Лазерная локация и ее использование в астрономии сообщение
Обновлено: 19.05.2024
Определение расстояния в Космосе является неотъемлемой частью развития астрономии. Для астрономов вопрос точности измерения стоит в первых рядах.
Например, человечество узнало, что несколько миллиардов лет назад Вселенная расширялась гораздо медленнее, чем сейчас. Тем самым, выяснив, что воздействие темной энергии постепенно возрастает.
Да и к тому же важно знать своё место во Вселенной. Ради улучшения способов учёные со всего света слетаются каждое десятилетие.
1. Метод локации
Метод локации эффективен для измерения расстояний до объектов, расположенных в пределах Солнечной системы. Суть в следующем: лазер излучает свет в сторону нужного космического объекта.
На этом объекте, к примеру Луна, установлены специальные уголковые отражатели, благодаря которым падающий луч света отражается точно в сторону источника излучения. Зная скорость света, а также время полёта, простой формулой определяется расстояние.
Благодаря этому способу человечество узнало удалённость Земли от Луны с погрешностью до одной десятой сантиметра. Уголковые отражатели на Луне были доставлены как советскими луноходами, так и американскими астронавтами миссии "Аполлон".
Впоследствии учёные определили, что каждый год Луна отдаляется от Земли на 3 - 4 сантиметра именно с помощью метода лазерной локации. Стоит учесть, излучение необязательно должно быть в световом (видимом) диапазоне.
Теоретически, этим способом можно точно измерить расстояние между Землёй и Плутоном. Свету потребуется всего лишь 11 часов, чтобы долететь до карликовой планеты и вернуться назад.
Конечно, вряд ли там когда-нибудь установят отражатели. Да и ни к чему они, так как для этого существуют космические аппараты, которые, пролетая мимо планет, отправляют снимки со скоростью света в родную гавань.
К примеру, в июле 2015-го космический аппарат "Новые горизонты", во время пролёта, максимально сблизился с Плутоном на расстоянии в 12500 км, отправив впечатляющие снимки карликовой планеты Земле.
Как указано выше, у этого метода есть предел. Если ближайшая звезда к Земле, (не считая Солнца), Проксима Центавра удалена на расстоянии в 4.22 светового года, то самому быстрому аппарату "Вояджер-1", скорость которого составляет 17 км/с относительно Солнца, понадобится 75 000 лет.
Да и чем дальше объект, тем сложнее идентифицировать то самое отражённое излучение. Поэтому метод лазерной локации подходит только для Солнечной системы. Значит пора перейти ко второму.
2. Метод годичного параллакса
( в ролике нагляднее -- прим. автора )
Этот метод дает обширные возможности для определения расстояния до звёзд. Сначала разберёмся со словом параллакс. Параллакс — смещение близкого объекта относительно удалённого при наблюдении с разного местоположения. Чем больше смещение, тем ближе объект.
С явлением параллакс мы встречаемся повседневно и в обычной жизни. Например, когда мы смотрим в окно при передвижении на поезде, то замечаем, что более близкие деревья или кустарники смещаются гораздо быстрее по сравнению с удалёнными.
Так как звёзды находятся слишком далеко, то эффект параллакса на Земле незаметен. Но здесь на помощь приходит естественное движение планеты вокруг Солнца. Тут уже можно наблюдать необходимую звезду в пределах 300 миллионов км.
Сам годичный параллакс представляет собой угол, вершиной которого является звезда (не Солнце). Угол образован между двумя сторонами. Чем меньше угол, тем дальше объект.
Первая сторона: расстояние между необходимой звездой и Солнцем. Вторая: расстояние между той же звездой и Землёй. Получается треугольник, у которого третья сторона не что иное, как радиус земной орбиты, равный 1 астрономической единице.
По сути, для определения угла до нужной звезды достаточно годовое наблюдение, так как Земля совершает полный оборот за это время. Отсюда и пошло название годичного параллакса.
Другой причиной круглогодичного непрерывного наблюдения является корректировка движения удалённых звёзд и самого Солнца вокруг центра Млечного Пути. Ведь всё движется во Вселенной.
Для определения расстояния обычно используют прямоугольный треугольник. Причём прямой угол может быть как у Земли, так и у Солнца. В основном это зависит от расположения наблюдаемой звезды относительно Солнечной системы.
Если звезда ближе к эклиптике, то прямой угол берётся у Земли. Если ближе к перпендикуляру Солнечной системы, то у Солнца. Всё же треугольник необязательно должен быть прямоугольным.
В случае с обычным треугольником расстояние от Земли до звезды определяется теоремой синусов, где стороны любого треугольника пропорциональны синусам противолежащих углов. В общем, метод годичного параллакса — обычная тригонометрия.
Но и здесь есть ограничения. Дело в том, что даже Проксима Центавра находится на расстоянии, годичный параллакс которого равен 0,75 угловой секунды.
Немного об угловой секунде. Представим 1 угловой градус. Этот градус состоит из 60-ти угловых минут, а минута из 60-ти угловых секунд. То есть 1 угловая секунда — это всё равно что смотреть на человеческий волос с расстояния в 20 метров, толщина которого 0,1 мм.
Мы не способны видеть объекты при таком разрешении. Астрономы даже придумали термин, состоящий из двух слов: параллакс + секунда = парсек , который обозначает расстояние до объекта, годичный параллакс которого равен одной угловой секунде.
Даже ближайшие звёзды расположены дальше 1 парсека, не говоря уж об отдалённых. Благодаря современным приборам человечество научилось измерять расстояния до звёзд этим методом. Но учёные пошли дальше.
В конце 2013 года Европейское Космическое Агентство запустило космический аппарат "Gaia", который движется по орбите вокруг Солнца в полутора миллионов км от Земли. Точность аппарата составляет 25 микросекунд дуги . Это всё равно что разглядеть с Земли двухрублёвую монету на Луне.
В общем, "Gaia" способен определять расстояния практически до любых звёзд нашего Млечного Пути. Но здесь наступает предел. Расстояния до других галактик измеряются следующим способом.
3. Метод звёздных маяков
Для удобства измерения выбирают звёзды цефеиды. Их ещё называют звёздными маяками. Цефеиды — переменные звёзды, в которых происходит изменение светимости строго с определённым периодом. Период обычно составляет от 1 до 50 суток. Светимость меняется из-за изменения размера Цефеиды.
В 20-м веке в Гарвардской обсерватории состоялось прорывное открытие. Установлена связь между периодом изменения яркости Цефеиды и абсолютной звёздной величиной.
Астрономами было установлено, что абсолютная звёздная величина соответствует видимой на расстоянии в 10 парсек или 32.6 светового года. Величину на таком расстоянии измеряли годичным параллаксом различных ближайших переменных звёзд. То есть предыдущий метод является также калибровочным, благодаря которому установили абсолютную звёздную величину.
У Солнца, например, абсолютная звёздная величина +4.8, у Веги 0,5. Всё что выше + 6, недоступно человеческому глазу с расстояния в 10 парсек.
Зная период пульсаций Цефеиды, определяется абсолютная звёздная величина, с помощью которой, в сравнении с видимой, измеряется расстояние.
С помощью цефеид человечество узнало удалённость миллионов галактик. Но чтобы измерить расстояние до галактик, расположенных в миллиардах световых годах, астрономы полагаются на более яркий метод.
4. Вспышка Сверхновой звезды
Между яркостью и расстоянием есть определённая зависимость. К примеру, возьмём обычную свечу. Если первый объект находится в 2 раза дальше второго от источника освещения, то светового потока будет приходиться на первый объект в 4 раза меньше. То есть зависимость между яркостью и расстоянием обратно квадратичная.
Чем дальше объект, тем сложнее обнаружить его светимость. Но Вселенная часто помогает вспышками сверхновых звёзд, которые рождаются в среднем 1 раз в 100 лет в галактике. В настоящее время считается, что в Наблюдаемой Вселенной около 2 триллионов галактик. Конечно, на самом деле их больше, но пока столько.
Значит, теоретически, каждую секунду вспыхивают 634 сверхновые звёзды. Когда взрывается сверхновая, она выделяет энергию, сопоставимую с энергией 10-миллиардного жизненного цикла Солнца.
То есть Солнце прожило полжизни. За 5 миллиардов лет выделило в космическое пространство энергию аналогичную половине энергии вспышки Сверхновой. Вспышки Сверхновых — это подарок Вселенной для измерения расстояний.
Заключение
Стоит отметить, что чем дальше объект, тем труднее точно измерить расстояние. Дело в том, что расчёты неидеальны, так как для этого нужен 100%-й вакуум в космическом пространстве, которого нигде нет, а Вселенная должна оставаться неподвижной.
Также излучение удалённого объекта рассеивается не только космической пылью, но и тёмной материей, которую учёным пока что обнаружить не удалось, хоть и доказано, что она существует.
Ещё отклонение в расчётах вызывают массивные объекты, которые согласно Общей Теорией Относительности Эйнштейна искривляют траекторию излучения.
Однако учёные не останавливаются на достигнутом, продолжают встречаться и изобретать более совершенные методы и приборы.
LIDAR (англ. Light Detection and Ranging , лида́р) — технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.
Содержание
История
В 1963 году в США начались полевые испытания носимого лазерного дальномера XM-23 с мощностью излучения 2.5 Вт и диапазоном измеряемых расстояний 200-9995 м. [3] . XM-23 был изначально несекретным образцом и стал базовым прибором для гражданских исследователей 1960-х годов. [4] К концу 1960-х годов лазерные дальномеры стали стандартным оборудованием новых танков США (первым образцом, спроектированным с учётом лазерных дальномеров стал M551 Шеридан, запущенный в серию в 1967). Гражданские применения лазерных дальномеров были ограничены лишь высокой стоимостью интегральных схем того времени.
Тогда же, в первой половине 1960-х годов, начались опыты по применению лидара с лазерным излучателями для исследования атмосферы. [5]
В течение 70-х годов, с одной стороны, отлаживалась технология лазерных дальномеров и компактных полупроводниковых лазеров, а с другой — были начаты исследования рассеяния лазерного луча в атмосфере. К началу 80-х годов эти исследования стали настолько известными в академических кругах США, что аббревиатура LIDAR стала именем нарицательным — lidar, что зафиксировал словарь Уэбстера 1985 года. [2] В те же годы лазерные дальномеры достигли стадии зрелой технологии (по крайней мере, в военных приложениях) и выделились в отдельную от лидаров отрасль техники. [8]
Принцип действия
Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара — светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели.
В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды — достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.
Устройство
Излучатель
В абсолютном большинстве конструкций излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd-YAG лазеры и длины волн (в нанометрах):
В устройствах ближнего радиуса действия (см. Промышленные и сервисные роботы) вместо коротких импульсов может использоваться непрерывная амплитудная модуляция излучения переменным напряжением с частотой в единицы мегагерц.
Сканирующая оптика
Простейшие атмосферные лидарные системы не имеют средств наведения и направлены вертикально в зенит.
Для сканирования горизонта в одной плоскости применяются простые сканирующие головки. В них неподвижные излучатель и приёмник также направлены в зенит; под углом 45° к горизонту и линии излучения установлено зеркало, вращающееся вокруг оси излучения. В авиационных установках, где надо сканировать полосу, перпендикулярную направлению полёта самолёта-носителя, ось излучения — горизонтальна. Для синхронизации мотора, вращающего зеркало, и средств обработки принимаемого сигнала используются точные датчики положения ротора, а также неподвижные реперные риски, наносимые на прозрачный кожух сканирующей головки.
Приём и обработка сигнала
Перспективы применения
Исследования атмосферы
Исследования атмосферы стационарными лидарами остаётся наиболее публичной отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.
Измерение температуры атмосферы. Разработанно и реализовано на практике несколько основных методов измерения профилей температуры.
В первом методе используется резонансное рассеяние на атомах щелочных металлов, в частности, натрия, калия, а также железа [12] [13] [14] . Облака атомов металлов находятся на высоте 85 — 100 км. Температура измеряется по доплеровскому уширению резонансных линий с помощью зондирования узкополосным подстраиваемым лазером (используются жидкостные лазеры с активным веществом в виде раствора органического красителя). Первые измерения были осуществлены с помощью искусственных натриевых облаков, забрасываемых в атмосферу ракетами. Несмотря на то, что метод ограничен диапазоном высот, на которых присутствуют атомы металла, рассеянный сигнал оказывается относительно большим, и это дает возможность измерять температуру с точностью до 1.5 ˚К [15] .
Второй метод – метод рэлеевского рассеяния (Rayleigh lidar), основан на нерезонансном рассеянии света на молекулах воздуха [13] [16] [17] . Впервые он был применен в 1953 году в опытах с прожекторным зондированием атмосферы [18] . Суть метода заключается в следующем. Если отсутствует аэрозольное рассеяние, то мощность обратно рассеянного сигнала прямо пропорциональна плотности воздуха, из которой можно расчитать температуру. Разрежение воздуха с высотой позволяет использовать метод рэлеевского рассеяния на высотах не более 90 км. Нижняя граница высоты измерения (около 20-30 км) обусловлена присутствием в граничном слое большого количества аэрозоля, который значительно увеличивает рассеяние, но практически не влияет на плотность воздуха.
Третий метод основан на вращательном рамановском (комбинационном) рассеянии молекулами воздуха (Raman lidar) [13] [16] . Когда температура увеличивается, интенсивность переходов с большими квантовыми числами возрастает, в то время как интенсивность линий вращательного рамановского спектра, соответствующих маленьким квантовым числам, уменьшается. Переходы с большими квантовыми числами соответствуют линиям рамановского спектра, расположенным дальше от центральной частоты. Температура определяется при использовании измерений в двух областях спектра с различной температурной зависимостью. Максимальная высота зондирования составляет около 30 км, погрешность измерения менее 1 ˚К до высоты 10 км [19] . Так как в приемнике линия упругого рассеяния подавляется, то измерения можно проводить и в присутствии значительных концентраций аэрозолей.
Измерение температуры может проводиться так же с помощью DIAL лидара [13] , но этот метод не получил большого распространения.
Помимо научных целей и метеорологических наблюдений, активно испытываются комплексные системы мониторинга воздушных потоков в районах аэропортов. Среди практических предложений последних лет — системы автоматического управления ветрогенераторами, использующие лидары для определения силы и направления ветра. [20]
Раннее оповещение о лесных пожарах. Лидар, размещённый на возвышенности (на холме или на мачте) и сканирующий горизонт, способен различать аномалии в воздухе, порождённые очагами пожаров. В отличие от пассивных инфракрасных систем, распознающих только тепловые аномалии, лидар выявляет дымы по аномалиям, порождаемым частицами горения, изменению химического состава и прозрачности воздуха и т. п. Технология с радиусом обнаружения дымов в 20 км была впервые заявлена в 1990, [21] активные поиски оптимальных конфигураций систем ведутся по сей день. [22]
Исследования Земли
Особо ценным оказался опыт верификации данных космической съёмки с использованием синхронных данных более 60 наземных лидаров по всему миру. [25]
Первый европейский орбитальный лидар (проект ALADIN) планируется к запуску в 2008 году. [26]
Особое направление, применяемое на практике в сейсмоопасных районах США — дифференциальное измерение высот с целью выявления локальных подвижек земных масс в районе разломов. Ещё в 1996 с помощью лидара была открыта неизвестная ранее зона разлома возле Сиэтла. [30]
Строительство и горное дело
Лидары, сканирующие неподвижные объекты (здания, городской ландшафт, открытые горные выработки), относительно дёшевы: так как объект неподвижен, то особого быстродействия от системы обработки сигнала не требуется, а сам цикл обмера может занимать достаточно долгое время (минуты). Так же, как в своё время падала стоимость лазерных дальномеров и уровней, применяемых в строительстве, следует ожидать дальнейшего снижения цен на строительные и горные лидары, — падение цен ограничено лишь стоимостью прецизионной сканирующей оптики. Типичные отрасли применения:
Маркшейдерское дело — обмеры открытых горных выработок, построение трёхмерных моделей подземных горных пластов (в том числе в связке с сейсмографическими инструментами).
Строительство — обмеры зданий, контроль отклонения плоскостей стен и несущих колонн от вертикали (в том числе в динамике), анализ вибраций стен и остекления. Обмеры котлованов, создание трёхмерных моделей стройплощадок для оценки объёмов земляных работ.
Архитектура — построение трёхмерных моделей городской среды для оценки влияния предлагаемых новостроек на облик города.
Морские технологии
Измерение глубины моря. Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти полностью отражаются поверхностью моря, тогда как зелёные частично проникают в воду, рассеиваются в ней, и отражаются от морского дна. Технология пока не применяется в гражданской гидрографии из-за высокой погрешности измерений и малого диапазона измеряемых глубин.
Поиск рыбы. Аналогичными средствами можно обнаруживать признаки косяков рыбы в приповерхностных слоях воды. Специалисты американской государственной лаборатории ESRL утверждают, что поиск рыбы лёгкими самолётами, оборудованных лидарами, как минимум на порядок дешевле, чем с судов, оборудованных эхолотами. [31]
Спасение людей на море. В 1999 ВМС США запатентовали конструкцию авиационного лидара, применимого для поиска людей и человеческих тел на поверхности моря; [32] принципиальная новизна этой разработки — в применении оптического маскирования отражённого сигнала, снижающего влияние помех.
Разминирование. Обнаружение мин возможно с помощью лидаров, непосредственно погруженных в воду (например, с буя, буксируемого катером или вертолётом), однако не имеет особых преимуществ по сравнению с активными акустическими системами (сонарами). Запатентованы средства обнаружения мин в приповерхностных слоях воды с помощью бортовых авиационных лидаров, эффективность таких лидаров не известна.
В последующие годы Kaman развивало тему лидаров как в направлении повышения радиуса действия и надёжности распознавания образов, так и части новых областей применения. Например, в 1999 запатентовано использование лидаров для установления скоростной подводной связи с беспилотными подводными аппаратами (управляемыми торпедами) по оптическому каналу. [35] В 1992 были предложены индивидуальные лидары для водолазов и аквалангистов. [36] Вероятно, что существенный пласт военно-морских разработок остаётся неизвестным широкой публике.
На транспорте
Системы активной безопасности.
С 2003 года правительство США через агентство передовых военных разработок DARPA финансирует разработку и соревнование автомобилей-роботов. Ежегодно проводятся гонки DARPA Grand Challenge; в гонке 2005 года победила машина из Стэнфорда, в основе системы зрения которой — пять лидаров направленного обзора.
Системы автоматической стыковки. Канадская компания Optech разрабатывает и производит системы для автоматической стыковки на орбите, основанные на лидарах. [38]
Промышленные и сервисные роботы
Обсуждая однажды вопрос о происхождении математики на заседании Французского математического общества, я сказал, что математика — это часть физики, являющаяся, как и физика, экспериментальной наукой: разница только в том, что в физике эксперименты стоят обычно миллионы долларов, а в математике — единицы рублей.
Во время второй мировой войны английские летчики планировали ночной рейд, который надо было осуществить на чрезвычайно малой высоте — около 20 метров. Это спасало самолеты от их обнаружения противником и от зенитного огня. Но как пилоту держать эту малую постоянную высоту?
Известно, что высоту можно определять с помощью барометрического высотомера — чем выше, тем меньше атмосферное давление. Но на малых высотах эти приборы не дают необходимую точность.
Сейчас мы знаем, например, о лазерной локации Луны. Луч лазера направляется на ее поверхность, а отраженный сигнал улавливается на Земле приемником. По времени прохождения сигнала туда и обратно вычисляется расстояние до Луны. С 1970-х годов точность измерения этого расстояния достигла 2–3 сантиметров. При этом используются установленные на Луне уголковые отражатели.
Лазерная локация — частный случай эхолокации. Посылаемая и затем отраженная волна может быть и звуковой, и ультразвуковой, и радиоволной. Соответствующие приборы — это радары, сонары, гидролокаторы, эхолоты, дефектоскопы, медицинские аппараты УЗИ.
Но не их использовали английские летчики. Все было намного проще, на уровне школьной геометрии. Фактически задача сводилась к построению треугольника по стороне и проведенной к ней высоте.
На фюзеляже самолета — у носа и у хвоста — крепились два прожектора, лучи которых могли быть направлены вниз под любым углом к самолету. Получался треугольник со стороной, равной длине самолета, и двумя прилежащими к ней углами. Ясное дело, что эти углы можно выбрать так, чтобы высота треугольника равнялась заданной высоте полета h. Это соответствует тому, что лучи прожекторов пересекаются на расстоянии h от фюзеляжа. Тогда, в реальной боевой операции англичан, h = 18,5 м. И такая точность была достигнута. Требуемые углы для прожекторов рассчитывались заранее.
Во время полета самолета на произвольной высоте штурман видел внизу на земле или на воде два световых пятна. Их взаимное положение зависело от высоты полета. Глядя на них, штурман давал указания пилоту на изменение высоты. Требуемая высота достигалась, когда два световых пятна сливались в одно.
Угловая разрешающая способность – важнейшая характеристика любой телескопической системы. Оптика утверждает, что это разрешение однозначно связано с длиной волны, на которой осуществляется наблюдение, и с диаметром входной апертуры телескопа. С большими диаметрами, как известно, большая проблема. Вряд ли когда-нибудь будет построен телескоп больше этого.
Одним из способов значительного увеличения разрешающей способности является применяемый в радиоастрономии и радиолокации метод синтезирования больших и сверхбольших апертур. В миллиметровом диапазоне самую большую апертуру — 14 км — обещают формировать 66-ю антеннами проекта ALMA в Чили.
Перенос методов апертурного синтеза в оптическую область, где длины волн на несколько порядков меньше, чем у радиолокаторов, связан с развитием техники лазерного гетеродинирования.
1.Физические основы формирования изображений.
Не будет ошибкой сказать, что изображение в любом оптическом устройстве формируется дифракцией света на входной апертуре, и более ничем. Посмотрим на изображение объекта из центра апертуры. Угловое распределение яркости изображения бесконечно удаленного точечного источника света (как, впрочем, и любого другого) будет одинаково для линзы и камеры-обскуры равного диаметра. Отличие линзы от обскуры заключается лишь в том, что линза переносит формируемое своей апертурой изображение из бесконечности в свою фокальную плоскость. Или, говоря иначе, производит фазовое преобразование входного плоского волнового фронта в сферически сходящийся. Для удаленного точечного источника и круглой апертуры изображение — это всем известная картина Эйри с кольцами.
Угловой размер диска Эйри можно в принципе уменьшить и как будто увеличить разрешение (по рэлеевскому критерию), если задиафрагмировать апертуру специальным образом. Существует такое распределение пропускания по радиусу, при котором центральный диск теоретически можно сделать произвольно малым. Однако при этом световая энергия перераспределяется по кольцам и контраст сложного изображения падает до нуля.
Короче говоря, если каким-то образом записать поле (синтезировать апертуру) на достаточно большой области без потери амплитудной и фазовой информации, то для получения изображения можно обойтись без гигантских зеркал современных телескопов и мегапиксельных матриц, просто вычисляя Фурье-образ полученного массива данных.
2. Локация спутников и сверхразрешение.
Разумеется, отраженный сигнал на таких расстояниях ослабевает на много порядков. Однако гетеродинный прием (когерентное смешивание с опорным излучением) в значительной степени компенсирует это ослабление. Ведь, как известно, выходной фототок приемника в этом случае пропорционален произведению амплитуд опорного излучения и приходящего сигнала. Будем увеличивать долю опорного излучения и тем самым усиливать весь сигнал.
Можно посмотреть и с третьей стороны. Эта технология представляет собой не что иное, как запись голограммы, т.е. интерференционной картины, возникающей при смешивании опорного и сигнального полей. Она содержит в себе амплитудную и фазовую информацию, достаточную для восстановления полного изображения объекта.
Итак, мы имеем записанное световое поле на очень большой площади и можем делать с ним все, что угодно. Например, получить двухмерное изображение очень маленьких объектов на очень большом расстоянии без всяких телескопов. Или можно восстановить трехмерную структуру объекта путем цифровой перефокусировки по дальности.
3. Что было раньше.
Американская DARPA некоторое время назад финансировала программу SALTI, суть которой состояла в реализации подобной технологии. Предполагалось с летящего самолета лоцировать со сверхвысоким разрешением объекты на земле (танки, например), были получены некие обнадеживающие данные. Однако эту программу то ли закрыли, то ли засекретили в 2007 году и с тех пор про нее ничего не слышно. В России тоже кое-что делалось. Вот здесь можно посмотреть картинку, полученную на длине волны 10,6 мк.
4.Трудности технической реализации на длине волны 1,5 мк.
По зрелом размышлении я решил здесь ничего не писать. Слишком много проблем.
5. Кое-какие первичные результаты.
По правде говоря, полученное разрешение пока далеко от теоретического предела, так что неплохо бы довести до ума эту технологию. Дьявол, как известно, кроется в деталях, а деталей здесь очень много.
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 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, монохроматичным, имеет большую импульсную) мощность и высокую спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию конкурентоспособной в сравнении с радиолокацией, особенно при ее использовании в космосе (где нет поглощающего воздействия атмосферы) и под водой (где для 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 четвертной 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 перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверхкороткие 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 производится просмотр пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели) (рис. 40). 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
Рис. 40. Координаты объекта: а — пеленг или азимут; угол места
где коэффициент направленного действия, площадь антенны, — длина волны излучения, мкм.
Простые расчеты показывают — чтобы получить коэффициент направленности около 1,5° при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10 м. 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 и при этом без дополнительных оптических фокусирующих систем (антенн). 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:
где расстояние до объекта, — скорость распространения излучения, 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 . А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.
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 локатора является время обзора. Под ним понимается время, в течение которого лазерный луч производит однократный обзор заданного объема пространства.
Следующим параметром локатора являются определяемые координаты. 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 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 (Солнце, Луна) и искусственных помех.
(кликните для просмотра скана)
И весьма важной характеристикой локатора является надежность. Это свойство локатора сохранять свои характеристики в установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.
Схема лазерного локатора, предназначенного для измерения четырех основных параметров объекта (дальности, азимута, угла места и скорости) приведена на рис. 41 [6]. Хорошо видно, что конструктивно такой локатор состоит из трех блоков: передающего, приемного и индикаторного. Основное назначение передающего блока — 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. Он 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).
Читайте также: