Литература

Лазерная локация земли и леса

3.4. Вопросы безопасного использования лидаров

Излучение лидаров представляет угрозу для здоровья людей в смысле возможного поражения органов зрения и ожогов кожи. Причем на практике наибольшее внимание уделяется только угрозе зрению случайных наземных наблюдателей, так как ожоги кожи возможны только на очень близких расстояниях (первые метры), т.е. только в лабораторных условиях, где с прибором работает специально обученный персонал с соблюдением всех норм безопасности.

Вопросы безопасного использования лидаров оказывают существенное влияние на методику выполнения лазерно-локационной съемки. Как будет показано ниже, обеспечение безопасности на практике сводится к определению минимально допустимой высоты полета, которое для некоторых моделей лидаров может составлять несколько сот метров. Понятно, что это ограничение существенно, так как высота съемки является одним из главных параметров, прямо влияющих на детальность (плотность сканирования), точность и ширину полосы захвата.

Подходы к определению минимально допустимой высоты лазерно-локационной съемки различны в разных странах. Авторы руководствовались в основном американскими и российскими методическими разработками в этой области. В первом случае речь идет об обстоятельном «American National Standard for Safe Use ofLaser», который в принципе сам по себе достаточен для того, чтобы определить параметры безопасного использования конкретного лидара при тех или иных условиях съемки. Российский стандарт «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров» отличается меньшей конкретностью.

Методика расчета параметров безопасного применения лидаров достаточно сложна, поэтому рассмотрим только выводы:

  1. Прежде всего все производимые в мире аэросъемочные лидары в части проблемы безопасности для зрения могут быть разделены на две большие категории – опасные и безопасные. Примеры представлены в таблице 11.
  2. Как видно из таблицы, степень опасности для зрения определяется рабочей длиной волны излучения. Лидары с длиной волны порядка 1.0 мкм оказываются самыми опасными (наивысший IV класс опасности по американской классификации), а лидары с длиной волны около 1.5 мкм оказываются самыми безопасными (низший I класс опасности).

    Таблица 11. Классификация аэросъемочных лидаров распространенных типов по степени опасности для зрения
    Факторы опасности Опасные – рабочая длина волны излучения около 1.0 мкм Безопасные – рабочая длина волны излучения около 1.5 мкм
    Модели аэросъемочных лидаров Optech ALTM 3100, Leica ALS-50 IGI LiteMapper, TopoSys Falcon

    Для примера укажем: в нормальных условиях съемки для ALTM 3100 минимально допустимая высота съемки составляет 550 м, а для LiteMapper – 0.5 м. Такое принципиальное различие     объясняется тем, что стекловидное тело глаза в значительной степени прозрачно на длине волны 1.0 мкм и почти полностью непрозрачно на длине волны 1.5 мкм. Поэтому лазерное излучение на длине волны 1.5 мкм не может достигнуть сетчатки и вызвать ожог, все это излучение будет поглощено стекловидным телом глаза. Напротив, лазерное излучение с длиной волны около 1.0 будет сфокусировано хрусталиком и без серьезного ослабления достигнет сетчатки, что при превышении порогового значения поверхностной плотности энергии может привести к ожогу сетчатки.

    Однако сказанное не означает, что лидары с рабочей длиной волны 1.5 мкм предпочтительны из-за своей почти полной безопасности. Вспомним, что стекловидное тело глаза почти полностью состоит из воды. Именно благодаря этому обстоятельству оно оказывается почти полностью непрозрачным – вода интенсивно поглощает электромагнитное излучение на длине волны 1.5 мкм. Но это обстоятельство имеет и одно крайне неблагоприятное последствие для практического применения аэросъемочных лидаров с рабочей длиной волны излучения 1.5 мкм – такие приборы крайне зависимы от содержания водяного пара в атмосфере. Иными словами, они «слепнут» даже при незначительном снижении метеорологической дальности видимости, в условиях даже самой легкой дымки. Кроме того, по понятным причинам лазерные импульсы на этой длине волны не дают отражений от водных (водоемов) и увлажненных (болота) поверхностей, а также от всех объектов, на поверхности которых по любым причинам образовался слой влаги (например, выпадение росы).

  3. Оценка минимально допустимой высоты и других параметров выполнения лазерно-локационной съемки проводится на основе вычисления суммарной энергии лазерных импульсов, которые в результате попадания на сетчатку могут вызвать ее нагрев выше допустимого уровня. Иными словами, имеет значение не только энергия каждого конкретного лазерного импульса. Если по условиям съемки глаз наблюдателя могут поразить несколько импульсов подряд, то эту возможность также следует учитывать.
  4. Опасность поражения сетчатки тем выше, чем выше энергия одиночного импульса и чем меньше расстояние до источника излучения. Причем интенсивность главного поражающего фактора поверхностной плотности энергии излучения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Т.е. при снижении высоты съемки меньше допустимого порога опасность для зрения возрастает в квадратичной зависимости.
  5. В лидарах типа ALTM 3100 либо ALS-50 в качества инструмента развертки используется сканирующее зеркало. В конце каждой строки сканирования движение зеркала замедляется, затем на очень короткое время останавливается и начинает движение в обратном направлении. Именно в такие моменты создаются условия, когда глаз наблюдателя может быть поражен более чем одним лазерным импульсом. Т.е. для приборов с таким типом развертки параметры сканирования (амплитуда, частота) также прямо влияют на безопасность использования.
  6. Вероятность поражения сетчатки выше ночью, чем днем, так как в ночное время зрачок полностью расширен. Так как в оптической системе глаза зрачок выполняет функции действующей диафрагмы, то понятно, что в ночное время сетчатка подвергнется воздействию максимальной дозы излучения. По этой же причине поражающий фактор лазерного излучения практически неограниченно возрастает при использовании оптических приборов (биноклей, монокуляров).
  7. В лидарах типа ALTM компании Optech используется специальный прием, призванный значительно снизить значение минимально допустимой высоты безопасной съемки. За счет минимального усложнения оптической схемы (фактически за счет использования одной дополнительной линзы) появляется возможность увеличить расходимость зондирующего лазерного луча с 0.2 до 0.7 мрад. Иными словами, лазерный луч «уширяется». Понятно, что такая опция приводит к пропорциональному снижению поверхностной плотности энергии луча, и следовательно к возможности выполнять безопасную съемку на меньших высотах. В ALTM 3100 введение такой опции позволяет снизить минимально допустимую высоту с 550 до 80 метров.

В заключение данного раздела отметим, что все методы оценки безопасных условий эксплуатации аэросъемочных лидаров, в частности значения минимально допустимой высоты, используют статистический подход. Т.е. строго говоря на 100% безопасность не гарантируется. Однако соблюдение установленных правил гарантирует, что статистическая вероятность наступления неблагоприятного исхода пренебрежимо мала.