بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاربرد ليدار در مکان يابي احداث سازه هاي ساحلي و فراساحلي
چکيده : سنجش از دور بوسيله ليزر را ليدار (LIDAR١) گويند و تکنيک اندازه گيري عمق آبهاي ساحلي و نواحي کم عمق و ترسيم نقشه هاي کف و ناهمواريها را بوسيله اسکن با پالسهاي ليزري، کف نگاري (HALS٢) گويند.
کاربردهاي خاص کف نگاري ليزري عبارتند از :
انتخاب کانالهاي هدايت و ناوبري، جمع آوري اطلاعات کنار ساحلي در مناطق وسيع ، جمع آوري اطلاعات لنگرگاه و بندرگاه ، انجام پروژه هاي محافظت از سواحل ، انجام پروژه هايي مانند موج شکن و کف روبي، بررسي جزاير مرجاني، مناطق به گل نشيني کشتيها، کانالهاي رفت و آمد به سواحل ، لايه روبي اسکله ها و مطالعات رسوبي و تغيير شکل سواحل .
در مقايسه بين کف نگاري بوسيله ليزر و بقيه روشها مانند سونار مي توان گفت :
استفاده از ليزر بوسيله هواپيما انجام شده در نتيجه سرعت داده برداري بسيار بالاست همچنين در نواحي ساحلي و کم عمق نميتوان از سونارها استفاده کرد در حالي که ليدار براي اين مناطق بسيار کاراست ، در نواحي که خطر غرق شدن کشتي يا به گل نشستن آن وجود دارد ليدار بخوبي جواب مي دهد.
استفاده از ليدار در آبهاي عميق و تيره امکان پذير نبوده که در اين نواحي سونارها قدرت مانور بيشتري داشته همچنين در آشکارش اجسام سخت کمتر از يک متر مربع استفاده از سونارها بر ليدار ارجحيت دارد.
در اين مقاله به بررسي اصول کف نگاري، اندازه گيري عمق و روابط حاکم بر انتشار امواج ليزري در آبهاي کم عمق و ساحلي پرداخته و به معرفي و کاربردهاي ليدار SHOALS٣ در نقشه برداري کنار ساحلي و کاربردهاي آن در مهندسي دريا مي پردازيم . در نهايت نقشه - هاي رسوبات سواحل و بستر و عمق قسمتهاي مختلف خليج فارس که توسط اين سيستم ترسيم شده ارائه مي گردد.
کليد واژه : ليدار، کف نگاري، ليزر، SHOALS.
شکل ١- شمائي از نقشه برداري ليدار هوايي و نقشه ترسيم شده توسط آن
1
١- مقدمه :
امروزه شيوه هاي متعددي در زمينه کف نگاري وجود دارد که معروفترين اين روشها استفاده از سونارهاي سايداسکن و ليدار مي باشد. در بيست و پنج سال اخير، استفاده از سيستمهاي هوايي ليدار کاربردي تر و از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه تر از گذشته شده است .
سيستم هاي ليدار اقيانوس شناسي هوايي داراي کاربردهايي مانند: کف نگاري، مانيتورينگ محيطي، مانيتورينگ جانداران دريايي، آشکارش مين و جنگهاي زير دريا، مي باشند. توسعه اين سيستم ها توسط استراليا، کانادا، سوئد، روسيه و ايالات متحده آمريکا در حال انجام است . امروزه قيمت يک ليدار در حدود ده ميليون دلار (M١٠$) است [٣]. طراحي، ساخت و بکارگيري سيستمهاي کف نگاري هوايي بايستي بگونه اي انجام شود که کيفيت در اندازه گيريها و داده برداري و اندازه گيري عمق مطلوب بوده و کنترل کيفيت و کاليبراسيون بر اساس استانداردهاي موجود رعايت شود. براي نمونه مؤسسه مهندسي ارتش آمريکا[٣]، SHOALS را که يک سيستم منحصر به فرد براي استفاده در کف نگاري هوايي بوده ، طراحي و ساخته است .
٢- تاريخچه :
استفاده از ALB١، از اواسط سال ١٩٦٠ با بوجود آمدن ليزر و کاربرد آن در پيدا کردن زير دريائيها آغاز شد. در سال ١٩٧٠ اولين سيستمهاي ليدار هوايي توسط آمريکا تست شده و همچنين NASA، کانادا و استراليا نيز تستهايي در زمينه ليدار انجام دادند[١و٢].
٣- اصول عملکرد ليدار:
در اثر انتشار يک پالس کوتاه ليزري در محيط ، پخش و جذب روي آن رخ داده که انرژي باز پراکنش پس از مدتي بعـد از ارسـال پـالس اصلي در گيرنده دريافت شده و آناليز تغييرات آن ، اطلاعات بسيار ارزشمندي را مي دهد. شکل ٢ موج خاصـي از ليـدار را کـه از سـطح و کف منعکس شده نشان مي دهد. انعکاسات سطحي در پيک اول و انعکاسات از کف در شکل ٢ نشان داده شده است [٢و٣].
شکل ٢- موج انرژي بازگشتي ليدار [٢و٣]
اختلاف زمان انعکاسات از سطح و کف پس از تصحيحات زاويۀ حضيض براي محاسبۀ عمق بکار مي رود. آشکارش اشياء غوطه ور در آب مشکل بوده زيرا انعکاسات شديد سطحي مانع آشکار شدن آنها مي شود. اما اگر شئ غوطه ور در برابر نور ليزر شفاف نباشد و انعکاس از آبهاي زير آن بوجود نيايد در شکل موج گرفته شده جاهايي سياه شده و جسم قابل شناسايي مي شود.
٤- ليدار و مقايسه آن با سونار:
ترسيم نقشه وکف نگاري از سطح آب در ابعاد وسيع ، بوسيله ليدار قابل انجام است . اطلاعات جمع آوري شده از کف نگاري در مدل سازي طوفانهاي دريايي و مدلسازي شن و ماسه هاي کف نيز بکار مي رود.
کاربردهاي مقدماتي کف نگاري عبارتند از:
A) توانايي نقشه برداري خيلي سريع ، از مناطق وسيع و کوچک با بهترين بازده و هزينه . B) توانايي نقشه برداري و انجام عمليات در مواردي که استفاده از تکنيکهاي آبي، مشکل ، خطرناک يا غير ممکن است [٢و٣]. C) تعيين مسير لوله گذاري يا انجام پروژه هاي زيرآبي [٣]. D) توانايي تحرک و تکرار نمونه برداري از تغييرات دريايي و خطرات . E) توانايي تکميل سريع نقشه ها و بازديد از مسير حرکت خطرات احتمالي مانند يخهاي دريايي .
آزمايشات انجام شده بوسيلۀ ليدارهاي مختلف نشان مي دهد که بسته به نوع پروژه و مکان انجام آن ، ارزش استفاده از ALB نسبت به تکنيکهاي سوناري ١ به ٥ يا ١ به ٢ مي باشد. در شکل ٣ مقايسه اي بين عملکرد ليدار و سونار در مناطق کم عمق نشان داده شده است [٢و٣]. استفاده از کف نگار ليداري براي آشکارش کف با دقت متوسط بکار ميرود، در حالي که از سونارهاي باند باريک براي عکسهاي با
دقت خيلي بالا استفاده مي شود. سيستمهاي ليدار براي آبهاي کم عمق بسيار مفيد هستند. در حالي که سونارهاي چند بيم براي اعماق بيشتر کارايي بهتري دارند. عمق ، شفافيت آب ، اطمينان و محدوديتهاي آبي براي يک منطقۀ مورد نظر شرايطي هستند که ارجحيت را به استفاده از ليدار هوايي يا سيستمهاي سوناري ميدهند. ليدار هوايي يک وسيلۀ جايگزين سونار نيست ، بلکه ابزار جديدي بوده که ارزش سرمايه گذاري بيشتر براي رشد و توسعه را در کنار سونار و براي توسعه آن دارد.
٥- عمق ماکزيمم
يکي از مهمترين محدوديتها براي سيستم ALB، شفافيت آب بوده که مشخص کنندة عمق ماکزيمم است [١و٢و٣]. عمق ماکزيمم قابل اندازه گيري بوسيله سيستمهاي ليزري بستگي به انرژي پالس ليزر، پهناي باند گيرنده اپتيکي، روزنه ، ميدان ديد، بازده سيستم اپتيکي، ميزان نويز الکترونيکي، ارتفاع پرواز، شفافيت آب و بازتاب پذيري کف دارد. براي سيستمهاي با گيرندة مناسب ، ماکزيمم عمق قابل بررسي در نواحي داراي آب تميز بيش از ٥٠ متر بوده و در نواحي کنار ساحلي و آبهاي کدر کمتر از ١٠ متر مي شود. حداقل عمق قابل قبول توسط سيستم عمق سنج ، ٢ تا ٣ برابر عمق سچي (Secchi) است در شکل ٤ يک نمونه ديسک Secchi نشان داده شده است . (عمق Secchi يک استاندارد قديمي است که براساس توانايي چشم انسان در ديدن يک ديسک سفيد و سياه در عمق آب تعريف مي شود). خواص اپتيکي آب درياها، با ضريب تضعيف ديفيوژن ١ K مشخص شده که اين ضريب در طول موج ليزر سبز اندازه - گيري مي شود [٣]. مجموع ضرائب جذب و ديفيوژن را ضريب تضعيف بيم (beam attenuation coefficient)C گويند که با مقدار K تفاوت زيادي دارد. نسبت ، هميشه کوچکتر از يک بوده و در آبهاي ساحلي براي نور
سبز بين مي باشد [٣و٤]. براي يک سيستم با طراحي خوب ماکزيمم عمق قابل بررسي در يک آب شفاف تقريبا برابر n بوده که n يک عدد ثابت است . براي سيستمهاي ALB با گيرندة مناسب ، مقدار n بين در کارکرد روزانه و ٥ براي کارکرد شبانه است [٢و٣]. براي مثال عمق مورد بررسي در آبهاي شفاف با مقدار١−m٠١=k در بررسي روزانه m٣٥-٣٠ مي باشد. مقدار n در هنگام روز بستگي به پهناي باند فيلتر اپتيکي سيستم و ميزان تشعشع خورشيد دارد.
٦- قسمتهاي مختلف ليدار:
همه سيستم هاي ليدار شامل بلوک دياگرام مشابهي هستند[١و٢] يکي از اجزاء مهم ليدار، فرستنده ليزري توان بالا بوده و توليد پالس ليزري بعهده آن است . يکي ديگر از اجزاء، اسکنر اپتيکي يا فرستنده و گيرندة اپتيکي بوده و براي اسکن به کار مي رود. به طور معمول يک فيلتر براي حذف نور خورشيد در کارکرد روزانه و نور ماه در کارکرد شبانه به کار مي رود. يکي ديگر از اجزاء، آشکار ساز بوده که فوتونهاي نوري را به انرژي الکتريکي تبديل مي کند. سيگنال الکتريکي توسط
يک پردازشگر، رقمي شده و آناليز مي شود. سپس سيگنال ذخيره يا نمايش داده شده و توسط اپراتور به کار گرفته مي شود. در شکل ٥ شماي کلي از کارکرد يک ليدار رسم شده است .
٦-١- ليزر
پيشرفت و توسعه در تکنولوژي ليزر بکار گرفته شده در ليدار اهميت فراواني دارد.
سيستم هاي ليزري پرخرج بوده ، حجم بزرگي داشته ، بازده کمي داشته ، سنگين بوده و اطمينان پاييني در عملکرد ثابت دارند. امروزه ليزر Nd:YAG در طول موج nm٥٣٢ بيشترين استفاده را در سيستمهاي ليداري پيدا کرده که دليل آن ٥ برابر بودن بازده آنها نسبت به ليزر در طول موج آبي (nm٤٨٠) است [٣و٤]. توان ورودي و گرماي بدست آمده در توليد اين ليزرها کماکان نقش اصلي را در طراحي سيستمهاي ليزري دارند. با توجه به ارتباط انتشار و طول موج ليزر در آب ، براي کاربردهاي مختلف در ليدار نياز به انواع مختلف ليزر مي باشد. براي مثال در آشکارش کف نياز به ليزر سبز بوده که نفوذ خوبي در آب داشته در حالي که براي آشکارش سطح از پرتوهاي IR که نفوذ خوبي نداشته استفاده مي شود. از آنجا که سرعت گيرنده ها و پردازشگر در مقايسه با سرعت نور خيلي پايين تر است از ليزرهاي پالسي به جاي ليزر
