Фазовый метод

Для измерения дальности фазовым методом определяют разность фаз посланного на объект и отраженного сигнала. Источник – полупроводниковый лазер на арсениде галлия GaAs (λ=0,91 мкм). В конце дистанции (у объекта) устанавливается угловой отражатель. Отраженное лазерное излучение поступает на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) приемного канала. На умножитель поступает также опорное напряжение. Амплитуда сигнала на выходе ФЭУ изменяется в зависимости от соотношения фаз опорного напряжения и напряжения, пропорционального отраженному сигналу. Плавно регулируя фазу опорного сигнала, добиваются того, чтобы сигнал на выходе ФЭУ был равен 0. Отсчет фазы снимают фазометром, дальность определяют по таблицам (примеры приборов, работающих по такому принципу: дальномер ГД-314 с l =2000 м ±5 см; дальномер «Квант», использующий гелий-неоновый лазер с λ=0,63 мкм, l =1000 м ±0,2 мм). Недостаток метода: обязательное применение зеркального отражателя, устанавливаемого на объекте.

Импульсный метод

Импульсный метод также применяется на больших расстояниях. В импульсных лазерных дальномерах, широко применяемых в космической технике, излучается очень короткий лазерный импульс и измеряется время, в течение которого импульс проходит до объекта и, отразившись от него, возвращается к приемнику.

Схема метода представлена на рис. 8.4. Излучение импульсного лазера 4 длительностью (10…30)∙10^-9 с через линзы 6 и 7 параллельным пучком направляется на объект. Часть излучения полупрозрачным зеркалом 5 направляется на фотоприемник 3. Первым лазерным импульсом запускается прибор отсчета времени 2. Отраженное объектом излучение фокусируется объективом 8 на фотоэлектронный умножитель 9. Усиленный импульс фототока передается в блок управления 10, который запирает прибор отсчета времени. Счетчик 1 фиксирует количество импульсов, прошедших через прибор отсчета времени, с момента излучения первого светового импульса до момента приема отраженного сигнала. Оно пропорционально расстоянию до объекта.

Т очность измерения импульсным дальномером определяется частотой следования и длительностью импульсов. Допустим, что используются импульсы длительностью τ=2∙10^-8 с, следующие с такой частотой, что интервал между ними тоже равен 2∙10^-8 с. Тогда за время между двумя импульсами свет пройдет расстояние Δl=с τ =3∙10⁸∙2∙10^-8=6 м, где с — скорость света. Очевидно, что величина Δl - погрешность измерения. Если необходима более высокая точность, например ± 1 м, то длительность лазерного импульса должна быть уменьшена до 3∙10^-9 с, а частота следования импульсов f = 1/(3∙10^-9) = 300 МГц

С помощью импульсных лазерных дальномеров осуществляется лазерная локация искусственных спутников Земли, определяется взаимная ориентация стыкующихся космических объектов, расстояние между ними и т.п.

8.3. Исследование окружающей среды лазерными методами Лазерное зондирование атмосферы

Если направить в атмосферу импульс, то его распространение сопровождается рядом эффектов:

• возникает вторичное излучение за счет рассеяния света молекулами или неоднородностями атмосферы;

• происходят потери излучения за счет поглощения атомами и молекулами;

• изменяется частота излучения за счет комбинационного рассеяния света;

• изменяется форма импульса и поляризация.

Поэтому, регистрируя эти изменения с помощью высокочувствительных приемников оптического излучения и расшифровывая результаты, можно получить сведения о многих параметрах: давлении, плотности, температуре, влажности, концентрации атмосферных газов, концентрации и размерах частиц, скорости ветра, турбулентных течениях, верхней и нижней границе облаков и т.п. Таким образом, метод лазерного зондирования при исследовании атмосферы универсален.

Кроме этого, его достоинства:

• высокая скорость измерений;

• отсутствие существенного возмущения атмосферы.

Р ассмотрим различные схемы лазерного зондирования (рис.8.5).

В схеме, изображенной на рис. 8.5, а, передающее устройство 1 посылает лазерный луч по контролируемой трассе. В конце трассы располагается приемное устройство 2. При работе по схеме, приведенной на рис. 8.5, б, в конце трассы устанавливается отражатель 2, а приемное устройство 3 либо совмещено с передающим 1, либо располагается рядом с ним. Луч лазера проходит трассу дважды – туда и обратно. Кроме того, для зондирования атмосферы используют схему, представленную на рис. 8.5, в. Лазерный луч посылается передающим устройством 1 в контролируемую область воздушного пространства, и с помощью приемного устройства 2 регистрируется отраженное излучение. Устройства, работающие по такой схеме, называются лидарами.

При лазерном зондировании атмосферы измеряют интенсивность прошедшего, отраженного или рассеянного излучения, его частоту, поляризацию и другие характеристики. Если использовать перестраиваемый по частоте лазер, то, измеряя частотную зависимость интенсивности излучения после прохождения трассы, можно судить о наличии в атмосфере тех или иных химических соединений (т.к. различные соединения поглощают излучения различной частоты). Можно измерить расстояние до аэрозольных слоев и их концентрацию. В лидарах чаще всего используют лазеры на рубине или гранате с неодимом (для обнаружения частиц размером до 1 мкм). При лазерном зондировании атмосферы используют эффект комбинационного рассеяния света. Например, при зондировании атмосферы лазером на рубине (λ = 0,694 мкм) в спектре было обнаружено излучение с длинами волн 0,798 и 0,785 мкм. Сдвиг длины волны при этом составляет 0,798 - 0,694 = 0,104 мкм и 0,785 - 0,694 = 0,091 мкм, что соответствует колебаниям молекул CO и NO. Значит, в атмосфере присутствует угарный газ и оксид азота.