激光驱鸟的研究

激光驱鸟的研究

1激光束致盲技术的应用随着科学技术的进步，航天航天航空业的发展越来越迅速。据科学测算,当一架战机以483公里/小时的速度飞行时,与体重仅0.45公斤的物体相撞所产生的冲击力为8.1吨,足以对飞机造成致命损伤。近年来,在机场附近飞鸟与飞机相撞事故频繁发生,造成巨大的物力和人力资源损失。但直至今日,仍没有什么有效措施来防止这类惨剧的一再发生,国内外也为此花费大量资金去进行相关研究。在国内,目前主要采用以下几种办法对机场的鸟类进行驱赶:(1)环境驱鸟,(2)切断生物链驱鸟,(3)音响驱鸟,(4)语音驱鸟,(5)煤气炮驱鸟。上述方法均有不同程度的缺陷:要么对机场附近生态环境造成了破坏;要么有巨大的噪音污染,而且耗费了大量的人力物力和财力。激光束能对动物和人的视网膜产生不同程度的影响,如眩晕、短时失明和致盲,已为国内外众多的研究所证实,国外已将致盲武器作为高技术武器来开发应用。这里我们采用激光作为驱鸟的手段,并从原理和技术上进行研究,证实了激光驱鸟的有效性,从而开发出一种新型的激光驱鸟器。2高亮度的激光驱鸟不同波长的激光对人眼睛的损伤是不同的。伤害程度与眼睛各个组织每单位体积吸收辐射能量的大小有关。MarkolfH.Niemz的研究结果表明,在可见光波长400～700nm内的辐射及近红外波长780～1400nm的辐射可通过眼部的介质到达视网膜而只会有少量的强度损失,由于角膜和晶状体会聚效应,由角膜射入的辐射度和辐射曝光到达视网膜时将增加100000倍,这些光线在视网膜上会聚的光斑直径很小,会聚产生的强度足可以损伤视网膜。而中红外及远红外(1400nm～1mm)和中紫外(180～315nm)的激光辐射主要被角膜吸收,对角膜产生损伤;近紫外315～390nm的激光辐射主要被晶状体吸收,对晶状体产生损伤。图1给出了这些相互作用图。我们知道鸟的眼睛结构和人眼的结构是基本相同的,那么各种波长激光对鸟眼睛的伤害机理是和激光对人眼的伤害机理也是相似的,但鸟眼对光线的敏感程度比人眼更高,会聚能力更强,因此高亮度的激光驱鸟就成为了可能。我们从上面可以看出:从直接影响视觉来看,0.4～1.4mm波长的激光直接损伤视网膜,而且会造成短期的失明,可以说对视觉影响最大。从对眼睛的永久伤害来看,中红外及远红外(1400nm～1mm)和中紫外(180～315nm)的激光及近紫外315～390nm的激光主要损伤角膜和晶状体,因此对眼睛的伤害更大。从上面的分析我们还可以得出,入射光的辐射度越大在眼睛各个部分产生的损伤就越大;入射光的亮度越大对眼睛的刺激也越大。因此激光的波长、入射光的辐射度和光的亮度是对鸟眼睛造成伤害和惊吓的主要因素。我们利用激光来进行驱鸟就是利用激光对鸟眼的刺激和伤害的机理。采用高亮度激光束对鸟眼进行照射后所产生的强烈刺激作用,可使鸟类产生恐惧感而迅速离开,从而达到将保护区域(例如机场)内的鸟类有效驱除之目的,为了达到这个目的我们进行激光驱鸟器的研究。我们对机场附近的生态环境进行了长时间的观察,发现在机场附近活动的鸟主要有:灰喜鹊、鸽子、斑鸠、乌鸦、乌桐鸟、夜鹭鸟、八哥鸟等。我们选择一些比较常用的激光器进行试验,目的是经过试验寻找一种最佳而且最经济实用的激光器和激光波长。下面是利用激光器对距离500m的几种鸟进行的室内试验情况。从试验结果我们发现,可见光波段的He-Ne激光器和LD激光器驱鸟的效果比较好,而红外和远红外波段的YAG激光器和CO对这几种激光器进行简单比较。He-Ne激光——632.8nm,几毫瓦～几十毫瓦,价格较便宜,技术比较成熟,光束质量很好。LD激光器——650nm,几毫瓦～几十毫瓦,功率比较小、体积小,但激光光束质量比较差。YAG激光——1.06um,几瓦～千瓦量级,价格相对较贵,技术较为成熟,维修量较大。CO3激光电源的应用(1)便携式激光驱鸟器主要有以下几个部分:激光器基体、激光管、瞄准镜、激光电源。激光器基体:用于安置激光器,我们采用普通步枪枪托。可肩挎携带或支架在吉普车上(灵活地进行圆周及俯仰运动)。激光管:采用He-Ne激光器,功率5-10mW,光束发散角0.3mrad;做成直径较细的管状结构,长度在40—50cm左右。其中,要采取有效的扩散冷却措施。瞄准镜:我们采用放大倍数3×12的500m以上的望远瞄准镜,直接将其安置在激光发射管上。激光电源:采用开关电源结构将可充干电池的24V电压或汽车蓄电池电源转换为2500V左右的高压直流,驱动激光管工作,连续工作时间达数小时。(1)激光器电源。电源的原理图如图1相图所示。为了满足小型化或微型化的要求,采用了单管单端正激型。它应用半导体集成电路晶体管分压技术,利用功率开关管(IGBT或MOSFEF等)将直流电池供给的直流电转换成高频交流电。再经过升压变压器升压与倍压整流电路整流,输出直流高压提供激光器谐振腔中的气体放电使用。我们根据具体应用情况,综合考虑供电电池电压会随着使用时间增加而逐渐减小特点,电源的控制器采用高速脉宽调制芯片(PWM芯片),同时对电源采用了过流保护和供电电压不足保护。固定PWM的振荡频率,通过调节占空比的方法对输出的电源功率进行调节。(2)激光驱鸟器总体设计关键技术激光驱鸟器总体结构如图2所示。在设计时有几个关键的地方,下面进行简单阐述。激光管我们采用50cm的He-Ne激光管,功率5～10mW可调、发散角为0.3mrad,出管光斑直径为0.5cm,可以简单地估计当光束在空气中传播100m后,光斑直径将变为6cm,以10mW计算,功率密度为0.354mW/cm4测试结果分析结果与分析我们设计出样机后,在机场进行了试验研究,主要的目的是:研究激光驱鸟器在不同气候条件下的驱鸟效果,并摸索出针对不同气候条件的操作程序、驱鸟效果及改进完善措施,为实际应用提供指导。研究激光束特性对飞行员或机场调度人员可能产生的影响,并探索能有效降低负面影响的方法和措施。我们从生物学角度看,激光驱鸟作用效果最佳应该满足三方面要求:一是要求驱鸟作用显著;二是要求不会对鸟类造成永久性伤害;三是不影响飞行员和机场控制调度人员的正常工作。我们的现场试验分下面几种情况进行:从试验中我们发现:在清晨、傍晚、雾天、阴天等使用时效果很好;在阳光很充足的晴天上午、中午和下午使用效果比较差。分析后发现有两个主要的原因:首先是使用条件的限制。在光线比较暗、对比度比较大的时候,高亮度红色的激光特别刺眼,当辐射到鸟眼的时候造成的刺激很大,鸟受到很大的惊吓,因此驱赶的效果就很好。而在光线很强的阳光下,高亮度红色激光就不那么明显(与强太阳光相比),没有那么刺眼,当辐射到鸟眼时造成的刺激就比较小,鸟受到的惊吓就小,驱赶效果就比较差。其次是鸟生理方面的原因。当在光线比较暗、对比度比较大时,太阳光对鸟眼的刺激小,鸟的瞳孔比较大,那么它接受激光的辐射就比较容易,激光驱赶的效果就比较好。而在太阳光线很强的时候,太阳光对鸟眼的刺激本来就比较大,鸟的瞳孔就收缩,接受激光辐射就比较小,激光对鸟眼的刺激就比较小,那么驱赶的效果就比较差。因此下面的试验就是在光线比较暗的清晨、傍晚、雾天、阴雨天等情况下做的。从试验可以看到,该驱鸟器对大多数鸟的有效驱赶距离达到2000～2500m,超过这个距离就没有什么效果了。从试验看在距离为500米时,使用激光光斑直径2～3cm效果比较好。如果是其它的距离那么激光的光斑直径必须重新调整。也就是说根据具体的距离来确定使用的激光光斑的大小。为了达到永久驱赶的目的,我们在同一地点(例如鸟巢)多次使用驱鸟器进行驱赶,对一般鸟类20次左右就可以达到永久驱赶的目的。在同一区域(例如机场)内多次使用驱鸟器进行驱赶,对一般的鸟类30～50次就可以达到永久驱赶的目的。总之,从试验来看该驱鸟器性能优越、操作范围大、使用简单、不会造成公害。而且鸟被惊吓后不会对激光器产生适应性,清除鸟类栖息地效率很高。效果明显而且从现场试验看,对飞行员和机场调度人员没有造成任何危害,也不会影响飞行。但是使用时需要一定的外部条件,即等待所要求的光线条件,发射激光惊散飞鸟直到鸟类离开它栖息的聚集地。试验结果表明:利用激光驱鸟,在拂晓、傍晚、阴雨或雾天等气候条件下效果最佳,而在光线很强的时候效果就不理想。5激光驱鸟设备的优点激光驱鸟就是采用高亮度激光束对鸟眼进行照射后所产生的强烈刺激作用,惊吓飞鸟,使鸟产生恐惧感而迅速离开该区域,从而达到将保护区域(机场)内的鸟类有效驱除之目的。目前的研究表明激光驱鸟设备具有以下几个优点:(