LIDAR do wykrywania zagrożeń biologicznych

Transkrypt

1 LIDAR do wykrywania zagrożeń biologicznych LIDAR (Light Detection and Ranging) to technologia umożliwiająca zdalną detekcję za pomocą lasera. Metodologia pomiarów wykazuje analogię do techniki radarowej, jednakże w obu przypadkach stosowane jest promieniowanie elektromagnetyczne o znacząco innych długościach fali. Wykonany prototyp sytuuje się na 7 poziomie gotowości technologicznej (TRL). Platforma zapewnia możliwości detekcji i klasyfikacji wykrywanych bio-aerozoli w odległości dochodzącej do kilku kilometrów. System został zaprojektowany również do bezobsługowej pracy w trybie automatycznego skanowania zadanego sektora przestrzeni. Aktualna wersja systemu bazuje na dwóch laserach UV, wielokanałowym torze detekcji fluorescencji oraz dwukanałowym torze rozproszeniowym (badanie stanu polaryzacji). PARAMETRY TECHNICZNE Maksymalny zasięg detekcji 10 km Maksymalny zasięg klasyfikacji 4 km Emitowane długości fali 266 nm, 355 nm Rozbieżność wiązki ~ 2 mrad Repetycja (emisji impulsów laserowych) 20 Hz Średnica teleskopu 250 mm Ilość kanałów fluorescencyjnych 28 Rozdzielczość spektralna 2 20 nm/kanał (regulowana) Ilość kanałów rozproszeniowych 2 (detekcja depolaryzacji) Masa 150 kg Gabaryty 0.7 m / 1 m / 1.75 m Pobór mocy 150 W

2 KILKA FAKTÓW Doprowadzenie lidaru biologicznego do aktualnego kształtu wiąże się z kilkuletnim procesem badawczym i projektowym, skutkującym wieloetapową ewolucją urządzenia. Pierwsze testy praktyczne odbyły się na terenie strzelnicy Wojskowej Akademii Technicznej. Polegały one na weryfikacji możliwości zdalnej detekcji cząstek biologicznych w warunkach terenowych. Skoncentrowano się na detekcji obecności oraz określaniu charakterystyki widmowej sygnału emisji fluorescencji aerozoli pochodzenia biologicznego generowanych wewnątrz skonstruowanej na potrzeby eksperymentu komory. Komora ta została wyposażona w system kurtyn powietrznych zapobiegających wydostawaniu się generowanych bioaerozoli na zewnątrz. Stężenie generowanych bioaerozoli wewnątrz komory monitorowane było za pomocą systemów pomiarowych in-situ. Pierwsze testy terenowe na strzelnicy WAT (2010). Lidar w celu zapewnienia mobilności, zainstalowano w samochodzie Ford Transit. Charakterystyka terenowa obiektów strzelnicy WAT, gdzie prowadzono badania, umożliwiła usytuowanie lidara w zakresie odległości do 500 m od komory. Testy prowadzono w ciągu trzech dni, zarówno w warunkach dziennych (zróżnicowane parametry pogodowe), jak i nocnych. W trakcie realizacji eksperymentów przeprowadzono w sumie 45 emisji bioaerozoli charakteryzujących się odmienną kompozycją oraz szerokim zakresem wartości koncentracji. Podstawowymi składnikami generowanych bioarozoli były bakterie i przetrwalniki BG (Bacillus Globigii), EH (Erwinia Herbicola) w postaci suchej oraz w roztworach, a także pożywka bakteryjna zapewniająca znaczne wartości przekroju czynnego na fluorescencję. System zgodnie z oczekiwaniami zapewniał możliwości skutecznej detekcji obecności aerozoli na podstawie rejestrowanego sygnału rozproszenia elastycznego, a także umożliwiał potwierdzenie ich biologicznego charakteru na bazie rejestrowanego sygnału fluorescencji. Dodatkowo, zastosowanie wielokanałowej metody detekcji umożliwiało nie tylko skuteczne

3 funkcjonowanie systemu w warunkach dziennych podczas silnego nasłonecznienia, ale również rejestrację kształtu sygnatury widmowej fluorescencji badanego bioaerozolu. Kolejna próba terenowa funkcjonowania systemu lidarowego średniego zasięgu polegała na weryfikacji możliwości wykrywania aerozoli pochodzenia biologicznego uwalnianego w ramach realizacji określonego scenariusza związanego ze skażeniem biologicznym samolotu pasażerskiego. Scenariusz ten opisywał sytuację, w której samolot podejrzany o występujące w nim skażenie biologiczne wylądował na płycie lotniska, po czym wymagany był zdalny pomiar weryfikujący w sposób jednoznaczny zaistniałą sytuację. W tym celu uchylone zostały drzwi samolotu, a wydobywający się z nich strumień powietrza sondowany był zdalnie za pośrednictwem systemu lidarowego w celu wykrycia obecności cząstek biologicznych, określenia ich stężenia oraz sygnatury widmowej emisji fluorescencji, a tym samym przynależności do określonej grupy związków biologicznych. System lidarowy umieszczony został w odległości 150 m od samolotu, w którym uchylono płytę tylną struktury kadłuba, a wewnątrz emitowano w określonych reżimach czasowych bioaerozol skomponowany ze związków biologicznych analogicznych do tych, które zostały zastosowane w ramach prób polowych wykonywanych na obiektach Wojskowej Akademii Technicznej. Testy prowadzono w warunkach dziennych w czasie silnego nasłonecznienia, co należy podkreślić, stanowi czynnik utrudniający w odniesieniu do omawianej metody teledetekcji. Mimo to system lidarowy wykazał się pełną funkcjonalnością w zakresie możliwości zdalnej detekcji aerozoli o charakterze biologicznym. W ramach realizacji eksperymentu przeprowadzono w sumie 12 emisji aerozoli. Fotografia wykonana podczas eksperymentów prowadzonych na płycie Wojskowego Portu Lotniczego przy lotnisku im. Fryderyka Chopina w Warszawie (2011). Lidar biologiczny (jak również jego zminiaturyzowana krótko zasięgowa wersja) zostały włączone w struktury zabezpieczenia Mistrzostw Europy w Piłce Nożnej EURO 2012, pod kątem wczesnego wykrywania zagrożeń biologicznych i chemicznych w powietrzu. Oba lidary zostały umieszczone na dużej wysokości w jednym z pomieszczeń Pałacu Kultury i Nauki i stamtąd prowadzony był monitoring atmosfery nad Strefą Kibica (zlokalizowanej w otoczeniu PKiN) oraz nad Stadionem Narodowym (odpowiednio przez lidar krótkiego i średniego zasięgu).

4 Zabezpieczanie EURO Prace nad zdalnymi systemami detekcji substancji biologicznych prowadzi kilkanaście zespołów naukowych na całym świecie, jednakże ich poziom gotowości nie pozwolił do tej pory na wdrożenie do rodzimych wojsk. Sytuacja taka ma również miejsce z Stanach Zjednoczonych, gdzie zaangażowanie finansowe w tym obszarze było zdecydowanie największe. Pozytywne wyniki uzyskiwane przez przedstawiony system lidarowy skłoniły przedstawicieli USA do zaproszenia, w którym zobowiązano się do bezpłatnego udostępnienia profesjonalnego poligonu doświadczalnego - Dugway Proving Ground, gdzie od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania nad bronią chemiczną i biologiczną. Poligon ten umieszczony jest na pustyni, w bezludnych rejonach stanu Utah, co pozwala na prowadzenie badań w otwartej atmosferze. Niemniej jednak poligon dysponuje również komorami (lub bardziej poprawnie - tunelami), w których w sposób kontrolowany pod względem koncentracji i jednorodności generować można badane aerozole biologiczne, czy też chemiczne. Testy w USA prowadzone były w roku 2013 oraz 2015.

5 Komory, w których generowane były aerozole chemiczne i biologiczne (Dugway Proving Ground, USA) W czasie prób lidar sytuowany był w dużej odległości od komór, skąd prowadzono pomiary zdalne, które następnie korelowano z precyzyjnymi odczytami rejestrowanymi wewnątrz komory, za pomocą urządzeń APS (ang. Aerosol Particle Sampler). Pozwoliło to na weryfikację rzeczywistej czułości urządzenia, a także zbudowanie bazy danych sygnatur widmowych fluorescencji. Podczas badań wykorzystano szereg symulantów broni chemicznej i biologicznej. Wyniki okazały się zadawalające, zwłaszcza w aspekcie czułości systemu. Lidar wykazał zdolność wykrycia zaledwie 0.01 g typowego symulantu broni biologicznej (EH) z odległości 1.2 km (1 łyżeczka proszku to ok. 5 g). Wielokanałowy system detekcji okazał się również kluczem do zapewnienia możliwości klasyfikacji wykrywanych związków. Na kolejnym zdjęciu wyniki opracowane przez zespół ekspertów z USA na podstawie danych pomiarowych uzyskanych w trakcie testów.

6

7 Poligon Daugway Proving Ground zapewnia unikatowe w skali światowej możliwości badań systemów do detekcji skażeń chemicznych i biologicznych. Poniżej kilka fotografii z pobytu na tym terenie.

8

9

10

11

12

13