Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере продемонстрировали новую мобильную наземную систему, которая может сканировать и картировать атмосферные газовые шлейфы на километровых расстояниях.
Система использует безопасный для глаз лазерный прибор для отправки света, который «расчесывает» воздух, на летающий мультикоптер и анализирует цвета света, поглощаемого на пути, для выявления газовых сигнатур в режиме, близком к реальному времени.
Система «гребенка и коптер» может быть полезна для сканирования утечек на нефтяных и газовых месторождениях, изучения смешения автовыбросов и других газов на границе между поверхностью Земли и следующим слоем атмосферы, или, с запланированными обновлениями обнаруживать загрязняющие вещества или химические угрозы и их источники.
Как описано в Optica, исследователи использовали гребенчатый свет для измерения углекислого газа, метана и водяного пара - парниковых газов, которые нагревают атмосферу - на 2-километровом (1,24 мили) пути туда и обратно между телескопом в NIST. Крыша лаборатории в Боулдере и световозвращатель, установленные на небольшом беспилотном самолете. Мультикоптер завис в выбранных точках для измерения газов вдоль горизонтальной траектории и на различных высотах до 120 метров (400 футов). Полеты на большей высоте технически осуществимы, но в настоящее время ограничены правилами полетов беспилотных летательных аппаратов.
Результаты были даже лучше, чем в тесте NIST 2014 года системы лазерного прочесывания без мультикоптера. Например, новая система измерила уровень углекислого газа в 1 часть на миллион всего за 60 секунд, по сравнению с 200 секундами ранее..
«Теперь мы можем проводить такие же измерения атмосферы, но с немного более высокой чувствительностью, с помощью системы, которую мы можем указать, куда захотим», - сказал физико-химик NIST Кевин Коссел. «Технология и чувствительность многообещающие».
Лазерный прибор использует две частотные гребенки - инструменты измерения, состоящие из тысяч точных частот или цветов света, как зубцы на гребне для волос - для идентификации газов на основе количества поглощенного света определенных цветов. Испытания 2014 года показали, что метод двойной гребенки может точно и воспроизводимо обнаруживать следовые количества газов в атмосфере. В этой работе гребенчатый свет, посылаемый телескопом, отражался от зеркала, установленного на соседней горе. Рефлектор необходим для отражения света и усиления сигнала перед анализом детектором на телескопе.
Последняя версия прибора имеет несколько улучшений, в том числе большую мощность, улучшенный телескоп и легкий ретрорефлектор (специальное трехмерное зеркало). Исследователи NIST также сделали гребенчатую систему более компактной; теперь он размером с кухонную плиту, поэтому его можно перевозить на автомобиле. Эти изменения, помимо использования кастомизированного мультикоптера, делают всю систему более мощной и мобильной.
Несмотря на весь свой опыт работы с лазерами, ученые Национального института стандартов и технологий США (NIST) обнаружили, что им необходимо сотрудничать с экспертами по беспилотным полетам из группы интегрированного дистанционного зондирования и зондирования на месте (IRISS) Университета Колорадо.
«Полет на этих штуках оказался сложной задачей, - объяснил Натан Ньюбери из NIST. «Управлять мультикоптерами не так-то просто - им должен управлять кто-то опытный, иначе он собьется с курса или, что еще хуже, разобьется. Любой, кто купил или получил такой для развлечения, знает это».
Мультикоптер, использованный в эксперименте, был оснащен ретрорефлектором, а также приборами для измерения местоположения, температуры и давления воздуха, а также длины пути. Телескопическая система должна отслеживать движение ретрорефлектора при движении и зависании мультикоптера. Вся система получает концентрацию газа каждые 10 секунд.
Система гребенки и коптера дополняет обычную технологию. Мобильные наземные точечные датчики могут составлять региональные карты, но их необходимо перевозить в автомобиле или летать на самолете. Спутниковые инструменты могут удаленно обнаруживать атмосферные газы с глобальным охватом, но нечасто берут пробы в определенных регионах Земли и имеют лишь низкое пространственное разрешение.
В ближайшем будущем исследователи планируют использовать систему летающих гребней для изучения перемешивания в пограничном слое Земли, основного источника неопределенности в моделях атмосферы, а также для сканирования выбросов нефтегазовых объектов, которые могут привести к образование озона.
Система «гребенка и коптер» в настоящее время обнаруживает газовые сигнатуры в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Исследователи NIST надеются расширить охват до среднего инфракрасного диапазона, что увеличит количество обнаруживаемых газов и позволит использовать такие приложения, как сканирование химических опасностей и угроз. Лазерный свет в любом диапазоне не повреждает глаза, а это означает, что он безопасен для пользователей и окружающих. Кроме того, по мере развития технологий беспилотных летательных аппаратов должно стать возможным увеличение времени полета и длины пути. Группа NIST уже продемонстрировала, что подобные системы могут работать на гораздо более длинных участках пути до 12 км (7,7 км).5 миль) в оба конца.