Lasersko lociranje vesoljskih objektov. Lasersko določanje razdalje, Dopplerjevo slikanje in sinteza zaslonke

Kotna ločljivost je najpomembnejša značilnost katerega koli teleskopskega sistema. Optika trdi, da je ta ločljivost edinstveno povezana z valovno dolžino, pri kateri poteka opazovanje, in s premerom vhodne odprtine teleskopa. Z velikimi premeri, kot je znano, velik problem. Malo verjetno je, da bodo kdaj zgradili večji teleskop od tega.
Eden od načinov za bistveno povečanje ločljivosti je metoda sinteze velikih in ultra velikih zaslonk, ki se uporablja v radioastronomiji in radarju. V milimetrskem območju naj bi največjo odprtino - 14 km - oblikovalo 66 anten projekta ALMA v Čilu.

Prenos metod sinteze zaslonke v optično področje, kjer so valovne dolžine za več vrst velikosti krajše od valovnih dolžin radarjev, je povezan z razvojem tehnologije laserskega heterodiniranja.

1.Fizične osnove oblikovanja slike.

Ne bi bilo pomote, če bi rekli, da slika v kateri koli optični napravi nastane z uklonom svetlobe na vhodni zaslonki in nič drugega. Poglejmo sliko predmeta iz središča odprtine. Kotna porazdelitev svetlosti slike neskončno oddaljenega točkovnega vira svetlobe (kot katerega koli drugega) bo enaka za objektiv in luknjičasto kamero enakega premera. Razlika med lečo in luknjico je le v tem, da leča prenese sliko, ki jo tvori njena zaslonka, iz neskončnosti v svojo goriščno ravnino. Ali, povedano drugače, povzroči fazno transformacijo valovne fronte vhodne ravnine v sferično konvergentno. Za oddaljeni točkovni vir in krožno zaslonko je slika dobro znani Airyjev obročni vzorec.


Kotno velikost Airyjevega diska je načeloma mogoče zmanjšati in ločljivost navidezno povečati (po Rayleighovem kriteriju), če je zaslonka odprta na poseben način. Obstaja radialna porazdelitev prenosa, tako da je osrednji disk teoretično lahko poljubno majhen. Vendar se v tem primeru svetlobna energija prerazporedi med obroči in kontrast kompleksne slike pade na nič.

Z matematična točka vida je postopek za oblikovanje uklonske slike zmanjšan na dvodimenzionalno Fourierjevo transformacijo vhodnega svetlobno polje(v skalarnem približku je polje opisano kompleksna funkcija koordinate in čas). Vsaka slika, ki jo posname oko, zaslon, matrika ali drug sprejemnik s kvadratno intenzivnostjo, ni nič drugega kot dvodimenzionalni amplitudni spekter svetlobnega polja, ki ga oddaja predmet, omejen z zaslonko. Enostavno je dobiti isto Airyjevo sliko, če posnamete kvadratna matrika iz enakih kompleksna števila(simulira fronto ravnega valovanja iz oddaljene točke), iz nje "izreži" okroglo "odprtino", robove naniči in izvedi Fourierjevo transformacijo celotne matrike.

Skratka, če nekako posnameš polje (sintetiziraš zaslonko) za dovolj velika površina brez izgube informacij o amplitudi in fazi, potem lahko za pridobitev slike storite brez ogromnih zrcal sodobnih teleskopov in matric megapikslov, preprosto z izračunom Fourierjeve transformacije nastalega niza podatkov.

2. Satelitska lokacija in super-ločljivost.

Opazovali bomo stabiliziran objekt, ki se premika čez vidno črto, osvetljen s kontinuiranim koherentnim laserskim virom. Sevanje, ki se odbije od njega, zabeleži heterodinski fotodetektor z majhno odprtino. Snemanje signala v času t je enakovredno izvedbi enodimenzionalne odprtine dolžine vt, kjer je v tangencialna hitrost predmeta. Enostavno je oceniti potencialno ločljivost takšne metode. Oglejmo si satelit blizu Zemlje v zgornjem elongatu, ki leti na višini 500 km s hitrostjo 8 km/s. V 0,1 sekunde snemanja signala dobimo »enodimenzionalni teleskop« velikosti 800 metrov, ki je teoretično sposoben videti delček milimetra velike podrobnosti satelita v vidnem območju. Ni slabo za tako razdaljo.

Seveda je odbiti signal na takšnih razdaljah oslabljen za več velikosti. Vendar pa heterodinski sprejem (koherentno mešanje z referenčnim sevanjem) v veliki meri kompenzira to slabljenje. Konec koncev, kot je znano, je izhodni fototok sprejemnika v tem primeru sorazmeren zmnožku amplitud referenčnega sevanja in dohodnega signala. Povečali bomo delež referenčnega sevanja in s tem ojačali celoten signal.

Lahko pogledate z druge strani. Spekter posnetega signala iz fotodetektorja je niz Dopplerjevih komponent, od katerih je vsaka vsota prispevkov vseh točk predmeta, ki imajo enako radialno hitrost. Enodimenzionalna porazdelitev odbojnih točk na objektu določa frekvenčno porazdelitev spektralnih linij. Nastali spekter je v bistvu enodimenzionalna "podoba" predmeta vzdolž koordinate "Dopplerjevega premika". Dve točki našega satelita, ki se nahajata na razdalji 1 mm druga od druge v ravnini, ki je pravokotna na vidno črto, imata razliko v radialnih hitrostih reda 0,01-0,02 mm/s. (Razmerje med to razliko in hitrostjo satelita je enako razmerju med razdaljo med točkami in razdaljo do satelita). Razlika v Dopplerjevih frekvencah teh točk za vidno valovno dolžino 0,5 μm bo (f=2V/λ) reda 100 Hz. Spekter (Dopplerjeva slika) celotnega mikrosatelita, recimo velikosti 10 cm, bo v območju 10 kHz. Precej merljiva količina.

Lahko pogledate tudi s tretje strani. Ta tehnologija ni nič drugega kot snemanje holograma, tj. interferenčni vzorec, ki se pojavi, ko se referenčno in signalno polje pomešata. Vsebuje dovolj informacij o amplitudi in fazi za rekonstrukcijo polna slika predmet.

Tako z osvetlitvijo satelita z laserjem, snemanjem odbitega signala in mešanjem z referenčnim žarkom iz istega laserja dobimo na fotodetektorju fototok, katerega odvisnost od časa odraža strukturo svetlobnega polja vzdolž “ enodimenzionalno odprtino«, katere dolžina je, kot že omenjeno, lahko določena dovolj velika.

Dvodimenzionalna zaslonka je seveda veliko boljša in bolj informativna. Razporedimo več fotodetektorjev enakomerno po gibanju satelita in tako odbito polje zapišimo na ploskvi vt*L, kjer je L razdalja med skrajnima fotodetektorjema, ki načeloma ni z ničemer omejena. Na primer, istih 800 metrov. Tako sintetiziramo zaslonko »dvodimenzionalnega teleskopa«, ki meri 800*800 metrov. Ločljivost vzdolž prečne koordinate (L) bo odvisna od števila fotodetektorjev in razdalje med njimi, vzdolž druge, "časovne" koordinate (vt) - od pasovne širine laserskega sevanja in frekvence digitalizacije signala iz fotodetektor.

Torej, imamo posneto svetlobno polje zelo velika površina in z njim lahko počnemo kar hočemo. Na primer, pridobitev dvodimenzionalne slike zelo majhnih predmetov na zelo dolge razdalje brez teleskopov. Lahko pa obnovite tridimenzionalno strukturo predmeta z digitalnim ponovnim ostrenjem v obsegu.

Seveda realna tridimenzionalna konfiguracija odbojnih točk na objektu ne sovpada vedno z njihovo "dopplerjevo" porazdelitvijo radialne hitrosti. Če bodo te točke v isti ravnini, bo prišlo do naključja. Toda v splošnem primeru je mogoče iz "Dopplerjeve slike" izluščiti veliko koristnih informacij.

3. Kaj se je zgodilo prej.

Ameriška DARPA je pred časom financirala program, katerega bistvo je bilo implementirati takšno tehnologijo. Iz letečega letala naj bi locirali objekte na tleh (na primer tanke) z ultravisoko ločljivostjo; dobili so spodbudne podatke. Vendar pa je bil ta program leta 2007 zaprt ali razvrščen kot tajen in od takrat se o njem ne ve nič. Nekaj ​​so naredili tudi v Rusiji. Tukaj si lahko ogledate sliko, pridobljeno pri valovni dolžini 10,6 mikronov.

4. Težave pri tehnični izvedbi pri valovni dolžini 1,5 mikrona.

Po zrelem razmisleku sem se odločil, da tukaj ne bom ničesar napisal. Preveč težav.

5. Nekaj ​​primarnih rezultatov.

Doslej je bilo težko "videti" z razdalje 300 metrov podrobnosti ravnega, difuzno odbojnega kovinskega predmeta, ki meri 6 x 3 mm. Bil je kos neke vrste tiskanega vezja, tukaj je fotografija:


Predmet se je vrtel okoli osi, pravokotne na zorno linijo, odbiti signal pa je bil zabeležen približno v trenutku največjega odboja (flare). Laserska točka, ki je osvetljevala objekt, je bila velika približno 2 cm. Uporabljeni so bili le 4 fotodetektorji, razmaknjeni 0,5 metra. Velikost sintetizirane odprtine je ocenjena na 0,5 m x 10 m.
Pravzaprav za vsak slučaj sami posneti signali (levo) in njihovi spektri (desno) v relativnih enotah:


Iz prejšnje fotografije predmeta je Photoshop izbral samo osvetljena in odsevna področja, ki nas zanimajo in jih želimo videti:


Slika, rekonstruirana z 2D Fourierjevo transformacijo iz 4 signalov in prilagojena za primerjavo:


Ta slika je dejansko sestavljena iz samo 4 vrstic (in približno 300 stolpcev), navpična ločljivost slike je torej približno 0,5 mm, vendar se zdi, da so temni vogal in obe okrogli luknji vidni. Horizontalna ločljivost je 0,2 mm, to je širina prevodnih sledi na plošči, vseh pet jih je vidnih. (Navadni teleskop bi moral imeti premer dva metra, da bi jih lahko videli v bližnjem infrardečem sevanju).

V resnici je dosežena ločljivost še vedno daleč od teoretične meje, zato bi bilo dobro, da bi to tehnologijo uresničili. Hudič je, kot vemo, v podrobnostih, teh pa je veliko.

Hvala za vašo pozornost.

Uvod

Do danes so se pokazale glavne smeri, po katerih poteka implementacija. lasersko tehnologijo v vojaške zadeve. Ta področja so:

• 1. Laserska lokacija (zemlja, zrak, pod vodo).
• 2. Laserska komunikacija.
• 3. Laserski navigacijski sistemi.
• 4. Lasersko orožje.
• 5. Laserski sistemi ABM in PKO.

Uvedba laserjev v vojaška oprema ZDA, Francija, Anglija, Japonska, Nemčija, Švica. Državne institucije te države v celoti podpirajo in financirajo delo na tem področju.

LASERSKA LOKACIJA

Lasersko določanje razdalje se v tujem tisku nanaša na področje optoelektronike, ki se ukvarja z odkrivanjem in določanjem lokacije različnih objektov z uporabo elektromagnetni valovi optično območje, ki ga oddajajo laserji. Predmeti lasersko določanje razdalje lahko postanejo tanki, ladje, rakete, sateliti, industrijske in vojaške strukture. Načeloma se izvaja lasersko določanje razdalje aktivna metoda.

Lasersko določanje razdalje, tako kot radar, temelji na treh glavnih lastnostih elektromagnetnega valovanja:

1. Sposobnost odboja od predmetov. Tarča in ozadje, na katerem se nahaja, različno odbijata sevanje, ki vpada nanju.

Lasersko sevanje se odbija od vseh predmetov: kovinskih in nekovinskih, od gozdov, obdelovalnih površin in vode. Poleg tega se odraža od vseh predmetov, katerih dimenzije manjša dolžina valovi, boljši od radijskih valov. To je dobro znano iz osnovnega načela odboja, ki pravi, da krajša kot je valovna dolžina, bolje se odbije. Moč odbitega sevanja je v tem primeru obratno sorazmerna z valovno dolžino na četrto potenco. Laserski lokator ima načeloma večjo sposobnost zaznavanja kot radar – krajši kot je val, višji je. Zato je z razvojem radarja prišlo do težnje po prehodu z dolgih valov na krajše. Proizvodnja radiofrekvenčnih generatorjev, ki oddajajo ultra kratke radijske valove, pa je postajala vse težja in nato popolnoma zašla v slepo ulico. Ustvarjanje laserjev je odprlo nove perspektive v lokacijski tehnologiji.

2. Sposobnost širjenja v ravni črti. Uporaba ozko usmerjenega laserskega žarka, ki skenira prostor, vam omogoča, da določite smer do predmeta (target bearing). To smer določite po lokaciji osi optičnega sistema, ki ustvarja lasersko sevanje. Čim ožji je žarek, tem natančneje je mogoče določiti smer.

Preprosti izračuni kažejo, da je za pridobitev koeficienta usmerjenosti približno 1,5 pri uporabi radijskih valov v centimetrskem območju potrebna antena s premerom približno 10 m. Takšno anteno je težko namestiti na tank, še manj pa na letalo. Je zajetno in neprenosljivo. Uporabiti morate krajše valove.

Znano je, da je kotni kot laserskega žarka, proizvedenega s trdno aktivno snovjo, le 1,0 ... 1,5 stopinje in brez dodatnih optičnih sistemov.

Posledično so lahko dimenzije laserskega lokatorja bistveno manjše od podobnega radarja. Uporaba majhnih optičnih sistemov bo omogočila zožitev laserskega žarka na nekaj ločnih minut, če bo to potrebno.

3. Sposobnost lasersko sevanje namažite s konstantna hitrost omogoča določanje razdalje do predmeta. Tako se pri metodi določanja obsega impulza uporablja naslednje razmerje: L = ct/2, kjer je L razdalja do predmeta, c hitrost širjenja sevanja, t čas, ki ga impulz potrebuje, da potuje do tarča in nazaj.

Upoštevanje tega razmerja kaže, da je potencialna natančnost merjenja razdalje določena z natančnostjo merjenja časa, ki je potreben, da energijski impulz potuje do predmeta in nazaj. Povsem jasno je, da čim krajši je impulz, tem bolje.

Kateri parametri se uporabljajo za karakterizacijo lokatorja? Kakšni so podatki o njegovem potnem listu? Poglejmo jih nekaj.

Najprej območje pokritosti. Razume se kot območje prostora, v katerem se izvaja opazovanje. Njegove meje so določene z največjim in najmanjšim delovnim dosegom ter mejami gledanja v višini in azimutu. Te dimenzije so določene glede na namen vojaškega laserskega lokatorja.

Drugi parameter je čas pregleda. Nanaša se na čas, v katerem laserski žarek ustvari en sam pregled določenega volumna prostora.

Naslednji parameter lokatorja so določene koordinate.

Odvisni so od namena lokatorja. Če je namenjeno določanju lokacije zemeljskih in podvodnih predmetov, je dovolj, da izmerimo dve koordinati: obseg in azimut. Pri opazovanju zračnih objektov so potrebne tri koordinate. Te koordinate je treba določiti iz določeno natančnost, ki je odvisen od sistematičnih in naključnih napak. Uporabili bomo tak koncept kot ločljivost. Ločljivost pomeni zmožnost ločenega določanja koordinat blizu lociranih ciljev.

Vsaka koordinata ima svojo ločljivost. Poleg tega se uporablja takšna značilnost, kot je odpornost proti hrupu. To je sposobnost laserskega lokatorja, da deluje v pogojih naravnih in umetnih motenj. In zelo pomembna lastnost lokatorja je zanesljivost. To je lastnost lokatorja, da ohranja svoje značilnosti znotraj določenih meja danih pogojih delovanje.

Znanstveniki so uporabili rubinasti laser, ki je ustvaril velikanske impulze s trajanjem 5 10-8 s. Za pošiljanje laserskih impulzov na Luno in kasnejše sprejemanje impulzov, odbitih od Lunine površine, so leta 1969 pristali na Lunini površini optični teleskop s Krimskega observatorija s premerom glavnega zrcala 260 cm Ameriški astronavti iz Apolla 11, leta 1970 pa sovjetsko zemeljsko nadzorovano vesoljsko plovilo"Lunohod-1". Astronavti in lunarni rover so na Luno dostavili posebne odsevne reflektorje. Reflektor ali, drugače, kotni reflektor je zasnovan tako, da vrne svetlobni žarek, ki pada nanj, nazaj v smeri, ki je strogo vzporedna s prvotno smerjo žarka. To sposobnost ima na primer vogal, ki ga tvorijo tri ravna zrcala, usmerjena pravokotno drug na drugega. Z odbojem kratkih laserskih impulzov, poslanih z Zemlje od kotnih reflektorjev na lunini površini, so znanstveniki lahko določili razdaljo od Zemlje do Lune (natančneje od zrcala zemeljskega teleskopa do luninega reflektorja) z napaka, ki ne presega več deset centimetrov. Da bi si predstavljali, kako visoka je taka natančnost, se moramo spomniti, da je Luna oddaljena 380.000 km od

Laserski reflektor, nameščen na lunini površini, je kvadrat s stranico dolžine 45 cm, sestavljen iz 100 posameznih kotnih reflektorjev. Možno je spremeniti orientacijo kvadratne ravnine - ob upoštevanju lokacije reflektorja na lunini površini
Zemlja. Napaka merjenja razdalje 40 cm je 109-krat manjša od navedene razdalje!
Toda zakaj meriti razdaljo do Lune s tako veliko natančnostjo? Ali se to res počne le iz "športnega interesa"? seveda ne. Takšne meritve se ne izvajajo zato, da bi natančneje določili razdaljo od zemeljskega teleskopa do luninega reflektorja, temveč zato, da bi natančneje določili spremembe te razdalje v določenem časovnem obdobju, na primer v tednu, mesecu, eno leto. S preučevanjem grafov, ki opisujejo spremembe razdalje skozi čas, znanstveniki pridobijo informacije za odgovor na številna vprašanja velikega znanstvenega pomena: kako je masa porazdeljena v notranjosti Lune? S kakšno hitrostjo se zemeljske celine približujejo ali oddaljujejo? Kako se stanje spreminja skozi čas? magnetni poli Zemlja?
Zato je na svetu več deset laserskih lokacijskih sistemov za vesoljske namene.
branja. Izvajajo lokacijo Lune, pa tudi umetni sateliti Zemljišča za geodetske namene. Kot primer bomo navedli laserski lokacijski sistem Fizikalni inštitut imenovan po P. N. Lebedevu z Akademije znanosti ZSSR, namenjen lociranju Lune. Ruby ​​laser ustvarja ogromne svetlobne impulze s trajanjem 10-8 s in energijo približno 0,1 J. Impulzi gredo skozi kvantni ojačevalnik, po katerem se njihova energija poveča na 3 J. Nato svetlobni impulzi zadenejo 260- cm teleskopsko zrcalo in so poslani na Luno . Napaka pri merjenju razdalje do Lune je v tem primeru 90 cm. Z zmanjšanjem trajanja impulza na * 10“ 9 s se napaka zmanjša na 25 cm Center v ZDA, namenjen lociranju umetnih zemeljskih satelitov. Uporablja impulzni rubinasti laser, ki ustvarja impulze s trajanjem 4 * 10 "9 s in energijo 0,25 J. Napaka merjenja razdalje je 8 cm.
Poenostavljen optični diagram laserskega lokacijskega sistema Fizikalnega inštituta Akademije znanosti ZSSR: 7 - rubinasti laser, 2 - kvantni ojačevalnik svetlobe, 3 - glavno ogledalo teleskopa s premerom 260 cm

Laserski lokatorji so nameščeni ne le na zemeljsko površje, ampak tudi na letalo. Predstavljajmo si, da se dve vesoljski ladji približujeta druga drugi in sta tik pred tem avtomatsko priklop. Treba je natančno nadzorovati relativni položaj ladij in natančno izmeriti razdaljo med njimi. Za to je na eni od ladij nameščen laserski lokator. Kot primer razmislite o lokatorju, ki temelji na CO2 laserju, ki ustvarja pravilno zaporedje svetlobnih impulzov s hitrostjo ponavljanja 50 kHz. Laserski žarek se skenira vrstico za vrstico (podobno kot elektronski žarek v televizijski cevi) znotraj prostorskega kota 5 x 5°; čas gledanja žarka za ta sektor prostora je 10 s. Laserski lokator išče in identificira priklopno vozilo v določenem sektorju prostora, nenehno meri njegove kotne koordinate in doseg ter zagotavlja natančno manevriranje – vse do trenutka priklopa. Vse operacije lokatorja nadzira vgrajeni računalnik.
Laserski lokatorji se danes uporabljajo tako v astronavtiki kot v letalstvu. Zlasti lahko služijo kot natančni višinomeri. Upoštevajte, da je bil laserski višinomer uporabljen na vesoljske ladje Apollo za kartiranje lunine površine.
Glavni namen laserskih lokatorjev je enak kot radarjev: zaznavanje in prepoznavanje objektov, ki so oddaljeni od opazovalca, sledenje gibanja teh objektov, pridobivanje informacij o naravi predmetov in njihovem gibanju. Tako kot pri radarju tudi optično določanje razdalje uporablja impulze sevanja, ki jih odbija predmet, da zazna predmet in pridobi informacije o njem. Hkrati ima optična lokacija vrsto prednosti pred radarjem. Laserski lokator vam omogoča natančnejše določanje koordinat in hitrosti predmeta. Poleg tega omogoča prepoznavanje velikosti predmeta, njegove oblike in orientacije v prostoru. Na zaslonu laserskega radarja je mogoče opazovati video sliko objekta.
Prednosti laserskega določanja so povezane z ostro usmerjenostjo laserskih žarkov, visoko frekvenco optičnega sevanja in izjemno kratkim trajanjem svetlobnih impulzov. Res, ostalo - 66
Z usmerjenim žarkom lahko dobesedno "občutite" predmet, si "ogledate" različne dele njegove površine. Visoka frekvenca optičnega sevanja vam omogoča natančnejše merjenje hitrosti predmeta. Spomnimo se, da če se predmet premakne proti opazovalcu (od opazovalca), svetlobni impulz, ki ga odbija, ne bo imel več prvotne frekvence, temveč višjo (nižjo) frekvenco. To je Dopplerjev učinek, dobro znan tako v optiki kot v akustiki; ta učinek je osnova prej obravnavanih laserskih anemometrov. Sprememba frekvence odbitega impulza (Dopplerjev frekvenčni premik) je sorazmerna s hitrostjo objekta (natančneje projekcijo hitrosti na smer od opazovalca proti objektu) in frekvenco sevanja. Višja kot je frekvenca sevanja, večji je Dopplerjev premik frekvence, izmerjen z lokacijsko opremo, in zato je mogoče natančneje določiti hitrost predmeta. Na koncu opozarjamo na pomen uporabe dovolj kratkih impulzov sevanja na lokaciji. Navsezadnje je razdalja do predmeta, izmerjena z lokatorjem, sorazmerna s časovnim intervalom od pošiljanja sondirnega impulza do sprejema odbitega impulza. Čim krajši je sam impulz, tem natančneje je mogoče določiti to časovno obdobje in s tem razdaljo do predmeta. Vesoljsko lasersko določanje razdalje ne uporablja zaman svetlobnih impulzov s trajanjem približno 10–8 s ali manj. Spomnimo se, da je pri trajanju impulza 10'8 s napaka pri lociranju Lune znašala 90 cm, pri trajanju impulza 2'10_9 s pa se je napaka zmanjšala na 25 cm.
Vendar imajo optični lokacijski sistemi tudi slabosti. Seveda je zelo priročno "pregledati" predmet z ozkim, visoko fokusiranim laserskim žarkom. Vendar s takim žarkom ni tako enostavno zaznati predmeta; Čas gledanja nadzorovanega območja prostora se v tem primeru izkaže za razmeroma dolg. Zato se optični lokacijski sistemi pogosto uporabljajo v kombinaciji z radarskimi sistemi. Slednje zagotavljajo hiter pregled prostora, hitro zaznajo tarčo, optični sistemi pa nato izmerijo parametre zaznane tarče in sledijo tarči. Poleg tega pri širjenju optičnega sevanja
Pri prenosu skozi naravno okolje – atmosfero ali vodo – nastanejo težave povezane z vplivom okolja na svetlobni žarek. Prvič, svetloba se v mediju delno absorbira. Drugič, ko se sevanje širi vzdolž poti, se zaradi atmosferske turbulence, pa tudi zaradi sipanja svetlobe na delcih medija, nenehno povečuje popačenje valovne fronte svetlobnega žarka. Vse to omejuje domet zemeljskih in podvodnih optičnih lokacijskih sistemov, njihovo delovanje pa je odvisno od stanja okolja in predvsem vremenskih razmer.

Lasersko določanje razdalje je področje optoelektronike, ki se ukvarja z odkrivanjem in določanjem lokacije različnih predmetov z uporabo elektromagnetnih valov v optičnem območju, ki ga oddajajo laserji. Objekti laserskega določanja so lahko tanki, ladje, rakete, sateliti, industrijske in vojaške strukture. Načeloma se lasersko določanje razdalje izvaja z aktivno metodo. Vemo že, da se lasersko sevanje od temperaturnega razlikuje po tem, da je ozko usmerjeno, monokromatsko, ima visoko impulzno moč in visoko spektralno svetlost. Zaradi vsega tega je optična lokacija konkurenčna v primerjavi z radarjem, zlasti pri uporabi v vesolju (kjer ni absorpcijskega vpliva atmosfere) in pod vodo (kjer so okna prosojnosti pri številu valov v optičnem območju).

Lasersko določanje razdalje, tako kot radar, temelji na treh glavnih lastnostih elektromagnetnega valovanja:

1. Sposobnost odboja od predmetov. Tarča in ozadje, na katerem se nahaja, različno odbijata sevanje, ki pada nanju. Lasersko sevanje se odbija od vseh predmetov: kovinskih in nekovinskih, od gozdov, obdelovalnih površin in vode. Poleg tega se odraža od vseh predmetov, katerih dimenzije so manjše od valovne dolžine, bolje kot radijski valovi. To je dobro znano iz osnovnega načela odboja, ki pravi, da krajša kot je valovna dolžina, bolje se odbije. Moč odbitega sevanja je v tem primeru obratno sorazmerna z valovno dolžino na četrto potenco. Laserski lokator ima načeloma večjo sposobnost zaznavanja kot radar – krajša kot je valovna dolžina, višja je. Zato je z razvojem radarja prišlo do težnje po prehodu z dolgih valov na krajše. Vendar pa je izdelava radiofrekvenčnih generatorjev, ki oddajajo ultra kratke radijske valove, postajala vse težja in nato zašla v slepo ulico.

Ustvarjanje laserjev je odprlo nove perspektive v lokacijski tehnologiji.

2. Sposobnost širjenja v ravni črti. Uporaba ozko usmerjenega laserskega žarka, ki se uporablja za skeniranje prostora, omogoča določitev smeri na objekt (target bearing).

Ta smer je določena z lokacijo osi optičnega sistema, ki ustvarja lasersko sevanje (v radarju - v smeri antene). Čim ožji je žarek, tem natančneje je mogoče določiti smer. Določimo koeficient usmerjenosti in premer antene z naslednjo preprosto formulo,

G= 4p*S

kjer je G koeficient usmerjenosti, S površina antene, m2, / je valovna dolžina sevanja μm.

Preprosti izračuni kažejo, da je za pridobitev koeficienta usmerjenosti približno 1,5 pri uporabi radijskih valov v centimetrskem območju potrebna antena s premerom približno 10 m. Takšno anteno je težko namestiti na tank, še manj pa na letalo. Je zajetno in neprenosljivo. Uporabiti morate krajše valove.

Znano je, da je kotni kot laserskega žarka, izdelanega s trdno aktivno snovjo, le 1,0 - 1,5 stopinje in brez dodatnih optičnih fokusnih sistemov (anten). Posledično so lahko dimenzije laserskega lokatorja bistveno manjše od podobnega radarja. Uporaba majhnih optičnih sistemov bo omogočila zožitev laserskega žarka na nekaj ločnih minut, če bo to potrebno.

3. Sposobnost laserskega sevanja, da se širi s konstantno hitrostjo, omogoča določanje razdalje do predmeta. torej. Metoda določanja obsega impulza uporablja naslednje razmerje:

L= ctin

kje L - razdalja do predmeta, km, C - hitrost širjenja sevanja km/s, t in - čas prehoda impulza do cilja in nazaj, s.

Upoštevanje tega razmerja kaže, da je potencialna natančnost merjenja razdalje določena z natančnostjo merjenja časa, ki je potreben, da energijski impulz potuje do predmeta in nazaj. Popolnoma jasno je, da čim krajši je impulz, tem bolje (če je dobra pasovna širina, kot pravijo radijci). Toda že vemo, da sama fizika laserskega sevanja omogoča pridobivanje impulzov s trajanjem 10-7 - 10-8 s. In to zagotavlja dobre podatke za laserski lokator.

Kateri parametri se uporabljajo za karakterizacijo lokatorja? Kakšni so podatki o njegovem potnem listu? Oglejmo si nekatere od njih, glej sl.

Najprej območje. Razume se kot območje prostora, v katerem se izvaja opazovanje. Njegove meje so določene z največjim in najmanjšim dosegom ter mejami gledanja v višini in azimutu. Te dimenzije so določene glede na namen vojaškega laserskega lokatorja.

Drug parameter lokatorja je čas gledanja. Nanaša se na čas, v katerem laserski žarek zagotavlja en sam pregled določenega volumna prostora.

Naslednji parameter lokatorja so določene koordinate. odvisni so od namena lokatorja. Če je namenjeno določanju lokacije zemeljskih in površinskih predmetov, je dovolj, da izmerimo dve koordinati: obseg in azimut. Pri opazovanju zračnih objektov so potrebne tri koordinate. Te koordinate je treba določiti z določeno natančnostjo, ki je odvisna od sistematičnih in naključnih napak. Njihovo obravnavanje presega obseg te knjige. Vendar bomo uporabili tak koncept kot moč ločevanja. Ločljivost pomeni zmožnost ločenega določanja koordinat blizu lociranih ciljev. Vsaka koordinata ima svojo ločljivost. Poleg tega se uporablja takšna značilnost, kot je odpornost na motnje. To je sposobnost laserskega lokatorja, da deluje v pogojih naravnih (Sonce, Luna) in umetnih motenj.

In zelo pomembna lastnost lokatorja je zanesljivost. To je lastnost lokatorja, da ohrani svoje značilnosti v določenih mejah v danih pogojih delovanja.

Za diagram laserskega lokatorja, zasnovanega za merjenje štirih glavnih parametrov predmeta (obseg, azimut, višina in hitrost), glejte sl. na strani 17. Jasno je razvidno, da je strukturno tak lokator sestavljen iz treh blokov: oddajnega, sprejemnega in indikatorskega. Glavni namen oddajnega lokatorja je generiranje laserskega sevanja, njegovo oblikovanje v prostoru, času in smeri na območje objekta. Oddajno enoto sestavljajo laser z virom vzbujanja, Q-stikalo, skenirna naprava, ki zagotavlja pošiljanje energije v danem območju v skladu z danim skenirnim zakonom, ter oddajni optični sistem.

Glavni namen sprejemne enote je sprejemanje sevanja, ki ga odbije predmet, ga pretvori v električni signal in ga obdela za pridobivanje informacij o predmetu. Sestavljen je iz sprejemnega optičnega sistema, interferenčnega filtra, sprejemnika sevanja ter enot za merjenje razdalje, hitrosti in kotnih koordinat.

Indikatorski blok se uporablja za označevanje informacij o ciljnih parametrih v digitalni obliki.

Glede na namen, za katerega lokator služi, ločimo: daljinomere, merilnike hitrosti (Dopplerjev lokator), same lokatorje (dometa, azimuta in elevacije).

DIAGRAM LASERSKOG LOKATORJA

sprejemnik sevanje

optični filter

sprejemni optični sistem

INDIKATORSKI BLOK

SPREJEMNI BLOK

merilna enota obsega

enota za merjenje hitrosti

kotna koordinatna merska enota

Višinski kot

Hitrost

napajalna enota

stran 1 Lasersko določanje razdalje se nanaša na metode na daljavo raziskovanje.   Lasersko določanje razdalje se v tujem tisku nanaša na področje optoelektronike, ki se ukvarja z detekcijo in določanjem lokacije različnih objektov s pomočjo elektromagnetnega valovanja v optičnem območju, ki ga oddajajo laserji. Objekti laserskega določanja so lahko tanki, ladje, rakete, sateliti, industrijske in vojaške strukture.   Uporaba laserskega določanja razdalje za raziskave in nadzor kakovosti zračnega bazena omogoča hitro merjenje onesnaženosti zraka v neomejenih količinah, kar povečuje natančnost in zanesljivost. osnovne informacije za oblikovanje.   Pri laserskem določanju razdalje, ko ima prejeta informacija izrazito statistično naravo, je tak pristop še posebej upravičen. V tem primeru so namreč posamezni koeficienti določeni le z določeno natančnostjo, tako da povečanje njihovega števila vodi do povečanja informacij o posnetem signalu le do določene meje, nato pa se povečanje informacij izravna z povečanje napak nihanja.   Pri laserskem določanju razdalje je model popolnoma znanega signala nerealen, saj je poznavanje odbitega signala, natančno na fazo, enakovredno poznavanju razdalje do cilja, natančno na valovno dolžino.   Metoda laserskega določanja razdalje uporablja kotne reflektorje.   Z vidika laserskega določanja razdalje lahko vse atmosferske učinke (čeprav v nekaterih primerih zelo pogojno) razdelimo v dve skupini. V prvo skupino sodijo tisti pojavi, ki povzročijo spremembo skupne intenzitete vozila, ki se pelje proti cilju. svetlobni tok. V drugem - tiste, ki povzročajo spremembo geometrijskih parametrov svetlobnega žarka (njegovo širjenje in odstopanje) in prerazporeditev energije v ciljnem območju.   Odpravite se splošna teorija lasersko določanje razdalje in načela konstruiranja naprav za lasersko določanje razdalje, namenjenih reševanju širokega spektra praktični problemi. Iz enotne teoretske perspektive statistične rešitve Upoštevana so glavna vprašanja optimalnega sprejema laserskih lokacijskih signalov. Analizirane so metode za obdelavo meritev trajektorij, različne načine pridobivanje nekoordiniranih informacij, vključno s holografskimi, interferometričnimi in prilagodljivimi. Vklopljeno konkretni primeri Upoštevani so osnovni principi konstruiranja eksperimentalnih laserskih naprav.   Poleg raziskav splošno Za lasersko določanje razdalje se raziskave, povezane z izkrivljanjem določenih slik, izkažejo za zelo pomembne. To bo omogočilo na eni strani navaditi operaterja na zaznavanje takšnih slik, na drugi strani pa nastaviti mejne parametre faznih popačenj, pri katerih kakovost slik ne presega sprejemljivih standardov.   Monografija opisuje splošno teorijo laserskega določanja razdalje in principe konstruiranja opreme za lasersko določanje razdalje, namenjene reševanju širokega spektra praktičnih problemov. S stališča teorije statističnih rešitev so obravnavana glavna vprašanja optimalnega sprejema laserskih lokacijskih signalov in meritev parametrov. Analizirane so metode za obdelavo meritev trajektorij in različne metode za pridobivanje nekoordinatnih informacij, vključno s holografskimi, interferometričnimi in prilagodljivimi.   Do začetka 80. let je lasersko merjenje razdalje postalo samostojno znanstveno in tehnično področje.   Za večino valovnih dolžin, ki so zanimive z vidika laserskega določanja razdalje, se koeficienti molekularnega in korpuskularnega sipanja povečajo v obratnem sorazmerju z valovno dolžino na četrto potenco. Molekularno (Rayleighovo) sipanje svetlobe neizogibno poteka in se s časom skoraj ne spreminja, vendar praktično ne moti prehoda svetlobe iz vidnih in infrardeče dolžine valovi Na primer, sevanje z valovno dolžino 0 5 μm, usmerjeno navpično od morske gladine do zenita, bo v ozračju oslabljeno zaradi Rayleighovega sipanja le za 13 %; v daljnem infrardečem območju (10 6 μm) lahko Rayleighovo sipanje na splošno zanemarimo.   Najprej razmislimo o vprašanju nelinearnih popravkov v enačbi laserskega določanja razdalje za tradicionalne sheme zaznavanja aerosolov.   Od celotnega velikega razreda polprevodniških laserjev se v sodobnem laserskem določanju najpogosteje uporabljajo trije tipi: rubinasti laserji, laserji iz neodimovega stekla in granatni laserji, ki delujejo v impulzno-periodičnem načinu. Prvi tip proizvaja sevanje pri valovni dolžini R0 69 μm, drugi in tretji - pri K 1 06 μm. Impulzne moči, ki jih realizirajo ti laserji, dosegajo do 109 W s trajanjem impulza 10 - 8 s in hitrostjo ponavljanja impulza do 10 Hz in več.   Najnovejši materiali v razdelku: