Исследование и использование метода спонтанного комбинационного рассеяния в бортовом лидаре с ультраспектральным разрешением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Кащеев, Сергей Васильевич

• Кащеев, Сергей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кащеев, Сергей Васильевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и использование метода спонтанного комбинационного рассеяния в бортовом лидаре с ультраспектральным разрешением»

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.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Кащеев, Сергей Васильевич

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кащеев, Сергей Васильевич, 2010 год

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