Метод лазерной локации. Лазерная локация луны

Кафедра прикладной геодезии.

Реферат.
На тему: «Метод лазерной локации»

По курсу: «Основы космической геодезии»

Глава 1 Общие принципы работы лазеров…………………………………..4

Глава 2 Принцип измерения расстояний лазерными дальномерами………9

Глава 3 Временная задержка сигнала в лазерной локации ИСЗ……………11

Глава 4 Лазерная локация Луны……………………………………………...16

Заключение…………………………………………………………………….18

Библиографический список…………………………………………………...19

Введение
В космической геодезии весь спектр наблюдений принято классифицировать по диапазону длин волн электромагнитных колебаний, в которых производят эти наблюдения (оптический и радиодиапазон). В оптическом диапазоне выполняют визуальные, фотографические, фотоэлектрические, телевизионные, лазерные наблюдения. В радиодиапазоне выполняют радиодальномерные, доплеровские, интерференционные, фазовые наблюдения. Оптическим наблюдениям присущ общий недостаток: они требуют наличия прямой видимости на ИСЗ, поэтому применяются, как правило, в темное время суток в безоблачную погоду (при наличии точных эфемерид лазерные наблюдения выполняют и днём).
Глава 1. Общие принципы работы лазеров.
Первые практически действующие лазеры появились в 1960 году. О важности разработки этих приборов свидетельствует тот факт, что авторы их создания (академики Басов, Прохоров и американский физик Таунс) были удостоены Нобелевской премии.

Лазером называют обычно генератор колебаний оптического диапазона длин волн. Сам термин лазер (laser) является аббревиатурой от английской фразы Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (что в переводе означает усиление света посредством стимулированного излучения), записанной русскими буквами. Хотя в переводе термина лазер с английского языка речь идет не о генерации, а об усилении колебаний, это не имеет принципиального значения, так как любой усилитель можно превратить в генератор выделением цепи обратной связи. Это положение проиллюстрировано на рис.1
Рис.1 Обобщенная блок-схема автогенератора

Где "К" - усилитель с коэффициентом усиления [К]> 1, "β" - цепь обратной связи с коэффициентом передачи [β]< 1. При [Кβ]= 1 наступает режим генерации.

Усилителем в лазерах служит обычно некоторая активная среда - вещество, которое при подаче энергии извне (её называют энергией накачки) приобретает способность усиливать оптические колебания в некотором диапазоне длин волн Δλ.

В зависимости от агрегатного состояния активной среды лазеры называют твёрдотельными, жидкостными, газовыми В особый класс выделяют ещё полупроводниковые лазеры.

Для измерения расстояний до спутников используются твёрдотельные лазеры. Лазером первого поколения был рубиновый лазер. Рубиновый

Стержень, выращиваемый в специальных ростовых камерах, представляет собой кристаллическую окись алюминия, в которую добавлены трёхвалентные положительные ионы хрома, играющего роль активатора. Принцип работы лазера рассмотрим на примере рубинового лазера. Энергию накачки в рубиновых лазерах обеспечивает газоразрядная ксеноновая (или ртутная) лампа, спектр излучения которой близок к спектру поглощения рубина. Лампа накачки помещается над рубиновым стержнем и при помощи специального поджигающего устройства работает в импульсном режиме.

Длительность импульса составляет около 10 -3 секунды. Цепью обратной связи служит, как правило, открытый оптический резонатор - пара зеркал, установленных по обе стороны от активной среды таким образом, что они возвращают выходящее излучение обратно в эту среду. Одно из этих зеркал глухое с коэффициентом отражения близким к 100%, а другое полупрозрачное, чтобы выводить излучение для дальнейшего использования. Оптический резонатор помещается в кварцевую трубку, стенки которой играют роль отражателя (они фокусируют излучение лампы накачки на рубиновом стержне). Блок - схема рубинового лазера показана на рис.2.

Рис 2. Схема лазера с модуляцией добротности
При облучении рубинового кристалла потоком фотонов от лампы накачки электроны ионов хрома, поглощая фотоны излучения накачки, могут переходить из основного состояния в возбуждённые состояния, запасая при этом некоторое количество энергии. Для атомов или ионов любого вещества характерен определенный дискретный набор возможных возбуждённых состояний (энергетических уровней), причём каждому энергетическому уровню присуще определённое "время жизни" - средняя продолжительность пребывания атома в данном возбуждённом состоянии, после чего накопленная им энергия теряется, и атом переходит на более низкий энергетический уровень (в состояние с меньшим запасом энергии).

Упрощенная схема энергетических уровней иона хрома в рубине и "продолжительность жизни" на каждом из них показана на рис.3, а зависимость населённости энергетических уровней от плотности мощности накачки представлена в виде графиков на рис.4

Рис. 3. Упрошенная схема энергетических уровней иона хрома в рубине

Рис. 41. Зависимость

Населенности энергетических уровней

Ионов хрома в рубине от плотности

Мощности накачки
Структура энергетических уровней создаёт возможность накопления возбуждённых ионов на уровне 2. Попавшие на уровень 3 ионы очень быстро оказываются "сброшенными" на уровень 2, и если источник накачки ещё продолжает действовать, переводя на верхний уровень все новые ионы из основного состояния, то через некоторое время большинство их накопится на метастабияьном уровне.

Ситуация, при которой населенность уровня с большей энергией выше населенности уровня с меньшей энергией, называется "инверсией населённости". Ионы, переходящие с уровня 2 на уровень 1, отдают накопленную энергию в виде фотонов с энергией, соответствующей разности энергий этих состояний: hv= Е 21 .

До тех пор, пока не достигнуто состояние инверсии населённости возникает красное свечение, представляющее собой излучение с узким спектром Отдельные акты испускания фотонов при этом не связаны между собой, каждый возбуждённый ион испускает "свою" волну, отличающуюся от других по частоте, фазе и поляризации. Такое излучение называется спонтанным. Однако при взаимодействии излучённого фотона с возбуждённой средой может происходить и другой процесс -стимулированное (вынужденное) излучение, при котором дополнительно испускаемый фотон "жёстко" связан с первым, вынуждающим, по частоте, фазе и поляризации, так что их совместное излучение представляет собой единую волну (λ= c/v = 6943 им).

При достижении инверсии населенности стимулированное излучение начинает преобладать над спонтанным. Коэффициент поглощения а активной среды на частоте, соответствующей переходу иона с метастабильного уровня на основное становится отрицательным и в соответствие с законом Бугера, интенсивность излучения в конце участка l 1 , будет больше интенсивности в начале участка l 0 , т.с среда приобретает усиливающие свойства. Поскольку такая среда помещена в оптический резонатор (т.е. создана обратная связь) и если инверсия населённости достаточна для получения усиления, компенсирующего потери в резонаторе и в самой активной среде, то возникает генерация; получается лазер. Излучение при этом представляет собой "гребёнку" импульсов длительностью 10 -6 секунды, разделённых короткими временными промежутками длительностью в несколько микросекунд. Такой режим работы лазера называется режимом свободной генерации. На рис.5 вместе с формой импульса излучения лампы накачки показана временная диаграмма лазерного излучения.

Для измерения расстояний с помощью лазера нужен одиночный мощный
импульс как можно меньшей длительности, чтобы получить максимальную точность определения дальности, поэтому режим свободной генерации не удобен для этих целей.

Е

Для обеспечения работы лазера в режиме измерения расстоянии применяется режим импульсного включения добротности. В этих целях используются механические, электрооптические и фототропные затворы, которые включаются на очень короткое время ближе к концу работы лампы накачки. Большую же часть времени в оптическом резонаторе искусственно поддерживаются большие потери (резонатор разъюстирован и, значит, его добротность мала). В течение этого времени возбуждённые ионы хрома накапливаются на метастабильном энергетическом уровне. Во время же включения затвора добротность резонатора резко возрастает и происходит излучение в виде мощного импульса (рис.6).

Глава 2 Принцип измерения расстояний лазерными дальномерами.
С помощью лазерного дальномера измеряется промежуток времени между моментом прихода отражённого от ИСЗ импульса и моментом его излучения.

На рис.7 показана обобщённая блок - схема спутникового лазерного дальномера. Лазерный дальномер устанавливается на опорно-поворотное устройство, управляемое ЭВМ. Небольшая часть энергии лазерного излучения через фотоприёмник направляется на измеритель временных промежутков, где «запускает часы». Основная часть лазерного излучения через коллимирующую оптическую систему уходит на измеряемую дистанцию. После отражения от спутника сигнал возвращается в приемную оптическую систему, откуда через фотоприёмник попадает в измеритель временных промежутков, где «останавливает часы».

Рис. 7. Обобщённая схема импульсного лазерного дальномера
Оценку предельной дальности действия лазерного дальномера можно произвести по формуле ;

в которой

Е л - импульсная энергия излучения лазера. Дж;
S p - суммарная площадь отражателей, м2;

S пр - площадь входного зрачка приёмной оптической системы, м2;

η к - коэффициент передачи коллимирующей оптической системы;

η р - коэффициент передачи отражателей;

η пр - коэффициент передачи приёмной оптической системы;

η а - коэффициент пропускания атмосферы;

Ω к - телесный угол, в котором сосредоточено лазерное излучение на выходе коллимирующей оптической системы, ср;

Ω р - телесный угол, в котором сосредоточено отражённое от спутника излучение, ср;

Е пр - минимальная допустимая энергия сигнала на фотодетекторе, Дж.. Телесный угол связан с плоским углом формулой:

θ- плоский угол при вершине конуса излучения.

Глава 3 Временная задержка сигнала в лазерной локации ИСЗ.
Рассмотрим движение светового сигнала, излучённого лазерным дальномером, находящимся в пункте i земной поверхности до отражателя s, расположенного на ИСЗ. Используя пространственно-временную метрику Щварцшильда и имея в виду, что для светового сигнала интервал равен нулю, запишем:

Из этого уравнения найдём выражение для скорости распространения светового сигнала в гравитационном поле относительно центра масс Земли.

Элементарное геометрическое расстояние, пройденное световым сигналом за элементарный промежуток времени, определяется выражением

интегрируя которое, получим

Второй член в этом выражении поправочный, поэтому приближённо можно записать

Выразим теперь dr" через dr. Из прямоугольного треугольника Oks, в котором катет р - кратчайшее расстояние от центра масс Земли до лазерного луча (рис. 8), можно записать:
Дифференцируя это выражение, получим

Теперь можно проинтегрировать

Здесь t изл и t s - моменты излучения сигнала из точки i и прихода сигнала в точку s но координатному времени.

Использование выражения совместно с

Позволяет исключить р в

Таким образом

Рис 8 К выводу временной задержки сигнала

Рассматривая движение светового сигнала после отражения от спутника s обратно к станции i, получим формулу

В которой t np - момент по координатному времени прихода сигнала в точку i после отражения от ретрорефлектора в точке s.

Поэтому можно записать:

Где Δt- полуразность между моментами прихода отраженного сигнала в точку i и его излучением из той же точки i.

При этом r` соответствует моменту т.е моменту отражения

Сигнала от спутника.

В полученной формуле для временной задержки сигнала Ai - промежуток координатного времени, на станции же измеряется промежуток собственного времени. Потому нужно ещё перейти от координатного времени к собственному. Из метрики Шварцшильда имеем:

V, - скорость пункта i
Поэтому окончательно получим:

При выводе формулы мы учли лишь релятивистскую временную задержку при лазерной локации ИСЗ. В действительности при вычислении геометрического расстояния от пункта до спутника нужно учесть ещё атмосферную задержку и задержку в электрических цепях лазерного дальномера. Практически расстояние до спутника вычисляется по формуле
с - скорость света;

Δτ - полуразность между моментами излучения и прихода отражённого сигнала;

Δr` p - поправка за тропосферную рефракцию;

Δr` L - поправка за задержки в аппаратуре;

Δr` pel - релятивистская поправка.
В общем виде поправка за тропосферную рефракцию выражается интегралом:

Н
а практике при обработке лазерных наблюдений используют формулу Марини и Маррея.

Δr` p - поправка в дальность за влияние рефракции (в метрах); h - угловая высота спутника над горизонтом;

P.e.T.R h - соответственно давление (в миллибарах) атмосферное и паров воды, температура атмосферы (в градусах Кельвина) и относительная влажность воздуха (в %) в окрестностях станции наблюдения;

λ- длина волны излучения (в микрометрах);

φ- широта станции;

Н - высота станции над уровнем моря (в километрах).
Глава 4 Лазерная локация Луны
21 июля 1969 года астронавты программы Аполлон-11 установили на Луне первый уголковый отражатель. Позднее подобные же отражатели были установлены астронавтами программ Аполлон-14 и Аполлон-15 (отражатель Аполлона-15 является наиболее крупным, представляет собой панель из трехсот призм). Советские луноходы Луноход-1, доставленный на Луну в рамках миссии Луна-17, и Луноход-2, доставленный в ходе миссии Луна-21, также были оснащены уголковыми отражателями.

Отражатель Лунохода-1 в первые полтора года работы обеспечил порядка 20 наблюдений, но затем его точное положение утерялось, и найти его до сих пор пока не удалось. С остальными четырьмя отражателями проблем не возникло, их постоянное зондирование ведётся в данный момент рядом станций, в том числе Лабораторией реактивного движения НАСА (Jet Propulsion Laboratory, или JPL NASA), которая вела наблюдения по лазерной локации отражателей с самого момента их установки.

^ Основные станции, осуществляющие лазерную локацию Луны.

JPL NASA, Калифорния, США

McDonald, Техас, США

OCA, Грасс, Франция

Haleakala, Гавайские острова, США (в данный момент не работает)

Apache Point, Нью-Мексико, США

Matera, Матера, Италия

Филиал OCA, Южная Африка (использует прежний прибор станции OCA)

^ Принцип измерения

Лазер излучает сигнал в телескоп, направленный на отражатель, при этом точно фиксируется время, когда сигнал был излучён. Часть фотонов от первоначального сигнала возвращается обратно на детектор с целью зафиксировать начальную точку данных. Площадь пучка от сигнала на поверхности Луны составляет 25 км² (площадь уголковых отражателей при этом - примерно 1 м на 1м). Отражённый от прибора на Луне свет в течение примерно одной секунды возвращается в телескоп, далее проходит через систему фильтрации для получения фотонов на нужной длине волны и для отсева шумов.

^ Точность наблюдений

С 1970-х годов точность измерения расстояния увеличилась с нескольких десятков (порядка 40) до нескольких (порядка 2-3) сантиметров. Новая станция Apache Point может достигнуть точности порядка миллиметров.
Точность измерения времени в настоящем - порядка 30 пикосекунд (что и соответствует примерно двум сантиметрам точности измерения расстояния)

Заключение
В заключении хотелось бы отметить, что при сборе информации для этого реферата было прочитано много материала как отечественной литературы так и зарубежной, в отечественной литературе очень мало полезной информации, но учебники Крылова В.И. Космическая геодезия и К.М. Антоновича «Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии», несут в себе большую информативность, так же полезным оказался материалы ФГУП «Научно-Исследовательский институт прецизионного приборостроения» статья «Лазерная дальнометрия» и статья Е.Ю.Алешкиной «Лазерная локация Луны».

В этом реферате очень подробно рассмотрен принцип работы лазера в Главе 1, принцип измерения расстояний лазерными дальномерами в Главе 2,

временная задержка сигнала в лазерной локации ИСЗ в Главе 3, и Лазерная локация Луны в Главе 4.

Библиографический список
1. В.И Крылов. Космическая геодезия: Учебное пособие для студентов геодезических специальностей / Москва / МИИГАиК / 2002
2. К.М. Антоновича «Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии» в 2-х томах /Москава/Картгеоцент/2006
3.статья Е.Ю.Алешкиной «Лазерная локация Луны»
4. Дальномеры. Принцип лазерной дальнометрии.

Уголковый отражатель экспедиции Аполлон-11

измерение расстояний между двумя точками на поверхностях Земли до Луны соответственно посредством лазерной локации с использованием уголковых отражателей, находящихся на поверхности Луны, или без них. Научное значение таких экспериментов состоит в уточнении гравитационной постоянной и проверки теории относительности; уточнении ряда параметров движения динамической системы Земля-Луна; получении новых данных о физических свойствах и внутреннем строении Земли и Луны, и т. п.

История

Открытая «шкатулка» слева - уголковый отражатель Лунохода-1, предназначенный для определения расстояния от Луны

Эксперименты по лазерной локации Луны, ещё без использования уголковых отражателей, велись уже с начала 1960-х годов в США и СССР. В США с 9 по 11 мая 1962 года для этой цели использовались два телескопа системы Кассегрена MIT, первый диаметром 30,5 см направлял луч рубинового лазера на Луну, второй диаметром 122 см принимал отраженный сигнал. Лоцировались кратеры Альбатегний, Тихо, Коперник, Лонгомонтан. В СССР в 1963 году лоцировался квадрат внутри лунного кратера Альбатегний, и как для посылки луча рубинового лазера, так и для приёма его использовался один телескоп диаметром 260 см Крымской астрофизической обсерватории, у которого после посылки сигнала специальное зеркало изменяло своё положение, направляя отраженный от поверхности Луны сигнал в фотоприёмник. В этой обсерватории были произведены первые измерения расстояния до Луны посредством лазерной локации, когда в 1965 году оно с помощью новой установки, изготовленной в ФИАН было определено с точностью 200 метров. Причём точность тогда была ограничена сильным искажением лазерного луча лунной поверхностью.

21 июля 1969 года астронавты программы Аполлон-11 установили на Луне первый уголковый отражатель. Позднее подобные же отражатели были установлены астронавтами программ Аполлон-14 и Аполлон-15. Отражатель Аполлона-15 является наиболее крупным, представляет собой панель из трехсот призм, два других отражателя «Аполлонов» имели по 100 призм, термоизоляция представляла собой тяжёлую коробку из сплава алюминия. Советские луноходы Луноход-1, доставленный на Луну в рамках миссии Луна-17, и Луноход-2, доставленный в ходе миссии Луна-21, также были оснащены уголковыми отражателями. Сами отражатели были изготовлены во Франции, а система защиты их от пыли и система ориентации разработана советскими специалистами. Уголковый отражатель «Лунохода» представлял собой систему из 14 стеклянных четырехгранных пирамид, размещенных в одной термоизолированной коробке так, что наклонные их грани открыты для поступления лазерного луча.

Первые сигналы от «Лунохода-1» были получены 5 и 6 декабря 1970 года упомянутым выше 2,6-метровым телескопом Крымской астрофизической обсерватории, в том же месяце приняты и обсерваторией в Пик-дю-Миди. Отражатель «Лунохода-1» в первые полтора года работы обеспечил порядка 20 наблюдений, но затем его точное положение утерялось, и найти его до апреля 2010 года не удавалось. Предполагалось, что луноход встал в наклонном положении, что ослабевает отражённый от него сигнал и затрудняет его поиск при неточных данных о координатах на поверхности Луны. Отражатель «Лунохода-1» мог быть найден, если бы отражённый им зайчик попал на оптические фотографии поверхности Луны, которые планировалось сделать с помощью спутника Lunar Reconnaissance Orbiter, или в поле зрения наблюдения других окололунных станций. 22 апреля 2010 года «Луноход-1» найден на поверхности Луны Томом Мерфи с группой ученых, отправивших лазерные импульсы с телескопа обсерватории Апаче-Пойнт в Нью-Мексико.

Так же, среди первых кто проводил локацию Луны был телескоп «Скол-1». «Скол-1» был установлен на территории НИП-16 и работал по «Луноходу-1».

С установлением местонахождения остальных четырёх отражателей, включая установленный на «Луноходе-2», проблем не возникало, их постоянное зондирование ведётся в данный момент рядом станций, в том числе Лабораторией реактивного движения НАСА, которая вела наблюдения по лазерной локации отражателей с самого момента их установки. На 2,6 метровом телескопе Крымской астрофизической обсерватории, где в 1978 году была установлена аппаратура, позволяющая измерять расстояние до Луны с точностью 25 см, в общей сложности проведено 1400 определений этой величины, чаще всего - до уголковых отражателей «Лунохода-2» и «Аполлона-15». Однако в 1983 году работы там были прекращены ввиду свёртывания советской лунной программы.

Основные станции, осуществляющие лазерную локацию Луны

• JPL NASA, Калифорния, США
• Обсерватория Макдональд, Техас, США
• OCA, Ницца, Франция
• Haleakala, Гавайские острова, США
• Apache Point, Нью-Мексико, США
• Matera, Матера, Италия
• филиал OCA, Южная Африка

Принцип измерения

Лазерный пучок, направленный на Луну

Лазер излучает сигнал в телескоп, направленный на отражатель, при этом точно фиксируется время, когда сигнал был излучён. Часть фотонов от первоначального сигнала возвращается обратно на детектор с целью зафиксировать начальную точку данных. Площадь пучка от сигнала на поверхности Луны составляет 25 км?. Отражённый от прибора на Луне свет в течение примерно одной секунды возвращается в телескоп, далее проходит через систему фильтрации для получения фотонов на нужной длине волны и для отсева шумов.

Точность наблюдений

С 1970-х годов точность измерения расстояния увеличилась с нескольких десятков до нескольких сантиметров. Новая станция Apache Point может достигнуть точности порядка миллиметров.

Точность измерения времени в настоящем — порядка 30 пикосекунд.

Лазерной локацией называют область оптикоэлектроники, занимающегося обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемого лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом. Нам уже известно, что лазерное излучение отличается от температурного тем, что оно является узконаправленным, монохраматичным, имеет большую импульсивную мощность и высокую спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию конкурентноспособной в сравнении с радиолокаций, особенно при ее использовании в космосе (где нет поглощающего воздействия атмосферы) и под водой (где лоя ряда волн оптического диапазона существуют окна прозрачности).

В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три основных свойства электромагнитных волн:

1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон на котором она расположена, по разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору - чем, короче волна, тем она выше. Поэтому-то проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверх короткие радиоволны, становилось все более трудным делом, а затем и зашло в тупик.

Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.

2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым производиться просмотр пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели).

Это направление находят по расположению оси оптической системы, формирующей лазерное излучение (в радиолокации - по направлению антенны). Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг. Определим коэффициент направленного действия и диаметр антенны по следующей простой формуле,

G = 4п * S

где G - коэффициент направленного действия, S - площадь антенны, м2, / - длина волны излучения мкм.

Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности около 1,5 при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны.

Угловой раствор луча лазера, изготовленного с использованием твердотельного активного вещества, как известно, составляет всего 1,0 - 1,5 градуса и при этом без дополнительных оптических фокусирующих систем (антенн). Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогического радиолокатора. Использование же незначительных по габарита м оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких угловых минут, если в этом возникнет необходимость.

3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так. при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

L = ct и

где L - расстояние до объекта, км, С - скорость распространения излучения км/с, t и -время прохождения импульса до цели и обратно, с.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем, короче импульс, тем лучше (при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят радисты). Но нам уже известно, что самой физикой лазерного излучения заложена возможность получения импульсов с длительностью 10-7 - 10-8 с. А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.

Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них,см.рис.

Прежде всего з о н а д е й с т в и я. Под ней понимают область пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и минимальной дальности действия и пределами обзора по углу места и азимуту. Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора.

Другим параметром локатора является в р е м я о б з о р а. Под ним понимается время, в течение которого лазерный луч приводит однократный обзор заданного объема пространства.

Следующим параметром локатора являются о п р е д е л я е м ы е к о о р д и н а т ы. они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения местонахождения наземных и надводных объектов, то достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной точностью, которая зависит от систематических и случайных ошибок. Их рассмотрение выходит за рамки данной книги. Однако будем пользоваться таким понятием, как р а з р е ш а ю щ а я с п о с о б н о с т ь. Под разрешающей способностью понимается возможность раздельного определения координат близко расположенных целей. Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме того, используется такая характеристика, как п о м е х о з а щ ищ е н н о с т ь. Это способность лазерного локатора работать в условиях естественных (Солнце, Луна) и искусственных помех.

И весьма важной характеристикой локатора является н а д е ж н н о с т ь. Это свойство локатора сохранять свои характеристики и установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.

Схема лазерного локатора, предназначенного для измерения четырех основных параметров объекта (дальности, азимута, угла места и скорости) см. рис. на стр. 17. Хорошо видно, что конструктивно такой локатор состоит из трех блоков: передающего, приемного и индикаторного. Основное назначение передающего лока-тора - генерирование лазерного излучения, формирование его в пространстве, во времени и направлении в район объекта. Передающий блок состоит из лазера с источником возбуждения, модулятора добротности, сканирующего устройства, обеспечивающего посылку энергии в заданной зоне по заданному закону сканирования, а также передающей оптической системы.

Основное назначение приемного блока - прием излучения отраженного объектом, преобразование его в электрический сигнал и обработка для выделения информации об объекте. Оно состоит из приемной оптической системы, интерференционного фильтра, приемника излучения, а также блоков измерения дальности, скорости и угловых координат.

Индикаторный блок служит для указания в цифровой форме информации о параметрах цели.

В зависимости от того, для какой цели служит локатор, различают: дальномеры, измерители скорости (допплеровские локаторы), собственно локаторы(дальность, азимут, и угол места).

CХЕМА ЛАЗЕРНОГО ЛОКАТОРА

приемник излучения

оптический фильтр

приемная оптическая система

ИНДИКАТОРНЫЙ БЛОК

ПРИЕМНЫЙ БЛОК

блок измерения дальности

блок измерения скорости

блок измерения угловых координат

Угол места

Скорость

Блок питания

Принцип лазерной локации (ЛЛ) основан на том, что свет распространяется в вакууме прямолинейно и с постоянной скоростью. Испускается короткий лазерный импульс и засекатся время, лазерный луч отражается от лоцируемого объекта и возвращается назад, где его ловят при помощи телескопа и чувствительных фотодетекторов и определяют время между испусканием импульса и его возвращением. Зная скорость света, можно вычислить расстояние до объекта. Если импульс короткий и время между испусканием и приёмом отражённого сигнала измерено точно, то и расстояние до объекта можно вычислить с соответствующей точностью. Отдельно учитывается влияние атмосферы, которая искривляет луч (рефракция) и привносит задержку, но это уже тонкие детали. Идеи о локации Луны высказывались давно, ещё в 20-х гг. XX века, когда ещё и лазеров-то не было. Едва только лазер был изобретён, тут же возникла идея применить уникальные свойства лазерного излучения для лазерной локации Луны (ЛЛЛ). Первые опыты по ЛЛЛ были проведены в 1962-63 гг. в США и СССР. Тогда ни о каких измерениях речи не шло, проверялась сама возможность осуществления такой локации. Опыты оказались вполне удачными, отражённый сигнал был уверенно зарегистрирован, хотя длительность импульса 1 мс не позволяла измерять расстояние точнее 150 км. В 1965-66 были проведены опыты с более короткими импульсами – была достигнута точность около 180 м. При этом точность была ограничена уже не столько длительностью импульса, сколько рельефом местности. Потом была высказана идея – для повышения точности локации доставить на Луну уголковые отражатели (УО). Уголковые отражатели примечательны тем, что возвращают сигнал всегда строго в обратном направлении, а кроме того, сигнал не имеет размазывания по времени, обусловленного рельефом местности. Утверждается, что на Луну были доставлены 5 уголковых отражателей – два на советских луноходах и три американскими астронавтами – «Аполлон-11», «Аполлон-14» и «Аполлон-15». На этом занудности-банальности кончаются, а дальше начинаются волшебные сказки с невероятными чудесами и детективными тайнами! Начнём с того, что УО, установленный на «Луноходе-1», неожиданно «потерялся»! Причём, на этот счёт есть два мнения. Ведущий научный сотрудник, зав. аспирантурой Пулковской обсерватории, к.ф.-м.н. Е.Ю.Алёшкина в своей статье утверждает, что его УО вышел из строя. Это произошло при движении в очень сложных условиях внутри одного из кратеров. На стенке этого кратера притаился еще один, вторичный, маленький. Это самое подлое на Луне. Чтобы выбраться из этого паршивого кратера оператор-водитель принял вместе с экипажем решение луноход сдать назад. А солнечная панель была откинута. И получилось так, что крышкой солнечной панели он въехал в стенку этого невидимого, ведь камеры смотрели только вперед, кратера. Он черпнул лунного грунта на солнечную панель. А после того, как выбрались, решили эту панель закрыть. Но лунная пыль такая противная, что ее так просто не стрясешь. За счет запыления солнечной батареи упал зарядный ток. а из-за того, что пыль стряслась на радиатор, нарушился тепловой режим. В итоге в этом злополучном кратере «Луноход-2» и остался. Все попытки спасти аппарат закончились ничем. Со вторым история получилась глупая. Четыре месяца он уже находился на спутнике Земли. 9 мая я сел за штурвал . Мы угодили в кратер, навигационная система вышла из строя. Как выбираться? Не раз мы уже попадали в подобные ситуации. Тогда просто закрывали солнечные батареи и выбирались. А тут - в группе управления новые люди. Они и приказали не закрывать и так выбираться. Мол, закроем, и не будет откачки тепла из лунохода, приборы перегреются. Мы не послушались и попробовали выехать так. Зацепили лунный грунт. А лунная пыль такая липкая. А тут еще приказывают закрыть панель солнечной батареи - мол, пыль сама по себе и осыплется. Она и осыпалась - на внутреннюю панель, луноход перестал получать подзарядку солнечной энергией в необходимом объеме и постепенно обесточился. 11 мая сигнала от лунохода уже не было. Эту информацию подтверждает... LRO! Вот изображение «Лунохода-2» с открытой крышкой, направленного на восток: В обшем, второй луноход сейчас лоцировать бесполезно. Рабочий диапазон углов для уголкового отражателя, установленного на луноходах, составляет ±10 градусов. Для того, чтобы можно было лоцировать УО, установленный на луноходе, с учётом лунной либрации величиной примерно 7 градусов, луноход должен быть надлежащим образом ориентирован на Землю по азимуту (на субтерральную точку) и углу места с точностью 2-3 градуса . UPD от 03.11.2013. Я созвонился с В.П.Долгополовым и уточнил размещение уголковых отражателей на корпусе лунохода - они расположены с наклоном строго вперёд по курсу, именно так, как изображено на фотографиях музейных макетов. А теперь вспоминаем слова Довганя о том, что «Луноход-2» смотрит на восток, и пристально вглядываемся в карту: Зелёными стрелками показана фактическая ориентация луноходов, жёлтыми - необходимая для успешной локации УО, установленных на луноходах. Субтерральная точка, которая находится в центре изображения, и на которую по азимуту должен быть ориентирован «Луноход-2», находится на юго-запад от «Лунохода-2», а «Луноход-2» повёрнут на восток (на мой взгляд, азимут составляет примерно 100-110 градусов) - в таком положении угол падения лоцирующего луча на УО примерно 70 градусов, угол совершенно запредельный для кварцевого УО, т.е. уголковый отражатель «Лунохода-2» абсолютно нефункционален. И астрономы его успешно лоцируют вот уже почти 40 лет??? Закрываю глаза и представляю, как фотоны с лихим пируэтом заныривают в уголковый отражатель развёрнутого задом наперёд «Лунохода-2», чтобы там отразиться и проделав обратный пируэт направиться к Земле... Шехерезада нервно курит в сторонке! Ей сказок хватило только на 1001 ночь. Возникает закономерный вопрос - а что же они (астрономы) тогда лоцировали? Более-менее подробно детали американского эксперимента описаны в документе Apollo 11 Preliminary Science Report . Подробности советских экспериментов по лазерной локации Луны, проводившихся в Крымской астрофизической обсерватории (КрАО) приведены во втором томе сборника «Передвижная лаборатория на Луне ЛУНОХОД-1» . Там же приведена формула вычисления величины ответного сигнала и указан результат расчёта - 0,5 фотоэлектрона с одного импульса т.е. с двух импульсов лазера должен быть зарегистрирован примерно 1 фотоэлектрон. Количество фотончиков, которые долетят до Луны, равно количеству выпущенных из лазера умножить на этот коэффициент прозрачности N M =К λ N t . Скажем, для КрАО он указывается в среднем 0,73. Для более высокогорных обсерваторий атмосфера прозрачнее. Препятствие в виде атмосферы встретится на пути фотончиков ещё раз, когда отражённые фотончики будут возвращаться на Землю - результат придётся ещё раз умножить на коэффициент прозрачности атмосферы К λ . Луч, выпущенный из лазера, расходится. Тому есть две принципиальные причины. Первая - дифракционное расширение пучка. Оно определяется как отношение длины волны света к диаметру пучка. Следовательно, чтобы его снизить, нужно увеличивать диаметр пучка. Для этого луч лазера расширяют и пропускают через тот же телескоп, которым потом будут ловить ответные фотоны. Переключение осуществляется перекидным зеркалом - учитывая, что ответные фотоны прилетят только через 2,5 секунды, это совсем несложно обеспечить. Для телескопа с выходным диаметром 3 метра дифракционное расширение пучка составляет всего 0,05" (угловой секунды). Гораздо сильнее вторая причина - турбулентность в атмосфере. Она обеспечивает расходимость пучка на уровне примерно 1". Эта причина принципиально неустранима. Единственный способ борьбы с нею - выносить телескоп за пределы атмосферы. Итак, луч на выходе из атмосферы имеет расходимость θ. Для малых углов θ можно пользоваться приближением θ = tg(θ) = sin(θ). Следовательно, луч осветит пятно диаметром D = Rθ, где R - расстояние до Луны (в среднем 384 000 км, максимум 405 696 км, минимум 363 104 км). Луч с расходимостью 1" осветит на Луне пятно диаметром примерно 1,9 км. Площадь пятна, как известно из курса геометрии, равна . Количество света, попавшего в телескоп в результате отражения от УО или лунного грунта, пропорционально площади телескопа. Для телескопа диаметром d площадь равна . В случае отражения от УО далеко не все фотончики, попавшие на Луну, попадут на УО и отразятся. Количество фотончиков, отражённых от УО, пропорционально площади отражателя S 0 и его коэффициенту отражения К 0 . (Это при условии, что вообще задели УО хотя бы краешком пятна.) Для отражателей французского изготовления общая площадь равна 640 см 2 с коэффициентом отражения 0.9, но надо помнить, что для призм с треугольной лицевой гранью рабочая площадь составляет 2/3 от общей. Американские были изготовлены из неметаллизированных кварцевых призм и имели коэффициент отражения втрое меньше, зато большую площадь - УО, якобы доставленные экспедициями экспедициями «Аполлон-11» и «Аполлон-14» составляет 0.1134 м 2 , «Аполлон-15» - 0.34 м 2 (NASA-CR-113609). В результате количество фотончиков, которые отразятся от УО, составит . Вообще-то распределение фотончиков по площади пятна существенно неравномерное : Однако при суммировании результатов по несколькми лазерным «выстрелам» с целью выделить полезный сигнал на фоне шумов эта неравномерность сгладится. Далеко не все фотончики, отразившиеся от УО, попадут в телескоп. Отражённый луч имеет расходимость θ" и осветит на Земле пятно диаметром L=Rθ". Площадь пятна на Земле, по которому распределится отражённый пучок, равна . Из этого пятна в телескоп попадёт (если попадёт, что тоже надо проверить) количество фотонов . Для французских УО, установленных на луноходах, расходимость отражённого пучка указана 6" (для длины волны рубинового лазера 694,3 нм), что даёт диаметр отражённого пятна на Земле 11 км, американские были сделаны из триппель-призм меньшего размера, а поэтому имели чуть большую расходимость 8,6" (тоже для длины волны рубинового лазера 694,3 нм), диаметр пятна на Земле будет около 16 км. Вообще-то расходимость отражённого пучка определяется дифракцией , т.е. отношением длины волны лазера к апертуре одного элемента УО θ" = 2.44 λ/D RR . Поэтому применение зелёного лазера с длиной волны 532 нм вполне может быть оправдано - несмотря на большее поглощение и рассеивание зелёного света в земной атмосфере по сравнению с красным и инфракрасным. Как видим, получили практически ту же формулу, которая была указана в работе Кокурина и др., только в той были добавлены ещё и коэффициенты прохождения в передающем и приёмном тракте, эффективность квантового преобразования фотоприёмника (сколько фотонов из числа попавших в телескоп будет зафиксировано в виде электрического сигнала). Ещё не хватает зависимости эффективной площади отражения от угла падения, т.е. формулы выведены из предположения о близком к нормальному углу падения лоцирующего луча на УО. На самом деле зависимость вот такая: В случае отражения от грунта большая часть света поглотится, а оставшаяся рассеется по закону, близкому к ламбертовскому (равномерно во все стороны), в телесном угле 2π стерадиан. На самом деле отражение от Луны несколько хитрее - у лунного грунта присутствуют ярко выраженные эффекты обратного рассеяния и оппозиционный эффект, которые приводят к тому, что строго в обратном направлении лунный грунт отражает в 2-3 раза больше, чем обычная ламбертовская (матовая) поверхность. Грубо говоря, вся поверхность Луны работает как уголковый отражатель, хотя и не очень хороший. Альбедо Луны в среднем считается равным 0,07, хотя в разных местах видимой поверхности Луны альбедо имеет величину от 0,05 до 0,16. (UPD: По свеженьким данным , полученным лазерным альтиметром LOLA , при отражении строго назад альбедо может достигать аж 0.33, а в некоторых постоянно тёмных кратерах на южном полюсе даже 0.35!) Проверяем, какая часть освещённого пятна попадёт в телескоп. Поле зрения телескопа определяется его максимальным увеличением, которое определяется его диаметром. Расчёт для телескопа КрАО диаметром 2.64 м даёт поле зрения 22", в работе приводится величина 15" - величины близкие. Размер освещаемого пятна обычно меньше, так что всё пятно оказывается в поле зрения телескопа. Количество фотонов, отражённых от лунного грунта и попавших в телескоп, равно . Отсюда выводим формулу оценки эффективности применения уголкового отражателя как отношение блеска УО к блеску лунного грунта . Беглого взгляда на эту формулу достаточно, чтобы увидеть, что для повышения уровня ответного сигнала от УО по сравнению с отражением от грунта, необходимо снижать угол расходимости лоцирующего лазерного луча - зависимость квадратичная. (UPD: "Луноход-1" хоть и стоит неудачно, но его таки видно. Расчётный угол падения на его УО - 31,5 градус от нормали (без учёта либрации), при таком угле ЭПР уменьшается на порядок и усиливается расползание импульсного отклика из-за неперпендикулярности панели УО к лоцирующему лучу. А вот для "Лунохода-2" расчётный угол падения - примерно 70 градусов от нормали - угол совершенно запредельный даже для кварцевого УО. Отражение от его УО невозможно. Никакая либрация не поможет.) От УО в телескоп должно попадать полторы сотни фотончиков, от грунта штук 5, а Алёшкина пишет про "1 фотон на 10-20 выстрелов". Это что же такое получается? Регистрируется фотонов даже меньше, чем должно было быть от грунта! А так и должно быть! Вспоминаем, что при локации в стороне от субтерральной точки поверхность Луны существенно неперпендикулярна лучу, стало быть, отражённый сигнал размазывается во времени, а временной фильтр (temporal filter) вырезает из него только те фотончики, которые соответствуют ожидаемому результату. Если же вспомнить, что поверхность Луны не является идеально гладкой, а на ней встречаются горы, кратеры, то наличие стенки кратера или склона горы, обращённого к Земле, на который лоцирующий луч лазера падает перпендикулярно, даст точно такой же компактный по времени сигнал, как и отражённый от УО, но меньшей интенсивности. Если мы ослабим расчётный сигнал от грунта как соотношение площади участка лунной поверхности, перпендикулярной к лоцирующему лучу, к площади сечения лоцирующего луча, мы получим полное соответствие экспериментальных результатов расчёту для гипотезы с отражением от грунта. Учитывая, что диаметр лоцирующего луча на Луне 2-7 км, то горы или стенки кратера высотой 2-3 км уже достаточно, а на Луне таких гор и кратеров хватает. Причём, даже не требуется идеально плоской поверхности. Как следует из расчёта, при альбедо 0.16 (а горы на Луне светлее морей) расчётное количество фотончиков от грунта превышает экспериментальные значения примерно в 3 раза, т.е. для совпадения с расчётом достаточно, чтобы только треть освещённого пятна попадало на поверхность, лежащую на ожидаемой плоскости. Остальные 2/3 могут иметь какой угодно рельеф. Красной линией выделена условная поверхность, отражённый сигнал от которой пройдёт через временной фильтр. В идеале это должен быть фрагмент сферы с радиусом 380 000 км и с центром примерно в центре Земли. Такой фрагмент сферы мало отличается от плоскости. Гипотеза с отражением сигнала от УО не подтверждается опубликованными экспериментальными данными - ошибка не на проценты, даже не в разы, а на порядки. В общем, мне всё ясно с нашей прикладной астрономией - Введение К настоящему времени сложились основные направления, по которым идет внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениями являются: 1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная) . 2. Лазерная связь. 3. Лазерные навигационные системы. 4. Лазерное оружие. 5. Лазерные системы ПРО и ПКО. Ускоренными темпами идет внедрение лазеров в военную технику США, Франции, Англии, Японии, Германии, Швейцарии. Государственные учреждения этих стран всемерно поддерживают и финансируют работы в данной области. ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ Лазерной локацией в зарубежной печати называют область оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной локации могут стать танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и вооруженные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом. В основе лазерной локации, так же как и в радиолокации лежат три основных свойства электромагнитных волн: 1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором она расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения, по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору - чем короче волна, тем она выше. Поэтому-то и проявлялась по мере развития радиолокации тенденция к перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверх короткие радиоволны становилось все труднее и труднее, а затем вовсе и зашло в тупик. Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации. 2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым проводится просмотр пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели) Это направление находят по расположению оси оптической системы, формирующей лазерное излучение. Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг. Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности около 1.5, при использовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны. Угловой раствор луча лазера, изготовленного с помощью твердотельного активного вещества, как известно составляет всего 1.0... 1.5 градуса и при этом без дополнительных оптических систем. Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогичного радиолокатора. Использование же незначительных по габаритам оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких угловых минут, если в этом возникнет необходимость. 3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение: L = ct/2, где L - расстояние до объекта, с - скорость распространения излучения, t - время прохождения импульса до цели и обратно. Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем короче импульс, тем лучше. Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них. Прежде всего, зона действия. Под ней понимают область пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и минимальной дальностями действия и пределами обзора по углу места и азимуту. Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора. Другим параметром является время обзора. Под ним понимается время, в течении которого лазерный луч производит однократный обзор заданного объема пространства. Следующим параметром локатора является определяемые координаты. Они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения местонахождения наземных и подводных объектов, то достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной точностью, которая зависит от систематических и случайных ошибок. Будем пользоваться таким понятием как разрешающая способность. Под разрешающей способностью понимается возможность раздельного определения координат близко расположенных целей. Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме того, используется такая характеристика, как помехозащищенность. Это способность лазерного локатора работать в условиях естественных и искусственных помех. И весьма важной характеристикой локатора является надежность. Это свойство локатора сохранять свои характеристики в установленных пределах в заданных условиях эксплуатации. Последние материалы раздела: