تويت
ليدار LIDAR (light detecting and ranging) - -
الليدار
يعني المصطلح ليدار LIDAR المشتق من الكلمات Light Detection and Ranging استخدام الليزر للاستشعار عن بعد. إذ يمكن باستخدام المرسِلات الليزرية والمستقبِلات الخاصة بها الحصول على معلومات عن بعد، حول الغلاف الجوي خصوصاً وحول الأرض عموماً. يتم بوساطة الليدار قياس تركيز المعلَّقات aerosols في الجو من غبار وسُحُب، كما يستخدم لقياس تركيز العديد من الغازات الملوِّثة كثنائي أكسيد الآزوت، وثنائي أكسيد الكبريت والكلور والأوزون وبخار الماء وغاز النشادر وغيرها. كما يمكن أيضاً استخدامه لقياس الملوثات البيولوجية والعضوية المختلفة، وكذلك الغازات السامة الموجودة في الجو.
مخطط مبدأ عمل الليدار
يقوم مبدأ عمل الليدار على إرسال نبضة ليزرية قصيرة عرضها الزمني من مرتبة عشرات النانو ثانية وطاقتها تراوح بين الملي جول ومئات الملي جول (بحسب مدى الكشف)، ثم استقبال الأشعة المتبعثرة المرتدة باتجاه الخلف بوساطة مستقبل ضوئي يحوِّل الضوء إلى إشارة كهربائية يتم تضخيمها وتسجيلها، بحسب الزمن المحسوب بدءاً من لحظة انطلاق النبضة الليزرية من المرسل. يتم تحويل الزمن إلى مسافة باستخدام العلاقة: المسافة = نصف الزمن × سرعة الضوء في الهواء.
يستخدم الليدار ظاهرة تفاعل الليزر مع مكوِّنات الغلاف الجوي، حيث تتفاعل الأشعة الليزرية مع مكوِّنات الغلاف الجوي وفق عدد من الآليات منها:
1- تبعثر رايلي Rayleigh scattering: ويتم بوساطة جزيئات أبعادها أصغر من طول موجة الضوء المستخدم، وسببه الأساسي في الغلاف الجوي الغازات المختلفة المكوِّنة له (الآزوت، أكسجين، ثنائي أكسيد الكربون، بخار الماء…).
2- تبعثر مي Mie scattering: ويتم بوساطة المعلَّقات، ويصبح قوياً من أجل المعلَّقات التي أبعادها من مرتبة طول موجة الليزر أو أطول منه، ويعطي إشارة مرتدة تتعلق بقياس أبعاد المعلقات وتركيزها ويستخدم أساساً لقياس المعلَّقات في الجو.
3- تبعثر رامان Raman scattering: ويتم أساساً بوساطة جزيئات الغازات، ويختلف عن الآليتين المذكورتين أعلاه، بحدوث تغير طفيف في طول موجة الليزر المستخدم، ويكون هذا التغير مميزاً لكل نوع من الغازات، ويستخدم لتعرف غازات محددة وقياس تركيزها.
4- التألق fluorescence: وتقوم فيه الجزيئات بإصدار عدد من الفوتونات بطول موجة محدد نتيجة حثِّها بشعاع ليزري مناسب.
5- الامتصاص :absorption وتقوم الجزيئات في هذه العملية بامتصاص جزء من فوتونات الشعاع الليزري الوارد وتنتقل بعدها إلى حالة مثارة.
كما يوجد تقنية أخرى، تعتمد استخدام طريقة مركَّبة من التبعثر والامتصاص لسير الغازات الضارة في الغلاف الجوي وتدعى تقنية الليدار بالامتصاص التفاضلي Differential Absorption Lidar أو DIAL. ويستخدم فيها زوجان متقاربان من الأطوال الموجية أحدهما تمتص جزيئات الغاز فوتوناته جيداً والثاني لا تمتصها. تسجل إشارة التبعثر المرتدة عند طول الموجة الأولى، وكذلك عند طول الموجة الثانية والفرق بينهما متعلق بوجود جزيئات الغاز في الجو أو انعدام ذلك.وباستخدام صيغة رياضية محددة يتم قياس تركيز الغاز وتوزعه حسب المسافة. وبالقيام بعمليات المسح بوساطة المرايا الماسحة الدوّارة يمكن سبر منطقة كاملة من الجو وحساب التوزع الجغرافي للغازات الضارة فيها. كما يمكن استخدام برمجيات متطورة لتتبع حركة سحب الغازات الضارة ومراقبة تركيزها في المدن ومراقبة تجاوزها للتركيز المسموح من قبل الهيئات الصحية. كما يمكن استخدام الليدار في حال وقوع حوادث أو حرائق في المنشآت والمصانع الكيميائية لسبر الجو في منطقة الحادث والتأكد من درجة خطورة الغازات الناتجة من هذه الحوادث.
يمكن استخدام الليدار أيضاً لقياس سرعة الرياح عن بعد، وذلك باستخدام ليزر ذي تردد مستقر، وإعادة مزج الإشارة الراجعة من الجو مع جزء من أشعة الليزر المستقر أو مع ليزر آخر مستقر ترددياً. ويكون الناتج إشارة ترددها متناسب مع سرعة الرياح، بسبب انزياح دوبلر المعروف والناتج من حركة الجزيئات التي تتفاعل مع الشعاع الليزري.
سليم نوح
الليدار
يعني المصطلح ليدار LIDAR المشتق من الكلمات Light Detection and Ranging استخدام الليزر للاستشعار عن بعد. إذ يمكن باستخدام المرسِلات الليزرية والمستقبِلات الخاصة بها الحصول على معلومات عن بعد، حول الغلاف الجوي خصوصاً وحول الأرض عموماً. يتم بوساطة الليدار قياس تركيز المعلَّقات aerosols في الجو من غبار وسُحُب، كما يستخدم لقياس تركيز العديد من الغازات الملوِّثة كثنائي أكسيد الآزوت، وثنائي أكسيد الكبريت والكلور والأوزون وبخار الماء وغاز النشادر وغيرها. كما يمكن أيضاً استخدامه لقياس الملوثات البيولوجية والعضوية المختلفة، وكذلك الغازات السامة الموجودة في الجو.
مخطط مبدأ عمل الليدار
يقوم مبدأ عمل الليدار على إرسال نبضة ليزرية قصيرة عرضها الزمني من مرتبة عشرات النانو ثانية وطاقتها تراوح بين الملي جول ومئات الملي جول (بحسب مدى الكشف)، ثم استقبال الأشعة المتبعثرة المرتدة باتجاه الخلف بوساطة مستقبل ضوئي يحوِّل الضوء إلى إشارة كهربائية يتم تضخيمها وتسجيلها، بحسب الزمن المحسوب بدءاً من لحظة انطلاق النبضة الليزرية من المرسل. يتم تحويل الزمن إلى مسافة باستخدام العلاقة: المسافة = نصف الزمن × سرعة الضوء في الهواء.
يستخدم الليدار ظاهرة تفاعل الليزر مع مكوِّنات الغلاف الجوي، حيث تتفاعل الأشعة الليزرية مع مكوِّنات الغلاف الجوي وفق عدد من الآليات منها:
1- تبعثر رايلي Rayleigh scattering: ويتم بوساطة جزيئات أبعادها أصغر من طول موجة الضوء المستخدم، وسببه الأساسي في الغلاف الجوي الغازات المختلفة المكوِّنة له (الآزوت، أكسجين، ثنائي أكسيد الكربون، بخار الماء…).
2- تبعثر مي Mie scattering: ويتم بوساطة المعلَّقات، ويصبح قوياً من أجل المعلَّقات التي أبعادها من مرتبة طول موجة الليزر أو أطول منه، ويعطي إشارة مرتدة تتعلق بقياس أبعاد المعلقات وتركيزها ويستخدم أساساً لقياس المعلَّقات في الجو.
3- تبعثر رامان Raman scattering: ويتم أساساً بوساطة جزيئات الغازات، ويختلف عن الآليتين المذكورتين أعلاه، بحدوث تغير طفيف في طول موجة الليزر المستخدم، ويكون هذا التغير مميزاً لكل نوع من الغازات، ويستخدم لتعرف غازات محددة وقياس تركيزها.
4- التألق fluorescence: وتقوم فيه الجزيئات بإصدار عدد من الفوتونات بطول موجة محدد نتيجة حثِّها بشعاع ليزري مناسب.
5- الامتصاص :absorption وتقوم الجزيئات في هذه العملية بامتصاص جزء من فوتونات الشعاع الليزري الوارد وتنتقل بعدها إلى حالة مثارة.
كما يوجد تقنية أخرى، تعتمد استخدام طريقة مركَّبة من التبعثر والامتصاص لسير الغازات الضارة في الغلاف الجوي وتدعى تقنية الليدار بالامتصاص التفاضلي Differential Absorption Lidar أو DIAL. ويستخدم فيها زوجان متقاربان من الأطوال الموجية أحدهما تمتص جزيئات الغاز فوتوناته جيداً والثاني لا تمتصها. تسجل إشارة التبعثر المرتدة عند طول الموجة الأولى، وكذلك عند طول الموجة الثانية والفرق بينهما متعلق بوجود جزيئات الغاز في الجو أو انعدام ذلك.وباستخدام صيغة رياضية محددة يتم قياس تركيز الغاز وتوزعه حسب المسافة. وبالقيام بعمليات المسح بوساطة المرايا الماسحة الدوّارة يمكن سبر منطقة كاملة من الجو وحساب التوزع الجغرافي للغازات الضارة فيها. كما يمكن استخدام برمجيات متطورة لتتبع حركة سحب الغازات الضارة ومراقبة تركيزها في المدن ومراقبة تجاوزها للتركيز المسموح من قبل الهيئات الصحية. كما يمكن استخدام الليدار في حال وقوع حوادث أو حرائق في المنشآت والمصانع الكيميائية لسبر الجو في منطقة الحادث والتأكد من درجة خطورة الغازات الناتجة من هذه الحوادث.
يمكن استخدام الليدار أيضاً لقياس سرعة الرياح عن بعد، وذلك باستخدام ليزر ذي تردد مستقر، وإعادة مزج الإشارة الراجعة من الجو مع جزء من أشعة الليزر المستقر أو مع ليزر آخر مستقر ترددياً. ويكون الناتج إشارة ترددها متناسب مع سرعة الرياح، بسبب انزياح دوبلر المعروف والناتج من حركة الجزيئات التي تتفاعل مع الشعاع الليزري.
سليم نوح