KIALAKÍTÁS, TELJESÍTMÉNYVIZSGÁLAT ÉS VALIDÁCIÓ
Lézer-Indukált Letörési Spektroszkópia (LIBS) Drón Integrációja: Kialakítás, Teljesítményvizsgálat és Validáció
Szerzők
Andrea Somogyi¹, Attila Nagy², Miklós Veres³, Gábor Galbács⁴, Prof. Dr. Uğur Murat Leloğlu⁵
¹ Solver Unio Kft., Angol utca 34/A, 1149 Budapest, Magyarország
² Rotors & Cams Kft., Újszász utca 45/B, R épület, 1165 Budapest, Magyarország
³ Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet, HUN‑REN Wigner Fizikai Kutatóközpont, Konkoly-Thege Miklós út 29–33., 1121 Budapest, Magyarország
⁴ Molekuláris és Analitikai Kémiai Tanszék, Szegedi Tudományegyetem, Dóm tér 7–8., 6720 Szeged, Magyarország
⁵ Repülőmérnöki Tanszék, Turkish Aeronautical University (THK University), Ankara, Türkiye
Kapcsolattartó: Andrea Somogyi E-mail: somogyi.andrea@solvergroup.hu
Absztrakt
A drónra szerelt lézerindukált letörési spektroszkópia (LIBS) egy gyorsan fejlődő analitikai technológia, amely jelentős potenciállal rendelkezik a biztonságtechnikai, környezetvédelmi monitorozási és ipari terepi alkalmazások területén. A korábbi kísérleti fejlesztésekre építve jelen tanulmány egy kompakt, UAV-integrált LIBS platform kiterjesztett rendszerimplementációját és validálását mutatja be. A munka középpontjában a rendszerintegráció, a mérési munkafolyamat, a stabilitási szempontok és a terepi tesztelése és hitelesítése áll, reprezentatív tesztminták alkalmazásával. Az eredmények igazolják, hogy egy könnyű, kis teljesítményfelvételű LIBS rendszer többrotoros UAV-ra integrálva megbízható spektrális információt szolgáltat valós működési körülmények között, támogatva az gyakorlati alkalmazás megvalósíthatóságát.
Kulcsszavak: LIBS, UAV, drónalapú spektroszkópia, terepi analízis, távolsági érzékelés
1. Bevezetés
A lézer-indukált letörési spektroszkópia (LIBS) napjaink egyik legsokoldalúbb spektroszkópiai módszerévé vált a gyors, in situ elemanalízis területén. Az eljárás minta-előkészítés nélküli alkalmazhatósága szilárd, folyékony és aeroszol minták esetében egyaránt különösen alkalmassá teszi mobil és távérzékelési feladatokra. Az elmúlt években a LIBS műszerek miniatürizálása és a pilóta nélküli légijárművek (UAV-k) gyors fejlődése lehetővé tette a drónalapú LIBS rendszerek koncepciójának megjelenését.
Míg korábbi vizsgálatok laboratóriumi környezetben igazolták a módszer megvalósíthatóságát, az operatív rendszerek felé való előrelépés olyan gyakorlati kérdések megoldását igényli, mint a hasznos teher rendszerbe építése, a távolságszabályozás, az ellenállóképesség és stabilitás, a biztonság és a valós idejű adatgyűjtés. Jelen tanulmány egy ipari–akadémiai együttműködés eredményeit mutatja be, amely a proof-of-concept szintről egy ténylegesen bevethető drónalapú LIBS rendszer kifejlesztésének irányában kíván továbblépni.
2. Rendszer felépítés
2.1 UAV platform és teherintegráció
A LIBS rendszert egy ipari kategóriájú, többrotoros UAV-ra került integrálásra, amely több kilogrammos hasznos terhet képes hordozni. A vibrációcsillapított rögzítési megoldások és stabilizált tartószerkezetek biztosították a mechanikai szilárdságot és az ismételhető optikai beállítást repülési körülmények között.
2.2 LIBS mérőmodul
A mérőegység egy kompakt, ezredmásodperces impulzusú lézert (532 nm gerjesztés), egy optikai szállal csatolt, UV–látható tartományban működő spektrométert, valamint dedikált fókuszáló és fénygyűjtő optikai rendszert tartalmaz. Az optikai rendszer kialakítási célja a plazmakibocsátás gyűjtési hatékonyságának maximalizálása volt, miközben megőrizte a drónon történő alkalmazáshoz megfelelő kompakt geometriai elrendezést.
2.3 Távolságszabályozás és adatgyűjtés
A LIBS teljesítményének kulcstényezője a UAV és a célpont közötti távolság pontos szabályozása. Ennek érdekében a rendszer egy fedélzeti lézeres távolságérzékelőt alkalmaz, amely folyamatosan monitorozza a mérési távolságot. A rendszervezérlés, szinkronizáció és adatgyűjtés Pythonban, Raspberry Pi beágyazott számítógépen valósult meg. Minden rögzített spektrum időbélyeget, pozícióadatot és képi dokumentációt kap.
3. Mérési munkafolyamat
Az operatív mérési szekvencia egy strukturált protokollt követ: az operátor a UAV-t a célpont fölé pozicionálja, stabil lebegést biztosít, majd fokozatosan beállítja az előre meghatározott mérési távolságot. Ekkor a lézer aktiválódik, és a keletkező plazma spektruma rögzítésre kerül. Az eljárás reprodukálható méréseket tesz lehetővé, miközben fenntartja a működési biztonságot.
A tesztmérések műtrágyákon, fémsókon és ásványi mintákon történtek. A spektrumok egyértelmű karakterisztikus emissziós vonalakat mutattak, igazolva a rendszer képességét az elemi összetétel meghatározására valós körülmények között.
4. Kihívások és gyakorlati megoldások
Több a drónalapú LIBS rendszerekre jellemző kihívás lett kezelve a fejlesztés során:
- A mechanikai stabilitási és vibrációs hatások optimalizált rögzítéssel és rövid akvizíciós időkkel csökkentek
- A távolságérzékenység aktív lézeres távméréssel került kompenzálásra
- A nyílt terepi lézerüzemeltetés biztonsági kérdéseit interlock logika és működési protokollok kezelték.
- Hatékony fedélzeti tárolással és utófeldolgozási folyamattal került az adatkezelés optimalizálásra.
Az alkalmazott megoldások jelentős mértékben növelték a rendszer megbízhatóságát és ellenállóképességét a korábbi, kizárólag laboratóriumi prototípusokhoz képest.
5. Validálás és teljesítményértékelés
A mérési megbízhatóság értékeléséhez kiválasztott minták referencia laboratóriumi LIBS rendszerrel történő vizsgálta is megtörtént. Az összehasonlítás jó kvalitatív egyezést mutatott a légi és a laboratóriumi spektrumok között, igazolva, hogy a kompakt kialakítás ellenére a UAV-alapú rendszer megőrzi elemzési relevanciáját.
Noha a jelen rendszer még nem teljesen autonóm működésre készült, az elért teljesítmény arra utal, hogy célzott terepi alkalmazásokban az gyakorlati felhasználása technikailag lehetséges.
2. ábra UAV-ra integrált LIBS mérőműszer prototípus
6. Eredmények és jövőbeli perspektívák
Az eredmények azt mutatják, hogy a kompakt drónalapú LIBS rendszerek túlmutatnak az egyszerű kísérleti demonstrációkon, és képesek alkalmazott terepi műszerekké válni. Lehetséges alkalmazási területek: veszélyes anyagok azonosítása, környezetmonitorozás, mezőgazdasági diagnosztika, illetve rosszul megközelíthető területek gyors helyszíni állapotfelmérése.
A jövőbeni fejlesztések a további méretcsökkentésre, az optikai hatékonyság növelésére, a spektrális tartomány bővítésére és automatizált spektrumértelmező algoritmusok integrálására irányulnak. A technológia fejlődésében továbbra is kiemelt szerepet kap a nemzetközi ipari és akadémiai együttműködés, beleértve a török és magyar intézmények közös munkáját.
7. Következtetések
A tanulmány egy teljesen integrált drónalapú LIBS mérőrendszer sikeres fejlesztését és laboratóriumi, illetve terepi körülmények közötti validálását mutatja be. A rendszer megbízható spektrális adatgyűjtést biztosít valós működési feltételek mellett, igazolva a UAV-ra szerelt LIBS gyakorlati analitikai eszközként való alkalmazhatóságát. Az eredmények fontos lépést jelentenek a légi kémiai érzékelőplatformok megvalósítása felé.
Köszönetnyilvánítás
A szerzők köszönik a Magyar Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH) támogatását a 2022‑1.2.6‑TÉT‑IPARI‑TR‑2022‑00016 projekt keretében, valamint köszönettel tartoznak minden konzorciumi partnernek közreműködésükért.
Hivatkozások
- Galbács, G. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 407 (2015), 7537–7552.
- Ding, J., Zhang, T., Li, H. Trends in Analytical Chemistry, 166 (2023), 117197.
- Palanco, S. et al. Spectrochimica Acta Part B, 187 (2022), 106342.
- Dixon, P. B., Hahn, D. Analytical Chemistry, 77 (2005), 631–638.
