ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΑΤΤΙΚΗΣ 2000-2006 «ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΤΥΠΩΣΗΣ (ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΗΣΗΣ) ΤΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΤΗΣ ΕΚΤΙΜΟΥΜΕΝΗΣ ΕΚΘΕΣΗΣ ΠΛΗΘΥΣΜΟΥ ΣΤΗΝ ΑΤΤΙΚΗ» Κωδικός έργου : TΠ 111 Ανάδοχος Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. «ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ» « ΣΧΕΔΙΑΣΗ, ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΣΑΡΩΣΗΣ LIDAR ΣΤΑ ΠΛΑΙΣΙΑ ΤΟΥ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ “ΑΕΡΟΜΕΤΡΗΣΗ” » Γεώργιος K. Αυδίκος, Δρ.

Αντικείμενο και στόχος του προτεινόμενου έργου είναι η σχεδίαση, ανάπτυξη και κατασκευή ενός ολοκληρωμένου, καινοτόμου συστήματος υψηλής τεχνολογίας, για την ανίχνευση, καταγραφή και χαρτογραφική απεικόνιση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης σε αστικές και ημι-αστικές περιοχές της Αττικής. Η παράμετρος της ατμοσφαιρικής ρύπανσης που θα καταγράφεται είναι η συγκέντρωση μάζας των Αιωρούμενων Σωματιδίων (ΑΣ), η οποία αποτελεί σήμερα τον πιο σημαντικό παράγοντα επιβάρυνσης του περιβάλλοντος και της υγείας του πληθυσμού.

RAYMETRICS - Outline Στόχος Παραδοτέα Μεθοδολογία Καινοτομία Τεχνική Lidar Υποσυστήματα (Laser, Ηλεκτρονικά, Οπτικά) Ολοκλήρωση Λογισμικό (Ευθυγράμμιση, Λήψη δεδομένων, Επεξεργασία, Απεικόνιση) Δεδομένα (ΕΜΠ – Τομέας Φυσικής)

RAYMETRICS - Στόχος Στόχος: Σχεδίαση και ανάπτυξη οργάνου τηλεπισκόπησης της ατμόσφαιρας με χρήση ακτινοβολίας laser (τεχνική LIDAR), το οποίο θα αποτελέσει το όργανο μέτρησης της κύριας παραμέτρου του παραδοτέου συστήματος. Με την ανάπτυξη του συστήματος LIDAR οριζοντίου σάρωσης θα δημιουργείται ένας πίνακας δεδομένων οπισθοσκεδαζόμενου σήματος φωτεινής ακτινοβολίας με χωρική διακριτότητα μερικών δεκάδων μέτρων και κάλυψη απόστασης μερικών χιλιομέτρων. Η ένταση του σήματος αυτού θα συσχετισθεί με τη συγκέντρωση μάζας των αιωρούμενων σωματιδίων. Lidar Data ΣΜ Aerosols Περιβάλλον, Υγεία

RAYMETRICS - Παραδοτέα Εξελιγμένο σύστημα LIDAR βασισμένο σε Laser στερεάς κατάστασης Nd:YAG, με δυνατότητα σάρωσης, ικανό να παρέχει μετρήσεις των αιωρούμενων σωματιδίων στην ατμόσφαιρα. 2. Λογισμικό για την καταγραφή, ανάλυση και απεικόνιση των δεδομένων που συλλέγονται από τη συσκευή LIDAR

RAYMETRICS - Μεθοδολογία Κριτήρια επιλογής μεθόδου Η επιλογή της συγκεκριμένης μεθόδου για την ανίχνευση και καταγραφή της ατμοσφαιρικής ρύπανσης (αιωρούμενα σωματίδια) έγινε με βασικά κριτήρια την: ευαισθησία της μεθόδου LIDAR, δυνατότητα καταγραφής της ατμοσφαιρικής ρύπανσης με μεγάλη χωρική (~ 7.5 m) και χρονική ακρίβεια (~ 1 min), δυνατότητα μέτρησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης από απόσταση (χωρίς αλλοίωση του μετρούμενου δείγματος), γεγονός που αποτελεί βασικό πλεονέκτημα και πρωτοτυπία έναντι των συμβατικών σημειακών μετρήσεων που διαθέτει το δίκτυο παρακολούθησης της ατμοσφαιρικής ρύπανσης δυνατότητα αποτελεσματικής διάχυσης της τελικής πληροφορίας που προκύπτει από τις επιστημονικές μετρήσεις σε ένα μεγάλο πλήθος φορέων.

RAYMETRICS - Μεθοδολογία Προσδιορισμός των λειτουργικών & τεχνολογικών προδιαγραφών Η δραστηριότητα αυτή προσδιόρισε τις λειτουργικές και τεχνολογικές προδιαγραφές του συστήματος λαμβάνοντας υπ’ όψη: τις απαιτήσεις της τελικής εφαρμογής, τον συνολικό προϋπολογισμό του έργου και τον χρόνο ολοκλήρωσης του έργου.

RAYMETRICS - Μεθοδολογία

RAYMETRICS - Μεθοδολογία Οπτικός και Μηχανολογικός σχεδιασμός Βάσει των προδιαγραφών που προσδιορίστηκαν, πραγματοποιήθηκε η παραμετρική μελέτη και ο σχεδιασμός του οπτικού συστήματος. Αυτός περιέλαβε τα οπτικά υποσυστήματα εκπομπής και λήψης της ακτινοβολίας καθώς και το υποσύστημα φασματικού διαχωρισμού. Στη συνέχεια δημιουργήθηκαν τα Μηχανολογικά Σχέδια βάσει των οποίων πραγματοποιήθηκε η μηχανολογική κατασκευή του πρωτοτύπου.

RAYMETRICS - Μεθοδολογία Ανάπτυξη και κατασκευή υποσυστημάτων Η δραστηριότητα αυτή κάλυψε την ανάπτυξη και κατασκευή των κάτωθι υποσυστημάτων: - Μεταλλικά μέρη και εξαρτήματα. - Οπτικό σύστημα εκπομπής / συλλογής ακτινοβολίας. - Ηλεκτρονικό σύστημα καταγραφής σήματος. Ολοκλήρωση των υποσυστημάτων σε ενιαίο σύστημα Lidar Στα πλαίσια της δραστηριότητας πραγματοποιήθηκε η ολοκλήρωση των υποσυστημάτων σε ένα ενιαίο σύστημα lidar.

RAYMETRICS - Μεθοδολογία Ανάπτυξη Λογισμικού Ανάλυσης και Απεικόνισης Δεδομένων Στα πλαίσια της δραστηριότητας αναπτύχθηκε: Λογισμικό ελέγχου και λειτουργίας της συσκευής Λογισμικό Ανάλυσης Δεδομένων αιωρούμενων σωματιδίων. Η ανάλυση αυτή βασίστηκε στον αλγόριθμο του Klett και παρέχει πληροφορίες για τον συντελεστή οπισθοσκέδασης των αιωρούμενων σωματιδίων. Λογισμικό Απεικόνισης δεδομένων και διάχυσης των δεδομένων

RAYMETRICS – Η Τεχνική Lidar Η λειτουργία μιας διάταξης LIDAR συνίσταται στην διάδοση ενός παλμού laser στην ατμόσφαιρα, στην αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με τα συστατικά της ατμόσφαιρας (στην περίπτωση μας των αιωρούμενων σωματιδίων ΑΣ) και στην ανίχνευση ενός μέρους της ακτινοβολίας που επιστρέφει, από κάποιο κατάλληλο ανιχνευτικό σύστημα.

RAYMETRICS – Καινοτομία Το σύστημα έχει τη δυνατότητα να εκτελεί σαρώσεις στο οριζόντιο και κατακόρυφο επίπεδο. Έτσι η λειτουργία του δεν περιορίζεται στην κατακόρυφη διάδοση στην ατμόσφαιρα (όπως συμβαίνει με την πλειοψηφία των συστημάτων lidar) αλλά μπορεί να καταγράφει την κατανομή των αιωρούμενων σωματιδίων σε οποιοδήποτε επίπεδο. Ένα άλλο σημαντικό σημείο είναι η συμμόρφωση της οπτικής διάταξης με τις απαιτήσεις Προστασίας Ίριδας Ματιού ΕΝ 60 825-1. Η συμμόρφωση αυτή είναι απαραίτητη δεδομένου ότι: α) το lidar θα καταγράφει την αέρια ρύπανση σε αστικό και ημι-αστικό περιβάλλον με εξαιρετικά μεγάλη πυκνότητα πληθυσμού, β) η λειτουργία του δεν περιορίζεται στην κατακόρυφη διάδοση στην ατμόσφαιρα αλλά θα περιλαμβάνει και διάδοση υπό γωνία και γ) θα μπορεί να λειτουργεί αυτόνομα και χωρίς επιτήρηση (unattended use) για μεγάλα χρονικά διαστήματα.

RAYMETRICS – Χαρακτηριστικά Laser Μήκος Κύματος: 355 Ενέργεια παλμού: 40 mJ Διάρκεια παλμού: 9 ns Συχνότητα λειτουργίας: 10 – 20 Hz Απόκλιση Δέσμης: < 1 mrad

RAYMETRICS – Mονάδες ανίχνευσης και καταγραφής Αναλογική και ψηφιακή μέθοδος (Photon counting) καταγραφής 12 bit – 40 MHz A/D 250 MHz count rate 18 KHz PMT 8 mm area 185 – 650 nm Gain 105-106 Dark count 80 counts/sec

RAYMETRICS – Οπτικά μετάδοσης και ανίχνευσης Τηλεσκόπιο Cassegrain Διάμετρος πρωτεύοντος: 200 mm Ειδικές επιστρώσεις για υψηλή ανακλαστικότητα Οπτικά Φίλτρα: 1 nm @ 355 nm Laser mirrors HR Beam expander Χ7 Μείωση των οπτικών σφαλμάτων (χρωματικά, αστιγματισμός)

RAYMETRICS – Οπτικά μετάδοσης και ανίχνευσης Τηλεσκόπιο Cassegrain Διάμετρος πρωτεύοντος: 200 mm Ειδικές επιστρώσεις για υψηλή ανακλαστικότητα Οπτικά Φίλτρα: 1 nm @ 355 nm Laser mirrors HR Beam expander Χ7 Μείωση των οπτικών σφαλμάτων (χρωματικά, αστιγματισμός)

RAYMETRICS – Η ολοκλήρωση

RAYMETRICS – Η ολοκλήρωση

RAYMETRICS – Η ολοκλήρωση Industrial PC Ηλεκτρονικά Τροφοδοτικό Laser

RAYMETRICS – Το σύστημα σάρωσης Lidar UCL Workshop, 21 November 2007

RAYMETRICS – Το σύστημα σάρωσης Lidar Meeting at Raymetrics facilities: 24 November 2007

Ιούνιος 2008 RAYMETRICS – Το σύστημα σάρωσης Lidar

RAYMETRICS – Το σύστημα σάρωσης Lidar σε λειτουργία Scanning lidar in operation

RAYMETRICS – Λογισμικό Γενικά Το σύστημα lidar έχει εξοπλιστεί με ειδικό ηλεκτρονικό υπολογιστή στον οποίο εγκαταστάθηκαν τα προγράμματα που ανέπτυξε η Raymetrics για Τον έλεγχο και τη διαμόρφωση του συστήματος Την ευθυγράμμιση του συστήματος και την πραγματοποίηση των μετρήσεων Την επεξεργασία των lidar δεδομένων.

RAYMETRICS – Λογισμικό Η διαδικασία ευθυγράμμισης Η ευθυγράμμιση του Lidar πραγματοποιείται σε δύο βήματα. Στο πρώτο βήμα (coarse alignment) το σύστημα βρίσκεται σε κάθετη θέση και ανιχνεύεται το σήμα από μεγάλα ύψη. Όταν επιτευχθεί το μέγιστο δυνατό σήμα τότε οι οπτικοί άξονες του συστήματος (τηλεσκοπίου-εκπεμπόμενης δέσμης) σταθεροποιούνται. Στo δεύτερο βήμα (fine alignment) το καθ’ ύψος διορθωμένο σήμα range-corrected (RCS) συγκρίνεται με το εκθετικά μειούμενο συντελεστή μοριακής οπισθοσκέδασης, σε μία περιοχή την οποία θεωρούμε ελεύθερη από σωματίδια (καθαρή μοριακή ατμόσφαιρα)

RAYMETRICS – Λογισμικό 7 14 0,000 0,003 0,006 Range corrected signal and Rayleigh fit for the evaluation of the optical alignment Rayleigh RCS ALTITUDE (km) coarse alignment fine alignment

RAYMETRICS – Λογισμικό Διαμόρφωση συστήματος Διαμόρφωση μετρήσεων Προτού αρχίσει η διαδικασία της μέτρησης ο χρήστης θα πρέπει να εισάγει συγκεκριμένες πληροφορίες, όπως είναι η γεωγραφική θέση του συστήματος, η θερμοκρασία και η πίεση εδάφους. Οι πληροφορίες χρησιμοποιούνται στην συνέχεια προκειμένου να είναι δυνατή η απεικόνιση των lidar δεδομένων με γεωγραφική πληροφορία. Παρακάτω δίνεται η απεικόνιση του παραθύρου εργασίας για την εισαγωγή των γενικών στοιχείων στο σύστημα

RAYMETRICS – Λογισμικό Λήψη δεδομένων Περιβάλλον εργασίας λήψης δεδομένων Για να πραγματοποιηθεί μία μέτρηση θα πρέπει ο χρήστης να εισάγει το όνομά του και τον κωδικό ασφαλείας. Όταν ο χρήστης βρεθεί μέσα στο περιβάλλον πραγματοποίησης μετρήσεων μπορεί είτε να πραγματοποιήσει μία απλή μέτρηση (Single Data Acq.) είτε συνεχόμενες πολλαπλές μετρήσεις (multiple measurements). Κάθε φορά που ο χρήστης αρχίζει μία μέτρηση τότε αυτόματα αρχίζει η εκπομπή του Laser To σύστημα καταγράφει σε ειδική βάση δεδομένων το όνομα του χρήστη, την τοποθεσία και την ώρα έναρξης της μέτρησης. |Όταν η μέτρηση σταματήσει εισάγεται και η ώρα τερματισμού της μέτρησης στη βάση των μετρήσεων που βρίσκεται μέσα στον Η/Υ του συστήματος Lidar

RAYMETRICS – Λογισμικό Data Preview and Analysis Στο πρόγραμμα ανάλυσης των δεδομένων ο χρήστης μπορεί εύκολα να δει όλες τις μετρήσεις που έχουν πραγματοποιηθεί με το σύστημα, να απεικονίσει με διάφορους τρόπους τα δεδομένα καθώς και να τα αναλύσει. Μέσα από ένα εύχρηστο περιβάλλον εργασίας μπορεί να εργαστεί στη βάση δεδομένων των μετρήσεων. Η απεικόνιση των δεδομένων καθώς και των διάφορων υπολογιζόμενων παραμέτρων όπως είναι ο συντελεστής οπισθοσκέδασης μπορεί να πραγματοποιηθεί ποικιλοτρόπως 1. Πίνακας αριθμητικών δεδομένων 2. Δισδιάστατα γραφήματα 3. Γραφήματα επιφάνειας (surface plots) (για την απεικόνιση τις χρονικής εξέλιξης των φαινομένων) 4. Τρισδιάστατα γραφήματα (για την απεικόνιση τις χρονικής εξέλιξης των φαινομένων)

RAYMETRICS – Λογισμικό Scanning - Λογισμικό

RAYMETRICS – Λογισμικό Αρχικό σήμα... ...επεξεργασμένο σήμα 5000 10000 15000 20000 25000 200 400 600 800 1000 1200 1400 355nm 532nm Raw signal altidute (m) 1 2 3 4 5 6 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 355nm 523nm Backscattered coef. (km*sr) -1 Altidute (km) Συντελεστές οπισθοσκέδασης και εξασθένησης, οπτικό βάθος, συγκέντρωση σωματιδίων, Χωρική και χρονική εξέλιξη, lidar ratio, depolarization ration, color ratio…

RAYMETRICS – Λογισμικό

RAYMETRICS – Λογισμικό

RAYMETRICS – Results (Processing: Γ. Γεωργούσης) Start time: 14:12:40 End time: 15:10:00 Step of 2 degrees. Total angle 125 degrees. 300 laser pulses average Laser frequency: 10 Hz Time UTC The range corrected signal. Comment: Quite uniform atmosphere Start time: 09:32 End time: 12:29 Step of 5 degrees. Total angle 125 degrees. 3000 laser pulses average Laser frequency: 10 Hz Time UTC The derivative of the nature logarithm of range corrected signal. Comment: Quite uniform atmosphere

ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΟΧΗ ΣΑΣ! team for this project: Γεώργιος Γεωργούσης, Dr Γεώργιος Αυδίκος, Dr (gavdikos@raymetrics.gr ) Γεώργιος Χουρδάκης, Dr Κων/νος Χοντιδιάδης, MSc Κων/νος Τσαπρούνης, Dr Raymetrics S.A / Zenon Group Companies, Kanary 5, Glyka Nera, Attiki www.raymetrics.gr