 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ
| Використання лазерів при спостереженні супутників
Принцип вимірювання відстані до супутника лазерними віддалемірами дуже простий. У напрямі на супутник посилають короткий світловий імпульс, який, відбившись від супутника, повертається зворотно. Інтервал часу Δt між посиланням і прийомом імпульсу вимірюють і він дає інформацію про дальність. Дальність супутника на середній момент між посиланням і прийомом імпульсу визначають з простого співвідношення
де с - швидкість світла у вакуумі, Δр1 - поправка в дальність за рахунок впливу атмосфери і Δр2 - поправка в дальність, що враховує постійні затримки в апаратурі. Імпульсний метод вимірювання дальності використовують в радарних системах, працюючих у високочастотному радіодіапазоні електромагнітних коливань. Однак навіть самі сучасні радіорадари забезпечують вимірювання відстаней з помилкою в декілька метрів. Ці системи дорого коштують і громіздкі і для ефективного використання вимагають обладнання супутників спеціальними активними прийомовідповідачами. Тільки із застосуванням оптичних квантових генераторів імпульсної дії з'явилася можливість різкого підвищення точності вимірювань при одночасному зниженні вартості і габаритів обладнання. У всіх лазерних віддалемірах, що використовуються в даний час для спостереження супутників застосовуються оптичні квантові генератори на рубінових кристалах, які забезпечують отримання могутніх світлових імпульсів когерентного випромінювання з довжиною хвилі 0,6943 мкм. Тривалість імпульсу складає від декількох десятків до декількох одиниць наносекунд, а енергія в імпульсі до декількох джоулів. Це забезпечує вихідну потужність віддалеміра від декількох десятків до декількох сотень мегават і високу дозволяючу здатність по дальності. Оптичний діапазон випромінювання і малий кут разходження (біля 30') на виході з кристала дозволяє зосередити за допомогою лінзи невеликого діаметра все випромінювання в тілесному куті, величина якого визначається тільки вимогами «захоплення» супутника в момент спостереження і практично залежить від точності ефемерид і наведення. У той же час значно спрощується задача формування відображеного сигналу, мале расходження якого і повернення в напрямі випромінювача забезпечується установкою на супутникові кутових відбивачів. Велика вихідна потужність в імпульсі в поєднанні з когерентністю і вузькою спрямованістю посланого і відображеного випромінювання дозволяє вимірювати лазерними віддалемірами мірами відстані до декількох тисяч кілометрів не тільки вночі, коли супутник знаходиться в тіні, але і в денний час. Метод вимірювання топоцентричної дальності супутника лазерним віддалеміром складається в наступному. Лазерний випромінювач і паралельно встановлений приймач відображеного сигналу наводять на супутник. Наведення здійснюється або безперервним стеженням за супутником, або наведенням лазера в зазделегідь преобчислену точку неба. Стеження або наведення в різних конструкціях далекомірів виконується або автоматично, або безпосередньо оператором. Спостереження супутників в тіні Землі і в денний час можливе тільки при автоматичному стеженні, здійснюваному за допомогою керуючої ЕОМ або при наведенні по зазделегідь обчисленим ефемеридам. Обидва способи вимагають в свою чергу великої точності прогнозування орбітального руху супутника. З іншого боку, велика точність ефемерид не тільки визначає можливість спостережень, але і дозволяє провести спостереження з меншими кутами розходження лазерного променя і таким чином збільшити дальність дії, або при незмінній дальності підвищити точність за рахунок більш упевненого прийому відображеного імпульсу. При обчисленні на основі регулярних фотографічних спостережень ефемериди на тижневий період можуть бути отримані з помилкою 1- 3 мін дуги. У необхідний момент в напрямі супутника посилається світловий імпульс. Одночасно з виходом імпульсу з передавача формується електричний «старт» сигнал, який включає електронний лічильник інтервалу часу і забезпечує одночасно реєстрацію моменту. Відображене від супутника світло, яке збирає оптична система приймача випромінювання, пройшовши через інтерференційний фільтр, попадає на фотопомножовуч. Інтерференційний фільтр, що має смугу пропущення декілька ангстрем, затримує основну частину фонового випромінювання і забезпечує необхідне для упевненої реєстрації відношення корисного сигналу і шуму на вході фотопомножовуча. Сформований в фотопомножовучі електричний імпульс поступає на вхід електронного лічильника і зупиняє його. Для того щоб зменшити ймовірність випадкових зупинок лічильника шумовими сигналами, він має досить високий пороговий рівень чутливості і, крім того, вхід «стоп» сигналу може відмикатися тільки на короткий період очікуваного повернення сигналу. Необхідна для роботи лічильника стабільна частота поступає від кварцового генератора. Дозволяюча здатність лічильників, що використовуються в лазерних далекомірах, становить 1-10 нс, що відповідає дозволяючій здатності по дальності 0,15- 1,5 м. Частота повторення вимірювань в різних лазерних віддалемірах складає від 1 до 60 в хвилину. Для ілюстрації приведемо опис одного з лазерних віддалемірів Смітсоновської астрофізичної обсерваторії, фотографія якого вміщена на рис. 4.9. У 1970 р. це був один з найбільш могутніх і точних лазерних віддалемірів, що дозволяв проводити вимірювання при денному світлі. У лазерному передавачі віддалеміра використовуються два послідовно розташованих рубінових кристали, один з яких служить генератором Q-модульованих імпульсів, другий - підсилювачем. Вихідний імпульс передавача має енергію біля 7 Дж і тривалість 15 -18 нc; вихідна потужність передавача біля 500 Мвт. На виході передавача встановлена коліматорна лінза апертурою 12,7 см, переміщуючи яку можна змінювати кут розходження
Рис. 4.9. Лазерний віддалемір САО. 1 - лазерний передавач, 2 - фотопомножовуч, 3 - телескоп-приймач, 4 - монтування променя, що містить 50% випромінюваних енергії, в межах від 20 до 1 дугової мінути в залежності від точності ефемерид. Частина світу, відображеного від задньої поверхні лінзи, перетворюється розташованим рядом фотодіодом в електричний імпульс «старт» сигналу для включення лічильника і реєстрації моменту спостережень. Передавач працює з частотою 4 імпульси в хвилину. Моменти посилки імпульсів задаються автоматично у відповідності з превичисленими ефемеридами. Оскільки помилки ефемерид найбільші в напрямі руху супутника, в віддалемірі є система, що дозволяє автоматично коректувати моменти вимірювань. Для корекції користуються різницею виміряних і превичислених відстаней при спостереженні на початку проходження, коли видима кутова швидкість супутника найменша. Передбачена також можливість вимірювань відстаней в довільні моменти на розсуд спостерігача. Застосоване Т-образне азимутальне монтування; наведення на супутник виконується автоматично з помилкою не більше за 0,5'. Після вимірювання дальності проводиться автоматичне наведення на наступну точку орбіти відповідно до ефемеридних даних, заздалегідь занесених на керуючу перфострічку. Приймальна система далекоміра встановлена, як і передавач, на горизонтальній осі монтування і являє собою дзеркальний телескоп з апертурою 50 см і фокусною відстанню 2 м. У оптичну схему телескопа введені дві додаткові оптичні системи; одна служить для візуального спостереження під час юстировок апаратури, а друга для напряму прийнятого випромінювання на фотопомножовуч. Проходячи через систему лінз, діафрагму і інтерференційний фільтр з смугою пропущення 7 А, світло попадає на фотопомножовуч. Діафрагма дозволяє обмежувати кутовий діаметр вхідних пучок променів від 20 до 2' для того, щоб зменшити вплив шкідливих фонових засвіток. Для визначення інтервалу часу поширення сигналу використовується електронний лічильник з дозволом 1 нс. Оскільки електронний лічильник має деякий пороговий рівень чутливості, то моменти його включення і вимкнення залежать від амплітуди і форми керуючих сигналів. Імпульс, що передається досить стабільний по амплітуді і формі майже нормального гаусового розподілу енергії в імпульсі. У той же час ці характеристики імпульсу, що приймається можуть значно змінюватися від вимірювання до вимірювання. Для зменшення виникаючих через цього помилок «старт» і «стоп» сигнали крім лічильника подаються на осцилограф, екран якого фотографується. Зіставлення осциллограм при упевненому визначенні форми і амплітуди прийнятого імпульсу дає можливість внести відповідні поправки і підвищити, таким чином, точність вимірювань. Для зменшення постійних інструментальних помилок, викликаних затримками в апаратурі, виконується калібрування віддалеміра вимірюванням відстані до дифузно відображаючої цілі, розташованої на відомій відстані. Оцінка точності далекоміра за результатами спостережень, виконаних на коротких дугах орбіти супутника, показала, що випадкова помилка вимірювання дальності в середньому становить 0,6 м, а систематична помилка при належним чином виконаному калібруванню може бути меншим 1 м. Загальна помилка вимірювання відстані лазерним далекоміром складається з помилки у вимірюванні часу проходження імпульсу до супутника і зворотна, помилки швидкості світла у вакуумі, з якою можна взагалі кажучи не рахуватися, і помилки обліку впливу атмосфери. На основних причинах помилок у вимірюванні інтервалу часу ми вже зупинялися вище. Це передусім помилки прийому ослабленого і спотвореного сигналу, які в значній мірі залежать від тривалості і потужності переданого імпульсу. З збільшенням тривалості імпульсу, що передається і зменшенням потужності сигналу, що приймається ці помилки зростають і особливо великі, коли через слабий прийнятий імпульс неможливо зіставити осцилограми. У останньому випадку випадкові варіації в моменті зупинки лічильника досягають приблизно 30% від тривалості імпульсу. У теперішній час є вже могутні лазерні генератори з тривалістю імпульсу 3 -5 нс і електронні лічильники з дозволяючою здатністю 0,1 нс. Використовуючи їх, а також більш довершені фільтри, фотопомножовучі і інші елементи мають намір зменшити рівень інструментальних помилок до 20 см при умові регулярного калібрування віддалемірів. Передбачається, що при введенні поправок за форму і амплітуду сигналу, що приймається інструментальні помилки поменшають до 5 см. Вплив атмосфери на дальність, що визначається позначається двояким чином. По-перше, дальність визначається за часом проходження світла, швидкість якого в атмосфері відрізняється від швидкості у вакуумі і залежить від показника заломлення, що змінюється з висотою. Виміряний інтервал часу Δt відрізняється від інтервалу часу поширення світла у вакуумі при тій же відстані на величину
де v(р) змінна швидкість світла в середовищі. Тоді поправка у виміряну відстань
Прийнявши експонентний закон зміни показника заломлення з висотою
і виразивши, нехтуючи кривизною Землі, елементарну відстань через елементарну висоту і кут піднесення h променя, отримаємо
Для супутників за межами атмосфери остаточно будемо мати
При нормальних атмосферних умовах (t = 0° С, Р = 760 мм) і куті піднесення 30° отримаємо поправку в дальність, рівну 4,2 м. Нехтуючи поправкою за кривизну Землі, при такому куті піднесення отримуємо помилку біля 1,4 см. Вважається, що поправка, обчислена по цій формулі, має помилку біля ±15 см через відхилення стану дійсної атмосфери від прийнятої моделі. Середня квадратична помилка виміряної дальності через випадкові зміни коефіцієнта рефракції, викликаних турбуленцією атмосфери, оцінюється величиною ±1 см. По-друге, вимірювання дальності фактично проводиться не по прямій, а по викривленій внаслідок атмосферної рефракції траєкторії. Вплив викривлення значно менше помилки, з якою визначається поправка за зміну швидкості світла. Можна показати, що для кута піднесення 30° воно не перевищує 1 см. При використанні лазера для освітлення супутника у час фотографічних спостережень потрібна велика енергія переданого сигналу. Для цього лазерний передавач працює в режимі вільної модуляції, при якій світловий потік складається з серії коротких, слідуючих один за одним імпульсів. Загальна тривалість серії імпульсів складає біля 1 мс, а сумарна енергія може досягати сотень джоулів. Супутник повинен мати кутові відбивачі, щоб забезпечити необхідну дальність дії системи. Звичайно для того щоб забезпечити одночасно далекомірні і фотографічні спостереження, що дозволяють отримувати повні топоцентричні вектори супутника, разом з лазерним віддалеміром встановлюються додаткові лазерні передавачі спеціально для освітлення супутника. При збільшенні енергії імпульсу лазерного далекоміра необхідність в спеціальному освітлювальному передавачі природно відпадає. Використання лазерів для освітлення супутників забезпечить, мабуть, найкращі можливості для фотографічних спостережень, оскільки при цьому може бути легко досягнута синхронність з віддалемірними вимірюваннями на супутники малих розмірів і незалежність спостережень від природного освітлення їх Сонцем. Однак при цьому виникає ряд труднощів. По-перше, для отримання напряму з досить високою точністю необхідно мати на знімку велику кількість зображень і, отже, частота посилання імпульсів світла повинна бути досить високою (принаймні не рідше за один імпульс в секунду). Досягнення такої частоти при великій енергії в імпульсі є складною задачею. По-друге, лазер дає монохроматичне випромінювання, в той час якспектр випромінювання зірок і Сонця дуже широкий. Це викличе необхідність враховувати відмінності в спектрах випромінювання від супутника і опорних зірок для виключення виникаючих через це систематичних помилок. Нарешті, при фотографуванні відображених імпульсів лазерного віддалеміра може різко зрости вплив турбулентності атмосфери через дуже короткі експозиції. Припущення про різке збільшення цих помилок поки не обгрунтоване, оскільки питання практично ще не досліджувалося. |
