Сегодня лидарная техника относится к одному из приоритетных и наиболее быстро развивающихся направлений мирового оптико­электронного 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 более низкого предельного уровня пространственного разрешения наблюдательных систем. К преимуществам лидарного метода по сравнению с традиционными, например, физико­химическими, относятся дистанционность, бесконтактность, возможность непрерывного площадного и профильного сканирования с одновременным определением широкой гаммы химических элементов и соединений, а также высокая скорость детектирования. Кроме того, важно, что лидарные комплексы осуществляют оперативное зондирование окружающей среды без деструктивных воздействий на нее. По сравнению с радиоволновыми радарами достоинства лазерных сенсоров заключаются, прежде всего, в помехоустойчивости и более высоком пространственном разрешении, не говоря уже о выявлении спектральных признаков обнаруживаемых объектов. Например, маскирующие покрытия, используемые по STELS­технологии на военных самолетах, затрудняют их обнаружение радаром.

Лазерные источники зондирования начали использоваться в качестве передатчика практически во всех лидарах с 70­х годов. А в 90­х годах развитие лидарной техники вышло на новый уровень благодаря удешевлению комплектующих изделий и элементной базы, с одной стороны, и прогрессу в лазерной технике, средствах вычислительной техники и программного обеспечения, с другой. Оптоэлектронная информационно­вычислительная система в автоматическом режиме работы стала решать задачи сбора, обработки, накопления, систематизации и документирования огромных массивов информации. В настоящее время лазерное зондирование – наиболее современный метод исследования параметров компонентов земной биосферы и окружающей среды.

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. И актуальность этой технологии сложно переоценить.

Согласно Киотскому протоколу, действие которого заканчивается в декабре 2012 г., наиболее острой и актуальной проблемой в области охраны и безопасности окружающей среды является контроль атмосферных газов, ответственных за создание парникового эффекта и разрушение озонового слоя и нарушающих, таким образом, радиационный баланс вокруг Земли, а также порождающих образование кислотных дождей. В настоящее время в приземной атмосфере находится много десятков тысяч тонн загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Главными антропогенными загрязнителями окружающей среды, кроме крупнотоннажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи, являются сложные органические, хлорорганические и нитро соединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы.

В конце апреля 2010 г. крупнейшая в истории экологическая катастрофа произошла на платформе британской нефтяной компании BP в Мексиканском заливе. Беспрецедентный разлив нефти нанес значительный ущерб природе региона.

Россия является вторым по величине производителем нефти в мире. Открываются новые нефтеналивные порты, например, крупнейший в России порт Приморск в Ленинградской области. С каждым годом растет объем перевозок в акватории Финского залива – чувствительной водной территории с уникальным природным миром. Соответственно увеличивается риск аварийных ситуаций и вероятность разливов нефти и различных видов негативного воздействия, вызываемого морским транспортом.

Нельзя не вспомнить торфяные пожары в Подмосковье летом 2010 года, когда ПДК угарного газа была превышена в 6,6 раз, взвешенных веществ – в 2,2 раза, концентрация углеводородов составляла 6,2 мг/ куб. метр.

Среди негативных последствий хозяйственной деятельности человека значи­тельное место принадлежит загрязнению различных компонентов природной среды тяжелыми металлами. Так, 4 октября 2010 г. в результате прорыва резервуара с токсичными отходами на алюминиевом заводе в г. Айка, запад Венгрии, произошло затопление трех населенных пунктов «красным шламом», содержащим оксиды алюминия, железа, титана, а также щелочь и соединения ядовитых металлов — мышьяка, ртути, свинца, хрома и кадмия. По официальным данным, в окружающую среду попало примерно 700 000 кубометров ядовитых отходов, а площадь их разлива составила порядка 40 000 м².

Особое место занимают чрезвычайные происшествия на атомных объектах. В таких случаях определяющим фактором радиоактивного загрязнения являются изотопы инертных газов, цезия, йода, стронция и других. Первое чрезвычайное происшествие произошло в 1957 году в Великобритании на АЭС Уиндскейл, потом были аварии в США, Германии; на Чернобыльской АЭС, в Японии (АЭС «Фукусима»). Кроме того, существует масса предприятий, работающих с радиационно­активными материалами (производство, транспортировка, захоронение). Известно, что в Россию регулярно прибывают корабли из Германии и Франции с обедненным гексафторидом урана — радиоактивными отходами, которые образуются при производстве топлива для атомных электростанций.

Таким образом, разработка методов и приборов для контроля выбросов (от минимальных, позволяющих предупредить опасную ситуацию, до аварийно­высоких) на всех этапах работы с радиоактивными материалами (добыча­захоронение) является первостепенной задачей. Причем особое внимание должно уделяться практически не развивающимся дистанционным средствам обнаружения активных радионуклидов, требующим аппаратуры с чрезвычайно высокой чувствительностью и спектральной селективностью.

При пространственно­техническом мониторинге объектов энергетики эффективность средств дистанционного лазерного зондирования определяется выполнением следующих основных функций:

• освещение оперативной сцены,
• экспресс­анализ и идентификация фоновой и целевой обстановки,
• поиск и обнаружение объектов, определение координат и картирование местности,
• наблюдение и распознавание облика объекта,
• обработка и представление информации в реальном времени.

Отличительная особенность лидаров состоит в способности дистанционно обнаруживать источники радиационных утечек и выбросов в атмосферу, работать с большими зараженными территориями. Только так может быть гарантирована полная безопасность операторов при проведении радиационного контроля в зоне контейнерных захоронений и утилизации отходов топлива АЭС.

Стратегическое значение приобретают и проблемы получения объективной информации о фактическом состоянии природных ресурсов и возможных изменениях недроносных территорий. Основными геофизическими методами поисков залежей нефти и газа является сейсмическая и радиоволновая разведка. Но достоверность прогноза этими методами остается недостаточно высокой и при самых благоприятных условиях составляет не более 30%. Ореолы тяжелых углеводородных газов, в частности, пропана, на земной поверхности, формируемые залежами нефти, характеризуются чрезвычайно низкими концентрациями. Для их уверенного выявления требуется аппаратура с чувствительностью на уровне 10…20 ppb (частиц на миллиард). Лазерное зондирование и здесь может служить высокоэффективным методом геологоразведочных работ на региональных поисковых этапах для прогноза нефтегазоносности, оценки зон нефтегазонакопления и выявления локальных структур под глубинное бурение.

Рис. 1 Авиационный рамановский лидар

Судя по последним разработкам и предлагаемым на мировом рынке лазерным газоанализаторам, можно сделать вывод, что лазерные средства контроля газовых компонентов в настоящее время превосходят по многим техническим параметрам (таким как чувствительность к измеряемым компонентам, избирательность к мешающим измерениям компонентам и т.д) газоанализаторы, применяемые до последнего времени в системах контроля загрязнения атмосферы и в системах контроля выбросов промышленных предприятий.

Потребности и достижения лазерного приборостроения на примере Северо­Западного региона России продемонстрировал семинар «Состояние и перспективы развития лазерного приборостроения для контроля техногенных загрязнений окружающей среды», проходивший в ноябре 2011 г. в Санкт­Петербурге, в стенах Оптического Общества России им. Д.С.Рождественского. В нем принимали участие 47 руководителей и специалистов научно­исследовательских институтов, учебных заведений, учреждений и промышленных предприятий г. Санкт – Петербурга, а также Академии Инженерных Наук им. Ф.М.Прохорова и Российской Академии Наук. Тематика семинара охватывала широкий фронт направлений развития лазерного приборостроения в диапазоне спектра от ультрафиолетовой области (0.2 ­0.4 мкм) до терагерцовой (30 – 300 мкм).

Рис. 2 Зондирующий твердотельный лазер с диодной накачкой

Рис. 3 Голограммная решетка 2-го типа
 

Ряд докладов (ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, НПП «Лазерные системы», ЗАО «Лазеры и оптические системы») показал острую потребность в лидарных системах контроля газовых компонентов в атмосфере, которые методически необходимы как средства контроля фонового загрязнения атмосферы на уровне крыш зданий (по аналогии с системой OPSIS, применяемой в Стокгольме). В НИЦЭБ РАН разрабатываются автоматические станции контроля качества природных вод и воздушной среды. В части мониторинга экологического состояния окружающей среды Институт успешно взаимодействует с предприятиями Санкт­Петербурга, занимающимися разработкой и созданием лидарных комплексов. В настоящее время в городе используется мобильный лидар с дальностью действия свыше 10 км, созданный в ООО «Лазерные системы». В НПК ГОИ им. С.И.Вавилова совместно с ЗАО «Лазеры и оптические системы» разработан и создан лидар для аэропоиска утечек на магистральных газопроводах. Вертолетный образец (рис. 1­-3) после успешного проведения полевых летных испытаний передан дочернему предприятию ОАО «Газпром». По реализованному спектральному разрешению (λ/Δλ>>1000) данный авиационный лидар превосходит известные аналоги почти на два порядка. Его отличают повышенные чувствительность и информативность в сочетании с широким диапазоном диагностируемых антропогенных выбросов.

Семинар показал, что научно­технический и технологический задел, накопленный предприятиями Санкт­Петербурга, позволяет в короткие сроки подготовить к эксплуатации стационарные лидарные станции и самолет­лаборатории, оборудованные отечественными датчиками дистанционного зондирования для решения широкого круга задач экологического мониторинга акваторий РФ. В докладе«Перспективные средства мониторинга радиационной обстановки» (Аварийно­технический центр Минатома России) был сделан упор на актуальную потребность в развитии дистанционных средств радиометрического контроля приземных слоев атмосферы. Как уже указывалось, перспективность использования лидарной техники в этом направлении связана с обеспечением безопасности при проведении диагностики поверхностей, зараженных бета­активными радионуклидами.

Результаты, представленные в докладах специалистов по лазерному приборостроению (ЗАО «ФИД Техника», ЗАО ОПТЭК, НПП «Лазерные системы», ЗАО «Лазеры и оптические системы», ООО «НЕФ», НИИ «Гипрорыбфлот»), ясно указывают на своевременность промышленного освоения в Северо­Западном регионе и по стране в целом лидарной техники для диагностики окружающей среды. На указанных предприятиях лазерная продукция проходит полный инновационный цикл «опытно­конструкторские и технологические работы – постановка производства – реализация высокотехнологичной продукции на рынке». Также к внедрению в промышленное производство и тиражированию вплотную подошли терагерцовые спектрографы и рефлектометры СПб ГУ ИТМО, не имеющие отечественных аналогов.

Качество окружающей среды определяется совокупнос­тью параметров и напрямую зависит от научно­технического прогресса. В условиях сильной технической отсталости природоохранных предприятий внедрение инновационного лазерного диагностического оборудования позволит решить острые экологические проблемы, предотвратив тем самым экологическую катастрофу.

В период 26­29 июня в г.Санкт­Петербурге состоится 15­я международная конференция «Оптика лазеров – 2012», на которой (в отличие от предыдущих), будет представлена секция «Лазеры в мониторинге окружающей среды». Конференция открывает широкие возможности для ознакомления с новейшими мировыми достижениями и популяризации собственных инновационных разработок в области лазерных измерительных средств и диагностики окружающей среды.

К.ф.­м.н. А.П.Жевлаков

НПК ГОИ им. С.И.Вавилова,

Сопредседатель секции

«Лазеры в мониторинге окружающей среды»

15 международной конференции

«Оптика лазеров­2012»

г. Санкт­Петербург

Тел. (812) 328 57 34, 328 10 93

E­mail: a_zhevlakov@ilph.ru

Литература:

1. Жевлаков А.П., Лещенко Д.О., Пакконен С.А., Сидоренко В.М. ­ Исследование методики использования эксимерного лазера для измерения толщины пленки нефтепродукта на поверхности воды. // Океанология 1993, Т. 33. №3. С.452­455.
2. 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.175­179.
3. Жевлаков А.П., Соколов С.А., Тульский С.А., Федорова Т.Н., Яковлев В.В. ­ Новые газоразрядные источники и дозиметры бактерицидного излучения. // Оптический журнал 1994. №12.С. 62­66.
4. Жевлаков А.П., Смирнов В.А., Багров И.В., Тульский С.А., Высотина Н.В.­ Аномалии во флуоресценции нефтепродуктов при возбуждении лазерным излучением. // Оптический журнал 1999. № 5.С.44­49.
5. Alimov S.V., Kascheev C.V., Kosachev D.V., Petrov S.B., Zhevlakov A.P. ­ Multifunctional lidar for needs of oil­and­gas pipes. // Proceeding SPIE Vol.6610
6. 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. №.4.С. 31­38.