СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ШАРООБРАЗНОМ КОСМИЧЕСКОМ ОБЪЕКТЕ Российский патент 2023 года по МПК G01J1/00 

Данное изобретение относится к фотонике, в частности, к способу измерения параметров лазерного излучения, и может быть использовано для определения интенсивности зондирующего лазерного излучения на космическом объекте (далее КО), не оснащенном специальными отражателями.

Важной характеристикой лазерной локационной станции (далее ЛЛС) является интенсивность создаваемого ею лазерного излучения (далее ЛИ) на КО. Знание одной только силы света (мощности и расходимости) зондирующего лазерного излучения недостаточно для определения интенсивности на КО, так как возможны ошибки наведения ЛИ на КО, при прохождении земной атмосферы происходят случайные изменения плотности мощности по сечению пучка, его эффективного диаметра и смещение его центра тяжести относительно оптической оси (искажения волнового фронта).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа определения интенсивности лазерного излучения на шарообразном космическом объекте, не оснащенном специальными отражателями.

Из существующего уровня техники аналогичных разработок, направленных на решение данной задачи, не выявлено.

В результате патентно-информационного поиска был выявлен способ измерения мощности лазерного излучения, распространяющегося в приземной атмосфере на расстоянии - 1 км [1], заключающийся в том, что распространяют вдоль трассы излучение импульсного лазера с угловой расходимостью порядка 10^-6 рад, на противоположном конце трассы в лазерный пучок помещают трипель-призму, выполняющую роль уголкового отражателя и возвращающую излучение назад, и регистрируют отраженное от призмы излучение приемником, совмещенным с источником излучения, при этом расчетным путем определяют коэффициент пропускания лазерного излучения атмосферой на основе модели фазовых экранов.

Данный способ предназначен лишь для наземных экспериментов, когда трипель-призма расположена на поверхности Земли и неподвижна.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в обеспечении возможности определения интенсивности лазерного излучения на космических объектах, находящихся за пределами атмосферы, без размещения на них регистрирующей аппаратуры и отражателей.

Указанный технический результат в способе определения интенсивности лазерного излучения на космическом объекте, достигается тем, что включает зондирование космического объекта лазерным излучением с известной по порядку величины расходимостью и генерируемым лазерным источником, работающим в непрерывном или импульсно-периодическом режиме, при этом выбирают космический объект с фазовой функцией минимально отличающейся от фазовой функции диффузно отражающего шара, при этом все элементы конструкции космического объекта отражают излучение только диффузно, а его линейные размеры не превышают диаметр профиля лазерного излучения на космическом объекте, при этом космический объект освещен Солнцем так, что между направлением с космического объекта на Солнце и направлением с космического объекта на лазерный источник обеспечивается минимальный фазовый угол Ψ, не превышающий 10°, после чего производят регистрацию интенсивности отразившегося от космического объекта лазерного и солнечного излучения, для чего на поверхности Земли на расстоянии L от лазерного источника устанавливают приемную систему, регистрирующую отраженное лазерное излучение и отраженное солнечное излучение, и расчетным путем определяют интенсивность лазерного излучения источника на космическом объекте по формуле:

где - величина спектральной интенсивности солнечного излучения на КО на длине волны ЛИ; Δλ₁ - эквивалентная ширина рабочего спектрального диапазона фотоприемника, регистрирующего отраженного ЛИ; Ф - фаза солнечной подсветки КО; - интенсивность отраженного ЛИ на Земле, - интенсивность отраженного солнечного излучения на Земле в спектральном диапазоне работы фотоприемника, регистрирующего отраженное ЛИ.

Кроме этого при работе лазерного источника в непрерывном режиме расстояние L может быть выбрано из условия 100 м≤L≤10 км, а регистрация отраженного солнечного излучения может производится в спектральном диапазоне с центром на длине волне λ₂, определяемой исходя из условия

При работе лазерного источника в импульсно-периодическом режиме расстояние L может быть выбрано из условия 0 м≤L≤10 км, а регистрация отраженного солнечного излучения может производиться в спектральном диапазоне с центром на длине волне λ₁, причем для селекции импульсно-периодического лазерного сигнала из смеси с непрерывным сигналом отраженного солнечного излучения используют временную фильтрацию.

Влияние признаков способа на вышеуказанный технический результат.

Осуществление зондирования шарообразного КО излучением, генерируемым лазерным источником, работающим в непрерывном или импульсно-периодическом режиме, позволяет доставить излучение на КО и затем определить его интенсивность на КО.

Освещение КО Солнцем позволяет по отраженному солнечному излучению оценить эквивалентную поверхность рассеяния (далее ЭПР) КО.

Знание расходимости ЛИ по порядку величины позволяет выбрать КО с линейными размерами, заведомо не превышающими диаметра профиля ЛИ на КО, приблизить равномерность лазерной подсветки поверхности КО к равномерности солнечной подсветки. Увеличение равномерности лазерной подсветки при выборе КО, отражающего излучение только диффузно, позволяет рассчитать интенсивность ЛИ на КО по оценке ЭПР КО, выполненной в солнечном излучении. Зондирование КО с фазовой функцией, минимально отличающейся от фазовой функции диффузно отражающего шара, при фазовых углах солнечной подсветки Ψ<10° позволяет оценить ошибку определения интенсивности ЛИ на КО, связанную с фактическим отличием фазы солнечной подсветки выбранного КО от фазы солнечной подсветки диффузного шара.

На поверхности Земли смещение приемной системы от лазерного источника на расстояние L, определяемого из условий 0 м≤L≤10 км (при импульсно-периодическом ЛИ) и 100 м≤L≤10 км (при непрерывном ЛИ) позволяет исключить влияние помехи обратного рассеяния ЛИ в атмосфере Земли на процесс регистрации отраженного ЛИ.

Определение интенсивности лазерного излучения на КО расчетным путем позволяет косвенно определить интенсивность на КО без применения измерительного оборудования на КО.

Выбор центра спектрального диапазона фонового фотоприемника с центром на длине волне λ₂, определяемой исходя из условия при работе лазерного источника в непрерывном режиме, позволяет минимизировать связанную с неизвестным цветом ошибку пересчета ЭПР КО.

При работе лазерного источника в импульсно-периодическом режиме применение временной фильтрации лазерного сигнала из смеси с непрерывным сигналом солнечного излучения позволяет упростить конструкцию фокального узла приемной системы, а именно сократить количество фотоприемников с трех до двух.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа определения интенсивности лазерного излучения, схематично представленного на фигурах 1-3.

На фиг. 1 представлена схема определения интенсивности.

На фиг. 2 представлена схема фокального узла при непрерывном ЛИ.

На фиг. 3 представлена схема фокального узла при импульсно-периодическом ЛИ.

Позициями на фигурах 1-3 обозначены: 1 - лазерная локационная станция; 2 - космический объект, наблюдаемый в солнечной подсветке под фазовым углом Ψ; 3 - Солнце; 4 - приемная система; 5 - зеркало; 6 - опорно-поворотное устройство; 7 - объектив; 8 - фокальный узел; 9 - система спектрального разделения; 10 - сигнальный фотоприемник; 11 - фоновый фотоприемник; 12 - фотоприемное устройство визуализации КО.

ЛЛС (1) представляет собой оптико-электронную систему, подсвечивающую КО лазерным излучением, при этом длина волны лазерного излучения λ₁ находится в диапазоне от 500 нм до 900 нм, средняя энергетическая сила света лазерного излучения составляет не менее 400 Вт/угл.сек².

Космический объект (2) освещается Солнцем (3) и является искусственным спутником Земли, относящимся к категории космического мусора, и находящийся на орбите с высотой от 600 км до 1000 км.

Приемная система (4) представляет собой оптико-электронную систему регистрации отраженного от КО излучения и состоит из зеркала (5), опорно-поворотного устройства (6), объектива (7) и фокального узла (8).

Зеркало (5) является плоским, имеет диаметр световой апертуры не менее 0,7 м, коэффициент отражения на длине волны А.) не менее 80%.

Опорно-поворотное устройство (6) представляет собой моторизированную оправу зеркала (5), позволяющую поворачивать зеркало (5) вокруг горизонтальной и вертикальной оси.

В качестве объектива (7) используется объектив телескопа со световым диаметром входной апертуры не менее 400 мм, относительным отверстием 1:10, коэффициентом пропускания излучения на длине волны λ₁ не менее 80%, средним коэффициентом пропускания излучения в диапазоне от 400 нм до 1000 нм не менее 60%.

Фокальный узел (8) состоит из системы спектрального разделения (9) и фотоприемников. Система спектрального разделения (9) представляет собой совокупность зеркал с диэлектрическим покрытием, светофильтров, объективов и оптоволоконных жгутов. При непрерывном ЛИ система спектрального разделения (9) распределяет собранное объективом (7) излучение между фотоприемниками (10), (11) и (12). При импульсно- периодическом ЛИ система спектрального разделения (9) распределяет собранное объективом (7) излучение между фото приемниками (10) и (12).

Система спектрального разделения (9) обеспечивает:

- для сигнального фотоприемника (10): рабочий спектральный диапазон с эффективной шириной не более Δλ₁=3 нм, включающий в себя длину волны λ₁; поле зрения в диапазоне 20…40 угл.сек.; общий коэффициент пропускания элементов (5)-(7)-(9) на длине волны λ₁ не менее 20%;

- в случае непрерывного ЛИ для фонового фотоприемника (11) рабочий спектральный диапазон с эффективной шириной не более Δλ₂=20 нм, включающий в себя длину волны λ₂ и не включающий в себя длину волны λ₁; поле зрения в диапазоне 20…40 угл.сек.; общий коэффициент пропускания элементов (5)-(7)-(9) на длине волны λ₂ не менее 20%; общий остаточный коэффициент пропускания элементов (5)-(7)-(9) на длине волны λ₁ не более 0,01%.

- для фотоприемника визуализации КО (12): поле зрения в диапазоне 200..300 угл.сек.; средний по диапазону 400…1000 нм коэффициент пропускания элементов (5)-(7)-(9): не менее 20%; общий остаточный коэффициент пропускания элементов (5)-(7)-(9) на длине волны λ₁ не более 0,01%.

Сигнальный фотоприемник (10) представляет собой модуль счета фотонов на основе лавинного диода в гейгеровском режиме и обладает следующими характеристиками: диаметр приемной площадки: не менее 100 мкм; эффективность регистрации фотонов на длине волны λ₁: не менее 40%; скорость темнового счета: не более 100 с^-1; мертвое время: не более 50 не. На сигнальный фотоприемник (10) излучение заводится через оптоволоконный жгут.

Требования к фоновому фотоприемнику (11) совпадают с требованиями к сигнальному фотоприемнику (10).

Фотоприемник визуализации КО (12) представляет собой видеокамеру с разрешением более 0,4 мегапиксель, частотой кадров более 25 с^-1 и обнаружительной способностью, позволяющей приемной системе (3) визуализировать звезды спектрального класса G0 со звездной величиной m_v<6 при длительности экспозиции не более 40 мс при угле места Солнца не более -15°.

Выходы фото приемников (10), (11) подключены к входам частотомеров (на фиг. не показаны) типа HAMEG НМ8123, опрашиваемых ЭВМ по последовательному интерфейсу.

Способ определения интенсивности лазерного излучения на космическом объекте реализуется следующим образом. Сначала в зависимости от временного характера излучения лазера в составе лазерной локационной станции (1) выбирают удаление L приемной системы (4).

Потом в зависимости от длины волны лазерного излучения λ₁ для системы спектрального разделения (9) фокального узла (8) подбирают оптический элемент, обеспечивающий спектральную селекцию лазерного излучения и задающий ширину и положение рабочего спектрального диапазона для сигнального фотоприемника (10) и с помощью спектрофотометра измеряют спектральную зависимость коэффициента направленного пропускания данного элемента, затем рассчитывают эквивалентную спектральную ширину Δλ₁ по формуле (1):

где τ(λ) - спектральная зависимость коэффициента направленного пропускания.

Далее оптический элемент монтируют в систему спектрального разделения (9) фокального узла (8).

В случае непрерывного ЛИ для системы спектрального разделения (9) подбирают оптический элемент, задающий положение спектрального рабочего диапазона фонового фотоприемника (11) с центром на длине волне λ₂, определяемой исходя из условия (λ₁-λ₂)/λ₁≤5%. Далее данный оптический элемент монтируют в систему спектрального разделения (9).

Далее монтируют приемную систему (4) на расстоянии L от лазерной локационной станции (1). При импульсно-периодическом ЛИ расстояние L не должно превышать 10 км, а при непрерывном ЛИ расстояние L определяется из условия 100 м≤L≤10 км.

Далее выбирают КО, отражающий излучение только диффузно, с фазовой функцией Ф(Ψ), минимально отличающейся от фазовой функции шара:

Примерами таких КО являются отработавшие ступени ракет со следующими идентификаторами NORAD: 16910, 26960, 41791. Для определения фазовой функции Ф(Ψ) конкретного КО пользуются открытой базой данных многоканального мониторингового телескопа ММТ9 Казанского (Приволжского) Федерального Университета [3].

Далее заблаговременно выбирают такой интервал времени, на котором фазовый угол Ψ солнечной подсветки КО не превышает 10°, при этом угол места Солнца (3) не превышает -15°, при этом угловой размер КО должен быть меньше расходимости ЛИ, оцененной сверху, при этом дальность КО не должна превышать 2000 км. Угловой размер КО определяется как отношение его линейного размера к дальности.

Потом с помощью лазерной локационной станции (1) подсвечивают космический объект (2) лазерным излучением. Далее с помощью опорно-поворотного устройства (6) и зеркала (5) направляют оптическую ось телескопа (7) на КО, обнаруживают КО в изображении, даваемом фотоприемником визуализации КО (12). Далее удерживают изображение КО внутри поля зрения фотоприемников (10), (11) и фиксируют скорость их счета частотомеров.

Потом производят расчет интенсивности лазерного излучения на КО по формуле:

где - спектральная интенсивность солнечного излучения на КО, определяемая согласно источнику [2]; Ф - фаза, рассчитываемая по формуле (1); отношение в формуле (3) определяется в зависимости от временного характера ЛИ. В случае импульсно-периодического ЛИ

где и - скорости счета сигнального фотоприемника в фазе одновременной регистрации солнечного и лазерного излучения и в фазе регистрации только солнечного излучения соответственно. Значения и определяются по показаниям частотомера с учетом паспортных счетных характеристик фотоприемника (10).

В случае непрерывного излучения

где и - скорости счета сигнального и фонового фотоприемника, определяемые по показаниям частотомеров с учетом паспортных счетных характеристик фотоприемников (10) и (11).

Входящий в (5) коэффициент балансировки находят с помощью приемной системы (4) после зондирования КО, для чего дополнительно проводят серию из 10 наблюдений звезд спектрального класса G0 со звездной величиной M_v=3…7 и рассчитывают коэффициент балансировки по формуле:

где - символ усреднения; - скорости счета сигнального фотоприемника (10) и фонового фотоприемника (11), реализуемые при наблюдении звезды с номером j.

К настоящему времени на предприятии проведены расчетно-теоретические исследования, подтверждающие осуществимость представленного способа определения интенсивности.

Список использованных источников

[1] Ковалев А.А., Либерман А.А., Москалюк С.А., Серегин С.В. Измерение коэффициента пропускания лазерного излучения атмосферой на длинной трассе. Измерительная техника №8, 2008. - С. 33-37

[2] G. Thuillier, М. Hersé, D. Labs, Т. Foujols, W. Peetermans, D. Gillotay, P.C. Simon and H. Mandel The solar spectral irradiance from 200 to 2400 nm as Measured by the solspec spectrometer from the Atlas and Eureca missions

[3] Сайт http://mmt.favor2.info/satellites

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа определения интенсивности лазерного излучения на шарообразном космическом объекте. Способ включает зондирование лазерным излучением диффузно отражающего космического объекта с фазовой функцией, минимально отличающейся от фазовой функции диффузно отражающего шара, линейные размеры которого не превышают диаметр профиля лазерного излучения на космическом объекте. При этом космический объект освещен Солнцем так, что между направлением с космического объекта на Солнце и направлением с космического объекта на лазерный источник обеспечивается минимальный фазовый угол, не превышающий 10°. При этом производят регистрацию интенсивности отразившегося от космического объекта лазерного и солнечного излучения. По полученным результатам вычисляют интенсивность лазерного излучения источника на космическом объекте. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения интенсивности лазерного излучения на космических объектах, находящихся за пределами атмосферы, без размещения на них регистрирующей аппаратуры и отражателей. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения интенсивности лазерного излучения на шарообразном космическом объекте, включающий зондирование космического объекта лазерным излучением с известной по порядку величины расходимостью и генерируемым лазерным источником, работающим в непрерывном или импульсно-периодическом режиме, при этом выбирают космический объект с фазовой функцией, минимально отличающейся от фазовой функции диффузно отражающего шара, при этом все элементы конструкции космического объекта отражают излучение только диффузно, а его линейные размеры не превышают диаметр профиля лазерного излучения на космическом объекте, при этом космический объект освещен Солнцем так, что между направлением с космического объекта на Солнце и направлением с космического объекта на лазерный источник обеспечивается минимальный фазовый угол Ψ, не превышающий 10°, после чего производят регистрацию интенсивности отразившегося от космического объекта лазерного и солнечного излучения, для чего на поверхности Земли на расстоянии L от лазерного источника устанавливают приемную систему, регистрирующую отраженное лазерное излучение и отраженное солнечное излучение, и расчетным путем определяют интенсивность лазерного излучения источника на космическом объекте по формуле

где - величина спектральной интенсивности солнечного излучения на КО на длине волны ЛИ; Δλ₁ - эквивалентная ширина рабочего спектрального диапазона фотоприемника, регистрирующего отраженное ЛИ; Ф - фаза солнечной подсветки КО; - интенсивность отраженного ЛИ на Земле, - интенсивность отраженного солнечного излучения на Земле в спектральном диапазоне работы фотоприемника, регистрирующего отраженное ЛИ.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при работе лазерного источника в непрерывном режиме расстояние L выбирают из условия 100 м≤L≤10 км, а регистрация отраженного солнечного излучения производится в спектральном диапазоне с центром на длине волны λ₂, определяемой исходя из условия

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при работе лазерного источника в импульсно-периодическом режиме расстояние L выбирают из условия 0 м≤L≤10 км, а регистрация отраженного солнечного излучения производится в спектральном диапазоне с центром на длине волны λ₁, причем для селекции импульсно-периодического лазерного сигнала из смеси с непрерывным сигналом от отраженного солнечного излучения используют временную фильтрацию.