ИМПУЛЬСНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ
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
|
Рис. 42. Типичная блок-схема импульсного лазерного дальномера |
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.