Laserplassering. Laseravstandsmåling, så vel som radar, er basert på tre grunnleggende egenskaper ved elektromagnetiske bølger

Laseravstand

Laserrangering i utenlandsk presse refererer til feltet optoelektronikk som omhandler deteksjon og lokaliseringsbestemmelse ulike gjenstander med hjelp elektromagnetiske bølger optisk rekkevidde som sendes ut av lasere. Tanker, skip, missiler, satellitter, industrielle og militære strukturer kan bli gjenstander for laseravstand. I prinsippet utføres laseravstandsmåling ved bruk av den aktive metoden.

Laseravstandsmåling, så vel som radar, er basert på tre hovedegenskaper til elektromagnetiske bølger:

1. Evnen til å bli reflektert fra objekter. Målet og bakgrunnen det er plassert på reflekterer strålingen som faller inn på dem annerledes.

Laserstråling reflekteres fra alle objekter: metalliske og ikke-metalliske, fra skog, dyrkbar jord og vann. Dessuten reflekteres det fra alle objekter hvis dimensjoner er mindre enn bølgelengden, bedre enn radiobølger. Dette er velkjent fra grunnprinsippet for refleksjon, som sier at jo kortere bølgelengden er, jo bedre reflekteres den. Kraften til den reflekterte strålingen er i dette tilfellet omvendt proporsjonal med bølgelengden til fjerde potens. En laserlokalisator har grunnleggende større deteksjonsevne enn en radar – jo kortere bølgen er, jo høyere er den. Det er derfor, etter hvert som radaren utviklet seg, var det en tendens til å gå fra lange bølger til kortere. Produksjonen av radiofrekvensgeneratorer som sender ut ultrakorte radiobølger ble imidlertid vanskeligere og vanskeligere, og nådde da fullstendig en blindvei. Opprettelsen av lasere åpnet nye perspektiver innen lokasjonsteknologi.

2. Evne til å spre seg i en rett linje. Bruken av en smalt rettet laserstråle, som skanner rommet, lar deg bestemme retningen til objektet (målpeiling) Denne retningen er funnet av plasseringen av aksen til det optiske systemet som genererer laserstrålingen. Jo smalere strålen er, jo mer større nøyaktighet peiling kan bestemmes.

Enkle beregninger viser at for å få en retningskoeffisient på ca. 1,5, når man bruker radiobølger i centimeterområdet, må man ha en antenne med en diameter på ca. 10 m. Det er vanskelig å installere en slik antenne på en tank, og enda mer fly. Den er klumpete og ikke transporterbar. Du må bruke kortere bølger.

Vinkel på laserstråle laget ved bruk av solid state virkestoff, er som kjent bare 1.0.1.5 grader og uten ekstra optiske systemer.

Følgelig kan dimensjonene til en laserlokalisator være betydelig mindre enn en lignende radar. Bruk av små optiske systemer vil gjøre det mulig å begrense laserstrålen til flere bueminutter, hvis behovet skulle oppstå.

3. Laserstrålingens evne til å forplante seg fra konstant hastighet gjør det mulig å bestemme avstanden til et objekt. Ja når pulsmetoden For avstandsbestemmelse brukes følgende forhold: L = ct/2, hvor L er avstanden til objektet, c er hastigheten for strålingsforplantning, t er tiden det tar for pulsen å bevege seg til målet og tilbake.

Betraktning av dette forholdet viser at den potensielle nøyaktigheten av rekkeviddemåling bestemmes av nøyaktigheten av å måle tiden det tar for energipulsen å reise til objektet og tilbake. Det er helt klart at jo kortere impuls, jo bedre.

Hvilke parametere brukes for å karakterisere en locator? Hva er passopplysningene hans? La oss se på noen av dem.

Først av alt, dekningsområdet. Det forstås som området i rommet der observasjon utføres. Dens grenser bestemmes av maksimale og laveste driftsområder og visningsgrenser i høyde og asimut. Disse dimensjonene bestemmes av formålet med den militære laserlokalisatoren.

En annen parameter er gjennomgangstid. Det refererer til tiden hvor laserstrålen produserer en enkelt undersøkelse av et gitt romvolum.

Den neste lokaliseringsparameteren er de bestemte koordinatene.

De avhenger av formålet med lokatoren. Hvis det er ment å bestemme plasseringen av bakke- og undervannsobjekter, er det nok å måle to koordinater: rekkevidde og asimut. Når du observerer luftobjekter, trengs tre koordinater. Disse koordinatene bør bestemmes med en gitt nøyaktighet, som avhenger av systematiske og tilfeldige feil. Vi vil bruke et slikt konsept som oppløsning. Oppløsning betyr evnen til separat å bestemme koordinatene til nærliggende mål.

Hver koordinat har sin egen oppløsning. I tillegg brukes en slik karakteristikk som støyimmunitet. Dette er evnen til en laserlokalisator til å operere under forhold med naturlig og kunstig interferens. Og en svært viktig egenskap ved en locator er pålitelighet. Dette er egenskapen til en lokator for å opprettholde sine egenskaper innenfor etablerte grenser gitte forhold operasjon.

Fremgangsmåten inkluderer skanning av rom med en sekvens av lasersignaler generert av en laserlokalisator, registrering av lasersignaler spredt og/eller reflektert av et objekt, bestemmelse av avstanden til objektet og vinkelposisjonen til objektet. Avstanden til objektet bestemmes av forsinkelsestiden mellom de utsendte og mottatte signalene. Vinkelposisjonen til objektet bestemmes av retningen til det tilsvarende utsendte signalet. Et tog på minst to pulser med et variabelt tidsintervall mellom pulser og/eller forholdet mellom pulsamplituder i hvert tog brukes som et signal generert av en laserlokalisator. Det tekniske resultatet er en økning i produktiviteten til laseravstandsmåling.

Hevdet teknisk løsning refererer til metoder for å bestemme plasseringen av objekter, mer presist til metoder for laseravstandsmåling, og er av interesse for laseravstandsmåling romobjekter, Jordens overflate, lasergeodesi, og kan også brukes til å bestemme hastigheten til et objekt i bevegelse.

Det er en kjent metode for å bestemme avstanden til et fjerntliggende objekt, inkludert bestråling av det med et lasersignal, mottak av signalet som reflekteres eller spres av objektet og bestemme forsinkelsestiden ΔT mellom øyeblikkene for emisjon av sonderingssignalet og mottak av signalet reflektert eller spredt av objektet, mens avstanden til objektet L bestemmes av den enkle formelen L=cΔT/ 2, hvor c er lysets hastighet.

Verdighet kjent metode er evnen til å bestemme avstanden til fjerne objekter, inkludert kosmiske avstander, med høy nøyaktighet, som faktisk bestemmes av hastigheten til mottakssystemet og lokatorens evne til å generere kort lyspulser(primært med kort forkant). I lang tid oppnådd nivå med en hastighet på ~0,1 ns kan avstanden bestemmes med en nøyaktighet på flere centimeter.

Ulempen med den kjente metoden er umuligheten av å bestemme retningen til det lokaliserte objektet med tilstrekkelig nøyaktighet, vanligvis er denne retningen kjent på forhånd (som for eksempel i tilfellet med laseravstand til månen, posisjonen til hjørnereflektorene; som returnerte lokaliseringssignalet var nøyaktig kjent). I en annen utførelsesform av den kjente fremgangsmåten genereres en kraftig laserpuls, som umiddelbart "lyser opp" et betydelig romområde (en betydelig solid vinkel), der lokaliseringsobjektet er kjent for å være lokalisert, det vil si divergensen av laserstrålingen som brukes er ganske stor. Dette lar deg bestemme avstanden til objektet, men ikke dets posisjon i rommet. Behovet for å bruke høyenergilaserlokalisatorer er en betydelig ulempe ved den kjente metoden, siden dette krever en ganske kraftig og relativt klumpete laserinstallasjon. Åpenbart, hvis sonderingsstrålingen kan ha en divergens 10 ganger mindre, kan energien til laserpulsen reduseres med minst 100 ganger (hvis avstanden til objektet er stor nok).

Den nærmeste tekniske løsningen (prototype) er en laseravstandsbestemmelsesmetode, som inkluderer skanning av rom med en sekvens av lasersignaler generert av en laserlokalisator, registrering av et lasersignal spredt og/eller reflektert av et objekt og bestemmelse av avstanden til objektet ved hjelp av forsinkelsestid mellom utsendte og mottatte signaler, og vinkelposisjonen til objektet i retning av det utsendte signalet. I den kjente fremgangsmåten utfører skanningsanordningen en programmerbar rotasjon i rommet av sonderingslaserstrålen med en relativt lav divergens. Ved å bruke en kjent metode kan du bestemme ikke bare avstanden til et objekt, men også dets vinkelposisjon i rommet, og å bruke den tilsvarende prosedyren to ganger (det vil si å bestemme posisjonen til et objekt på to forskjellige tidspunkter) lar deg bruke finne hastigheten til objektet.

Hovedulempen med den kjente fremgangsmåten er dens relativt lave ytelse ved å bestemme posisjonen til et objekt med tilstrekkelig høy nøyaktighet. Faktisk sendes det neste lasersignalet ut etter at det forrige signalet "returnert av objektet" er oppdaget eller når det kan garanteres at det ikke er noe ønsket objekt i det undersøkte området av rommet (ellers er det mulig å "forvirre" hvilken som sendte ut signal det registrerte signalet tilsvarer). Den formulerte betingelsen begrenser repetisjonshastigheten til lasersignaler f ved grensenivået fmax=c/2L, og følgelig kan tiden for å bestemme posisjonen (søk) til et objekt være lang. For eksempel, hvis et objekt kan lokaliseres i en avstand på opptil 300 km, vil den maksimale driftsfrekvensen til laserlokalisatoren være 500 Hz. Hvis en gjenstand er kjent for å være plassert i et område med en tverrgående dimensjon på 10×10 km, og dets posisjon må bestemmes med en nøyaktighet på 100×100 meter (den nødvendige divergensen av laserstråling er bare ~0,3 mrad og tilsvarer en teleskopåpning på mindre enn 1 cm for diffraksjonskvalitetsstråling og bølgelengden til sonderingsstrålingen er ~1 μm, vinkelnøyaktigheten til skanneanordningen kan være en størrelsesorden høyere), da totalt 10 000 laserpulser og 20 sekunder kan derfor være nødvendig. Merk at i løpet av denne tiden kan objektet gå utenfor studieområdet (for dette er en tverrhastighet på ~500 m/s tilstrekkelig).

Denne grunnen begrenser blant annet driftsfrekvensen og ytelsen til laserlokalisatorer som brukes til lasersensing. jordens overflate, siden hver neste sonderingspuls kun kan sendes ut etter at den forrige "reflekterte" pulsen er registrert. Som et resultat av kostnadene ved for eksempel lasergeodesi og topografi høy oppløsning viser seg å være ganske høy.

Det tekniske resultatet av oppfinnelsen er å øke produktiviteten til laseravstandsmåling.

Det tekniske resultatet oppnås ved at i, som inkluderer skanning av rom med en sekvens av lasersignaler generert av en laserlokalisering, registrerer spredte og/eller reflekterte lasersignaler av et objekt, bestemme avstanden til objektet ved å forsinkelsestiden mellom de utsendte og mottatte signalene, og vinkelposisjonen til objektet - i retning av det tilsvarende utsendte signalet, et tog på minst to pulser med variable tidsintervaller mellom pulser og/eller forholdet mellom pulsamplituder i hver toget brukes som et signal generert av laserlokalisatoren.

Med pulsamplitude, avhengig av forholdet mellom varigheten av en individuell puls τti og tidsoppløsningen til registreringssystemet τp, mener vi pulsenergien (hvis τti<τр) или его мощность (если τи>τр).

Anvendelsen av den foreslåtte tekniske løsningen gjør det mulig å faktisk "merke" signalene som sendes ut av en laserlokalisator og etablere en en-til-en korrespondanse mellom de utsendte og mottatte signalene. Som et resultat, selv ved en betydelig høyere repetisjonshastighet av lasersignaler generert av lokalisatoren enn i prototypen, er det mulig å bestemme hvilket utsendt signal det mottatte signalet tilsvarer, og følgelig kun bruke en høyhastighets fotodetektor, samtidig bestemme avstanden til objektet (basert på forsinkelsestiden) og vinkelposisjonen til objektet (i retningen som signalet som senere ble mottatt ble sendt ut).

Gjennomføringen av den foreslåtte tekniske løsningen for eksempelet beskrevet ovenfor med å lokalisere et objekt som befinner seg i en avstand på ~300 km i et område med en tverrmål på 100×100 meter kan for eksempel være som følger. En laserlokalisator med en frekvens på 100 kHz genererer en sekvens av tog av sammenkoblede ("doble") korte (~1 ns) pulser med et variabelt tidsintervall mellom dem, for eksempel: i det første paret følger den andre pulsen 20 ns etter det første, i det andre paret - etter 40 ns, i det hundrede pulstoget vil intervallet mellom pulsene være 2 μs, etc.; etter generering av 200 doble pulser (tidsintervallet mellom de siste pulsene i paret vil være 4 μs), gjentas sekvensen av tog beskrevet ovenfor. Her betyr en frekvens på 100 kHz at tidsintervallet mellom de første laserpulsene i suksessivt genererte tog er 10 μs. Således, fra tidsintervallet mellom pulser i et tog (med tilstrekkelig oppløsning av registreringssystemet), er det mulig å bestemme "nummeret" og generasjonsmomentet til dette bestemte toget. Det samme tidsintervallet mellom to pulser i et tog gjentas hver 2. ms (10 μs × 200), som nøyaktig tilsvarer maksimal avstand til objektet på 300 km. Det vil si at når du registrerer et signal returnert av et objekt, er det mulig å "forveksle" bare avstanden L og L+300 (L er avstanden til objektet i kilometer), noe som åpenbart ikke vil skje ved L≤300 km, siden amplituden til det mottatte signalet vil variere mange ganger.

Med samme strålingsdivergens som i prototypen på 0,3 mrad (romlig "oppløsning" på 100 meter), vil tiden for å se et romområde 10×10 km fra en avstand på ~300 km være 0,1 s og vil reduseres med 200 ganger sammenlignet med prototypen. Merk at nødvendig frekvens for drift ved spesifisert frekvens er 100 kHz vinkelhastighet strålerotasjon ~30 rad/med moderne skanneenheter er utstyrt med en multippel margin. I tillegg, med foreløpig lokalisering av et objekt i et område, for eksempel 1×1 km, kan tiden for fiksering av objektet reduseres ytterligere med 10 ganger (eller romlig oppløsning forbedres).

Hvis objektet visstnok er plassert på større avstand eller det kreves en høyere skanningsfrekvens (kortere romskanningstid), da kan perioden for den genererte togsekvensen for eksempel tredobles på følgende måte: først genereres sekvensen av tog beskrevet ovenfor med samme amplitude av begge pulsene i hvert tog, deretter genereres en sekvens på 200 tog med et tilsvarende variabelt tidsintervall mellom pulser i toget, men med amplituden til den første pulsen, for eksempel tre ganger større enn amplituden til den andre pulsen, genererte deretter en sekvens på 200 tog med et omvendt forhold mellom amplitudene til de genererte pulsene i toget. Når tog som for eksempel består av tre pulser brukes til å "merke" signaler som sendes ut av en laserlokalisator, kan den genererte sekvensen av ikke-repeterbare tog være enda mye lengre.

Den påståtte tekniske løsningen gjør betydelig bruk av det faktum at i hvert enkelt tog er tidsintervallet mellom pulsene som kommer inn i toget, lite og ikke overstiger flere mikrosekunder. Dette betyr at for evt ekte hastighet posisjonsobjekt, hvis en puls fra et tog treffer det, vil alle andre pulser fra dette toget også treffe det. Faktisk, med et maksimalt tidsintervall mellom pulser i ett tog på 4 μs og en tverrhastighet på objektet på 8 km/s (den første rømningshastighet) bevegelsen av objektet (og signalmottakeren) mellom pulser vil være kun ~3 cm. Dette betyr også at alle pulser fra ett tog forplanter seg langs tilnærmet samme bane og tapene når lys passerer denne banen er de samme med god nøyaktighet. for alle pulser som utgjør separate tog; derfor vil forholdet mellom amplitudene til de mottatte pulsene i et tog tilsvare forholdet mellom amplitudene til de utsendte pulsene i dette toget.

På samme måte er en multippel økning i produktiviteten mulig under lasersensing av jorden, ikke bare fra "kosmiske" avstander (fra satellitter), men også under flyfotografering (fra fly). Ved en skytehøyde (flyflyhøyde) på 1,5 km overstiger således ikke repetisjonshastigheten av lydsignaler 100 kHz og kan økes til 500-700 kHz (og høyere) ved hjelp av den foreslåtte metoden. I dette tilfellet vil den gjensidige bevegelsen av objektet og signalmottakeren innenfor ett pulstog ikke overstige ~0,2 mm (det maksimale tidsintervallet mellom pulser i ett tog er ikke mer enn 1 μs, og relativ hastighet objekt og mottaker ≤200 m/s).

Generering av en sekvens av pulstog ved hjelp av en laserlokalisator i henhold til den påståtte tekniske løsningen kan realiseres på forskjellige måter, for eksempel et generator-forsterkersystem, når generatoren sender ut korte pulser med den maksimalt nødvendige frekvensen (i eksemplet ovenfor kl. en frekvens på 50 MHz, tilsvarende et tidsintervall på 20 ns), og systemkontrollen «kutter» pulsene som kreves for forsterkning, eller ved bruk av to (eller flere) passende synkroniserte lasere. På samme måte kan romlig skanning implementeres ulike metoder Den spesifikke implementeringen av den foreslåtte laseravstandsmetoden er imidlertid ikke gjenstand for denne patentsøknaden.

Dermed gjør bruken av den foreslåtte tekniske løsningen det mulig å gjentatte ganger øke produktiviteten til laseravstand og bestemme ikke bare avstanden til et objekt, men også retningen til det (det vil si vinkelposisjonen til objektet) ved hjelp av svært følsomme og høyhastighets fotodetektorer uten bruk av strålingsdetektorer med romlig oppløsning av CCD-typen i det hele tatt - som regel merkbart mindre følsomme og med høy level støy, samt ha relativt lav ytelse. Den oppfinnsomme laseravstandsmetoden gjør det mulig å bruke kompakte laveffektlaserlokaliser og registrere et signal mot en dagbakgrunn. Dette lar oss konkludere med at den foreslåtte tekniske løsningen tilfredsstiller kriteriene "nyhet" og "vesentlige forskjeller".

Litteratur

1. Smirnov V.A. Introduksjon til optisk radioelektronikk. M.: Sovjetisk radio, 1973. - 189 s.

2. Matveev I.N., Protopopov V.V. og andre. M.: Maskinteknikk, 1984. - 272 s. (prototype).

3. Danilin I.M., Medvedev E.M., Melnikov S.R. Laserplassering av jorden og skogene: opplæringen. - Krasnoyarsk: Skoginstituttet oppkalt etter. V.N.Sukacheva SB RAS, 2005. - 182 s.

4. Patent RU 2352959, IPC: G01S 17/06, 20/04/2009.

En metode for laseravstandsbestemmelse, inkludert skanning av rom med en sekvens av lasersignaler generert av en laserlokalisering, registrering av spredte og/eller reflekterte lasersignaler av et objekt, bestemmelse av avstanden til objektet ved forsinkelsestiden mellom de utsendte og mottatte signalene, og vinkelposisjonen til objektet - i retning av det tilsvarende utsendte signalet, forskjellig ved at et tog på minst to pulser med et variabelt tidsintervall mellom pulser og/eller forholdet mellom pulsamplituder i hvert tog brukes som et signal generert av laserlokalisatoren.

Lignende patenter:

Oppfinnelsen angår avstandsmåleutstyr og kan benyttes for eksempel for å bestemme avstanden fra måleinstrument til overflaten av en vegg, tak i et rom eller til en gjenstand (objekt) i eller utenfor rommet.

Oppfinnelsen vedrører fremstilling av optisk-elektroniske instrumenter. Det omkringliggende rommet skannes i et horisontalt plan og en videoramme med et objekt som avstanden skal måles til velges. De vertikale og horisontale koordinatene til objektbildet måles i forhold til koordinatene til begynnelsen av videobildet, mens den horisontale koordinaten til objektet beregnes ved å summere koordinatene til begynnelsen av det valgte videobildet med verdien av det horisontale koordinat i videorammen. Sikteaksen til laseravstandsmåleren stilles inn i henhold til den målte vertikale koordinaten til objektet. Under neste skannesyklus måles avstanden til objektet i det øyeblikket sikteaksen til laseravstandsmåleren passerer langs den horisontale koordinaten til objektet beregnet under forrige skannesyklus. Enheten som implementerer metoden inkluderer en optisk-elektronisk modul på en skanneplattform med rotasjon rundt vertikal akse, utstyrt med en drivenhet og en vinkelposisjonssensor. Laseravstandsmåleren er plassert på sin enaksede plattform med mulighet for rotasjon i et vertikalplan og utstyrt med en drivenhet og en vinkelposisjonssensor. Det tekniske resultatet er å gi muligheten til å måle avstanden til et objekt med en laseravstandsmåler under kontinuerlig skanning av det omkringliggende rommet, inkludert sirkulært rom, ved høye hastigheter. 2 n.p. fly, 2 ill.

En metode for å øke informasjonsinnholdet og produktiviteten til laseravstandsmåling inkluderer skanning av plass med en sekvens av lasersignaler generert av en laserlokalisering, registrering av lasersignaler spredt og/eller reflektert av et objekt, og bestemmelse av avstanden til et objekt basert på forsinkelsen tiden mellom utsendte og mottatte signaler. Vinkelposisjonen til objektet bestemmes av retningen til det tilsvarende utsendte signalet. I dette tilfellet brukes en sekvens av laserpulser, med forskjellig bølgelengde, som ankommer skanneanordningen som skannelaserstråling. Laserpulsene separeres etter bølgelengde ved hjelp av en bølgelengdevelger. Det tekniske resultatet er å øke produktiviteten og informasjonsinnholdet i laserradaren. 7 lønn fly, 3 syke.

Laseravstandsmetode

Laseravstand

Laserrangering i utenlandsk presse refererer til feltet optoelektronikk, som omhandler å oppdage og bestemme plasseringen av forskjellige objekter ved å bruke elektromagnetiske bølger av det optiske området som sendes ut av lasere. Tanker, skip, missiler, satellitter, industrielle og militære strukturer kan bli gjenstander for laseravstand. I prinsippet utføres laseravstandsmåling ved bruk av den aktive metoden.

Laseravstandsmåling, så vel som radar, er basert på tre hovedegenskaper til elektromagnetiske bølger:

1. Evnen til å bli reflektert fra objekter. Målet og bakgrunnen det er plassert på reflekterer strålingen som faller inn på dem annerledes. Laserstråling reflekteres fra alle objekter: metalliske og ikke-metalliske, fra skog, dyrkbar jord og vann. Dessuten reflekteres det fra alle objekter hvis dimensjoner er mindre enn bølgelengden, bedre enn radiobølger. Dette er velkjent fra grunnprinsippet for refleksjon, som sier at jo kortere bølgelengden er, jo bedre reflekteres den. Kraften til den reflekterte strålingen er i dette tilfellet omvendt proporsjonal med bølgelengden til fjerde potens. En laserlokalisator har grunnleggende større deteksjonsevne enn en radar – jo kortere bølgen er, jo høyere er den. Det er derfor, etter hvert som radaren utviklet seg, var det en tendens til å gå fra lange bølger til kortere. Produksjonen av radiofrekvensgeneratorer som sender ut ultrakorte radiobølger ble imidlertid vanskeligere og vanskeligere, og nådde da fullstendig en blindvei. Opprettelsen av lasere åpnet nye perspektiver innen lokasjonsteknologi.

Enkle beregninger viser at for å få en retningskoeffisient på ca. 1,5, når man bruker radiobølger i centimeterområdet, må man ha en antenne med en diameter på ca. 10 m. Det er vanskelig å installere en slik antenne på en tank, langt mindre på et fly. Den er klumpete og ikke transporterbar. Du må bruke kortere bølger.

Vinkelvinkelen til en laserstråle produsert ved bruk av en aktiv substans i fast tilstand er kjent for å være bare 1,0 ... 1,5 grader, og uten ekstra optiske systemer. Følgelig kan dimensjonene til en laserlokalisator være betydelig mindre enn en lignende radar. Bruk av små optiske systemer vil gjøre det mulig å begrense laserstrålen til flere bueminutter, hvis behovet skulle oppstå.

3. Laserstrålingens evne til å forplante seg med konstant hastighet gjør det mulig å bestemme avstanden til et objekt. Derfor, med pulsavstandsmetoden, brukes følgende forhold:

Der L er avstanden til objektet, c er hastigheten på strålingsforplantningen, t er tiden det tar for pulsen å bevege seg til målet og tilbake.

Hvilke parametere brukes for å karakterisere en locator? Hva er passopplysningene hans? La oss se på noen av dem.

En annen parameter er gjennomgangstid. Det refererer til tiden hvor laserstrålen produserer en enkelt undersøkelse av et gitt romvolum.

Den neste lokaliseringsparameteren er de bestemte koordinatene. De avhenger av formålet med lokatoren. Hvis det er ment å bestemme plasseringen av bakke- og undervannsobjekter, er det nok å måle to koordinater: rekkevidde og asimut. Når du observerer luftobjekter, trengs tre koordinater. Disse koordinatene bør bestemmes med en gitt nøyaktighet, som avhenger av systematiske og tilfeldige feil. Vi vil bruke et slikt konsept som oppløsning. Oppløsning betyr evnen til separat å bestemme koordinatene til nærliggende mål. Hver koordinat har sin egen oppløsning. I tillegg brukes en slik karakteristikk som støyimmunitet. Dette er evnen til en laserlokalisator til å operere under forhold med naturlig og kunstig interferens. Og en svært viktig egenskap ved en locator er pålitelighet. Dette er egenskapen til en lokator for å opprettholde sine egenskaper innenfor etablerte grenser under gitte driftsforhold.

Det kan utføres ved hjelp av inkoherente (søkelys) og koherente (laser) optiske signaler.

Spotlight plassering

Brukt under første og andre verdenskrig. De reflekterte synlige signalene ble observert visuelt. Søkelysene ga større strålingsenergi, men inkoherensen reduserte mulighetene for vinkelkonsentrasjon. Infrarøde (IR) spotlights brukes i moderne systemer nattsynsenheter som inneholder omformere av IR-mottatte bilder til synlige.

Laseravstand

Dukket opp på begynnelsen av 60-tallet som et resultat av opprettelsen av optiske kilder koherent stråling lasere. Laseravstand har en rekke viktige funksjoner.

For det første gjorde koherensen og den korte bølgelengden til laserstråling det mulig å oppnå smale strålingsmønstre (fra enheter til titalls buesekunder) selv ved små størrelser emittere (enheter med desimeter) Med en strålingsdivergens lik ett buesekund (i dette tilfellet 1" ~ 5x10 -6 rad), er den tverrgående størrelsen på det bestrålte området i en avstand på 200 km, noe som tillater separat observasjon av individuelle elementer i målet.

For det andre, midlertidig og romlig sammenheng laserstråling sikrer frekvensstabilitet ved høy spektral tetthet deres makt. Sistnevnte, så vel som laserstrålingens svært målrettede natur, bestemmer den høye støyimmuniteten til laseravstandsenheter fra påvirkning av naturlige kilder stråling.

For det tredje fører en høy oscillasjonsfrekvens til store dopplerfrekvensskift under gjensidige bevegelser av målet og lokatoren. Dette gir høy presisjon måling av den radielle hastigheten til målelementer, men krever utvidelse av båndbredden til mottaksenheter.

For det fjerde er forplantningen av optiske bølger i gassformige og flytende medier ledsaget av betydelig spredning. Dette fører til atmosfærisk tilbakespredningsinterferens ved inngangen til mottaksanordningen og er i tillegg en demaskerende faktor.

Blokkdiagram og designfunksjoner til en laserlokalisator.

Hovedelementet i overføringsenheten er en laser. Spektral linje Strålingen fra laserens arbeidsvæske bestemmer bærefrekvensen til lokatoren.

Lasere brukes på moderne steder:
a) på karbondioksid CO 2;
b) på neodymioner;
c) på en rubin;
d) på kobberdamp osv.

Gass CO 2 -lasere har høy gjennomsnittlig utgangseffekt (opptil titalls kilowatt), høy monokromaticitet (spektrumbredde på flere kilohertz), høy effektivitet (opptil 20 %), fungerer i både kontinuerlig og pulsert modus, og er kompakte. Solid-state neodym- og rubinlasere brukes hovedsakelig i pulsmodus (repetisjonsfrekvens 0,1 ... 100 Hz); energien til deres stråling per puls er opptil enheter av joule; effektivitet enhet prosent. Kobberdamplasere gir høye repetisjonshastigheter (opptil titalls kilohertz) med en gjennomsnittlig effekt på opptil 100 W.

Den nødvendige fordelingen av den sonderende (laser) strålingsfluksen i rommet tilveiebringes av det formende optiske systemet (FOS). Det kan inkludere et system med ukontrollerte speil (3), linser og kontrollerte deflektorer (D), som sikrer strålens bevegelse. Lasersignaler som reflekteres fra mål konsentreres av et mottaksteleskop (RT) på fotodetektorer. Kombinasjonen av sende- og mottakssystemer av laserlokaliseringssystemer, i motsetning til radarer, brukes sjelden på grunn av overbelastning av fotomottaksenheter og en økning i interferensnivået. Både sender og mottar optisk system Potensielle laserlokalisatorer blir for tiden utført i en adaptiv versjon for å kompensere for forvrengninger av signalbølgefronter i atmosfæren og miljøene til lasergeneratorer.

I motsetning til radarer bruker praktisk talt ikke signalforsterkning ved bærefrekvensen. Dette kompliserer designet og gjør det vanskelig å se rommet. Kun direkte forsterkning av videosignaler brukes, og med heterodynmottak - mellomfrekvente radiosignaler. Videofrekvensforsterkning brukes primært i det synlige og ultrafiolette (UV) området. For dette området er det støysvake mottakere med en ekstern fotoelektrisk effekt (dvs. med utslag av elektroner ved optisk strålingskvanta fra fotokatoden). RF-forsterkning brukes i IR-området, der ekstern fotoelektrisk effekt realiseres ikke på grunn av utilstrekkelig energi til strålingskvantumet, men heterodynmottak reduserer betydningen av støyen til den interne fotoelektriske effekten.

Funksjoner ved heterodyne mottak. En lokal laseroscillator og en mikser i form av et gjennomskinnelig speil eller stråledelingsprisme introduseres i fotodetektoranordningen. I dette tilfellet, i tilfelle av gjensidig koherens av strålingen fra den lokale laseroscillatoren og sendeanordningen, er koherent behandling av det mottatte signalet mulig. Derfor brukes heterodynmottak ikke bare for å undertrykke intern støy i IR-området, men også for å trekke ut informasjon fra fasestrukturen til det mottatte feltet i det synlige og UV-området.

Funksjoner av interferometrisk mottak. Ved inngangen til fotodetektoren summeres feltene fra to eller flere romlig adskilte punkter (regioner) av mottakeråpningsplanet. Basert på resultatet av interferensen av feltene bestemmes deres innbyrdes koherens og faseforhold.

Basert på et sett med målinger ved forskjellig avstand mellom mottakspunkter, kan den romlige fordelingen av amplituden og fasen til det mottatte feltet rekonstrueres. Interferometrisk mottak brukes i fravær av en lokal oscillator for å trekke ut informasjon fra fasestrukturen til det mottatte feltet, samt for å øke vinkeloppløsningen og syntetisere blenderåpningen.

Bruksområder for laserlokalisatorer:

måling av rekkevidden og vinkelkoordinatene til bevegelige mål på skip, fly, kunstige satellitter Land, etc. (laseravstandsmålere, locatorer som MCMS, PAIS, etc.);
høypresisjonsmålinger av målbevegelseshastigheter og strømmer av væsker og gasser (laser-dopplerhastighetsmålere og vindmålere);
innhenting av ikke-koordinert informasjon om mål: overflateparametere (ruhet, krumning), parametere for vibrasjon og bevegelse rundt massesenteret, bilder osv. (multifunksjonelle laserlokalisatorer som KA-98, Lotaws, etc.);
høypresisjonsveiledning av våpensystemer (laserlokalisatorer for målbelysning, romovervåking og målfordeling);
sikre dokking romfartøy, flylanding, navigasjon (lasernavigasjonssystemer); f) elementer av teknisk visjon i automatiske og robotsystemer (rekkeviddemålingssystemer, bildedannelse, målvalg og gjenkjenning, etc.);
diagnostikk av parametere og måling av variasjoner i egenskaper miljø, inkludert atmosfæren, samt kontroll av forurensning av produkter Økonomisk aktivitet menneskelig (lidarer som DIAL, etc.; Lidar - LIght Detection And Ranging - lysdeteksjon og rekkevidde).

Semi-aktiv optisk avstandsmåling

Bruker fenomenet sekundær stråling (refleksjon) av mål for optiske bølger fra en kilde med naturlig intens primær stråling. Oftest er denne kilden Solen. Semiaktive lokaliseringsenheter basert på dette prinsippet kalles optisk-elektroniske stasjoner. Til semi-aktiv betyr optisk plassering Biologiske visuelle systemer kan også inkluderes. Ved å neglisjere faktoren med å bruke sekundær stråling, blir optisk-elektroniske stasjoner ofte klassifisert som midler for passiv optisk plassering.

Passiv optisk rekkevidde

Bruker sin egen optiske stråling fra oppvarmede områder av måloverflaten eller ioniserte formasjoner i nærheten. Det er kjent at den maksimale strålingen til et helt svart legeme ved temperatur T (Kelvin) skjer ved en bølgelengde på ~ 2898/T µm. Bølgelengden som den maksimale emisjonen fra virkelige mål skjer ved, er vanligvis i det infrarøde området av spekteret (bare ved T ~4000 K faller maksimum sammen med det røde området, og ved T ~5000 K - med det gule området synlig spektrum). Passive optiske lokaliseringsenheter opererer derfor vanligvis i det nær-infrarøde området. Slike verktøy inkluderer IR-retningssøkere, termiske kameraer, termiske målsøkingshoder, passive nattsynsenheter osv. De spiller viktig rolle i varslingssystemer missilangrep og missilforsvar.

Generelle trekk ved optisk plassering

Bestemmes av frekvensområdet som brukes. Høy retningsvirkning sonderende stråling og smale synsfelt for mottakskanaler begrenser i betydelig grad mulighetene til optiske lokaliseringsenheter for å kartlegge plass. Derfor utføres søk og deteksjon av et mål ved hjelp av optiske lokaliseringsmidler i de fleste tilfeller ved bruk av ekstern målbetegnelse, for hvilke de er koblet til radarsystemer. I ferd med å motta svake signaler, kvantenatur elektromagnetiske bølger. Kvantesignalstøy begrenser følsomheten til en ideell optisk mottaker i fravær av interferens på energinivået til selv et enkelt foton. I det optiske området er det lettere å få ikke-koordinert informasjon om målet, dets størrelse, form, orientering osv. Ved mottak brukes polarisasjonen og fotometriske karakteristika for spredt stråling og målbildet registreres. Å skaffe ikke-koordinert informasjon er ofte hovedoppgaven til optiske lokaliseringshjelpemidler. Å skape tilsiktet interferens for optisk plassering er mulig, men vanskeligere enn for radar.

Apollo 11 hjørnereflektor

måle avstandene mellom to punkter på jordens overflate til månen, henholdsvis ved hjelp av laseravstand med eller uten hjørnereflektorer plassert på månens overflate. Vitenskapelig betydning slike eksperimenter skal klargjøre gravitasjonskonstanten og teste relativitetsteorien; avklaring av en rekke bevegelsesparametere dynamisk system Jord-månen; innhente nye data om fysiske egenskaper Og intern struktur Jorden og månen osv.

Historie

Den åpne "boksen" til venstre er hjørnereflektoren til Lunokhod-1, designet for å bestemme avstanden fra månen

Eksperimenter med laserrekkevidde for månen, selv uten bruk av hjørnereflektorer, har blitt utført siden tidlig på 1960-tallet i USA og USSR. I USA, fra 9. mai til 11. mai 1962, ble to teleskoper av MIT Cassegrain-systemet brukt til dette formålet, det første med en diameter på 30,5 cm rettet en rubin-laserstråle mot månen, det andre med en diameter på 122 cm mottok det reflekterte signalet. Kratrene Albategnium, Tycho, Copernicus og Longomontanus var lokalisert. I USSR i 1963 ble det plassert en firkant inne i månekrateret Albategnium, og ett teleskop med en diameter på 260 cm, Krim, ble brukt både til å sende en rubinlaserstråle og for å motta den Astrofysisk observatorium, der et spesielt speil endret posisjon etter å ha sendt et signal, og dirigerte signalet som reflekteres fra månens overflate til fotodetektoren. Dette observatoriet gjorde de første målingene av avstanden til månen ved hjelp av laseravstandsmåling, da det i 1965 ny installasjon, produsert ved Lebedev Physical Institute, ble bestemt med en nøyaktighet på 200 meter. Dessuten ble nøyaktigheten da begrenset av den sterke forvrengningen av laserstrålen av månens overflate.

21. juli 1969 installerte Apollo 11-astronauter den første hjørnereflektoren på Månen. Senere ble lignende reflektorer installert av astronauter fra Apollo 14- og Apollo 15-programmene. Apollo 15-reflektoren er den største, bestående av et panel på tre hundre prismer, de to andre Apollo-reflektorene hadde hver 100 prismer. De sovjetiske måne-roverne Lunokhod 1, levert til månen som en del av Luna 17-oppdraget, og Lunokhod 2, levert som en del av Luna 21-oppdraget, var også utstyrt med hjørnereflektorer. Selve reflektorene ble laget i Frankrike, og systemet for å beskytte dem mot støv og orienteringssystemet ble utviklet av sovjetiske spesialister. Hjørnereflektoren til Lunokhod var et system av 14 tetraedriske glasspyramider plassert i en termisk isolert boks slik at deres skråkanter var åpne for laserstrålen.

De første signalene fra Lunokhod-1 ble mottatt 5. og 6. desember 1970 av det ovennevnte 2,6 meter teleskopet til Krim Astrophysical Observatory, og i samme måned ble de mottatt av Pic du Midi Observatory. Lunokhod-1-reflektoren ga omtrent 20 observasjoner i løpet av det første og et halvt året av driften, men så gikk dens nøyaktige posisjon tapt, og det var ikke mulig å finne den før i april 2010. Det ble antatt at måne-roveren var i en skrå posisjon, noe som svekker signalet som reflekteres fra den og gjør det vanskelig å finne det hvis dataene på koordinatene på måneoverflaten er unøyaktige. Reflektoren til Lunokhod-1 kunne ha blitt funnet hvis kaninen som ble reflektert av den hadde falt inn i optiske fotografier av måneoverflaten, som var planlagt tatt med Lunar Reconnaissance Orbiter-satellitten, eller i synsfeltet til andre månestasjoner. Den 22. april 2010 ble Lunokhod 1 funnet på månens overflate av Tom Murphy og et team av forskere som sendte laserpulser fra Apache Point Observatory-teleskopet i New Mexico.

Også blant de første som fant månen var Skol-1-teleskopet. "Skol-1" ble installert på territoriet til NIP-16 og jobbet på "Lunokhod-1".

Det var ingen problemer med å fastslå plasseringen av de resterende fire reflektorene, inkludert den som er installert på Lunokhod-2 dette øyeblikket nær stasjoner, inkludert laboratorium jet fremdrift NASA, som har observert laserrekkevidden til reflektorene siden de ble installert. Ved det 2,6 meter lange teleskopet til Krim Astrophysical Observatory, hvor det i 1978 ble installert utstyr som gjorde det mulig å måle avstanden til Månen med en nøyaktighet på 25 cm, Total 1400 bestemmelser av denne verdien ble utført, oftest - til hjørnereflektorene til Lunokhod-2 og Apollo 15. Men i 1983 ble arbeidet der stoppet på grunn av innskrenkningen av det sovjetiske måneprogrammet.

Hovedstasjonene som utfører laseravstandsmåling av månen

JPL NASA, California, USA
McDonald Observatory, Texas, USA
OCA, Nice, Frankrike
Haleakala, Hawaii, USA
Apache Point, New Mexico, USA
Matera, Matera, Italia
OCA filial, Sør-Afrika

Måleprinsipp

Laserstråle rettet mot månen

Laseren sender ut et signal inn i et teleskop rettet mot en reflektor, og det nøyaktige tidspunktet signalet ble sendt ut registreres. Noen av fotonene fra det opprinnelige signalet returneres tilbake til detektoren for å fange startdatapunktet. Området til strålen fra signalet på overflaten av månen er 25 km?. Lyset som reflekteres fra enheten på Månen går tilbake til teleskopet i løpet av omtrent ett sekund, og passerer deretter gjennom et filtreringssystem for å oppnå fotoner med ønsket bølgelengde og for å filtrere ut støy.

Nøyaktighet av observasjoner

Siden 1970-tallet har nøyaktigheten av avstandsmålinger økt fra noen få titalls til flere centimeter. Ny stasjon Apache Point kan oppnå presisjon i størrelsesorden millimeter.

Nøyaktigheten av tidsmåling i nåtiden er omtrent 30 pikosekunder.