Введение
Термин “лидар” является аббревиатурой английского выражения light identification, detection and ranging (обнаружение и определение дальности с помощью света).
Лидар - технология получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.
Как прибор, лидар представляет собой оптический локатор для дистанционного зондирования воздушных и водных сред. Также к лидарам относят оптические локаторы, которые позволяют дистанционно получать информацию о твердых объектах.
Лидары востребованы и пользуются популярностью благодаря достоинствам используемых в них лазерах:
· Когерентность излучения
· Малая длина волны излучения и, как следствие, малые потери из-за расходимости
· Мгновенная мощность излучения
Совокупность этих свойств делает использование лидара незаменимым на дистанциях от сотен метров до нескольких километров.
Принцип действия лидара
Импульсное излучение лазера посылается в атмосферу. Затем, рассеянное атмосферой в обратном направлении, излучение собирается телескопом и регистрируется фотоприемником с последующей оцифровкой сигналов.
импульсный лидар телеобъектив оптический
Лидар запускает быстрые короткие импульсы лазерного излучения на объект (поверхность) с частотой до 150000 импульсов в секунду. Датчик на приборе измеряет промежуток времени, необходимый для возврата импульса. Свет движется с постоянной и известной скоростью, поэтому лидар может вычислить расстояние между ним и цели с высокой точностью.
Существуют две основные категории импульсных лидаров: микроимпульсные и высокоэнергетические системы.
Микроимпульсные лидары работают на более мощной компьютерной технике с большими вычислительными возможностями.
Эти лазеры меньшей мощности и классифицируются как "безопасные для глаз", что позволяет использовать их практически без особых мер предосторожности.
Лидары с большой энергией импульса в основном применяются для исследования атмосферы, где они часто используются для измерения различных параметров атмосферы, таких как высота, наслоение и плотность облаков, свойства частиц облака, температуру, давление, ветер, влажность и концентрацию газов в атмосфере.
Устройство лидара
Большинство лидаров состоит из трех частей:
· Передающая часть
· Приемная часть
· Система управления
Передающая часть (а) лидара содержит источник излучения - лазер и оптическую систему для формирования выходного лазерного пучка, т.е. для управления размером выходного пятна и расходимостью пучка.
В абсолютном большинстве конструкций излучателем служит лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и длины волн:
1550 нм -- инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света -- так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека
1064 нм -- ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения
532 нм -- зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды
355 нм -- ближнее ультрафиолетовое излучение
Приёмная часть (б) состоит из объектива (телескоп), спектрального и/или пространственных фильтров, поляризационного элемента и фотодетектора. Излучение, отраженно-рассеянное от исследуемого объекта, концентрируется приемной оптикой (телескопом), а затем проходит через анализатор спектра. Этот прибор служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся наблюдения, и, следовательно, для отсечки фонового излучения на других длинах волн. Анализатор может представлять собой либо сложный, тщательно настраиваемый моно- или полихроматор, либо набор узкополосных фильтров, включая фильтр отсечки излучения на длине волны лазерного передатчика.
Излучатель и приемный блок могут быть далеко разнесены друг от друга или выполнены в едином блоке, что в последние годы является обычным. Оси излучателя и приемника могут быть совмещены (коаксиальная схема) или разнесены (биаксиальная схема).
Система управления(в) выполняет следующие задачи:
ѕ Управление режимом работы лидара;
ѕ Управление частотой зондирующего излучения лазера;
ѕ Измерение энергии излучения в выходящем и принимаемом двухчастотном лазерном пучке на обеих частотах;
ѕ Обработка результатов, т.е. получение спектральных характеристик атмосферы, определение наличия и концентраций примесей по имеющимся в базе данных компьютера «спектральным портретам» молекул;
ѕ Управление системой наведения лидара на исследуемый объект.
В своем исследовании я решил подробно рассмотреть схемы объективов, используемых в различных лидарах.
В данном разделе мы рассмотрим группу ОЭПиС с общей технологией получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.
Эту группу оптических приборов объединяют под названием- Лида́р (транслитерация LIDAR англ. Light Identification, Detection and Ranging ) .
Устоявшийся перевод LIDAR как «лазерный радар» не вполне корректен, так как впервые аббревиатура LIDAR появилась в работе Миддлтона и Спилхауса «Метеорологические инструменты» 1953 года, задолго до изобретения лазеров. Первые лидары использовали в качестве источников света обычные или импульсные лампы со скоростными затворами, формировавшими короткий импульс. В современных системах ближнего радиуса действия (например, предназначенных для работы в помещениях) вместо лазеров используют обычные светодиоды. Однако именно применение лазера (обусловленное его свойствами: когерентности, высокой плотность и мощности излучения) позволило создать приборы с радиусами действия от сотен метров до сотен километров.
Первые полевые испытания носимого лазерного дальномера XM-23 с мощностью излучения 2.5 Вт и диапазоном измеряемых расстояний 200-9995 м прошли в 1963 году. Тогда же, в первой половине 1960-х годов, начались опыты по применению лидара с лазерным излучателями для исследования атмосферы. В 1969 году лазерный дальномер и мишень, установленная на Аполлоне-11, применялся для измерения расстояния от Земли до Луны. Четыре мишени, доставленные на Луну тремя «Аполлонами» и «Луноходом-2», и по сей день используются для наблюдения за орбитой Луны. В течение 1970-х годов, с одной стороны, отлаживалась технология лазерных дальномеров и компактных полупроводниковых лазеров, а с другой - были начаты исследования рассеяния лазерного луча в атмосфере..
Рассмотрение этой группы оптических приборов начнём с простейшего представителя-лазерного дальномера. Принцип работы основан на способности электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью, что позволяет определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:
где R - расстояние до объекта, c - скорость света в вакууме, n - показатель преломления среды, в которой распространяется излучение, t - время прохождения импульса до цели и обратно.
Рисунок 132 Принцип работы лазерного дальномера.
Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче импульс, тем лучше. Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазо-импульсный.
Сущность импульсного метода дальнометрирования
состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до объекта.
При фазовом методе дальнометрирования
лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону с помощью модулятора (электрооптического кристалла, изменяющего свои параметры под воздействием электрического сигнала). Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 10…150 МГц (измерительная частота). Отраженное излучение попадает в приемную оптику и фотоприемник, где выделяется модулирующий сигнал. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза отраженного сигнала относительно фазы сигнала в модуляторе. Измеряя разность фаз, определяют расстояние до объекта.
Общая структурная схема простейшего лидара представлена на рисунке 133 и схожа с прибором ночного видения, в современной военной технике они даже совмещаются.
Рисунок 133. Общая структурная схема простейшего лидара (1-лазер, 2-объект, 3-блок приёмника, 4- оптическая система ПОИ(телескопическая система), 5-ПОИ, 7-блок обработки и анализа, 7-блок вывода информации, 8- блок управления лазером.
На рисунке 134 представлен современный российский лазерный дальномер "Сажень-ТМ-Д" служащий для определения дальности до космических аппаратов, оснащенных лазерными ретрорефлекторами, и измерения угловых координат КА по отраженному солнечному излучению для расчета высокоточных параметров движения КА, а также получения фотометрической информации в видимом диапазоне длин волн.
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.
Рисунок 134 Дальномер "Сажень-ТМ-Д"
Именно измерение интенсивности рассеяния лазерного излучения аэрозолем атмосферы дало второй сильный толчок для дальнейшего развития. Лидар посылает в атмосферу короткий импульс света и принимает обратно сигнал обратного рассеяния. 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. Несмотря на тот факт, что аэрозоли составляют не более 10 % от общей массы антропогенных загрязнителей атмосферы, потенциальный ущерб от этого типа загрязнителей, которые, как правило, представляют собой сильные токсиканты, существенно больше. «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.
Физические принципы работы атмосферных лидаров мы с вами подробно рассматривали в разделе ИК газоанализаторов. Здесь мы остановимся на конструктивных особенностях лидаров данного типа. В качестве примера рассмотрим современную методику многоволнового лазерного дистанционного анализа опасных загрязнений атмосферы. Особенность заключается в том что лазерные источники могут одновременно генерировать излучение на нескольких длинах волн в одном направлении. Это позволяет:
проводить обнаружение и измерение концентраций нескольких компонент опасных примесей (до 6) одновременно в реальном масштабе времени;
существенно повысить точность измерения концентрации опасных примесей за счет уменьшения влияния временных флуктуаций принимаемого сигнала, обусловленных турбулентностью атмосферы.
В многоволновом лидаре в качестве базовых лазерных систем применяются импульсно-периодические лазеры на CO 2 и изотопах молекулы CO 2 (диапазон 9-11 мкм), а также могут использоваться их вторые (диапазон 4.5-5.5 мкм) и третьи (диапазон 3.0-3.4 мкм) гармоники, полученные при преобразовании частоты излучения базовых лазеров в нелинейных кристаллах типа AgGaSe 2 или ZnGeP 2 с эффективностью преобразования 5-10%. Принципиальным отличием от используемых в настоящее время стандартных схем дифференциального лазерного газоанализа, в которых определяемые компоненты воздуха детектируется одна за другой, в многоволновых лазерных системах они могут определяться практически одновременно за счет выхода в генерацию набора аналитических длин волн одновременно и их одновременного детектирования после прохождения атмосферного объема с повышенной концентрацией нескольких опасных газообразных веществ.
Схема применения лидара на основе многоволнового аммиачного лазера для контроля атмосферы приведен на рисунке 135. Блок – схема многоволнового лидара и его принципиальная оптическая схема приведены на рисунках 136 и 137.
Рисунок 135. Схема применения многоволнового лидара
Рисунок 136. Блок – схема многоволнового лидара
Рисунок 137. Принципиальная оптическая схема многоволнового лидара
(М – зеркала)
Многоволновой газоанализатор (дальность действия до 10км.), использующий новейшие методы дистанционного контроля, может эффективно использоваться в самых различных сферах производства и жизнедеятельности: контроль выбросов в атмосферу вблизи опасных химических производств;
контроль за газовыми и/или утечками на предприятиях ЯТЦ;
выявление предаварийных ситуаций, отслеживание обстановки по загрязненности атмосферы при аварийных ситуациях;
обеспечение безопасности важных объектов - правительственных зданий, военных объектов, АЭС и т.п.
дистанционный контроль (например, с борта самолета или беспилотного спутника) выбросов газов с объектов атомной промышленности в третьих странах с целью их идентификации, и следовательно, определения возможности этих стран по производству ядерного оружия;
определение динамики распространения ядовитых облаков в атмосфере при широкомасштабных авариях;
На рисунке 138 представлены двухволновый лидар ЛСА-2с и одноволновой лидар 4Р предназначенных для зондирования атмосферных аэрозолей и облаков.
Они имеют те же основные характерные блоки для лидаров:
-лазер-передатчик;
-передающая оптическая система;
-приемная оптическая система;
-спектроанализирующее и регистрирующее устройство (ФЭУ, CCD - камера, лавинный фотодиод);
-блок обработки сигнала;
-блок управления;
-система отображения полученной информации.
Рисунок 138. Двухволновый лидар ЛСА-2с и одноволновой лидар 4Р.
Как мы уже отмечали, основным излучателем в лидарах является лазер, формирующий короткие импульсы света высокой мгновенной мощности. Периодичность следования импульсов или модулирующая частота выбираются так, чтобы пауза между двумя последовательными импульсами была не меньше, чем время отклика от обнаружимых целей (которые могут физически находиться дальше, чем расчётный радиус действия прибора). Выбор длины волны зависит от функции лазера и требований к безопасности и скрытности прибора; наиболее часто применяются Nd:YAG-лазеры и длины волн (в нанометрах):
§ 1550 нм - инфракрасное излучение, невидимое ни глазу человека, ни типичным приборам ночного видения. Глаз не способен сфокусировать эти волны на поверхности сетчатки, поэтому травматический порог для волны 1550 существенно выше, чем для более коротких волн. Однако риск повреждения глаз на деле выше, чем у излучателей видимого света - так как глаз не реагирует на ИК излучение, то не срабатывает и естественный защитный рефлекс человека
§ 1064 нм - ближнее инфракрасное излучение неодимовых и иттербиевых лазеров, невидимое глазу, но обнаружимое приборами ночного видения
§ 532 нм - зелёное излучение неодимового лазера, эффективно «пробивающее» массы воды
§ 355 нм - ближнее ультрафиолетовое излучение
Задачи решаемые применением Лидаров:
· Исследования атмосферы
Исследования атмосферы стационарными лидарами остаётся наиболее публичной отраслью применения технологии. В мире развёрнуто несколько постоянно действующих исследовательских сетей (межгосударственных и университетских), наблюдающих за атмосферными явлениями.
· Измерение скорости и направления воздушных потоков.
Теоретическое обоснование применения наземного доплеровского лидара для таких измерений было дано ещё в 1980-е годы. Принцип действия основан на использовании эффекта Доплера, согласно которому, частота принятого сигнала, отражённого от цели может отличаться от частоты излучённого сигнала и разница зависит от соотношения скоростей объектов относительно друг друга. В 2001 Alcatel предложил размещение лидаров на борту спутников, так, что «созвездие» спутников на орбите способно отслеживать движение воздушных масс в рамках целого континента, а в потенциале - на Земле в целом.
· Измерение температуры атмосферы . Разработано и реализовано на практике несколько основных методов измерения профилей температуры.
В первом методе используется резонансное рассеяние на атомах щелочных металлов, в частности, натрия, калия, а также железа. Облака атомов металлов находятся на высоте 85 - 100 км. Температура измеряется по доплеровскому уширению резонансных линий с помощью зондирования узкополосным подстраиваемым лазером. Первые измерения были осуществлены с помощью искусственных натриевых облаков, забрасываемых в атмосферу ракетами. Несмотря на то, что метод ограничен диапазоном высот, на которых присутствуют атомы металла, рассеянный сигнал оказывается относительно большим, и это дает возможность измерять температуру с точностью до 1.5 ˚К.
Второй метод - метод рэлеевского рассеяния (Rayleigh lidar), основан на нерезонансном рассеянии света на молекулах воздуха. Впервые он был применен в 1953 году в опытах с прожекторным зондированием атмосферы. Суть метода заключается в следующем. Если отсутствует аэрозольное рассеяние, то мощность обратно рассеянного сигнала прямо пропорциональна плотности воздуха, из которой можно расcчитать температуру. Разрежение воздуха с высотой позволяет использовать метод рэлеевского рассеяния на высотах не более 90 км. Нижняя граница высоты измерения (около 20-30 км) обусловлена присутствием в граничном слое большого количества аэрозоля, который значительно увеличивает рассеяние, но практически не влияет на плотность воздуха.
Третий метод основан на вращательном рамановском (комбинационном) рассеянии молекулами воздуха (Raman lidar). Когда температура увеличивается, интенсивность переходов с большими квантовыми числами возрастает, в то время как интенсивность линий вращательного рамановского спектра, соответствующих маленьким квантовым числам, уменьшается. Переходы с большими квантовыми числами соответствуют линиям рамановского спектра, расположенным дальше от центральной частоты. Температура определяется при использовании измерений в двух областях спектра с различной температурной зависимостью. Максимальная высота зондирования составляет около 30 км, погрешность измерения менее 1 ˚К до высоты 10 км . Так как в приемнике линия упругого рассеяния подавляется, то измерения можно проводить и в присутствии значительных концентраций аэрозолей.
· Раннее оповещение о лесных пожарах.
· Исследования Земли
Вместо установки лидара на земле, где принимаемый отражённый свет будет зашумлён из-за рассеяния в загрязнённых, нижних слоях атмосферы, «атмосферный» лидар может быть поднят в воздух или на орбиту, что существенно улучшает соотношение сигнал-шум и эффективный радиус действия системы. Первый полноценный орбитальный лидар был выведен на орбиту NASA в декабре 1994 года в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment). Двухтонный лидар LITE с метровым зеркальным телескопом, поднятый на высоту 260 км, «рисовал» на земле размытое пятно диаметром 300 м, что было явно недостаточно для эффективного отображения рельефа, и был исключительно «атмосферным».
· Космическая геодезия.
Сканируют рельеф земной поверхности с приемлемой разрешающей способностью.
· Авиационная геодезия.
Национальная океанографическая служба США (NOAA) систематически применяет авиационные лидары для топографической съёмки морского побережья.
Особое направление, применяемое на практике в сейсмоопасных районах США - дифференциальное измерение высот с целью выявления локальных подвижек земных масс в районе разломов. Ещё в 1996 с помощью лидара была открыта неизвестная ранее зона разлома возле Сиэтла.
Совсем не давно с помощью подобного лидара группе ученых из Хьюстонского университета возможно, удалось найти в джунглях Гондураса легендарный Золотой город.
Рисунок 139 Применениепрежде засекреченной военными
технологию лазерного картографирования.
· Строительство и горное дело
Строительство - обмеры зданий, контроль отклонения плоскостей стен и несущих колонн от вертикали (в том числе в динамике), анализ вибраций стен и остекления. Обмеры котлованов, создание трёхмерных моделей стройплощадок для оценки объёмов земляных работ.
Архитектура - построение трёхмерных моделей городской среды для оценки влияния предлагаемых новостроек на облик города.
· Морские технологии
Измерение глубины моря. Для этой задачи используется дифференциальный лидар авиационного базирования. Красные волны почти полностью отражаются поверхностью моря, тогда как зелёные частично проникают в воду, рассеиваются в ней, и отражаются от морского дна. Технология пока не применяется в гражданской гидрографии из-за высокой погрешности измерений и малого диапазона измеряемых глубин.
Поиск рыбы. Аналогичными средствами можно обнаруживать признаки косяков рыбы в приповерхностных слоях воды. Специалисты американской государственной лаборатории ESRL утверждают, что поиск рыбы лёгкими самолётами, оборудованных лидарами, как минимум на порядок дешевле, чем с судов, оборудованных эхолотами.
· Промышленные и сервисные роботы
Системы машинного зрения ближнего радиуса действия для роботов, основанные на сканирующем лидаре IBM, формируют цилиндрическую развёртку с углом охвата горизонта 360° и вертикальным углом зрения до +30..-30
· Военные технологии
Здесь лидары получили самое широкое распространение и выполняют функции ооптико-локационной локации, разведки, наведения на цель итп.
Рисунок 139. Обнаружитель атакующих ракет (ОАР), Оптико-локационная станция ОЛС-35
Рисунок 140. Средство национального технического контроля испытаний стратегического вооружения в соответствии с международными Договорами.
4.8 ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Интерферометры - это измерительные приборы, действие которых основано на явлении интерференции.
Работа приборов построена на последовательном разложение пучка излучения (на два или большее количество когерентных пучков каждый из них проходит различные оптические пути) и последующим их сложением, в результате создаётся интерференционная картина, по которой можно установить смещение фаз пучков.
С помощью интерферометров производится измерение угловых размеров звезд и угловых расстояний между звездами, измерение показателей преломления газов и жидкостей, а также определение концентрации примесей в воздухе. Интерферометры используются для контроля качества оптических деталей и их поверхностей, для контроля чистоты обработки металлических поверхностей.
Так как в основе принципа работы интерферометров лежит явление интерференции света, начнём изучение данной группы приборов с изучения этого явления.
Интерференции света - перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.
Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627-1691 гг.) и Робертом Гуком (1635-1703 гг.). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773-1829 гг.), введя «Принцип суперпозиции», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803). Он также выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.
Рисунок 141. Опыт Юнга и Интерференция в тонкой плёнке.
Ещё один метод получения устойчивой интерференционной картины для света служит использование воздушных прослоек, основанное на одинаковой разности хода двух частей волны: одной - сразу отраженной от внутренней поверхности линзы и другой - прошедшей воздушную прослойку под ней и лишь затем отразившейся. Её можно получить, если положить плосковыпуклую линзу на стеклянную пластину выпуклостью вниз. При освещении линзы сверху монохроматическим светом образуется тёмное пятно в месте достаточно плотного соприкосновения линзы и пластинки, окружённое чередующимися тёмными и светлыми концентрическими кольцами разной интенсивности. Тёмные кольца соответствуют интерференционным минимумам, а светлые - максимумам, одновременно тёмные и светлые кольца являются изолиниями равной толщины воздушной прослойки. Измерив радиус светлого или тёмного кольца и определив его порядковый номер от центра, можно определить длину волны монохроматического света. Чем круче поверхность линзы, особенно ближе к краям, тем меньше расстояние между соседними светлыми или тёмными кольцами. Данная методика используется для контроля оптических деталей.
Рисунок 142. Кольца Ньютона
Разобрав явление интерференции, перейдём к рассмотрению схем построения интерферометров.
Интерферометр Майкельсона является одной из наиболее распространенных скелетных схем интерферометра, предназначенной для различных применений в случае, когда пространственное совмещение объектов, порождающих интерферирующие волны, невозможно или в силу каких-то причин нежелательно.
Рисунок 143. Интерферометр Майкельсона
Звездный интерферометр Майкельсона - интерферометр для измерения угловых размеров звёзд и углового расстояний между двойными звёздами. Если угловое расстояние между двумя звездами очень мало, в телескоп они видны как одна звезда. В таком случае говорят о двойных звездах и надо провести специальное наблюдение, чтобы отличить их от звезд одиночных. Для этого используется звездный интерферометр Майкельсона, который позволяет к тому же определить угловое расстояние между звездами.
Рисунок 143.Звёздный интерферометр Майкельсона
Лучи света, пришедшего от удаленной звезды, отражается от плоских зеркал M1 - M2, разнесенных на достаточно большое расстояние D, затем отражаются от двух других зеркал и собираются линзой на экране, помещенном в фокальной плоскости. Разнесенные на расстояние D зеркала можно рассматривать как точечные источники, расстояние между которыми и равно D. Вследствие этого в изображении звезды наблюдается интерференционная картина, аналогичная интерференции от двух щелей, расположенных на расстоянии D друг от друга. Угловое расстояние между соседними интерференционными максимумами в этой картине равно θ=λ/D, где λ – длина волны света. При наличии двух близких звёзд, находящихся на малом угловом расстоянии φ друг от друга, в телескопе образуются 2 интерференционные картины, которые также смещены на угол φ и накладываются друг на друга. В зависимости от соотношения углов θ и φ видимость полос суммарной картины будет различной. Изменяя расстояние D и, следовательно, изменяя угол θ, можно добиться совмещения максимумов одной интерференционной картины с минимумами другой, в результате чего видимость полос будет наихудшей. При этих условиях φ=½θ=λ/2D. Измерив D и зная λ, можно определить угловое расстояние между звёздами φ. Аналогично определяются угловые размеры одной звезды. Если звезду рассматривать как равномерно светящийся диск, то расчёт показывает, что исчезновение полос происходит при φ=1.22λ/D. Точность измерения звёздного интерферометра тем больше, чем больше база D. Построен звездный интерферометр, в котором D может достигать 18 м. что позволяет измерять угловое расстояние с точностью до 0,001". Для измерения угловых размеров очень слабых звёзд, свет от которых на уровне шумов, применяют метод корреляции интенсивностей.
Интерферометр Рождественского – это двухлучевой интерферометр, состоящий из 2-х зеркал M1 , M2 и двух параллельных полупрозрачных пластин P1 , P2; M1, P1 и M2, P2 устанавливаются попарно параллельно, но М1 и М2 наклонены относительно друг друга на малый угол; расстояние М1Р1 = М2Р2 и M1P2=P1M2. Луч света разделяется пластиной Р1 на 2 луча, которые после отражений от M1 , M2 и прохождения Р2 оказываются параллельными с разностью фаз
δ = (4πD/λ)(cos i1 - cos i2).
Рисунок 144. Интерферометр Рождественского
Поскольку δ не зависит от положения лучей на зеркалах и определяется лишь углами падения, интерференционная картина будет локализована на бесконечности (или в фокальной плоскости объектива О). Параллельному пучку лучей, падающих на Интерферометр Рождественского, соответствует одна точка интерференционно картины, и, следовательно, для наблюдения всей картины необходим пучок конечной апертуры. Вид картины (порядок и ширина полос, их ориентация) зависит от наклона зеркал M1 и M2. Если, например, ребро двугранного угла, образованного M1 и M2, вертикально (перпендикулярно чертежу), то даже при очень малой разности (i1-i2) полосы сравнительно высокого порядка (D велико) вертикальны и почти параллельны.Если же ребро двугранного угла горизонтально, то в поле зрении находятся горизонтальные полосы низкого порядка (в т.ч. нулевая), видные и в белом свете. Введение в один из пучков к.-л. прозрачного объекта, например пластинки, изменяет ширину, порядок и ориентацию полос: нулевая полоса не горизонтальна и появляется при некоторой промежуточной ориентации M1 и M2 ; при очень большой толщине этой пластинки в белом свете можно видеть только очень узкие, почти вертикальные полосы, когда ребро угла между M1 и M2 почти вертикально. Ширина полос зависит от угла между M1 и Р1, увеличиваясь с его уменьшением. Если все зеркала и пластины параллельны, то в отсутствие неоднородностей ширина полос бесконечна (интерференционное поле равномерно освещено).
Интерферометр Жамена (интерференционный рефрактометр) - интерферометр для измерения показателей преломления газов и жидкостей, а также для определения концентрации примесей в воздухе.
Интерферометр Жамена состоит из двух одинаковых толстых плоскопараллельных пластинок из стекла(или кварца), установленных почти параллельно друг другу. Пучок света падает на первую пластинку под углом i, близким к 45°. Каждый луч пучка после отражения на поверхностях пластинки делится на 2 когерентных луча S1 и S2 , идущих на некотором расстоянии друг от друга, зависящем от толщины пластинок d. Далее на второй пластинке каждый из них аналогичным образом разделяется на два луча. В результате от второй пластинки идут 4 параллельных когерентных луча S1’, S1”, S2’, S2”; Средние пучки S1” И S2’ налагаются и образуют интерференционную картину в фокальной плоскости объектива О1.
Рисунок 145. Схема интерферометра Жамена: ОО – ось вращения компенсаторных пластинок; L – лимб поворота компенсатора; О1 и О2 – объектив и окуляр зрительной трубы.
Разность хода между ними равна
где n п - показатель преломления пластинок.
φ - угол междуними.
При (φ ≈ 5′ - 15′ ∆ мала, поэтому при использовании источника белого света наблюдаются только интерференционные полосы низкою порядка, которые имеют форму прямых линий с белой ахроматической полосой в центре, окружённой системой окрашенных полос.).
Сравнительно большое расстояние между лучами S1 и S2 , позволяет установить на их пути две кюветы К1 и К2 одинаковой длины l с исследуемыми веществами, показатели преломления которых n1 и п2. Возникающая разность хода, что вызовет смещение интерференционной картины.
∆ = (n2-n1)l = δnl
С помощью Интерферометра Жамена проводят количественный анализ газовых смесей - определяют концентрацию некоторых газообразных примесей, например метана и СО2 , в воздухе шахт (т. к. n зависит от природы газа).
Интерферометр Физо- один из простейших интерферометров применяемый главным образом для контроля точности изготовления плоских поверхностей оптич. деталей.
Свет от монохроматического источника L с помощью конденсора O1 диафрагмы D и объектива О2 направляется параллельным пучком на эталонную Э и контролируемую К пластинки (положенные одна на другую) почти перпендикулярно к их поверхностям. При этом строго плоская эталонная и контролируемая поверхности пластинок образуют между собой небольшой угол a. С помощью полупрозрачной пластинки П в отражённом свете наблюдаются интерференционные полосы равной толщины,которыерые локализованы в области воздушного клина между контролируемой и эталонной поверхностями.
Рисунок 146. Интерферометр Физо; а - Вид дефектов сверху на контролируемой пластинке; б - Сечение эталонной и контрольной пластинок. Сечение по линии А-А (угол a и размеры дефектов для наглядности сильно увеличены); в - Вид интерференционной картины полос равной толщины в интерферометре Физо.
Положения этих полос определяются из условия: D=2dn+l/2=ml=const (при п~1), где d - толщина воздушного клина. Если контролируемая поверхность идеально плоская, то полосы равного наклона имеют форму прямых эквидистантных линий, параллельных ребру клина (d=const), расстояние между к-рыми равно z=l/2a (рис. 2, в) (при a=10"" и l~0,5 мкм, z=5 мм). Если же на контролируемой поверхности имеются к--л. дефекты, например, небольшие углубления или выступы, как на рисунке или она не строго плоская, то в области расположения этих дефектов наблюдаются отклонения dz от прямолинейности. При этом относит, величина отклонения dz/z связана с высотой или глубиной дефекта dh соотношением dh=(l/2)dz/z.
Невооружённый глаз может оценить величину dz/z~0,l, что соответствует величине обнаруженного дефекта dh=l/20 (при l=0,633 мкм, dh=0,031 мкм). Знак отклонения позволяет отличить тип дефекта: углубление или выступ. Если контролируемая поверхность имеет форму сферы, то интерференционные полосы имеют форму концентрических окружностей (см. Ньютона кольца). В интерферометре Физо поверхности контролируемой и эталонной пластинок из-за малости угла (угл. секунды) почти полностью соприкасаются друг с другом и в процессе юстировки могут быть повреждены. Поэтому для контроля поверхностей часто используются бесконтактные интерферометры, построенные по схеме интерферометра Майкельсона.
Рисунок 147. Интерферометр Физо конструкции Романова предназначен для бесконтактного измерения формы плоских полированных поверхностей и зеркал. Программное обеспечение предназначено для обработки интерференционных картин с дополнительно введёнными наклонами.
Литература.
- Д. Н. Черкасова, А. В. Бахолдин / «Оптические офтальмологические приборы и системы Часть I»/ Санкт-Петербург 2010.
- Лукин С.Б. / «КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ ОЭС» / СПбГУ ИТМО 2004г.
- Латыев С.М./ « Конструирование точных (оптических) приборов»/ Электронный учебник по дисциплине: "Основы конструирования оптических приборов". СПбГУ ИТМО
- А.Л. Андреев / «Автоматизированные телевизионные системы наблюдения» / СПбГУ ИТМО
- Митрофанов С.С / «Теоретические и физические основы устройства ОП»/ Электронный учебник по дисциплине: "Прикладная оптика". СПбГУ ИТМО, кафедра КиПОП
- http://biggest.su/samyj-bolshoj-teleskop/
7. В. Самохин, Н. Терехова/ «Видеопроекция сегодня и завтра»
8. М.А. Кустикова, М.Н. Мешалкина, В.Л. Мусяков, А.Н. Тимофеев/ «Методические указания к лабораторным работам по разделу «ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ» курса «ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ»
10. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/OPTIKA.html?page=4,6
11. .Захарьевский А.Н. «Интерферометры» 1952.
12. М.М. Мирошников / «Теоретические основы ОЭП»/ «Машиностроение « 1977г.
13. М.М. Русинов / «Габаритные расчёты оптических систем» Москва 1963
14. Г.Г. Ишанин, М. Г. Козлов, К.А. Томский / «Основы светотехники»/ СПб 2004г
Сегодня для исследований атмосферы Земли, ее газового состава, перемещения воздушных масс применяются все новые и новые технологии. Одна из них - лидары наземного, воздушного, космического базирования.
Лида́р (транслитерация LIDAR англ. LIght Detection and Ranging ) - 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. 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. 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.
Опыт западных стран свидетельствует об успешном использовании этой не так давно сугубо военной технологии в задачах экологического мониторинга, управления воздушным движением и т.п.
В 60-70-е годы лидары, – лазерные локаторы, работающие в видимом или ближнем ИК-диапазонах волн, – в основном использовались в военной технике. Cегодня они с успехом применяются для решения многих задач, например для мониторинга состояния атмосферы, измерения скорости ветра и т.п. Установленные в районах аэропортов, лидары измеряют ветровые сдвиги на летном поле, завихренность следа самолета и другие атмосферные параметры, знать которые необходимо для обеспечения безопасности взлета и посадки. Хорошие результаты дает применение таких систем для измерения дальности, доплеровской скорости и при формировании изображений объектов, находящихся на летном поле. Так, один из лидаров, выпущенных германской фирмой DLR, установлен в аэропорту Франкфурта между двумя взлетно-посадочными полосами, расположенными близко друг к другу. Он измеряет скорость воздушных вихревых следов от двигателей самолета, приближающегося к одной посадочной полосе, а также перемещения воздуха над другой полосой, вызванного его приближением. Такая информация использовалась службой управления воздушным движением для обеспечения безопасной посадки самолетов по двум полосам. По всей территории Англии установлен компактный робастный лазерный измеритель доплеровской скорости с коническим сканированием, разработанный британской фирмой DRA Malvern. Информация о скорости ветра, получаемая с помощью этих устройств, существенно дополняет данные метеозондов. В 1994-1995 годах в аэропорту Хитроу (Лондон) проходил испытания лазерный измеритель скорости. В числе прочих задач он должен был определять вихревые следы от двигателя самолета и их распространение ветром по летному полю на высоте 30-150 метров. Интересно отметить, что в ходе испытаний был обнаружен неожиданный эффект - возвращение воздушного вихря почти с исходной мощностью в область глиссады примерно через 70 секунд после прохода самолета. Импульсный когерентный лидар на углекислом газе французской фирмы Laboratoire de Meteorologie Dynamique (LMD) применяется для измерения параметров атмосферы и скорости ветра. Дальность действия прибора в горизонтальном направлении - около 12 километров, в вертикальном – вплоть до тропопаузы. Основой аппаратуры лидара служит импульсный СО2-лазер с поперечной накачкой, одномодовым излучением и длиной волны 10,6 мкм. Для расширения луча используется 17-см телескоп Кассегрена со смещенной осью. Управление лучом осуществляется с помощью двухзеркального сканера. Отраженный сигнал собирается тем же телескопом и преобразуется гетеродином. Сдвиг частоты составляет 30 МГц. Принимаемый сигнал оцифровывается восьмиразрядным осциллоскопом с частотой выборки 100 МГц. Для хранения данных используется компьютер. Высокую точность при измерении малых доплеровских сдвигов частоты обеспечивает разработанный в Лаборатории атмосферных исследований НАСА доплеровский лидар, использующий краевой эффект. В устройстве частота излучения лазера выбирается на границе полосы пропускания оптического фильтра с высоким спектральным разрешением. При этом небольшие сдвиги частоты значительно изменяют амплитуду измеряемого сигнала. Доплеровские смещения частоты сигнала, вызванные ветровыми перемещениями, определяются по разности частоты излучения и частоты принимаемого сигнала, отраженного от атмосферы. В лидаре использован импульсный твердотельный лазер на алюмоиттриевом гранате, легированном неодимом (Nd:YAG-лазер). Длина волны излучения - 1064 нм, длительность импульса - 15 нс, ширина полосы - 40 МГц. Отраженные сигналы собираются телескопом диаметром 0,4 м с полем зрения 0,2 мрад. Сканирующая оптика позволяет направлять луч в секторе от 30 до 120о по углу места и от 0 до 360о - по азимуту. Лидарная установка прошла натурные испытания, в ходе которых измерялись ветровые сдвиги на высотах от 200 до 2000 метров. Интервал измерений по вертикали составлял 22-26 метров. Результаты измерений скорости ветра сопоставлялись с данными метеозондов. Расхождение не превысило 1 м/c, а разброс результатов при 10 измерениях оказался менее 0,4 м/с. Специалисты Лаборатории атмосферных исследований отмечают, что столь высокая точность измерений предоставляет уникальные возможности для изучения турбулентных процессов в нижних слоях атмосферы. Помимо научных исследований прибор можно с успехом применять для высокоточных измерений ветровых сдвигов и микротурбулентностей в районе аэропортов. В последние годы растет интерес ученых к изучению газового состава атмосферы Земли. Их внимание особенно привлекает озон как наиболее важный химически активный газ. Озон, находящийся в стратосфере, защищает биосферу Земли от вредного влияния ультрафиолетового излучения Солнца. В то же время большие концентрации озона в тропосфере способствуют развитию парникового эффекта и образованию фотохимического смога, что отрицательно воздействует на животный и растительный мир планеты, а также на здоровье людей. Как показывают наблюдения, с начала 70-х годов каждые 10 лет концентрация озона в тропосфере увеличивается примерно на 10% и на столько же снижается в нижних слоях стратосферы. Это говорит о крайней важности тщательного исследования данных процессов. Высокую точность измерения концентрации озона в тропосфере обеспечивают лидары дифференциального поглощения - наземные или размещаемые на самолетах. Они зондируют пространство с помощью двух лучей на разных частотах, по-разному поглощаемых озоном. Концентрацию озона в пространстве вычисляют по разнице амплитуд двух разнесенных по времени отраженных сигналов, которые собираются одним или несколькими телескопами. В таких лидарах особенно важно правильно выбрать частоты излучения, которые, кроме различного поглощения в озоне, должны иметь минимальное молекулярное и партикулярное поглощение. Наземный лидар дифференциального поглощения с диапазоном сканирования частоты излучения лазера от 286 до 292 нм создан специалистами Национальной лаборатории океанических и атмосферных исследований и Института изучения окружающей среды (США, шт.Колорадо). Поскольку на характеристики излучения влияет состояние атмосферы, в частности облачность, лидар установили на высоте 2,7 километра над уровнем моря. В состав установки включены два идентичных лазера на красителе, накачка производится от Nd:YAG-лазера. Лазеры возбуждаются последовательно с интервалом 400 мкс. Сигналы детектируются двумя автономными системами, оптимизироваными для приема сигналов с разных высот, и после обработки в специальных фильтрах поступают на фотоэлектронные умножители. Во время испытаний лидар работал непрерывно более суток, при этом отклонение длины волны излучения не превысило 0,01 нм. Исследования проводились на высотах от четырех километров над уровнем моря до уровня нижней стратосферы (примерно 12 километров). Шаг измерений по высоте составлял менее километра. Точность определения концентрации озона в тропосфере при ясной погоде для данной установки оказалась не хуже 10%. Лидар находится в эксплуатации с 1993 года. В последнее время лидарные установки все чаще устанавливают на самолетах для обнаружения ветровых потоков и измерения их скорости, определения истинной воздушной скорости летательного аппарата и других параметров. Кроме того, бортовые лидары используют в системах отслеживания рельефа местности и предупреждения о препятствиях. Одной из первых лазерных систем самолетного базирования стала система измерения истинной воздушной скорости LATAS (Laser True Airspeed System) производства английской фирмы Royal Signals and Radar Establishment (RSRE). В модернизированном варианте эта система применяется и сегодня. LATAS размещается в носовой части самолета. В ее состав входит лазер на углекислом газе с выходной мощностью 4 Вт, поляризационная оптика на четверть- и полуволновых пластинах, а также детектор на теллуриде кадмия и ртути с полосой 100 МГц. Для измерения воздушной скорости лидар фокусируют на расстояние 30-100 м перед носовой частью самолета, для измерения ветрового сдвига – на 250-300 м. Точность измерения скорости - 0,2 м/с. На многих воздушных судах, в частности на транспортных самолетах “Каравелла” , истребителях “Mираж”, вертолетах “Пума”, установлен доплеровский лидар Crouzet производства французской фирмы Crouzet SA. В его основе - СО2-лазер, излучающий непрерывный сигнал с выходной мощностью 3 Вт, диодный детектор с шириной полосы 200 МГц, выполненный на теллуриде кадмия и ртути, поляризационная волновая пластина и пластина Брюстера. Частота гетеродина задается при двойном прохождении луча через ячейку Брэгга. В системе использован телескоп Далла-Кирхама с эффективной апертурой 7,5 см. Принимаемые сигналы обрабатываются спектр-анализатором на ПАВ. Интервал измерения доплеровских скоростей составляет –25 ...+400 м/с, а дальность измерения - 10-100 м. Общий вес системы Crouzet - около 250 кг. По заказу правительств Франции и Великобритании консорциум фирм Dassault Electronique (Франция) и GEC Marconi (Великобритания) разрабатывает когерентный лазерный авиационный локатор CLARA (Coherent Laser Airborn Radar), работающий в диапазоне 10 мкм. Система предназначена для предупреждения о препятствиях, отслеживания рельефа местности, а также измерения воздушной скорости самолета и наведения на цель. Аппаратура, включающая СО2-лазер, сканер, процессор обработки сигналов и данных, размещается в контейнере под фюзеляжем. Обнаружение, классификация и отображение объектов производятся в реальном времени. Система CLARA проходила испытания на борту самолетов A6-E, HS748 и “Торнадо”. Доплеровский лидар для измерения скорости ветра WIND (Wind Infrared Doppler Lidar) разрабатывают французские фирмы CNRS и CNES и в сотрудничестве с германской DLR. В основе системы - лазер на углекислом газе с поперечной накачкой, формирующий одномодовое излучение. Лазер имеет выходную согласующую оптику с Гауссовой отражательной способностью, что позволяет выделить полезный сигнал на фоне поперечных мод высокого порядка, а также на фоне эхо-сигналов от целей с большой отражательной способностью. В системе использован телескоп Далла-Кирхама со смещенной осью (диаметр свободной апертуры - 20 см, коэффициент расширения апертуры - 15). Фокусное расстояние регулируется от 200 м до предельного значения. Летные испытания лидара проходили на борту самолета Falcon 20 (рис. 1). Во время испытаний производилось коническое сканирование в секторе 30о от надира. Период сканирования - 20 или 30 сек, частота повторения импульсов лазера - 4 или 10 Гц. Хорошие характеристики были получены при средней энергии излучения 360 мДж и частоте повторения 4 Гц. Успешно прошла испытания бортовая лидарная установка, разработанная специалистами Лаборатории им. братьев Райт ВВС США. Система предназначена для трехмерного измерения распределения скорости ветра по высоте (ветрового профиля) в реальном времени. Такие сведения важны для повышения точности десантирования и сбрасывания груза с самолета, увеличения вероятности поражения цели при ракетных и артиллерийских стрельбах. Сигнал, излучаемый лазером, отражается от перемещающихся по ветру частиц пыли и воздушных аэрозолей. Скорость ветра определяется путем измерения доплеровских сдвигов сигналов, отраженных от этих частиц. Сканирование лазерного луча - коническое, что позволяет производить измерения в различных направлениях. Размещение лидара в грузовом отсеке самолета показано на рис.2. Измерение ветрового профиля с помощью этой системы позволило повысить точность приземления при десантировании в 2-10 раз. Широкие возможности для изучения атмосферы Земли, проведения различных метеорологических и климатологических исследований открывают лидары космического базирования. Больших успехов в этой области достигли специалисты исследовательского центра Longley (НАСА). Они создали немало наземных и авиационных лидарных систем для изучения атмосферных аэрозолей и водяных паров, облаков, озоновых дыр. В частности, в рамках программы LITE (Lidar In-Space Technology Experiment) разработана первая в мире лидарная установка для изучения Земли из космоса. С помощью установки LITE изучалась структура облаков, процессы образования облачности, находящиеся в атмосфере аэрозоли, в том числе антропогенного происхождения, определялась высота приземного слоя атмосферы, измерялось горизонтальное распределение температуры и плотности воздушных слоев на высотах от 25 до 40 км, анализировались процессы отражения лазерного излучения от земной и морской поверхностей. LITE имеет традиционную конструкцию лидара прямого обнаружения: передающий лазерный блок, блок оптической юстировки и приемный блок. Передатчиком служит Nd:YAG-лазер с накачкой лампой-вспышкой. Для резервирования в передающем блоке установлены два идентичных квантовых генератора, из которых в рабочем состоянии находится только один. Передатчик одновременно формирует гармоники излучения с длиной волны 1064, 532 и 355 нм. Излучаемая мощность на этих частотах составляет 470, 560 и 160 мДж, соответствено. Блок оптической юстировки содержит поворотную призму для поддержания оптической центровки выходного лазерного луча и угла зрения приемника. В составе приемного блока - телескоп диаметром 1 м, оптические устройства передачи сигнала и электронные устройства предварительной обработки. Для разделения принимаемого сигнала на три частотные составляющие используется дихроичный расщепитель. В каналах обработки сигналов длин волн 532 и 355 нм установлен ударопрочный фотоэлектронный умножитель, для сигналов 1064-нм диапазона используется кремниевый лавинный фотодиод. В устройстве предусмотрены также узкополосные интерференционные фильтры и апертурный диск, которые служат для реконфигурации приборов при работе в дневное и ночное время. Размер дневной апертуры составляет 1,1 мрад, ночной – 3,5 мрад. После прохождения фотоприемников и фильтров сигналы поступают в электронный усилитель и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Ширина полосы усилителя - 2,1 МГц. АЦП - 12-разрядный, с тактовой частотой 10 МГц. Период стробирования данных - 550 мкс. Электронные устройства обработки включают также резисторную схему, установленную после первого каскада усиления. Схема обеспечивает подавление сигнала в пределах 0-63 дБ. Благодаря этому сильный сигнал, отраженный от плотных облаков или поверхности Земли, не выходит за рамки динамического диапазона 12-разрядных АЦП. Основные вычислительные операции производит быстродействущий сигнальный процессор. Масса аппаратуры составляет 990 кг. Потребляемая мощность в рабочем состоянии - 3,1 кВт, в резервном - 560 Вт. Мощность излучения лазера и расходимость луча выбираются таким образом, чтобы интенсивность лазерного пучка на поверхности Земли была значительно ниже принятых санитарных норм. Cобранные космическим лидаром LITE данные передавались на Землю двумя потоками: с низкой (~20,8 кбит/с) и высокой (~2 Мбит/с) скоростью передачи. Первый поток транслировался через систему связи S-диапазона, второй - через систему телеметрической связи. По мнению специалистов, испытания лидаров LITE в космических условиях прошли успешно. В ходе эксперимента собран большой объем высокоточной информации, на основании которой сформирована общедоступная база данных о состоянии атмосферы. Эксперимент подтвердил возможность применения лидаров в длительных орбитальных полетах. Ожидается, что новые разработки лазеров с диодной накачкой позволят снизить потребляемую мощность, что даст возможность устанавливать лидары на небольших спутниках.
Лазерные лидарные комплексы (ЛЛК) также предназначены для оперативного дистанционного контроля биологической и химической обстановки. Комплексы осуществляют наблюдение за аномальными изменениями атмосферы, обусловленными наличием в ней аэрозолей, а также определение параметров перемещения облаков. Комплексы являются автоматизированной дистанционной системой оперативного контроля экологической обстановки промышленных центров и способны быстро, в автоматическом режиме обнаруживать аварии и обеспечивать информационную поддержку действий аварийно-спасательных служб.
Проблема мониторинга техногенного загрязнения окружающей среды и особенно атмосферного воздуха является в настоящее время чрезвычайно актуальной как в экологическом аспекте, так и в связи с современными проблемами общественной безопасности. Технологии лазерного дистанционного зондирования атмосферной среды дают возможность устранить недостатки и ограничения, присущие традиционным методам локального мониторинга: низкая информативность, трудность обеспечения широкой зоны покрытия, большое время развертывания сетей локальных датчиков и т.п. Особенно эффективным представляется применение мобильных многофункциональных комплексов дистанционного лазерного зондирования – мобильных лидаров. Создание малогабаритного мобильного лидарного комплекса для мониторинга и прогнозирования экологической обстановки над критически важными (опасными) объектами и в районах вероятных террористических атак позволит:
определять концентрации широкого спектра веществ на расстояниях до 8 км;
в режиме реального времени отображать на карте местности районы загрязнения и количественные характеристики масштаба заражения;
определять распространение ядовитого облака;
прогнозировать развитее ситуации над критическими объектами;
контролировать содержание опасных веществ атмосфере и оповещать сигналом тревоги в случае превышения ПДК или обнаружения выбросов на контролируемых объектах или территории.
Сканирование сектора ответственности может осуществляться в различных временных режимах: непрерывном, периодическом и по требованию оператора (дежурного). Лазерный анализ позволяет определить в течение нескольких минут факт аномального выброса, вид вещества, интенсивность и направление его распространения. Среди типовых аварийно – химических опасных веществ (АХОВ) можно выделить следующий перечень загрязнителей, заражение которыми представляет интерес на большинстве территорий, требующих усиленного контроля:
Аммиак - NH 4
Диоксид серы - SO 2
Диоксид азота - NO 2
Соляная кислота - HCl
Продукты нефтепереработки.
Помимо указанных выше веществ существуют угрозы аварий на специфических объектах по производству, хранению и утилизации особо опасных химических веществ, а также СДЯВ и ОВ.
Использование высокочувствительных и разработанных лидарных методов зондирования атмосферы на наличие опасных веществ, таких как дифференциальное поглощение (DIAL) и дифференциальное рассеяние (DISC) позволяет измерять величины концентраций на уровнях ПДК рабочих и жилых зон. Для проведения комплексного анализа и прогноза экологической ситуации необходимо, чтобы все полученные данные были согласованы в пространстве, как по размерам зон покрытия, так и по пространственному разрешению, синхронизированы во времени и имели единый формат.
Нештатная экологическая ситуация или террористический акт сопровождается характерным аэрозольным выбросом. Аэрозольный лидар, построенный на основе безопасного для глаз Er - лазера или Nd:YAG - лазера, определяет наличие атмосферного аэрозоля и измеряет его концентрацию, строит пространственное распределение в реальном времени и анализирует его физическую природу. Для этого аэрозольный Ми-лидар и поляризационный лидар объединены в единый функциональный узел.
Лидар дифференциального поглощения видимого и ближнего ИК-диапазона на основе двухканального перестраиваемого импульсного лазера на сапфире с титаном дистанционно измеряет распределение концентрации окислов азота, серы и широкого набора неорганических загрязнителей воздушной среды на уровне ПДК.
Многоспектральный лидар дифференциального поглощения дальнего ИК-диапазона на основе перестраиваемого импульсного СО 2 -TEA лазера измеряет поле концентраций широкого класса органических веществ, а также озона.
Объединение аэрозольного и флуоресцентного лидара, а также лидаров дифференциального поглощения видимого, УФ, ближнего и дальнего ИК-диапазонов на единой платформе увеличивает габариты системы до контейнера, способного разместиться на носителе с грузоподъемностью несколько тонн. Поэтому целесообразно разделить возлагаемые на комплекс задачи следующим образом:
1. Детектирование аэрозольных выбросов и слежение за динамикой (аэрозольный лидар);
2. Детектирование аэрозольных выбросов и идентификация неорганических АХОВ (аэрозольный лидар, коротковолновый ДИАЛ);
3. Детектирование аэрозольных выбросов и идентификация органических АХОВ и ОВ (аэрозольный лидар, длинноволновый ДИАЛ или пассивный ИК- спектрометр).
Дополнительная информация. Состав и технические характеристики предлагаемых вариантов:
1. Детектирование аэрозольных составляющих выброса можно определить с помощью одного лазера. Лазер для аэрозольного канала может быть построен на базе безопасного для глаз эрбиевого волоконного излучателя с длиной волны 1,55 мкм или лазера на неодимовом стекле 1,064 мкм. Высокая частота следования импульсов позволяет производить сканирование с высокой угловой скоростью без потери углового разрешения, а короткие лазерные импульсы обеспечивают высокое пространственное разрешение.
Основные ТТХ комплекса
|
Параметр |
Значение |
|
не менее 5 км |
|
|
не более 0,5 м |
|
|
Углы обзора |
|
|
0,5 – 11 мкм |
|
|
1,55 (1,064) мкм |
|
|
не более 130 с |
|
|
Энергия импульса |
|
|
Длительность импульса |
|
|
Частота следования импульсов |
|
|
Диаметр приёмо-передающего телескопа |
|
|
Вес системы |
Менее 1 т. |
)* - с автоматическим сканированием)** в зависимости от шага сканера и выбранного сектора обзора
Состав оборудования:
Поворотная платформа (одно или двухзеркальный сканер)
Система термостабилизации отсеков комплекса
Аппаратура проводной и беспроводной передачи данных
Бортовой компьютер
Лазерный излучатель аэрозольного лидара
Система синхронизации подсистем комплекса
Приемо-передающий телескоп
Приемники излучения
Аналоговый электронный блок управления и диагностики
Цифровой электронный блок обработки данных
Система автономного электропитания
Система видео наблюдения
2. Детектирование аэрозольных составляющих выброса с возможностью идентификации неорганических АХОВ подразумевает использование наряду с аэрозольным лидаром лидара дифференциального поглощения в УФ, видимом и ближнем ИК-диапазоне. Линии поглощения основных АХОВ лежат в диапазоне перестройки лазера на титан сапфире, так для SO 2 это – 300,05 нм (On) и 299,51 нм (Off), для NO 2 – 448,25 нм (on) 446,83 нм (off).
Основные ТТХ комплекса
|
Параметр |
Значение |
|
Максимальная дальность измерений в режиме сканирования |
не менее 8 км |
|
Максимальная дальность измерений в режиме измерения |
не менее 3 км |
|
Минимальная дальность измерений в режиме сканирования |
не более 0,5 м |
|
Углы обзора |
|
|
Вертикальное направление (угол места)* |
|
|
Горизонтальное направление (азимут)* |
|
|
Размер детектируемых аэрозолей |
0,5 – 11 мкм |
|
Длина волны в режиме аэрозольного сканирования |
1,55 (1,064) мкм |
|
Время сканирования выбранного сектора ** |
не более 130 с |
|
Пространственное разрешение в режиме сканирования |
|
|
Энергия импульса |
1 – 2 мДж (1,55 мкм) 100 мДж (1,064 мкм) |
|
Длительность импульса |
|
|
Частота следования импульсов |
|
|
Ti:Sph лазер (2 шт.) |
|
|
Диапазон длин волн |
350 – 480 нм 230 – 310 нм |
|
Частота следования импульсов |
|
|
Энергия импульса L=450 нм L=300 нм |
25 мДж 6 мДж |
|
Вес системы |
Почти все полицейские силы мира (в т.ч. и ГАИ) используют радары для измерения скорости, принуждения выполнения скоростного режима и пополнения казны. С момента разработки этих устройств, за ними неотступно следуют антирадары. К несчастью, у полиции есть два туза — они могут выбирать время и место для своих <отстрелов> (и повышают их убойную силу, выбирая места, опасные или нет, где большинство нормальных людей ездит быстро) и объявлять нелегальными наиболее эффективные контрмеры, такие как наведение помех и использование антирадаров. Радар посылает пульсирующий или непрерывный сигнал радиочастоты и слушает отражение этого сигнала. Когда импульс достигает движущегося объекта, его частота изменяется в соответствие со скоростью и направлением движения (эффект Допплера). Также появились новые системы, использующие лазерное излучение для определения скорости. Существует три основных частотных диапазона, в которых работают полицейские радары, обычно называемые X-диапазон (11 ГГц), K-диапазон (24 ГГц) и Ka-диапазон (32-36 ГГц). Все радар-детекторы слушают эти частоты и пищат, чирикают и моргают, когда обнаруживают сигнал. Повышение чувствительности антирадара позволяет раньше обнаруживает радар. К сожалению, эти частоты используются также различными полезными устройствами, такими как системы автоматического открывания дверей гаража, охранными системами, а также присутствуют в излучении линий электропередач. Отсюда растет вторая сторона проблемы — антирадары, которые ловят все подряд и чаще врут, чем предупреждают. Лидар (Lidar, лазерный радар) — новый врагЛидар, в отличие от обычного радара, использует лазерное излучение (длина вольны около 900нм) для определения скорости автомобиля. Он через некоторые промежутки времени измеряет расстояние от устройства до цели, и его изменению вычисляет скорость. Поскольку измеряется расстояние очень важно, чтобы лидар был установлен стабильно и капитально для получения правильных значений, и обычная цель (автомобиль) в этом случае превращается в набор поверхностей, которые являются хорошими отражателями. Это очень важно, поскольку устройство использует отражение лазерного луча от цели для измерения расстояния. С точки зрения водителя, основное отличие от радара состоит в сложности обнаружения. Размер пятна луча составляет около 4 футов на расстоянии в полмили (120см на 800м), и оно очень мало для захвата детектором. Кроме того, все устройства этого класса автоматически отключают излучатель после произведения замера, а не работают непрерывно, как большинство радаров.
Фоторадар — простейший способ собирать деньгиОчередной виток в войне радаров и антирадаров — фоторадар, при обнаружении которым вы узнаете об этом только по получении квитанции на штраф. Он имеет маломощный радар той или иной конструкции для определения скорости и фотографирует автомобиль, движущийся с превышением скорости (вплоть до номеров и лица за рулем). Спорить бесполезно — машина не врет. Некоторые фоторадары оборудованы устройством поворота, позволяющем сканировать некоторый участок дороги, что еще более затрудняет их обнаружение и уменьшает вероятность ошибки. Радар, определяющий скорость, весьма маломощный, его радиус действия обычно не превышает 30-50м, что также затрудняет его обнаружение, особенно если он загораживается постройками или другими автомобилями. Используется несколько типов подобных устройств:
Vascar (Visual Average Speed Computer and Recorder)Это не радарная система. Суть в том, что есть две отметки на дороге. В момент пересечения первой включается таймер, в момент пересечения второй — выключается. Расстояние между отметками — фиксированное. Скорость вычисляется. Единственная контрмера — внимательность.
КонтрмерыНаведение помех (Radar jamming)Со времен противостояния электронные контрмеры стали весьма популярны. Если пропустить рассуждения на тему законности использования таких устройств и перейти к технической стороне вопроса, что дает наведение помех? Существуют шумелки (джаммеры) двух типов — активные и пассивные. Пассивные принимают сигнал радара, зашумляют его и передают обратно _без_усиления_. Основная проблема этого метода видна, если сравнить площадь антенны устройства (около 1 кв.дюйма) с фронтальной площадью автомобиля. Любой сигнал шумелки будет подавлен сигналом от остальной части автомобиля и благополучно отфильтрован системой шумоподавления радара. Исследования подобных устройств показали их весьма низкую эффективность (см. оригинальный текст, там есть ссылки). Гораздо более эффективные (а следовательно и более незаконные) — активные шумелки. В этом случае устройство посылает мощный сигнал, подавляющий отраженный автомобилем. Как пример — VCDD Stealth, цена около 700 USD (в Новой Зеландии). Состоит из низкокачественного широкополосного детектора излучения, по сигналу которого включается излучатель на той же частоте. По мнению журналов Car & Drivers и NZ Autonews, существуют несколько серьезных проблем при использовании данного устройства:
Прятки (Stealth)Лучший способ спрятаться от радара — обклеить автомобиль материалом, используемым на знаменитых самолетах-невидимках, однако есть некоторые трудности с его наличием в продаже. Поэтому, для начала, следует обратить внимание на фронтальный профиль автомобиля. Очевидно, что автомобиль с низким профилем, мотором сзади и закрытыми подъемными фарами (Mazda RX7), отражает сигнал в обратном направлении гораздо хуже, нежели минивэн или трейлер. Вообще, автомобиль с низким лобовым сопротивлением, теоретически отражает сигнал куда угодно, только не в обратном направлении, а с учетом использования в современных автомобилях пластмасс и т.п. профиль для отражения сигнала радара еще более уменьшается. Однако, информации о каких-либо формальных исследованиях на эту тему нет. Наведение помех на лидары (Lidar jamming)В отличие от радара, лазерное излучение — это свет, и в этом смысле его подавление проще и более легально. Car & Driver magazine (апрель 1994) поместил неплохую заметочку, в которой, в частности, говорилось о том, что использование пары мощных противотуманок позволяет уменьшить расстояние действия лидарного спидометра в два раза, что при наличии детектора дает несколько дополнительных секунд. Robert Weverka и Craig Peterson в своей статье (Autotronics, март 1995, стр. 36) утверждают, что это не работает, однако не объясняют, почему C&D получили положительные результаты. Прятки от лидаров (Lidar stealth)Лидар работает на принципе отражения светового (лазерного) луча от поверхности цели, поэтому лучший способ скрыться от него — иметь автомобиль с низким профилем, черного цвета, без хромированных деталей и покрытый грязью. Неплохо, также иметь покрытие (чехлы?) на большие блестящие поверхности для подавления отражения. Тестов на эту тему не попадалось. ДетекторыДетекторы радаров по сути — радиоприемник, который моргает, пищит или чирикает когда принимает сигнал частоты, на которой работают радары. Не считая разных лампочек, основное различие между детекторами — чувствительность и подавление случайных срабатываний. В большинстве случаев — это взаимоисключающие параметры. Общественное мнение и обзорыПроизводители детекторов постоянно предлагают новые модели. Цена не всегда определяет качество. Некоторые дешевые модели показывают неплохие результаты. С другой стороны некоторые дорогие имеют откровенные провалы в определенных диапазонах. На что обращать вниманиеПри покупке, кроме цены смотрите на:
Где устанавливатьОбычно, лучшее место для установки детектора вверху лобового стекла, рядом с зеркалом. Это позволяет увеличить дальность действия и обеспечивает хороший <обзор> дороги. Исключение составляют автомобили, имеющие солнцезащитную металлизированную полоску по лобовому стеклу, которая блокирует работу детектора. Детекторы детекторовВ некоторых странах, где запрещено использование детекторов, используются детекторы радар-детекторов (например, VG2 в Канаде). Их принцип работы основан на улавливании частоты, используемой в супергетеродинах приемников детекторов. Многие производители детекторов учитывают эту тонкость, и выпускают <невидимые> детекторы, такие как модели Bel и Valentine One, а Whistler выпускает подели оснащенные детекторами детекторов. Важно отметить, что ни одна из систем не является эффективной на 100 процентов. Кроме того, периодически появляются новые разновидности радаров, разработанные с использованием последних технологий и существующие антирадары становятся неэффективными. На данный момент существует единственный действенный способ избежать штрафов за превышение скорости – не лихачить! Вам необходимо документировать обстоятельства ночной аварии на дороге? Проектируете ирригационные системы в засушливых районах? Или изучаете возможные археологические памятники, скрытые лесом или другими деталями? Традиционные методы 3D-съемки и получения геопространственных данных затратны по времени и денежным средствам. Но теперь есть более эффективные и быстрые решения для таких целей. LiDAR (Light Detection and Ranging) - это технология дистанционного зондирования, которая использует быстрые лазерные импульсы, чтобы создать модель рельефа. LiDAR отлично подходит, когда необходимо создать цифровые отображения поверхности земли с высоким разрешением для различных целей. В прошлом организации были вынуждены использовать в каждом случае отдельные системы со своими особенностями.
Теперь у них есть возможность пользоваться системой LiDAR, которую устанавливают на беспилотники, чтобы получилось единое устройство для 3D-картографирования. Систему ScanLook LiDAR серии А устанавливают на летающую платформу DJI Matrice 600, что позволяет получить для работы эффективное, универсальное и точное решение для 3D-зондирования на основе беспилотных технологий. Примеры практического применения связки LiDAR и дроновМоделирование ландшафтаПростейший пример, когда новые технологии могут существенно облегчить и сделать еще эффективнее работу - уборка мусора и грязи. Известно, что оплата обычно производится за квадратный метр, но расчеты не всегда бывают точны, особенно, если имеется большой разброс мусора, листьев, а на территории также растут кусты и деревья. LiDAR предлагает значительную экономию по сравнению с методами методам наземного исследования.
LiDAR значительно сокращает различного рода затраты на методы исследования рельефа. Применяя метод дистанционного исследования объектов разного типа, включая траву, листья или деревья, LiDAR может определить их положение, скорость перемещения (для движущихся объектов) и другие характеристики. Для этого используется пульсирующий лазерный луч, который отражается от поверхности объектов. Результатом такого процесса становится 3D-модель топографических контуров ландшафта, с которой затем могут работать пользователи. Если же подключить к процедуре исследования дрон Matrice 600 со ScanLock, то сканирование будет происходить со скоростью более 4 тыс. кв. м. в минуту. А теперь представьте, сколько можно сделать работы за 20 минут полетного времени? Документирование ЧП и несчастных случаевLiDAR - это активная система, которая использует для создания образов нужных объектов ультрафиолет и ближний инфракрасный диапазон. Это важно, если обстоятельства не позволяют задействовать для качественного картографирования внешнее освещение. Например, такой метод может потребоваться для съемок обстоятельств ночной автомобильной аварии. Для этого лучше всего задействовать дрон Matrice 600 с технологией ScanLook, чтобы буквально за один полет над местом аварии зафиксировать и обработать всю необходимую визуальную информацию.
Поскольку предлагаемое решение базируется на беспилотных технологиях, то пользователи практически немедленно получают точную информацию, подкрепленную визуальными деталями. Затем все это можно использовать в качестве доказательства в судебных процессах. Кроме этого, высокая скорость обследования с помощью воздушного сканирования помогает быстрее начать процесс эвакуации раненых или погибших людей, поврежденных автомобилей, а также быстрее приступать к уборке территории. Таким образом можно за сравнительно короткое время освободить проезжую часть для автомобилей, что особенно важно на оживленных трассах, а также сэкономить значительные средства на всех этапах работы. Сельское хозяйства и ландшафтная планировкаДругой пример успешного применения новых технологий 3D-картографирования - большие фермы, где требуется создавать эффективную ирригационную систему. Например, на больших плантациях риса фермерам приходится создавать водозащитные насыпи. Это требует точного знания рельефа и особенностей почвы. Иначе вся создаваемая система может оказаться неэффективной и бесполезной. И опять оптимальным решением становится дрон Matrice 600 с установленной на нем технологией ScanLock. Сбор данных будет происходить со скоростью 183 метра за один проход. Процесс работы с одним большим полем не займет много времени. При этом не нужно, как раньше, ждать, когда обрабатываемые поля высохнут, чтобы на них можно было бы вывести соответствующую технику для сбора данных. АрхеологияТам, где традиционные методы обследования больших, ценных с исторической точки зрения, ландшафтов требовали не одного года работы, теперь можно использовать технологию LiDAR, чтобы выполнить процесс по 3D-картографированию за считанные минуты. И снова наилучшим вариантом для такой процедуры будет установка ScanLock на дрон Matrice 600. “Потерянные” места и целые древние города будут открыты за самое короткое время. |
