Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Очень малая длительность импульсов, излучаемых многими лазерами в режиме модуляции добротности резонатора и осо­бенно в режиме синхронизации мод, которую удается сочетать с большой энергией таких коротких импульсов, открыла дорогу созданию лазерных импульсных дальномеров различного назна­чения, получивших к настоящему времени очень широкое рас­пространение. Наиболее массовый тип таких приборов — даль­номеры на основе твердотельных лазеров умеренной мощности (1—10 МВт при длительности импульса 10—20 нс), работаю­щих в режиме импульсного включения добротности. Предназна­чены эти дальномеры чаще всего для измерения расстояний по­рядка единиц или немногих десятков километров до различных целей или местных ориентиров с произвольными отражатель­ными характеристиками.

Другой крупной (хотя и не столь массовой) областью при­менения импульсных лазерных дальномеров стало измерение расстояний до космических объектов с целью решения задач космической геодезии и координатно-временного обеспечения космических навигационных средств. Системы этого типа про­шли несколько этапов развития (несколько поколений) и обла­дают ярко выраженной спецификой. Прежде всего необходи­мость измерения больших дальностей — примерно от 1000 км до сотен тысяч километров — заставила не только увеличивать энергию излучения лазеров и повышать эффективность прием­ных устройств, но и применять на объектах-целях специальные высокоэффективные отражатели (чаще всего наборы уголковых отражателей — трипель-призм [12]). Кроме того, все возрастающие требования к точности измерений привели к необходимости все большего укорочения излучаемых импульсов и усложнения из­мерительных схем при переходе от одного поколения систем к другому. Если для систем «первого поколения» было харак­терно применение рубиновых лазеров с модуляцией добротно­сти, излучавших импульсы длительностью 15—20 нс и пиковой мощностью до 100 МВт при частоте повторения —0,1 Гц, то уже во «втором поколении» типичным стало применение лазеров на алюмоиттриевом гранате с неодимом, излучающих в аналогич­ном режиме импульсы длительностью 7—10 нс при том же по­рядке пиковой мощности; одновременно возросла частота пов­торения импульсов, что позволило повысить точность за счет осреднения результатов большего числа отдельных измерений, и стали более совершенными электронные схемы определения интервалов времени между моментами излучения и приема им­пульсов. В результате при переходе от первого поколения систем ко второму суммарная средняя квадратическая ошибка изме­рений (с учетом, влияния атмосферы на скорость распростра­нения излучения) снизилась с нескольких метров до 0,3—1 м. В следующем поколении системы, которое еще нельзя считать окончательно сформировавшимся, наблюдается тенденция к по­лучению сверхкоротких импульсов методом синхронизации мод; примером может служить небольшая серия далыюмерных уста­новок, разработанных в первую очередь для определения коор­динат геодинамического ИСЗ LAGEOS, где таким методом от многокаскадного гранатового лазера получаются импульсы дли­тельностью 0,2 нс и пиковой мощностью 1 ГВт с частотой пов­торения до нескольких герц. Создание этих установок потребо­вало также применения специальных малоинерционных прием­ников и особо точных измерителей временных интервалов. Все это дало возможность уменьшить среднюю квадратическую ошибку измерений до величин, не превышающих 0,1 м, а при

осреднении больших массивов данных получать еще лучшие ре­зультаты.

Обобщенная схема импульсного лазерного дальномера, пред­назначенного для решения задач рассматриваемого класса, изо­бражена на рис. 42. Лазер с коллимирующей оптической систе­мой и приемник с оптической системой для сбора отраженного излучения смонтированы на прецизионном опорно-поворотном устройстве, допускающем программное наведение установки на цель с помощью ЭВМ и ручную корректировку наведения в тех случаях, когда объект можно наблюдать через дополнительную трубу-искатель или через основную приемную оптическую си­стему за счет отраженного объектом солнечного излучения. Не­большая часть энергии излучения лазера непосредственно под­водится к приемнику, создавая опорный (маркерный) импульс, запускающий устройство для измерения временного интервала. Основная часть излучения лазера направляется в сторону кос­мического объекта, снабженного ретрорефлекторами (напри­мер, трипель-призмами). Через время т2п=2/)/ц, где D — изме­ряемое расстояние и v — средняя скорость света при пробеге этого расстояния, отраженный импульс достигает приемника и после усиления и формирования в цепях последнего останав­ливает устройство для измерения временного интервала. Опор­ный и отраженный от объекта импульсы проходят одинаковый путь в приемном тракте системы, что позволяет свести к мини­муму влияние параметров этого тракта на точность измерений. Ошибка измерения интервала времени T2D (аппаратурная ошибка дальномера), включающая нестабильность «привязки» моментов начала и конца измерения соответственно к фронтам опорного и отраженного импульсов, и собственно ошибка изме­рителя временного интервала в системах второго и третьего по­колений, как правило, не превышает ±1 нс (±15 см по даль­ности) во всем рабочем диапазоне измеряемых расстояний, что
соответствует относительной ошибке в этом диапазоне порядка 10-7—10~9. Внешняя ошибка, обусловленная неточностью учета показателя преломления атмосферного воздуха, при измерении основных атмосферных факторов (температуры, давления и влажности) в точке расположения дальномера и использовании современных данных о модели земной атмосферы, может быть сведена к единицам сантиметров для зенитной трассы (средне­квадратическое значение). С увеличением зенитного угла эта ошибка, естественно, растет и может достигать ~ 1 м при зе­нитных углах ~80°; одновременно растет и затухание в атмос­фере. По этим причинам обычно производят измерение дально­сти при зенитных углах, не превышающих 70°. В недалеком бу­дущем, когда аппаратурная ошибка благодаря применению лазеров с ультракороткими импульсами излучения и совершен­ствованию техники измерения времени будет еще более умень­шена, влияние атмосферы на результирующую точность станет основным ограничением; тогда, по-видимому, придется обра­титься к двухчастотным (двухволновым) дальномерам-рефрак­тометрам. Можно производить, например, одновременные изме­рения на основной длине волны (1,06 мкм) и второй гармонике (0,53 мкм) излучения неодимовых лазеров, извлекая дополни­тельную информацию об интегральном значении показателя преломления среды на измеряемой трассе из разности значений времени распространения сигнала, получаемых на этих длинах волн (см. § 8, раздел «Дальномерная рефрактометрия»). Ус­пешные эксперименты такого рода уже были выполнены.

Предельная дальность действия импульсного лазерного даль­номера, измеряющего расстояние до объекта, снабженного рет­рорефлекторами, может быть оценена по формуле

(3.20)

где Ел — импульсная энергия излучения лазера (Дж); S0Tp — суммарная геометрическая площадь ретрорефлекторов на объ­екте, отражающих в направлении к дальномеру* (м2); Snp— геометрическая площадь входного зрачка собирающей отражен­ное излучение приемной оптической системы (м2); т]пер — коэф­фициент передачи коллимирующей оптической системы лазер­ного передатчика; г]отр — коэффициент передачи ретрорефлекто­ров, зависящий как от оптических потерь на поглощение и отражение, так и от ориентировки ретрорефлекторов относи­тельно направления прихода излучения; тіпр — коэффициент пе-

* Часто на космическом аппарате располагают много групп ретрореф­лекторов, каждая из которых имеет свое направление максимального отра­жения; таким путем удается увеличить допустимый телесный угол облу­чения объекта при измерении дальности (для объектов, не имеющих определенной пространственной ориентации, этот угол должен составлять 4 л стерадиан).

рёДачй приемной оптической cncteMbi; аа — Коэффициент про­пускания всей толщи атмосферы на длине волны излучения ла­зера, зависящий от зенитного угла и метеорологических условий в момент измерения; £2пер — телесный угол, в котором сосредо­точено лазерное излучение на выходе коллимирующей оптиче­ской системы (в стерадианах); QOTp — телесный угол, в котором сосредоточена энергия излучения, отраженного от ретрорефлек­торов (также в стерадианах), и Emin — минимальная допусти­мая энергия сигнала на фотодетекторе (Дж).

В отношении последних трех параметров необходимо сде­лать следующие комментарии. Формула (3.20) является не­сколько упрощенной; в частности, предполагается, что вся энер­гия излучения лазерной дальномерной установки равномерно распределяется внутри телесного угла £2Пер, в пределах которого находится цель (объект, до которого измеряется дальность). При осесимметричной диаграмме направленности передатчика ее можно в таком случае считать конусом с плоским углом при

Отраженное излучение также счи­

= sJ — й0тр”. Действительная картина гораздо сложнее, но

для приближенных оценок все же можно воспользоваться такой моделью.

Минимально допустимая энергия на входной площадке фо­тодетектора — параметр, зависящий от целого ряда факторов. Она связана с пороговой чувствительностью данного фотодетек­тора на длине волны излучения лазера (см. § 13 данной главы) с учетом воздействующего на приемник фонового излучения, а также с необходимым для обеспечения заданной точности из­мерений отношением сигнала к шуму. В тех случаях, когда за­данная точность должна достигаться при излучении лазером единственного импульса и когда длительйость последнего ти до­статочно мала — по порядку величины сравнима с заданной

ошибкой измерений Ат= (где AD — заданная ошибка он-

С.

ределения дальности и с — скорость света) или меньше ее — можно упрощенно считать, что величина Етп должна превы­шать пороговую энергию £ш = Ліі’Ти в 5—6 раз.

Для того чтобы получить представление о порядке величин, характеризующих параметры современной лазерной дальномер­ной установки для целей космической геодезии, приведем их ти­пичные числовые значения: Eji=l Дж; SotP=0,05 м2; Snp=0,2M2; -qnep=0,8; т]отр = 0,5; тіпР=0,4 (с учетом затухания, вносимого ин­
терференционным светофильтром приемника); оа = 0,5 (на волне 0,53 мкм при зенитном угле —60° и хорошей метеорологической видимости); Qnep=10-7 (что соответствует при осесимметричной диаграмме направленности апер—1′); £2Отр=2*10-9 (что при аналогичном допущении соответствует аотр»* 10"); £min = = 1 • 10-16 Дж (что соответствует применению в качестве фото­детектора ФЭУ с квантовым выходом на волне 0,53 мкм, рав­ным 10%, и коэффициентом избыточных шумов 5=1 в усло­виях незначительного постороннего фона).

Рассчитанная по формуле (3.20) при указанных значениях параметров предельная дальность действия Апэх составляет 1,2-107 м, т. е. около 12 тыс. км.

Следует, однако, иметь в виду, что эта большая дальность действия получена для крупногабаритной измерительной уста­новки (диаметр входного зрачка приемной оптической системы — 0,5 м) при благоприятных условиях работы (хорошая метео­рологическая видимость, незначительный фон). Кроме того, предполагалось точное наведение дальномера на объект (при ширине диаграммы направленности V и значительной угловой скорости движения объекта это достаточно сложно) и точное попадание дальномерной установки в очень узкий (10") пучок излучения, отраженного от ретрорефлекторов.

На последнем обстоятельстве необходимо остановиться под­робнее. При измерении дальности до объекта, движущегося с космической скоростью, приходится сталкиваться с так назы­ваемой «аберрацией скорости» — кажущимся угловым отклоне­нием оси пучка излучения от линии, соединяющей дальномер и космический объект, на величину аа = ут/с, где vx — тангенци­альная составляющая скорости движения объекта относительно дальномера и с — скорость света. Значение аа для геодезиче­ских ИСЗ с небольшой высотой орбиты (—1000 км) может достигать 5". Поскольку ретрорефлектор отражает пучок в на­правлении, параллельном направлению падения, для отражен­ного пучка величина кажущегося отклонения составляет 2аа, т. е. может достигать 10". При этом дальномерная установка окажется вне предела пучка отраженного излучения, полная угловая ширина которого в рассмотренном примере составляет 10". Для компенсации влияния этого эффекта изготавливаются специальные ретрорефлекторы, отклоняющие отраженный пучок на небольшой угол, равный среднему для расчетных условий из­мерения значению величины 2аа. Это, однако, неизбежно ведет К снижению эффективной величины Т)отр и уменьшает дальность действия системы. Кроме того, идеализация формы диаграмм направленности, о которой говорилось выше, также приводит К завышенному значению Апах при определении его по формуле (3.20). По всем этим причинам реальная дальность действия получается меньше найденной при помощи этой формулы. При средних метеорологических условиях с учетом неизбежных оши­бок системы наведения установка с параметрами, указанными выше, имеет дальность действия 5—6 тыс. км, что достаточно для определения координат геодезических ИСЗ с орбитами вы­сотой 1—3 тыс. км.

Однако в ряде случаев космические аппараты, до которых необходимо измерить расстояние, могут находиться на значи­тельно более высоких орбитах. Так, высота круговой орбиты геодинамического ИСЗ LAGEOS составляет 5700 км, а высоты орбит ИСЗ, образующих глобальную навигационно-геодезиче­скую систему NAVSTAR — около 20 тыс. км. Кроме того, прин­ципиальный интерес с точки зрения космической геодезии пред­ставляет использование стационарной орбиты высотой около 36 тыс. км. Таким образом, даже если оставить пока в стороне уникальную задачу измерения расстояний до точек на поверх­ности Луны, приходится разрабатывать лазерные дальномеры с предельной дальностью действия до 40 тыс. км.

Сравнительно слабая (пропорциональная корню 4-й сте­пени) зависимость дальности действия от каждого отдельного параметра, входящего в формулу (3.20), заставляет при необ­ходимости увеличения предельного измеряемого расстояния прибегать к совместному изменению ряда параметров: повы­шать излучаемую энергию, увеличивать размеры оптических си­стем и уменьшать расходимость излучения, снижать минималь­ную принимаемую энергию. Поэтому лазерные дальномеры для измерения расстояний порядка десятка тыс. км, как правило, являются крупногабаритными стационарными установками. Ди­аграммы направленности коллимированного излучения лазер­ных передатчиков в таких установках обычно очень узки (0Пер= =0,1—1′), что требует применения исключительно точных си­стем наведения. Использование одних лишь программных зна­чений эфемерид ИСЗ не позволяет (за редкими исключениями) производить наведение с необходимой в таких случаях точ­ностью (порядка единиц угловых секунд), и приходится коррек­тировать наведение непосредственно по объекту, наблюдаемому в отраженном солнечном свете, для чего установки снабжаются высокочувствительными усилителями яркости, построенными на основе электронно-оптических преобразователей изображения (ЭОП) или фототелевизионных устройств (ФТУ). Применение таких устройств позволяет в ночных условиях наблюдать в от­раженных солнечных лучах даже космические аппараты, нахо­дящиеся на стационарной орбите, яркость которых обычно соот­ветствует яркости звезд 11-й—15-й величины.

Продолжительный период видимости высокоорбитальных ИСЗ (в особенности, конечно, стационарных[13]) по сравнению с низкоорбитальными позволяет за один сеанс измерений на­капливать большой массив данных. При этом становится не обя­зательным уверенный прием сигнала от каждого излученного импульса. Приемное устройство может быть построено по прин­ципу многоканального временного анализатора — прибора, ре­гистрирующего наличие сигнала в одном из большого числа примыкающих друг к другу узких интервалов времени, сумма которых перекрывает весь возможный диапазон ожидаемых мо­ментов прихода отраженного сигнала (приближенное значение момента прихода сигнала всегда известно из априорной инфор­мации об эфемеридах наблюдаемого ИСЗ). Интервал времени между зондирующим импульсом от лазерного передатчика и открыванием 1-го канала временного анализатора в приемнике изменяется при каждом срабатывании лазера в соответствии с программным значением дальности на данный момент времени (также исходя из имеющейся эфемеридной информации о ра­диальной скорости движения объекта). При таком построе­нии приемника отраженный сигнал, попавший, скажем, в N-й канал временного анализатора, при последующих импульсах ла­зерного передатчика будет снова попадать в тот же канал; так будет продолжаться до тех пор, пока из-за отличия программ­ного значения радиальной скорости от ее истинного значения сигнал не попадет в соседний (с номером N+1 или N—1) канал анализатора. При отсутствии существенного постороннего фо­нового излучения в N-ом канале в результате будет накоплена суммарная энергия принятых в течение некоторого промежутка импульсов (число их может составлять десятки или сотни), тогда как в остальных каналах будет накоплена лишь энергия шумов приемного устройства. Величина Етп в формуле (3.20) при таком методе приема может быть резко снижена, что дает существенный выигрыш в предельной дальности действия. Точ­ность измерения будет определяться шириной канала времен­ного анализатора, которая обычно согласуется с длительностью излучаемых импульсов.

Все описанные методы повышения дальности действия были использованы, в частности, при решении уникальной задачи из­мерения дальности до ретрорефлекторов, установленных на Луне. Такие ретрорефлекторы (панели из большого числа пре­цизионных кварцевых трипель-призм) были смонтированы на советских автоматических аппаратах «Луноход-1» и «Луноход — 2», а также были установлены американскими астронавтами в ряде фиксированных точек лунной поверхности при выполне­нии программы «Аполлон». Дальномерные установки, приме­нявшиеся в СССР и США, были созданы на базе крупных аст­рономических телескопов, использовавшихся как для колли­мации лазерного излучения, так и для приема отраженных сигналов. Точность измерения дальности с учетом осреднения ре­зультатов большого числа отдельных замеров достигала —0,1 м.

Дальнейшее совершенствование лазерных дальномеров и по­вышение их дальности действия будет включать и такие меры, как переход на другие типы лазеров. Весьма перспективным представляется, в частности, применение СОг-лазеров, допус­кающих работу в импульсном режиме с большой мощностью из­лучения. Высокий к. п. д. СОг-лазеров позволит увеличить ча­стоту повторения излучаемых импульсов при заданной их энергии без увеличения энергопотребления установки в целом; высокая чувствительность современных фотодетекторов на длине волны излучения СОг-лазеров, — в частности охлажденных фо­тодиодов на основе соединения типа КРТ (см. § 13 настоящей главы), будет способствовать росту дальности действия си­стемы; наконец, сама длина волны излучения СОг-лазера (—10 мкм) лежит в области спектра, где естественный фон, соз­даваемый излучением Солнца и Земли, гораздо ниже, чем в ви­димой и ближней инфракрасной областях (см. § 11), благодаря чему облегчается работа в дневное время и создаются условия для наилучшего использования интервала видимости объекта, до которого измеряется расстояние. Успешные эксперименты по дальнометрии с использованием СОг-лазеров применительно к низкоорбитальным ИСЗ (с высотой орбиты ~ 1000 км) и спутнику LAGEOS (высота орбиты 5700 км) уже приведены, и есть основания полагать, что это направление будет интенсивно развиваться в ближайшем будущем.

Импульсные лазерные дальномеры нашли применение не только в наземных условиях для определения расстояний до ИСЗ, но и в бортовых системах космических аппаратов — для измерения расстояний до точек на поверхности планеты. Наи­более известным примером решения такой задачи является ис­пользование лазерного альтиметра (высотомера) на борту ор­битальных модулей космической системы «Аполлон», при по­мощи которой осуществлялись экспедиции на Луну с высадкой астронавтов и установкой на лунной поверхности ряда научных приборов, в том* числе уголковых отражателей для лазерной ло­кации с Земли. С борта орбитальных модулей последних трех космических кораблей этой системы — так называемых кораб­лей серии «J» — производилось картографирование поверхности Луны при помощи специальной фотокамеры, синхронно с от­крыванием затвора которой срабатывал лазерный высотомер, позволявший получать точное значение дальности до опреде­ляемой точки лунной поверхности в момент фотографирования. Такие измерения были необходимы прежде всего для прецизи­онного определения истинного масштаба изображения при фото­грамметрической обработке полученных снимков. Этот ком­плекс аппаратуры дал возможность осуществить высококачест­венное картографирование большой части лунной поверхности. Кроме того, лазерный высотомер мог работать и в автономном режиме (независимо от фотокамеры), производя измерения с оп­ределенной частотой (1 раз в 20 с). По результатам измерений удалось, в частности, уточнить форму Луны и обнаружить ряд гравитационных аномалий (так называемых «масконов» — мест повышенной концентрации массы).

Лазерный высотомер комплекса «Аполлон» имел рубиновый лазер с импульсным включением добротности, излучавший им­пульсы длительностью около 10 нс с энергией —0,2 Дж на волне А,=694 нм. Излучение коллимировалось оптической систе­мой так, что его расходимость на выходе равнялась примерно V. Ось диаграммы направленности излучения тщательно сопря­галась с направлением главной оптической оси фотокамеры, что позволяло с высокой точностью определять на снимке положе­ние точки, до которой производилось измерение дальности. Ма­лая ширина диаграммы направленности выходного излучения способствовала уменьшению ошибок, обусловленных неровно­стями лунного рельефа. При средней высоте орбиты космиче­ского аппарата —100 км диаметр облучаемого пятна на поверх­ности Луны составлял всего 30 м, так что перепады высот в пре­делах этого пятна в большинстве случаев были незначительны.

Фотодетектором в приемной части высотомера служил фото­электронный умножитель, сигнал с которого через широкопо­лосный усилитель и схему формирования поступал на элек­тронно-счетный измеритель временного интервала, где опре­делялся промежуток времени между моментом излучения импульса передатчиком и моментом приема импульса, отражен­ного от лунной поверхности. Точность измерения (в пересчете на дальность) составляла 2 м. Высотомер имел массу около 20 кг и потреблял электрическую мощность (среднюю за сеанс измерений) около 50 Вт.

Работа лазерного высотомера над поверхностью Луны об­легчалась благодаря отсутствию атмосферы, небольшой высоте орбиты и незначительным колебаниям отражательных характе­ристик лунной поверхности от измерения к измерению. Однако использование подобной аппаратуры возможно и над Землей; расчеты показывают, что современные твердотельные лазеры и фотоприемники в сочетании с оптическими системами приемле­мых для установки на борту ИСЗ габаритов позволяют при от­сутствии облачности выполнять измерения расстояний до точек земной поверхности (в том числе и водной) при высоте орбиты примерно до 1000 км.

Максимальную дальность действия импульсного лазерного высотомера можно оценить по формуле

п ______ ~ ж I ^л^пр’Ппер’ПпрР^ (3.21)

^Лпах — О а Л ——— ~— ————- »

V 4 пЕт[п

где величины Ел, Zimin, Snp, Г)пер, T)np И <Та ИМЄЮТ ТОТ ЖЄ СМЫСЛ, что и в формуле (3.20); величина р есть энергетический коэф­фициент отражения (альбедо) поверхности планеты в месте па­дения на нее пучка лазерного излучения, a k — коэффициент, характеризующий направленность отраженного излучения (для большинства видов поверхности суши можно считать 6 = 2-^4, для водной поверхности величина k сильно зависит от ее состоя­ния, главным образом от интенсивности волнения). Для ориен­тировочных расчетов, когда излучение падает приблизительно по нормали к поверхности, можно принять, что величина про­изведения лежит в пределах от 0,1 (темный грунт, вода при сильном волнении) до 2 (снег, относительно спокойная вод­ная поверхность). Коэффициент аа, характеризующий прозрач­ность атмосферы, зависит от длины волны и метеорологических условий; при чистой атмосфере (отсутствие облачности, тумана, дымки и т. п.) на волне излучения рубинового лазера (0,69 мкм) в среднем (Та = 0,85. Для меньших длин волн (например, для 2-й гармоники неодимовых лазеров, Х=0,53 мкм) из-за большего рассеяния величина сга несколько падает, для более длинных волн (например, А,= 1,06 мкм) —возрастает.

Нет сомнения, что область применения импульсных лазер­ных дальномеров благодаря их быстрорастущей точности и ма­лой подверженности помехам, создаваемым посторонним све­том, будет в дальнейшем расширяться. Можно предвидеть, в частности, что и наземные фазовые геодезические светодаль­номеры с непрерывным излучением через некоторое время нач­нут испытывать конкуренцию со стороны импульсных лазерных дальномеров; предпосылками к этому служат такие научно-тех­нические достижения, как развитие метода синхронизации мод в твердотельных лазерах, позволяющего генерировать импульсы длительностью 10~10—10“12 с, создание сверхширокополосных фотодетекторов с инерционностью менее 10“10 с и разработка прецизионных измерителей временных интервалов. Промышлен­ное освоение такой аппаратуры позволит создавать импульсные дальномеры с ошибкой измерения порядка нескольких милли­метров и даже долей миллиметра.

Комментарии запрещены.