3.2.2. Лідари – лазерні локаційні системи

Створення лазера як джерела когерентного випромінювання привело до розробки широкого класу систем активного дистанційного зондування, які отримали різні назви: лазерний радар, лідар, лазерний флюорометр, лазерний батиметр тощо. З урахуванням спільності складових елементів всіх цих пристроїв новий клас систем активного дистанційного зондування об'єднали одним терміном - лідар. Лідар (Light Detection And Ranging - LIDAR) це лазерний локатор, що використовується для зондування атмосфери, глибин водоймищ, морської і земної поверхні.

Стосовно розміщення виділяють лідари наземного, повітряного і космічного базування. Вони працюючи у видимому ІЧ-діапазоні хвиль, використовувалися раніше у військовій техніці. Сьогодні лідари застосовуються для вирішення багатьох задач, наприклад, моніторингу стану атмосфери, вимірювання швидкості вітру тощо. Лідарна техніка відноситься до одного з найбільш пріоритетних напрямків оптикоелектронного приладобудування. Це викликано тим, що сенсори, базовані на дистанційному лазерному зондуванні, дозволяють проводити детальний аналіз досліджуваних об'єктів і компонент довкілля за їх спектральними характеристиками в умовах суттєво більш низького граничного рівня просторової роздільної здатності спостережувальних систем. До переваг лідарної методу в порівнянні з традиційними відносяться дистанційність, безконтактність, можливість безперервного площадного і профільного сканування, а також висока швидкість детектування. Крім того, важливо, що лідарні комплекси здійснюють оперативне зондування довкілля без деструктивних впливів на нього. У порівнянні з радіохвильовими радарами переваги лазерних сенсорів полягають, насамперед, у завадостійкості і більш високій просторовій роздільній здатності, не кажучи вже про виявлення спектральних ознак розпізнаваних об'єктів.

Оптичне зондування атмосфери основане на розсіянні лазерного випромінювання досліджуваними об'єктами. Інтервал часу між посиланням імпульсу і реєстрації його приймачем однозначно пов'язаний з відстанню від лазерного передавача до об'єкта-розсіювача. При дистанційному зондуванні атмосфери молекули газів і аерозолі є причиною ослаблення лазерного випромінювання, що проходить через неї. Частина випромінювання розсіюється в зворотному напрямку (у бік приймача лідара) на аерозольних частинках, або відбивається від об'єктів чи спеціально встановлених екранів. Це випромінювання за допомогою приймальної оптики збирається і направляється на фотодетектор, який перетворює його в електричний сигнал, пропорційний інтенсивності прийнятого оптичного випромінювання. Основними блоками лідара є:

• лазер-передавач;

• передавальна оптична система;

• приймальня оптична система;

• спектроаналізувальний і реєструвальний пристрої;

• блок опрацювання сигналу;

• блок управління;

• поворотний пристрій;

• система відображення отриманої інформації.

В узагальненому розумінні лазер у лідарі використовується як імпульсне джерело направленого світлового випромінювання. У світловому діапазоні, на відміну від радіодіапазону, внаслідок малості довжин хвиль, особливо видимого і ультрафіолетового випромінювання, відбивачами локаційного сигналу є всі молекулярні й аерозольні складові атмосфери, тобтосама атмосфера формує лідарний ехо-сигнал зі всієї траси зондування. Це дає змогу здійснювати лазерне зондуванняза будь-якими напрямками в атмосфері.

Головним активним елементом лідара є джерело лазерного випромінювання. Всі основні характеристики (енергетичні, часові, просторові, спектральні і поляризаційні) лазерного випромінювання реалізуються, як правило, безпосередньо в самому лазерному джерелі. Вони контролюються на виході з допомогою блока контролю пазерного випромінювання. Частіше всього такий блок використовується для вимірювання опорного сигналу і вироблення сигналу запуску реєструвальної апаратури, а також для контролю довжини хвилі лазерного випромінювання.

Лазерне джерело разом з передавальною антеною складають лазерний передавач лідара (лідарний передавач). Приймальною антеною лідара є найчастіше дзеркальний телескоп.

Лазери створюють промінь дуже гострої направленості, з дуже малою розбіжністю. Площа поперечного перетину лазерного променя може скласти величину ~10^-6 см², щільність потужності – до 10 ТВт/ см^2..

Принцип лазерного зондування атмосфери полягає в тому, що лазерний промінь (лазерний зонд, що представляє собою ‘пачку’ фотонів, які рухаються зі швидкістю світла) при поширенні розсіюються молекулами і неоднорідностями повітря, молекулами домішок, що містяться в ньому, частинками аерозолю, часково поглинаються і змінюють свої фізичні параметри (частоту, форму імпульсу тощо). При цьому з’являється свічення (флюоресценція), що дозволяє якісно і кількісно оцінювати різні параметри атмосфери (тиск, температуру, вологість, концентрацію газів тощо).

У приймальній системі лідара використовується оптична антена, у фокусі якої розташований фотоприймач. Повернуті фотони збираються оптичною антеною, на фотокатоді перетворюються у фотоелектрони, електричний струм, що виникає при цьому, підсилюється і надходить на реєструвальний пристрій. Лазерний зонд на своєму шляху безперервно посилає частину розсіяних фотонів з різних шарів атмосфери, так що можна отримати профілі розподілу з висотою температури, вологості, тиску, швидкості і напрямку вітру.

Лазерне зондування атмосфери здійснюється переважно в ультрафіолетовому, видимому і мікрохвильовому діапазонах.

Лідар, установлений на космічному апараті, може здійснювати зондування атмосфери при відсутності хмарності з дуже доброю роздільною здатністю як по вертикалі, так і по горизонталі. Це дозволяє очікувати появу систем космічного базування, які будуть проводити глобальні вимірювання тропосфери. Однією з таких систем є розроблений НАСА (США) атмосферний лідар і висотомір (LASA). До задач, які вирішує апаратура LASA відносяться, зокрема: оцінка атмосферних параметрів, таких як температура, тиск, вологість, швидкість вітру; вимірювання висотних профілів розподілу водяної пари і газів.

Апаратура LASA включає в себе приймальний телескоп, лазерні випромінювачі, системи стабілізації приладів, температурного контролю і опрацювання даних. Лідарна система, виведена на навколоземну орбіту, має ряд переваг над лідарами, встановленими на літаках чи на земній поверхні, основними з яких є: можливість зондування атмосфери на таких довжинах хвиль, випромінювання яких повністю поглинається в нижніх шарах атмосфери, і забезпечення високої роздільної здатності при синоптичних масштабах спостереження.