Коллимация лазерного пучка в спутниковых лазерных дальномерах Текст научной статьи по специальности «Физика»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1

УДК 621.396.933.22

КОЛЛИМАЦИЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА В СПУТНИКОВЫХ ЛАЗЕРНЫХ ДАЛЬНОМЕРАХ

Е. Г. Лапухин

Научные руководители - В. М. Владимиров, Л. В. Границкий

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: slovoktk@mail.ru

Обозначена проблема коллимации лазерного излучения одновременно для двух длин волн без дополнительной перефокусировки в лазерных спутниковых дальномерах. Предложены два варианта коллиматоров по оптической схеме Кеплера и Галилея.

Ключевые слова: спутниковый лазерный дальномер, коллимация лазерного пучка.

COLLIMATION OF LASER RAYS IN SATELLITE LASER RANGING

E. G. Lapukhin Scientific supervisors - V. M. Vladimirov, L. V. Granitskiy

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: slovoktk@mail.ru

We focused attention on problem of collimation of two-waves laser without additional refocusing in laser satellite range. We suggest two version of collimators, wich are using the optical schemes of Kepler and Galilee. They are collimating laser radiation for wavelenghts 532 and 1064 nm.

Keywords: satellite laser ranging, laser collimation.

В настоящее время с помощью лазерной дальнометрии стало возможным определять расстояние до ИСЗ с миллиметровой точностью. Измерение расстояния до космических аппаратов позволяет уточнять орбиты искусственных спутников Земли (ИСЗ), а наблюдение специализированных спутников, оснащенных ретрорефлекторами, дает возможность определять параметры вращения Земли.

Совсем недавно лазерные локационные станции определяли расстояние до ИСЗ с точностью 1-2 метра. Такие лазерные спутниковые дальномеры являлись дальномерами первого поколения. Точность дальномеров второго поколения составляет 1-10 см, третьего - 1-5 см. Сегодня внедряются лазерные дальномеры четвертого поколения, у которых расстояние до ИСЗ может быть определено с точностью до нескольких миллиметров [1].

В дальномерах первого, второго и третьего поколений достигаемая точность определяется длительностью импульса лазерного источника. Например, длительность импульса лазерного спутникового дальномера ЛД-2 составляет 40-50 нс позволяет определять расстояние до ИСЗ с погрешностью до 2,5 м. При этом угол расходимости лазерного пучка на выходе коллиматора дальномера составляет 50" [2]. Для уменьшения длительности импульса достаточно в дальномере ЛД-2 лазерный излучатель на рубине заменить на YAG:Nd-лазер (длина волны 1 064 нм) с последующем удвоением частоты (длина волны 532 нм).

Импульсы большей мощности и длительностью 3,3 нс при его формировании можно получить, используя пассивные затворы. После такой модернизации расходимость лазерного пучка на выходе из коллиматора составила 160", а дальность лоцирования осталась прежней 3 500 км [3]. Уменьшение длительности импульса до 3,3 нс позволяет определять расстояние с погрешностью 10-15 см. Это дает право считать данный дальномер дальномером второго поколения.

В свою очередь, существенный вклад в погрешность определения расстояния вносит атмосферная поправка. Одним из методов ее определения является дисперсионный метод, основанный на

Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

одновременном прохождении через толщу атмосферы двух импульсов лазерного излучения с различными длинами волн. Определив атмосферную поправку дисперсионным методом, можно определить расстояние с миллиметровой точностью.

Для реализации дисперсионного метода необходимо, чтобы два лазерных пучка с различными длинами волн после прохождение через коллиматор имели угол расходимости близкий к дифракционному без дополнительной перефокусировки коллиматора. В свою очередь апертурное увеличение лазерного пучка позволяет уменьшить его расходимость при прохождении через коллиматор.

Нами был произведен расчет коллиматора лазерного луча для длин волн 532 и 1 064 нм. Расчет коллиматора был осуществлен с учетом габаритных размеров штатного коллиматора ЛД-2 с целью минимизации изменений в конструкции дальномера.

Расчет коллиматора был осуществлен по оптическим схемам Кеплера и Галилея. Оптические схемы рассчитанных коллиматоров представлены на рис. 1. Данные коллиматоры содержат оптически связанные положительный трехлинзовый объектив и двухлинзовый склеенный отрицательный окуляр в схеме Галилея и положительный трехлинзовый окуляр в схеме Кеплера.

Оптические схемы Галилея (а) и Кеплера (б) (ЛИ - лазерный излучатель)

Коэффициент пропускания составил 0,84 и 0,86 соответственно для длин волн 532 нм и 1 064 нм. Угол расхождения луча определяется дифракцией на апертуре объектива коллиматора и равен ~1" и ~2" соответственно для длин волн 532 и 1 064 нм.

Поверхности всех линз сферические и материал линз - оптические стекла ТФ10 и К8, что удешевляет стоимость изготовления коллиматоров.

Таким образом, использование рассчитанных коллиматоров делает возможным уменьшение погрешности до миллиметров (за счет определения атмосферной поправки дисперсионным методом на длинах волн 532 и 1 064 нм) при определении расстояния до КА.

Данная работа выполнена в рамках экспериментального исследования предельных значений точности измерения дальности космических объектов лазерными локационными станциями.

Библиографические ссылки

1. Degnan J. J. Satellite laser ranging: Current status and future prospects // IEEE Trans. 1985. Vol. GE-23, № 4. P. 398-413.

2. Четырехосный полуавтоматический спутниковый лазерный дальномер ЛД-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Рига, 1983.

3. Мещеряков Н. А., Тиссен В. М. Компактный лазерный излучатель мощных импульсов нано-секундной длительности для локации // Вестник СГГА. 2001. № 6. С. 169.

© Лапухин Е. Г., 2015