PL B1. Urządzenie do zdalnego laserowego określania parametrów fizykogeometrycznych antropogenicznych form ukształtowania terenu

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01B 11/24 ( ) G01C 11/00 ( ) G01S 17/88 ( ) (54) Urządzenie do zdalnego laserowego określania parametrów fizykogeometrycznych antropogenicznych form ukształtowania terenu (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 04/17 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 12/17 (73) Uprawniony z patentu: GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA, Katowice, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ZBIGNIEW MOTYKA, Katowice, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Magdalena Filipek-Marzec PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do zdalnego laserowego określania parametrów fizyko-geometrycznych antropogenicznych form ukształtowania terenu, zwłaszcza składowisk górniczych. Istnieje rosnąca potrzeba taniego, regularnego określania zmiennych parametrów fizykogeometrycznych wysypisk i składowisk górniczych zarówno materiałów wydobywanych jak i eksploatacyjnych (podsadzkowych), osiadania niecek oraz zlewni na terenach aktualnej i przeszłej eksploatacji górniczej. Ze względu na bezpieczeństwo, kluczowe znaczenie ma znajomość rozwijających się w czasie, dynamicznych zmian nachylenia jak i deformacji skarp, zarówno wysypisk, otwartych składowisk materiałów sypkich, jak i obniżeń terenów wywołanych eksploatacją górniczą, prowadzących do zagrożeń infrastruktury powierzchniowej i zmian środowiskowych, na przykład zmian stosunków wodnych, zmian krajobrazowych, powstawania obszarów zalewowych. Ważna jest tu dodatkowo znajomość emisji gazów cieplarnianych z wysypisk komunalnych i hałd górniczych, dla których dynamiczne zmiany ich geometrii, z jednej strony sprzyjają zwiększaniu takich emisji, a z drugiej zapadliska i obniżenia w ich obrębie mogą być konsekwencją takich emisji w efekcie procesów fizykochemicznych zachodzących w ich wnętrzu. Dotychczas określanie rzeczywistych parametrów antropogenicznych form ukształtowania powierzchni ziemi realizowane jest dokładnymi, ale kosztownymi metodami niwelacji geodezyjnej z wykorzystaniem statycznych bądź dynamicznych modeli geodezyjnej sieci pomiarowo-kontrolnej do oceny procesu osiadania powierzchni terenów, czy też mniej dokładnymi (steroskopowymi metodami fotogrametrycznymi z powietrza (zdjęcia lotnicze), czy nawet metodami interferometrycznymi (Synthethic Aperture Radar) na podstawie pomiarów satelitarnych. Metody satelitarnej i lotniczej spektroskopii są stosowane także do wyznaczania innych parametrów fizycznych, takich jak poziom emisji gazów cieplarnianych z wysypisk komunalnych i hałd górniczych. Parametry takie alternatywnie wyznaczane są z wykorzystaniem ręcznych bądź stacjonarnych mierników gazów. Lotnicze badanie deformacji powierzchni terenu wspomagane GPS prowadzone skanerem laserowym z układem detekcji i analizy oraz układem optycznym, układem rejestratora i transmisji danych polega na wyemitowaniu wiązki światła koherentnego, która odbija się od badanego terenu i powraca do urządzenia. W wyniku tego uzyskuje się informację o czasie przebiegu wiązki tam i z powrotem oraz o kątach poziomym i pionowym do terenu względem skanera. Zasada działania naziemnego skanera laserowego opiera się na rejestracji dużej liczby punktów (od 1000 do 5000 w ciągu sekundy), które określa się chmurą punktów. Chmura punktów stanowi rodzaj dokumentacji przestrzennej, do której można w każdej chwili wrócić, aby wykonać dodatkowe pomiary, analizy lub odtworzyć stan z dnia dokonania skanu. W procesie przetwarzania danych, pomierzone punkty mogą być także użyte do opracowania przekrojów, rzutów, rysunków wektorowych. W wyniku pomiaru otrzymujemy dyskretne odwzorowanie dostępnych laserowo powierzchni w otaczającej przestrzeni reprezentowanych przez punkty, z których każdy ma określone współrzędne x, y, z. Istotą wynalazku jest urządzenie do jednoczesnego skanowania geometrii badanego terenu i skanowania stężenia gazu nad tym terenem. Urządzenie do zdalnego laserowego określania parametrów fizyko-geometrycznych antropogenicznych form ukształtowania terenu, według wynalazku, posiada ruchomą platformę latającą, na której osadzony jest układ nadawczy, który ma obok wirującego lustra obrotowego i lasera do skanowania geometrii badanego terenu również laser do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem, a także układ detekcji i analizy. Układ detekcji i analizy oraz wirujące lustro obrotowe są wspólne dla lasera do skanowania geometrii badanego terenu i dla lasera do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem. Ponadto, urządzenie ma na tej samej ruchomej platformie latającej układ inercyjny z GPS, układ rejestratora i/lub transmisji danych oraz układ fotogrametrii. W odmianie tego wynalazku, wirujące lustro obrotowe jest półprzepuszczalne, a lasery układu nadawczego znajdują się po tej samej stronie wirującego półprzepuszczalnego lustra obrotowego. Pomiędzy tym lustrem obrotowym, a laserem do skanowania geometrii terenu osadzone jest nieruchome, półprzepuszczalne lustro, natomiast pomiędzy tym nieruchomym, półprzepuszczalnym lustrem, a laserem do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem w odmianie tej znajduje się nieruchome lustro odbijające. Nieruchome, półprzepuszczalne lustro i nieruchome lustro odbijające są tak ustawione, aby modulowana wiązka laserowa emitowana z lasera do skanowania geometrii badanego terenu przechodziła przez nieruchome półprzepuszczalne lustro i padała na wirujące półprzepuszczalne lustro obrotowe, natomiast wiązka laserowa emitowana z lasera do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem, odbita od

3 PL B1 3 nieruchomego lustra odbijającego padała na nieruchome półprzepuszczalne lustro, a z niego na wirujące półprzepuszczalne lustro obrotowe. W kolejnej odmianie urządzenia, wirujące lustro obrotowe jest półprzepuszczalne i znajduje się pomiędzy laserem do skanowania geometrii badanego terenu i laserem do skanowania stężenia gazu nad tym terenem. W ostatniej odmianie, wirujące lustro obrotowe jest nieprzepuszczalne i znajduje się pomiędzy laserem do skanowania geometrii badanego terenu i laserem do skanowania stężenia gazu nad tym terenem, natomiast soczewka układu detekcji z detektorem podwójnym selektywnie rozróżniającym światło obu długości fali wiązek laserowych znajduje się obok nieprzepuszczalnego, wirującego lustra obrotowego tak usytuowanego, aby nie zasłaniało ono tej soczewki. Wynalazki w przedstawionych wersjach zdecydowanie obniżają koszt określania zmieniających się parametrów fizyko-geometrycznych, zwłaszcza wysypisk i składowisk górniczych, obniżeń terenów wywołanych eksploatacją górniczą oraz innych form ukształtowania terenu, a co szczególnie istotne, pozwalają jednocześnie na określanie emisji gazów cieplarnianych z wysypisk. Odmiany urządzeń stanowią równorzędne rozwiązania, których zastosowanie może zależeć, na przykład od wielkości dostępnego miejsca na montaż zespołów na ruchomej platformie nadziemnej. Pierwszy wynalazek ma dwa oddzielne układy nadawcze i dwa oddzielne układy detekcji i dlatego jest kosztowniejszy od drugiego wynalazku z odmianami. Przedstawione wersje urządzeń są w pełni wystarczające do zastosowań lokalnych, eliminując drogie metody satelitarne i lotnicze. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia ze wspólnym układem nadawczym i odbiorczym, fig. 2 schemat urządzenia ze wspólnym układem nadawczym i odbiorczym, w którym lasery do skanowania geometrii terenu i stężenia gazu nad tym terenem znajdują się po jednej stronie wirującego lustra obrotowego, fig. 3 schemat urządzenia ze wspólnym układem nadawczym i odbiorczym, w którym lasery znajdują się po przeciwnych stronach wirującego lustra obrotowego, a fig. 4 schemat urządzenia ze wspólnym układem nadawczym oraz wspólnym układem detekcji i analizy zawierającym soczewkę usytuowaną obok nieprzepuszczalnego lustra obrotowego. P r z y k ł a d I Urządzenie posiada ruchomą platformę latającą w postaci drona, na którym znajdują się: skaner 1.0 laserowy do skanowania geometrii badanego terenu i laserowy skaningowy detektor 2.0 gazu do skanowania stężenia gazu nad tym terenem, każdy z oddzielnym układem detekcji i analizy oraz oddzielnym układem nadawczym zawierającym laser i układ optyczny z wirującym lustrem obrotowym, układ 3 inercyjny z GPS, układ 4 rejestratora i/lub transmisji danych oraz układ 5 do fotogrametrii. Platformę może również stanowić, na przykład, balon, sterowiec. Po uruchomieniu napędu i sterowania ruchomej platformy nadziemnej w postaci drona wznosi się ona w powietrze wraz z całą resztą urządzenia, z włączonymi systemami pomiarowymi, analizującymi i rejestrującymi/teletransmisyjnymi. W trakcie przemieszczania się platformy latającej w powietrzu, układ 3 inercyjny z GPS określa jej zmienne położenie nad badanym terenem 6, to jest określa współrzędne przestrzenne w przestrzennym układzie współrzędnych odniesienia wraz z chwilowym wektorem kierunku lotu oraz chwilowymi kierunkami trzech głównych ortogonalnych osi platformy latającej w przestrzeni. Jednocześnie, w tej samej chwili, mierzone są inne parametry przy udziale skanera laserowego 1.0 i laserowego skaningowego detektora 2.0 gazu. Skaner laserowy 1.0 omiata badany teren 6 wiązką laserową 7, której promienie nie są pochłaniane przez gaz znajdujący się nad badanym terenem 6, wzdłuż linii 8 będącej krzywą leżącą na powierzchni tego terenu 6, mierząc odległość od skanera laserowego 1.0 do punktów terenu 6 wzdłuż tej krzywej 8 z wystarczająco dużym zagęszczeniem, to jest co kilka centymetrów. Promienie wiązki laserowej 7 skanując geometrię terenu 6 wzdłuż dostatecznie wielu, dla uzyskania zadowalającego obrazu pełnej geometrii terenu 6, takich sąsiednich i przecinających się krzywych linii 8 tworzą w efekcie chmurę punktów nieznacznie oddalonych od siebie (w praktyce co kilka cm) reprezentującą ukształtowanie terenu 6. Dla każdego punktu z chmury punktów mierzona jest przez skaner laserowy 1.0 również jego jasność. W tej chmurze punktów wyróżnione są jaśniejsze punkty w miejscach osadzenia stałych reperów 9 z podaniem ich numerów. Pozwala to, przy powtórzeniu wymienionych badań geometrii terenu 6, po upływie przyjętego czasu, na określenie zmian (z dokładnością zależną od liczby N takich wprowadzonych reperów i równomierności ich rozmieszczenia) parametrów odkształceń powierzchni tego terenu 6, wynikających z wyznaczonych różnic odległości naniesionych reperów 9 pokrytych folią lub farbą odblaskową, co umożliwia ustalenie charakteru i gradientu zmian ukształtowania terenu 6, takich jak pełzanie gruntu, osuwiska, powstawanie zapadlisk i niecek terenu 6. Laserowy skaningowy detektor 2.0 gazu omia-

4 4 PL B1 ta natomiast badany teren 6 wiązką laserową 10, której promienie są częściowo pochłaniane przez badany gaz, wzdłuż linii 11, która to wiązka 10 skanuje stężenie gazu, na przykład metanu, nad tym terenem 6, każdorazowo jako średnie jego stężenie na odcinku łączącym punkt terenu 6 ze skaningowym detektorem 2.0 gazu. Promienie wiązek laserowych 7, 10 częściowo odbite od terenu 6 wracają odpowiednio do układów detekcji i analizy skanera laserowego 1.0 i skaningowego detektora 2.0 gazu. Układ do fotogrametrii 5 wykonuje natomiast zdjęcia poklatkowe lub film terenu 6. Dane uzyskane: przez skaner laserowy 1.0, dotyczące geometrii terenu 6, przez laserowy skaningowy detektor 2.0 gazu, dotyczące stężenia badanego gazu nad tym terenem 6, przez układ 3 inercyjny z GPS, dotyczące orientacji i położenia nad badanym terenem 6 oraz zdjęcia poklatkowe lub film terenu 6 wykonane przez układ 5 do fotogrametrii, są przekazywane do układu 4 rejestratora i/lub transmisji danych. W układzie 4 rejestratora i/lub transmisji danych, w sposób zsynchronizowany w czasie, zapisywane są uzyskane dane i/lub są one przesyłane do rejestratora naziemnego celem dalszego ich przetwarzania do oczekiwanej postaci w celu wyznaczenia kształtu terenu 6 i przestrzennego rozkładu stężenia badanego gazu nad tym terenem 6 w ujęciu wektorowym, pozwalającym na uzyskiwanie różnych rzutów, przekrojów, map przestrzennych i ich wizualizacji, z uwzględnieniem elementów tensora deformacji terenu 6, w tym gradientów zmian ukształtowania terenu przy pomiarach powtarzanych w przyjętych odstępach czasu. P r z y k ł a d II Urządzenie posiada ruchomą platformę latającą, na przykład w postaci drona, balonu, sterowca, na którym znajdują się: dwuwiązkowy układ 1 nadawczy wiązek laserowych 7, 10, układ 2 detekcji i analizy stanowiący wspólny układ odbioru tych wiązek 7, 10, układ 3 inercyjny z GPS, układ 4 rejestratora i/lub transmisji danych oraz układ 5 do fotogrametrii. Dwuwiązkowy układ 1 nadawczy składa się z lasera 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 emitującego modulowaną wiązkę laserową 7 o długości fali nie pochłanianej przez badany gaz, lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem 6 emitującego wiązkę laserową 10, której promienie mają tę własność, że są częściowo pochłaniane przez badany gaz i wspólnego dla obu laserów 1.1 i 1.2 wirującego półprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego. Układ 2 detekcji i analizy stanowiący układ odbiorczy składa się z soczewki 13, umieszczonych za nią selektywnych detektorów 14 i analizatora 15 sygnału. Po uruchomieniu napędu i sterowania ruchomej platformy nadziemnej, w postaci drona, wznosi się ona w powietrze wraz z całą resztą urządzenia, z włączonymi systemami pomiarowymi, rejestrującymi i analizującymi. W trakcie przemieszczania się platformy nadziemnej w powietrzu, układ 3 inercyjny z GPS określa jej zmienne położenie nad badanym terenem 6, to jest określa współrzędne w przestrzennym układzie współrzędnych odniesienia wraz z chwilowym wektorem kierunku lotu oraz chwilowymi kierunkami trzech głównych ortogonalnych osi platformy latającej w przestrzeni. Jednocześnie, w tej samej chwili, mierzone są inne parametry, przy udziale lasera 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 i lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu nad tym badanym terenem 6. Ich wiązki laserowe 7, 10 sprzęgane są optycznie na wirującym półprzepuszczalnym lustrze 12 obrotowym. Stamtąd padając na badany teren 6 omiatają go współliniowymi promieniami wiązki laserowej 7 lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6 i wiązki laserowej 10 lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu, wzdłuż linii 16 biegnącej po powierzchni terenu 6 z naniesionymi na nim stałymi reperami 9 pokrytymi folią lub farbą odblaskową. Omiatające promienie wiązki laserowej 7 skanują geometrię terenu 6 tworząc chmurę punktów reprezentujących ukształtowanie terenu 6. Repery 9 oznaczane numerami określają jaśniejsze punkty terenu 6 umożliwiając, po upływie przyjętego czasu, przy powtórzeniu wymienionych badań geometrii terenu 6, na sprawdzenie zmian geometrii tego terenu 6, wynikających z różnicy uzyskanych odległości naniesionych reperów 9 pokrytych folią lub farbą odblaskową. Pozwala to na ustalenie charakteru i gradientu zmian ukształtowania terenu 6. Omiatająca, wzdłuż linii 16, wiązka laserowa 10 z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu, której promienie są częściowo pochłaniane przez badany gaz, skanuje stężenie gazu nad badanym terenem 6 każdorazowo jako średnie jego stężenie na odcinku łączącym punkt terenu 6 z układem 2 detekcji i analizy. Następnie część wiązek laserowych 7, 10 odbitych od terenu 6 wraca tymi samymi drogami, poprzez wirujące półprzepuszczalne lustro 12 obrotowe, na soczewkę 13 układu 2 detekcji i analizy zbierającą promienie tych wiązek laserowych 7, 10 na detektorach 14 umieszczonych za tą soczewką 13. Detektory 14 selektywnie rejestrują amplitudy obu wiązek laserowych 7, 10 i przesunięcie fazowe powracającej wiązki laserowej 7 wyemitowanej z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6. Z detektorów 14, układu 2 detekcji i analizy, sygnały niosące informację o wiązkach laserowych 7, 10 wędrują do analizatora 15 sygnałów tego układu 2. W nim amplituda wiązki laserowej 7 z lasera 1.1 do skanowania

5 PL B1 5 geometrii terenu 6, porównywana jest z amplitudą powracającej wiązki laserowej 10 wyemitowanej z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu. Analizator 15 sygnałów, w oparciu o przesunięcie fazowe wiązki laserowej 7 wyemitowanej z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6 wyznacza odległość do każdego punktu na linii 16 tego terenu 6 oraz średnie stężenie gazu nad każdą taką linią 16, na podstawie różnicy amplitud obu wiązek laserowych 7, 10 powracających, w przeliczeniu na wyznaczoną równolegle odległość do danego punktu na takiej linii 16. Następnie, dane z analizatora 15 sygnałów układu 2 detekcji i analizy wędrują do układu 4 rejestratora i/lub transmisji danych. W układzie 4 rejestratora i/lub transmisji danych jednocześnie, w sposób zsynchronizowany w czasie, zapisywane są dane o położeniu i orientacji urządzenia w przestrzeni, uzyskiwane z układu 3 inercyjnego z GPS, a także zdjęcia poklatkowe terenu lub film z układu 5 do fotogrametrii. Na podstawie tych zapisów realizowane są dalsze etapy przetwarzania danych. W przykładzie, badanym gazem jest metan. P r z y k ł a d III Urządzenie posiada ruchomą platformę latającą, na przykład w postaci drona, balonu, sterowca, na którym znajdują się: dwuwiązkowy układ 1 nadawczy wiązek laserowych 7, 10, układ 2 detekcji i analizy stanowiący wspólny układ odbioru tych wiązek 7, 10, układ 3 inercyjny z GPS, układ 4 rejestratora i/lub transmisji danych oraz układ 5 do fotogrametrii. Dwuwiązkowy układ 1 nadawczy składa się z lasera 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 emitującego modulowaną wiązkę laserową 7 o długości fali nie pochłanianej przez badany gaz, lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem 6 emitującego wiązkę laserową 10, której promienie mają tę własność, że są częściowo pochłaniane przez badany gaz, nieruchomego półprzepuszczalnego lustra 17, nieruchomego lustra 18 odbijającego i wirującego półprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego do kierowania wiązek laserowych 7, 10 w stronę terenu 6. Nieruchome lustra 17 i 18 są tak ustawione, aby modulowana wiązka laserowa 7, emitowana z lasera 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 przechodziła przez nieruchome półprzepuszczalne lustro 17 i padała na wirujące półprzepuszczalne lustro 12 obrotowe, natomiast wiązka laserowa 10 emitowana z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu, odbita od nieruchomego lustra 18 odbijającego padała na nieruchome półprzepuszczalne lustro 17, a z niego na wirujące półprzepuszczalne lustro 12 obrotowe. Układ 2 detekcji i analizy stanowiący układ odbiorczy składa się z soczewki 13, umieszczonych za nią selektywnych detektorów 14 i analizatora 15 sygnału. Po uruchomieniu napędu i sterowania ruchomej platformy nadziemnej, w postaci drona, wznosi ona w powietrze całe urządzenie z włączonymi systemami pomiarowymi, rejestrującymi i analizującymi. W trakcie przemieszczania się platformy nadziemnej w powietrzu, układ 3 inercyjny z GPS określa jej zmienne położenie nad badanym terenem 6, to jest określa współrzędne w układzie przestrzennych współrzędnych odniesienia wraz z chwilowym wektorem kierunku lotu oraz chwilowymi kierunkami trzech głównych ortogonalnych osi platformy nadziemnej w przestrzeni. Jednocześnie, w tej samej chwili, mierzone są inne parametry, przy udziale lasera 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 i lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu nad tym badanym terenem 6. Ich wiązki laserowe 7, 10, kierowane poprzez nieruchome lustra 17, 18, sprzęgane są optycznie na wirującym półprzepuszczalnym lustrze 12 obrotowym. Stamtąd padając na badany teren 6 omiatają go współliniowymi promieniami, to znaczy wiązki laserowej 7 lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6 i wiązki laserowej 10 lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu, wzdłuż linii 16 biegnącej po powierzchni terenu 6 z naniesionymi na niej stałymi reperami 9 pokrytymi folią lub farbą odblaskową. Omiatające promienie wiązki laserowej 7 skanują geometrię terenu 6 tworząc chmurę punktów reprezentujących ukształtowanie terenu 6. Repery 9 oznaczane numerami określają jaśniejsze punkty terenu 6 umożliwiając, po upływie przyjętego czasu, przy powtórzeniu badań geometrii terenu 6, na sprawdzenie zmian geometrii tego terenu 6, wynikających z różnicy uzyskanych odległości naniesionych reperów 9, na przykład pokrytych folią lub farbą odblaskową. Pozwala to na ustalenie charakteru i gradientu zmian ukształtowania terenu 6. Omiatająca wzdłuż linii 16 wiązka laserowa 10 z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu, której promienie są częściowo pochłaniane przez badany gaz, skanuje stężenie gazu nad terenem 6 każdorazowo jako średnie jego stężenie na odcinku łączącym punkt terenu 6 z układem 2 detekcji i analizy. Następnie część wiązek laserowych 7, 10 odbitych od badanego terenu 6 wraca tymi samymi drogami na wirujące półprzepuszczalne lustro 12 obrotowe, a z niego pada na soczewkę 13 układu 2 detekcji i analizy zbierającą promienie tych wiązek laserowych 7, 10 na detektorach 14 umieszczonych za tą soczewką 13. Detektory 14 selektywnie rejestrują amplitudy obu wiązek laserowych 7, 10 i przesunięcie fazowe powracającej wiązki laserowej 7 wyemitowanej z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6. Z detektorów 14 układu 2 detekcji i analizy sygnały niosące informację o wiązkach laserowych 7, 10 wędrują do analizatora 15 sygnałów. W nim amplituda wiązki laserowej 7

6 6 PL B1 z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6, której promienie nie są pochłaniane przez badany gaz, porównywana jest z amplitudą powracającej wiązki laserowej 10 wyemitowanej z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu. Analizator 15 sygnałów, w oparciu o przesunięcie fazowe wiązki laserowej 7 wyemitowanej z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6 wyznacza odległość do każdego punktu na linii 16, a w oparciu o względną wielkość osłabienia wiązki laserowej 10 średnie stężenie gazu nad odpowiednimi punktami linii 16, również na podstawie różnicy amplitud obu wiązek laserowych 7, 10 powracających, w przeliczeniu na wyznaczoną równolegle odległość do danego punktu na takiej linii 16. Następnie, dane z analizatora 15 sygnałów układu 2 detekcji i analizy wędrują do układu 4 rejestratora i/lub transmisji danych. W układzie 4 rejestratora i/lub transmisji danych jednocześnie, w sposób zsynchronizowany w czasie, zapisywane są, obok tak uzyskanych danych, także dane o położeniu i orientacji urządzenia w przestrzeni, uzyskiwane z układu 3 inercyjnego z GPS, a także zdjęcia poklatkowe terenu lub film z układu 5 do fotogrametrii. Na podstawie tych zapisów realizowane są dalsze etapy przetwarzania danych. W przykładzie, badanym gazem jest metan. P r z y k ł a d IV Urządzenie posiada ruchomą platformę latającą, na przykład w postaci drona, balonu, sterowca, na którym znajdują się: układ nadawczy 1 obejmujący laser 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 emitujący modulowaną wiązkę laserową 7 o długości fali nie pochłanianej przez badany gaz, laser 1.2 do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem 6 emitujący wiązkę laserową 10, której promienie mają tę własność, że są częściowo pochłaniane przez badany gaz, oraz wirujące półprzepuszczalne lustro 12 obrotowe, na które z jednej strony kierowana jest modulowana wiązka laserowa 7 z lasera 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 i z przeciwnej strony wiązka laserowa 10 z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu, układ 2 detekcji i analizy obejmujący soczewkę 13 z umieszczonym za nią detektorem 14 podwójnym selektywnie rozróżniającym światło obu długości fali wiązek laserowych 7, 10, oraz analizator 15 sygnału, układ 3 inercyjny z GPS, układ 4 rejestratora i/lub transmisji danych, układ 5 do fotogrametrii. Po uruchomieniu napędu i sterowania ruchomej platformy latającej, w postaci drona, wznosi się ona w powietrze wraz z całą resztą urządzenia z włączonymi systemami pomiarowymi, rejestrującymi i analizującymi. W trakcie przemieszczania się platformy latającej w powietrzu, układ 3 inercyjny z GPS określa jej zmienne położenie nad badanym terenem 6, to jest określa współrzędne w przestrzennym układzie współrzędnych odniesienia wraz z chwilowym wektorem kierunku lotu oraz chwilowymi kierunkami trzech głównych ortogonalnych osi tej platformy nadziemnej w przestrzeni. Jednocześnie, w tej samej chwili, mierzone są inne parametry, naprzemiennie przy udziale lasera 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 i lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu. Ich wiązki laserowe 7, 10 w sposób naprzemienny sprzęgane są optycznie w dwuwiązkowym układzie nadawczym 1. Laser 1.2 do skanowania stężenia gazu emituje wiązkę laserową 10 padającą na wirujące półprzepuszczalne lustro 12 obrotowe w trakcie jednego jej półobrotu, częściowo odbijaną w kierunku powierzchni badanego terenu 6. W ten sposób taka wiązka laserowa 10 o typowej niewielkiej rozbieżności skanuje stężenie gazu nad badanym terenem 6 wzdłuż kolejnych linii prostych łączących układ nadawczy 1 z kolejnym punktem (o rozmiarach przekroju wiązki wyznaczonego jej przecięciem się z powierzchnią terenu, które to rozmiary nie powinny przekraczać średnicy kilku centymetrów) w ogólności krzywej linii 16 łączącej punkt X z punktem Y (określonymi w danej chwili na powierzchni terenu zasięgiem urządzenia w odniesieniu do charakterystyki pochłaniania użytego promieniowania laserowego przez taką powierzchnię, a także przyjętymi za graniczne rozmiarami przekroju wiązki uzyskanego na przecięciu z powierzchnią terenu, jak również w odniesieniu do rzeczywistego stężenia badanego gazu nad tą powierzchnią) na powierzchni terenu 6 w trakcie jednego półobrotu wirującego półprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego. Część promieniowania laserowego rozproszonego przez tę powierzchnię terenu 6 wraca tą samą drogą do wirującego, półprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego i jest przepuszczana w stronę soczewki 13 układu 2 detekcji i analizy zbierającej sygnały optyczne kierowane bezpośrednio lub za pomocą światłowodu na detektor 14 podwójny, selektywnie rozróżniający promieniowanie laserowe obu długości fali, tzn. z lasera 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 i z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu. Następnie sygnały (elektryczne) niosące informacje o wiązkach laserowych 7, 10 z detektorów 14 są kierowane do analizatora 15 sygnału. W tym samym czasie, promieniowanie wiązki laserowej 7 z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6 pada na drugą stronę lustra 12 i częściowo kierowane jest przez nie jako sygnał referencyjny (sygnał odniesienia) bezpośrednio do układu 2 detekcji i analizy. W drugiej połowie obrotu wirującego półprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego następuje skanowanie geometrii terenu 6. Laser 1.1 do ska-

7 PL B1 7 nowania geometrii terenu 6 emituje zmodulowaną wiązkę laserową 7 o typowej niewielkiej rozbieżności padającą na wirujące półprzepuszczalne lustro 12 obrotowe, które częściowo odbija ją w kierunku badanego terenu 6, w taki sposób, że wiązka laserowa 7 skanuje (przemiata) badany teren 6 od punktu X do punktu Y w trakcie drugiego półobrotu wirującego półprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego wzdłuż linii 16 biegnącej po powierzchni terenu 6 z naniesionymi na nim reperami 9, na przykład pokrytymi folią lub farbą odblaskową. Repery 9, odbierane przez układ 2 detekcji i analizy jako jaśniejsze punkty terenu 6 umożliwiają, po upływie przyjętego czasu, przy powtórzeniu wymienionych badań geometrii terenu 6, sprawdzenie zmian deformacji powierzchni tego terenu 6, wynikających z różnicy uzyskanych odległości naniesionych reperów 9. Część rozproszonego, częściowo odbitego przez powierzchnię terenu 6 światła laserowego wiązki laserowej 7 z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6 wraca tą samą drogą w kierunku wirującego półprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego. W tym samym czasie część wiązki laserowej 10 z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem 6 odbita przez drugą stronę lustra obrotowego 12 trafia jako sygnał referencyjny do układu 2 detekcji i analizy. W ten sposób światło laserowe obu wiązek o różnej długości fali z wirującego półprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego jest kierowane jednocześnie w stronę soczewki 13 układu 2 detekcji i analizy zbierającej oba sygnały optyczne (pomiarowy wiązki 7 odbitej od terenu i referencyjny wiązki laserowej 10) kierowane w stronę jej ogniska, bezpośrednio lub za pomocą światłowodu i dalej na detektor 14 podwójny selektywnie rozróżniający światło laserowe obu długości fal. Detektor 14 podwójny selektywnie rejestruje amplitudy obu wiązek laserowych 7, 10 i przesunięcie fazowe powracającej wiązki laserowej 7 wyemitowanej z lasera 1.1 do skanowania badanego terenu 6. Z detektora 14 podwójnego sygnały elektryczne niosące informacje o natężeniu promieniowania pochodzącego z odbitych wiązek 7, 10 wędrują do analizatora 15 sygnałów. W nim amplituda wiązki laserowej 7 z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6, której promienie nie są pochłaniane przez badany gaz, porównywana jest z amplitudą powracającej wiązki laserowej 10 wyemitowanej z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu. Analizator 15 sygnałów, w oparciu o przesunięcie fazowe wiązki laserowej 7 wyemitowanej z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6 wyznacza odległość do każdego punktu na linii 16 od punktu X do punktu Y oraz średnie stężenie gazu w obszarze nad odpowiednimi punktami każdej takiej linii 16, na podstawie różnicy amplitudy obu powracających wiązek 7, 10 w przeliczeniu na wyznaczoną różnicę amplitudy tych wiązek 7, 10 z uwzględnieniem obu sygnałów referencyjnych informujących o wahaniach mocy emitowanych wiązek w przypadku wykorzystania tanich laserów bez stabilizacji mocy. (W przypadku stabilnych laserów ta część analizy jest zbędna i z uwagi na dużą moc takich sygnałów referencyjnych w stosunku do pomiarowych korzystniejsze jest rozwiązanie z obrotowym lustrem odbijającym, co pozwala zwiększyć zasięg urządzenia). Następnie, dane z analizatora 15 sygnałów wędrują do układu 4 rejestratora i/lub transmisji danych. W układzie 4 rejestratora i/lub transmisji danych jednocześnie, w sposób zsynchronizowany w czasie, zapisywane są dane o położeniu i orientacji urządzenia w przestrzeni, uzyskiwane z układu 3 inercyjnego z GPS, a także zdjęcia poklatkowe terenu 6 lub film z układu do fotogrametrii 5. Promienie wiązki laserowej 10 z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu są w tym czasie kierowane jako sygnał referencyjny do układu 2 detekcji i analizy. Na podstawie tych zapisów realizowane jest dalsze przetwarzanie danych. W przykładzie, badanym gazem jest metan. P r z y k ł a d V Urządzenie posiada ruchomą platformę latającą, na przykład w postaci drona, balonu, sterowca, na którym znajdują się: układ nadawczy 1 z laserem 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 emitującym modulowaną wiązkę laserową 7 o długości fali nie pochłanianej przez badany gaz, laserem 1.2 do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem 6 emitującym wiązkę laserową 10, której promienie mają tę własność, że są częściowo pochłaniane przez badany gaz oraz wirujące nieprzepuszczalne lustro 12 obrotowe, na które z jednej strony kierowana jest modulowana wiązka laserowa 7 z lasera 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6, a z przeciwnej strony wiązka laserowa 10 z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu, układ 2 detekcji i analizy, układ 3 inercyjny z GPS, układ 4 rejestratora i/lub transmisji danych oraz układ 5 do fotogrametrii. Układ 2 detekcji i analizy (odbiorczy) ma soczewkę 13 z umieszczonym za nią detektorem 14 podwójnym selektywnie rozróżniającym światło obu długości fali wiązek laserowych 7, 10, znajdującą się obok nieprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego tak, aby nie zasłaniało ono tej soczewki 13, i analizator 15 sygnału. Po uruchomieniu napędu i sterowania ruchomej platformy latającej, w postaci drona, wznosi się ona w powietrze wraz z całą resztą urządzenia z włączonymi systemami pomiarowymi, rejestrującymi i analizującymi. W trakcie przemieszczania się platformy latającej w powietrzu, układ 3 inercyjny

8 8 PL B1 z GPS określa jej zmienne położenie nad badanym terenem 6 to jest określa współrzędne w przestrzennym układzie współrzędnych odniesienia wraz z chwilowym wektorem kierunku lotu oraz chwilowymi kierunkami trzech głównych ortogonalnych osi platformy latającej w przestrzeni. Jednocześnie, w tej samej chwili, mierzone są naprzemiennie inne parametry przy udziale lasera 1.1 do skanowania geometrii badanego terenu 6 i lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu nad tym terenem 6. Ich wiązki laserowe 7, 10 sprzęgane są optycznie w sposób naprzemienny w dwuwiązkowym układzie nadawczym 1 za pośrednictwem wspólnego lustra obrotowego 12. Laser 1.1 do skanowania geometrii terenu 6 emituje zmodulowaną wiązkę laserową 7 padającą na wirujące nieprzepuszczalne lustro 12 obrotowe, które praktycznie w całości odbija tę wiązkę laserową 7 w kierunku badanego terenu 6. Wiązka laserowa 7 skanuje (przemiata) badany teren 6 od punktu X do punktu Y w trakcie jednego półobrotu wirującego nieprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego wzdłuż linii 16 biegnącej po powierzchni terenu 6 z naniesionymi na nim reperami 9 pokrytymi folią lub farbą odblaskową. Repery 9, określone numerami, oznaczające jaśniejsze punkty terenu 6 umożliwiają, po upływie przyjętego czasu, przy powtórzeniu wymienionych badań geometrii terenu 6, sprawdzenie zmian geometrii tego terenu 6, wynikające z różnicy uzyskanych odległości naniesionych reperów 9. Część rozproszonego, odbitego od badanego terenu 6 światła laserowego w postaci wiązki laserowej 7 z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6 trafia na soczewkę 13 układu 2 detekcji i analizy zbierającej sygnały optyczne kierowane w stronę znajdującego się za nią detektora 14. Z detektora 14 sygnał elektryczny niosący informację o wiązce laserowej 7 wędruje do analizatora 15 sygnałów. Analizator 15 sygnałów, w oparciu o przesunięcie fazowe wiązki laserowej 7 wyemitowanej z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6, wyznacza odległość układu detekcji 2 i analizy do każdego punktu na linii 16 (prowadzącej od punktu X do punktu Y na powierzchni terenu 6). W tym samym czasie wiązka laserowa 10 z lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem 6 jest rozpraszana na górnej stronie wirującego nieprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego i niewielka jej część trafia na detektor 14 w charakterze wiązki odniesienia dla uwzględnienia fluktuacji mocy lasera 1.2 do skanowania stężenia gazu. W drugiej połowie obrotu wirującego nieprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego następuje skanowanie stężenia gazu nad badanym terenem 6. Laser 1.2 do skanowania stężenia gazu emituje wiązkę laserową 10 padającą na wirujące nieprzepuszczalne lustro 12 obrotowe w trakcie jednego jej półobrotu, która jest odbijana w kierunku powierzchni badanego terenu 6. Wiązka laserowa 10 skanuje stężenie gazu nad badanym terenem 6 od punktu X do punktu Y w trakcie wymienionego, jednego półobrotu wirującego nieprzepuszczalnego lustra 12 obrotowego. Część rozproszonej, odbitej od badanego terenu 6 wiązki laserowej 10 trafia na soczewkę 13 układu 2 detekcji i analizy zbierającej sygnały optyczne kierowane w stronę jej ogniska, a dalej na detektor 14, skąd odpowiedni sygnał elektryczny z informacją o wiązkach laserowych kierowany jest do analizatora 15 sygnału. W tym czasie wiązka laserowa z lasera 1.1 do skanowania geometrii terenu 6 rozpraszana jest na nieprzepuszczalnej, górnej stronie lustra 12 i niewielka jej część trafia na detektor 14 w charakterze wiązki odniesienia dla uwzględnienia fluktuacji mocy lasera 1.1. Następnie, dane z analizatora 15 sygnałów wędrują do układu 4 rejestratora lub transmisji danych. W układzie 4 rejestratora lub transmisji danych równolegle z tymi danymi, w sposób zsynchronizowany w czasie, zapisywane/transmitowane są dane o położeniu i orientacji urządzenia w przestrzeni, uzyskiwane z układu 3 inercyjnego z GPS, a także zdjęcia poklatkowe terenu 6 lub film z układu do fotogrametrii 5. Na podstawie tych zapisów realizowane jest dalsze przetwarzanie danych. W przykładzie, badanym gazem jest metanu. Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do zdalnego laserowego określania parametrów fizyko-geometrycznych antropogenicznych form ukształtowania terenu posiadające ruchomą platformę latającą, która ma układ nadawczy zawierający laser do skanowania geometrii badanego terenu i wirujące lustro obrotowe, układ detekcji i analizy zawierający soczewkę z selektywnymi detektorami umieszczonymi w jej ognisku i analizator sygnału oraz ma układ inercyjny z GPS, układ rejestratora i/lub transmisji danych i układ fotogrametrii, znamienne tym, że układ nadawczy (1) ma laser (1.2) do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem (6), a układ (2) detekcji i analizy oraz wirujące lustro (12) są wspólne dla lasera (1.1) do skanowania geometrii badanego terenu (6) i dla lasera (1.2) do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem (6).

9 PL B Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wirujące lustro (12) obrotowe jest półprzepuszczalne, a lasery (1.1, 1.2) układu nadawczego (1) znajdują się po tej samej stronie wirującego, półprzepuszczalnego lustra (12) obrotowego, zaś pomiędzy tym lustrem (12), a laserem (1.1) do skanowania geometrii badanego terenu (6) osadzone jest nieruchome, półprzepuszczalne lustro (17), natomiast pomiędzy tym nieruchomym, półprzepuszczalnym lustrem (17), a laserem (1.2) do skanowania stężenia gazu nad badanym terenem (6) znajduje się nieruchome lustro (18) odbijające, przy czym nieruchome półprzepuszczalne lustro (17) i nieruchome lustro (18) odbijające są tak usytuowane, aby modulowana wiązka laserowa (7), emitowana z lasera (1.1) do skanowania geometrii badanego terenu (6) przechodziła przez nieruchome półprzepuszczalne lustro (17) i padała na wirujące półprzepuszczalne lustro (12) obrotowe, natomiast wiązka laserowa (10) emitowana z lasera (1.2) do skanowania stężenia gazu, odbita od nieruchomego lustra (18) odbijającego padała na nieruchome półprzepuszczalne lustro (17), a z niego na wirujące półprzepuszczalne lustro (12) obrotowe. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wirujące lustro (12) obrotowe jest półprzepuszczalne i znajduje się pomiędzy laserem (1.1) do skanowania geometrii badanego terenu (6) i laserem (1.2) do skanowania stężenia gazu nad tym terenem (6). 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wirujące lustro (12) obrotowe jest nieprzepuszczalne i znajduje się pomiędzy laserem (1.1) do skanowania geometrii badanego terenu (6) i laserem (1.2) do skanowania stężenia gazu, a soczewka (13) układu (2) detekcji i analizy z detektorem (14) podwójnym selektywnie rozróżniającym światło obu długości fali wiązek laserowych (7, 10) znajduje się obok nieprzepuszczalnego, wirującego lustra (12) obrotowego tak, aby nie zasłaniało ono tej soczewki (13).

10 10 PL B1 Rysunki

11 PL B1 11

12 12 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 4,92 zł (w tym 23% VAT)