Załącznik nr 2 Autoreferat Przedstawiający opis dorobku i osiągnięć naukowych, w szczególności określonych w art. 16 ust. 2 ustawy dr inż. Marek Zygmunt Wojskowa Akademia Techniczna Instytut Optoelektroniki Warszawa, 25.07.2018
1. Imię i nazwisko: Marek Zygmunt 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej - magister inżynier, Wydział Elektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna, 1987, kierunek systemy radiolokacyjne, tytuł pracy magisterskiej: Analiza jednoznaczności odtworzenia tras źródeł zakłóceń aktywnych, - doktor nauk technicznych, Wydział Elektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna, 2002, tytuł rozprawy: Metoda detekcji podszumowego sygnału echa w impulsowych dalmierzach laserowych, - studia podyplomowe z pedagogiki, Instytut Nauk Humanistycznych, Wojskowa Akademia Techniczna, 2002. 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych 1989 inżynier, Instytut Elektroniki Kwantowej, Wojskowa Akademia Techniczna, 1993 - starszy inżynier, Instytut Elektroniki Kwantowej, Wojskowa Akademia Techniczna, 1998 asystent, Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna 2003 - adiunkt, z-ca szefa Zespołu Laserowej Teledetekcji, Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna, 2008 - adiunkt, kierownik zakładu, z-ca szefa Zespołu Laserowej Teledetekcji, pełniący obowiązki zastępcy dyrektora Instytutu Optoelektroniki, Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna, 2013 - adiunkt, zastępca dyrektora Instytutu Optoelektroniki ds. wojskowych, z-ca szefa Zespołu Laserowej Teledetekcji, Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna, 2015 - adiunkt, szef Zespołu Laserowej Teledetekcji, Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna, 2008-2012 - członek Rady Instytutu Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej, 2012-2016 - członek Rady Instytutu Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej, 2012-2016 - członek Senatu Wojskowej Akademii Technicznej. 2
4. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. 2016 r. poz. 882 ze zm. W Dz U. z 2016 r. poz. 1311.): a) Tytuł osiągniecia naukowego Dwubarwny lidar fluorescencyjny z torem rozproszeniowym i depolaryzacyjnym do wykrywania zagrożeń biologicznych (oryginalne osiągnięcie projektowe, konstrukcyjne i technologiczne) b) Omówienie celu osiągnięcia oraz uzyskanych wyników Wprowadzenie Służby, które zajmują się detekcją, analizą i neutralizacją skażeń od dawna poszukiwały rozwiązań umożliwiających realizację tych celów w sposób bezpieczny dla personelu oraz dający pewną informację o skażeniu z odpowiednim wyprzedzeniem czasowym. Tak pozyskana informacja pozwala na działania wyprzedzające, umożliwiające zabezpieczenie obiektów, ludzi i sprzętu przed działaniem biologicznych lub chemicznych środków bojowych. Mówimy tu o skażeniach, które znajdują się w postaci aerozolu w powietrzu lub w postaci cienkiej warstwy na powierzchni ziemi. Dostępne technologie wykorzystywane obecnie nie spełniały tych oczekiwań. Technologie radarowe, ze względu na używane długości fal, nie były w stanie wykryć chmur aerozolu o niskiej koncentracji, praktycznie przeźroczystej dla widzialnego zakresu długości fal. Jedyne urządzenia, które pozwalały na wykrycie i analizę to urządzenia in situ. Urządzenia te bazują na analizie pasm absorpcyjnych zassanej próbki powietrza. Metoda ta wymaga dostarczenia urządzenia bezpośrednio do miejsca skażenia, co wiąże się z zagrożeniem dla personelu. Personel można zabezpieczyć używając dedykowanych środków ochrony, ale tak naprawdę można to zrobić w sposób właściwy tylko wówczas, kiedy posiadamy wiedzę dotyczącą zagrażającego czynnika. Technologią, która spełnia te wszystkie oczekiwania jest technologia lidarowa. Technologia lidarowa umożliwia wykrycie chmury aerozolu z dużej odległości, rzędu kilkunastu kilometrów. Pozwala prognozować jej sposób przemieszczania się, a zatem przedsięwziąć działania zabezpieczające, czynione z pewnym wyprzedzeniem. W technice zdalnej detekcji mówimy o trzech etapach: o wykryciu, rozpoznaniu i identyfikacji. W każdym z tych procesów można użyć lidarów bazujących na różnych zjawiskach fizycznych. Podstawowym lidarem w technice zdalnej detekcji jest lidar rozproszeniowy. Lidar rozproszeniowy pozwala z dużej odległości na wykrycie chmur aerozolu o niskiej koncentracji. Zasięg takiego lidara zależy od warunków atmosferycznych, od koncentracji cząstek aerozolu w chmurze oraz od użytej długości fali w układzie nadajnika laserowego. Długości fal, które są bezpieczne dla wzroku np. 1550 nm bardzo dobrze propagują się w atmosferze, ale dają niewielkie rozproszenie wsteczne na cząstkach mających średnicę 3
np. dwukrotnie mniejszą od długości fali oświetlającej. Ponadto, w okolicy 1550 nm występuje pasmo absorpcji wody, co powoduje, że para wodna oraz aerozole mokre dają niewielki sygnał rozproszenia. To zjawisko powoduje, że zasięgi lidara rozproszeniowego w takich warunkach gwałtownie spadają. Z tego względu najkorzystniej w lidarze rozproszeniowym stosować długości fal generowane przez laser Nd: YAG (1064nm) oraz kolejne harmoniczne (532 nm, 355 nm oraz 265 nm). Lidar rozproszeniowy jest lidarem tzw. wczesnego ostrzegania. Oznacza to, że wykrywamy w powietrzu obecność chmury aerozolu o charakterze sztucznym, natomiast nie wiemy czy stanowi zagrożenie czy też nie. Do rozpoznania można użyć lidara fluorescencyjnego lub/oraz lidara absorpcji różnicowej. W pierwszym przypadku oświetla się podejrzany aerozol promieniowaniem z zakresu UV. Jeśli jest to materiał biologiczny to świeci widmem fal, które są dłuższe od fali użytej do oświetlenia. Jeśli nie jest to substancja biologiczna, to efekt fluorescencji nie występuje. W ten sposób można dokonać wstępnego podziału na związki chemiczne lub biologiczne. Kolejnym krokiem jest analiza sygnatury widma fluorescencji i próba identyfikacji. Niestety, proces identyfikacji jest utrudniony, ponieważ związki biologiczne, które stanowią zagrożenie występują na pożywkach dających dodatkowe widmo, zniekształcające widmo emisji analizowanego czynnika. Ponadto, promieniowanie będące wynikiem fluorescencji pokonuje drogę od aerozolu do odbiornika i podlega zjawiskom towarzyszącym propagacji promieniowania optycznego w atmosferze czyli absorpcji i rozpraszaniu. Zjawiska te zależą od długości fali i wpływają na kształt odbieranego widma. Wpływ ten nasila się wraz ze wzrostem odległości. Niemniej jednak, podejmujemy próby identyfikacji, bazując na wiedzy o atmosferze, badaniach laboratoryjnych materiałów biologicznych i algorytmach opartych na sieciach neuronowych. Jeśli materiał nie jest substancją biologiczną, to jego identyfikacji można dokonać stosując lidar absorpcji różnicowej. Najczęściej do tego celu używa się przestrajalnych laserów CO 2, pozwalających przeskanować określony punkt przestrzeni z użyciem dwóch, odpowiednio przesuniętych względem siebie długości fal. W efekcie można uzyskać zdalnie widma absorpcji związków chemicznych, które znalazły się na drodze promieniowania laserowego. Niestety, ograniczeniem w stosowaniu tej technologii jest warunek - promieniowanie generowane przez nadajniki laserowe musi ulec rozproszeniu lub odbiciu. Nakłada to ograniczenia w stosowaniu urządzenia do sytuacji, kiedy na końcu drogi, na której znajduje się analizowana substancja jest obiekt, od którego następuje odbicie lub badana substancja ma na tyle dużą koncentrację, że występuje rozproszenie. Zatem w praktyce, nie jest możliwa analiza każdego aerozolu znajdującego się w powietrzu. Najczęściej pomiaru dokonuje się na pewnej wysokości nad powierzchnią ziemi, mając w tle wysoki obiekt. Pewnym wsparciem zwiększającym możliwości identyfikacji jest lidar deplaryzacyjny, rozproszenia różnicowego oraz ramanowski. Lidar depolaryzacyjny pozwala na określenie kształtu cząstek, od których nastąpiło rozproszenie - czy są kuliste lub nie. Lidar rozproszenia różnicowego pozwala, przy użyciu kilku długości fal, na statystyczną ocenę rozkładu wielkości cząstek tworzących chmurę aerozolu. Lidar ramanowski, bazując na efekcie przesunięcia Ramana, umożliwia identyfikację poszczególnych składowych atmosfery, przy czym sygnał jest na tyle niewielki, że osiągnięcie zasięgu kilkuset metrów wymaga długotrwałej synchronicznej integracji sygnałów. 4
Kolejnym ograniczeniem w technice lidarowej jest intensywność promieniowania tła, która zmienia się z długością fali i osiąga największą gęstość mocy w widzialnym zakresie długości fal. Jest to szczególnie uciążliwe dla lidarów fluorescencyjnych, które właśnie w tym zakresie detekują użyteczne widmo fluorescencji. Osiągnięcie konstrukcyjno-projektowe, które jest przedmiotem autoreferatu dotyczy dwubarwnego lidara fluorescencyjnego, wyposażonego w tor rozproszeniowy i depolaryzacyjny. Dwubarwny lidar fluorescencyjny z torem rozproszeniowym i depolaryzacyjnym do wykrywania zagrożeń biologicznych Prace nad konstrukcjami lidarowymi i badaniami z użyciem tej technologii rozpocząłem na początku lat 2000. Pierwsza konstrukcja dotyczyła lidarowego systemu do poszukiwań podwodnych, stanowiącego opracowanie na potrzeby Akademii Marynarki Wojennej (rys.1). Oscyloskop Komputer Blok przetwarzania sygnałów Układ detekcji Obiektyw odbiorczy + filtr interferencyjny Laser (Nd:YAG) 2ω Synchronizacja - pin 1ω / 2ω Rys. 1. Schemat blokowy oraz zdjęcie lidara do poszukiwań podwodnych Lidar mógł pracować na dwóch długościach fali: 1064 nm oraz 532 nm. Zmiana filtru interferencyjnego w torze detekcyjnym oraz długości fali nadajnika realizowana była za pomocą specjalnego przełącznika mechanicznego. W projekcie tym byłem współautorem koncepcji lidara oraz autorem bloku przetwarzania sygnałów oraz synchronizacji. W ramach projektu Elementy i moduły optoelektroniczne do zastosowań w medycynie, przemyśle, ochronie środowiska i technice wojskowej - Projekt Badawczy Zamawiany PBZ MIN 009/T11/2003; MNiSW, opracowałem dalmierz na laserze Nd:YAG 5
synchronizacja pompowanym diodowo oraz lidar wielospektralny do analizy wielkości cząstek aerozolu (rys.2). Lidar pracował na trzech długościach fal; 1064 nm, 532 nm oraz 355 nm. Byłem współautorem koncepcji lidara oraz elektronicznych układów detekcji, akwizycji i przetwarzania sygnału echa. Zespół detekcyjny Wzmacniacz regulowany Głowica lasera PC USB Blok akwizycji Układ sterowania Zasilacz lasera Układ sterowania silnikami Manipulator ręczny WyŁ. KRAŃCOWE ENC (enkoder) Silnik +koń. mocy ENC (enkoder) Silnik +koń. mocy Rys. 2. Wielospektralny lidar rozproszeniowy 6
W układzie odbiorczym wykorzystano zwierciadło pozaosiowe. Zmiana roboczej długości fali odbywała się poprzez zastosowanie w torze odbiorczym odpowiedniego filtru interferencyjnego oraz właściwej konfiguracji przystawki lasera. Detektor stanowiła krzemowa fotodioda lawinowa lub fotopowielacz. W projekcie tym byłem współautorem koncepcji lidara, autorem projektu elektroniki oraz oprogramowania w części cyfrowej, a także kierowałem pracami nad lidarem. Potrzeba budowy lidara fluorescencyjnego pojawiła się w miarę wzrostu zagrożenia terrorystycznego. Pierwszym przyczynkiem było uruchomienie w Europejskiej Agencji Obrony projektu FABIOLA, którego celem było opracowanie urządzenia do identyfikacji skażeń biologicznych metodą in situ. Rolą Instytutu Optoelektroniki WAT było pozyskanie sygnatur optycznych materiału biologicznego oraz integracja komponentów urządzenia docelowego wykonywanych przez konsorcjantów z różnych krajów. Wstępna baza sygnatur optycznych była punktem wyjścia dla uruchomienia projektu pt. Zdalne wykrywanie i identyfikacja skażeń biologicznych z wykorzystaniem zaawansowanych metod optoelektronicznych - Projekt Badawczy Zamawiany PBZ MINiSW-DBO-03/I/2007; MNiSW. Liderem konsorcjum realizującym ten projekt był Instytut Optoelektroniki WAT. W ramach tego projektu byłem kierownikiem dwóch zadań. Celem pierwszego była budowa demonstratora lidara fluorescencyjnego krótkiego i średniego zasięgu, natomiast drugiego - możliwość integracji i przesłania informacji pozyskanej z sensora lidarowego do systemu zarządzania polem walki. System opracowanego lidara można podzielić na następujące moduły: moduł nadajników laserowych, moduł optycznych układów odbiorczych fluorescencja, rozproszenie, depolaryzacja, moduł detekcji sygnałów - część analogowa, moduł akwizycji i przetwarzania danych, moduł zabezpieczeń układów detekcyjnych, moduł synchronizacji i sterowania laserami, moduł platformy skanującej wraz z układami sterującymi i zasilania, moduł celowania i rejestracji video, komputer wraz z oprogramowaniem sterującym, zarządzającym przetwarzaniem i zobrazowaniem wyników wraz z funkcjami archiwizacji. Jestem autorem architektury lidara, współautorem zarówno koncepcji jak i konstrukcji jego poszczególnych modułów. Na poniższych rysunkach przedstawiono schemat blokowy lidara oraz jego zdjęcia. 7
Rys. 3. Schemat blokowy platformy lidarowej Rys. 4. Schemat blokowy elektroniki akwizycji i przetwarzania danych 8
Rys. 5. Zdjęcie oraz schemat blokowy karty przetwarzania sygnałów Rys. 6. Zdjęcia zmontowanych kart wraz z widokiem elektroniki 32 kanałowego fotopowielacza zintegrowanego ze spektrografem w jego płaszczyźnie ogniskowej Rys. 7. Zdjęcie torów: rozproszeniowego oraz depolaryzacji (po lewej), widok mechanizmu skanowania w elewacji (po prawej) 9
Rys. 8. System lidarowy wraz z elementami zasilania A) platforma lidarowa, B) układy zasilania nadajników laserowych, C) moduł zasilania platformy lidarowej, D) moduł sterowania ruchem platformy i obiektywem kamery 10
Rys. 9. Platforma lidarowa widok z przodu - A) obiektyw odbiorczy toru fluorescencyjnego, B) spektrograf, C) nadajnik laserowy 266 nm, D) nadajnik laserowy 355 nm, E) obiektyw odbiorczy toru 1574 nm, F) nadajnik laserowy 1574 nm z widocznym układem poszerzania wiązki, G) kamera obserwacyjna, H) napęd platformy w elewacji Rys. 10. Zdjęcie platformy lidarowej podczas testów wraz z komputerem zarządzającym 11
Rys. 11. Wygląd interfejsu użytkownika przetwarzanie i wizualizacja. A) obraz fluorescencji 3D, D) sygnał rozproszenia wraz z kanałem depolaryzacji, B) sygnał fluorescencji, E) powiększony sygnał fluorescencji, G) sygnał fluorescencji sygnatura 28 kanałów, F) obraz ze skanera z widocznym źródłem emisji (obiekt na odległości 1200 m), C) powiększony wybrany fragment chmury aerozolu Realizując projekt, przyjąłem założenie pozyskiwania sygnatury widma fluorescencji i na jej podstawie próby identyfikacji materiału biologicznego. W tym celu należało zbadać charakterystyki widmowe wszystkich elementów toru odbiorczego i następnie skonstruować układy odbiorcze tak, by możliwe było wprowadzenie odpowiednich korekt (wynikających z sumy tych charakterystyk). Konstrukcja układów elektronicznych i oprogramowania umożliwia korektę pozyskanych widm wynikającą także z innych przyczyn. Projekt zakończył się sukcesem w 2011 roku. Osiągnięte wyniki w zakresie zasięgu wykrycia skażenia oraz czułości systemu były na tyle interesujące, że system został włączony jako element zabezpieczenia przed bronia biologiczną i chemiczną podczas mistrzostw EURO 2012. Wzięliśmy udział w szeregu ćwiczeń odbywających się na stadionach, lotnisku Okęcie, metrze Warszawskim, w trakcie których w symulowanych zagrożeniach system potwierdził swoją przydatność (rys. 12). Zostały opracowane procedury współpracy oraz koordynacji działań ze służbami OPBMR i zarządzania kryzysowego. Podczas EURO 2012 zabezpieczaliśmy Stadion Narodowy. Lidar umieszczony był na 27 piętrze Pałacu Kultury i Nauki. Z odległości ok. 3 km monitorowaliśmy przestrzeń nad stadionem (rys. 13). Tym samym można stwierdzić, że system brał udział w działaniach operacyjnych. W ćwiczeniach organizowanych przed EURO 2012 brały udział również jednostki amerykańskie. Parametry i możliwości lidara wzbudziły zainteresowanie amerykańskich służb odpowiedzialnych za bezpieczeństwo związane z ochroną przed bronią biologiczną i chemiczną. Efektem tego zainteresowania było zaproszenie na dwukrotny dwutygodniowy pobyt i badania naszego systemu lidarowego na poligonie DPG (Dugway Proving Ground) 12
UTAH w 2013 i 2015 r. Pobyty te były w całości sfinansowane przez stronę amerykańską. Badania w pierwszym tygodniu polegały na wykrywaniu symulantów prawdziwych środków bojowych, generowanych w specjalnych komorach zapewniających referencyjne warunki (rys. 14). W drugim tygodniu testy odbywały się w otwartej przestrzeni, a naszym zadaniem było skanowanie określonego sektora przestrzeni i wykrycie chmury sztucznego aerozolu. Pobyt w 2013 dedykowany był badaniom tylko naszego systemu lidarowego, a wyniki uzyskane przez nasz system były rejestrowane przez stronę amerykańską i porównywane z urządzeniami in situ, znajdującymi się w komorze. Poniżej zaprezentowane zostały potwierdzone wyniki badań (rys. 15). Podczas badań w 2015, w pomiarach uczestniczyły również systemy z innych krajów np. Kanady, Izraela, USA, Francji. Porównanie wyników z roku 2013, 2015 przedstawia rys. 17. Rys. 12. Badania przed EURO 2012: lotnisko Okęcie (po lewej), stadion w Gdańsku (po prawej) Rys. 13. System lidarowy w trakcie działań operacyjnych podczas EURO2012, 27 piętro PKiN 13
1 2 3 4 5 6 Rys. 14. Widok komór badawczych i ich wyposażenia (zdjęcia 1-5), system lidarowy podczas przygotowania do badań (zdjęcie 6) 14
Simulant Sensitivity (ppl) for 266 Sensitivity (ppl) for 355 BG 1705 1201 EH 314 (TSB) 293 (DPG/YP) 50 (TSB) 135 (DPG/YP) BTK 1275 (Comm) 1602 (MOD LD) 2811 (MOD G) 332 MS2 1458 3236 OV 299 210 Rys. 15. Wyniki badań czułości systemu dla różnych długości fal (odległość 700 m, czas obserwacji 1s (ppl particle per litre)) [na podstawie raportu TaCBRD z 2013r] Rys. 16. Zespół badawczy w 2013 (po lewej) i w 2015 (po prawej) 15
2013 ~ 700 m ~ 1 g ~ 2500 m 2015 ~ 1200 m ~ 0,01 g ~ 4500 m Rys. 17. Progres w czułości podczas badań na DPG UTAH, na zdjęciach widoczne komory pomiarowe oraz otwarty teren poligonu System lidarowy w miarę badań podlegał modyfikacjom. W pierwszej kolejności zrezygnowano z toru 1574 nm. Powodem były kłopoty z detekcją aerozoli mokrych. Ponadto okazało się, że wystarczająco duże zasięgi części rozproszeniowej lidara można uzyskać w oparciu o długość fali 355 nm. Wprowadzono liczne innowacje w zakresie oprogramowania, dotyczące algorytmów przetwarzania sygnałów, interfejsu użytkownika oraz układów elektronicznych toru detekcyjnego i zasilania. Te wszystkie zmiany spowodowały znaczące zwiększenie czułości systemu (rys. 17). Ostateczny schemat części optycznej lidara przedstawiono na rys. 18. 16
266nm 355nm Teleskop Spektrograf PMT 266 PMT 355(s) PMT 355(p) Laser 355nm Laser 266nm Rys. 18. Schemat optyczny toru odbiorczego i nadawczego po zmianach Rys. 19. Wygląd platformy skanującej po zmianach 17
Dzięki zastosowaniu wysokiej częstotliwości próbkowania (250 MHz) nietypowej w technologii lidarowej, uzyskałem możliwość konstrukcji sygnatury widmowej nawet niewielkich chmur aerozolu. Opracowane algorytmy umożliwiają całkowanie sygnału po głębokości chmury i po widmie, zwiększając w ten sposób zasięg i poprawiając stosunek sygnał szum (rys. 20). Technologia ta umożliwia pozyskanie wiarygodnego widma dla sygnałów o niskim poziomie stosunku sygnał szum lub w przypadku rezygnacji z widma, otrzymanie znaczącego zwiększenia zasięgu. Rys. 20. Idea algorytmu detekcji sygnału fluorescencji W torze detekcji zastosowałem układy automatycznej regulacji wzmocnienia, a także układ zabezpieczeń wielokanałowego fotopowielacza, używając do tego celu kanał fotopowielacza znajdujący się po stronie fal dłuższych. Dzięki temu, lidar może pracować w każdych warunkach oświetlenia, dziennych lub nocnych, - jest to unikalna cecha w lidarach fluorescencyjnych. W ramach projektu opracowano i zaimplementowano protokół współpracy z BMS (Battlefield Managament System), pozwalający przekazywać pozyskaną w systemie lidarowym informację o skażeniu, w sposób zautomatyzowany i ustandaryzowany. Podsumowanie Platforma lidarowa powstała w związku z zapotrzebowaniem sił zbrojnych, w ramach Projektu Badawczego Zamawianego pt. Zdalne wykrywanie i identyfikacja skażeń biologicznych z wykorzystaniem zaawansowanych metod optoelektronicznych. Została użyta operacyjnie podczas EURO 2012. Lidar potwierdził swoje wyjątkowe parametry i unikalne możliwości także podczas badań w USA w 2013 i 2015 roku, gdzie możliwe było jego porównanie z innymi rozwiązaniami światowymi z tego obszaru. Zbudowany system lidarowy cechował się najwyższą czułością, szybkością działania, niezawodnością oraz oryginalnością interfejsu użytkownika. Parametry te zostały uzyskane poprzez zastosowanie oryginalnych algorytmów przetwarzania sygnałów oraz rozwiązań konstrukcyjnych w zakresie układów elektronicznych i optycznych. Do moich oryginalnych osiągnięć należy opracowanie architektury systemu lidarowego, opracowanie algorytmów przetwarzania sygnałów w części sprzętowej oraz komputerowej. Jestem autorem metody określania optymalnego punktu pracy fotopowielacza, co umożliwia jego prawidłowe i bezpieczne działanie w szybko 18
zmieniających się warunkach promieniowania tła. Jestem także autorem sposobu kompensacji charakterystyki widmowej toru odbiorczego. Zastosowanie dwóch długości fal 266 nm i 355 nm pozwala na uzyskanie dwóch przekrojów trójwymiarowego widma fluorescencji tego samego związku biologicznego, w efekcie uzyskuje się więcej informacji w procesie identyfikacji. Jest to rozwiązanie oryginalne. Konstrukcja lidara przedstawiona w autoreferacie podyktowana była potrzebami związanymi z etapem badań, tzn. z podatnością na modyfikacje i dostępnością każdego punktu pomiarowego. W wersji docelowej, lidar będzie zabudowany w postaci niewielkiego prostopadłościanu, a funkcja skanowania zostanie zrealizowana za pomocą zwierciadeł. Aktualnie w Inspektoracie Uzbrojenia MON prowadzone jest postępowanie, którego celem jest wprowadzenie systemu zdalnego wykrywania skażeń biologicznych i chemicznych na wyposażenie sił zbrojnych. W ramach prac prowadzonych nad lidarem powstała rozprawa doktorska: Zastosowanie wielospektralnej fluorescencyjnej techniki lidarowej do zdalnej detekcji aerozoli biologicznych autor: mgr inż. Jacek Wojtanowski, promotor: prof. dr hab. inż. Zygmunt Mierczyk; 2011; Wyniki przedstawiane były na konferencjach: 9 Sympozjum Techniki Laserowej Szczecin 2009, 10 th International Symposium on Protection against Chemical and Biological Warfare Agents, Stockholm, Sweden, 2010, Lasers and Electro-Optics Europe (CLEO EUROPE/EQEC), 2011 Conference on and 12th European Quantum Electronics Conference, XXV Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna EKOMILITARIS 2011, International Symposium on Optronics in Defence and Security (Paris, 2-4 Feb 2016), Oraz opublikowane: 1. Performance verification of LIF-LIDAR technique for stand-off detection and classification of biological agents OPTICS AND LASER TECHNOLOGY, 67,pp.25-32 Jacek Wojtanowski, Marek Zygmunt, Michał Muzal, Piotr Knysak, Andrzej Młodzianko, Andrzej Gawlikowski, Tadeusz Drozd, Krzysztof Kopczyński, Zygmunt Mierczyk, Mirosława Kaszczuk, Andrzej Gietka, Wiesław Piotrowski, Marcin Jakubaszek, Roman Ostrowski, Maciej Traczyk; Opublikowano: 2015; IF 1,647, 2. Fluorescence/depolarization lidar for mid-range stand-off detection of biological agents PROCEEDINGS OF SPIE, Tom: 8037 Zeszyt: 80371J Zygmunt Mierczyk, Krzysztof Kopczyński, Marek Zygmunt, Jacek Wojtanowski, Jarosław Młyńczak, Andrzej Gawlikowski, Andrzej Młodzianko, Wiesław Piotrowski, Andrzej Gietka, Piotr Lucjan Knysak, Tadeusz Drozd, Michał Muzal, Mirosława Kaszczuk, Roman Ostrowski, Marcin Jakubaszek; Opublikowano: 2011. 19
Lidar uzyskał następujące nagrody i wyróżnienia: 1. Złoty medal z wyróżnieniem Na Międzynarodowej Wystawie Innowacji Technologicznych BRUSSELS EUREKA 2011 Za projekt: Fluorescence/depolarization lidar for stand-off detection of biological threats Autorzy: Z. Mierczyk, M. Zygmunt, J. Wojtanowski, W. Piotrowski, M. Muzal, P. Knysak, T. Drozd, M. Kaszczuk, A. Młodzianko, A. Gawlikowski, A. Gietka, M. Jakubaszek; 2. Dyplom Ministra Edukacji i Badań Rumunii; Na Międzynarodowej Wystawie Innowacji Technologicznych BRUSSELS EUREKA 2011 Za wysoki poziom naukowy oraz techniczny projektu: Fluorescence/depolarization lidar for stand-off detection of biological threats; 3. Srebrny Medal Międzynarodowych Targów iena 2011 Za projekt: Fluorescence/depolarization lidar for stand-off detection of biological threats Autorzy: Z. Mierczyk, M. Zygmunt, J. Wojtanowski, W. Piotrowski, M. Muzal, P. Knysak, T. Drozd, M. Kaszczuk, A. Młodzianko, A. Gawlikowski, A. Gietka, M. Jakubaszek. 20
5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo-badawczych (po doktoracie) Poniżej w punktach przedstawiłem niektóre inne osiągnięcia, moim zdaniem zasługujące na uwagę. We wszystkich rozwiązaniach, projekty układów: mechanicznych, optycznych, elektronicznych oraz oprogramowanie wykonywane były w Instytucie Optoelektroniki WAT. W IOE WAT wykonana została także większość filtrów interferencyjnych oraz inne komponenty optyczne. 5.1. M. Zygmunt, P. Knysak, A. Młodzianko, A. Gawlikowski, A. Gietka, W. Piotrowski ; 2005; Opracowanie i wdrożenie do produkcji systemu ostrzegania o promieniowaniu laserowym na wóz dowodzenia, SOL 1 ; KenBIT Koenig i Wspólnicy SpJ Zadaniem systemu ostrzegania SOL-1 jest wykrycie promieniowania laserowego, określenie typu źródła promieniowania oraz jego położenia względem systemu, a także pomiar czasu upływającego od momentu wykrycia. System pracuje w zakresie widmowym 800 1700 nm. Musi cechować się odpornością na zakłócenia optyczne występujące w naturze oraz na polu walki, takie jak: wybuchy, rozbłyski, odbicia promieniowania od elementów zwierciadlanych itp. System SOL-1 integruje i informuje o sygnałach alarmowych pochodzących z następujących czujników: Czujnik skażeń radiacyjnych (RAD), Czujnik skażeń chemicznych (CHEM), Czujnik promieniowania radiolokacyjnego (R-LOK), Czujnik CO (CO), Czujnik dymu (DYM). System składa się z trzech podstawowych układów funkcjonalnych: Kompletu 6-ciu głowic detekcyjnych, Bloku monitora wyświetlacza (2 szt.), Bloku sterowania z interfejsem RS-232. 21
a) b) c) d) Rys. 1. System ostrzegający o promieniowaniu laserowym SOL-1: a) monitor w przedziale załogi, b) rozmieszczenie głowic na samochodzie, c) monitor w kabinie kierowcy, d) elementy systemu: monitor, centrala, optyczne głowice detekcyjne System charakteryzuje się wysoką czułością oraz niskim poziomem fałszywych alarmów. Cechy te osiągnięte zostały poprzez zastosowanie zaawansowanych algorytmów przetwarzania sygnału, wcześniej poddanych długotrwałym badaniom poligonowym i laboratoryjnym, dotyczącym wpływu optycznych sygnałów zakłócających. Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na stworzeniu koncepcji i architektury systemu, opracowaniu algorytmów eliminacji zakłóceń, protokołów komunikacji wewnętrznej i zewnętrznej systemu, wykonaniu projektu oraz oprogramowania cyfrowej części układów detekcyjnych, a także kierowaniu pracą. Mój udział szacuję na 35 %. 22
5.2. M. Zygmunt, A. Młodzianko, A. Gawlikowski, J. Pietrzak, M. Dąbrowski, R. Niedzielski; 2003-2006; Opracowanie i wdrożenie do produkcji sytemu ostrzegania o promieniowaniu laserowym PROCJON 3 ; Wojskowe Zakłady Elektroniczne S.A. Podobne cele jak dla SOL-1, zostały postawione przed systemem ostrzegania o promieniowaniu laserowym PROCJON-3, przeznaczonym dla śmigłowców rozpoznania. System składa się z komponentów przedstawionych na rys.2 oraz posiada następujące parametry: zakres spektralny: 0,8 11μm, zakres kątowy w azymucie: 360 z rozdzielczością 15, zakres kątowy w elewacji: ±45 z rozdzielczością 30. a) b) Rys. 2. System ostrzegający o promieniowaniu laserowym PROCJON-3: a) strefy obserwacyjne, b) widok ukompletowania systemu Szczególnie istotne w konstrukcji systemu było zabezpieczenie wysokoczułych głowic optycznych przed zakłóceniami pochodzącymi od aparatury radiowej, umieszczonej na pokładzie oraz przed przepływem ładunków powierzchniowych, wywołanych jonizacją przemieszczającego się powietrza. Rezultaty tej pracy zostały zaprezentowane na konferencji Laser Technology VIII, 2006, Szczecin oraz w artykule: Laser warning receiver LWR-H: PROCEEDINGS OF SPIE, DOI:10.1117/12.726581, Jan Pietrzak, Marek Zygmunt, Andrzej Młodzianko, Roman Niedzielski, Mirosław Dabrowski, Opublikowano: 2007r. Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na stworzeniu koncepcji i architektury systemu, opracowaniu algorytmów eliminacji zakłóceń optycznych i elektronicznych, zaprojektowaniu i oprogramowaniu cyfrowej części systemu. Mój udział szacuję na 35 %. 23
5.3. M. Zygmunt, A. Gawlikowski, A. Młodzianko, P. Knysak, M. Muzal, W. Piotrowski; 2005-2007; Opracowanie i wdrożenie do produkcji laserowych symulatorów strzelań PLS-1 ; WSK PZL WARSZAWA II Symulatory laserowe wykorzystywane są do szkolenia taktycznego i strzeleckiego żołnierzy. Strzał z użyciem amunicji bojowej zastępowany jest strzałem laserowym. Z tego względu, na nadajniki laserowe i układy detekcji nałożone są określone wymagania. Symulacja powinna uwzględniać balistykę pocisku oraz odwzorować jego skuteczność. W związku z powyższym, wiązka laserowa w symulatorach jest odpowiednio formowana oraz kodowana. W kodzie laserowym przesyłana jest informacja o rodzaju amunicji oraz numerze nadajnika oddającego strzał. Ze względu na rodzaj broni, wprowadzony został podział na dwie grupy uzbrojenia: broń strzelecką oraz artyleryjską. Stosownie do tego opracowane zostały odpowiednie metody symulacji. Poniżej na zdjęciach przedstawiono przykładowe rozwiązania symulatorów laserowych, opracowanych w Zespole Laserowej Teledetekcji IOE WAT. a) b) c) d) e) f) g) Rys. 3. Symulatory laserowe dla pojedynczego żołnierza: a,b) beryl, c) SWD, d) PK, e) RPG-7, f) zestaw detektorów na szelki i hełm, g) pilot rozjemcy 24
Laserowy symulator na wozy bojowe Laserowy symulator strzelań dla broni ciężkiej, to jest wozów bojowych piechoty i czołgów (BWP-1, T-55, T-72 i PT-91). Rys. 4. Symulatory laserowe na wozy bojowe: a) detektor centralny, b) detektor boczny, c,e) system na BWP, d) pełne ukompletowanie systemu Symulatory te zostały wyposażone w system pozycjonowania geograficznego (GPS) oraz system łączności pozwalający na bieżące monitorowanie procesu szkolenia. Rys. 5. Laserowy zestaw do ćwiczeń strzeleckich 25
Precyzyjna tarcza strzelecka (rys. 5) pozwala na określenie punktu trafienia z dokładnością do 1 cm. Jedna tarcza może posłużyć do prowadzenia strzelania dla maksymalnie ośmiu żołnierzy. Dzięki przypisaniu numeru nadajnika do każdego strzału laserowego, dla wszystkich strzelających w komputerze rozwijana jest osobna, indywidualna wirtualna tarcza. Opracowane w ramach projektów metody symulacji zostały opatentowane: Patent pt.: Układ symulatora strzelania z lekkiej broni strzeleckiej M. Zygmunt, M. Derwiszyński, A. Gawlikowski, R. Kurowski, A. Młodzianko, M. Orłowski, M. Płocharski, C. Rybak, M. Wypych; Pat. Nr 178435, 28.04.2000, Patent pt.: Sposób symulacji strzelania z broni artyleryjskiej, M. Zygmunt, M. Derwiszyński, A. Gawlikowski, R. Kurowski, A. Młodzianko, M. Orłowski, L. Radwan, C. Rybak, M. Wypych; PL 180514, 28.02.2001. Symulatory były produkowane przez WSK-PZL Warszawa II. Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na stworzeniu koncepcji i architektury symulatorów, opracowaniu algorytmów transmisji danych oraz eliminacji zakłóceń optycznych, metody kodowania i dekodowania promieniowania laserowego, zaprojektowaniu i oprogramowaniu cyfrowej części systemu a także kierowaniu pracą. Mój udział szacuję na 35 %. 26
5.4. M. Zygmunt, M. Muzal, P. Knysak, T. Drozd, J. Wojtanowski, A. Gawlikowski, A. Młodzianko; 2011; Opracowanie i wdrożenie do produkcji prędkościomierza laserowego RAPID L ; ZURAD Sp. z o.o. Opracowane urządzenie przeznaczone jest do pomiaru prędkości i odległości w ruchu drogowym, z wykorzystaniem promieniowania laserowego. Wyznaczenie prędkości poruszającego się obiektu odbywa się w oparciu o dokonanie serii pomiarów odległości. Rys. 7. Prędkościomierz laserowy Rys. 6. Prędkościomierz laserowy widok pulpitu sterującego Zastosowanie wiązki promieniowania laserowego pozwoliło wyeliminować największy mankament urządzeń radarowych, jakim jest duża rozbieżność wiązki nadajnika mikrofalowego, a w związku z tym, możliwość błędnego pomiaru prędkości w przypadku, jeśli w polu wiązki znajdzie się więcej niż jeden pojazd. Pomiar laserowy jest jednoznaczny i bardzo precyzyjny. Urządzenie spełnia wymagania klasy 1 bezpieczeństwa dla wzroku, zgodnie z normą PN-EN 60825-1:2005. Spełnienie tego warunku wymusiło zastosowanie nadajników laserowych generujących impulsy o niewielkim poziomie mocy i użycie algorytmów detekcji podszumowej. Zastosowanie oryginalnego algorytmu przetwarzania sygnału umożliwiło 27
uzyskanie dużej dokładności wyznaczenia prędkości przy niskim poziomie emisji mocy nadajnika laserowego. SPECYFIKACJA TECHNICZNA Klasa bezpieczeństwa 1 Zakres mierzonych prędkości Zakres mierzonych odległości 0 250 km/h 20 999 m Błąd pomiaru prędkości ±1 % Czas pomiaru 0.3 sek Zakres temperatur pracy -30 C + 50 C Zasilanie (wbudowany akumulator) 7.2 V W porównaniu do urządzeń radarowych używanych przez policję, opracowany miernik laserowy posiada większy zasięg pomiarowy, lepszą dokładność określania prędkości, jednoznaczną identyfikację mierzonego pojazdu, utrudnioną wykrywalność przez antyradary, bardzo wysoką odporność na zakłócenia pracy przez inne urządzenia (radary, radiostacje pokładowe i antyradary ). Urządzenie zostało skomercjalizowane w formie licencji i produkowane przez ZURAD Sp. z o.o. Urządzenie zostało nagrodzone: LASEROWY MIERNIK PRĘDKOŚCI POJAZDÓW, IV Międzynarodowa Warszawska Wystawa Innowacji IWIS 2010, Złoty Medal, LASEROWY MIERNIK PRĘDKOŚCI POJAZDÓW, I Międzynarodowe Targi Optoelektroniki i Fotoniki OPTON 2010, Złoty Medal AMAT VICTORIA CURAM. Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na stworzeniu koncepcji i architektury prędkościomierza, opracowaniu algorytmów przetwarzania danych oraz eliminacji zakłóceń, a także kierowaniu pracą. Mój udział szacuję na 30 %. 28
5.5. M. Zygmunt, J. Wojtanowski, M. Muzal, P. Knysak, T. Drozd, A. Gawlikowski, W. Piotrowski; 2016 Opracowanie Ręcznego Fotoradaru laserowego ; ZURAD Sp. z o.o. Rozwinięciem produktu przedstawionego w punkcie 5.4 jest ręczny fotoradar laserowy. Rys. 8. Widok opracowanego Ręcznego Fotoradaru Laserowego W prędkościomierzu zaimplementowane zostały funkcje precyzyjnego pomiaru odległości (rzędu kilku centymetrów), algorytmy kompensujące drgania ręki oraz wiele innych. Poniżej przedstawiono najistotniejsze parametry: zakres: 0 km/h do 360 km/h, dokładność pomiaru prędkości: +/-1 km/h podczas badań w laboratorium; +/-3 km/h podczas badań i sprawdzeń poza laboratorium, rozdzielczość wyświetlania prędkości: 1 km/h, rozdzielczość wyświetlania odległości: 0.1 metr, przy odległości < 100 m, 1 metr, przy odległości >= 100 m, zakres odległości pomiarowych (zależny od warunków atmosferycznych): w trybie pomiaru prędkości: min. 10 m, max. 1250 m, w trybie pomiaru odległości: min. 2 m, max. 1250 m, czas pomiaru: min. 0.3 sekundy, zależny od warunków pomiarowych, bezpieczeństwo wzroku: klasa I zgodna z polską normą PN 60825-1 oraz europejską normą IEC 60825-1, zakres temperatur pracy: -20 C, +60 C. 29
Wraz z wynikiem dokonanego pomiaru prędkości, w pamięci przyrządu zapisane zostają następujące dane: zdjęcie pomiarowe w rozdzielczości FULL HD ze znacznikiem punktu pomiaru, odległość od celu, czas dokonanego pomiaru, pozycja GPS miejsca dokonanego pomiaru. Przyrząd umożliwia również rejestrację sekwencji video tryb video rejestracji o parametrach rozdzielczość: 480x256 pix, 10 fps, maksymalny czas trwania pliku ok. 1,5 h, ilość plików ograniczona wielkością karty pamięci. 3. Parametry sprzętowe przyrządu: wyświetlacz główny: 4.3 cali, 480x272 pix, kolorowy RGB, 24 bit/ piksel, dotykowy wyświetlacz dooczny: 800x600 pix, kamera: regulowany zoom f = 4.6 mm -138 mm, 30x powiększenie optyczne, automatyczna ekspozycja i ostrość, rozdzielczość 3,27 MPix, przechowywanie danych: karta CompactFlash 32 GB, odbiornik GPS, moduł akcelerometru MEMS, zegar czasu rzeczywistego synchronizowany z GPS, interfejs komunikacyjny: USB2.0 transfer danych do komputera (danych pomiarowych, obrazów i plików video), z zabezpieczeniem przed nieuprawnionym dostępem, interfejs użytkownika: 6 przycisków, ekran dotykowy wyświetlacza (wielopoziomowe MENU), system operacyjny: własny, zasilanie: akumulatorek LiPo 7,4 V, 7400 mah, czas pracy: do 16 h. 4. Funkcje przyrządu: tryby pomiarowe: pojedynczy pomiar, tryb śledzenia, videorejestracja, automatyczne przełączanie: wyświetlacz główny/dooczny możliwość ustawienia prędkości progowej (przekroczenie tej prędkości przez pojazd, do którego dokonywany jest pomiar, sygnalizowane jest dźwiękiem i zmianą koloru celowników), możliwość ustawienia bramki odległości, w których może być zapisany pomiar (sygnalizacja wizualna i dźwiękowa pojawienia się pojazdu w zadanym zakresie odległości), możliwość przeglądania dokonanych pomiarów z poziomu przyrządu, możliwość skopiowania wyników pomiarowych do komputera PC, możliwość zarządzania przyrządem z poziomu aplikacji PC (dane użytkownika, pomiarowe, konfiguracja przyrządu), sygnalizacja dźwiękowa informująca o jakości sygnału pomiarowego w czasie pomiaru, wskaźnik naładowania akumulatorka, wskaźnik wykorzystania pojemności karty pamięci, 30
wskaźnik synchronizacji odbiornika GPS, funkcje autotestów po włączeniu zasilania, tryb obniżonego poboru mocy. Urządzenie było prezentowane: Konferencja Naukowa Bezpieczeństwo w ruchu drogowym. Nauka w służbie praktyki Szczytno 29-30.05.2017, MSPO (Międzynarodowy Salon Przemysłu Obronnego) Kielce, 2017, EUROPOLTECH 2017, Gdańsk, 2017. Aktualnie prowadzone są rozmowy mające na celu komercjalizację urządzenia. Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na stworzeniu koncepcji i architektury prędkościomierza, opracowaniu algorytmów przetwarzania danych, a także kierowaniu pracą. Mój udział szacuję na 30 %.. 31
5.6. M. Zygmunt, P. Knysak, T. Drozd, A. Młodzianko; 2017 Opracowanie i wdrożenie do produkcji systemu przeciwpożarowego i tłumienia wybuchu do wozów bojowych STOPFIRE ; WCBKT S.A. STOPFIRE jest to system przeciwpożarowy i tłumienia wybuchu przeznaczony do wozów bojowych. Zadaniem systemu jest ochrona przedziału załogowego i przedziału silnika. System składa się z głowic optycznych, czujników temperatury, centralki zarządzającej pracą systemu oraz systemu gaśniczego. Zadaniem głowic optycznych jest obserwacja przedziału załogowego i reakcja tylko w sytuacji gdy w polu widzenia znajdą się cztery zjawiska: strumień kumulacyjny, ciało wysokotemperaturowe, płomień oraz wybuch paliwa. Od momentu wykrycia pożaru do chwili ugaszenia upływa czas ok. 150 ms. Jest to szczególnie istotne w przypadku wybuchu paliwa tak szybka reakcja systemu tłumi wybuch paliwa w zarzewiu i uniemożliwia wzrost ciśnienia, a zatem daje szansę przeżycia załodze nawet w tak ekstremalnych warunkach. Rozpozanie opisanych powyżej zjawisk odbywa się na podstawie analizy widma optycznego oraz czasowej ewolucji sygnału. Rys. 9. Centrala zarządzająca 32
Rys. 10. Optyczne głowice detekcyjne Rys. 11. Czujnik temperatury Główne zalety systemu STOPFIRE to: wielospektralna charakterystyka pracy, szybki czas odpowiedzi (< 3 msek), duże pole widzenia (90 w kierunku poziomym i 90 w kierunku pionowym), szeroki zakres temperatur pracy ( -40 C +55 C), duża czułość, wysoka niezawodność. Właściwości systemu predysponują go do zastosowania wszędzie tam, gdzie wymagane jest wysokie prawdopodobieństwo wykrycia powstającego zagrożenia z równoczesną gwarancją bardzo szybkiej reakcji systemu. Urządzenie zapewnia znaczną odporność na zakłócenia powodowane przez światło żarówek, lamp: fluorescencyjnych, wyładowczych, błyskowych oraz promienników podczerwieni, a także światła słonecznego. System charakteryzuje się więc wyjątkowo niskim współczynnikiem fałszywych alarmów oraz skutecznością w działaniu, w czym przewyższa znane rozwiązania światowe. System prezentowany był: WIELOSPEKTRALNA GŁOWICA DETEKCYJNA ZAGROŻEŃ POŻAROWYCH STOPFIRE, IV Międzynarodowa Warszawska Wystawa Innowacji IWIS 2010, Złoty Medal z Wyróżnieniem, MSPO (Międzynarodowy Salon Przemysłu Obronnego) Kielce, 2016, MSPO (Międzynarodowy Salon Przemysłu Obronnego) Kielce, 2017. Produkt został skomercjalizowany w formie licencji. Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na stworzeniu koncepcji i architektury systemu, opracowaniu algorytmów identyfikacji zagrożeń oraz eliminacji zakłóceń, a także kierowaniu pracą. Mój udział szacuję na 35 %. 33
5.7. M. Zygmunt, J. Wojtanowski, T. Drozd, M. Muzal, M. Kaszczuk, W. Piotrowski, A. Gawlikowski, M. Jakubaszek; 2016; Opracowanie Wielospektralnego Skanera Reflektancyjnego ; KenBIT Koenig i Wspólnicy SpJ Wielospektralny Laserowy Skaner Refektancyjny (WLSR) jest nowoczesnym urządzeniem optoelektronicznym przeznaczonym do lotniczego skaningu laserowego, którego podstawowym zadaniem jest określenie rzeźby analizowanego fragmentu powierzchni ziemi, wzbogacone o rozpoznanie, klasyfikację i identyfikację materiałów, stanowiących pokrycie terenu. Działanie skanera opiera się na wysłaniu w analizowany obszar trzech wiązek promieniowania laserowego (zastosowane długości fali: 850 nm, 905 nm, 1550 nm), a następnie detekcji i analizie odbieranego optycznego sygnału echa. Czas upływający pomiędzy wyemitowaniem impulsu lasera, a detekcją powracającego sygnału pozwala na dokładny pomiar odległości do badanego obiektu. Dokonując, z ustalonej wysokości, serii pomiarów odległości do siatki punktów na powierzchni ziemi, możliwe jest określenie rzeźby analizowanej powierzchni wraz z uwzględnieniem właściwości reflektancyjnych wszelkich obiektów stanowiących elementy pokrycia terenu. W ten sposób zbudowany zostaje cyfrowy model powierzchni terenu (DSM). 34
Zastosowanie kilku długości fali promieniowania laserowego stwarza możliwości do analizy stosunków natężenia powracających sygnałów. Natężenie to zależy wprost od własności spektralnych analizowanych materiałów, a będąc ich cechą unikatową, stanowi podstawę do ich charakterystyki. Otrzymana specyfika sygnałów porównywana zostaje z danymi spektroskopowymi, zgromadzonymi w opracowanej dla celów WLSR bazie danych charakterystyk reflektancyjnych materiałów. Dzięki temu, każdy punkt pomiarowy w terenie może zostać przypisany do odpowiedniej grupy materiałów, co umożliwia wyrysowanie w dedykowanym oprogramowaniu modeli powierzchni z zaznaczoną klasyfikacją oraz identyfikacją analizowanych materiałów. Otrzymane wyniki prezentowane są w postaci pojedynczych linii skanowania lub w postaci cyfrowych modeli (format 2D lub 3D) ukształtowania oraz klasyfikacji pokrycia terenu. Zaimplementowane w oprogramowaniu specjalistyczne algorytmy, umożliwiają również przeszukiwanie zgromadzonych danych pod kątem znalezienia obszarów o zadanych przez użytkownika parametrach, zarówno wysokościowych, jak i reflektancyjnych. Wyniki wyszukiwania prezentowane są dwojako: w postaci map z zaznaczonymi adekwatnymi obszarami, lub w postaci tworzonych plików tekstowych, zawierających informację o konkretnych punktach pomiarowych wraz z informacjami georeferencyjnymi. Daje to możliwość prezentacji otrzymanych danych w sposób bardziej szczegółowy, kompleksowy oraz dostosowany do indywidualnych wymagań użytkownika. 35
Otrzymywane modele ukształtowania powierzchni, wzbogacone o dokładną analizę elementów pokrycia terenu są niezbędnym narzędziem pracy dla firm i organów związanych z urbanistyką oraz planowaniem i zagospodarowaniem przestrzennym. Dodatkowa możliwość pozyskania informacji w sposób dokładny, szybki i tani, umożliwia skuteczny monitoring oraz podstawę do analizy zmian struktury krajobrazu. Urządzenie może mieć także szerokie zastosowanie w leśnictwie (np. przy badaniu wilgotności ściółki), ochronie i monitoringu środowiska (określanie wegetacji oraz parametrów roślin, panujących stresów środowiskowych, chorób roślin, badanie wpływu negatywnych czynników na ekosystemy), rolnictwie (weryfikacji obszaru dopłat z Unii Europejskiej). Skaner może też służyć w aplikacjach z zakresu zarządzania kryzysowego (monitoring zagrożeń), czy w celach militarnych (np. do ujawniania maskowania możliwe jest wykrywanie różnic między naturalnymi roślinami, a materiałami sztucznymi, jak również roślinnością świeżą, a ściętą, służącą do maskowania żołnierza i sprzętu). Małe gabaryty głowicy WLSR umożliwiają zainstalowanie jej na bezzałogowych platformach latających, co jest szczególnie istotne w przypadku analizy miejsc trudnodostępnych lub niebezpiecznych. Skaner WLSR jest pierwszym na skalę światową urządzeniem, dającym możliwość tak kompleksowego, a jednocześnie precyzyjnie dostosowanego do potrzeb użytkowników zdalnego badania ukształtowania oraz charakterystyki pokrycia terenu. W wyniku realizacji projektu powstały: Publikacje: 1. Multispectral Laser Head for Terrain Identification and Analysis Artykuł, Czasopismo: ACTA PHYSICA POLONICA A, Tom: 124 Zeszyt: 3 Zygmunt Mierczyk, Marek Zygmunt, Mirosława Kaszczuk, Michał Muzal; IF 0,604 Instytut Optoelektroniki, Opublikowano: 2013-09-01, 2. Analysis of reflectance characteristics of selected plants Artykuł, Czasopismo: PROCEEDINGS OF SPIE, Tom: 8040 Mirosława Kaszczuk, Zygmunt Mierczyk, Marek Zygmunt, Wiesław Piotrowski, Jadwiga Mierczyk Instytut Optoelektroniki, Opublikowano: 2011-06-09, 3. Correction of reflectance characteristics of chosen natural and anthropogenic materials for an airborne laser scanning system Artykuł, Czasopismo: PROCEEDINGS OF SPIE, Tom: 7110 Mirosława Kaszczuk, Marek Zygmunt, Jadwiga Mierczyk Instytut Optoelektroniki, Opublikowano: 2008-10-14. Wystąpienia konferencyjne: 1. Z. Mierczyk, K. Kopczyński, M. Zygmunt, Multispektralne systemy teledetekcji laserowej, 9 Sympozjum Techniki Laserowej, Szczecin 2009; 36
2. M. Kaszczuk, M. Zygmunt, J. Mierczyk, j. Wojtanowski, Metoda korekcji charakterystyk reflektancyjnych dla skanera laserowego średniego zasięgu, 9 Sympozjum Techniki Laserowej, Szczecin 2009; 3. M. Kaszczuk, Z. Mierczyk, M. Zygmunt, T. Drozd, A. Gawlikowski, A.j Gietka, P. Knysak, A. Młodzianko, M. Muzal, W. Piotrowski, J. Wojtanowski; Analiza charakterystyk reflektancyjnych wybranych materiałów naturalnych mogących służyć do maskowania obiektów militarnych; XXIV Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Ochrona Ludności Przed Skutkami Nadzwyczajnych Zagrożeń Ekomilitaris 2010; 7-10 Września 2010; Zakopane; 4. Z. Mierczyk, M. Zygmunt, T. Drozd, A. Gietka, A. Gawlikowski, M. Jakubaszek, M.Kaszczuk, P. Knysak, A. Młodzianko, M. Muzal, W. Piotrowski, R. Ostrowski, J. Wojtanowski; Wielospektralna głowica laserowa do rozpoznania i analizy elementów terenu z przeznaczeniem do zastosowań na platformach bezzałogowych; I Warsztaty Robotyka w astronautyce i aeronautyce ; 8-9.06, 2011; Warszawa; 5. Z Mierczyk, M. Zygmunt, M, Kaszczuk, M, Muzal, Multispectral Laser Head for Terrain Identification and Analysis, 6 Konferencja Integrated Optics Sensors, Sensing Structures and Methods, 26,02 01,03,2012r. Szczyrk, 6. Mirosława Kaszczuk, Marek Zygmunt, Wykorzystanie charakterystyk reflektanyjnych w rozpoznaniu obrazowym z zakresu bliskiej podczerwieni, XI Konferencja Naukowo- Techniczna: Systemy Rozpoznania i Walki Radioelektronicznej, Ołtarzew, 21-23 listopada 2016r. Doktorat: Wyznaczenie parametrów reflektancyjnych materiałów w celu ich rozpoznania przez wielospektralny skaner laserowy autor: mgr inż. Mirosława Kaszczuk promotor: prof. dr hab. inż. Zygmunt Mierczyk; 2011; Aktualnie z firmą KenBIT Koenig i Wspólnicy SpJ trwają rozmowy odnośnie komercjalizacji i wdrożenia urządzenia do produkcji. Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na stworzeniu koncepcji i architektury systemu, opracowaniu algorytmów przetwarzania sygnałów na sprzęt oraz post processing u, a także kierowaniu pracą. Mój udział szacuję na 25 %. 37
5.8. M. Zygmunt, P. Knysak, J. Wojtanowski, M. Jakubaszek, M. Muzal ; 2016 Opracowanie modułu dalmierza laserowego z możliwością implementacji funkcji identyfikacji swój-obcy ; Telesystem-Mesko Sp. z o.o. Opracowany moduł przeznaczony jest do współpracy z różnymi systemami uzbrojenia wyposażonymi w tor celowniczy, np. celownik termowizyjny, kolimatorowy itp. Możliwość zaimplementowania funkcji identyfikacji obiektów na polu walki, na potrzeby własne lub innych środków ogniowych niewyposażonych w tego typu możliwości. W ramach projektu opracowane zostały układy optyczne, mechaniczne oraz elektroniczne. Zastosowane zostały autorskie algorytmy przetwarzania sygnałów. Opracowane rozwiązanie może stanowić bazę dla szeregu innych zastosowań. Poniżej przedstawiono wybrane parametry techniczne. Dane techniczne Nadajnik Typ Lasera Długość Fali Rozbieżność wiązki Półprzewodnikowy 905 nm 3 mrad x 0.5 mrad Norma Bezpieczeństwa PN 60825-1:2010 Klasa 1 38
Parametry pomiarowe Zasięg minimalny Zasięg maksymalny Dokładność (1 ) Częstotliwość pomiarów 2 m 1 000 m1 1 m 1 Hz Parametry elektryczne Napięci zasilania Pobór mocy (praca) Pobór mocy (stand-by) 6 16 VDC < 2 W < 700 mw Dopuszczalne warunki zewnętrzne Temperatura pracy (praca) - 40 C +50 C Temperatura przechowywania - 50 C +65 C Gabaryty Wymiary (D x S x W) Masa 90 mm x 49 mm x 71 mm 235 g Komunikacja Interfejs danych RS232 LVTTL 1 ) przy pomiarze do celu standardowego 2.3 m x 2.3 m, współczynniku reflektancji 10 %, widzialności 10 km oraz czasie pomiaru 0.5 s 39
Urządzenie jest efektem realizacji kilku projektów: 1. Moduł dalmierza z nadajnikiem laserowym 905nm PBU/636/2011/WAT; PCO S.A., 2. System ostrzegania przed opromieniowaniem laserowym dla pojedynczego żołnierza z elementami swój-obcy, PBR/15-355/2009/WAT, 12.2009-12.2011; NCBR, 3. Celownik termowizyjny kompatybilny z systemem C4ISR ISW TYTAN, zintegrowany z wyświetlaczem nahełmowym, modułem laserowego systemu identyfikacji "swój-obcy" (IFF) z możliwością zdalnego sterowania głównymi funkcjami celownika PBR/15-291/2012/WAT; NCBR. Oraz doktoratów: 1. mgr inż. Tadeusz Drozd, przewód doktorski Optymalizacja metody impulsowej laserowej transmisji danych Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna, 2012-2017 pełniłem funkcję promotora pomocniczego, 2. mgr inż. Piotr Knysak, przewód doktorski Opracowanie metody laserowej transmisji danych z zastosowaniem ciekłokrystalicznego modulatora współczynnika odbicia Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna, 2012-2018 pełniłem funkcję opiekuna naukowego, 3. mgr inż. Michał Muzal, przewód doktorski Metoda precyzyjnego wyznaczania odległości do zastosowań w laserowym pomiarze prędkości obiektów Instytut Optoelektroniki, Wojskowa Akademia Techniczna, 2012-2018 pełniłem funkcję promotora pomocniczego. Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na kierowaniu pracą, opracowaniu koncepcji i architektury modułu, jestem także współautorem algorytmów przetwarzania sygnałów. Mój udział szacuję na 30 %. 40
5.9. M. Zygmunt, P. Knysak, J. Wojtanowski, A. Młodzianko, R. Ostrowski, 2014 Opracowanie Systemu Obrony Aktywnej sensor optoelektroniczny ; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej System obrony aktywnej służy do ochrony pojazdu przed nadlatującymi pociskami. Musi być zatem wyposażony w sensory, które w sposób jednoznaczny określą położenie zbliżającego się pocisku względem ochranianego pojazdu, z dokładnością i wyprzedzeniem wymaganym przez destruktor. W ramach projektu opracowano pasywny sensor optoelektroniczny wraz z systemem zarządzania. Sensor wykrywa nadlatujące pociski określa ich pozycję i uruchamia destruktor. System jest dedykowany do zastosowań w przypadku pocisków poruszających się z prędkościami do 2000 m/s. Rys. 9. Głowica detekcyjna z zestawem sensorów umocowana na rampie (badania poligonowe) 41
System osiągnął VI poziom gotowości technologii. Prawdopodobieństwo detekcji podczas badań poligonowych systemu wyniosło 100 % a poziom fałszywych alarmów 0 %. System był prezentowany dedykowanym odbiorcom podczas spotkań w różnych instytucjach MON oraz podczas targów MSPO w Kielcach. Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na stworzeniu koncepcji i architektury sensora, opracowaniu algorytmów przetwarzania sygnałów, a także kierowaniu pracą. Mój udział szacuję na 35 %. 42
5.10. M. Zygmunt, P. Knysak, J. Wojtanowski, A. Młodzianko, M. Muzal, M. Jakubaszek, T. Drozd; 2017 Opracowanie inteligentnego antypocisku do zwalczania pocisków przeciwpancernych - sensor optoelektroniczny ; Instytut Optoelektroniki Wojskowej Akademii Technicznej Inteligentny antypocisk jest jednym z elementów systemu obrony aktywnej. Rozróżnia się obronę w strefie przyburtowej (element opisany w pkt. 5.9 spełnia to kryterium), obronę w strefie bliskiej, tzn. na odległości ok. 10 20 m od chronionego obiektu i obronę w strefie dalekiej - powyżej 20 m. Inteligentny antypocisk został opracowany do niszczenia nadlatujących pocisków w strefie bliskiej. Antypocisk jest odpalany jeśli sensor radarowy wykryje zbliżający się pocisk oraz określi jego położenie w przestrzeni z założoną dokładnością. Antypocisk wyposażony jest w pasywną głowicę optoelektroniczną, która uruchamia destruktor znajdujący się za głowicą jeśli nadlatujący pocisk znajdzie się w optymalnym (ze względu na zdolność do zniszczenia) położeniu. Rys. 10. Antypocisk na wyrzutni 43
Rys. 11. Seria zdjęć ilustrująca działanie inteligentnego antypocisku. Pocisk przeciwpancerny PG-7 (po lewej), antypocisk z pasywną głowicą optoelektroniczną (po prawej) 44
System był prezentowany dedykowanym odbiorcom podczas spotkań w instytucjach MON oraz u podmiotów przemysłowych grupy PGZ. Aktualnie prowadzone są prace mające na celu zbudowanie systemu docelowego, opartego na technologiach opracowanych w ramach projektów przedstawionych w pkt. 5.9 i 5.10. Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na stworzeniu koncepcji i architektury sensora, opracowaniu algorytmów przetwarzania sygnałów, a także kierowaniu pracą. Mój udział szacuję na 35 %. 45
5.11. M. Zygmunt, M. Muzal, T. Drozd, J. Wojtanowski, A. Gawlikowski; 2015 Opracowanie zapalnika zbliżeniowego dla pocisków rakietowych ; Telesystem-Mesko Sp. z o.o. Zadaniem zapalnika zbliżeniowego jest uruchomienie destruktora rakiety w sytuacji, gdy rakieta mija cel. Zapalnik posiada sześć torów pomiarowych mierzących odległość z częstotliwością 50 khz, dokładnością kilku centymetrów na odległości do kilkunastu metrów. Dzięki zaawansowanym algorytmom przetwarzania uzyskanej chmury punktów, zapalnik działa poprawnie nawet w trudnych warunkach atmosferycznych (opady deszczu). Rys. 12. Widok zapalnika zbliżeniowego, zamkniętego w obudowie (po lewej) oraz z widoczną elektroniką (po prawej) Mój wkład w zrealizowaniu tego osiągnięcia polegał na stworzeniu koncepcji i architektury zapalnika, opracowaniu algorytmów przetwarzania sygnałów, a także kierowaniu pracą. Mój udział szacuję na 30 %. 46