Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 498, № 1, стр. 3-6

Известно, что лидары являются одним из эффективных инструментов дистанционного зондирования при использовании лазеров в широком спектральном диапазоне от УФ до ИК с энергией импульсов несколько Дж [1, 2]. Однако опасность поражения глаз излучением лазера ограничивает их применение для зондирования среды обитания при плотности энергии в пучке лазера, например, для видимого диапазона более 1 мкДж/см² [3]. Принимая этот фактор во внимание, мы предложили и разработали новый принцип зондирования среды обитания лидарами на диодных лазерах [4–6] и однофотонных приемниках – лавинных фотодиодах. Недавно [7] таким лидаром с плотностью энергии импульса <0.01 мкДж/см² было проведено зондирование над ледником Гарабаши аэрозольных слоев у вершины вулкана Эльбрус на удалении более 4000 м. Высокая эффективность, малая масса, низкое энергопотребление, помехоустойчивость цифровых цепей и работа диодного лазера в широком диапазоне температур от –100 до +20°С [8] позволили нам выиграть конкурс НАСА (США) среди лидаров других стран для зондирования атмосферы Марса. Впервые российский прибор был включен в состав миссии НАСА “Mars Polar Lander-99” и как первый лидар (лидар РАН) был доставлен к Марсу 3 декабря 1999 г. [9]. Эта версия бортового лидара для космических миссий и мониторинга среды обитания с высокой частотой повторения импульсов (до сотен кГц) [6] явилась экспериментальным обоснованием использования предложенной нами концепции для лидарной навигации беспилотных автомобилей и других подвижных платформ [10].

Несомненно, что прогресс в разработке диодных лазеров синего и УФ-диапазонов открыл возможность создания компактных флуоресцентных лидаров на их основе. Так, флуоресцентный лидар [11] с непрерывным диодным лазером (длина волны 445 нм, мощность 1.5 Вт, диаметр антенны 50 мм, масса 3.2 кг), установленный на октокоптер, обеспечил регистрацию сигнала флуоресценции травяного покрова и кроны деревьев в ночное время. Заметим, что при диаметре пятна пучка лазера (3 см) плотность мощности лазерного излучения на объекте зондирования составляет более 200 мВт/см² [11], что на два порядка превышает безопасный для глаз уровень [3] в дневное время. Эта пороговая величина повреждения глаз кратно снижается в ночное время из-за расширения диаметра зрачка глаза. Оставалась неясной возможность флуоресцентного зондирования растительности лидаром с безопасным уровнем плотности мощности (в 10 раз ниже использованного в работе [11]) с борта квадрокоптера, что и являлось целью данной работы.

Схема лидара приведена на рис. 1. Основными компонентами лидара являются полупроводниковый лазер непрерывного действия (1) (405 нм, 150 мВт) и дифракционный миниспектрометр (2) Ocean Optics STS-VIS (анализ спектра в диапазоне 330–820 нм обеспечивается диодной линейкой на 1024 ячейки с размерами отдельного пиксела 7.8 × × 125 мкм).

Рис. 1.

Схема ультракомпактного флуоресцентного лидара: 1 – полупроводниковый лазер непрерывного действия, 2 – дифракционный миниспектрометр, 3 – оптическое волокно, 4 – волоконный конденсор, 5 – интерференционное зеркало.

Интерференционное зеркало (5) (DMLP425, Thorlabs Inc.) направляет лазерный пучок к удаленному исследуемому объекту, где происходит упругое рассеяние (без изменения длины волны излучения), а также возбуждение флуоресценции. Конденсор (4) собирает рассеянное назад излучение (пунктир на рис. 1) и фокусирует его на вход оптического волокна (3), соединенного с входной щелью спектрометра. В состав спектрометра входило две сменных щели размером 10 и 200 мкм для вариации разрешающей способности в зависимости от ширины полосы сигнала флуоресценции. Так, разрешающая способность составляла 1 и 12 нм для щели 10 и 200 мкм соответственно. Управление лазером (1) и считывание данных с диодной линейки спектрометра осуществляется компактным одноплатным компьютером (Intel NUC), установленным на борту квадрокоптера, с помощью программного обеспечения, разработанного в среде National Instruments LabVIEW. Заметим, что лидар допускает работу в двух режимах: 1) автономно по заданной программе, 2) в режиме диалогового обмена командами и данными с удаленным компьютером оператора по радиоканалу Wi-Fi.

Габариты лидара составляют 10 × 15 × 5 см (масса 310 г), габариты компьютера 11 × 11 × 3 см (масса 600 г), напряжение питания 12 В, энергопотребление всей системы не более 40 Вт. Разделение лидара на две части (оптический блок и компьютер) позволяет оптимизировать его размещение на летающей платформе для сохранения положения центра масс.

Поскольку лидар был разработан для применения на легких беспилотных авианосителях, были проведены испытания в условиях натурного эксперимента, приближенных к реальной эксплуатации. Лидар был установлен на легкий квадрокоптер, имеющий грузоподъемность 2 кг и время автономного полета до 30 мин. На рис. 2 приведена фотография квадрокоптера с установленным лидаром.

Рис. 2.

Общий вид легкого квадрокоптера с установленным флуоресцентным лидаром (справа) и управляющим компьютером (слева).

В версии диалогового обмена связь с лидаром осуществляли дистанционно (до 300 м) с отдельного портативного компьютера (ноутбука) по каналу Wi-Fi на частоте 2.4 ГГц с использованием протокола Remote Desktop.

В натурном эксперименте квадрокоптер зависал неподвижно над травяным покровом, и лидар проводил измерения направлением в надир (к поверхности) по следующему протоколу: спектрометр регистрировал фоновый спектр (без подсветки лазером) в течение заданного времени экспозиции (0.5 с), далее включался лазер, и спектрометр регистрировал спектр с такой же экспозицией 0.5 с. Затем фон программно вычитали из сигнала и получали спектр флуоресценции. Для достижения заданного отношения сигнал/шум задавали число (10–20–50) повторных измерений в режиме накопления сигнала.

Интерференционное зеркало (5) со спектром пропускания в виде ступеньки (рис. 3a) отражает излучение с длиной волны <425 нм и направляет лазерный пучок (405 нм) к объекту зондирования. Одновременно это зеркало существенно ослабляет упруго рассеянное излучение лазера на щели спектрометра. На рис. 3б показан пример спектра флуоресценции травяного покрова, полученного с помощью лидара в натурных экспериментах (щель 10 мкм, высота 50 см). На рис. 3в приведены спектры листьев растения, полученные в лаборатории (щель 200 мкм) с удаления 3 м при зондировании верхней стороны листа (линия 1) и нижней стороны (штриховая линия 2).

Рис. 3.

Кривая пропускания интерференционного зеркала (a), примеры спектров флуоресценции: (б)  травяной покров (щель 10 мкм, высота 50 см), (в) верхняя поверхность листа дерева (сплошная линия 1) и тыльная поверхность (штриховая линия 2) (щель 200 мкм, дальность 3 м).

Как видно из рис. 3б, 3в, спектр состоит из линии лазерного излучения, соответствующей упругому рассеянию (405 нм), и полосы флуоресценции хлорофилла растительности (∼650–780 нм). Из рисунков видно, что для верхней поверхности листьев (сплошная линия 1 на рис. 3в) большую интенсивность имеет компонента хлорофилла a ∼ ∼ 685 нм, а при зондировании нижней поверхности листьев (штриховая линия 2 на рис. 3в) доминирует компонента хлорофилла b ∼ 730 нм. Предполагается [12], что флуоресценция на длине волны ∼685 нм обусловлена хлорофиллом фотосистемы 2, а на длине волны ∼730 нм – фотосистемы 1 (фотосистемы 1 и 2 – элементы фотосинтетического аппарата растений, различающиеся по составу белков, пигментов и оптическим свойствам).

В настоящей работе была продемонстрирована возможность зондирования флуоресценции растений с борта легкого беспилотного летательного аппарата с помощью ультракомпактного лидара-флуориметра с безопасным для глаз уровнем излучения. Высокая эффективность регистрации сигнала флуоресценции обусловлена, в том числе, совпадением длины волны возбуждающего лазерного излучения (405 нм) с полосой поглощения хлорофилла а [13].

Несомненно, что перспективой развития данного метода является повышение отношения сигнал/шум и дальности зондирования, что может быть обеспечено применением в качестве детектора спектра флуоресценции линейки лавинных однофотонных диодов с внутренним усилением и возможностью стробирования, как в случае зондирования многослойных облаков у вершины вулкана Эльбрус [7].

Особый интерес здесь представляет использование в этом лидаре выносной приемо-передающей антенны с синтезированной апертурой большой суммарной площади, защищенной патентом России № 2 692 121. Принимая во внимание волоконный ввод сигнала в спектрометр, а также транспорт излучения лазера по волокну, такая антенна допускает снижение на волоконном фидере от платформы носителя с целью повышения отношения сигнал/шум, а также исключения возмущения поверхности (растения, акватории) зондирования воздушным потоком от винтов.