ЛИДА́Р

ЛИДА́Р (от англ. Light Identification, De­tection and Ran­ging – об­на­ру­же­ние и оп­ре­де­ле­ние даль­но­сти с по­мо­щью све­та), оп­тич. ло­ка­тор для дис­тан­ци­он­но­го зон­ди­ро­ва­ния разл. объ­ек­тов (осо­бен­но воз­душ­ных и вод­ных сред), ис­поль­зую­щий ла­зер­ное из­лу­че­ние.

С раз­ра­бот­кой ла­зе­ров – им­пульс­ных ис­точ­ни­ков ко­ге­рент­но­го оп­тич. из­лу­че­ния с ма­лой ди­фрак­ци­он­ной рас­хо­ди­мо­стью – ста­ла воз­мож­ной пе­ре­да­ча све­то­вых им­пуль­сов на зна­чит. рас­стоя­ния. Пе­ре­ход в оп­тич. диа­па­зон длин волн су­ще­ст­вен­но рас­ши­рил функ­цио­наль­ные воз­мож­но­сти и об­ласть при­ме­не­ния Л. по срав­не­нию с ра­да­ра­ми. Это обу­слов­ле­но про­яв­ле­ни­ем но­вых (не ха­рак­тер­ных для ра­да­ра) фи­зич. яв­ле­ний при взаи­мо­дей­ст­вии оп­тич. из­лу­че­ния с та­ки­ми ма­лы­ми объ­ек­та­ми в ат­мо­сфе­ре, как мо­ле­ку­лы, аэ­ро­зо­ли, пыль и сус­пен­зии, и с по­верх­но­стью боль­ших объ­ек­тов (флуо­рес­цен­ция, све­че­ние плаз­мы, ин­ду­ци­руе­мой на по­верх­но­сти объ­ек­та оп­тич. им­пуль­сом).

Л. со­дер­жит ис­точ­ник оп­тич. из­лу­че­ния (ла­зер), фо­то­при­ём­ник, сис­те­му ре­ги­ст­ра­ции и об­ра­бот­ки ре­зуль­та­тов зон­ди­ро­ва­ния, уст­рой­ст­ва управ­ле­ния и ото­бра­же­ния ин­фор­ма­ции, блок пи­та­ния. На­прав­лен­ный пу­чок фо­то­нов рас­сеи­ва­ет­ся по ме­ре рас­про­стра­не­ния по трас­се, воз­вра­ща­ет­ся и ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся вы­со­ко­чув­ст­ви­тель­ным фо­то­при­ём­ни­ком (рис. 1). Вре­мя за­держ­ки про­пор­цио­наль­но рас­стоя­нию до рас­сеи­ваю­ще­го объ­ек­та (ис­поль­зу­ет­ся в даль­но­ме­рах), а мо­ду­ля­ция ам­пли­ту­ды оп­ре­де­ля­ет­ся ко­эф. рас­сея­ния в об­рат­ном на­прав­ле­нии и по­те­ря­ми на по­гло­ще­ние.

Клас­си­фи­ка­ция Л. и об­ласть их при­ме­не­ния за­ви­сят от ти­па взаи­мо­дей­ст­вия оп­тич. из­лу­че­ния с ат­мо­сфе­рой и по­верх­но­стью. Так, из­ме­ре­ние рас­стоя­ний до Лу­ны и КА, гео­де­зич. и то­по­гра­фич. из­ме­ре­ния и мо­ни­то­ринг ат­мо­сфе­ры ос­но­ва­ны на яв­ле­ни­ях уп­ру­го­го рас­сея­ния све­та (мо­ле­ку­ляр­ное рас­сея­ние Рэ­лея, рас­сея­ние Ми на аэ­ро­зо­лях) и не­уп­ру­го­го рас­сея­ния (ком­би­на­ци­он­ное рас­сея­ние све­та, рас­сея­ние, обу­слов­лен­ное ре­зо­нанс­ным по­гло­ще­ни­ем в мо­ле­ку­лах, эф­фек­том До­п­ле­ра).

В Л. др. ти­па ис­поль­зу­ют яв­ле­ние флуо­рес­цен­ции при дис­тан­ци­он­ном об­лу­че­нии объ­ек­та (рас­ти­тель­ный и поч­вен­ный по­кров, за­гряз­нён­ные неф­те­про­дук­та­ми ак­ва­то­рии и су­ша, фи­то­планк­тон и хло­ро­филл в Ми­ро­вом ок. и др.) им­пуль­са­ми ви­ди­мо­го или УФ-из­лу­че­ния с по­сле­дую­щей ре­ги­ст­ра­ци­ей спек­тра флуо­рес­цен­ции.

Рис. 1. Схема действия лидара (буквами a – f обозначены исследуемые атмосферные объекты).

Раз­ра­бот­ка ком­пакт­ных и мощ­ных им­пульс­ных ла­зе­ров по­зво­ли­ла ус­та­но­вить Л. на са­мо­лё­ты и КА для гло­баль­но­го мо­ни­то­рин­га ат­мо­сфе­ры и по­верх­но­сти пла­не­ты с ор­би­ты. Так был по­лу­чен пол­ный рель­еф по­верх­но­сти Мар­са по дан­ным мно­го­лет­них из­ме­ре­ний ор­би­таль­но­го вы­со­то­ме­ра MOLA (Mars Orbital Laser Altimeter, США). На ор­би­таль­ной стан­ции «Мир» и КА бы­ли ус­та­нов­ле­ны Л. для зон­ди­ро­ва­ния Зем­ли. Дис­тан­ци­он­ное изу­че­ние со­ста­ва по­верх­но­сти спут­ни­ка Мар­са Фо­бо­са по све­че­нию плаз­мы, ини­ции­руе­мой на по­верх­но­сти Фо­бо­са им­пуль­са­ми ла­зе­ра с про­ле­таю­ще­го ап­па­ра­та, бы­ло за­пла­ни­ро­ва­но на КА «Фо­бос-88» и пре­ду­смат­ри­ва­ет­ся в бу­ду­щих экс­пе­ди­ци­ях к Мар­су. Воз­мож­ность со­кра­ще­ния дли­тель­но­сти час­тот­но-мо­ду­ли­ро­ван­ных фем­то­се­кунд­ных им­пуль­сов по ме­ре рас­про­стра­не­ния в воз­ду­хе и уве­ли­че­ния их ин­тен­сив­но­сти до та­кой сте­пе­ни, что воз­ни­ка­ет оп­тич. про­бой в ат­мо­сфе­ре, бы­ла ис­поль­зо­ва­на в Л. для ана­ли­за со­ста­ва ат­мо­сфе­ры по ли­ни­ям све­че­ния плаз­мы и по­гло­ще­ния мо­ле­ку­ла­ми.

Рис. 2. Вид сигнала лидара при зондировании облаков (Москва, 9.11.2006, 18:10, сильный снегопад).

Осн. ог­ра­ни­че­ние ши­ро­ко­го при­ме­не­ния Л. для мо­ни­то­рин­га ок­ру­жаю­щей сре­ды за­клю­ча­ет­ся в воз­мож­но­сти по­ра­же­ния глаз из­лу­че­ни­ем, ес­ли плот­ность энер­гии в пуч­ке и дли­тель­ность экс­по­ни­ро­ва­ния пре­вы­ша­ют по­ро­го­вое зна­че­ние (ок. 5·10^–7 Дж/см² для им­пуль­сов ви­ди­мо­го диа­па­зо­на). Для ре­ше­ния этой про­бле­мы ис­поль­зу­ют зон­ди­ро­ва­ние цу­гом из 10³–10⁵ им­пуль­сов с энер­ги­ей (0,1–1)·10^–6 Дж с при­ём­ни­ком, ра­бо­таю­щим в ре­жи­ме счё­та фо­то­нов. При этом ве­ро­ят­ность ре­ги­ст­ра­ции сиг­наль­ных фо­то­нов, сле­дую­щих с боль­шой (до 100 кГц) час­то­той по­вто­ре­ния в ка­ж­дом им­пуль­се, мо­жет быть су­ще­ст­вен­но мень­ше еди­ни­цы, что по­зво­ля­ет тем не ме­нее ре­ги­ст­ри­ро­вать про­филь мно­го­слой­ных рас­сеи­ваю­щих об­ла­ков, напр. мно­го­ярус­ных об­ла­ков. (Для по­лу­че­ния ста­ти­сти­че­ски зна­чи­мо­го сиг­на­ла тре­бу­ет­ся боль­шое чис­ло им­пуль­сов в цу­ге, ко­то­рое об­рат­но про­пор­цио­наль­но ве­ро­ят­но­сти ре­ги­ст­ра­ции в им­пуль­се.) Та­кой Л. раз­ра­бо­тан в Ин-те кос­мич. ис­сле­до­ва­ний РАН и ус­та­нов­лен на КА Mars Polar Lan­der-99 для изу­че­ния стра­ти­фи­ка­ции ат­мо­сфе­ры Мар­са. Ха­рак­тер­ный вид сиг­на­ла та­ко­го Л. при зон­ди­ро­ва­нии мно­го­слой­ных об­ла­ков цу­гом из 32 000 им­пуль­сов в ус­ло­ви­ях пе­ре­груз­ки при­ём­ни­ка (кван­то­во­го счёт­чи­ка) на пер­вых 100 м из-за силь­но­го сне­го­па­да пред­став­лен на рис. 2.

Л. ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся так­же для мо­ни­то­рин­га тек­то­нич. аэ­ро­зо­ля и сейс­мо­ак­тив­но­сти, об­на­ру­же­ния ко­ся­ков рыб и под­вод­но­го ви­де­ния, из­ме­ре­ния про­фи­ля дна, ско­ро­стей вет­ра, ав­то­мо­би­лей, кро­во­то­ка и др. Л. по срав­не­нию с др. ло­ка­то­ра­ми дис­тан­ци­он­но­го зон­ди­ро­ва­ния (ра­дио­ло­ка­то­ром, эхо­ло­том) обес­пе­чи­ва­ет бо́льшую даль­ность, вы­со­кое про­стран­ст­вен­ное раз­ре­ше­ние (до до­лей м) и мень­шее вре­мя из­ме­ре­ния па­ра­мет­ра (ме­нее 1 с).