Литература

Лазерная локация земли и леса

3.1. Зондирующие свойства лазерного излучения

Зондирующее свойство лазерного излучения основано на том, что объекты, расположенные на пути распространения лазерного луча, вызывают его отражение от своей поверхности. В результате от такого объекта начинает распространяться вторичная волна, часть энергии которой возвращается в точку излучения и фиксируется приемником. При этом время, затраченное на распространение от источника к объекту и обратно к приемнику, позволяет однозначно судить о дальности от локатора до объекта. Изложенный принцип измерения дальности до объектов является основой лазерной дальнометрии (Шануров, 1991).

Главной характерной чертой лазерного излучения, определяющего возможность его использования для целей локации, является узкая диаграмма направленности, которая обеспечивается использованием в качестве излучателя лазера.

Применительно к задачам использования лидаров в качестве средств авиационного дистанционного зондирования для топографо-геодезических и инженерно-изыскательских задач зондирующие свойства лазерного излучения должны быть конкретизированы по следующим направлениям:

  1. необходимо принять во внимание специфику отражения лазерного излучения от всех основных классов объектов, составляющих типовую сцену наблюдения. Таковыми классами объектов являются поверхность Земли, растительность, антропогенные образования (здания и сооружения), провода и опоры ЛЭП и др. Зондирующие свойства лазерного излучения должны быть детализированы для каждого класса объектов, принимая во внимание различия их оптических свойств, геометрии, текстуры поверхности и других факторов;
  2. область исследования может быть значительно сужена и его конкретность повышена за счет четкого определения условий эксплуатации лидаров, характерных для современного уровня развития подобных средств.

Так, достаточно рассматривать излучение импульсных лазеров на примесных кристаллах, механические системы развертки, дальности до 3500 м.

Рассмотрим определения основных физических категорий, использованных в настоящей работе для описания оптических явлений, связанных с распространением лазерного излучения. Все категории разбиты на две группы. К первой группе отнесены общепринятые фотометрические термины (табл. 9).

Таблица 9. Общепринятые фотометрические величины и единицы их измерения

Обозначение Наименование Определение Единица измерения
Ф Поток излучения Энергия электромагнитного излучения, переносимого сквозь поверхность за единицу времени Вт
E Плотность потока излучения formula_18(1).png
dФ – поток излучения через бесконечно малую поверхность dS, перпендикулярную к направлению распространения излучения
Вт/м2

Их трактовка и обозначения даны в соответствии с (Бруевич, 1990). Во второй группе представлены специальные термины, введенные с учетом специфики настоящей работы с учетом того, что применительно к задачам работы излучение лазера может рассматриваться как монохроматическое, все использованные энергетические величины и их производные рассматриваются как функции пространственных координат, направления и времени, но не длины волны (табл. 10).

Таблица 10. Специальные фотометрические величины и единицы их измерения
xxxx.png

Эффективный диаметр лазерного луча на расстоянии от излучателя может быть оценен формулой:

formula_19.png

Практически в современных лазерных локаторах величина a составляет не более нескольких миллиметров, в то время как реальные дальности H составляют не менее 100 м (рис. 22). С учетом этого обстоятельства можно полагать:formula_21.png

pic_22.png
Рисунок 22. Изменение эффективного диаметра лазерного луча в зависимости от дальности

Термин «эффективный» применительно к величинам simbol_13.png fозначает, что они определяются на таком расстоянии от оси лазерного луча, на котором интенсивность излучения убывает до величины 1/e = 0.368 от максимального значения.

Перейдем к выводу аналитической зависимости, описывающей распределение поверхностной плотности потока в поперечном сечении лазерного луча. Обозначим через W(t) мгновенное значение выходной мощности излучателя на выходном зрачке. Это значение будем отождествлять с потоком Ф(t), переносимым лазерным лучом сквозь свое поперечное сечение. Для оценки распределения энергии излучения в пространстве будем пользоваться понятием поверхностной плотности потока излучения:

formula_20.png

Сделаем несколько предварительных замечаний относительно величины E:

  1. значение E очевидно является функцией времени t. Более конкретно, значение E в каждой точке пространства в определенный момент времени tпрямо пропорционально мгновенной мощности излучения W(t). В дальнейшем будем обозначать Eи все связанные с ней величины без ссылки на время.
  2. в силу того, что угол расходимости simbol_4.gif мал, будем полагать, что излучение распространяется строго параллельно оси лазерного луча.

Обратимся к рисунку 23. Введением двумерной системы координат Oxy, лежащей в плоскости поперечного сечения луча, задача определения поверхностной плотности потока в произвольной точке пространства сводится к установлению функциональной зависимости вида – E = f(H, x, y).

pic_23.png
Рисунок 23. Система координат для описания распределения плотности потока в поперечном сечении зондирующего луча

Поток излучения на выходе оптической системы по определению равен выходной мощности излучателя – formula_26.png

Изменение интенсивности потока с удалением от источника описывается законом Бугера: formula_25.png, где simbol_23.gif – коэффициент поглощения атмосферы. Для рабочей длины волны лазерного локатора ALTM simbol_8.gif = 1048 нм simbol_23.gif = 3.57x10_4.gif м_1.gif.

При достаточно больших значениях H распределение Eв произвольной плоскости поперечного сечения луча имеет вид гауссоиды:

formula_22.png

Данное выражение удовлетворяет двум главным условиям:

formula_23.png

formula_24.png

Первое условие выражает тот факт, что общее количество энергии, сосредоточенное на площади поперечного сечения, равно полному потоку simbol_14.png падающего на это сечение.

Второе условие определяет значение simbol_15.png как эффективный радиус сечения луча, т.к. на границе зоны, определяемой этим значением, величина плотности потока падает в e раз по отношению к максимуму. 

Величины simbol_15.png и simbol_4.gif связаны соотношением simbol_15.png = 0.5simbol_4.gifH. С учетом этого факта и вышеизложенных соображений может быть найдена искомая функциональная зависимость, определяющая значение для произвольной точки пространства:

formula_27.png