ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ

Осенью 1965 г. группа советских ученых выполнила уникальный эксперимент: определила расстояние до Луны с точностью до 200 м.

Ученые использовали лазер на рубине, генерировавший гигантские импульсы длительностью 5 10“8 с.

Для посылки лазерных импульсов к Луне и последующего приема импульсов, отраженных лунной поверхностью, применялся оптический телескоп Крымской обсерватории с диаметром главного зеркала 260 см. В 1969 г. на поверхность Луны высадились американские астронавты с «Аполлона-11», а в 1970 г. на лунную поверхность опустился управляемый с Земли советский космический аппарат «Луноход-1». Астронавты и луноход доставили на Луну специальные светоотража- тели-катафоты. Катафот, или, иначе, уголковый отражатель предназначен для того, чтобы возвращать падающий на него световой луч назад-в направлении, строго параллельном первоначальному направлению луча. Такой способностью обладает, например, уголок, образованный тремя плоскими зеркалами, ориентированными под прямыми углами друг к другу. Используя отражение посылаемых с Земли коротких лазерных импульсов от уголковых отражателей, находящихся на лунной поверхности, ученые смогли определить расстояние от Земли до Луны (точнее говоря, от зеркала земного телескопа до лунного отражателя) с погрешностью, не превышающей нескольких десятков сантиметров. Чтобы представить себе, насколько высока такая точность, надо вспомнить, что Луна находится на расстоянии 380000 км от

Установленный на поверхности Луны лазерный отражатель представляет собой квадрат с длиной стороны 45 см, состоящий из 100 отдельных уголковых отражателей. Предусмотрена возможность изменения ориентации плоскости квадрата — с учетом местоположения отражателя на лунной поверхности
Земли. Погрешность измерения дальности, равная 40 см, в 109 раз меньше указанного расстояния!
Но зачем измерять расстояние до Луны со столь огромной точностью? Неужели это делается только из «спортивного интереса»? Конечно, нет. Такие измерения выполняют не для того, чтобы поточнее узнать расстояние от земного телескопа до лунного отражателя, а для того, чтобы поточнее определить изменения этого расстояния в течение некоторого промежутка времени, например в течение недели, месяца, года. Исследуя графики, описывающие изменение расстояния со временем, ученые получают информацию для ответа на ряд вопросов, имеющих большую научную важность: как распределена масса в недрах Луны? С какой скоростью сближаются или расходятся земные континенты? Как изменяется со временем положение магнитных полюсов Земли?
Вот поэтому и существуют в мире несколько десятков лазерно-локационных систем космического назна
чения. Они осуществляют локацию Луны, а также искусственных спутников Земли геодезического назначения. В качестве примера укажем лазерно-локационную систему Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР, предназначенную для локации Луны. Лазер на рубине генерирует гигантские световые импульсы длительностью 10“8 с и с энергией порядка 0,1 Дж. Импульсы проходят через квантовый усилитель, после чего их энергия увеличивается до 3 Дж. Затем световые импульсы попадают на 260-см зеркало телескопа и отправляются к Луне. Погрешность измерения расстояния до Луны составляет в данном случае 90 см. За счет сокращения длительности импульса до * 10“ 9 с погрешность уменьшена до 25 см. В качестве еще одного примера отметим лазерно-локационную систему Космического центра в США, предназначенную для локации искусственных спутников Земли. В ней используется импульсный рубиновый лазер, генерирующий импульсы длительностью 4* 10" 9 с и с энергией 0,25 Дж. Погрешность измерения расстояния составляет 8 см.

Упрощенная оптическая схема лазерно-локационной системы Физического института АН СССР: 7 — лазер на рубине, 2 — квантовый усилитель света, 3 - главное зеркало телескопа диаметром 260 см

Лазерные локаторы устанавливают не только на земной поверхности, но и на летательных аппаратах. Представим себе, что происходит сближение двух космических кораблей и предстоит их автоматическая стыковка. Необходимо точно контролировать взаимное положение кораблей, точно измерять расстояние между ними. Для этого на одном из кораблей устанавливают лазерный локатор. В качестве примера рассмотрим локатор на основе С02-лазера, генерирующего регулярную последовательность световых импульсов с частотой следования 50 кГц.

Лазерный луч сканируется построчно (подобно электронному лучу в телевизионной трубке) в пределах телесного угла 5 х 5°; время обзора лучом этого сектора пространства составляет 10 с. Лазерный локатор осуществляет поиск и опознавание стыкуемого аппарата в указанном секторе пространства, непрерывное измерение его угловых координат и дальности, обеспечивает точное маневрирование - вплоть до момента стыковки. Всеми операциями локатора управляет бортовая ЭВМ.
Лазерные локаторы сегодня используют как в космонавтике, так и в авиации. В частности, они могут выполнять роль точных измерителей высоты. Заметим, что лазерный высотомер применялся на космических кораблях «Аполлон» для картографирования поверхности Луны.
Основное назначение лазерных локаторов-такое же, как и радиолокаторов: обнаружение и опознавание удаленных от наблюдателя объектов, слежение за перемещением этих объектов, получение информации о характере объектов и их движении. Как и в радиолокации, в оптической локации для обнаружения объекта и получения информации о нем используются импульсы излучения, отраженные объектом. При этом у оптической локации есть ряд преимуществ перед радиолокацией. Лазерный локатор позволяет более точно определять координаты и скорость объекта. Более того, он дает возможность выявлять размеры объекта, его форму, ориентацию в пространстве. На экране лазерного локатора можно наблюдать видеоизображение объекта.
Преимущества лазерной локации связаны с острой направленностью лазерных пучков, высокой частотой оптического излучения, исключительно малой длительностью световых импульсов. Действительно, ост- 66
ронаправленным лучом можно буквально «ощупать» объект, «просмотреть» разные участки его поверхности. Высокая частота оптического излучения позволяет более точно измерить скорость объекта. Напомним, что если объект движется на наблюдателя (от наблюдателя), то отраженный им световой импульс будет иметь уже не исходную частоту, а более высокую (более низкую) частоту. Это есть хорошо известный как в оптике, так и в акустике эффект Доплера; этот эффект лежит в основе обсуждавшихся ранее лазерных анемометров. Изменение частоты отраженного импульса (доплеровское смещение частоты) пропорционально скорости объекта (точнее, проекции скорости на направление от наблюдателя к объекту) и частоте излучения. Чем выше частота излучения, тем больше измеряемое локационной аппаратурой доплеровское смещение частоты и, следовательно, тем точнее может быть определена скорость объекта. Наконец, отметим важность использования в локации достаточно коротких импульсов излучения. Ведь измеряемое с помощью локатора расстояние до объекта пропорционально промежутку времени от отправления зондирующего импульса до приема отраженного импульса. Чем короче сам импульс, тем более точно можно определить этот промежуток времени, а значит, и расстояние до объекта. Недаром в космической лазерной локации используются световые импульсы длительностью порядка 10“8 с и меньше. Напомним, что при длительности импульса 10“8 с погрешность при локации Луны составила 90 см, а при длительности импульса 2 10_9с погрешность уменьшилась до 25 см.
Впрочем, у оптических локационных систем есть и недостатки. Конечно, довольно удобно «осматривать» объект с помощью узкого остронаправленного луча лазера. Однако не так-то просто с помощью такого луча обнаружить объект; время обзора контролируемой области пространства оказывается в данном случае относительно большим. Поэтому оптические локационные системы часто используют в комплексе с радиолокационными. Последние обеспечивают быстрый обзор пространства, быстрое обнаружение цели, а оптические системы затем измеряют параметры обнаруженной цели, осуществляют слежение за целью. Кроме того, при распространении оптического излуче
ния через естественную среду - атмосферу или воду- возникают проблемы, связанные с воздействием среды на световой луч. Во-первых, свет частично поглощается в среде. Во-вторых, по мере распространения излучения по трассе происходит непрерывно нарастающее искажение волнового фронта светового пучка вследствие турбулентности атмосферы, а также рассеяния света на частицах среды. Все это ограничивает дальность действия наземных и подводных оптических локационных систем и ставит их работу в зависимость от состояния среды и, в частности, от погодных условий.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ:

- Популярная физика -