ЛИДАРНЫЙ УЗЕЛ КОМБИНИРОВАННОГО СКАНИРОВАНИЯ

Предмет статьи. Представлены результаты разработки комбинированного узла сканирования лидара для поиска утечек углеводородов, позволяющего выполнять высокоскоростное сканирование исследуемого пространства в широком и узком угловых полях. Метод. Сканирование в широком угловом поле производится по однострочной траектории с помощью подвижного алюминиевого зеркала с частотой 20 Гц и амплитудой качания 20º. Узкополосное сканирование выполняется по спиральной траектории с помощью дефлектора. Отклонение луча осуществляется за счет вращения оптических клиньев, входящих в состав дефлектора, на угол  ±5º. Функцию управления сканирующим узлом выполняет специализированный программный продукт, написанный на языке программирования C#. Основные результаты. Узел позволяет производить сканирование исследуемой территории на дистанции 50–100 м с пространственным разрешением на уровне 3 см. Точность позиционирования лазерного луча в пространстве составляет 15'. Разработанный сканирующий узел позволяет производить обзор всей исследуемой области за время не более 1 мс при частоте вращения каждого из клиньев 50–200 Гц. На программном уровне решена задача однозначного определения географических координат луча в пространстве по углам поворота зеркала и оптических клиньев. Координаты носителя лидарной системы определяются с помощью GPS-приемника. Практическая значимость. Результаты разработки открывают возможность повышения пространственного разрешения сканирующих систем широкого спектра лидаров и обеспечить высокую точность позиционирования лазерного луча в пространстве.

1. Grishkanich A.S., Polyakov V., Sidorov I., Kascheev S., Elizarov V., Zhevlakov A., Mak A. Search a methane hydrate in the Arctic with photonics methods // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9899. Art. 98992U.
2. Grishkanich A.S., Zhevlakov A.P., Sidorov I., Elizarov V.V., Mak A.A., Kascheev S.V. Lidar for monitoring methane emission in Siberian permafrost // Proceedings of SPIE. 2016. V. 9729. Art. 97290M. doi:  10.1117/12.2214742
3. Zhevlakov A.P., Bespalov V.G., Elizarov V.V., Grishkanich A.S., Kascheev S.V., Makarov E.A., Il'inskiy A.A. Hydrocarbon halo-laser spectroscopy for oil exploration needs // Proceedings of SPIE. 2014. V. 9141. Art. 914125.  10.1117/12.2052165
4. Grishkanich A.S., Bespalov V.G., Bogoslovsky S.A., Elizarov V.V., Il'inskiy A.A., Kascheev S.V., Makarov E.A., Zhevlakov A.P. Laser sensor for airborne prospecting method of oil & gas deposits // Proc. Int. Conf. Laser Optics. St. Petersburg, Russia, 2014. Art. 6886391.  10.1109/LO.2014.6886391
5. Sheng Y. Quantifying the size of a lidar footprint: a set of generalized equations // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2008. V. 5. N 3. P. 419–422. doi:  10.1109/LGRS.2008.916978
6. Амон Ф., Ригль У., Ригер П., Пфеннигбауэр М. Применение лазерного сканирования с беспилотных летательных систем (БПЛА) для мониторинга, сложных и комплексных геодезических задач // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2015. С. 32–41.
7. Means J.E., Acker S.A., Fitt B.J., Renslow M., Emerson L., Hendrix C.J. Predicting forest stand characteristics with airborne scanning lidar // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 2000. V. 66. N 11. P. 1367–1371.
8. Устинов Н.Д., Матвеев И.Н., Протопопов В.В. Методы обработки оптических полей в лазерной локации. М.: Наука, 1983. 272 с.
9. Пустынский И.Н., Слободян С.М. Диссекторные следящие системы. М.: Радио и связь, 1984. 136 с.
10. Слободян С.М. Анализ и оптимизация телевизионного принципа сканирования фазового пространства оптическим фазометром: 1. Поисковые траектории // Известия Томского политехнического университета. 2004. Т. 307. №. 6. С. 65–72.
11. Малашин М.С. Основы проектирования лазерных локационных систем. М.: Высшая школа, 1983. 207 с.
12. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. 3-е изд. СПб.: Лань, 2010. 704 с.
13. Борисов М.Ф., Данилов М.Ф., Максимов А.А., Мотылев Н.Г., Павлов Н.И., Прилипко А.Я., Телятников С.В., Чилипенко А.Л. Оптико-локационная система с круговой зоной поиска: алгоритм управления исполнительными устройствами и его реализация // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 9. С. 49–55.
14. Чесноков Д.В. Микромеханический дефлектор световых потоков // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2006. Т. 4. С. 126–133.
15. Lu Y., Hei M., Fan D. Frame frequency prediction for Risley-prism-based imaging laser radar // Applied Optics. 2014. V. 53. N 16. P. 3556–3564. doi:  10.1364/AO.53.003556
16. Cai Y.Q., Tong X.H., Bu H.Y., Shu R. Study on image deformation of spaceborne three-dimensional LIDAR imaging in non-equilibrium state // Journal of Astronautics. 2011. V. 32. P. 407–413. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2011.2.027
17. Lu Y., Zhou Y., Hei M., Fan D. Theoretical and experimental determination of steering mechanism for Risley prism systems // Applied Optics. 2013. V. 52. N 7. P. 1389–1398. doi:  10.1364/AO.52.001389
18. Vincenty T. Direct and inverse solutions of geodesics on the ellipsoid with application of nested equations // Survey Review. 1975. V. 23. N 176. P. 88–93. doi:  10.1179/sre.1975.23.176.88
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License