СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ЛОКАЦИИ
LASER LOCATION METHOD

Заявляемое техническое решение относится к способам определения местоположения объектов, точнее к способам лазерной локации, и представляет интерес для лазерной локации космических объектов, поверхности Земли, лазерной геодезии, а также может быть использовано для определения скорости движущегося объекта.
Известен способ определения расстояния до удаленного объекта, включающий облучение его лазерным сигналом, прием отраженного или рассеянного объектом сигнала и определения времени задержки ΔT между моментами излучения зондирующего и приема отраженного или рассеянного объектом сигналов, при этом расстояние до объекта L определяется простой формулой L=cΔT/2, где c - скорость света [1].
Достоинством известного способа является возможность определять расстояние до удаленных, в том числе на космические расстояния, объектов с высокой точностью, которая фактически определяется быстродействием приемной системы и возможностью локатора генерировать короткие световые импульсы (прежде всего, с коротким передним фронтом). При давно достигнутом уровне быстродействия ~0,1 нс расстояние может быть определено с точностью несколько сантиметров, именно такая точность достигнута, например, при лазерной локации Луны.
Недостатком известного способа является невозможность с достаточной точностью определить направление на лоцируемый объект, обычно это направление известно заранее (как в случае, например, лазерной локации Луны было точно известно положение уголковых отражателей, возвращавших сигнал локатора). В другом варианте реализации известного способа генерируется мощный лазерный импульс, которым сразу «засвечивается» значительный участок пространства (значительный телесный угол), в котором лоцируемый объект находится заведомо, то есть расходимость используемого лазерного излучения достаточна велика. Это позволяет определить расстояние до объекта, однако не его положение в пространстве. Необходимость использования высокоэнергетичных лазерных локаторов является значительным недостатком известного способа, поскольку для этого требуется достаточно мощная и относительно громоздкая лазерная установка. Очевидно, что если зондирующее излучение может иметь в 10 раз меньшую расходимость, то энергия лазерного импульса может быть снижена, минимум, в 100 раз (если расстояние до объекта достаточно велико).
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ лазерной локации, включающий сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянного и/или отраженного объектом лазерного сигнала и определение расстояния до объекта по времени задержки между излученным и принятым сигналами, а углового положения объекта по направлению излученного сигнала [2]. В известном способе сканирующее устройство осуществляет программируемый поворот в пространстве зондирующего лазерного луча со сравнительно малой расходимостью. Использование известного способа позволяет определить не только расстояние до объекта, но и его угловое положение в пространстве, а двукратное применение соответствующей процедуры (то есть определение положения объекта в два различных момента времени) позволяет найти скорость объекта.
Основным недостатком известного способа является его сравнительно низкая производительность при определении положения объекта с достаточно высокой точностью. В самом деле, следующий лазерный сигнал излучается после того, как зафиксирован «возвращенный объектом» предшествующий сигнал или когда можно гарантировать, что в зондируемой области пространства искомого объекта нет (иначе возможно «перепутать», какому излученному сигналу соответствует зарегистрированный сигнал). Сформулированное условие ограничивает частоту следования лазерных сигналов f на предельном уровне fmax=c/2L, и, соответственно, время определения положения (поиска) объекта может быть велико. Например, если объект может быть расположен на расстоянии до 300 км, то максимальная частота работы лазерного локатора составит 500 Гц. Если известно, что объект находится в области с поперечным размером 10×10 км, а требуется определить его положение с точностью 100×100 метров (требуемая расходимость лазерного излучения составляет всего лишь ~0,3 мрад и соответствует апертуре телескопа менее 1 см для дифракционного качества излучения и длины волны зондирующего излучения ~1 мкм, угловая точность сканирующего устройства может быть на порядок выше), то всего может потребоваться 10000 лазерных импульсов и, соответственно, около 20 секунд. Заметим, что за такое время объект может выйти за пределы исследуемой области (для этого достаточно поперечной скорости ~500 м/с).
Указанная причина ограничивает, в том числе рабочую частоту и производительность лазерных локаторов, применяемых для лазерного зондирования земной поверхности, поскольку каждый следующий зондирующий импульс может быть излучен только после того, как зарегистрирован предыдущий «отраженный» импульс [3]. В результате стоимость, например, лазерных геодезии и топографии высокого разрешения оказывается достаточно высокой.
Техническим результатом изобретения является увеличение производительности лазерной локации.
Технический результат достигается тем, что в способе лазерной локации, включающем сканирование пространства последовательностью лазерных сигналов, генерируемых лазерным локатором, регистрацию рассеянных и/или отраженных объектом лазерных сигналов, определение расстояния до объекта по времени задержки между излученными и принятыми сигналами, а углового положения объекта - по направлению соответствующего излученного сигнала, в качестве генерируемого лазерным локатором сигнала используют цуг из по меньшей мере двух импульсов с изменяемыми промежутками времени между импульсами и/или соотношением амплитуд импульсов в каждом цуге.
Под амплитудой импульса, в зависимости от соотношения между длительностью отдельного импульса τи и временным разрешением системы регистрации τp, подразумевается энергия импульса (если τи<τр) или его мощность (если τи>τр).
Применение заявляемого технического решения позволяет фактически «промаркировать» излучаемые лазерным локатором сигналы и установить взаимно однозначное соответствие между излученным и принятым сигналами. В результате даже при значительно более высокой, чем в прототипе, частоте следования генерируемых локатором лазерных сигналов возможно определить, какому излученному сигналу соответствует принятый, и, соответственно, используя только быстродействующий фотоприемник, одновременно определить расстояние до объекта (по времени задержки) и угловое положение объекта (по направлению, в котором излучался тот сигнал, который в дальнейшем был принят).
Реализация заявляемого технического решения для описанного выше примера локализации объекта, находящегося на расстоянии ~300 км, в области с поперечным размером 100×100 метров может быть, например, следующей. Лазерный локатор на частоте 100 кГц генерирует последовательность из цугов парных («сдвоенных») коротких (~1 нс) импульсов с изменяемым промежутком времени между ними, например: в первой паре второй импульс следует через 20 нс после первого, во второй паре - через 40 нс, в сотом цуге импульсов промежуток между импульсами составит 2 мкс и т.д.; после генерации 200 сдвоенных импульсов (промежуток времени между последними импульсами в паре составит 4 мкс) описанная выше последовательность цугов повторяется. Здесь частота 100 кГц означает, что промежуток времени между первыми лазерными импульсами в последовательно генерируемых цугах составляет 10 мкс. Таким образом, по промежутку времени между импульсами в цуге (при достаточном разрешении системы регистрации) возможно определить «номер» и момент генерации именно этого цуга. Один и тот же промежуток времени между двумя импульсами в цуге повторяется через 2 мс (10 мкс × 200), что как раз соответствует максимальному расстоянию до объекта 300 км. То есть при регистрации возвращаемого объектом сигнала возможно «перепутать» только расстояние L и L+300 (L - расстояние до объекта в километрах), что, очевидно, не произойдет при L≤300 км, поскольку амплитуда принимаемого сигнала будет отличаться многократно.
При той же самой, как в прототипе, расходимости излучения 0,3 мрад (пространственном «разрешении» 100 метров) время просмотра области пространства 10×10 км с расстояния ~300 км составит 0,1 с и уменьшится в 200 раз по сравнению с прототипом. Заметим, что необходимая для работы на указанной частоте 100 кГц угловая скорость поворота луча ~30 рад/с современными сканирующими устройствами обеспечивается с кратным запасом. Кроме того, при предварительной локализации объекта в области, например, 1×1 км время фиксации объекта может быть дополнительно уменьшено в 10 раз (или улучшено пространственное разрешение).
Если объект предположительно находится на большем расстоянии или необходима более высокая частота сканирования (меньшее время просмотра пространства), то период генерируемой последовательности цугов может быть, например, утроен следующим образом: вначале генерируется описанная выше последовательность цугов с одинаковой амплитудой обоих импульсов в каждом цуге, затем генерируется последовательность из 200 цугов с аналогично изменяемым промежутком времени между импульсами в цуге, но с амплитудой первого импульса, например, втрое большей, чем амплитуда второго импульса, затем генерируется последовательность из 200 цугов с обратным соотношением между амплитудами генерируемых импульсов в цуге. При использовании для «маркировки» излучаемых лазерным локатором сигналов цугов, состоящих, например, из трех импульсов, генерируемая последовательность из неповторяемых цугов может быть еще значительно длиннее.
В заявляемом техническом решении существенно используется тот факт, что в каждом конкретном цуге промежуток времени между входящими в цуг импульсами мал и не превышает несколько микросекунд. Это означает, что при любой реальной скорости лоцируемого объекта, если на него попадает один импульс из цуга, то попадут и все остальные импульсы из этого цуга. Действительно, при максимальном промежутке времени между импульсами в одном цуге 4 мкс и поперечной скорости объекта 8 км/с (первая космическая скорость) перемещение объекта (и приемника сигнала) между импульсами составит всего ~3 см. Это также означает, что все импульсы из одного цуга распространяются фактически по одной и той же траектории и потери при прохождении светом этой траектории с хорошей точностью одинаковы для всех импульсов, составляющих отдельный цуг; следовательно, соотношение амплитуд принятых импульсов в цуге будет соответствовать соотношению амплитуд излученных импульсов в этом цуге.
Аналогично возможно кратное увеличение производительности при лазерном зондировании Земли не только с «космических» расстояний (со спутников), но и при аэросъемке (с самолетов). Так, при высоте съемки (высоте полета самолета) 1,5 км частота следования зондирующих сигналов не превышает 100 кГц и может быть увеличена до 500-700 кГц (и выше) с использованием заявляемого способа. В этом случае взаимное перемещение объекта и приемника сигнала в рамках одного цуга импульсов не превысит ~0,2 мм (максимальный промежуток времени между импульсами в одном цуге не больше 1 мкс, а относительная скорость объекта и приемника ≤200 м/с).
Генерирование лазерным локатором последовательности цугов импульсов согласно заявляемому техническому решению может быть реализовано различными средствами, например системой генератор-усилитель, когда генератор излучает короткие импульсы на максимальной требуемой частоте (в приведенном выше примере на частоте 50 МГц, соответствующей временному интервалу 20 нс), а система управления «вырезает» требуемые для усиления импульсы, или при использовании двух (или более) соответствующим образом синхронизованных лазеров. Аналогично, пространственное сканирование может быть реализовано различными методами, однако конкретная реализация заявляемого способа лазерной локации не является предметом настоящей заявки на патент.
Таким образом, применение заявляемого технического решения позволяет многократно увеличить производительность лазерной локации и определять не только расстояние до объекта, но и направление на него (то есть угловое положение объекта) с использованием высокочувствительных и быстродействующих фотоприемников вообще без использования приемников излучения с пространственным разрешением типа ПЗС-матриц - как правило, заметно менее чувствительных и с большим уровнем шумов, а также обладающих сравнительно низким быстродействием [4]. Заявляемый способ лазерной локации дает возможность использовать компактные маломощные лазерные локаторы, регистрировать сигнал на дневном фоне. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение удовлетворяет критериям «новизна» и «существенные отличия».
Литература
1. Смирнов В.А. Введение в оптическую радиоэлектронику. М.: Советское радио, 1973. - 189 с.
2. Матвеев И.Н., Протопопов В.В. и др. Лазерная локация. М.: Машиностроение, 1984. - 272 с. (прототип).
3. Данилин И.М., Медведев Е.М., Мельников С.Р. Лазерная локация Земли и леса: учебное пособие. - Красноярск: Институт леса им. В.Н.Сукачева СО РАН, 2005. - 182 с.
4. Патент RU 2352959, МПК: G01S 17/06, 20.04.2009.