• Физика ,
  • Лазеры

    • 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.

    С математической точки зрения процедура формирования дифракционного изображения сводится к двухмерному преобразованию Фурье от входного светового поля (в скалярном приближении поле описывается комплексной функцией координат и времени). Любое изображение, регистрируемое глазом, экраном, матрицей или другим квадратичным по интенсивности приемником – не что иное, как двухмерный амплитудный спектр ограниченного апертурой светового поля, испускаемого объектом. Легко получить ту же самую картинку Эйри, если взять квадратную матрицу из одинаковых комплексных чисел (имитирующих плоский волновой фронт от удаленной точки), «вырезать» из нее круглую «апертуру», обнулив края, и сделать Фурье-преобразование всей матрицы.

    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.

    Будем наблюдать движущийся поперек луча зрения стабилизированный объект, подсвеченный непрерывным когерентным лазерным источником. Регистрация отраженного от него излучения производится гетеродинным фотоприемником с небольшой апертурой. Запись сигнала в течение времени t эквивалентна реализации одномерной апертуры длиной vt, где v – тангенциальная скорость движения объекта. Легко оценить потенциальную разрешающую способность такого метода. Посмотрим на околоземный спутник в верхней элонгации, летящий на высоте 500 км со скоростью 8 км/сек. За 0,1 секунды записи сигнала получим «одномерный телескоп» размером 800 метров, теоретически способный рассмотреть в видимом диапазоне детали спутника величиной в доли миллиметра. Неплохо для такого расстояния.

    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 с другой стороны. Спектр записанного сигнала с фотоприемника представляет собой набор доплеровских компонент, каждая из которых есть сумма вкладов от всех точек объекта, имеющих одинаковую лучевую скорость. Одномерное распределение отражающих точек на объекте определяет распределение спектральных линий по частоте. Полученный спектр и является по сути одномерным «изображением» объекта по координате «доплеровский сдвиг». Две точки нашего спутника, расположенные на расстоянии 1 мм друг от друга в плоскости, перпендикулярной лучу зрения, имеют разность лучевых скоростей порядка 0,01-0,02 мм/сек. (Отношение этой разности к скорости спутника равно отношению расстояния между точками к расстоянию до спутника). Разность доплеровских частот этих точек для видимой длины волны 0,5 мк составит (f=2V/λ) порядка 100 Гц. Спектр (доплеровское изображение) от всего микроспутника, скажем, размером 10 см, уложится в диапазон 10 кГц. Вполне измеримая величина.

    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.

    Таким образом, подсвечивая спутник лазером, регистрируя отраженный сигнал и смешивая его с опорным лучом от того же лазера, получим на фотоприемнике фототок, зависимость которого от времени отражает структуру светового поля вдоль «одномерной апертуры», длину которой, как уже было сказано, можно сделать достаточно большой.

    Двухмерная апертура, конечно, гораздо лучше и информативнее. Расставим равномерно несколько фотоприемников поперек движения спутника и запишем таким образом отраженное поле на площади vt*L, где L – расстояние между крайними фотоприемниками, которое в принципе ничем не ограничено. Например, те же 800 метров. Тем самым мы синтезируем апертуру «двухмерного телескопа» размером 800*800 метров. Разрешение по поперечной координате (L) будет зависеть от количества фотоприемников и расстояния между ними, по другой, «временной» координате (vt) – от ширины полосы излучения лазера и частоты оцифровки сигнала с фотоприемника.

    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.

    Разумеется, реальная трехмерная конфигурация отражающих точек на объекте не всегда совпадает с их «доплеровским» распределением по лучевым скоростям. Совпадение будет, если эти точки находятся в одной плоскости. Но и в общем случае из «доплеровского изображения» можно извлечь много полезной информации.

    3. Что было раньше.

    Американская DARPA некоторое время назад финансировала программу , 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 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.

    Пока с трудом удалось «рассмотреть» с расстояния 300 метров детали плоского диффузно отражающего металлического объекта размером 6 на 3 мм. Это был кусочек какой-то печатной платы, вот фотка:


    Объект вращался вокруг оси, перпендикулярной лучу зрения, регистрация отраженного сигнала происходила примерно в момент максимального отражения (блика). Пятно от лазера, освещающее объект, имело размер около 2 см. Использовались всего 4 фотоприемника, разнесенные на 0,5 метра. Размер синтезированной апертуры оценивается величиной 0,5 м на 10 м.
    Собственно, на всякий случай сами записанные сигналы (слева) и их спектры (справа) в относительных единицах:


    Из предыдущей фотки объекта фотошопом выделены только интересующие нас освещаемые и отражающие участки, которые требуется увидеть:


    Изображение, восстановленное двухмерным фурье-преобразованием из 4 сигналов и смасштабированное для сравнения:


    Эта картинка вообще-то состоит всего из 4 строк (и около 300 столбцов), вертикальное разрешение изображения, соответственно, около 0,5 мм, однако темный уголок и обе круглые дырки вроде как видны. Горизонтальное разрешение – 0,2 мм, такова ширина токопроводящих дорожек на плате, видны все пять штук. (Обычный телескоп должен быть двухметрового диаметра, чтобы увидеть их в ближнем ИК).

    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.

    Спасибо за внимание.

    Перспективность лазерных систем локации определяется большой шириной оптического диапазона (10 13 -10 15 Гц), в десятки раз превышающей ширину всего освоенного радиодиапазона, и высоким значением частоты оптической несущей. Благодаря этому можно формировать весьма узкие диаграммы излучения и использовать широкие спектры модулированных сигналов.

    Поскольку в оптическом диапазоне частота колебаний примерно на 4 порядка выше, чем в СВЧ диапазоне, плотность потока электромагнитной энергии, пропорциональная телесному углу излучения, на заданном расстоянии и при заданных размерах «антенны» и мощности передатчика оказывается примерно в 10 раз выше, чем на СВЧ (при отсутствии поглощения на трассе). Поэтому, несмотря на принципиально худшую чувствительность оптических приемников (мощность порогового сигнала примерно пропорциональна частоте), мощность передатчика, необходимая для ведения разведки примерно на одинаковых расстояниях, может оказаться намного меньшей, чем на СВЧ. Однако указанные преимущества реализуются при локации в свободном пространстве (например, космическом). Наличие поглощения и рассеяния оптических волн в атмосфере при определенных условиях может резко уменьшить дальность слежения за целями.

    Принципы построения и структурные схемы как аналоговых, так и дискретных приемных устройств оптической локации такие же, как и в радиодиапазоне.

    Высокое значение несущей частоты позволяет использовать широкополосные зондирующие сигналы и, следовательно, обеспечить точное измерение дальности до цели и высокую разрешающую способность по дальности. Обеспечивается также высокая угловая разрешающая способность и хорошая точность определения угловых координат даже при малых размерах антенных устройств. Путем регистрации доплеровского сдвига частоты можно измерять не только большие и средние, но и малые значения скоростей сближения.

    Как уже отмечалось выше, приемные устройства оптического диапазона имеют худшую пороговую чувствительность (энергия фотона в оптическом диапазоне велика и при приеме сигналов проявляются квантовые эффекты), а передающие устройства – более низкий к.п.д. (из-за рассеяния и поглощения в атмосфере). Эти особенности определили рациональные области использования оптической локации. Локационные системы оптического диапазона целесообразны в тех случаях, когда требования высокой разрешающей способности и точности определения координат доминируют и за счет априорной информации о местоположении цели путем высокой пространственной концентрации энергии зондирующего сигнала имеется возможность компенсировать худшие показатели приемных и передающих устройств. Так же отмечалось выше, что характеристики локационных систем оптического диапазона зависят от метеоусловий.



    В качестве примера целесообразного использования систем оптического диапазона указывают на измерение дальности до различных объектов, обнаруживаемых визуально либо с помощью телевизионных или инфракрасных устройств разведки.

    Вследствие высокой аппаратурной разрешающей способности оптических локаторов (обусловленной узкими диаграммами направленности антенн и малой длительностью зондирующих импульсов), как правило, определение координат производят с точностью до размеров объема разрешения, не измеряя положение цели внутри него. В этом случае энергетический потенциал системы определяет режим обнаружения.

    Энергия излучения Е и при обнаружении «точечной цели» с эффективной отражающей поверхностью σ на расстоянии r в секторе обзора, ограниченном телесным углом Ω , находят из соотношения:

    где Α – площадь раскрыва приемной оптики; η к - к.п.д. приемной оптики, учитывающий потери в оптической системе; Ε п - энергия порогового сигнала; е - коэффициент ослабления излучения в атмосфере.

    Если размеры цели больше размеров сечения пучка излучения в районе цели (такой случай является типичным при измерении дальности до визуально наблюдаемых объектов), энергию излучения определяют по формуле:

    где ρ – коэффициент отражения (альбедо) от цели.

    Площадь раскрыва А приемной оптики выбирают из конструктивных соображений. Коэффициент полезного действия приемной оптики с учетом потерь в интерференционном фильтре, стоящем на входе приемника, обычно лежит в пределах η к =30…50%.

    Значение эффективной отражающей поверхности σ зависит от размеров, характера цели и используемой длины волны. Для большинства целей по порядку величины она совпадает со значением σ в радиодиапазоне. Коэффициент отражения ρ , как и σ , связан с характером цели. Значение ρ для длин волн используемых в настоящее время лазеров лежит в пределах 0,2…0,9.

    Энергия порогового сигнала Ε п зависит от заданной надежности обнаружения (заданных значений вероятности правильного обнаружения и вероятности ложной тревоги), типа используемого приемника, рабочей длины волны, характера и интенсивности шумов.

    В большинстве случаев (за исключением тех, когда необходимо измерять доплеровский сдвиг частоты) в локационных устройствах применяют приемники с непосредственным фотодетектированием. Для длин волн, лежащих в видимом и ближнем ИК диапазонах, основным физическим эффектом, используемым для регистрации сигнала, является внешний фотоэффект. При этом первичным наблюдаемым сигналом является последовательность эмиттированных с поверхности фотокатода фотоэлектронов. В средней ИК области используется внутренний фотоэффект и наблюдаемым сигналом являются переходы электронов из валентной области в зону проводимости.

    Эмиттированным фотоэлектронам или актам переходов на выходе фотоприемников соответствуют последовательности одноэлектронных импульсов, имеющих тот же закон распределения.

    Низкая частота повторения, характерная для большинства лазеров, привела к преимущественному развитию цифровых методов измерения.

    На рисунке приведен один из возможных вариантов структурной схемы цифрового дальномерного канала.

    Регистром сдвига в момент излучения зондирующего импульса записывается единица. Импульсом синхронизации включается также генератор тактовых импульсов, импульсы которого используются для перемещения единицы вдоль регистра через интервал дискретизации по времени, который соответствует интервалу разрешения. Число разрядов регистра равно числу элементов разрешения по дальности. Выход каждого разряда регистра подключен к одному из входов вентиля совпадения. К другому входу вентиля поступает сигнал с выхода приемного устройства. При срабатывании схемы совпадения сигнал в цифровой форме подается на индикаторное устройство или в систему вторичной обработки.


    4. АКУСТИЧЕСКАЯ РАЗВЕДКА

    4.1 Общие сведения

    Акустическая (вибро-акустическая) разведка ведется путем приема и анализа акустических волн инфразвукового, звукового и ультразвукового диапазонов, распространяющихся в воздушной среде и звукопроводящих материалах, вызванных шумами работающих двигателей машин, агрегатов и различного оборудования, взрывами, выстрелами, речью и т.п.

    Для перехвата и регистрации разговоров, ведущихся как на открытой местности, так и в помещениях, автомобилях и т.п. используются средства акустической разведки: микрофоны, направленные микрофоны, контактные микрофоны (стетоскопы), акустические закладки, лазерные системы акустической разведки и т.д.

    Те или иные средства акустической разведки выбираются в зависимости от возможности доступа в контролируемое помещение или к лицам, ведущим разговоры на интересующую тему.

    Современные микрофоны динамического, конденсаторного или электретного типов имеют чувствительность 20-30 мВ/Па и способны регистрировать голос человека нормальной громкости на расстоянии до 10-15 м, а некоторые образцы на расстоянии до 20 метров. Применение направленных микрофонов и специальных методов шумовой очистки сигналов позволяет вести разведку в городских условиях на расстояниях до 50 м, в прочих условиях (при малых акустических шумах) на расстояниях до 200 м. Использование лазерных микрофонов позволяет вести акустическую разведку помещений с расстояний до 1000 м. Стетоскопы способны улавливать звуковые колебания через бетонные стены толщиной 0,3-0,5 м., а также через двери и оконные рамы.

    В случае если имеется доступ в контролируемое помещение, в нем могут быть установлены миниатюрные микрофоны, соединительные линии которых выводятся в специальные помещения, где находится агент и установлена регистрирующая или передающая аппаратура. Длина соединительного кабеля может достигать 5000 м. Такие системы перехвата акустической информации называют проводными системами.

    Микрофоны, устанавливаемые в контролируемых помещениях, выпускаются в сверхминиатюрном исполнении (диаметр менее 2 мм). Для улучшения чувствительности некоторые микрофоны комплексируются с предусилителями.

    Наиболее широко используются акустические закладки, передающие информацию по радиоканалу. Такие устройства называют радиозакладками (радиомикрофонами и радиостетоскопами). Могут использоваться микрофоны с передачей информации по ИК каналу.

    В качестве регистрирующей аппаратуры используются, как правило, магнитофоны и диктофоны с длительным временем записи. Для повышения качества и обеспечения возможности коррекции записанного разговора используются различные фильтры, микрофоны с узкой диаграммой направленности, специальные программно-аппаратные комплексы.

    Для повышения скрытности при передаче перехваченного сигнала, например по радиоканалу, используются сложные сигналы (например, шумоподобные или с псевдослучайной перестройкой несущей частоты и т.п.) и различные способы кодирования информации (скремблирование, шифрование и т.д.). Для обеспечения более долговечной работы и энергетической скрытности используются управляемые средства съема. Включение таких закладок производится дистанционно, или, например, только в момент ведения разговоров при наличии акустического сигнала.

    Говоря о направленных микрофонах, подразумевают, прежде всего, ситуации акустического контроля источников звука на открытом воздухе, когда эффектами так называемой реверберации акустических полей можно пренебречь. Для таких ситуаций решающим фактором оказывается удаленность источника звука от направленного микрофона, что приводит к значительному ослаблению уровня звукового поля. Кроме того, при большой дистанции становится заметным ослабление звука из-за разрушения пространственной когерентности поля вследствие наличия естественных рассеивателей энергии, например, средне- и крупномасштабных турбулентностей атмосферы, создающих помехи при ветре. Так на дистанции 100 м давление звука ослабляется на величину не менее 40 дБ (по сравнению с дистанцией 1 м), и тогда степень громкости обычного разговора в 60 дБ окажется в точке приема не более 20 дБ. Такое давление меньше уровня реальных внешних акустических помех и пороговой чувствительности обычных микрофонов.

    В отличие от обычных, направленные микрофоны должны иметь:

    Высокую пороговую акустическую чувствительность как гарантию того, что ослабленный звуковой сигнал превысит уровень собственных (в основном тепловых) шумов приемника. Даже при отсутствии внешних акустических полей это является необходимым условием контроля звука на значительном расстоянии от источника;

    Высокую направленность действия как гарантию того, что ослабленный звуковой сигнал превысит уровень остаточных внешних помех. Под высокой направленностью действия понимается способность подавлять внешние акустические помехи с направлений, не совпадающих с направлением на источник звука.

    Соблюсти эти требования в полном объеме на практике (для одного микрофона)- задача исключительно сложная. Более реальным стало решение частных задач, например создание слабонаправленного микрофона с высокой чувствительностью или, наоборот, создание высоконаправленного микрофона с малой чувствительностью, что привело к разнообразию видов направленных микрофонов. Рассмотрим некоторые из них.

    Параболический микрофон представляет собой отражатель звука параболической формы, в фокусе которого расположен обычный микрофон.

    Звуковые волны с осевого направления, отражаясь от параболического зеркала, суммируются в фазе в фокальной точке А. Возникает усиление звукового поля. Чем больше диаметр зеркала, тем большее усиление может обеспечить устройство. Если направление прихода звука не осевое, то сложение отраженных от различных частей параболического зеркала звуковых волн, приходящих в точку А, даст меньший результат, поскольку не все слагаемые будут в фазе. Ослабление тем сильнее, чем больше угол прихода звука по отношению к оси. Создается, таким образом, угловая избирательность по приему.

    Отражатель изготавливается как из оптически непрозрачного, так и прозрачного (например, акриловая пластмасса) материала. Величина внешнего диаметра параболического зеркала может быть от 200 до 500 мм.

    Параболический микрофон является типичным примером высокочувствительного, но слабонаправленного микрофона.

    Плоские фазированные решетки реализуют идею одновременного приема звукового поля в дискретных точках некоторой плоскости, перпендикулярной к направлению на источник звука.


    В этих точках (А1, А2 и т.д.) размещаются либо микрофоны, выходные сигналы которых суммируются электрически, либо, и чаще всего, открытые торцы звуководов, например трубки достаточно малого диаметра, которые обеспечивают синфазное сложение звуковых полей от источника в некотором акустическом сумматоре. К выходу сумматора подключен микрофон.

    Если звук приходит с осевого направления, то все сигналы, распространяющиеся по звуководам, будут в фазе, и сложение в акустическом сумматоре даст максимальный результат. Если направление на источник звука не осевое, а под некоторым углом к оси, то сигналы от разных точек приемной плоскости будут разными по фазе и результат их сложения будет меньшим. Чем больше угол прихода звука, тем сильнее его ослабление.

    Число приемных точек в таких решетках составляет несколько десятков.

    Конструктивно плоские фазированные решетки встраиваются либо в переднюю стенку атташе-кейса, либо в майку-жилет, которая надевается под рубашку и т.п. Необходимые электронные блоки могут располагаться также в кейсе, либо под одеждой. Таким образом, плоские фазированные решетки с камуфляжем визуально более конспиративны по сравнению с параболическим микрофоном.

    Микрофон – труба представляет собой трубчатую фазированную приемную акустическую антенну нагруженную на высокочувствительный микрофон или решетку микрофонов, включенных последовательно. В отличие от параболических микрофонов и плоских акустических решеток принимает звук не на плоскости, а вдоль некоторой линии, совпадающей с направлением на источник звука.

    Характерным представителем такого типа микрофонов является микрофон «Акустическое ружье».

    Микрофон имеет несколько десятков тонких трубок длиной от нескольких сантиметров до метра и более. Длина трубок рассчитывается из условия резонанса на частотах присутствующих в акустических колебаниях создаваемых речью. Трубы собираются в пучок: длинные в центре, короткие по наружной поверхности пучка. Концы трубок с одной стороны образуют плоский срез, входящий в предкапсюльный объем микрофона. Звуковые волны, приходящие к приемнику по осевому направлению, через трубки поступают п предкапсюльный объем в одинаковой фазе, и их амплитуды складываются арифметически. Звуковые волны, приходящие под углом к оси, оказываются сдвинутыми по фазе, так как трубки имеют разную длину. Следовательно, их суммарная амплитуда будет значительно меньше. Дальность приема сигналов может быть увеличена за счет использования большего количества трубчатых элементов.

    Трубчатые микрофоны «бегущей волны» также принимают звук вдоль линии, совпадающей с направлением на источник звука.

    Основой микрофона является звуковод в виде жесткой полой трубки диаметром 10-30 мм со специальными щелевыми отверстиями, размещенными рядами по всей длине звуковода, с круговой геометрией расположения для каждого из рядов. Очевидно, что при приеме звука с осевого направления будет происходить сложение в фазе сигналов, проникающих в звуковод через все щелевые отверстия, поскольку скорости распространения звука вне трубки и внутри нее одинаковы. Когда же звук приходит под углом к оси микрофона, то это ведет к фазовому рассогласованию, так как скорость звука в трубке будет больше осевой составляющей скорости звука вне ее, вследствие чего снижается чувствительность приема. Обычно длина трубчатого микрофона от 15-200 мм до 1 м. Чем больше его длина, тем сильнее подавляются помехи с боковых и тыльного направлений.

    Лазерные микрофоны используют для перехвата информации отраженный и промодулированный зондируемой поверхностью луч лазера.

    Зондируемый объект- обычно оконное стекло- представляет собой своеобразную мембрану, которая колеблется со звуковой частотой, создавая фонограмму разговора. Генерируемое лазерным передатчиком излучение, распространяясь в атмосфере, отражается от поверхности оконного стекла и модулируется акустическим сигналом, а затем воспринимается фотоприемником, который и восстанавливает разведываемый сигнал.

    В данной технологии принципиальное значение имеет процесс модуляции, который можно описать следующим образом.

    Звуковая волна, генерируемая источником звукового сигнала, падает на границу раздела воздух- стекло и создает своего рода вибрацию, то есть отклонения поверхности стекла от исходного положения. Эти отклонения вызывают дифракцию света, отражающегося от границы. Если размеры падающего оптического пучка малы по сравнению с длиной «поверхностной» волны, то в суперпозиции различных компонент отраженного света будет доминировать дифракционный пучок нулевого порядка. В этом случае, во-первых, фаза световой волны оказывается промодулированной по времени с частотой звука и однородной по сечению пучка, а во-вторых, пучок «качается» с частотой звука вокруг направления зеркального отражения.

    В качестве источника излучений может применяться, например, гелий-неоновый лазер. Наводка лазерного излучения на оконное стекло нужного помещения осуществляется с помощью телескопического визира. На сегодняшний день уже появились принципиальные возможности регистрации колебаний стекла на расстоянии до 10ˉ¹ - 10ˉ¹ м. Дальность ведения разведки составляет до 1000м.

    В точке расположенной по нормали к оконному остекленению достаточно организация одного контрольного поста (КП). В противном случае необходимо организовывать два КП, место второго выбирается с учетом закона отражения светового луча φ1= φ2.

    4.3 Обработка перехваченных речевых сигналов

    Человеческому слуху, как известно, присуще свойство маскировки. Слабые звуки маскируются более сильными. Каждый звук, приведенный в таблице, мы услышим только в отсутствие более громких звуков.

    Если прослушать записанную на улице магнитофонную запись, то основное, что мы услышим, это гул, в котором сольются множество непонятных звуков, попавших из акустического поля в микрофон. Кроме того, на электронную аппаратуру записи, передачи и воспроизведения речевого сигнала действуют разнообразные электрические и электромагнитные помехи, которые мы тоже слышим в наушниках.

    Способы очистки речевых сигналов от пространственной помехи, источник которой расположен в стороне, заложены в конструкциях направленных микрофонов. Однако существуют акустические помехи расположенные на одной оси с источником речевого сигнала, либо помехи достаточно значительные, чтобы оказывать мешающее действие даже при использовании направленных микрофонов.

    Для повышения качества и обеспечения возможности коррекции записанного разговора используются стереомагнитофоны и эквалайзеры. Стереомагнитофоны позволяют за счет стереоэффекта дифференцировать и отделять от информативной разговорной речи такие помехи, как шумы бытовых приборов, внешние уличные шумы и т.д. Эквалайзеры представляют собой устройства с набором различных фильтров: фильтров верхних и нижних частот, полосовых, октавных, чебышевских и других. Эти фильтры включаются по определенной программе в зависимости от характера искажений сигнала и помех. Наряду с эквалайзерами для повышения разборчивости речи используются специальные программно-аппаратные комплексы.

    В качестве примера шумовой очистки речевого сигнала рассмотрим использование адаптивного фильтра (АФ).

    По способу, различения помехи от сигнала, АФ подразделяются на одноканальные (АФ1) и двухканальные (АФ2). Одноканальный фильтр имеет только основной вход, а двухканальный дополнительно опорный вход.

    В АФ1 сигнал помехи «предсказывается» фильтром линейного предсказания (ФЛП) на основании анализа поступающего на вход зашумленного речевого (РС) сигнала и затем вычитается из этого сигнала. Принцип работы такого фильтра основан на том, что РС является случайным процессом и предсказан быть не может, а все что можно предсказать – это помеха. АФ1 используется для подавления периодических и узкополосных помех, например, наводки от сети переменного тока, шума кондиционера, «гудения» механизмов и т.п. АФ1 не может избавиться от широкополосных шумовых помех: музыки, речи, гула большого помещения и т.п.

    АФ2 имеет два входа: на основной (ОСН) вход поступает зашумленный РС, на опорный (ОП) – сигнал помехи. Все, что находится «похожего» в этих каналах, вычитается из зашумленного сигнала. АФ2 используется для подавления периодических, узкополосных и широкополосных помех вплоть до разделения двух разговоров.

    Работу АФ можно представить как «вычитание» спектра помехи из спектра зашумленного сигнала. АФ1 практически полностью устраняет мощные гармонические составляющие из зашумленного РС. При использовании АФ2 эффективность определяется способом получения опорного сигнала. Отношение сигнал/помеха (SNR) на выходе АФ2 определяется только отношением SNR на опорном входе:

    Таким образом, чем больше помеха и меньше сигнал на ОП входе, тем лучше отношение SNR на выходе АФ2. В идеальном случае, когда на ОП входе присутствует только помеха, она подавляется практически полностью. Например, при зашумлении полезного РС «шумом» радиопередачи, следует подключить опорный вход АФ2 к электрическому сигналу радиоприемника, принимающего ту же программу. Если оба канала принимаются с помощью микрофонов из акустического поля, то микрофон ОП входа необходимо расположить вблизи источника помехи.

    Точно по такому же принципу осуществляют шумоочистку речевого сигнала при использовании, например, активной виброакустической помехи.

    Один датчик стереостетоскопа располагается на стене в непосредственной близости от электроакустического преобразователя системы защиты, где уровень помехи максимален (точка 1), второй – в точке с минимальным соотношением сигнал / помеха (точка 2). В паузах между разговорами рассчитывается коэффициент ослабления шума вибрации при его распространении по защищаемой конструкции. Соответствующая поправка задается в компенсаторе

    Далее, в момент беседы, происходит регистрация сигналов, и, с учетом поправки (ослабления сигнала) вносимой компенсатором, на вход сумматора подаются два смешанных сигнала, составляющая помехи у которых одинакова, а составляющая разведываемого сигнала различна по амплитуде. После вычитания на выходе сумматора получается, хотя и ослабленный по амплитуде, абсолютно очищенный речевой сигнал.

    Cтраница 1


    Лазерная локация относится к дистанционным методам исследований.  

    Лазерной локацией в зарубежной печати называют область оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диа - пазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения.  

    Применение лазерной локации для исследований и контроля качества воздушного бассейна дает возможность оперативных измерений загрязнения атмосферы в неограниченно больших объемах, повышения точности и достоверности исходной информации для проектирования.  

    В лазерной локации, когда принимаемая информация имеет ярко выраженный статистический характер, подобный подход оказывается особенно оправданным. Действительно, в данном случае отдельные коэффициенты определяются лишь с некоторой точностью, так что увеличение их числа приводит к увеличению информации о регистрируемом сигнале лишь до некоторого предела, после которого прирост информации нивелируется возрастанием флук-туационных ошибок.  

    В лазерной локации модель полностью известного сиг-нала нереальна, так как знание отраженного сигнала с точностью до фазы равносильно знанию расстояния до цели с точностью до длины волны.  

    В методе лазерной локации используются уголковые отражатели.  

    С точки зрения лазерной локации все атмосферные эффекты могут быть (хотя в некоторых случаях и весьма условно) разделены на две группы. В первую группу входят те явления, которые вызывают изменение суммарной интенсивности направляющегося к цели светового потока. Во вторую - те, которые вызывают изменение геометрических параметров подсвечивающего пучка (его расширение и отклонение) и перераспределение энергии в зоне цели.  

    Изложена общая теория лазерной локации и принципы построения лазерных локационных средств, предназначенных для решения широкого круга практических задач. С единых позиций теории статистических решений рассмотрены основные вопросы оптимального приема лазерных локационных сигналов. Проанализированы методы обработки траекторных измерений, различные способы получения некоординатной информации, включая голо-графическую, интерферометрическую и адаптивную. На конкретных примерах рассмотрены основные принципы построения экспериментальных лазерных средств.  

    Помимо исследований общего характера для лазерной локации оказываются весьма важны исследования, относящиеся к Искажениям конкретных изображений. Это позволит, с одной стороны, приучить оператора к восприятию подобных изображений, а с другой - установить предельные параметры фазовых искажений, при которых качество изображений не выходит за рамки допустимых норм.  

    В монографии изложены общая теория лазерной локации и принципы построения лазерных локационных средств, предназначенных для решения широкого круга практических задач. С позиций теории статистических решений рассмотрены основные вопросы оптимального приема лазерных локационных сигналов, измерения параметров. Проанализированы методы обработки траекторных измерений, различные способы получения некоординатиой информации, включая голографическую, интерфе-рометрическую и адаптивную.  

    К началу 80 - х годов лазерная локация оформилась в самостоятельное научно-техническое направление.  

    Для большинства представляющих интерес с точки зрения лазерной локации длин волн коэффициенты молекулярного и корпускулярного рассеяния увеличиваются обратно пропорционально величине длины волны в четвертой степени. Молекулярное (релеев-ское) рассеяние света неизбежно имеет место и оно почти не меняется во времени, но практически не препятствует прохождению света видимых и инфракрасных длин волн. Например, излучение с длиной волны 0 5 мкм, направленное вертикально с уровня моря в зенит будет ослаблено в толще атмосферы за счет релеевского рассеяния всего на 13 %; в дальнем инфракрасном диапазоне (10 6 мкм) релеевским рассеянием вообще можно пренебречь.  

    Рассмотрим предварительно вопрос о нелинейных поправках в уравнении лазерной локации для традиционных схем аэрозольного зондирования.  

     

    Из всего большого класса твердотельных лазеров в современной лазерной локации наиболее широко используются три типа: лазеры на рубине, на стекле с неодимом и на гранате, работающие в импульсно-периодическом режиме. Первый тип дает излучение на длине волны Я-0 69 мкм, второй и третий - на К 1 06 мкм. Импульсные мощности, реализуемые этими лазерами, доходят до 109 Вт при длительности импульса 10 - 8 с и частоте следования импульсов до 10 Гц и выше.  

    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

    Кафедра прикладной геодезии.

    Реферат.
    На тему: «Метод лазерной локации»

    По курсу: «Основы космической геодезии»

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

    Глава 2 Принцип измерения расстояний лазерными дальномерами………9

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


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

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

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

    Рис. 41. Зависимость

    Населенности энергетических уровней

    Ионов хрома в рубине от плотности

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

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

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

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

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

    Е

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

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

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

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

    в которой

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

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

    η к - коэффициент передачи коллимирующей оптической системы;

    η р - коэффициент передачи отражателей;

    η пр - коэффициент передачи приёмной оптической системы;

    η а - коэффициент пропускания атмосферы;

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

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

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

    θ- плоский угол при вершине конуса излучения.

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

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


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

    интегрируя которое, получим

    Второй член в этом выражении поправочный, поэтому приближённо можно записать

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

    Теперь можно проинтегрировать

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

    Использование выражения совместно с

    Позволяет исключить р в

    Таким образом


    Рис 8 К выводу временной задержки сигнала

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

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

    Поэтому можно записать:

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

    При этом r` соответствует моменту т.е моменту отражения

    Сигнала от спутника.

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

    V, - скорость пункта i
    Поэтому окончательно получим:

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

    Δτ - полуразность между моментами излучения и прихода отражённого сигнала;

    Δr` p - поправка за тропосферную рефракцию;

    Δr` L - поправка за задержки в аппаратуре;

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

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

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

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

    λ- длина волны излучения (в микрометрах);

    φ- широта станции;

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

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

    ^ Основные станции, осуществляющие лазерную локацию Луны.

    JPL NASA, Калифорния, США

    McDonald, Техас, США

    OCA, Грасс, Франция

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

    Apache Point, Нью-Мексико, США

    Matera, Матера, Италия

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

    ^ Принцип измерения

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

    ^ Точность наблюдений

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

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

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

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

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