Méthode de télémétrie laser. L'utilisation des lasers dans les affaires militaires

La promesse des systèmes de télémétrie laser est déterminée par la grande largeur de la plage optique (10 13 -10 15 Hz), des dizaines de fois supérieure à la largeur de l'ensemble de la plage radio maîtrisée, et par la haute fréquence de la porteuse optique. Grâce à cela, il est possible de former des diagrammes de rayonnement très étroits et d'utiliser de larges spectres de signaux modulés.

Étant donné que dans le domaine optique, la fréquence d'oscillation est d'environ 4 ordres de grandeur plus élevée que dans le domaine des micro-ondes, la densité de flux d'énergie électromagnétique, proportionnelle à l'angle solide de rayonnement, à une distance donnée et pour une taille donnée de « l'antenne » et la puissance de l'émetteur est environ 10 fois supérieure à celle des micro-ondes (en l'absence d'absorption sur le trajet). Par conséquent, malgré la sensibilité fondamentalement pire des récepteurs optiques (la puissance du signal de seuil est approximativement proportionnelle à la fréquence), la puissance de l'émetteur requise pour la reconnaissance à peu près aux mêmes distances peut s'avérer bien inférieure à celle des micro-ondes. Cependant, ces avantages sont obtenus lorsqu'ils sont situés dans un espace libre (par exemple, l'espace extra-atmosphérique). La présence d'absorption et de diffusion d'ondes optiques dans l'atmosphère dans certaines conditions peut réduire considérablement la portée de poursuite de la cible.

Les principes de construction et les schémas fonctionnels des dispositifs de réception de localisation optiques analogiques et discrets sont les mêmes que dans la gamme radio.

Haute valeur La fréquence porteuse permet l'utilisation de signaux de sondage à large bande et, par conséquent, fournit une mesure précise de la portée cible et une résolution de portée élevée. Une résolution angulaire élevée et une bonne précision dans la détermination des coordonnées angulaires sont également garanties, même avec de petits dispositifs d'antenne. En enregistrant le décalage de fréquence Doppler, il est possible de mesurer non seulement des valeurs grandes et moyennes, mais également de petites valeurs de vitesses d'approche.

Comme indiqué ci-dessus, les appareils de réception dans la plage optique ont un seuil de sensibilité plus mauvais (l'énergie des photons dans la plage optique est élevée et lors de la réception de signaux, ils apparaissent effets quantiques), et les appareils de transmission ont une efficacité moindre. (en raison de la diffusion et de l'absorption dans l'atmosphère). Ces caractéristiques ont déterminé des domaines rationnels pour l'utilisation de la localisation optique. Les systèmes de localisation optique sont recommandés dans les cas où les exigences de haute résolution et de précision de la détermination des coordonnées dominent et, grâce à des informations a priori sur l'emplacement de la cible grâce à une concentration spatiale élevée de l'énergie du signal de sondage, il est possible de compenser les pires performances des appareils de réception et de transmission. Il a également été noté ci-dessus que les caractéristiques des systèmes de localisation optique dépendent des conditions météorologiques.

À titre d'exemple d'utilisation appropriée des systèmes de télémétrie optique, citons la mesure de la portée pour objets divers détecté visuellement ou à l’aide d’appareils de télévision ou de reconnaissance infrarouge.

En raison de la haute résolution matérielle des localisateurs optiques (en raison des diagrammes de rayonnement étroits de l'antenne et de la courte durée des impulsions de sondage), en règle générale, les coordonnées sont déterminées avec une précision du volume de résolution, sans mesurer la position de la cible à l'intérieur. Dans ce cas potentiel énergétique Le système détermine le mode de détection.

Énergie de rayonnement E et lors de la détection d’une « cible ponctuelle » avec une surface réfléchissante efficace σ à distance r dans le secteur de visualisation limité par l'angle solide Ω , se trouvent à partir de la relation :

Où Α – zone d'ouverture de l'optique de réception; η k - efficacité optique de réception, en tenant compte des pertes dans le système optique ; Ε n est l'énergie du signal de seuil ; e - coefficient d'atténuation du rayonnement dans l'atmosphère.

Si la taille cible plus de tailles section transversale du faisceau de rayonnement dans la zone cible (ce cas est typique lors de la mesure de la portée des objets visuellement observés), l'énergie du rayonnement est déterminée par la formule :

Où ρ – coefficient de réflexion (albédo) de la cible.

Zone d'ouverture UN les optiques de réception sont choisies pour des raisons de conception. Coefficient action utile l'optique de réception, compte tenu des pertes dans le filtre interférentiel situé à l'entrée du récepteur, se situe généralement dans η k = 30...50 %.

Valeur de surface réfléchissante effective σ dépend de la taille, de la nature de la cible et de la longueur d'onde utilisée. Dans la plupart des cas, il s’agit du même ordre de grandeur que σ dans la portée radio. Coefficient de reflexion ρ , comme σ , est lié à la nature de l’objectif. Signification ρ pour les longueurs d'onde des lasers actuellement utilisés, elle est comprise entre 0,2 et 0,9.

Énergie du signal seuil Ε n dépend de la fiabilité de détection spécifiée ( définir des valeurs probabilité de détection correcte et probabilité de fausse alarme), type de récepteur utilisé, longueur de travail vagues, nature et intensité du bruit.

Dans la plupart des cas (sauf ceux où il est nécessaire de mesurer le décalage de fréquence Doppler), des récepteurs à photodétection directe sont utilisés dans les télémètres. Pour les longueurs d'onde situées dans les domaines du visible et du proche infrarouge, le principal effet physique, utilisé pour enregistrer le signal, est effet photoélectrique externe. Dans ce cas, le signal primaire observé est une séquence de photoélectrons émis depuis la surface de la photocathode. Dans la région IR médiane, l'effet photoélectrique interne est utilisé et le signal observé est constitué de transitions électroniques de la région de valence à la bande de conduction.

Les photoélectrons émis ou événements de transition à la sortie des photodétecteurs correspondent à une séquence d'impulsions monoélectroniques ayant la même loi de répartition.

Le faible taux de répétition caractéristique de la plupart des lasers a conduit au développement prédominant méthodes numériques des mesures.

La figure montre l'un des options possibles diagramme canal du télémètre numérique.

Le registre à décalage en enregistre un au moment de l'émission de l'impulsion de sondage. L'impulsion de synchronisation active également le générateur d'horloge, dont les impulsions sont utilisées pour déplacer l'unité le long du registre à travers l'intervalle d'échantillonnage temporel, qui correspond à l'intervalle de résolution. Le nombre de bits de registre est égal au nombre d'éléments de résolution de plage. La sortie de chaque bit du registre est reliée à l'une des entrées de la porte de coïncidence. L'autre entrée de la vanne reçoit un signal de la sortie du dispositif de réception. Lorsque le circuit de coïncidence est déclenché, le signal dans forme numérique transmis à un dispositif indicateur ou à un système de traitement secondaire.

4. INTELLIGENCE ACOUSTIQUE

4.1 informations générales

La reconnaissance acoustique (vibro-acoustique) est réalisée par la réception et l'analyse d'ondes acoustiques dans les domaines infrasonore, sonore et ultrasonore, se propageant dans environnement aérien et les matériaux insonorisants provoqués par le bruit du fonctionnement des moteurs des machines, unités et équipements divers, des explosions, des coups de feu, de la parole, etc.

Pour intercepter et enregistrer des conversations menées aussi bien dans des espaces ouverts qu'à l'intérieur, dans des voitures, etc. des moyens de reconnaissance acoustique sont utilisés : microphones, microphones directionnels, microphones de contact (stéthoscopes), signets acoustiques, systèmes de reconnaissance acoustique laser, etc.

Certains moyens de reconnaissance acoustique sont choisis en fonction de la possibilité d'accès aux locaux contrôlés ou aux personnes menant des conversations sur un sujet d'intérêt.

Les microphones modernes de type dynamique, à condensateur ou à électret ont une sensibilité de 20 à 30 mV/Pa et sont capables d'enregistrer la voix d'une personne de volume normal à une distance allant jusqu'à 10 à 15 m, et certains échantillons à une distance allant jusqu'à 20 mètres. L'utilisation de microphones directionnels et méthodes spéciales l'épuration du bruit des signaux permet la reconnaissance en milieu urbain à des distances allant jusqu'à 50 m, dans d'autres conditions (avec un faible bruit acoustique) à des distances allant jusqu'à 200 m. L'utilisation de microphones laser permet la reconnaissance acoustique des locaux à des distances allant jusqu'à 50 m. à 1000 m. Les stéthoscopes sont capables de détecter. vibrations sonoresà travers des murs en béton de 0,3 à 0,5 m d'épaisseur, ainsi qu'à travers des portes et des cadres de fenêtres.

S'il existe un accès à une salle contrôlée, des microphones miniatures peuvent y être installés, dont les lignes de connexion sont conduites vers des salles spéciales où se trouve l'agent et où des équipements d'enregistrement ou de transmission sont installés. La longueur du câble de connexion peut atteindre 5 000 m. De tels systèmes d'interception d'informations acoustiques sont appelés systèmes filaires.

Les microphones installés en zone contrôlée sont disponibles en versions subminiatures (diamètre inférieur à 2 mm). Pour améliorer la sensibilité, certains microphones sont associés à des préamplificateurs.

Les plus largement utilisés sont les signets acoustiques qui transmettent des informations sur un canal radio. De tels appareils sont appelés dispositifs radio (microphones radio et stéthoscopes radio). Des microphones avec transmission d'informations via canal IR peuvent être utilisés.

En règle générale, les magnétophones et les enregistreurs vocaux avec pendant longtemps enregistrements. Pour améliorer la qualité et permettre de corriger une conversation enregistrée, divers filtres, microphones à directivité étroite et systèmes logiciels et matériels spéciaux sont utilisés.

Pour augmenter le secret lors de la transmission d'un signal intercepté, par exemple sur un canal radio, des signaux complexes sont utilisés (par exemple, de type bruit ou avec réglage pseudo-aléatoire de la fréquence porteuse, etc.) et différentes manières codage des informations (brouillage, cryptage, etc.). Pour garantir un fonctionnement plus durable et un secret énergétique, des moyens d'élimination contrôlée sont utilisés. De tels signets peuvent être activés à distance ou, par exemple, uniquement lors de conversations en présence d'un signal acoustique.

Parlant de microphones directionnels, nous entendons tout d'abord les situations de surveillance acoustique de sources sonores en plein air, où les effets de la soi-disant réverbération des champs acoustiques peuvent être négligés. Dans de telles situations, le facteur décisif est la distance entre la source sonore et le microphone directionnel, ce qui entraîne une atténuation significative du niveau du champ sonore. De plus, sur de longues distances, l'atténuation acoustique devient perceptible en raison de la destruction de la cohérence spatiale du champ due à la présence de dissipateurs d'énergie naturels, par exemple des turbulences atmosphériques à moyenne et grande échelle qui créent des interférences avec le vent. Ainsi, à une distance de 100 m, la pression acoustique est affaiblie d'au moins 40 dB (par rapport à une distance de 1 m), puis le volume d'une conversation normale de 60 dB ne dépassera pas 20 dB à la réception indiquer. Cette pression est inférieure au niveau d'interférence acoustique externe réelle et au seuil de sensibilité des microphones classiques.

Contrairement aux microphones conventionnels, les microphones directionnels doivent avoir :

Sensibilité acoustique à seuil élevé garantissant que le signal audio atténué dépassera le niveau du bruit propre (principalement thermique) du récepteur. Même en l'absence de champs acoustiques extérieurs, c'est une condition nécessaire au contrôle du son à une distance considérable de la source ;

Haute directionnalité d'action garantissant que le signal audio affaibli dépassera le niveau d'interférence externe résiduelle. La haute directionnalité est comprise comme la capacité de supprimer les interférences acoustiques externes provenant de directions qui ne coïncident pas avec la direction de la source sonore.

Répondre pleinement à ces exigences dans la pratique (pour un microphone) est une tâche extrêmement difficile. Il est devenu plus réaliste de résoudre des problèmes particuliers, par exemple en créant un microphone faiblement directionnel avec une sensibilité élevée ou, à l'inverse, en créant un microphone hautement directionnel avec une faible sensibilité, ce qui a conduit à une variété de types de microphones directionnels. Examinons quelques-uns d'entre eux.

Un microphone parabolique est un réflecteur sonore de forme parabolique avec un microphone conventionnel en son point focal.

Les ondes sonores provenant de la direction axiale, réfléchies par un miroir parabolique, sont additionnées en phase au point focal A. Une amplification du champ sonore se produit. Plus le diamètre du miroir est grand, plus le gain que le dispositif peut apporter est important. Si la direction d’arrivée du son n’est pas axiale, alors l’addition de ceux réfléchis par diverses pièces un miroir parabolique d'ondes sonores arrivant au point A donnera un résultat plus petit, puisque tous les termes ne seront pas en phase. Plus l'affaiblissement est fort, plus angle plus grand arrivée du son par rapport à l'axe. Ainsi, une sélectivité angulaire en réception est créée.

Le réflecteur est constitué d'un matériau à la fois optiquement opaque et transparent (par exemple, du plastique acrylique). Le diamètre extérieur d'un miroir parabolique peut aller de 200 à 500 mm.

Un microphone parabolique est exemple typique microphone très sensible mais mal directionnel.

Les réseaux multiéléments plats mettent en œuvre l'idée de réception simultanée d'un champ sonore en des points discrets d'un certain plan perpendiculaire à la direction de la source sonore.

En ces points (A1, A2, etc.) sont placés soit des microphones dont les signaux de sortie sont sommés électriquement, soit, le plus souvent, des extrémités ouvertes de guides sonores, par exemple des tubes de diamètre suffisamment petit qui assurent l'addition en phase des champs sonores de la source dans un additionneur acoustique. Un microphone est connecté à la sortie de l'additionneur.

Si le son provient de la direction axiale, alors tous les signaux se propageant le long des guides sonores seront en phase, et l'addition dans l'additionneur acoustique donnera résultat maximum. Si la direction vers la source sonore n'est pas axiale, mais forme un certain angle par rapport à l'axe, alors les signaux provenant de différents points le plan récepteur sera différent en phase et le résultat de leur addition sera plus petit. Plus l’angle d’arrivée du son est grand, plus son atténuation est importante.

Le nombre de points de réception dans de tels réseaux est de plusieurs dizaines.

Des réseaux phasés structurellement plats sont intégrés soit dans la paroi avant de la mallette, soit dans un gilet porté sous une chemise, etc. Les composants électroniques nécessaires peuvent également être placés dans un étui ou sous les vêtements. Ainsi, les réseaux phasés plats avec camouflage sont visuellement plus secrets qu'un microphone parabolique.

Un microphone-tuyau est une antenne acoustique de réception tubulaire en phase chargée sur un microphone très sensible ou un réseau de microphones connectés en série. Contrairement aux microphones paraboliques et aux réseaux acoustiques plats, il reçoit le son non pas sur un plan, mais le long d'une certaine ligne coïncidant avec la direction de la source sonore.

Représentant caractéristique Ce type de microphone est le microphone « Acoustic Gun ».

Le microphone comporte plusieurs dizaines de tubes minces dont la longueur varie de quelques centimètres à un mètre ou plus. La longueur des tubes est calculée à partir de l'état de résonance aux fréquences présentes dans les vibrations acoustiques créées par la parole. Les tuyaux sont assemblés en un faisceau : longs au centre, courts le long de la surface extérieure du faisceau. Les extrémités des tubes d'un côté forment une coupe plate qui pénètre dans le volume pré-capsule du microphone. Les ondes sonores arrivant au récepteur dans la direction axiale pénètrent dans le volume de la précapsule à travers les tubes dans la même phase et leurs amplitudes sont additionnées arithmétiquement. Les ondes sonores arrivant sous un angle par rapport à l’axe sont déphasées car les tubes ont des longueurs différentes. Par conséquent, leur amplitude totale sera nettement inférieure. La portée de réception du signal peut être augmentée en utilisant pluséléments tubulaires.

Les microphones tubulaires à ondes progressives captent également le son le long d’une ligne qui coïncide avec la direction de la source sonore.

La base du microphone est un guide sonore sous la forme d'un tube creux rigide d'un diamètre de 10 à 30 mm avec des trous oblongs spéciaux placés en rangées sur toute la longueur du guide sonore, avec une géométrie circulaire pour chacune des rangées. . Il est évident que lors de la réception du son provenant de la direction axiale, il y aura une addition en phase des signaux pénétrant dans le guide sonore à travers toutes les fentes, puisque les vitesses de propagation du son à l'extérieur et à l'intérieur du tube sont les mêmes. Lorsque le son arrive sous un angle par rapport à l'axe du microphone, cela conduit à un décalage de phase, puisque la vitesse du son dans le tube sera supérieure à la composante axiale de la vitesse du son à l'extérieur de celui-ci, de sorte que la réception la sensibilité diminue. En règle générale, la longueur d'un microphone tubulaire est comprise entre 15 et 200 mm à 1 m. Plus sa longueur est longue, plus la suppression des interférences provenant des directions latérale et arrière est forte.

Les microphones laser utilisent un faisceau laser réfléchi et modulé par la surface sondée pour intercepter les informations.

L'objet sondé - généralement une vitre - est une sorte de membrane qui vibre avec fréquence sonore, créant une bande sonore de la conversation. Le rayonnement généré par l'émetteur laser, se propageant dans l'atmosphère, est réfléchi depuis la surface de la vitre et modulé par un signal acoustique, puis perçu par un photodétecteur, qui restitue le signal de reconnaissance.

Dans cette technologie, le processus de modulation revêt une importance fondamentale, qui peut être décrite comme suit.

Onde sonore, généré par la source signal sonore, tombe sur l'interface air-verre et crée une sorte de vibration, c'est-à-dire une déviation de la surface du verre par rapport à sa position d'origine. Ces écarts provoquent une diffraction de la lumière réfléchie par la frontière. Si les dimensions du faisceau optique incident sont petites par rapport à la longueur de l’onde « de surface », alors la superposition des différentes composantes de la lumière réfléchie sera dominée par un faisceau de diffraction d’ordre zéro. Dans ce cas, d'une part, la phase de l'onde lumineuse s'avère modulée dans le temps avec la fréquence du son et uniforme sur la section transversale du faisceau, et d'autre part, le faisceau « oscille » avec la fréquence du son autour de la direction de réflexion spéculaire.

Par exemple, un laser hélium-néon peut être utilisé comme source de rayonnement. Conseil rayonnement laser sur la vitre de la pièce souhaitée s'effectue à l'aide d'un viseur télescopique. Il existe aujourd'hui déjà des possibilités fondamentales pour enregistrer les vibrations du verre à une distance allant jusqu'à 10ˉ¹ - 10ˉ¹ m. La portée de reconnaissance peut atteindre 1 000 m.

En un point situé normalement au vitrage de la fenêtre, il suffit d'organiser un poste de contrôle (CP). Sinon, il faut organiser deux points de contrôle, l'emplacement du second est choisi en tenant compte de la loi de réflexion faisceau de lumièreφ1= φ2.

4.3 Traitement des signaux vocaux interceptés

L'audition humaine, comme on le sait, a la propriété de masquer. Des sons faibles sont camouflés par des plus forts. Nous n'entendrons chaque son donné dans le tableau qu'en l'absence de sons plus forts.

Si nous écoutons un enregistrement enregistré dans la rue, la principale chose que nous entendrons est un bourdonnement dans lequel de nombreux sons incompréhensibles se confondent, tombant du champ acoustique dans le microphone. De plus, les équipements électroniques permettant d'enregistrer, de transmettre et de reproduire un signal vocal sont soumis à diverses interférences électriques et électromagnétiques, que nous entendons également dans les écouteurs.

Des méthodes permettant de nettoyer les signaux vocaux des interférences spatiales, dont la source est située sur le côté, sont incorporées dans la conception des microphones directionnels. Cependant, il existe des interférences acoustiques situées sur le même axe que la source du signal vocal, ou les interférences sont suffisamment importantes pour avoir un effet interférent même lors de l'utilisation de microphones directionnels.

Pour améliorer la qualité et permettre de corriger une conversation enregistrée, des enregistreurs stéréo et des égaliseurs sont utilisés. Les magnétophones stéréo permettent, grâce à l'effet stéréo, de différencier et de séparer les interférences telles que le bruit de la parole conversationnelle informative. appareils ménagers, bruit extérieur de la rue, etc. Les égaliseurs sont des appareils dotés d'un ensemble de filtres différents : filtres hauts et basses fréquences, passe-bande, octave, Chebyshev et autres. Ces filtres sont activés selon un programme spécifique en fonction de la nature de la distorsion et des interférences du signal. Outre les égaliseurs, des systèmes logiciels et matériels spéciaux sont utilisés pour augmenter l'intelligibilité de la parole.

À titre d'exemple de nettoyage du bruit d'un signal vocal, considérons l'utilisation d'un filtre adaptatif (AF).

Selon la méthode de distinction des interférences d'un signal, les AF sont divisés en monocanal (AF1) et deux canaux (AF2). Un filtre monocanal n'a qu'une entrée principale et un filtre à deux canaux a une entrée de référence supplémentaire.

Dans AF1, le signal d'interférence est « prédit » par un filtre de prédiction linéaire (LPF) basé sur l'analyse du signal de parole bruitée (RS) arrivant à l'entrée puis soustrait de ce signal. Le principe de fonctionnement d'un tel filtre repose sur le fait que le PC est processus aléatoire et ne peut être prédit, et tout ce qui peut être prédit est un obstacle. AF1 est utilisé pour supprimer les interférences périodiques et à bande étroite, par exemple les interférences du réseau courant alternatif, bruit du climatiseur, « bourdonnement » des mécanismes, etc. AF1 ne peut pas se débarrasser des interférences sonores à large bande : musique, parole, bourdonnement d'une grande pièce, etc.

AF2 dispose de deux entrées : l'entrée principale (OSN) reçoit un RS bruyant et l'entrée de référence (RS) reçoit un signal d'interférence. Tout ce qui est « similaire » dans ces canaux est soustrait du signal bruité. AF2 est utilisé pour supprimer les interférences périodiques, à bande étroite et à large bande, jusqu'à la séparation de deux conversations.

Le fonctionnement de l’AF peut être représenté comme une « soustraction » du spectre d’interférence du spectre d’un signal bruité. AF1 élimine presque complètement les composantes harmoniques puissantes d’un RS bruyant. Lors de l'utilisation de AF2, l'efficacité est déterminée par la méthode d'obtention du signal de référence. Le rapport signal/bruit (SNR) à la sortie AF2 est déterminé uniquement par le rapport SNR à l'entrée de référence :

Ainsi, plus le bruit est important et plus le signal à l’entrée OP est petit, meilleur est le SNR à la sortie AF2. DANS idéalement, lorsque seul le bruit est présent à l'entrée OP, il est presque complètement supprimé. Par exemple, si un RS utile est bruyant avec le « bruit » d'une transmission radio, vous devez connecter l'entrée de référence AF2 au signal électrique d'un récepteur radio qui reçoit le même programme. Si les deux canaux sont reçus à l'aide de microphones du champ acoustique, le microphone d'entrée doit alors être situé à proximité de la source d'interférence.

Exactement le même principe est utilisé pour débruiter un signal vocal lors de l'utilisation, par exemple, d'interférences vibro-acoustiques actives.

Un capteur stéréo du stéthoscope est situé sur le mur à proximité immédiate du transducteur électroacoustique du système de protection, là où le niveau d'interférence est maximum (point 1), le second est à un point avec un rapport signal/interférence minimum (point 2). . Pendant les pauses entre les conversations, le coefficient d'atténuation du bruit vibratoire tel qu'il se propage à travers la structure protégée est calculé. La correction correspondante est réglée dans le compensateur

De plus, au moment de la conversation, les signaux sont enregistrés et, compte tenu de la correction (atténuation du signal) effectuée par le compensateur, deux signaux mixtes sont fournis à l'entrée de l'additionneur, dont la composante d'interférence est la même. , et la composante du signal de reconnaissance est d'amplitude différente. Après soustraction, la sortie de l'additionneur produit un signal vocal absolument purifié, bien qu'atténué en amplitude.

Réflecteur d'angle Apollo 11

mesurer les distances entre deux points de la surface de la Terre et la Lune, respectivement, par télémétrie laser avec ou sans réflecteurs d'angle situés à la surface de la Lune. Importance scientifique de telles expériences visent à clarifier la constante gravitationnelle et à tester la théorie de la relativité ; clarification d'un certain nombre de paramètres de mouvement système dynamique Terre-Lune ; obtenir de nouvelles données sur propriétés physiques Et structure interne Terre et Lune, etc.

Histoire

La « boîte » ouverte à gauche est le réflecteur d’angle de Lunokhod-1, conçu pour déterminer la distance à la Lune.

Des expériences sur la télémétrie laser de la Lune, même sans l'utilisation de réflecteurs d'angle, ont été menées depuis le début des années 1960 aux États-Unis et en URSS. Aux USA, du 9 au 11 mai 1962, deux télescopes du MIT Cassegrain ont été utilisés à cet effet, le premier d'un diamètre de 30,5 cm dirigeait un faisceau laser rubis vers la Lune, le second d'un diamètre de 122 cm reçu le signal réfléchi. Les cratères Albategnium, Tycho, Copernicus et Longomontanus ont été localisés. En URSS, en 1963, un carré était situé à l'intérieur du cratère lunaire Albategnium, et à la fois pour envoyer un faisceau laser à rubis et pour le recevoir, un télescope d'un diamètre de 260 cm de l'Observatoire astrophysique de Crimée a été utilisé, dans lequel, après avoir envoyé un signal, un miroir spécial a changé de position, dirigeant celui réfléchi par le signal de la surface de la Lune vers le photodétecteur. Cet observatoire a effectué les premières mesures de la distance à la Lune par télémétrie laser, lorsqu'en 1965 il nouvelle installation, fabriqué à l'Institut physique Lebedev, a été déterminé avec une précision de 200 mètres. De plus, la précision était alors limitée par la forte distorsion du faisceau laser par la surface lunaire.

Le 21 juillet 1969, les astronautes d'Apollo 11 installaient le premier réflecteur d'angle sur la Lune. Plus tard, des réflecteurs similaires ont été installés par les astronautes des programmes Apollo 14 et Apollo 15. Le réflecteur d'Apollo 15 est le plus grand, composé d'un panneau de trois cents prismes ; les deux autres réflecteurs d'Apollo avaient chacun 100 prismes ; l'isolation thermique était un lourd boîtier en alliage d'aluminium. Les rovers lunaires soviétiques Lunokhod 1, livrés sur la Lune dans le cadre de la mission Luna 17, et Lunokhod 2, livrés dans le cadre de la mission Luna 21, étaient également équipés de réflecteurs d'angle. Les réflecteurs eux-mêmes ont été fabriqués en France et le système de protection contre la poussière ainsi que le système d'orientation ont été développés par des spécialistes soviétiques. Le réflecteur d'angle du Lunokhod était un système de 14 pyramides tétraédriques en verre placées dans une boîte isolée thermiquement de manière à ce que leurs bords inclinés soient ouverts au faisceau laser.

Les premiers signaux de Lunokhod-1 ont été reçus les 5 et 6 décembre 1970 par le télescope de 2,6 mètres mentionné ci-dessus de l'Observatoire astrophysique de Crimée, et le même mois, ils ont été reçus par l'Observatoire du Pic du Midi. Le réflecteur Lunokhod-1 a fourni environ 20 observations au cours de la première année et demie de fonctionnement, mais sa position exacte a ensuite été perdue et il n'a été possible de le retrouver qu'en avril 2010. On a supposé que le rover lunaire était dans une position inclinée, ce qui affaiblit le signal réfléchi par celui-ci et rend difficile sa recherche si les données sur les coordonnées sur la surface lunaire sont inexactes. Le réflecteur de Lunokhod-1 aurait pu être retrouvé si le lapin réfléchi par lui était tombé sur des photographies optiques de la surface lunaire, qui devaient être prises à l'aide du satellite Lunar Reconnaissance Orbiter, ou dans le champ de vision d'autres stations lunaires. Le 22 avril 2010, Lunokhod 1 a été découvert à la surface de la Lune par Tom Murphy et une équipe de scientifiques qui ont envoyé des impulsions laser depuis le télescope de l'observatoire Apache Point au Nouveau-Mexique.

Le télescope Skol-1 a également été parmi les premiers à localiser la Lune. "Skol-1" a été installé sur le territoire du NIP-16 et a travaillé sur "Lunokhod-1".

Il n'y a eu aucun problème pour déterminer l'emplacement des quatre réflecteurs restants, dont celui installé sur Lunokhod-2, leur sondage constant est effectué ; ce moment stations à proximité, dont Laboratoire propulsion à réaction La NASA, qui observe la télémétrie laser des réflecteurs depuis leur installation. Sur le télescope de 2,6 mètres de l'Observatoire astrophysique de Crimée, où était installé en 1978 un équipement permettant de mesurer la distance à la Lune avec une précision de 25 cm, un total de 1 400 déterminations de cette valeur ont été effectuées, le plus souvent pour les réflecteurs d'angle de Lunokhod-2 et Apollo 15." Cependant, en 1983, les travaux ont été interrompus en raison de la réduction du programme lunaire soviétique.

Les principales stations effectuant la télémétrie laser de la Lune

JPL NASA, Californie, États-Unis
Observatoire McDonald, Texas, États-Unis
OCA, Nice, France
Haleakala, Îles hawaïennes, ETATS-UNIS
Apache Point, Nouveau-Mexique, États-Unis
Matera, Matera, Italie
Succursale OCA, Afrique du Sud

Principe de mesure

Faisceau laser pointé vers la Lune

Le laser émet un signal dans un télescope dirigé vers un réflecteur et l'heure exacte à laquelle le signal a été émis est enregistrée. Certains photons du signal d'origine sont renvoyés au détecteur afin d'enregistrer point de départ données. La superficie du faisceau du signal à la surface de la Lune est de 25 km ?. La lumière réfléchie par l'appareil sur la Lune revient au télescope en une seconde environ, puis passe à travers un système de filtrage pour obtenir des photons à la longueur d'onde souhaitée et filtrer le bruit.

Exactitude des observations

Depuis les années 1970, la précision des mesures de distance est passée de quelques dizaines à plusieurs centimètres. Nouvelle gare Apache Point peut atteindre une précision de l’ordre du millimètre.

La précision de la mesure du temps à l’heure actuelle est d’environ 30 picosecondes.

Télémétrie laser

La télémétrie laser dans la presse étrangère fait référence au domaine de l'optoélectronique, qui s'occupe de la détection et de la détermination de l'emplacement de divers objets à l'aide de ondes électromagnétiques plage optique émise par les lasers. Les chars, les navires, les missiles, les satellites, les structures industrielles et militaires peuvent devenir des objets de télémétrie laser. En principe, la télémétrie laser est réalisée selon la méthode active.

La télémétrie laser, tout comme le radar, repose sur trois propriétés principales des ondes électromagnétiques :

1. La capacité de se refléter sur les objets. La cible et l’arrière-plan sur lequel elle se trouve reflètent différemment le rayonnement incident sur elles.

Le rayonnement laser est réfléchi par tous les objets : métalliques et non métalliques, des forêts, des terres arables et de l'eau. De plus, il est réfléchi par tous les objets dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde, mieux que les ondes radio. Ceci est bien connu grâce au principe de base de la réflexion, selon lequel plus la longueur d’onde est courte, meilleure est la réflexion. La puissance du rayonnement réfléchi dans ce cas est inversement proportionnelle à la longueur d'onde à la quatrième puissance. Un localisateur laser a fondamentalement une plus grande capacité de détection qu'un radar : plus l'onde est courte, plus elle est élevée. C'est pourquoi, à mesure que le radar se développait, la tendance à passer de longues vagues aux plus courts. Cependant, la production de générateurs de radiofréquences émettant des ondes radio ultra-courtes est devenue de plus en plus difficile, pour finalement aboutir à une impasse. La création des lasers a ouvert de nouvelles perspectives dans la technologie de localisation.

2. Capacité à se propager en ligne droite. L'utilisation d'un faisceau laser étroitement dirigé, qui balaye l'espace, permet de déterminer la direction vers l'objet (relèvement cible). Cette direction est trouvée par l'emplacement de l'axe du système optique qui génère le rayonnement laser. Plus le faisceau est étroit, plus le relèvement peut être déterminé avec précision.

Des calculs simples montrent que pour obtenir un coefficient de directivité d'environ 1,5, lors de l'utilisation d'ondes radio de l'ordre du centimètre, il faut disposer d'une antenne d'un diamètre d'environ 10 m. Il est difficile d'installer une telle antenne sur un char, et encore plus avion. Il est encombrant et non transportable. Vous devez utiliser des vagues plus courtes.

On sait que l'angle angulaire d'un faisceau laser produit à l'aide d'une substance active à l'état solide n'est que de 1,0,1,5 degrés et sans système optique supplémentaire.

Par conséquent, les dimensions d'un localisateur laser peuvent être nettement inférieures à celles d'un radar similaire. L'utilisation de systèmes optiques de petite taille permettra de réduire le faisceau laser à plusieurs minutes d'arc, si le besoin s'en fait sentir.

3. La capacité du rayonnement laser à se propager à partir de vitesse constante permet de déterminer la distance à un objet. Ainsi, avec la méthode de télémétrie par impulsions, la relation suivante est utilisée : L = ct/2, où L est la distance à l'objet, c est la vitesse de propagation du rayonnement, t est le temps nécessaire à l'impulsion pour se déplacer jusqu'à l'objet. cible et retour.

Quels paramètres sont utilisés pour caractériser un localisateur ? Quelles sont les données de son passeport ? Examinons quelques-uns d'entre eux.

Tout d’abord, la zone de couverture. On entend par là la région de l'espace dans laquelle l'observation est effectuée. Ses limites sont déterminées par les portées de fonctionnement maximales et minimales et les limites de visualisation en élévation et en azimut. Ces dimensions sont déterminées par le but du localisateur laser militaire.

Un autre paramètre est le temps de révision. Il fait référence au temps pendant lequel le faisceau laser produit un seul relevé d'un volume d'espace donné.

Le paramètre de localisateur suivant concerne les coordonnées déterminées.

Ils dépendent de l'objectif du localisateur. S'il est destiné à déterminer l'emplacement d'objets terrestres et sous-marins, il suffit alors de mesurer deux coordonnées : la portée et l'azimut. Lors de l'observation d'objets aériens, trois coordonnées sont nécessaires. Ces coordonnées doivent être déterminées avec une précision donnée, qui dépend de la méthode systématique et erreurs aléatoires. Nous utiliserons un concept tel que la résolution. La résolution signifie la capacité de déterminer séparément les coordonnées de cibles proches.

Chaque coordonnée a sa propre résolution. De plus, une caractéristique telle que l'immunité au bruit est utilisée. Il s'agit de la capacité d'un localisateur laser à fonctionner dans des conditions d'interférences naturelles et artificielles. Et très caractéristique importante le localisateur est la fiabilité. C'est la propriété d'un localisateur de maintenir ses caractéristiques dans les limites établies dans des conditions de fonctionnement données.

La télémétrie laser est le domaine de l'optoélectronique qui traite de la détection et de la détermination de l'emplacement de divers objets à l'aide d'ondes électromagnétiques dans la plage optique émise par les lasers. Les objets de télémétrie laser peuvent être des chars, des navires, des missiles, des satellites, des structures industrielles et militaires. En principe, la télémétrie laser est réalisée selon la méthode active. Nous savons déjà que le rayonnement laser diffère du rayonnement thermique en ce sens qu'il est étroitement dirigé, monochromatique, a une puissance d'impulsion élevée et une luminosité spectrale élevée. Tout cela rend la localisation optique compétitive par rapport au radar, en particulier lorsqu'elle est utilisée dans l'espace (où il n'y a pas d'influence absorbante de l'atmosphère) et sous l'eau (où il y a des fenêtres de transparence pour un certain nombre d'ondes dans la plage optique).

La télémétrie laser, comme le radar, repose sur trois propriétés principales des ondes électromagnétiques :

1. La capacité de se refléter sur les objets. La cible et le fond sur lequel elle se trouve réfléchissent différemment le rayonnement qui leur tombe dessus. Le rayonnement laser est réfléchi par tous les objets : métalliques et non métalliques, des forêts, des terres arables et de l'eau. De plus, il est réfléchi par tous les objets dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde, mieux que les ondes radio. Ceci est bien connu grâce au principe de base de la réflexion, selon lequel plus la longueur d’onde est courte, meilleure est la réflexion. La puissance du rayonnement réfléchi dans ce cas est inversement proportionnelle à la longueur d'onde à la quatrième puissance. Un localisateur laser a fondamentalement une plus grande capacité de détection qu'un radar : plus la longueur d'onde est courte, plus elle est élevée. C'est pourquoi, à mesure que le radar se développait, on avait tendance à passer des ondes longues aux ondes plus courtes. Cependant, la production de générateurs de radiofréquences émettant des ondes radio ultracourtes est devenue de plus en plus tâche difficile, puis est arrivé dans une impasse.

La création des lasers a ouvert de nouvelles perspectives dans la technologie de localisation.

2. Capacité à se propager en ligne droite. L'utilisation d'un faisceau laser étroitement dirigé, utilisé pour balayer l'espace, vous permet de déterminer la direction vers l'objet (relèvement cible).

Cette direction est trouvée par l'emplacement de l'axe du système optique qui génère le rayonnement laser (en radar - en direction de l'antenne). Plus le faisceau est étroit, plus le relèvement peut être déterminé avec précision. Déterminons le coefficient de directivité et le diamètre de l'antenne à l'aide de la formule simple suivante,

G= 16h*S

où G est le coefficient de directivité, S est la surface de l'antenne, m2, / est la longueur d'onde du rayonnement μm.

Des calculs simples montrent que pour obtenir un coefficient de directivité d'environ 1,5 lors de l'utilisation d'ondes radio de l'ordre du centimètre, il faut disposer d'une antenne d'un diamètre d'environ 10 m. Il est difficile d’installer une telle antenne sur un char, encore moins sur un avion. Il est encombrant et non transportable. Vous devez utiliser des vagues plus courtes.

On sait que l'angle angulaire d'un faisceau laser fabriqué à l'aide d'une substance active à l'état solide n'est que de 1,0 à 1,5 degrés et sans systèmes de focalisation optique supplémentaires (antennes). Par conséquent, les dimensions d'un localisateur laser peuvent être nettement inférieures à celles d'un radar similaire. L'utilisation de systèmes optiques de petite taille permettra de réduire le faisceau laser à plusieurs minutes d'arc, si le besoin s'en fait sentir.

3. La capacité du rayonnement laser à se propager à une vitesse constante permet de déterminer la distance à un objet. Donc. La méthode de télémétrie par impulsions utilise le rapport suivant :

L= côtéEt

Où L - distance à l'objet, km, C - vitesse de propagation du rayonnement km/s, t et - temps de passage de l'impulsion vers la cible et retour, s.

La prise en compte de cette relation montre que la précision potentielle de la mesure de la distance est déterminée par la précision de la mesure du temps nécessaire à l'impulsion d'énergie pour se rendre à l'objet et en revenir. Il est absolument clair que plus l'impulsion est courte, mieux c'est (s'il y a une bonne bande passante, comme disent les opérateurs radio). Mais nous savons déjà que la physique elle-même du rayonnement laser offre la possibilité d'obtenir des impulsions d'une durée de 10-7 à 10-8 s. Et cela fournit de bonnes données au localisateur laser.

Quels paramètres sont utilisés pour caractériser un localisateur ? Quelles sont les données de son passeport ? Examinons-en quelques-uns, voir Fig.

Tout d'abord, la zone. On entend par là la région de l'espace dans laquelle l'observation est effectuée. Ses limites sont déterminées par la portée maximale et minimale et les limites de visualisation en élévation et en azimut. Ces dimensions sont déterminées par le but du localisateur laser militaire.

Un autre paramètre du localisateur est la durée de visualisation. Il fait référence au temps pendant lequel le faisceau laser fournit un aperçu unique d'un volume d'espace donné.

Le paramètre suivant du localisateur est les coordonnées déterminées. ils dépendent de l'objectif du localisateur. S'il est destiné à déterminer l'emplacement d'objets au sol et en surface, il suffit alors de mesurer deux coordonnées : la distance et l'azimut. Lors de l'observation d'objets aériens, trois coordonnées sont nécessaires. Ces coordonnées doivent être déterminées avec une précision donnée, qui dépend d'erreurs systématiques et aléatoires. Leur considération dépasse le cadre de cet ouvrage. Cependant, nous utiliserons un concept tel que le pouvoir de résolution. La résolution signifie la capacité de déterminer séparément les coordonnées de cibles proches. Chaque coordonnée a sa propre résolution. De plus, une caractéristique telle que l'immunité aux interférences est utilisée. Il s'agit de la capacité d'un localisateur laser à fonctionner dans des conditions d'interférences naturelles (Soleil, Lune) et artificielles.

Et une caractéristique très importante d’un localisateur est sa fiabilité. C'est la propriété d'un localisateur de maintenir ses caractéristiques dans les limites établies dans des conditions de fonctionnement données.

Pour un schéma d'un localisateur laser conçu pour mesurer quatre paramètres principaux d'un objet (portée, azimut, élévation et vitesse), voir Fig. à la page 17. Il est clairement visible que structurellement un tel localisateur se compose de trois blocs : transmission, réception et indicateur. L'objectif principal du localisateur émetteur est de générer un rayonnement laser, sa formation dans l'espace, le temps et la direction vers la zone de l'objet. L'unité de transmission est constituée d'un laser avec une source d'excitation, d'un Q-switch, d'un dispositif de balayage qui assure l'envoi d'énergie dans une zone donnée selon une loi de balayage donnée, ainsi que d'un système optique de transmission.

L'objectif principal de l'unité de réception est de recevoir le rayonnement réfléchi par un objet, de le convertir en signal électrique et de le traiter pour extraire des informations sur l'objet. Il se compose d'un système optique de réception, d'un filtre interférentiel, d'un récepteur de rayonnement, ainsi que d'unités de mesure de la portée, de la vitesse et des coordonnées angulaires.

Le bloc indicateur est utilisé pour indiquer sous forme numérique des informations sur les paramètres cibles.

Selon l'usage auquel sert le localisateur, il existe : des télémètres, des compteurs de vitesse (localisateurs Doppler), des localisateurs eux-mêmes (portée, azimut et élévation).

SCHÉMA DE LOCALISATION LASER

destinataire

radiation

filtre optique

système optique de réception

BLOC INDICATEUR

BLOC DE RÉCEPTION

unité de mesure de distance

unité de mesure de vitesse

unité de mesure de coordonnées angulaires

Angle d'élévation

Vitesse

Unité de puissance

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La télémétrie laser fait référence à méthodes à distance recherche.

La télémétrie laser dans la presse étrangère fait référence au domaine de l'optoélectronique, qui traite de la détection et de la détermination de l'emplacement de divers objets à l'aide d'ondes électromagnétiques dans la plage optique émises par les lasers. Les objets de télémétrie laser peuvent être des chars, des navires, des missiles, des satellites, des structures industrielles et militaires.

L'utilisation de la télémétrie laser pour la recherche et le contrôle qualité du bassin atmosphérique permet de mesurer rapidement la pollution de l'air dans une plage illimitée gros volumes, augmentant ainsi la précision et la fiabilité des informations initiales pour la conception.

En télémétrie laser, lorsque les informations reçues ont un caractère statistique prononcé, une telle approche est particulièrement justifiée. En effet, dans dans ce cas les coefficients individuels ne sont déterminés qu'avec une certaine précision, de sorte qu'une augmentation de leur nombre entraîne une augmentation des informations sur le signal enregistré uniquement jusqu'à une certaine limite, après quoi l'augmentation des informations est compensée par une augmentation des erreurs de fluctuation.

En télémétrie laser, le modèle d'un signal complètement connu est irréaliste, car connaître le signal réfléchi avec précision à la phase équivaut à connaître la distance jusqu'à la cible avec précision à la longueur d'onde.

La méthode de télémétrie laser utilise des réflecteurs d'angle.

Du point de vue de la télémétrie laser, tous les effets atmosphériques peuvent être (bien que dans certains cas de manière très conditionnelle) divisés en deux groupes. Le premier groupe comprend les phénomènes qui provoquent une modification de l'intensité totale du véhicule se dirigeant vers le but. flux lumineux. Dans le second - ceux qui provoquent une modification des paramètres géométriques du faisceau éclairant (son expansion et sa déviation) et une redistribution de l'énergie dans la zone cible.

Partir planifier théorie générale télémétrie laser et principes de construction de dispositifs de télémétrie laser conçus pour résoudre large éventail problèmes pratiques. D’un point de vue théorique unifié solutions statistiques Les principales problématiques de réception optimale des signaux de localisation laser sont abordées. Des méthodes de traitement des mesures de trajectoire et diverses méthodes d'obtention d'informations non coordonnées, notamment holographiques, interférométriques et adaptatives, sont analysées. Sur exemples spécifiques Les principes de base de la construction de dispositifs laser expérimentaux sont examinés.

Au-delà de la recherche général Pour la télémétrie laser, les recherches liées aux distorsions d'images spécifiques s'avèrent très importantes. Cela permettra, d'une part, d'habituer l'opérateur à la perception de telles images, et d'autre part, de fixer les paramètres limites des distorsions de phase pour lesquels la qualité des images ne dépasse pas les normes acceptables.

La monographie présente la théorie générale de la télémétrie laser et les principes de construction d'équipements de télémétrie laser conçus pour résoudre un large éventail de problèmes pratiques. Du point de vue de la théorie des solutions statistiques, les principales problématiques de réception optimale des signaux de localisation laser et de mesures de paramètres sont envisagées. Des méthodes de traitement des mesures de trajectoire et diverses méthodes d'obtention d'informations non coordonnées, notamment holographiques, interférométriques et adaptatives, sont analysées.

Au début des années 80, la télémétrie laser était devenue un domaine scientifique et technique indépendant.

Pour la plupart des longueurs d'onde intéressantes du point de vue de la télémétrie laser, les coefficients de diffusion moléculaire et corpusculaire augmentent en proportion inverse de la longueur d'onde à la puissance quatrième. La diffusion moléculaire (Rayleigh) de la lumière a inévitablement lieu et elle ne change pratiquement pas avec le temps, mais n'interfère pratiquement pas avec le passage de la lumière des longueurs d'onde visibles et infrarouges. Par exemple, un rayonnement d'une longueur d'onde de 0,5 μm, dirigé verticalement du niveau de la mer au zénith, sera atténué dans l'atmosphère en raison de la diffusion Rayleigh de seulement 13 % ; dans l'infrarouge lointain (10 6 μm), la diffusion Rayleigh peut généralement être négligée.

Considérons d'abord la question des corrections non linéaires dans l'équation de télémétrie laser pour les schémas de détection d'aérosols traditionnels.

Parmi toute la grande classe de lasers à semi-conducteurs, trois types sont les plus largement utilisés dans la télémétrie laser moderne : les lasers à rubis, les lasers à verre néodyme et les lasers à grenat, fonctionnant en mode impulsionnel. Le premier type produit un rayonnement à une longueur d'onde R0 69 μm, les deuxième et troisième - à K 1 06 μm. Les puissances d'impulsion réalisées par ces lasers atteignent jusqu'à 109 W avec une durée d'impulsion de 10 à 8 s et un taux de répétition des impulsions allant jusqu'à 10 Hz et plus.