученное в настоящей работе существенное (на два порядка) превышение спектрального разрешения по сравнению с аналогами, сочетание высокого разрешения с высокой чувствительностью измерения концентраций химических веществ и соединений позволяют повысить обнаружительную способность и селективность авиационных лидаров.

В процессе выполнения работы впервые был создан УФ-лидар с ультраспектральным разрешением, позволяющий дистанционно и бесконтактно оценивать химический состав приземных слоев атмосферы и оперативно (в процессе полета) составлять экологическую карту местности с высокой точностью, ранее доступной лишь для контактных абсорбционных методов.

Разработан аппаратно-программный комплекс, реализующий на практике метод дистанционной количественной экспресс-оценки атмосферных загрязнений и позволяющий оперативно оценить их уровень с точностью до единиц ррт.

Теоретическая и практическая значимость результатов данной диссертационной работы состоит в том, что:

• Составлена база данных загрязняющих веществ, содержащая спектры их комбинационного рассеяния, сечения рассеяния и минимально определяемые концентрации.

• Реализован малогабаритный ультрафиолетовый лазерный источник излучения с воздушным охлаждением, пригодный для использования в лидарных системах с ультраспектральным разрешением.

• Реализован малогабаритный полихроматор малой массы для использования в портативных системах дистанционного контроля биосферы, обеспечивающий разрешение А/ДА>>1000.

• Теоретически и экспериментально исследована возможность создания атомарногладких поверхностей зеркал сотовой структуры для повышения чувствительности прибора и создан приемный телескоп на основе зеркал с атомарно-гладкими поверхностями.

• Создан аппаратно-программный комплекс для регистрации, оцифровки, обработки, записи и визуализации сигналов в режиме реального времени.

Практическое значение данной работы связано с реализацией и внедрением ее результатов: и

• Составлена база данных загрязняющих веществ, содержащая спектры их комбинационного рассеяния, сечения рассеяния и минимально определяемые концентрации.

• Реализован малогабаритный ультрафиолетовый лазерный источник излучения с воздушным охлаждением, пригодный для использования в лидарных системах с ультраспектральным разрешением.

• Реализован малогабаритный полихроматор малой массы для использования в портативных системах дистанционного контроля биосферы, обеспечивающий разрешение Х/А?1»1000.

• Теоретически и экспериментально исследована возможность создания атомарногладких поверхностей зеркал сотовой структуры для повышения чувствительности прибора и создан приемный телескоп на основе зеркал с атомарно-гладкими поверхностями.

• Создан аппаратно-программный комплекс для регистрации, оцифровки, обработки, записи и визуализации сигналов в режиме реального времени.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в открытом акционерном обществе «ГАЗПРОМ», закрытом акционерном обществе «Лазеры и оптические системы», Институте Лазерной Физики Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-производственная корпорация «Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова» ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И.Вавилова». В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете СПбГЭТУ «ЛЭТИ» результаты работы были использованы в учебном процессе - в дисциплинах «Оптико-электронные системы дистанционного зондирования», «Расчет и проектирование систем квантовой и оптической электроники».

Апробация результатов работы в целом и ее отдельных результатов докладывались и обсуждались на конференциях, выставках, симпозиумах:

• Международная конференция «Laser Optics - 2006», 2327.06.2006, г. Санкт-Петербург.

• XI Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика - 2008», 22-24.10. 2008, г. Санкт-Петербург.

• Международная конференция «Laser Optics - 2008», 23.06 -27.06. 2008, г. Санкт-Петербург.

• Выставка «LASER - 2009», 15-16.06.2009, г. Мюнхен, Германия

• 62-е чтения им. академика Д.С. Рождественского ФГУП «НПК «ГОИ им. С.И.Вавилова» 15.12.2009, г.Санкт-Петербург.

• IV Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 26-29 .04.2010. г.Саров.

• 60-ая, 61-ая, 62-ая научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

• XII Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика —2010», 20-22.10.2010, г. Санкт-Петербург.

Основные теоретические pi практические результаты диссертации опубликованы в 4 работах из них: 3 в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 9 докладов, получивших одобрение на 9 международных, всероссийских, и межвузовских научно-практических конференциях

Диссертация состоит из введения, 4-х глав с выводами, заключения и практических рекомендаций. Включает 24 рисунка, 8 таблиц, 5 приложений и содержит список литературы из 82 наименований, среди которых 45 отечественных и 37 иностранных авторов. Объем основной части диссертации - 122 страницы машинописного текста, объем приложений - 5 страниц.

7. Выводы по результатам обследования.

Методика проведения летного обследования участка газопровода:

1. После взлета вертолета, в течение 5-10 минут до подлета к трассе магистрального газопровода производится включение оборудования, его прогрев и выход на требуемые параметры работы всех блоков и начинается сбор данных.

2. Обследование участка магистрального газопровода на высотах от 50 до 500 м с учетом скорости и направления ветра, характера подстилающей поверхности и влажности воздуха.

3. Кроме экипажа вертолета в обследовании принимает участие оператор электронного блока лидарной системы. Он должен вести визуальный контроль получаемых системой данных. В случае превышения концентрацией определенного порога необходимо зафиксировать эту аномалию на загруженной карте и сделать импорт мировых координат из платы GPS. Описанный метод обработки информации осуществлялся в ручном режиме лишь на первоначальном этапе исследований. В дальнейшем вся фиксация велась в автоматическом режиме.

4. При обнаружении утечки необходимо через некоторое время вернуться на этот участок и провести повторное исследование, чтобы повысить достоверность данных и исключить ложное срабатывание. Пролет над ранее обнаруженным очагом утечки нужно осуществлять на меньшей высоте и с меньшей скоростью. В случае подтверждения результатов в отдел обеспечения безопасности трубопроводов может быть передан сигнал об обнаруженном дефекте и его приблизительных параметрах.

5. После окончания работы, оператор должен завершить работу всех систем, обесточить блоки.

Обработка данных, полученных при вертолетном облете:

1. Электронная система сбора и обработки информации лидарного комплекса «Факел» обеспечивает привязку обнаруженных аномалий к конкретным координатам на растровой или векторной предварительно загруженной карте местности. Обеспечивает преобразование аналоговых сигналов с каскада приемников в цифровые, с последующей обработкой данных в режиме реального времени и их хранения. Результаты обработки кроме записи могут быть выведены на экран для визуального контроля оператором в случае работы системы в полуавтоматическом режиме.

2. Лидарная система может быть дополнена фото-; видео-; тепловизионной аппаратурой для получения дополнительных изображений в местах потенциальных утечек газа.

3. Электронный блок работает под управлением специализированного программного обеспечения, рассмотренного в главе 3. Дополнение же программного обеспечения библиотеками Ма&САЭ 2000 и Ма^АВ 6.5, являющимися математическими пакетами и дополняющие математический аппарат программного обеспечения и позволяющие проводить более качественный анализ и моделирование обстановки.

Последней стадией обработки результатов является подготовка отчета обследования. Форму отчета можно составить исходя из требований, предъявляемых к подобным документам компанией-заказчиком. В отчете могут содержаться массивы цифровых данных, содержащие информацию о концентрации газов, метеорологические данные, графику (вырезки из электронных карт и фотографии), текст (комментарии оператора или экипажа вертолета, летные задания и т.д.).

4.5 Результаты испытаний лидарного комплекса «Факел» на участке магистрального газопровода

Основания для проведения летных испытаний: летные испытания проводились на основании регламента о проведении экспериментальных проверок параметров прибора на натурных площадках наземного и воздушного экологического мониторинга.

Объект испытаний: объектом испытаний является лидарный комплекс

Факел», установленный на борту вертолета МИ-8 (рис.4.4).

Рис. 4.4. Лидарный комплекс «Факел» (в центре) на борту вертолета МИ-8

Целью летных испытаний была проверка технических характеристик локатора, проверка на возможность обнаружения утечек газа на магистральных газопроводах в режиме реального времени, проверка работы системы контроля и документирования результатов обследования, возможность и корректность оценки системой технического состояния газопровода.

Летные испытания проводились согласно утвержденной в рамках проекта №9/ИЛФ Программе проведения летных испытаний лидарной системы поиска утечек газа на магистральных газопроводах «Факел».

Испытания проводились на трассе магистрального газопровода Уренгой-Новопсков. На первом этапе необходимо измерить естественный фон содержания искомых веществ, чтобы в дальнейшем учитывать вклад фона в принимаемый сигнал. Экспериментальные замеры фона велись в непосредственной близости от нитки газопровода по треку, представленному на рис. 4.5.

Затем проводились эксперименты по обнаружению утечки на работающем участке газопровода с внутренним давлением 60-70 бар. Калиброванные утечки создавались путем открывания задвижек на крановых узлах.

Рис. 4.5. ОР8-трек измерения естественного фона метана во время летных испытаний

Пролет над созданными утечками позволил набрать массив данных (см. рис. 4.6), использованный для калибровки и окончательной и внесения необходимых поправок в программу расчета.

Измерения утечек непосредственно на газопроводе проводились в точках, отмеченных на рис. 4.5 соответственно 08:03 и 14:29. После замера необходимых данных в указанных местах с помощью программы обработки данных зондирования был проведен расчет концентрации метана (рис. 4.7)

ЕЛ V-hH.iI Нвс/мсч Тпд [%р!*у Сипли* Мвйыяе Ма& Ш* ->л НИр

СМ 200гаУ 200ги

Рис. 4.6. Калибровочные сигналы

После нескольких измерений в одной точке для исключения влияния случайной погрешности был проведен расчет средней концентрации метана в шлейфе утечки, составивший 9 ±1 ррт.

Благодаря дополнительному программному модулю ЗЭ моделирования были построены модели облака метана и расчет концентрации по одному из сечений, изображенные на рис. 4.8.

В ходе испытаний достоверность измерений регистрации утечек устанавливалась путем сравнения с данными отобранных в непосредственной близости от утечки проб воздуха и данными регистрации утечек метана штатного прибора «Аэропоиск-ЗМ», работающего по методу дифференциального поглощения и на высотах не более 50м.

Номер Обозначен« Вент« Размерности

0 11 СН4 5-1 м

1 ^КР(СН4) 7 Число Фотонов г '«И! 8 М

3 Хо 261.7 [т|

Хс 283,31 Н

Рас-мать

Файл открыть'

0,178

0,03

О 20С

Начало поХ" 2563,0 Кене» поХ. 2706,0 ароееи,поУ.0.Ш80 Итг-О

НнН Ю0 1 200 1 400 1 600 1 800 2М0 22Ю 2<00 2 800 2 800 3 000 3 200 3400 3 600 3 800 «000

К Фильтр

Рис. 4.7. Внешний вид окна программного обеспечения расчета концентрации

Результаты испытаний показали, что лидарная система «Факел» позволяет осуществлять обнаружение метана с борта вертолета на высотах от 50 до 500 м и производить на этих высотах измерение концентрации метана с чувствительностью до 4 ррт (см рис. 4.7.) с борта летательного аппарата. Также подтверждена работоспособность в бортовых условиях всех функциональных подсистем макета экспериментальной лидарной системы «Факел» (см.приложение 2).

Рис. 4.8. Распределение концентрации в зоне утечки метана. ЗО профиль распределения концентрации и его сечение.

Применение описанных технологий и аппаратно-программных ресурсов позволило вывести на более высокий уровень потребительские параметры прибора, скорость работы и удобство сканирования местности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе решения задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие основные научные и практические результаты.

1. Создана база данных спектров спонтанного комбинационного рассеяния основных загрязняющих атмосферу веществ в УФ-диапазоне, положенная в основу разработки лидарной системы с ультраспектральным разрешением.

2. Проведены исследования компонентной базы СКР-лидара с использованием новейших достижений и технологий в области твердотельных лазеров с диодной накачкой, высокопрецизионной и дисперсионной ультрафиолетовой оптики, фотоприемных устройств, а также в области автоматизированных средств регистрации и обработки сигналов в гигагерцовом диапазоне частот. Практическое использование этих технологий позволило снизить фоновые засветки в СКР лидаре практически до нуля и реализовать экстремально высокую чувствительность дистанционных измерений.

3. Разработан и оптимизирован по техническим характеристикам УФ ТТЛ с диодной накачкой для дистанционного зондирования приземных слоев атмосферы. Установлено, что дистанционное зондирование лазерным пучком в области спектра, соответствующей экранированию озоновым слоем атмосферы, отличается высокой надежностью и эффективностью в процессах селекции и распознавания широкой гаммы атмосферных примесей.

4. Продемонстрированы достоинства практического использования метода СКР для лидарных исследований антропогенных выбросов в атмосферу с борта летательных аппаратов для регистрации пространственных распределений концентраций загрязняющих компонентов.

5. Развиты метод и средства регистрации и обработки сигналов в гигагерцовом диапазоне частот в режиме счета фотонов. Такой режим позволяет оперативно проводить обнаружение и экспресс-анализ вредных газовых примесей в атмосфере с уровнем концентраций, близким к фоновым значениям.

6. Реализован авиационный лидар с ультраспектральным разрешением, превышающим на два порядка аналоги (ДЛС-Пергам), отличающийся универсальностью и широким диапазоном в регистрации и распознавании комплекса веществ, составляющих земную биосферу.

Полученные экспериментальные результаты по обнаружению малых концентраций утечек газа на реальном газопроводе позволяют сделать вывод о возможности многофункционального использования СКР-лидара для экологического мониторинга окружающей среды, предупреждения аварийных ситуаций на магистральных газопроводах, станциях и предприятиях химической промышленности.

1. Ray М. D., Sedlacek A. J. and Wu. M. Ultraviolet mini - Raman lidar for stand - off, in situ identification of chemical surface contaminants // Rev. Sci. Instrum. 2000. Vol. 71. № 9. P. 3485 - 3489.

2. Межерис P.H. Лазерное дистанционное зондирование // Пер. с англ.-М.Мир, 1987. 550 с.

3. Костко O.K., Портасов B.C., Хаттатов В.У. Применение лазеров для определения состава атмосферы // Л.: 1993. Гидрометеоиздат.

4. Schaefer К., Comeron A., Carleer M.et al., eds — Remote sensing of clouds and the atmosphere //Proceeding SPIE, vol. 5535, 2004.

5. Osche G.R. Optical detections theory for laser applications // N.Y.: Wiley, 2002.

6. Measures R.M., Houston W.R., Bristow M., Development and field tests of a laser fluoresensor for environmental monitoring // Can. Aeron. Space J., №19, pp. 501-506.

7. Uchino 0.,Tokunaga M., Malda M. et.al. Differential absorbtion lidar mesurement of tropospheric ozone with excimer. - Raman hybrid laser.//Optics Letters 1983. V.8. No.7. P.347-349.

8. Post M.J. Aerosol backscattering profoles at CO wave-length: the NOAA data base.//Applied Optics 1984. V.23. No.15. P.2507-2509.

9. Кронберг П. — Дистанционное изучение Земли // М.: Мир. 1983. 349 с.

10. Покровский О.М. Анализ эффективности методов оптимизации наземных наблюдательных сетей // Тр.ГТО. 1989. вып. 528. С. 82-89.

11. Singh U., Itabe Т., Liu Z. (Eds.) Lidar remote sensing for industry and environment monitoring // Proceeding SPIE, vol. 4893, 2003.

12. Креков Г.М., Кавкянов С.И., Крекова M.M. Интерпретация сигналов оптического зондирования атмосферы // Новосибирск: Наука 1987 с. 121138.

13. Самохвалов И.В., Копытин Ю.Д., И.И.Ипполитов и др. Лазерное зондирование тропосферы и подстилающей поверхности // Новосибирск: Наука, 1987.

14. Schreiber U., Werner Ch., Kamerman G. Laser radar: ranging and atmospheric lidar techniques // Proceeding SPIE, 2002. vol. 4546.

15. Бузников А.А., Лахтанов Г.A. Поляриметры для аэрокосмических исследований природной среды // Исследования Земли из космоса, 1990, №8, С.12-19.

16. Bosenberg J., Brassington D., Simon P. Instrument development for atmospheric research and monitoring: lidar profiling, DOAS and TDLS // Berlin: Springer-Verlag, 1997, 517 p.

17. Бузников A.A., Лахтанов Г.А., Прохоров B.M., Чуров В.Е. Об измерениях спектрополяризационных характеристик излучения восходящего от водной поверхности на разных высотах в атмосфере // Исследования Земли из космоса, 1989, №6, С.64-69.

18. Grant W., Browel Е., Menzies R.et al. Selected papers on laser applicationsгin remote sensing / // SPIE-Press, Bellingham, 1997.

19. Зуев В.E., Кабанов М.Б. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех) // М.: Советское радио, 1977, 382 с.

20. Бартенева О.Д., Довгялло Е.Н., Полякова Е.А. Экспериментальные исследования оптических свойств приземного слоя атмосферы // Л.: Гидрометеоиздат, 1987, 214 с.

21. Орлов В.М., Самохвалов И.В., Креков Г.М. и др. Сигналы и помехи в лазерной локации // М.: Радио и связь, 1986, 324 с.

22. Костко O.K., Портасов B.C., Хаттатов В.У. — Применение лазеров для определения состава атмосферы // JL: Гидрометеоиздат, 1993.

23. 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, Т.76, вып.4 С.41-52.

24. Agishev R.R., Pikulev F.N., Wide-range photoelectric detector // Instruments and experimental Techniques. 1981 vol.24, №4, part 2, pp.10361039.

25. Каледин С.Б., Пясецкий В.Б. Приемники оптического излучения // М.: МГТУ, 1995.

26. Jelalian А. V. Laser radar systems // N.Y.: Artech House, 1992, 247 p.

27. Алексеенко М.Д., Бараночников M.JI., Смолин O.B. -Микроэлектронные фотоприемные устройства // М.: Энергоатомиздат, 1984, 287 с.

28. Mayor S.D., Spuler S.M. — Raman-shifed eye-safe aerosol lidar// Applied Optics 2004.V.43.No.l9.p.3915-3924.

29. Lusser F.M. Choosing and Infrared detectors // Oct.Issue of Laser Focus, 1996 P.66-71.

30. Иванов В.И., Малевич И.А., Чайковский А.П. — Многофункциональные лидарные системы // Минск: Изд.Минский государственный университет, 1986 345 с.

31. Жевлаков АЛ., Смирнов В.А., Багров И.В., Тульский С.А., Высотина Н.В.- Аномалии во флуоресценции нефтепродуктов при возбуждении лазерным излучением. // Оптический журнал 1999. Т.66. № 5.С.44-49.

32. 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.

33. Агишев P.P. Лидарный мониторинг атмосферы // М.: ФИЗМАТ ЛИТ 2009 308 с.

34. Шовенгердт P.A. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений // Техносфера, 2010, 560 с.

35. Рис У.Г. Основы дистанционного зондирования // Техносфера, 2006, 346 с.

36. Чандра A.M., Гош С.К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы // Техносфера, 2008, 328 с.

37. Барановский В.И. — Квановая механика и квантовая химия // Academia, 2008, 384 с.

38. Иродов И.Е. Волновые процессы // Бином. Лаборатория знаний, 2007, 263 с.

39. Гаврилов Е.В., Жевлаков А.П., Кащеев C.B., Куянпаа В., Савинайнен Т. Трансформация пространственных характеристик излучения эксимерного лазера // Оптика и спектроскопия, 2011, Т.110, №1, С.149-153.

40. Журкин С.Н., Моисеев В.H и др. Лазерная диагностика технического состояния магистральных газопроводов //Газовая промышленность. - 2006, №6. С. 48-51.

41. Алеев P.M., Иванов В.П., Овсянников В.А. Основы теории анализа и синтеза воздушной тепловизионной аппаратуры. Казань: Каз. Ун-т, 2000. 252 с.

42. Алеев P.M., Овсянников В.А., Чепурский В.Н. Эффективность воздушной тепловизионной аппаратуры при контроле продуктопроводов //Оптический журнал.- 1993, № 1 . С. 132-141.

43. Арсеньев В.В., Давыдов Ю.Т. — Приемные устройства оптического диапазона // М.Ж МАИ, 1992. 268 с.

44. Якушенков Ю.Г., Луканцев В.Н., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах // М.: Радио и связь, 1991.

45. Казарян Р.А., Оганесян А.В., Погосян К.П. Оптические системы передачи информации по атмосферному каналу // М.: Радио и связь, 1995. 208 с.

46. Якушенков Ю.Г. — Теория и расчет оптико-электронных приборов // Логос, 1999. 490 с.

47. Мергишин Г.В. Шумы и оптимизация параметров фотоприемников // М.: МАИ, 2002.

48. Agishev R.R. Certain characteristics curves of PMT-besed optical receiver in presence of external background // Journal of Russian laser research, 1984, vol.5, №2, pp. 195-197. N.Y.: Springer Verlag.

49. Бузников A.A., Жевлаков А.П., Кащеев C.B. Особенности формирования ультраспектральной избирательности в авиационном лидаре// Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. №2 в печати.

50. Шевцов Э.А., Белкин М.Е. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи // М.: Радио и связь, 1992. 224 с.

51. Звелто О. Принципы лазеров // Лань, 2008. 720 с.

52. Троицкий И.Н., Потапов В.В., Матвеев И.Н., Лазерная локация // М.: Машиностроение, 1984 С.52-58 .

53. Инаба X. Лазерный контроль атмосферы // М.: Мир, 1979.57. http://www.avantes.ru/production/lightsource/tec/avalight-cal.php Паспорт для индукционных газоразрядных ламп.

54. Агишев P.P. — Лидарный мониторинг атмосферы // М.: ФИЗМАТ ЛИГ, 2009, 314 с.

55. Будзуляк Б.В., Салюков B.B. и др. Продление ресурса магистральных газопроводов //Газовая промышленность, 2002. №7. С. 37 - 39.

56. Губанок И.И., Харионовский В.В. Прогноз технического состояния газопроводов: инженерные подходы //Газовая промышленность, 2005. №11. С . 41 -44.

57. Козлов А.Л., Нуршанов В.А., Пронин В.И. и др. Природное топливо планеты //М.: Недра, 1981. 160 с.

58. Керимов М.З. Трубопроводы нефти и газа. // М.: Олимп-Бизнес, 2002 256 с.

59. Техническое регулирование и промышленная безопасность. Магистральные трубопроводы: Научное издание // Под ред. А.И. Владимирова, В.Я. Кершенбаума. М.: НП Национальный институт нефти и газа, 2004. 364 с.

60. Гумеров А.Г., Гумеров P.C., Гумеров K.M. Безопасность длительно эксплуатируемых магистральных нефтепроводов // М.: Недра, 2003. 310 с.

61. Черняев В.Д., Яковлев Е.И. и др. Трубопроводные магистрали жидких углеводородов // М.: Недра, 1991. - 288 с.

62. Панкратов С. Газовая отрасль России - ключевой элемент глобальной энергетической безопасности //Матер, трудов IV Ежегодного межд. Форума ТАЗ РОССИИ 2006". Москва, 2006. С. 15 - 19.

63. ТЭК России: статистический сборник // Т58 Госкомстат России. М., 2003. 29 с.

64. Горяинов, Ю.А. Толковый словарь терминов и понятий, применяемых в трубопроводном строительстве // М.:Лори, 2003. 320 с.

65. Канайкин В. А. Коррозия и дефектоскопия труб магистральных газопроводов // Екатеринбург: Банк культурной информации, 2003. 368 с.

66. Макаэлян Э.А. Повышение качества, обеспечение надежности и безопасности магистральных газопроводов для совершенствования эксплуатационной пригодности // М.: Топливо и энергетика, 2001. 638 с.

67. Хороших A.B., Кремлев B.B. и др. Результаты мониторинга стресс-коррозионных трещин в действующем газопроводе //Дефектоскопия, 1999, №7. С. 33-40.

68. Акимов В.А., Фалеев М.И. Надежность технических систем и техногенный риск // М.: Деловой экспресс, 2002. 367 с.

69. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник / Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1995.

70. Буглаев В.Т., Карташов А. Л., Королев П.В, Перевезенцев В.Т. -Совершенствование системы диагностирования газоперекачивающих агрегатов // Б.: Изд-во: БГТУ, 2006. 144 с.

71. Долгов И.А., Горчаков P.A. и др. О возможных методах диагностики коррозионного растрескивания магистральных газопроводов // Дефектоскопия. - 2002, № 11. С. 3 -10.

72. Ланчаков Г.А., Зорин Е.Е. Работоспособность трубопроводов. В 3-х ч. - Ч. 3. Диагностика и прогнозирование ресурса // М.: Недра, 2003. 291 с.

73. Ермаков Б.А. Оптико-электронные приборы с лазерами // Л.: ГОИ, 1982. 200 с.

74. Дистанционный лазерный детектор метана ДЛС-Пергам // М.: ПЕРГАМ-ИНЖИНИРИНГ, 2006. 14 с.

75. Горелик Д.О., Конопелько Л.А. Мониторинг загрязнения атмосферы и источников выбросов. Аэро-аналитические измерения // М., 1992. 432 с.

76. Alimov S. V.; Kascheev S. V.; Kosachev D. V.; Petrov S. В.; Zhevlakov A. P. Multifunctional lidar for needs of oil-and-gas pipes // Proceedings SPIE, 2007. Vol.6610. P.6610B-1 -6610BB-51. СОГЛАСОВАНО1. УТВЕРЖДАЮ

77. Зам генерального директора ООО «Ткшситрансгаз»1. У?1. ФГУП1. Директор ¿ериои фиш к и1. Вавилова»н.А.Мак2006 г.

78. ПРОТОКОЛ ЛЕТНЫХ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙмакета "экспериментальной установки лазерного аэроиоиска угечек газа1. ЛАГ-1 (шифр «Факел»)2006 г.

79. Протокол летных иатуриш испытаний макета экспериментальной установки лазерного аэропоиска угечек газа ЛАГ-1 (шифр «Факел»)

80. Основание; ведомость исполнения по теме «Факел» (договор № 9/Р1ЛФ от 01.02.2003)

81. Порядок проведения : летные натурные испытания проводились на вертолете МИ-8 ОАО «Гозкромавиа» сотрудниками Института лазерной физики ФГУП ИГ1К «ГОИ км.С.ИБавйлова» совместно с сотрудниками ООО «Тюмснтрансгаз» в гЛОгорске.

82. Подтверждена работоан>собпосхь в Сортовш условиях всех функциональных подсистем макета экспериментальной установки лазерного аэроионска утечек газа ЛАГ-L

83. Макет эксперимеиталшой установки лазерного аэрояоиека утачек газа ЛД Г-1 по своим хараз^герястикам соответствует оенеяшым требошшям ТЗ но теме «Факел».г»1. ФГУП нпк1. ГОИ им. С. И. Вавилова

84. Федеральное Государственное унитарное предприятие

85. Научно-производственная корпорация "Государственный оптический институт имени С.И. Вавилова"»

86. ФГУП «НПК «ГОИ им. С. И. Вавилова»)

87. Начальник отделения НО-1 к.ф.-м.н.1. Ан.А.Маклос

88. Позеры а оптические системы»

89. Закрытое акционерное общество

90. ОГРН 1027806875381 ОКВЭД 80 3,73 1 ОКАТО 40288564000

91. ИНН/КПП 7813045402/781301001