CC BY
178
УДК 389:621.38
Б.С. Могильницкий
ФГУП СНИИМ, Новосибирск
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЛАЗЕРНОЙ ДАЛЬНОМЕТРИИ
Наша планета вращается неравномерно, ось вращения меняет свое положение в пространстве. Изменение длительности суток и положения оси вращения в настоящее время контролируется технологиями определения параметров вращения Земли (ПВЗ). В нашей стране определение ПВЗ осуществляется как классическим методом - астрооптика, так и современными средствами -лазерная дальнометрия искусственных спутников Земли (ИСЗ) и Луны и радиотехническими методами: радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ) и навигационными глобальными системами ГЛОНАСС и GPS. Среди этих технологий лазерные дальномерные системы (ЛДС) являются альтернативным и дополняющим способом, обладающим наивысшей точностью. К настоящему времени технология ЛДС достаточно развита в мире, но в России до сих пор находится в состоянии становления. Это обусловлено, в первую очередь, техническим отставанием в разработке ЛДС из-за кризиса экономики после известных событий в нашей стране в 1991г. В России в настоящее время используются данные только одной ЛДС в Комсомольске.
Лазерная дальнометрия, как метод, стартовала еще в 1964г., использовав импульсное излучение рубинового лазера. Совершенствование методик и средств измерений привело к тому, что к настоящему времени СКП лазерных измерений снижена с нескольких метров до нескольких сантиметров.
Типичная структурная схема работы ЛДС следующая: сформированный передающей оптической системой выходной импульсный сигнал излучается в направлении ИСЗ. Небольшая часть этого сигнала поступает на вход стартового фотоприемника с пороговым устройством, запускающего измеритель временных интервалов (ИВИ). Отраженный эхо-сигнал, поступивший в приемную оптическую систему останавливает счетчик времени. Точно измеренный временной интервал прохождения лазерного импульса до ИСЗ и обратно поступает в вычислительное устройство совместно с информацией о параметрах атмосферы (температура, давление, влажность), измеренных на трассе лазерного сигнала.
Расстояние до ИСЗ вычисляется из соотношения [1]
L = ст/2п + 5L,
где с - скорость света, т - время прохождения импульса до ИСЗ и обратно, n -усредненный показатель преломления атмосферы вдоль траектории лазерного луча
П = (l/z)-( Jndl) ,
z
где l - лучевая траектория, n - текущее значение показателя преломления воздуха, z - длина траектории, 5L - поправка разности длины траектории
лазерного луча в реальной атмосфере и геометрической длины траектории (по прямой линии).
Траектория лазерного луча искривляется и отличается от геометрически прямой из-за неоднородности показателя преломления в разных слоях атмосферы. Суммарная задержка прохождения импульса по такой трассе зависит от температуры, давления, влажности воздуха вдоль трассы луча. Оценка этого вида погрешности представляет собой непростую задачу и требует специальной технологии определения указанных параметров атмосферы на траектории импульса локации.
Отсюда видно, что наиболее важными факторами точности измерений являются: точность измерения времени т распространения сигнала, точность определения п и поправки 5L.
По типу лазерного передатчика и достигаемой точности ЛДС классифицируют следующим образом: 1-е поколение: с временным
разрешением (10-30) нс, 2-е поколение: с временным разрешением (1-5)нс, 3-е поколение: с временным разрешением (0.1-0.5)нс. Международная лазерная сеть оснащена ЛДС третьего поколения. В нашей стране аналогичные устройства в стадии разработки. Возможный алгоритм вычисления ПВЗ для технологии ЛДС представлен в [2].
Факторы, определяющие точностные характеристики ЛДС
К настоящему времени проведен анализ следующих составляющих погрешностей:
- Инструментальная погрешность, связанная с точностью измерения т;
- Атмосферная составляющая погрешности в зависимости от выбранноймодели атмосферы;
- Погрешность синхронизации времени т и астрономической временной шкалы;
- Погрешности геометрической редукции ЛДС.
Для примера, численные значения погрешностей определения расстояний до ИСЗ для ЛДС 2-го поколения представлены в таблице [3].
Таблица
№ Вид операций Погрешность, см
пп
1 Калибровка 1.7
2 Погрешность измерения т 3.3
3 Нестабильность системы 4.0
4 Временная привязка 3.5
5 Атмосферная поправка 3.0
6 Поправка по отражателю 2.9
7 Суммарная среднеквадратическая ошибка 7.7
Видно, что наибольший вклад в ошибки измерений вносит составляющая системы и погрешность атмосферы. Погрешность системы уменьшается калибровочными измерениями до мишени с точным
расстоянием, и способы ее уменьшения будут рассмотрены ниже. Значительно же уменьшить величину атмосферной погрешности весьма трудно. Выходом из этой ситуации является использование технологии ЛДС четвертого поколения - двухволнового метода локации [4]. Уже проведены экспериментальные испытания таких систем. Удобными для этого метода являются излучатели на основе гранатового YAG:Nd-лазера, излучающих на двух достаточно разнесенных длинах волн 1.06 и 0.53 мкм. Анализ прохождения двухволнового лазерного импульса указывает на несколько меньшую величину потерь для первой гармоники излучения.
В двухволновом методе локации используется явление дисперсии показателя преломления воздуха. В силу этого явления оптические длины на двух разных частотах отличаются пропорционально усредненной по пути луча плотности атмосферы. Разница оптических путей на этих частотах используется для оценки неустранимой в одноволновом случае атмосферной поправки. Остается неучтенная погрешность из-за плотности водяных паров в атмосфере. Но она весьма мала и дает ошибку в пределах долей сантиметра.
Снижение инструментальной погрешности достигается [5]:
- Созданием лазеров сверхкоротких световых импульсов пикосекундного диапазона;
- Созданием сверхбыстродействующих приемников лазерного излучения;
- Учетом теплового расплывания и самоотклонения луча в поглощающей атмосфере;
- Учетом влияния бокового ветра на лазерный пучок.
Реализация указанных проблем позволит снизить инструментальную погрешность в определении расстояний до уровня долей сантиметра. Погрешности привязки к передающей и приемной плоскостям отсчета -плоскостям, совмещенным с элементами конструкции ЛДС и ИСЗ - подробно проанализированы методом имитационного моделирования [5]. Погрешности временной привязки к внешнему эталону времени в зависимости от формы импульса исследованы в [6,7].
Поведенный анализ погрешностей показывает, что суммарная погрешность измерений расстояний современными ЛДС может составлять доли сантиметра.
Применение лазеров фемтосекундного диапазона для целей дальнометрии в настоящее время нецелесообразно из-за неустранимых остаточных погрешностей в измерении расстояний и неизученности вопросов прохождения лазерного излучения в реальной атмосфере. Кроме этого, к настоящему времени отсутствуют приемные устройства с фемтосекундным временным разрешением. Тем не менее, первые работы по зондированию атмосферы фемтосекундным излучением уже проведены. Устройства с фемтосекундными излучателями наиболее перспективны в космических задачах, вне атмосферы Земли.
Вывод: дальнейшее улучшение качества определения ПВЗ с помощью технологии ЛДС связано, в основном, с дополнительными усилиями в области уменьшения рассмотренных погрешностей, а не в направлении создания излучателей ЛДС с более коротким импульсом зондирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кравченко Н.И., Литовченко М.В. Зарубежная радиоэлектроника-1985, №12,
с.59
2. Могильницкий Б.С., Тиссен В.М., Толстиков А.С. Параметры вращения Земли: технологии обработки данных.// Сб. материалов научн. Конгресса «ГЕО-Сибирь-2005», СГГА, 2005, с.166
3. Гамал К. Квантовая электроника -1978, т.5,№11,с.2428.
4. Abshire J., Gardner Ch.S. - IEEE Trans.- 1985, v.GE-23, №4.
5. Buchman M.G., Willans K.F.- IEEE Southeaston 85: Conf. Proc. Ralegh- 1985.
6. Rielek W.- Publ. Astron. Inst. Czechosl. Acad. Ski.- 1984, №58.
7. Мещеряков Н.А., Тиссен В.М. Оптимизация методов приема и обработки
информации в спутниковых ЛДС.// Измерит. Техника.- 2001.-№3- c.12
© Б.С. Могильницкий, 2006
