2. Активные методы дистанционного контроля

2.1. Основные положения активных методов дистанционного контроля

Активные методы контроля стали интенсивно развиваться лишь с появлением лазе­ров. По типу активной среды лазеры, используемые для зондирования природной среды, де­лятся на несколько классов:

1. твердотельные;

2. газовые;

3. жидкостные;

4. полупроводниковые.

Газовые оптические квантовые генераторы (ОКГ) по сравнению с остальными лазера­ми обладают рядом преимуществ, основными из которых являются:

• возможность длительной работы при комнатной температуре без специальных охлаждающих устройств;

• высокая степень монохроматичности (например, спектральная ширина излучения гелий-неонового ОКГ может доходить до единиц герц);

• высокая стабильность и воспроизводимость частоты, а также высокая степень пространственной и временной когерентности;

• малый угол расходимости луча (около одной угловой минуты);

• малая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, что особенно важно в случае неконтролируемых изменений температуры в пределах 3...5 ºС;

• широкий диапазон рабочих частот, от ультрафиолетовой области до далекой инфракрасной области.

Лазерные источники, обладающие:

1. малой расходимостью излучения;

2. большой импульсной мощностью;

3. высокой степенью монохроматичности

обеспечили методам аэрозольного (гидрозольного) рассеяния и резонансного поглощения широкие возможности.

Импульсное отраженное атмосферой (морем) лазерное излучение несет информацию о распределении концентрации аэрозольного (гидрозольного) загрязнителя по всей трассе зондирования. При этом пространственное разрешение, определяемое длительностью зонди­рующего импульса, составляет единицы метров. Измерение газовых загрязнителей может проводиться в приземном слое атмосферы на трассе с отражением от естественных топогра­фических поверхностей или аэрозольных образований.

Методы аэрозольного рассеяния и резонансного поглощения находят широкое при­менение в лазерных системах контроля загрязнений приземного слоя атмосферы аэрозолями и газами индустриального происхождения.

В океанологии лазерный метод обратного гидрозольного рассеяния лежит в основе лазерной диагностики замутненности прибрежных вод и контроля биологической активно­сти морской среды по индексу цвета.

Метод лазерной батиметрии (измерения глубины моря) используют для контроля со­стояния рельефа дна шельфа, который постоянно изменяется под действием волн, течений, выносов рек, сброса земляных пород при строительстве портовых сооружений и т.п. По ха­рактеристикам лазерного сигнала, отраженного от взволнованной морской поверхности, су­дят о наличии нефтяной пленки на поверхности моря. Из лазерных альтиметрических изме­рений уровня океана определяют границы и скорость течений, являющихся главными рас­пространителями загрязнений в океане.

2.2 Лазерные системы дистанционного зондирования природной среды (актив­ные методы)

Лидарная система

Разработка лидарных систем зарубежными фирмами началась с середины 70-х годов. В основном разрабатывались передвижные комплексы, использующие принцип комбинационного рассеяния и дифференциального поглощения. Лидарные системы производились в виде единичных экспериментальных приборов. Выходная энергия лазерного излучения в таких системах составляла до нескольких десятков джоулей, что ограничивало дальность действия таких систем по аэрозольным образованиям, NО₂ и SО₂ до 1,5-5 км. Дальность действия лидаров комбинационного рассеяния составляла 100-200 м.

Лидары - лазерные локаторы, используемые для зондирования атмосферы, толщи моря, морской и земной поверхности. Все они имеют много общего в своих структурных схемах. Основные блоки лидара следующие:

• лазер-передатчик;

• передающая оптическая система;

• приемная оптическая система;

• спектроанализатор и фотоприемное устройство;

• блок обработки сигнала;

• блок управления;

• поворотное устройство;

• система отображения полученной информации.

Рис. 10. Структурная схема лидара

На рис. 10 показана структурная схема лидара (кроме поворотного устройства, на котором обычно при наземном варианте устанавливают передатчик и приемник, и блока управления, синхронизирующего работу остальных блоков и управляющего их параметрами). В зависи­мости от конкретных задач изменяют конструкцию лидара, отдельные узлы и блоки - осо­бенно лазерный источник и приемник.

Например, при дистанционном зондировании атмосферы молекулы газов и аэрозоли вызыва­ют ослабление проходящего через нее лазерного излучения. Часть зондирующего лазерного излучения рассеивается в обратном направлении (в сторону приемника лидара) на аэрозоль­ных частицах, либо отражается от топографических объектов (деревья, дома, холмы и т.п.) или от специально установленных экранов и отражателей. Это излучение с помощью приемной оптики (пропускающей или отражательной) собирается и направляется на фотодетектор, который преобразует его в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности приня­того оптического излучения. Значение принятого сигнала определяется свойством атмосфе­ры рассеивать излучение в обратном направлении, отражающими характеристиками топогра­фических объектов или отражателей, ослаблением излучения на трассе зондирования "лидар - объект зондирования - лидар". Поэтому электрический сигнал, снимаемый с фотодетектора, содержит информацию о присутствии в атмосфере газов и аэрозолей, их концентрации и рас­стоянии до объектов зондирования. Однако чтобы извлечь эту информацию, необходимы специальные методы измерения и алгоритмы обработки, так как величина регистрируемого лидаром сигнала зависит от длины волны лазерного излучения, числа, размера, формы и оп­тических свойств аэрозольных частиц и молекул газов, находящихся на трассе зондирования.

Аэрокосмические методы экологического контроля

Лидирующими в таких методах являются методы, использующие космические средства.

Для изучения природных ресурсов создаются специальные спутники, спутниковые системы – «Метеор" в бывшем СССР, "Лендсат " в США. Обширная информация о различных природных ресурсах, процессах, происходящих на поверхности земли, поступает и с других космических систем и отдельных спутников. На орбитальных станциях человек может обеспечить поиск и обнаружение заданного явления различными дис­танционными методами.

Особенно эффективные результаты по оценке антропогенных воздействий может дать комплексное использование информации, получаемой с помощью космических систем, самолетов и наземных систем.

К информации, получаемой со спутников и используемой при организации экологического контроля, относится информация о состоянии лесов, сельскохозяйст­венных угодий, о растительности на суше, о фитопланктоне на море, о состоянии земной поверхности (почвенном покрове, нарушении земной поверхности антропоген­ной деятельностью, эрозионных процессах, урбанизированных зонах), о перераспределении водных ресурсов, загрязнении атмосферы, морей и суши.

Кроме основного направления космического землеведения – фотографирование земной поверхности с последующим дешифрированием полученных изображений - развиваются направления, связанные с выявлением новых свойств изучаемых земных объ­ектов. С этой целью используются многозональные съёмки, которые позволяют снять один и тот же элемент в разных спектральных диапазонах и выявить (за счет раз­ной спектральной яркости изображения ) особенности данного элемента.

Для многозональных спектральных съемок используется излучение в диапазоне длин волн, относящихся к «окнам прозрачности» атмосферы. Ультрафиолетовое излучение (с длинами волн короче 300 нм ) при таких съемках не используется, поскольку оно практически полностью поглощается атмосферой.

Видимое излучение легко проходит через атмосферу Земли и поэтому применяет­ся в спектральных съемках, так же как и излучение в ближней ИФ области, которое используют для изучения природных ресурсов и состояния природных сред, выделе­ния антропогенных эффектов. В целом ценность получаемой информации о подстилающей поверхности и атмосфере зависит от правильного выбора одного или нескольких диапазонов длин волн.

Для экологического мониторинга особое значение имеет определение сос­тояния растительности (фенология, болезни). Эти исследования можно проводить осо­бенно эффективно с помощью многоспектральной съемки.

Особенно важным является выявление признаков изменения состояния почв и растительности, связанного с антропогенной деятельностью. С этой целью необходи­ма организация наблюдений за самыми разнообразными, особенно антропогенными, ландшафтами.

Наблюдения за размерами населенных пунктов и заселенных территорий позволяют судить о количестве и росте населения, по яркости ночных огней, обнаруживаемых из космоса предложено определять примерное общее потребление энергия человеком. Если производить измерение выделяемой населенным пунктом энергии в ИК и радиодиапазоне, то возможно определить потребление энергии человеком, включая промыш­ленное потребление. Например, в районе Нью-Йорка со спутника наблюдались аномалии радиационной температуры 3-4 С.

Наблюдения за водохранилищами и природными водными объектами позволяют с большей точностью судить об изменении состояния этих объектов, в том числе антропогенного характера.

Так, была прослежена динамика залива Кара-Богаз-Гол после его отчленения от Каспийского моря. По данным космических съемок определили изменение границ вы­сыхающего залива. С помощью этих съемок определились не только границы, но и глу­бина. В результате отчленения от Каспийского моря испарение воды с полной аква­тории моря за 1980-1984гг. уменьшилось более чем на 30 квадратных км.

С помощью спутниковых методов хорошо идентифицируются многие антропогенные изменения в окружающей среде, происходящие в настоящее время и имевшие место в прошлом, например лесные пожары, загрязнение атмосферы и подстилающей поверхнос­ти, эрозия почв и т.д.

Наблюдения за дымовыми выбросами позволяют (по степени прозрачности) установить наличие частиц в этих факелах. Ингредиенты в таких факелах можно определить по поглощению радиации в соответствующих зонах поглощения различными газами.

Именно космические съемки могут обеспечить наблюдения за некоторыми явлени­ями в самом начале, когда высокие концентрации вещества или энергии существенно облегчают измерения. Поражение хвойной растительности дымовыми выбросами наблю­далось со спутника по изменению спектральной яркости в диапазонах 0,5-0.7 мкм. Аналогичные измерения позволили определить содержание хлорофилла в воде. Для измерения со спутников загрязнения воды взвешенными частицами, неф­тяными и другими поверхностно-активными пленками использовались спектрально-угловые распределения отраженного излучения. Исследование методом многоспектра­льной пленки используется для выявления и наблюдения за загрязнением и другими антропогенными эффектами в биосфере, т.е. результаты использования космичес­ких съемок в экологическом мониторинге.

Для этих целей использовались спутники системы «Метеор-природа». Спутники такого типа оборудованы многоспектральными сканерами, спектрометрами и микроволновыми радиометрами, которые позволяют выделить шлейфы аэрозолей антропогенного происхождения в районе городов и промышленных районов, загрязнение поверхностных вод и т.д.

Регулярная дополнительная информация, поступающая с пилотируемых космических станций, позволяет не только квалифицированно интерпретировать получаемую информацию, но и контролировать поля антропогенного воздействия.

Авиационные и вертолетные системы наблюдения

Наряду с космическими средствами дистанционного зондирования важную роль в получении необходимой информации играют авиационные средства, позволяющие получать более точные и менее зависимые от метеоусловий данные, по сравнению с данными ИСЗ. Это является важным для районов с высокой повторяемостью сплошной облачности, закрывающей от 30 до 70% земной поверхности.

В качестве носителей аппаратных комплексов и отдельных видов аппаратуры в нашей стране могут использоваться легкие авиационные носители (самолет Ан-28, вертолет Ка-26), средние авиационные носители (самолеты Ан-26, Ан-30, ИЛ-114 и их модификации. вертолет Ми-8МТВ), а также тяжелые авиационные носители (самолеты Ту-134, Ил-18, Ил-76). При базировании самолетных лабораторий в аэропортах, находящихся в непосредственной близости от районов исследований, они могут обеспечить высокую поисковую эффективность работы при минимуме экономических затрат.

Авиационный уровень предлагает включать действующие самолетные и вертолетные комплексы, способные функционировать в удаленной от места базирования зоне. Этот уровень может включать:

• авиационные средства наблюдения подводной и надводной обстановки ВМФ;

• авиационные средства контроля биоресурсов Минсельхозпрода РФ;

• самолетные комплексы контроля ледовой обстановки Главсевморпути;

• самолетные и вертолетные средства МЧС России;

• привлекаемая транспортная авиация разработчиков месторождений на шельфе.

Авиационные лаборатории должны быть оборудованы следующими основными измерительными комплексами:

• ИК-радиометрическим (тепловизор и ИК-радиометр);

• радиолокационным;

• лидарным, комплексом пространственно-частотной спектрометрии;

• комплексами многозональной, топографической и видеоаппаратуры;

• гиперспектрометром.

Аппаратурные комплексы должны иметь бортовые системы оперативной обработки данных в реальном масштабе времени.

Для оперативной передачи данных на суда и береговые информационные центры авиационные лаборатории необходимо оснастить современными средствами связи, а для оперативного управления полетом и точной привязки результатов измерений к подстилающей поверхности - навигационной системой типа GPS.

В состав аэрогеофизического комплекса дистанционного экологического мониторинга, разработанного в ГНПП «Аэрогеофизика» и применяемого в производственных масштабах, входят:

• газовая аэросъемка с определением концентраций NО₂, SО₂, CH₄ в приземном слое атмосферы;

• аэрозольная аэросъемка с определением концентраций элементов-загрязнителей в атмосферном аэрозоле;

• аэрогамма-спектрометрия с картированием характера и степени загрязнения исследуемой территории естественными и искусственными радионуклидами.

Комплексные экологические аэрогеофизические съемки выполняются на вертолете МИ-8Т по сети прямолинейных маршрутов с интервалом 100 - 250 м между ними. Высота съемочных полетов (150 м) определяется интервалом от минимально разрешенной до максимально допустимой по методике крупномасштабных аэрозольных съемок. Работы выполняются в относительно стабильной метеорологической обстановке, т.е. при ветре не более 5 м/с и влажности до 90%.

Для проложения маршрутов и плановой привязки результатов работ используется система космической навигации.

Газовая аэросъемка выполняется с использованием цифровых высокочувствительных трассовых газоанализаторов на NО₂, SО₂, CH₄ (с возможностью расширения этого меню). Приборы предназначены для оперативного измерения суммарной концентрации газов вдоль установленной трассы (направления) и определения средней концентрации по рассчитанной или заданной длине этой трассы. При этом погрешность измерений составляет не более 15%.

В результате строятся карты концентраций анализируемых газовых компонентов, детально иллюстрирующие интегральные уровни загрязнения воздушной среды в период проведения аэросъемки.

Аэрозольная аэросъемка. Методика отбора проб атмосферного аэрозоля реализована таким образом, что одна проба характеризует элемент исследуемой площади размером от 2x2 до 1х1 км. Проба содержит от одного до четырех фильтров в зависимости от числа маршрутов, проходящих над данным элементом площади, при этом в состав одной пробы включаются фильтры, отобранные в разные дни с разных маршрутов (в течение одного съемочного дня по разреженной сети закрывается вся территория города). Подобная технология позволила практически исключить возможность внесения систематической погрешности в результаты измерений. Время экспозиции одного фильтра составляет около 60 секунд, что с учетом степени средней загрязненности городской атмосферы обеспечивает навеску на фильтр от сотен и десятков (К, А1, Fе, РЬ) до сотых долей (Со, Мп и др.) мкг/пробу. Смена фильтров в процессе полета выполняется автоматически.

Отобранный на фильтры аэрозоль анализируется в лабораторных условиях атомно-абсорбционным и атомно-эмиссионным с индуктивно связанной плазмой анализами на определение концентраций в нем до 60 химических элементов.

Лабораторным исследованиям на определение концентраций химических элементов-загрязнителей подвергаются также и фоновые фильтры (2-3% от общего количества).

В результате заказчики получают набор карт распределения в атмосферном аэрозоле элементов-загрязнителей, а также суммарной аэрозольной компоненты.

Аэрогамма-спектрометрическая съемка выполняется по стандартной методике с использованием 512-канального цифрового спектрометра.

По результатам съемки строятся карты распределения естественных (K, U, Th, Rn²²²) и искусственных (Сs¹³⁷) радионуклидов.

Уникальная аппаратура и оригинальная технология обработки данных, разработанные в «Аэрогеофизике», позволяют выполнять по данным аэрогамма-спектрометрии картирование распределения на изучаемой площади локальной составляющей свободного радона, контролирующего геодинамические зоны (зоны современных разломов). Подобная информация представляет ценность при инженерно-изыскательских работах, а также при определении мест первоочередного контроля службами санэпиднадзора подвальных помещений уже построенных зданий.

Несмотря на то, что все виды аэросъемочных работ могут вы­полняться отдельно, именно совместное, комплексное их использование дает максимальный эффект при минимизации затрат (авиация оплачивается один раз). При этом необходимо иметь в виду, что в зависимости от конкретно решаемых задач комплекс может быть дополнен, например, тепловой ИК-аэросъемкой и другими аэрогеофизическими методами.

Материалы дистанционных комплексных аэросъемок передаются заказчикам как на бумажном носителе, так и в электронном виде в любом требуемом формате, в том числе в виде готовых слоев ГИС.