Поймать малейшие искажения
В Бауманке разрабатывают микрофотонику для космоса
В МГТУ им. Н. Э. Баумана разработали лазерную локационную систему с адаптивным контуром, которая позволяет измерить и компенсировать искажения, вносимые турбулентной атмосферой в волновой фронт излучения при лазерной локации удаленных объектов. Разработанная лазерная локационная система с адаптивным контуром совместно с дальномерным каналом позволяет проводить калибровку радионавигационной аппаратуры малых космических аппаратов и уточнять данные об их пространственных координатах на орбите.
Фото: bmstu.ru
Разработка «Адаптивная оптическая локационная система с прецизионным фотоприемным устройством, работающим в режиме счета фотонов в ближнем ИК-диапазоне» стала результатом развития стратегического направления «Фотоника» программы развития МГТУ им. Н. Э. Баумана в рамках программы государственной поддержки университетов «Приоритет-2030».
Технологии фотоники активно развиваются и применяются в разных сферах: промышленности, медицине, ИТ, безопасности, сельском хозяйстве, строительстве и многих других. Одной из перспективных областей применения микрофотоники является практическая космонавтика. Платформа CubeSat используется для создания малых космических аппаратов (МКА), неотъемлемой частью которых являются антенны для передачи сигналов между ними и абонентами. В зависимости от назначения полезной нагрузки на космический аппарат могут быть установлены антенны различных конфигураций.
Одной из задач, решаемых аппаратурой МКА, является восстановление вертикальных профилей температуры, давления, влажности атмосферы с помощью радиозатменного зондирования атмосферы. При радиозатменном зондировании измеряется рефракция радиоизлучения в атмосфере Земли. Рефракция приводит к тому, что фактический путь движения навигационного сигнала отличается от прямой линии, соединяющей две точки,— навигационный спутник и приемник, расположенный на МКА.
Для восстановления параметров атмосферы необходимы следующие измерения: псевдодальности, псевдофазы и амплитуды навигационного сигнала, высокоточные координаты МКА, измеренные с помощью метода лазерной локации. Для реализации метода лазерной локации и получения информации о дальности до МКА используют локационные станции и оптические ретрорефлекторы, устанавливаемые на объекты локации.
Использование спутниковой лазерной дальнометрии МКА совместно с разработанной адаптивной оптической локационной системой с прецизионным фотоприемным устройством позволяет провести калибровку радионавигационной аппаратуры МКА и повысить точность в пространственных координатах МКА на орбите. Точные параметры орбиты МКА дают возможность восстановления вертикальных профилей метеопараметров атмосферы (температура, давление, влажность).
Основой адаптивной оптической локационной системы с прецизионным фотоприемным устройством является уникальный, разработанный в МГТУ им. Н. Э. Баумана высокочувствительный датчик волнового фронта (ДВФ) на основе электронно-оптического преобразователя (ЭОП) и скоростной камеры. Такой ДВФ позволяет регистрировать слабые сигналы, отраженные при локации от удаленных объектов.
Разработанная адаптивная оптическая локационная система с ДВФ на основе ЭОП позволяет осуществлять локацию околоземного пространства и космических аппаратов, а также позволяет получать высококачественные изображения орбитальных объектов за счет компенсации искажений, вносимых турбулентностью атмосферы.
Илья Животовский, к. т. н., доцент кафедры, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Что такое фотоника и микрофотоника? Как она используется в космонавтике?
— Фотоника — область науки и техники, занимающаяся фундаментальными и прикладными исследованиями оптического излучения, а также созданием на их базе устройств различного назначения. К микрофотонике относят направления фотоники, в которых управление светом происходит в микромасштабе. В нашей работе мы используем технологии фотоники для создания адаптивной оптической локационной системы на основе прецизионного фотоприемного устройства с микролинзовым растром.
— Почему при передаче сигнала важно измерять параметры атмосферы вокруг малых космических аппаратов? Какие сложности возникают у ученых при радиозатменном зондировании?
— Радиозатменное зондирование атмосферы с использованием сигналов глобальных навигационных спутниковых систем проводится путем измерения рефракции сигналов в атмосфере Земли на трассе «космос—космос» (просвечивание атмосферы) с целью последующего восстановления вертикальных профилей температуры, давления и влажности. Для восстановления параметров среды необходимо измерение псевдодальности, псевдофазы и амплитуды навигационного сигнала, а также высокоточное измерение положения МКА методами лазерной локации. Для точного восстановления параметров атмосферы необходимо независимое измерение параметров орбиты (высоты, дальности), что реализуется с помощью метода лазерной локации. Локационная система при работе на больших дальностях (высота орбиты МКА 500 км) должна регистрировать сигналы сверхмалой интенсивности, измерять и компенсировать искажения, вносимые оптическими неоднородностями слоев атмосферы. Для компенсации таких искажений мы разработали нашу систему на основе чувствительного датчика волнового фронта.
— В чем уникальность высокочувствительного датчика волнового фронта, разработанного в МГТУ им. Н. Э. Баумана? С помощью каких технологий он позволяет регистрировать слабые сигналы, отраженные от удаленных объектов?
— Уникальность разработанного датчика в его высокой чувствительности из-за большого коэффициента усиления, что позволяет детектировать малейшие искажения волнового фронта с помощью электронно-оптического преобразователя, сопряженного с телевизионной камерой. Используя такой датчик волнового фронта в адаптивной системе с биморфным зеркалом, по измеренным искажениям волнового фронта, можно быстро подстраивать форму адаптивного зеркала, которое компенсирует измеренные искажения волнового фронта. Совмещая адаптивную систему с лазерным дальномером, можно повысить точность измерения дальности до МКА.
— Как, на ваш взгляд, микрофотоника будет развиваться в практической космонавтике дальше?
— В дальнейшем планируется повысить частоту измерения параметров волнового фронта при использовании в датчике волнового фронта высокоскоростной камеры, что позволит увеличить и частоту коррекции. Разрабатываемая адаптивная система с повышенной частотой коррекции может использоваться для повышения качества изображения и повышения разрешения в системах наблюдения удаленных объектов — например, космических спутников.