Лидар для анализа породного состава леса

1.

Московский государственный технический университет
имени Н.Э.Баумана
Факультет «Радиоэлектроника и лазерная техника»
Кафедра «Лазерные и оптико-электронные системы»
Лидар для анализа породного состава леса
Выпускная квалификационная работа бакалавра
по направлению подготовки
12.03.05 Лазерная техника и лазерные технологии
Выполнил:
студент группы РЛ2-81Б
Хасанова С.И.
Научный руководитель:
профессор, д.т.н. Белов М.Л.
Москва, 2022

2.

Цели и задачи
Цель работы: разработка двухволнового лазерного локатора для анализа
породного состава леса, работающего на длинах волн 0,532 и 1,57 мкм и
устанавливаемого на беспилотный летательный аппарат.
В работе были выполнены задачи поиска подходящих источников лазерного
излучения, расчета передающей оптической системы для коллимации
лазерного пучка, в том числе ее конструктивных параметров и энергетических
характеристик.

3.

Актуальность
Биологическое
разнообразие
Использование
ресурсов
Газообмен
со средой
Экомониторинг

4.

Депонирование углерода
Устранению избытка углекислого газа в
атмосфере способствуют зеленые
растения, которые вместе с солнечной
энергией поглощают его в процессе
фотосинтеза при компенсаторном
выделении кислорода, углерод же
накапливается в различных частях
дерева.

5.

Влияние видовой принадлежности дерева на его
депонирующие свойства
Порода
Содержание углерода в древесине стволов
различных деревьев возрастом в 60 лет [19]
Содержание углерода
Дуб черешчатый
66.87%
Липа мелколистная
66.87%
Ольха черная
68.01%
Ива белая
68.58%
Вяз приземистый
69.15%
Осина (тополь дрожащий)
69.72%
Береза повислая
70.29%
Клен остролистный
70.29%
Лиственница сибирская
71.44%
Ель колючая
71.44%
Сосна обыкновенная
74.87%

6.

Методы определения породного состава леса
Наземная таксация
• датчики
• НЛС
• работники лесного хозяйства
ДЗЗ
• лазерное сканирование
• аэрофотограмметрия
• спутники
Лазерное сканирование
• флуоресцентный метод
• регистрация отраженного лазерного
излучения

7.

Понятие индекса вегетации
R λ1 , λ2
A λ1
=
A λ2
R λ1 , λ2 ≥ R пор λ1 , λ2
൝
R λ1 , λ2 < R пор λ1 , λ2
для лиственных пород
для хвойных пород

8.

Обоснование выбора длин волн
Спектральные коэффициенты
отражения деревьев
Спектральная зависимость
прозрачности
земной атмосферы

9.

Обоснование выбора длин волн
Авторами работы [7] показано, что
наиболее подходящими для задачи
обнаружения участков леса с
преобладанием лиственных или хвойных
пород деревьев наилучшей является пара
длин волн 1,54 и 0,532 мкм, при этом
вероятность правильного обнаружения
составляет приблизительно 99%, а
вероятность ложных тревог
приблизительно 4%

10.

Информационный индекс R(1,54 и 0,532 мкм)
[7].
Информационный индекс R(1,54 и 0,355 мкм)
[7].
Информационный индекс R(0,85 и 0,532 мкм)
[7].

11.

Структурная схема двухволнового лидара

12.

1570
Centurion (532) и Centurion (1570)
компании Quantel Laser
Длина волны
532
Выбор источников и приемников излучения
Активная среда
Nd-
Nd-
YAG
YAG
Накачка
доид.
диод.
Режим работы
имп.
имп.
Длина волны излучения, нм
532
1570
Энергия импульса излучения, мДж
25
10
Длит. имп. по уровню 0,5, нс
12
6
Частота повторения импульсов, Гц
100
100
В
142
142
Ш
154
154
Г
277
277
0.4
0.4
Габариты, мм
Масса, кг

13.

Выбор приемников излучения
Спектр
Диапазон, нм
900 − 1650
530
чувствительности
Максимум, нм
1550
7.7
Спектральная чувствительность, А/Вт
1.1
Спектр
Диапазон, нм
185 − 830
чувствительности
Максимум, нм
Спектральная чувствительность, А/Вт
ФЭУ R6358
фирмы Hamamatsu
ЛФД G12180-250A
фирмы Hamamatsu

14.

Влияние атмосферы на лазерное излучение
На высоте 500 метров, с которой
производится зондирование,
значительный вклад в распространение
излучения вносится аэрозолем:
мелкими частицами во взвешенном
состоянии, такими как пары воды и
кристаллы льда, которые могут
собираться в дымку или туман.

15.

Аэрозольное рассеяние
T - вертикальная прозрачность земной атмосферы (λ0 = 0.555 мкм)
Sk - метрологическая дальность видимости.
Оптическая толща:
τ H = 0, λ0
Показатель ослабления:
3,91
ϵ H = 0, λ0 =
Sk
Высотное распределение показателя ослабления на заданной высоте и длине
волны:
ϵ λ, H = η