Uydu lazer aralığı

Bavyera'daki jeodezik gözlemevi Wettzell'in lazer menzil sistemi
Operasyonda Graz-Lustbühel uydu istasyonunun uydu lazer menzili

Uydu Lazer Menzili ( SLR ; Almanca olarak: uydu lazer aralığı ),bir lazer darbesinin geçiş süresi aracılığıyla bir yer istasyonu ile bir uydu arasındaki mesafeninölçüldüğüson derece hassas bir Satellitengeodäsie yöntemidir. Bu iki yönlü bir ölçüm yöntemidir.

Uydu Lazer kesin bir yandan kullanılır değişen belirlemek yörüngeye jeodezik uyduların, diğer yandan içinde noktalarını belirlemek için yeryüzü ölçümlerine ve Jeodinamik . Dünyanın vücudundaki bu değişikliklerden ve dünyanın dönüşü , diğer yüksek jeodezi yöntemleriyle birlikte türetilebilir .

Gerekçe

Yer istasyonunun vericisinde kısa bir lazer darbesi üretilir ve bir optik sistem aracılığıyla uyduya gönderilir. Aynı zamanda bir elektronik zaman aralığı sayacı başlatılır. Uydudan yansıyan darbe, yer istasyonunun alıcı cihazında optikler alınarak bir durdurma darbesi olarak kaydedilir, güçlendirilir, analiz edilir ve sayaca beslenir.

Kaydedilen zaman aralığı, lazer darbesinin uçuş süresini (Δt) ve yayılma hızı aracılığıyla d mesafesini aşağıdakilerle verir:

Buna göre yerdeki mesafe ölçüm sisteminin temel bileşenleri şunlardır:

  1. Optik sistem ve montaj dahil olmak üzere lazer impulslarının üreteci ve vericisi
  2. Alıcı sistem dahil olmak üzere dönüş darbe detektörü ve analizörü
  3. Çalışma süresini belirlemek için zaman ölçüm cihazı

Sistemi kontrol etmek ve izlemek ve gözlem dönemlerini tanımlamak için başka alt sistemler gereklidir ( bilgisayarlar , atomik saatler ).

Uzay bölümü olarak, uygun reflektörlü uydular gereklidir.

Tarih

Uyduları izlemek için darbeli lazerlerin geliştirilmesi, ABD'de American Explorer programının bir parçası olarak 1961/62 gibi erken bir tarihte başladı . 1964'te ilk uydu lazer reflektörlerle donatıldı (BEACON - Explorer - B (BE - B) = Explorer 22). Bu, 9 Ekim 1964'te 1000 km yükseklikte ve 80 ° eğimde bir yörüngeye getirildi . İlk lazer mesafe ölçümleri 1965 yılında birkaç metre hassasiyetle yapılmıştır. Explorer 27 (= BE-C) ve iki GEOS uydusu Explorer 29 ve Explorer 36 da lazer reflektörlerle donatıldı.

Uydu jeodezi için kullanılabilecek olan yalnızca GEOS uydularıydı : bir yandan uydu yörüngeleri ancak önceden yetersiz bir şekilde hesaplanabiliyordu, diğer yandan zaman ölçümü için aralık sayaçları henüz yeterince hassas değildi ve sayısı yansıyan ışık miktarı yüksek uydular için çok düşüktü. Daha düşük yörüngeler, uydunun gökyüzünde çok hızlı hareket ettiği (sadece birkaç dakika geçtiği) ve yörüngesinin güvenilir bir efemeris için yeterince sabit olmadığı anlamına gelir. Atılım , alıcı teleskopun kesin olarak tanımlanmış ve programlanmış geçit süresi ile birlikte gelişmiş kontrol ve lazer teknolojisi ile geldi .

Sonraki yıllarda çok hızlı ilerleme kaydedildi. Doğruluk, 1970'lerin ortalarında yaklaşık bir metreye ulaştı, bugün (2015) milimetre aralığındadır, bu nedenle uydunun şekli zaten önemli bir rol oynamaktadır. Lazer ekosu yeterince güçlüyse, cihaz yalnızca geri dönen fotonların ilkini ölçer. 1995'ten beri mümkün olan gündüz gözlemleri sırasında daha fazla sayıda refleks de analiz edilir.

Uydular için lazer mesafe ölçüm sistemleri geliştirilmiş ve dünyanın birçok yerinde kurulmuştur. Genellikle bunlar gözlemevlerinde çalışma gruplarındaki kurum içi gelişmelerdi. 1986'da dünya çapında yaklaşık 50 yüksek performanslı sistem kullanılıyordu.

Lazer sistemlerinin sınıflandırılması

Ulaşılabilir mesafe ölçüm doğruluğu , lazer darbelerinin süresi ve çözünürlüğü ile yakından ilgilidir .

Aşağıdakiler geçerlidir: 1 nanosaniye (ns) = 15 cm

Kullanılan lazer sistemlerini, kavram ve performansa bağlı olarak, geçişlerin akışkan olduğu gruplara (nesiller) ayırmak gelenekseldir.

  1. Oluşturma: 10 ila 40 ns'lik bir darbe süresi, 1,5 ila 6 m'lik bir mesafe ölçüm doğruluğuna karşılık gelir; çoğunlukla yakut lazerler
  2. Oluşturma: Nabız süresinin 30-120 cm'ye karşılık gelen 2–5 ns'ye kısaltılması
  3. Oluşturma: 1,5-3 cm'ye karşılık gelen, 0,1 ila 0,2 ns'lik alt nanosaniye aralığında bir darbe süresi; genellikle Nd: YAG lazer

Ölçüm sistemlerinin doğruluğunun artmasıyla birlikte daha fazla uygulama alanı ortaya çıkmaktadır. Uydu yörüngeleri daha kesin olarak belirlenebilir ve jeodinamik sorunlara (örn. Kabuk hareketleri ) katkılar , özellikle 1-3 cm'lik ölçüm hassasiyetleri ile yapılabilir.

Yerden yayılan ışık parlamaları, gigawatt aralığında kısa bir çıktıya sahiptir . Bu nedenle, gözlem faaliyeti hava trafik kontrolü ile kesin olarak tartışılmalıdır. Ek olarak, bir uçağın ışına yaklaşması durumunda otomatik bir kapanma vardır.

Lazer ölçüm sistemleri ve bileşenleri

Lazer osilatörler

Lazer mesafe ölçüm sisteminin kalbi, lazer osilatörünün kendisidir.Yapay kelime LASER (Uyarılmış Radyasyon Emisyonu ile Işık Amplifikasyonu) , (optik) spektral bölgedeki elektromanyetik salınımların uyarılmış emisyon yoluyla uyumlu amplifikasyonu için düzenlemeleri açıklar .

Uydu jeodezisinde tutarlılığa ek olarak , i. H. bireysel kısmi ışınlar arasındaki sabit faz ilişkisi, lazer radyasyonunun diğer iki özelliği, yani yüksek odak keskinliği ve yüksek enerji yoğunluğu . Bu şekilde, yüksek enerji yoğunluğuna sahip son derece kısa darbeleri büyük mesafelere taşımak mümkündür.

Uydu jeodezisinde, iki tür lazer yaygın kullanım bulmuştur, yakut lazer ve neodimyum-YAG (= itriyum-alüminyum-granat) lazer . 1. ve 2. nesil sistemler, neredeyse yalnızca yakut lazerlerle, 3. nesil ise büyük ölçüde Nd: YAG lazerlerle donatılmıştır.

Diğer sistem bileşenleri

(Miktar

Değişken hedeflere olan mesafenin ölçülebilmesi için lazer verici kısmı hareket edebilecek şekilde ayarlanmalıdır. Bu, azimut ve yüksekliği ayarlanabilen bir montaj üzerinde yapılabilir . Alıcının aynı yuvaya kurulması tavsiye edilir.

1. nesil cihazlarda, lazer osilatörün yuvaya takılması yaygındır , 3. nesil lazerler çok hassastır ve klimalı, tozsuz bir ortama kurulmalıdır. Sabit lazerler durumunda bunun için ayrı bir oda ( temiz oda ) kullanılır. Lazer darbeleri, optik iletkenler aracılığıyla verici teleskopa yönlendirilir. Lazer darbesinin uyduya çarpması için montaj, hareketli hedef ile yeterli doğrulukta hizalanmalıdır. Doğruluk gereksinimleri daha düşükse (1. nesil), izleme görsel bir kontrol aracılığıyla manuel olarak gerçekleştirilebilir. Gündüz operasyonda da çalışan 3. nesil lazerler söz konusu olduğunda, izleme önceden hesaplanmış uydu efemerisine göre otomatik olarak gerçekleşir .

(b) ışık alıcısı

Lazer darbesinin birim alandaki enerjisi, uyduya giderken ve geri giderken mesafenin karesi ile azalır. Dahası, sinyal dünya atmosferi tarafından zayıflatılır. Çok yüksek çıkış enerjisine ve güçlü odağa rağmen, sonuç olarak çok az enerji geri döner, bu nedenle daha büyük uydu mesafeleri için çok güçlü bir alıcı cihaz gereklidir.

Alıcı kısım, bir optik sistem ve bir elektronik ışık alıcısından oluşur. Olarak optik sistemler , yansıtıcı teleskop veya teleskoplar gelir ki, göz önünde odak fotonları ışık alıcı üzerine yansıtılan lazer darbesi . Daha büyük açıklık oranı nedeniyle , özellikle geometrik kalitenin değil zayıf parlaklıkların ölçümü önemli olduğu için geniş açıklığa sahip reflektör teleskoplar tercih edilmektedir. Işığın karışmasını önlemek için , lazer ışığının frekans aralığı için dar bant genişliğine (Δλ ~ 1 nm) sahip bir filtre kullanılır .

Olarak elektronik ışık detektörü olan foto detektör çok kısa olan yükseliş süresi olarak foto-çoğaltıcı tüp (PMT), mikrokanal plakaları -Photomultiplier (MCP-PMT) veya çığ fotodiyot kullanılır (APD). Parazitli sinyalleri azaltmak için , fotodedektör yalnızca 1 ila 10 mikrosaniye ( mikrosaniye ) arasında önceden hesaplanmış kısa bir Δt süresi için etkinleştirilir. Yükselme süresi 100 ila 300 ps'yi ( pikosaniye ) geçmemelidir.

(c) nabız analizi

Geri gönderilen sinyal, çok sayıda parazit nedeniyle deforme olur. Nedenleri şunları içerir: atmosferik bozukluklar, birkaç reflektörde yansıma ile üst üste binme , verici ve reflektörün göreceli hareketi. Nabzın merkezini belirlemek için dikkatli nabız analizi gereklidir. Birkaç yöntem mümkündür. Sinyal eğrisinin altındaki alanı ölçerek ağırlık merkezinin kurulması kendini kanıtlamıştır .

Tek fotonlar temelinde çalışılıyorsa (örneğin Ay Lazer Aralığı , LLR), darbe analizi gerekli değildir. Daha sonra bireysel fotonların tanınmasına ve işlenmesine izin veren yöntemler kullanılmalıdır.

(d) zaman tabanı

Geçiş süresini ölçmek için 10 ps çözünürlüğe sahip elektronik sayaçlar kullanılır . Sayaçlar, yüksek kısa vadeli ve uzun vadeli stabilite ile karakterize edilen atomik frekans standartları tarafından kontrol edilir . Rubidyum ve sezyum standartları olarak hidrojen maserleri gelir dikkate böyle için zaman tabanı . Atom frekansı standartları aynı zamanda çağın ayarlanması için istasyon zamanını da tanımlar ve daha sonra düzenli olarak daha yüksek seviyeli zaman hizmetleriyle karşılaştırılmalıdır.

(e) işlem bilgisayarı

Jason 1 uydusunun gündüz gözlemi sırasında gürültü

Bir Güçlü süreç bilgisayar ve kapsamlı bir sistem yazılımı için gerekli olan ayar değerlerinin Precalculation izleme montaj, sistem izleme, kalibrasyon ve yanı sıra veri hazırlama ve kontrol için sistem parametrelerinin kontrol ediyor.

(f) uçak detektörü

Nüfusun yoğun olduğu bölgelerde ve havaalanlarının yakınında, bir uçağın lazer ışınıyla geçmesini önlemek için bazen önlemler alınması gerekir. Bu amaçla, lazer çalışmasını otomatik olarak kapatan uçak konumu için bir optik sistem kurulabilir.

(g) Kapı süresi ve gürültü analizi

Modern SLR teleskopları, lazeri göndermek ve almak için aynı optiği kullanır. Geçiş , en kısa sürede yansıyan sinyalin beklendiği kısa bir süre olan geçit süresi kullanılarak gerçekleştirilir . Ayrıca gürültü analizini kolaylaştırmak için de kullanılır.

İkincisi, gün ışığından uydu yankısından bin kat daha fazla fotonun geldiği gündüz gözlemleri için gereklidir. Yandaki resimde gösterileri yazılım gürültü analizi, bir örnek Wettzell uydu istasyonu sadece bu fotonlar yoluyla sağlayan dan alımı gürültü en fazla 5 nanosaniye kapı andan itibaren o kadar farklılıklar.

Lazer reflektörlü uydular

LAGEOS (1975), bugüne kadarki en önemli lazer uydusu. Sadece 60 cm çapında 411 kg, palet yüksekliği 5.000 km

Lazer mesafe ölçümleri yalnızca uygun lazer reflektörlerle donatılmış uydulara yapılabilir . Reflektörlerin görevi, ışığı geldiği yönde geri yansıtmaktır. Bu tür reflektörlere retroreflektörler de denir .

İstenilen ölçüm doğruluğunu elde etmek için, reflektörlerin her uydu şekli ve yörünge yüksekliği için çok dikkatli bir şekilde tasarlanması gerekir. Reflektör, yeterince ışığı yansıtacak kadar büyük olmalıdır. Bu amaçla, 2–4 cm çapında birkaç ayrı reflektör genellikle özel düzenlemeler (diziler) halinde birleştirilir. Sinyal üst üste binmesinden kaynaklanan darbe deformasyonlarını olabildiğince düşük tutmak için, bireysel reflektörlerin doğru karşılıklı olarak atanmasına çok yüksek gereksinimler getirilir. Ayrıca reflektördeki ışık yolu bilinmelidir.

Retroreflektörler, uydulara ek bileşenler olarak nispeten kolay bir şekilde kurulabilen pasif sistemler olduğundan, artık çok sayıda uzay aracı bunlarla donatılmıştır. Bu şekilde donatılmış uyduların çoğu, gerçek uydu görevleri için kesin yörünge bilgileri elde etmek için lazer mesafe ölçümlerini kullanmakla ilgilidir. Ancak bu uydular başka görevleri de yerine getirdiğinden, reflektörler kütle merkezine eş merkezli olarak düzenlenemez. Bu nedenle, uygun reflektör ile uydu merkezi arasında net bir ilişki kurulmalıdır.

Sözde lazer uyduları ile lazer menzilleme görevi ön plandadır. Bunu yapmak için uydu yörüngesinin çok kararlı olması gerekir . Bu nedenle lazer uyduları, Starlette gibi futbol büyüklüğünde bir uydunun neredeyse 50 kg ağırlığında olması için katı metalden (bazen uranyum gibi özellikle yoğun bir malzemeden ) yapılmış bir çekirdekle inşa edilmiştir . Sonuç olarak, bu sadece küçük uğrar yörünge bozuklukları gelen olmayan yerçekimi kuvvetleri (yüksek atmosfer, ışık basıncı, güneş rüzgar, vb) ve yörünge da tespit edilebilir - örneğin uydu nirengi veya hesaplamak için dünyanın yerçekimi alanı .

1970'ten bu yana fırlatılan 20 kadar lazer uydunun en önemlileri şunlardır:

  • LAGEOS ( Laser Geodynamics Satellite , ABD 1975), yaklaşık 5.000 km yüksek kutup yörüngesi , bu nedenle birkaç milyon yıllık bir ömür, çap 60 cm, kütle 411 kg (yukarıdaki resme bakın)
  • Starlette (Fransa, 1975), pist yüksekliği şu anda yaklaşık 900–1100 km, boyut ≈20 cm, 50 kg
  • LAGEOS 2 (İtalya, 1992), orijinal LAGEOS ile aynı, STS-52 uzay mekiği misyonunun bir parçası olarak fırlatıldı.
  • Stella (Starlette ile aynı), 1993'te Avrupa Ariane başlatıcısı ile başlatıldı
  • bir Bulgar uydusu (1985 civarı) ve iki Japon lazer uydusu.

Küresel SLR ağı

International Laser Ranging Service (ILRS kısaltması), lazer ölçümlerinin uydularla uluslararası koordinasyonu için 1990'larda kurulmuştur. ILRS, küresel jeodezik projeleri ve uydu görevlerini desteklemek için lazer menzil ölçümlerini organize eder ve koordine eder . Ayrıca , verilerin yüksek ve tutarlı bir kalitesini sağlamak için ölçüm ve analiz için uygun standartlar ve stratejiler geliştirir .

Dünya çapında birkaç düzine var olan SLR istasyonlarının ölçümleri, koordinatların ve milimetre aralığında dünyanın dönüşünün türetilebileceği hassas ölçüm ağları oluşturmak için hesaplamalı olarak birleştirilir . ILRS temel ürünleri tam dahil olan gök günlüğüne LAZER uyduların (yörüngeleri), koordinatları ve plaka yapısal gözlem değişiklikleri, varyasyonları Geocenter ve dünyanın yerçekimi alanı , hem de temel sabitleri fizik, yeryüzünün ay ve ay yörüngesi .

Ay Lazer Aralığı ( LLR ), yani karasal istasyonlardan ay yüzeyine olan mesafe ölçümü , ikincisini belirlemek için kullanılır . Bu amaçla Apollo ve SSCB misyonları sırasında aya yerleştirilen bazı lazer reflektörler kullanılır . Yayılan her güçlü lazer darbesi için, bu ölçümler sırasında ay mesafesinin iki katı (yaklaşık 750.000 km) üzerinde yalnızca bireysel ışık miktarı alınır, böylece yöntem genel olarak çok karmaşıktır. Ölçümler , Ay yörüngesinin yarıçapının her yıl yaklaşık 40 mm arttığını gösterdi .

Uluslararası Dünya Döndürme Hizmeti

Tüm lazer gözlemevleri , dünyanın dönüşüyle birlikte 23.9345 saatte dünya ekseni etrafında döndüğünden , dünyanın mekansal konumu ölçümlerden kesin olarak belirlenebilir. Bu amaçla özel bir IERS (International Earth Rotation Service) departmanı kullanılmaktadır.

Yukarıda bahsedilen ILRS hizmeti (ILRS: International Laser Ranging Service), IERS'ye, tek tip bir modele indirgenmiş ölçülen SLR verilerini sağlar. Buradan, kısa aralıklarla en önemli üç dünya dönüş parametresini (ERP) hesaplar , yani kutupsal koordinatlar x, y (Kuzey Kutbu'ndaki dünyanın (dönme) ekseninin kesişme noktası) ve dünya saati düzeltmesi dUT1 (düzensizlik) dünya rotasyon ).

Değer çifti (x, y), Chandler döneminin ritminde (yaklaşık 430 gün, 365 günlük bir periyotla örtüşür ) bir spiral şeklinde yerel olarak değişir , ancak 20 metrelik bir daire içinde kalır. DUT1 değeri çoğunlukla tekdüze (daima tek yönde) değiştirir ve sözde nedeni artık saniye hangi UTC dünya saat olduğu ayarlamalara gidilmesi , 31 Aralık veya dünyanın ortalama dönme 30 Haziran tarihinde her 1-3 yıl.

İlgili süreçlerle kombinasyon

SLR'nin hava bağımlılığını köprülemek ve doğruluğunu artırmak için lazer ölçümleri diğer yöntemlerle birleştirilir. Bu yöntemler özeldir

Bu farklı sistemler , dünyanın kesintisiz bir izlenmesini oluşturur ve birkaç yıllık aralıklarla yeni bir karasal referans sisteminde birleştirilir . Bu dünya modelleri (bkz. ITRS ve ITRF 2000 ) şu anda birkaç santimetrelik küresel doğruluğa sahiptir. Birkaç yıl içinde, bir sonraki küresel model ITRF 2005'ten daha kesin olacak .

Jeodeziye ek olarak , tüm bu temel sistemler, özellikle astronomi , fizik ve uzay yolculuğu için diğer disiplinler için de temeldir .

Ayrıca bakınız

Bireysel kanıt

  1. ↑ Explorer görevlerine genel bakış (NASA Ulusal Uzay Bilimi Veri Merkezi)

İnternet linkleri

Edebiyat