Локационные лазерные устройства

Локационные лазерные устройства - устройства, предназначенные для измерения расстояния с большой точностью и скоростью. Появление лазеров и развитие компьютерных технологий стало толчком для появления лидаров. Понятие лидар впервые появилась в работе Миддлтона и Спилхауса «Метеорологические инструменты» 1953 года.

Лидар - технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах, - лазерные локаторы, используемые для зондирования толщи моря, морской и земной поверхности, атмосферы.

Принцип действия

Принцип действия лидара не имеет больших отличий от радара: направленный луч источника излучения отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным приёмником (в случае лидара — светочувствительным полупроводниковым прибором); время отклика прямо пропорционально расстоянию до цели. Кроме импульсного метода измерения дистанции применяется фазовый, основанный на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов.

В отличие от радиоволн, эффективно отражающихся только от достаточно крупных металлических целей, световые волны подвержены рассеиванию в любых средах, в том числе в воздухе, поэтому возможно не только определять расстояние до непрозрачных (отражающих свет) дискретных целей, но и фиксировать интенсивность рассеивания света в прозрачных средах. Возвращающийся отражённый сигнал проходит через ту же рассеивающую среду, что и луч от источника, подвергается вторичному рассеиванию, поэтому восстановление действительных параметров распределённой оптической среды — достаточно сложная задача, решаемая как аналитическими, так и эвристическими методами.

Лидар как прибор представляет собой, как минимум,

активный дальномер оптического диапазона. Сканирующиелидары в системах машинного зрения формируют двумерную или трёхмерную картину окружающего пространства. «Атмосферные» лидары способны не только определять расстояния до непрозрачных отражающих целей, но и анализировать свойства прозрачной среды, рассеивающей свет.

Разновидностью атмосферных лидаров являются доплеровские лидары, определяющие направление и скорость перемещения воздушных потоков в различных слоях атмосферы.

Рассеяние света в атмосфере происходит как молекулами воздуха (Релеевское рассеяние), так и частицами аэрозоля. Таким образом, наличие аэрозоля в атмосфере увеличивает сигнал обратного рассеяния по сравнению с чистой атмосферой и концентрация аэрозоля может быть определена как функция расстояния и интенсивности сигнала на фоне чистой атмосферы.

Лазерная головка генерирует короткие импульсы излучения на длинах волн 1064, 532 и 355 нм, которые коллимируются и узким лучом направляются в атмосферу.

Блоки питания и контроля обеспечивают накачку активного элемента лазера и управляют лазером.

Двухконтурный автономный блок охлаждения необходим для охлаждения активного элемента лазера. Во внутреннем контуре используется дистиллированная вода, во внешнем контуре - хладон‑12.

Излучение лазера, рассеянное аэрозолем атмосферы в обратном направлении, попадает на приемную апертуру телескопа и фокусируется на входном окне четырехканального анализатора (фотоприемного блока).

Основными элементами анализатора являются 4 фотоумножителя (ФЭУ), служащие детекторами излучения. Для питания ФЭУ используются высоковольтные источники питания, а для питания усилителей и термоэлектрических холодильников ФЭУ - низковольтные источники питания.

Сигналы с выхода ФЭУ поступают в двухканальные аналого-цифровые преобразователи АЦП, установленные в слот компьютера. Оцифрованные с помощью АЦП выходные аналоговые сигналы ФЭУ направляются в память РС для сохранения и дальнейшей первичной и вторичной (тематической) обработки.

Для решения каждой конкретной атмосферной задачи используется конкретная схема лидара. Однако во всех случаях в лидаре непременно присутствуют три основных блока: лазерный источник излучения с передающей антенной; приемная антенна с фотодетектором; регистратор лидарных сигналов. Для многих атмосферных задач необходимо селектировать собранный приемной антенной лидарный сигнал по спектральным частотам и по поляризации. В этих случаях на выходе приемной антенны лидара устанавливают анализаторы спектра или поляризации принимаемого оптического сигнала. Следовательно, к основным блокам лидара можно отнести также анализаторы спектра или поляризации лидарного сигнала. Кроме того, регистрация таких быстропротекающих процессов, каким является лидарный сигнал, невозможна без использования быстродействующих процессоров. Как правило, для этих целей используют современные компьютеры, которые позволяют не только обрабатывать, хранить и визуализировать лидарные данные, но и контролировать параметры и управлять всеми компонентами лидара в автоматизированном режиме. Таким образом, обобщенную схему современного лидара можно представить состоящей из пяти основных блоков.

Основные блоки лидара

Лидар LSA-2c предназначен для оперативного дистанционного анализа характеристик атмосферного аэрозоля с помощью лазера, работающего на длинах волн 1064 и 532 нм.

В современном мире существуют мобильные лидарные системы, которые устанавливаются на автомобильные и авиационные платформы, такие системы широко востребованы военными, метеорологическими и многими другими службами. Также недавно был создан лидар позволяющий получить трехмерное изображение.

Лидар позволяющий получить трехмерное изображение.

Лазерная локация Луны

21 июля 1969 года астронавты программы Аполлон-11 установили на Луне первый уголковый отражатель[2]. 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.

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.

Точность измерения времени в настоящем — порядка 30 пикосекунд (что и соответствует примерно двум сантиметрам точности измерения расстояния)

Список литературы

1. Дальномеры. Принцип лазерной дальнометрии http://www.opticland.ru/articles.php?id=55(дата обращения)

2. Лазерная локация Луны http://ru.wikipedia.org/wiki/Лазерная_локация_Луны

3. Наблюдение околоземных космических объектов http://www.stso.net/docs/blagodyr1.html

4. Одной из важных областей применения лазерной локации является спутниковая геодезия http://anlas.at.ua/index/0-5

5. Русский свет в космосе (Лазерные дальномеры) http://www.zabor.com/space/projects/slr.html

6. Физические основы лазерной локации http://www.laserlocation.ru/chapter3.html