Műholdas lézersugárzás

A bajorországi Wettzell geodéziai obszervatórium lézeres távolságmérő rendszere
Műholdas lézeres kezdve a Graz-Lustbühel műholdas állomás működik

A műholdas lézeres távolságmérés ( SLR ; németül: műholdas lézeres távolságmérés ) a Satellitengeodäsie rendkívül pontos módszere, ahol a lézerimpulzus tranzitidejéneksegítségével megmérika földi állomás és a műhold közötti távolságot. Ez egy kétirányú mérési módszer.

Műholdas Laser Kezdve használunk egyrészt pontosan meghatározza a pályára geodéziai műholdak, és másrészt, hogy meghatározzák pontok föld mérések és geodinamika . Ebből a föld testében bekövetkező változások és a föld forgása levezethető - a magasabb geodézia más módszereivel együtt .

Indoklás

Rövid lézerimpulzust generálnak a földi állomás adójában, és egy optikai rendszeren keresztül juttatják el a műholdhoz. Ezzel egy időben elindul egy elektronikus időintervallum-számláló. A műhold által visszavert impulzust regisztrálják, felerősítik, elemzik és megállító impulzusként a számlálóhoz továbbítják, optikát véve a földi állomás vevőeszközébe.

A rögzített időintervallum megadja a lézerimpulzus Δt repülési idejét és a d távolságot a terjedési sebességen keresztül :

A távolságmérő rendszer alapvető elemei ennek megfelelően:

  1. Generátor és adó a lézerimpulzusokhoz, ideértve az optikai rendszert és a rögzítést is
  2. Visszatérő impulzus érzékelő és analizátor, beleértve a vevő rendszert
  3. Időmérő eszköz a futási idő meghatározásához

A rendszer irányításához és megfigyeléséhez, valamint a megfigyelési korszakok meghatározásához további alrendszerekre van szükség ( számítógépek , atomórák ).

Űrszegmensként megfelelő reflektorokkal rendelkező műholdakra van szükség.

történelem

A műholdak nyomon követésére szolgáló pulzáló lézerek kifejlesztése az Amerikai Egyesült Államokban már az 1961/62-es években megkezdődött az American Explorer program részeként. 1964-ben az első műholdat lézeres reflektorokkal látták el (BEACON - Explorer - B (BE - B) = Explorer 22). Ezt 1964. október 9-én 1000 km magasságban és 80 ° -os lejtőn állították pályára . Az első lézeres távolságméréseket 1965-ben végezték néhány méteres pontossággal. Az Explorer 27 (= BE-C), valamint a két GEOS műhold, az Explorer 29 és az Explorer 36 szintén lézeres reflektorokkal volt felszerelve.

Csak a GEOS műholdak voltak használhatóak a műholdas geodéziához : egyrészt a műholdas pályákat csak előre nem lehetett megfelelően kiszámítani, másrészt az időmérés intervallumszámlálói még nem voltak elég pontosak, és a visszavert fény mennyisége túl alacsony volt magas műholdak számára. Az alsó pálya azt jelenti, hogy a műhold túl gyorsan mozog az égen (csak néhány perc telik el), és hogy pályája nem elég stabil egy megbízható efemeriszhez . Az áttörést a továbbfejlesztett vezérlés és a lézertechnika jelentette, a vevő teleszkóp pontosan meghatározott és beprogramozott kapu idejével kombinálva .

A következő években nagyon gyors előrelépés történt. A pontosság az 1970-es évek közepén elérte a körülbelül egy métert, ma (2015) ez a milliméteres tartományba esik, így a műhold alakja máris nagy szerepet játszik. Ha a lézer visszhangja elég erős, a készülék csak a visszatérő fotonok közül az elsőt méri. A nappali megfigyelések során - amelyek 1995 óta lehetségesek - nagyobb számú reflexet is elemeznek.

A műholdak lézeres távolságmérési rendszereit a világ számos részén fejlesztették és telepítették. Gyakran ezek belső megfigyelések voltak a megfigyelőközpontok munkacsoportjaiban. 1986-ban mintegy 50 nagy teljesítményű rendszert használtak világszerte.

A lézerrendszerek osztályozása

Az elérhető távolságmérési pontosság szorosan összefügg a lézerimpulzusok időtartamával és felbontásával .

A következő érvényes: 1 nanoszekundum (ns) = 15 cm

A használt lézerrendszereket szokás a koncepciótól és a teljesítménytől függően csoportokra (generációkra) osztani, ezáltal az átmenetek folyékonyak.

  1. Generálás: A 10–40 ns impulzus időtartama 1,5–6 m távolságmérési pontosságnak felel meg; többnyire rubinlézerek
  2. Generáció: A pulzus időtartamának rövidítése 2–5 ns-re, ami 30–120 cm-nek felel meg
  3. Generáció: Az impulzus időtartama a szubnanoszekundum tartományban 0,1–0,2 ns, ami 1,5–3 cm-nek felel meg; gyakran Nd: YAG lézer

A mérőrendszerek pontosságának növekedésével további alkalmazási területek merülnek fel. A műholdas pályák pontosabban meghatározhatók, és hozzájárulhatnak a geodinamikai kérdésekhez (pl. Kéregmozgások ), különösen 1-3 cm-es mérési pontossággal .

A talajból kibocsátott fényvillanások rövid teljesítményűek a gigawatt tartományban . Ezért a megfigyelési tevékenységet pontosan meg kell vitatni a légiforgalmi irányítással . Ezen kívül van egy automatikus kikapcsolás, ha egy repülőgép közel kerül a gerendához.

Lézeres mérőrendszerek és alkatrészek

Lézer oszcillátorok

A lézeres távolságmérő rendszer szíve maga a lézeroszcillátor . A LASER (fényerősítés a sugárzás stimulálásával) mesterséges szó leírja az elektromágneses rezgések koherens amplifikációjának elrendezését az (optikai) spektrális régióban a stimulált emisszió révén .

A műholdas geodéziában a koherencia mellett , i. H. az egyes részsugarak rögzített fáziskapcsolata, a lézersugárzás további két tulajdonsága, nevezetesen a nagy fókuszélesség és a nagy energiasűrűség . Ily módon rendkívül rövid, nagy energiasűrűségű impulzusokat lehet nagy távolságokra szállítani.

A műholdas geodéziában kétféle lézert találtak elterjedten, a rubinlézert és a neodímium-YAG (= itrium-alumínium-gránát) lézert . Az 1. és 2. generáció rendszerei szinte kizárólag rubin lézerekkel vannak felszerelve, a 3. generáció jórészt Nd: YAG lézerekkel.

További rendszerelemek

(összeg

Annak érdekében, hogy meg lehessen mérni a távolságot a változó célokig, a lézer adóegységet úgy kell felállítani, hogy mozoghasson. Ez egy olyan állványon végezhető el, amely azimut és magasság szerint állítható. Célszerű a vevőt ugyanarra a tartóra telepíteni.

Az 1. generációs készülékeknél általában a lézer oszcillátort rögzítik a tartóra, a 3. generációs lézerek nagyon érzékenyek, és légkondicionált, pormentes környezetbe kell őket telepíteni. Helyhez kötött lézerek esetén erre külön helyiséget ( tiszta szobát ) használnak. A lézerimpulzusokat az adóteleszkópba optikai vezetőkön keresztül irányítják. A rögzítést megfelelő pontossággal kell a mozgó célhoz igazítani, hogy a lézerimpulzus elérje a műholdat. Ha a pontossági követelmények alacsonyabbak (1. generáció), a nyomon követés manuálisan is elvégezhető vizuális ellenőrzéssel. A 3. generációs lézerek esetében, amelyek nappali üzemmódban is működnek, a követés automatikusan történik, előre kiszámított műholdas efemererek alapján .

b) fényvevő

A területegységre eső lézerimpulzus energiája a távolság négyzetével csökken a műhold felé vezető úton és visszafelé. Továbbá a jelet a föld légköre gyengíti. A nagyon nagy kimeneti energia és az erős fókusz ellenére következésképpen nagyon kevés energia kerül vissza, így nagyobb műholdas távolságokra nagyon erős vevőeszközre van szükség.

A vevő rész optikai rendszerből és elektronikus fényvevőből áll. Ahogy optikai rendszerek , reflektor teleszkóp vagy távcső jönnek figyelembe, amelyek középpontjában a fotonok a visszavert lézer impulzus rá a fény vevő . Mivel a nagyobb apertúra aránya , reflektor teleszkópok egy nagy nyílás van előnyösek, különösen azért, mert a mérés a gyenge fényessége, és nem geometriai minősége is fontos. A fény zavarásának elkerülése érdekében keskeny sávszélességű (Δλ ~ 1 nm) szűrőt használnak a lézerfény frekvenciatartományához .

Ahogy az elektronikus fényérzékelőt vannak fotodetektorok egy nagyon rövid felfutási idő , mint fotoelektron-sokszorozó cső (PMT), mikrocsatorna-lemezek -Photomultiplier (MCP-PMT) vagy lavina fotodióda (APD) alkalmazunk. A zavaró jelek csökkentése érdekében a fotodetektor csak rövid, előre kiszámított Δt időtartamra aktiválódik , 1-10 mikroszekundumig ( mikroszekundum ). Az emelkedési idő nem haladhatja meg a 100-300 ps ( pikoszekundum ) értéket.

c) pulzuselemzés

A visszaküldött jel számos interferencia miatt deformálódik. Az okok a következők: légköri zavarok, több fényvisszaverőn történő visszaverődéssel történő egymásra helyezés, az adó és a fényvisszaverő relatív mozgása. Gondos pulzuselemzésre van szükség az impulzus középpontjának meghatározásához. Több módszer lehetséges. A súlypont meghatározása a jelgörbe alatti terület mérésével bevált .

Ha egyetlen foton alapján dolgozunk (pl. Lunar Laser Ranging , LLR), akkor pulzuselemzésre nincs szükség. Ezután olyan módszereket kell alkalmazni, amelyek lehetővé teszik az egyes fotonok felismerését és feldolgozását.

d) időalap

A tranzitidő mérésére 10 ps felbontású elektronikus számlálókat használnak . A számlálókat atomfrekvenciás szabványok vezérlik, amelyeket nagy rövid és hosszú távú stabilitás jellemez. Rubídium és cézium-szabványokat, valamint a hidrogén- masers jönnek figyelembe az ilyen időalap . Az atomfrekvenciás szabványok meghatározzák az állomás idejét is a korszak beállításához, majd rendszeresen összehasonlítani kell őket a magasabb szintű időszolgáltatásokkal.

e) feldolgozó számítógép

Zaj a Jason 1 műhold nappali megfigyelésénél

Erős folyamatszámítógépre és átfogó rendszerszoftverre van szükség a beállítási értékek előzetes kiszámításához, a szerelés nyomon követéséhez, a rendszer monitorozásához, a rendszer paramétereinek kalibrálásához és ellenőrzéséhez, valamint az adatok előkészítéséhez és vezérléséhez.

f) repülőgép-érzékelő

A sűrűn lakott területeken és a repülőterek közelében időnként óvintézkedésekre van szükség, hogy megakadályozzák a repülőgép áthaladását a lézersugár által. Erre a célra a repülőgépek elhelyezésére szolgáló optikai rendszer telepíthető, amely automatikusan kikapcsolja a lézer működését.

g) Kapuidő és zajelemzés

A modern tükörreflexes távcsövek ugyanazt az optikát használják a lézer küldéséhez és fogadásához. A kapcsolás a kapu idejével történik , az a rövid időtartam, amely után a visszavert jelre leghamarabb számítani lehet. A zajelemzés megkönnyítésére is használják.

Ez utóbbi elengedhetetlen a nappali megfigyelésekhez , ahol a napfényből ezerszer több foton érkezik, mint a műholdas visszhangból. A szemközti kép a zajelemzés egyik példáját mutatja, ahol a Wettzell műholdas állomás szoftvere csak azokat a fotonokat engedi át a vételi zajtól, amelyek legfeljebb 5 nanoszekundummal térnek el a kapu idejétől.

Műholdak lézer reflektorokkal

LAGEOS (1975), az eddigi legfontosabb lézeres műhold. Súly 411 kg, átmérője csak 60 cm, a pálya magassága 5000 km

Lézeres távolságmérést csak olyan műholdaknál lehet elvégezni, amelyek megfelelő lézer reflektorokkal vannak felszerelve. A reflektorok feladata, hogy a fényt ugyanabba az irányba tükrözzék vissza, ahonnan beesik. Az ilyen reflektorokat retroreflektoroknak is nevezik .

A kívánt mérési pontosság elérése érdekében a reflektorokat nagyon körültekintően kell megtervezni minden műhold alakjára és pálya magasságára. A reflektornak elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy elegendő fényt tükrözzen. Erre a célra több egyedi, 2–4 cm átmérőjű reflektort egyesítenek egyedi elrendezésekké (tömbökké). Nagyon magas követelményeket támasztanak az egyes reflektorok helyes kölcsönös hozzárendelésével annak érdekében, hogy a jelátfedés miatti impulzus deformációk a lehető legkisebbek legyenek. Ezenkívül ismerni kell a fényvisszaverő fényútját.

Mivel a visszatükröző reflektorok passzív rendszerek, amelyek viszonylag könnyen telepíthetők kiegészítő komponensként a műholdakra, ma már számos űrhajó van felszerelve velük. Az így felszerelt műholdak többsége arról szól, hogy lézeres távolságméréssel pontos pályainformációkat szerezzen a tényleges műholdas küldetésekhez. Mivel azonban ezek a műholdak más feladatokat látnak el, a reflektorok nem helyezhetők el koncentrikusan a tömegközéppont felé. Ezért egyértelmű kapcsolatot kell kialakítani a megfelelő reflektor és a műholdas központ között.

Az úgynevezett lézeres műholdaknál a lézeres távolságmérés feladata áll az előtérben. Ehhez a műholdas pályának nagyon stabilnak kell lennie . Éppen ezért a lézeres műholdak szilárd fémből (néha különösen sűrű anyagokból, például uránból ) készült maggal épülnek fel, így egy olyan futball méretű műhold, mint a Starlette, majdnem 50 kg-ot nyom. Ennek eredményeként a nem gravitációs erők (csak nagy légkör, fénynyomás, napszél stb.) Miatt csak kisebb pálya- zavarokat szenved , és a pálya pontosan meghatározható - például műholdas háromszögeléshez vagy a föld gravitációs mezőjének kiszámításához .

Az 1970 óta indított mintegy 20 lézeres műhold közül a legfontosabbak a következők:

  • LAGEOS ( Laser Geodynamics Satellite , USA 1975), kb. 5000 km magas poláris pálya , ezért több millió éves élettartama, átmérője 60 cm, tömege 411 kg (lásd a fenti képet)
  • Starlette (Franciaország, 1975), a pálya magassága jelenleg kb. 900–1100 km, mérete ~ 20 cm, 50 kg
  • Az eredeti LAGEOS-szal megegyező LAGEOS 2 (Olaszország, 1992) az STS-52 űrsikló misszió részeként indult
  • A Stella (azonos a Starlette-vel), 1993-ban indult az európai Ariane hordozórakétával
  • egy bolgár műhold (1985 körül) és két japán lézeres műhold.

Globális SLR hálózat

Az International Laser Ranging Service (rövidítve ILRS) az 1990-es években alakult a lézeres mérések műholdakkal történő nemzetközi összehangolására . Az ILRS szervezi és koordinálja a lézeres távolságméréseket a globális geodéziai projektek és műholdas küldetések támogatása céljából. Megfelelő szabványokat és stratégiákat is kidolgoz a méréshez és elemzéshez az adatok magas, következetes minőségének biztosítása érdekében.

A világszerte néhány tucatnyi tükörreflexes állomások méréseit számítási szempontból egyesítve pontos földmérési hálózatok jönnek létre , amelyekből levezethetők a koordináták és a föld forgása a milliméteres tartományban. Az ILRS alapvető termékei a LASER műholdak pontos efemeriszei (keringései), az obszervatóriumok koordinátái és lemezes tektonikai változásai, a geocentrum és a föld gravitációs mezőjének variációi , valamint a fizika, a hold és a föld alapvető állandói . holdpálya .

Ez utóbbi meghatározásához az úgynevezett Lunar Laser Ranging ( LLR ), vagyis a földi állomásoktól a holdfelszínig terjedő távolság mérését használják . Erre a célra néhány lézerfényszórót használnak, amelyeket az Apollo és a Szovjetunió küldetései során a Holdra helyeztek. Minden egyes kibocsátott erős lézerimpulzus után ezek a mérések során csak egyedi fénykvantumok érkeznek a hold távolságának kétszeresén (kb. 750 000 km) , így a módszer összességében nagyon összetett. A mérések azt mutatták, hogy a holdpálya sugara évente körülbelül 40 mm-rel növekszik.

Nemzetközi Földforgalmi Szolgálat

Mivel minden lézer obszervatóriumok körül forognak a Föld tengely 23,9345 óra a Föld forgása , a térbeli helyzetét a föld nem lehet pontosan meghatározni a mérések. Erre a célra az IERS (Nemzetközi Föld Rotációs Szolgálat) külön osztályát használják.

A fent említett ILRS szolgáltatás (ILRS: International Laser Ranging Service) biztosítja az IERS számára a mért SLR adatokat, amelyek egységes modellre redukálódtak. Ebből kiszámítja a három legfontosabb a föld forgása paraméterek (ERP) rövid időközönként , azaz a poláris koordináták x, y (metszéspont a Föld (rotációs) tengely a sarkvidéki) és a világ idő korrekció dUT1 (szabálytalanságát a föld forgása ).

Az értékpár (x, y) spirálisan a Chandler-periódus ritmusában változik (kb. 430 nap, 365 napos periódus fedi), de 20 méteres körön belül marad. Az érték dUT1 változik többnyire monoton (mindig egy irányba), és ez az oka az úgynevezett ugrást másodperc amellyel az UTC világ idő kiigazítani minden 1-3 év december 31-én, illetve június 30-a Föld átlagos forgatást.

Kombináció a kapcsolódó folyamatokkal

Az SLR időjárási függőségének áthidalása és a pontosság növelése érdekében a lézeres méréseket más módszerekkel kombinálják. Ezek a módszerek különösek

Ezek a különböző rendszerek a Föld folyamatos megfigyelését képezik, és többéves időközönként egyesítik őket egy új földi referenciarendszerben . Ezek a föld modellek (lásd ITRS és ITRF 2000 ) jelenleg a globális pontossága néhány centimétert. Néhány év múlva a következő globális modell még pontosabb lesz, mint az ITRF 2005 .

A geodézia mellett mindezek az alapvető rendszerek más tudományágak számára is alapvetőek, különösen a csillagászat , a fizika és az űrutazás szempontjából .

Lásd még

Egyéni bizonyíték

  1. ↑ Az Explorer küldetések áttekintése (a NASA Nemzeti Űrtudományi Adatközpontja)

web Linkek

irodalom