Grupa 8

Syntetyczny opis
wyników realizacji zadań wPBZ-MIN-009/T11/2003 pt. „Elementy i moduły
optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie
środowiska i technice wojskowej"
Grupa 8 Opracowanie układu do zdalnego wykrywania broni chemicznej i biologicznej
Zadanie 8.1. Opracowanie układu do zdalnego wykrywania broni chemicznej i biologicznej
Przeprowadzono analizę realizowalności opracowanego projektu Założeń TaktycznoTechnicznych. Oparto się na wzorze stosowanym w programie Lidar-PC firmy Ontar Corp. do
obliczania mocy promieniowania laserowego rozproszonego przez aerozole znajdujące się na drodze
wiązki laserowej i odbieranego przez zadany układ optyczny. Ponieważ na zależność stosunku sygnału
do szumu S/N wpływają cztery podstawowe czynniki: parametry nadajnika, parametry odbiornika,
właściwości transmisyjne (absorpcja i rozpraszanie) atmosfery, właściwości rozproszeniowe i
absorpcyjne chmury wykrywanego aerozolu, przeprowadzona analiza dotyczyła tych czterech
parametrów. Przeprowadzono obliczenia i symulacje dla propagacji promieniowania o długościach fali
równych 1.064 m oraz 0.532 m. Na podstawie przeprowadzonej analizy dokonano weryfikacji i
wstępnych uzgodnień projektu Założeń Taktyczno-Technicznych na układ do zdalnego wykrywania
broni chemicznej i biologicznej, w zapisach dotyczących zasięgu wykrywania chmur sztucznych
aerozoli. Rozpoczęto prace badawcze nad poszczególnymi podzespołami funkcjonalnymi systemu
lidarowego. Opracowano podstawowe założenia na podzespoły systemu nadawczego i odbiorczego.
Opracowano i przebadano podstawowe parametry układu obróbki elektronicznej sygnału echa
(algorytm i podzespoły) z wykorzystaniem różnych metod detekcji podszumowej. Rozpoczęto
również prace badawcze nad przygotowaniem układów generacji aerozoli wodnych o kontrolowanych
parametrach (koncentracja, wielkość cząstek).
Na podstawie przeprowadzonych w 2004 roku analiz, symulacji i badań wstępnych, w 2005
roku rozpoczęto prace konstrukcyjne nad poszczególnymi podzespołami funkcjonalnymi systemu
lidarowego. Zaprojektowano i wykonano podzespoły systemu nadawczego i odbiorczego. Przebadano
podstawowe parametry układu przetwarzania sygnału echa (algorytm i podzespoły) z wykorzystaniem
różnych metod detekcji podszumowej. Zaprojektowano i zbudowano konstrukcję mechaniczną
platformy skanującej. Głównymi elementami platformy lidarowej są: głowica lasera, zespół
detekcyjny wraz ze wzmacniaczem, blok akwizycji, układ sterowania, układ sterowania silnikami,
blok zasilania
W 2006 roku prowadzono badania optymalizacyjne opracowanego systemu lidarowego w
warunkach laboratoryjnych i warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Do prowadzenia badań
rozpraszania promieniowania laserowego w aerozolach przygotowano tzw. symulanty aerozoli w
postaci generatorów dymów o różnych rozkładach aerodyspersyjnych. Symulanty aerozoli
przygotowywane były w dwóch wersjach: przez spalanie mieszanki dymotwórczej stosowanej w
świecach dymnych DM-11 oraz przez spalanie poliuretanu (pożar testowy TF4 zgodnie z PN PN-E08350-7:2000). Przeprowadzono pomiary porównawcze rozkładów aerodyspersyjnych symulantów.
W układzie nadawczym zoptymalizowanego systemu lidarowego zastosowano laser Nd:YAG BRIO
firmy QUANTEL. Energia impulsu pierwszej harmonicznej tego lasera (1.064 µm) jest równa 100 mJ,
a energia drugiej harmonicznej (0.532 µm) wynosi 65 mJ. Emitowana wiązka laserowa posiada dość
dużą rozbieżność dochodzącą do 5 mrad, którą można regulować przez zastosowanie teleskopu
nadawczego zmniejszającego rozbieżność 2-5 razy.
W układzie odbiorczym lidara zastosowano obiektyw zwierciadlany, wykorzystujący
pozaosiowe asferyczne zwierciadło paraboliczne. Tak wybrany układ odbiorczy zapewnia eliminację
aberacji chromatycznych związanych ze znaczną różnicą generowanych długości fal. Zwierciadło
obiektywu zapewnia kąt widzenia większy od 5 mrad oraz dużą jasność. Odbija promieniowanie pod
kątem 90° i oparte jest na paraboli o ogniskowej 3 cale, przy czym ze względu na znaczną
pozaosiowość ogniskowa odbiciowa wynosi 6 cali. Średnica czynna zwierciadła wynosi 4 cale, co
daje jasność układu 1,5. Dodatkowo układ optyczny składa się z dwóch zwierciadeł o średnicy 1 cala i
ogniskowej 0,5 cala oraz układu filtrów interferencyjnych dla fal o długości λ 1 =1,064 µm i
λ 2 =0,532 µm. Układ obiektywu i dodatkowego zwierciadła daje wiązkę równoległą, w której
umieszcza się filtry. Drugie zwierciadło skupia wiązkę na detektorze. Podstawowym elementem
układu detekcyjnego jest moduł odbiorczy firmy HAMAMATSU typu C5331-xx. Elementem
fotoczułym modułu jest skompensowana termicznie fotodioda lawinowa, której sygnał prądowy jest
przekształcany przez wzmacniacz transimpedancyjny na proporcjonalny do mocy na powierzchni
fotodetektora sygnał napięciowy. Sygnały napięciowe z modułu detekcyjnego podawane są na I
stopień wzmacniacza odwracającego o wzmocnieniu 1-10 regulowanym napięciem stałym. II stopień
wzmacniacza jest takim samym wzmacniaczem jak pracujący w stopniu pierwszym, posiada jednak
zakres regulacji wzmocnienia 1-100.
Ważnym elementem funkcjonalnym całego systemu lidarowego jest opracowane dla komputerów
klasy PC oprogramowanie sterujące i przetwarzające dane. Dzięki niemu możliwe jest ustawianie
parametrów pracy wzmacniaczy i ich charakterystyk (czas/wzmocnienie), sterowanie platformą
skanującą (obszar skanowania, prędkość skanowania), archiwizację otrzymanych wyników pomiaru,
sterowanie procesem cyfrowego przetwarzania odbieranych sygnałów i prezentację otrzymanych
wyników w formacie 2D i 3D. Oprogramowanie pozwala także na obróbkę danych pomiarowych.
Stosowane są dwie metody podnoszenia jakości odebranego sygnału – filtracja cyfrowa i sumowanie
kilku pomiarów. Filtracja cyfrowa wykorzystuje filtr uśredniający z zadanej liczby próbek, natomiast
sumowanie wymaga zebrania danych z określonej sekwencji impulsów diagnostycznych
promieniowania laserowego skierowanej w ten sam punkt przestrzeni. Ponieważ dane transmitowane
są do komputera po każdym wyzwoleniu lasera, sumowanie odbywa się na bieżąco w trakcie pracy
urządzenia. Zastosowanie w lidarze ruchomej platformy skanującej pozwala na zebranie danych
pomiarowych z wyznaczonej przez użytkownika przestrzeni i zobrazowanie ich w dwóch lub trzech
wymiarach. Dzięki temu możemy uzyskiwać informację nie tylko o rodzaju substancji rozpraszającej i
jej odległości od nadajnika, ale także o jej przestrzennym rozkładzie.
Opracowany interfejs umożliwia stopniowe uszczegółowianie analizy danych poprzez przejście od
ogólnych informacji o kształcie i położeniu interesującego obszaru, do szczegółowych odczytów
parametrów odebranego sygnału służących rozpoznaniu badanej substancji.
Badania poligonowe charakterystyk zasięgowych systemu lidarowego zostały wykonane z
wykorzystaniem zarówno naturalnych – chmura typu Cumulus oraz sztucznych ośrodków
aerodyspersyjnych – pirotechnicznych mieszanin dymotwórczych: DM11, M2 oraz M16.
Na podstawie przeprowadzonych badań i analiz charakterystyk rozproszeniowych sztucznych
aerozoli, charakterystyk fluorescencyjnych wybranych ośrodków biologicznych oraz charakterystyk
spektroskopowych wybranych skażeń chemicznych przeprowadzono analizy zasięgowe systemu
lidarowego oraz opracowano koncepcję zintegrowanego systemu do wykrywania i identyfikacji
skażeń chemicznych i biologicznych.
Na podstawie badań systemu do zdalnego wykrywania broni chemicznej i biologicznej w
warunkach poligonowych, opracowano Założenia Taktyczno-Techniczne do wykonania prototypu
układu do zdalnego wykrywania broni chemicznej i biologicznej.
Karty katalogowe
Sprawozdanie naukowe