Лазерная локация. В основе лазерной локации, так же как и в радиолокации лежат три основных свойства электромагнитных волн

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.

Способ включает сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта и углового положения объекта. Расстояние до объекта определяется по времени задержки между излученными и принятыми сигналами. Угловое положение объекта определяется по направлению соответствующего излученного сигнала. В качестве генерируемого лазерным локатором сигнала используют цуг из по меньшей мере двух импульсов с изменяемым промежутком времени между импульсами и/или соотношением амплитуд импульсов в каждом цуге. Технический результат - увеличение производительности лазерной локации.

Заявляемое техническое решение относится к способам определения местоположения объектов, точнее к способам лазерной локации, и представляет интерес для лазерной локации космических объектов, поверхности Земли, лазерной геодезии, а также может быть использовано для определения скорости движущегося объекта.

Известен способ определения расстояния до удаленного объекта, включающий облучение его лазерным сигналом, прием отраженного или рассеянного объектом сигнала и определения времени задержки ΔT между моментами излучения зондирующего и приема отраженного или рассеянного объектом сигналов, при этом расстояние до объекта L определяется простой формулой L=cΔT/2, где c - скорость света .

Достоинством известного способа является возможность определять расстояние до удаленных, в том числе на космические расстояния, объектов с высокой точностью, которая фактически определяется быстродействием приемной системы и возможностью локатора генерировать короткие световые импульсы (прежде всего, с коротким передним фронтом). При давно достигнутом уровне быстродействия ~0,1 нс расстояние может быть определено с точностью несколько сантиметров, именно такая точность достигнута, например, при лазерной локации Луны.

Недостатком известного способа является невозможность с достаточной точностью определить направление на лоцируемый объект, обычно это направление известно заранее (как в случае, например, лазерной локации Луны было точно известно положение уголковых отражателей, возвращавших сигнал локатора). В другом варианте реализации известного способа генерируется мощный лазерный импульс, которым сразу «засвечивается» значительный участок пространства (значительный телесный угол), в котором лоцируемый объект находится заведомо, то есть расходимость используемого лазерного излучения достаточна велика. Это позволяет определить расстояние до объекта, однако не его положение в пространстве. Необходимость использования высокоэнергетичных лазерных локаторов является значительным недостатком известного способа, поскольку для этого требуется достаточно мощная и относительно громоздкая лазерная установка. Очевидно, что если зондирующее излучение может иметь в 10 раз меньшую расходимость, то энергия лазерного импульса может быть снижена, минимум, в 100 раз (если расстояние до объекта достаточно велико).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ лазерной локации, включающий сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянного и/или отраженного объектом лазерного сигнала и определение расстояния до объекта по времени задержки между излученным и принятым сигналами, а углового положения объекта по направлению излученного сигнала . В известном способе сканирующее устройство осуществляет программируемый поворот в пространстве зондирующего лазерного луча со сравнительно малой расходимостью. Использование известного способа позволяет определить не только расстояние до объекта, но и его угловое положение в пространстве, а двукратное применение соответствующей процедуры (то есть определение положения объекта в два различных момента времени) позволяет найти скорость объекта.

Основным недостатком известного способа является его сравнительно низкая производительность при определении положения объекта с достаточно высокой точностью. В самом деле, следующий лазерный сигнал излучается после того, как зафиксирован «возвращенный объектом» предшествующий сигнал или когда можно гарантировать, что в зондируемой области пространства искомого объекта нет (иначе возможно «перепутать», какому излученному сигналу соответствует зарегистрированный сигнал). Сформулированное условие ограничивает частоту следования лазерных сигналов f на предельном уровне fmax=c/2L, и, соответственно, время определения положения (поиска) объекта может быть велико. Например, если объект может быть расположен на расстоянии до 300 км, то максимальная частота работы лазерного локатора составит 500 Гц. Если известно, что объект находится в области с поперечным размером 10×10 км, а требуется определить его положение с точностью 100×100 метров (требуемая расходимость лазерного излучения составляет всего лишь ~0,3 мрад и соответствует апертуре телескопа менее 1 см для дифракционного качества излучения и длины волны зондирующего излучения ~1 мкм, угловая точность сканирующего устройства может быть на порядок выше), то всего может потребоваться 10000 лазерных импульсов и, соответственно, около 20 секунд. Заметим, что за такое время объект может выйти за пределы исследуемой области (для этого достаточно поперечной скорости ~500 м/с).

Указанная причина ограничивает, в том числе рабочую частоту и производительность лазерных локаторов, применяемых для лазерного зондирования земной поверхности, поскольку каждый следующий зондирующий импульс может быть излучен только после того, как зарегистрирован предыдущий «отраженный» импульс . В результате стоимость, например, лазерных геодезии и топографии высокого разрешения оказывается достаточно высокой.

Техническим результатом изобретения является увеличение производительности лазерной локации.

Технический результат достигается тем, что в способе лазерной локации, включающем сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта по времени задержки между излученными и принятыми сигналами, а углового положения объекта - по направлению соответствующего излученного сигнала, в качестве генерируемого лазерным локатором сигнала используют цуг из по меньшей мере двух импульсов с изменяемыми промежутками времени между импульсами и/или соотношением амплитуд импульсов в каждом цуге.

Под амплитудой импульса, в зависимости от соотношения между длительностью отдельного импульса τи и временным разрешением системы регистрации τp, подразумевается энергия импульса (если τи<τр) или его мощность (если τи>τр).

Применение заявляемого технического решения позволяет фактически «промаркировать» излучаемые лазерным локатором сигналы и установить взаимно однозначное соответствие между излученным и принятым сигналами. В результате даже при значительно более высокой, чем в прототипе, частоте следования генерируемых локатором лазерных сигналов возможно определить, какому излученному сигналу соответствует принятый, и, соответственно, используя только быстродействующий фотоприемник, одновременно определить расстояние до объекта (по времени задержки) и угловое положение объекта (по направлению, в котором излучался тот сигнал, который в дальнейшем был принят).

Реализация заявляемого технического решения для описанного выше примера локализации объекта, находящегося на расстоянии ~300 км, в области с поперечным размером 100×100 метров может быть, например, следующей. Лазерный локатор на частоте 100 кГц генерирует последовательность из цугов парных («сдвоенных») коротких (~1 нс) импульсов с изменяемым промежутком времени между ними, например: в первой паре второй импульс следует через 20 нс после первого, во второй паре - через 40 нс, в сотом цуге импульсов промежуток между импульсами составит 2 мкс и т.д.; после генерации 200 сдвоенных импульсов (промежуток времени между последними импульсами в паре составит 4 мкс) описанная выше последовательность цугов повторяется. Здесь частота 100 кГц означает, что промежуток времени между первыми лазерными импульсами в последовательно генерируемых цугах составляет 10 мкс. Таким образом, по промежутку времени между импульсами в цуге (при достаточном разрешении системы регистрации) возможно определить «номер» и момент генерации именно этого цуга. Один и тот же промежуток времени между двумя импульсами в цуге повторяется через 2 мс (10 мкс × 200), что как раз соответствует максимальному расстоянию до объекта 300 км. То есть при регистрации возвращаемого объектом сигнала возможно «перепутать» только расстояние L и L+300 (L - расстояние до объекта в километрах), что, очевидно, не произойдет при L≤300 км, поскольку амплитуда принимаемого сигнала будет отличаться многократно.

При той же самой, как в прототипе, расходимости излучения 0,3 мрад (пространственном «разрешении» 100 метров) время просмотра области пространства 10×10 км с расстояния ~300 км составит 0,1 с и уменьшится в 200 раз по сравнению с прототипом. Заметим, что необходимая для работы на указанной частоте 100 кГц угловая скорость поворота луча ~30 рад/с современными сканирующими устройствами обеспечивается с кратным запасом. Кроме того, при предварительной локализации объекта в области, например, 1×1 км время фиксации объекта может быть дополнительно уменьшено в 10 раз (или улучшено пространственное разрешение).

Если объект предположительно находится на большем расстоянии или необходима более высокая частота сканирования (меньшее время просмотра пространства), то период генерируемой последовательности цугов может быть, например, утроен следующим образом: вначале генерируется описанная выше последовательность цугов с одинаковой амплитудой обоих импульсов в каждом цуге, затем генерируется последовательность из 200 цугов с аналогично изменяемым промежутком времени между импульсами в цуге, но с амплитудой первого импульса, например, втрое большей, чем амплитуда второго импульса, затем генерируется последовательность из 200 цугов с обратным соотношением между амплитудами генерируемых импульсов в цуге. При использовании для «маркировки» излучаемых лазерным локатором сигналов цугов, состоящих, например, из трех импульсов, генерируемая последовательность из неповторяемых цугов может быть еще значительно длиннее.

В заявляемом техническом решении существенно используется тот факт, что в каждом конкретном цуге промежуток времени между входящими в цуг импульсами мал и не превышает несколько микросекунд. Это означает, что при любой реальной скорости лоцируемого объекта, если на него попадает один импульс из цуга, то попадут и все остальные импульсы из этого цуга. Действительно, при максимальном промежутке времени между импульсами в одном цуге 4 мкс и поперечной скорости объекта 8 км/с (первая космическая скорость) перемещение объекта (и приемника сигнала) между импульсами составит всего ~3 см. Это также означает, что все импульсы из одного цуга распространяются фактически по одной и той же траектории и потери при прохождении светом этой траектории с хорошей точностью одинаковы для всех импульсов, составляющих отдельный цуг; следовательно, соотношение амплитуд принятых импульсов в цуге будет соответствовать соотношению амплитуд излученных импульсов в этом цуге.

Аналогично возможно кратное увеличение производительности при лазерном зондировании Земли не только с «космических» расстояний (со спутников), но и при аэросъемке (с самолетов). Так, при высоте съемки (высоте полета самолета) 1,5 км частота следования зондирующих сигналов не превышает 100 кГц и может быть увеличена до 500-700 кГц (и выше) с использованием заявляемого способа. В этом случае взаимное перемещение объекта и приемника сигнала в рамках одного цуга импульсов не превысит ~0,2 мм (максимальный промежуток времени между импульсами в одном цуге не больше 1 мкс, а относительная скорость объекта и приемника ≤200 м/с).

Генерирование лазерным локатором последовательности цугов импульсов согласно заявляемому техническому решению может быть реализовано различными средствами, например системой генератор-усилитель, когда генератор излучает короткие импульсы на максимальной требуемой частоте (в приведенном выше примере на частоте 50 МГц, соответствующей временному интервалу 20 нс), а система управления «вырезает» требуемые для усиления импульсы, или при использовании двух (или более) соответствующим образом синхронизованных лазеров. Аналогично, пространственное сканирование может быть реализовано различными методами, однако конкретная реализация заявляемого способа лазерной локации не является предметом настоящей заявки на патент.

Таким образом, применение заявляемого технического решения позволяет многократно увеличить производительность лазерной локации и определять не только расстояние до объекта, но и направление на него (то есть угловое положение объекта) с использованием высокочувствительных и быстродействующих фотоприемников вообще без использования приемников излучения с пространственным разрешением типа ПЗС-матриц - как правило, заметно менее чувствительных и с большим уровнем шумов, а также обладающих сравнительно низким быстродействием . Заявляемый способ лазерной локации дает возможность использовать компактные маломощные лазерные локаторы, регистрировать сигнал на дневном фоне. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение удовлетворяет критериям «новизна» и «существенные отличия».

Литература

1. Смирнов В.А. Введение в оптическую радиоэлектронику. М.: Советское радио, 1973. - 189 с.

2. Матвеев И.Н., Протопопов В.В. и др. Лазерная локация. М.: Машиностроение, 1984. - 272 с. (прототип).

3. Данилин И.М., Медведев Е.М., Мельников С.Р. Лазерная локация Земли и леса: учебное пособие. - Красноярск: Институт леса им. В.Н.Сукачева СО РАН, 2005. - 182 с.

4. Патент RU 2352959, МПК: G01S 17/06, 20.04.2009.

Способ лазерной локации, включающий сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта по времени задержки между излученными и принятыми сигналами, а углового положения объекта - по направлению соответствующего излученного сигнала, отличающийся тем, что в качестве генерируемого лазерным локатором сигнала используют цуг из по меньшей мере двух импульсов с изменяемым промежутком времени между импульсами и/или соотношением амплитуд импульсов в каждом цуге.

Похожие патенты:

Изобретение относится к аппаратуре измерения расстояний и может быть использовано, например, для определения расстояния от измерительного прибора до поверхности стены, потолка помещения или до предмета (объекта) внутри или вне помещения.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению. Окружающее пространство сканируют в горизонтальной плоскости и выбирают видеокадр с объектом, до которого требуется измерить расстояние. Вертикальную и горизонтальную координаты изображения объекта измеряют относительно координат начала видеокадра, при этом горизонтальную координату объекта вычисляют суммированием координаты начала выбранного видеокадра со значением горизонтальной координаты в видеокадре. Визирную ось лазерного дальномера устанавливают по измеренной вертикальной координате объекта. При следующем цикле сканирования проводят замер дальности до объекта в момент прохождения визирной оси лазерного дальномера по вычисленной при предыдущем цикле сканирования горизонтальной координате объекта. Устройство, реализующее способ, включает оптико-электронный модуль на сканирующей платформе с вращением вокруг вертикальной оси, снабженной приводом и датчиком углового положения. Лазерный дальномер размещают на своей одноосной платформе с возможностью ее поворота в вертикальной плоскости и снабженной приводом и датчиком углового положения. Технический результат - обеспечение возможности измерения дальности до объекта лазерным дальномером при непрерывном сканировании с большими скоростями окружающего пространства, в том числе и кругового. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Способ увеличения информативности и производительности лазерной локации включает в себя сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта по времени задержки между излученными и принятыми сигналами. Угловое положение объекта определяют по направлению соответствующего излученного сигнала. При этом в качестве сканирующего лазерного излучения используют последовательность лазерных импульсов, различающихся по длине волны, поступающих на сканирующее устройство. Лазерные импульсы разделяют по длинам волн посредством селектора длин волн. Технический результат заключается в повышении производительности и информативности лазерного радара. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ лазерной локации

Лазерная локация

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 отраженнного 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.

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.

Где L - расстояние до обькта, с - скорость распространения излучения, t - время прохождения импульса до цели и обратно.

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.

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.

Может проводиться с использованием некогерентных (прожекторных) и когерентных (лазерных) оптических сигналов.

Прожекторная локация

Использовалась в период первой и второй мировых войн. Отраженные сигналы видимого диапазона наблюдались визуально. Прожекторы обеспечивали большую энергетику излучения, однако его некогерентность снижала возможности угловой концентрации. Прожекторы инфракрасного (ИК) диапазона используются в современных системах ночного видения, содержащих преобразователи ИК принятых изображений в видимые.

Лазерная локация

Появилась в начале 60-х годов в результате создания источников оптического когерентного излучения лазеров. Лазерной локации присущ ряд важных особенностей.

Во-первых, когерентность и малая длина волны излучения лазеров позволили получать узкие диаграммы направленности (от единиц до десятков угловых секунд) даже при небольших размерах излучателей (единицы дециметров).При расходимости излучения, равной одной угловой секунде (при этом 1"~ 5х10 -6 pад), поперечный размер облучаемой области на дальности 200 км составляет 1 м, что позволяет раздельно наблюдать отдельные элементы цели.

Во-вторых, временная и пространственная когерентности излучения лазеров обеспечивают стабильность частоты при высокой спектральной плотности их мощности. Последнее, а также остронаправленность лазерного излучения обусловливают высокую помехозащищенность лазерных локационных средств от воздействия естественных источников излучения.

В-третьих, высокая частота колебаний приводит к большим доплеровским сдвигам частоты при взаимных перемещениях цели и локатора. Это обеспечивает высокую точность измерения радиальной скорости элементов цели, но требует расширения полосы приемных устройств.

В-четвертых, распространение волн оптического диапазона в газообразных и жидких средах сопровождается их значительным рассеянием. Это приводит к атмосферным помехам обратного рассеяния на входе приемного устройства и является, кроме того, демаскирующим фактором.

Структурная схема и особенности построения лазерного локатора.

Основным элементом передающего устройства является лазер. Спектральная линия излучения рабочего тела лазера определяет несущую частоту локатора.

В современной локации используются лазеры:
а) на двуокиси углерода СО 2 ;
б) на ионах неодима;
в) на рубине;
г)на парах меди и др.

Газовые СO 2 -лазеры обладают высокими средними выходными мощностями (до десятков киловатт), высокой монохроматичностью (ширина спектра несколько килогерц), высоким кпд (до 20%), работают как в непрерывном, так и в импульсном режиме, компактны. Твердотельные неодимовые и рубиновые лазеры используются в основном в импульсном режиме (частота повторения 0,1...100 Гц); энергия их излучения в импульсе до единиц джоулей; кпд единицы процентов. Лазеры на парах меди обеспечивают высокую частоту повторения (до десятков килогерц) при средней мощности до 100 Вт.

Требуемое распределение потока зондирующего (лазерного) излучения в пространстве обеспечивается формирующей оптической системой (ФОС). В нее может входить система неуправляемых зеркал (З), линз и управляемых дефлекторов (Д), обеспечивающих перемещение луча. Отраженные от целей лазерные сигналы концентрируются приемным телескопом (ПРТ) на фотоприемных устройствах. Объединение передающей и приемной систем лазерных локаторов в отличие от РЛС используется редко из-за перегрузок фотоприемных устройств и нарастания уровня помех. Как передающая, так и приемная оптическая система перспективных лазерных локаторов выполняется в настоящее время в адаптивном варианте для компенсации искажений волновых фронтов сигналов в атмосфере и средах лазерных генераторов.

В фотоприемных устройствах лазерного локатора в отличие от РЛС практически не используют усиления сигналов на несущей частоте. При этом усложняется конструкция и затрудняется обзор пространства. Используется лишь прямое усиление видеосигналов, а при гетеродинном приеме - радиосигналов промежуточной частоты. Видеочастотное усиление используется преимущественно в видимом и ультрафиолетовом (УФ) диапазоне. Для этого диапазона имеются малошумящие приемники с внешним фотоэффектом (т.е. с выбиванием электронов квантами оптического излучения из фотокатода). Радиочастотное усиление используется в ИК диапазоне, в котором внешний фотоэффект не реализуется из-за недостаточной энергии кванта излучения, зато гетеродинный прием снижает значимость шумов внутреннего фотоэффекта.

Особенности гетеродинного приема. В состав фотоприемного устройства вводят лазерный гетеродин и смеситель в виде полупрозрачного зеркала или светоделительной призмы. При этом, в случае взаимной когерентности излучений лазерного гетеродина и передающего устройства, возможна когерентная обработка принимаемого сигнала. Поэтому гетеродинный прием используется не только для подавления внутренних шумов в ИК диапазоне, но и для извлечения информации из фазовой структуры принимаемого поля в видимом и УФ диапазоне.

Особенности интерферометрического приема. На входе фотоприемного устройства суммируют поля от двух или нескольких пространственно-разнесенных точек (областей) плоскости приемной апертуры. По результату интерференции полей определяют их взаимную когерентность и фазовые соотношения.

По набору измерений при различном разносе точек приема могут восстанавливать пространственное распределение амплитуды и фазы принимаемого поля. Интерферометрический прием используется в отсутствие гетеродина для извлечения информации из фазовой структуры принимаемого поля, а также для увеличения углового разрешения и синтезирования апертуры.

Области применения лазерных локаторов:

измерение дальности и угловых координат движущихся целей кораблей, самолетов, искусственных спутников Земли и т.д. (лазерные дальномеры, локаторы типа MCMS, PAIS и др.);
высокоточные измерения скоростей перемещения целей и потоков жидкостей и газов (лазерные доплеровские измерители скоростей и анемометры);
получение некоординатной информации о целях: параметров поверхности (шероховатости, кривизны), параметров вибрации и движения вокруг центра масс, изображений и др. (многофункциональные лазерные локаторы типа КА-98, Lotaws и др.);
высокоточное наведение систем оружия (лазерные локаторы подсвета целей, обзора пространства и целераспределения);
обеспечение стыковки космических аппаратов, посадки самолетов, судовождения (лазерные навигационные системы); е) элементы технического зрения в автоматических и роботизированных системах (системы измерения дальности, формирования изображения, селекции и распознавания целей и др.);
диагностика параметров и измерение вариаций характеристик окружающей среды, включая атмосферу, а также контроль ее загрязнения продуктами хозяйственной деятельности человека (лидары типа DIAL и др.; Lidar - LIght Detection And Ranging - обнаружение света и определение дальности).

Полуактивная оптическая локация

Использует явление вторичного излучения (отражения) целями оптических волн от источника естественного интенсивного первичного излучения. Чаще всего таким источником является Солнце. Средства полуактивной локации, основанные на этом принципе, называют оптико-электронными станциями. К средствам полуактивной оптической локации можно отнести также биологические зрительные системы. Пренебрегая фактором использования вторичного излучения, оптико-электронные станции часто относят к средствам пассивной оптической локации.

Пассивная оптическая локация

Использует собственное оптическое излучение нагретых участков поверхности цели или ионизированных образований в ее окрестности. Известно, что максимум излучения абсолютно черного тела при температуре T (по Кельвину) приходится на длину волны ~ 2898/T мкм. Длина волны, на которую приходится максимум излучения реальных целей, обычно находится в инфракрасной области спектра (лишь при T ~4000 K максимум совпадает с красной, а при T ~5000 К - с желтой областью видимого спектра). Средства пассивной оптической локации обычно работают поэтому в ближнем ИК диапазоне. К подобным средствам относят ИК пеленгаторы, тепловизоры, тепловые головки самонаведения, пассивные приборы ночного видения и др. Они играют важную роль в системах предупреждения о ракетном нападении и противоракетной обороны.

Общие особенности оптической локации

Определяются используемым диапазоном частот. Высокая направленность зондирующего излучения и узкие поля зрения приемных каналов существенно ограничивают возможности оптических локационных средств по обзору пространства. Поэтому поиск и обнаружение цели оптическими локационными средствами осуществляются в большинстве случаев с использованием внешнего целеуказания, для чего они сопрягаются с радиолокационными системами. В процессе приема слабых сигналов проявляется квантовая природа электромагнитных волн. Квантовые шумы сигнала ограничивают чувствительность идеального оптического приемника в отсутствие помех на уровне энергии хотя бы одного фотона . В оптическом диапазоне облегчается получение некоординатной информации о цели, ее размерах, форме, ориентации и т.д. При получении используют поляризационные и фотометрические характеристики рассеянного излучения, регистрируют изображение цели. Получение некоординатной информации часто является основной задачей оптических локационных средств. Создание преднамеренных помех для оптической локации возможно, но сложнее, чем для радиолокации.

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.