Συστήματα Laser. Σύντομο Ιστορικό. SLR Satellite Laser Ranging. Λέιζερ και Άτομα... Λέιζερ και Άτομα. ορυφορικά συστήματα τηλεμετρίας λέιζερ

Transcript

1 SLR Satellite Laser Ranging ορυφορικά συστήματα τηλεμετρίας λέιζερ Σύντομο Ιστορικό Λειτουργικές αρχές Τρέχουσα κατάσταση Τυπικές Εφαρμογές Μελλοντικές εξελίξεις Συστήματα Laser Αποτελούν την ισχυρότερη τεχνητή πηγή φωτός που έχει δημιουργήσει ο άνθρωπος Τα λέιζερ είναι πολύπλοκα αλλά ευρέως διαδεδομένα συστήματα, από τα CD players/writers μέχρι ιατρικά εργαλεία ΤΕΠΑΚ, Σχολή Πολιτικών Μηχανικών / Τοπογράφων Μηχ. & Μηχ. Γεωπληροφορικής Κβαντική Θεωρία Υποκινημένη εκπομπή Σύντομο Ιστορικό Το 1917, o Einstein εισήγαγε στο πεδίο της φυσικής την έννοια του λέιζερ, επισημαίνοντας ότι η "υποκινημένη εκπομπή της ακτινοβολίας" ήταν εφικτή. Σύντομο Ιστορικό Το 1954 ο Charles Townes κατασκεύασε τη πρώτη συσκευή για τη λειτουργία ενός μέιζερ. Το 1960 ο Theodore Maiman δημιούργησε το πρώτο λειτουργικό λέιζερ. Λέιζερ και Άτομα Λέιζερ και Άτομα... Τα άτομα μπορούν να είναι σε διαφορετικές καταστάσεις διέγερσης να έχουν διαφορετικές ενέργειες Με την απορρόφηση ενέργειας υπό τη μορφή θερμότητας, φωτός, ή ηλεκτρικής ενέργειας, τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν από μια τροχιά χαμηλής-ενέργειας προς μια τροχιά υψηλής-ενέργειας ηλεκτρόνια 1

2 Λέιζερ και Άτομα... Μόλις κινηθεί ένα ηλεκτρόνιο προς μια υψηλής- ενέργειας τροχιά, θέλει τελικά να επιστρέψει στην αρχική του κατάσταση εκπέμπει την ενέργειά του με τη μορφή φωτονίων δηλ. Μόρια του φωτός Τα συστήματα λέιζερ βασίζονται στον τρόπο που το φως αλληλεπιδρά με τα ηλεκτρόνια Ενεργοποιημένα άτομα Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ΦΩΣ LASER ΚΑΝΟΝΙΚΟ ΦΩΣ ATOMO ΦΩΤΟΝΙΟ Συστήματα Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Τα λέιζερ είναι συστήματα που καθορίζουν τον τρόπο με τον οποίο ενεργοποιημένα άτομα απελευθερώνουν φωτόνια Λέιζερ και ορατή ακτινοβολία Τα εκπεμπόμενα φωτόνια έχουν συγκεκριμένο μήκος κύματος (χρώμα) που εξαρτάται από την κατάσταση και την ποσότητα της ενέργειας των ηλεκτρονίων που τα εκπέμπουν Δύο ίδια άτομα με ηλεκτρόνια στην ίδια ενεργειακή κατάσταση εκπέμπουν φωτόνια με τα ίδια μήκη κύματος. Η ακτινοβολία λέιζερ διαφέρει από την ακτινοβολία του φωτός. Λέιζερ και ορατή ακτινοβολία Το φως που εκπέμπεται από ένα λέιζερ είναι Μονοχρωματικό (monochromatic), δηλ. περιέχει ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος του φωτός Συνεκτικό (coherent), δηλ. τα φωτόνια κινούνται μεταξύ τους με την ίδια φάση Κατευθυντικό (directional), δηλ. το φως συγκεντρώνεται σε μια πολύ σφικτή και ισχυρή δέσμη Για να αποκτήσει μια ακτίνα λέιζερ αυτές τις ιδιότητες απαιτείται η διαδικασία της υποκινημένης εκπομπής (stimulated emission) Βασική Λειτουργία Λέιζερ Ο κρύσταλλος του λέιζερ είναι στην κανονική του κατάσταση Ο λαμπτήρας φωτίζει τον κρύσταλλο του λέιζερ και ενεργοποιεί τα άτομα του Μερικά από τα ενεργοποιημένα άτομα εκπέμπουν φωτόνια 2

3 Βασική Λειτουργία Λέιζερ Μερικά από τα φωτόνια κινούνται παράλληλα στον άξονα του κρυστάλλου, προσκρούουν στα κάτοπτρα και ενεργοποιούν άλλα άτομα Μονοχρωματικό, εστιασμένο φως εκπέμπεται από το κάτοπτρο μερικής απεικόνισης ακτίνα λέιζερ Βασικά Στοιχεία ενός Λέιζερ Μια πηγή ενέργειας, που παρέχει την ενέργεια στο ενεργό μέσο ("άντληση"). Αυτό μπορεί να είναι ηλεκτρική ενέργεια, ένα άλλο λέιζερ ή ένας λαμπτήρας. Ένα ενεργό μέσο, π.χ. Ένας κρύσταλλος, ένα αέριο. Κάτοπτρα στα άκρα του ενεργού μέσου προκαλούν την ανάκλαση της ακτίνας λέιζερ. Μια οπτική κοιλότητα, όπου το φως εστιάζεται και εκπέμπεται. Τύποι Λέιζερ Στερεάς μορφής (Solid State), που εκπέμπουν παλμούς, π.χ. Τα Ruby ή Neodymium:Yttrium-Aluminum Garnet «Nd-Yag" lasers Αερίων (Gas) ή Υγρών Χρωστικών Ουσιών (Liquid Dye), που εκπέμπουν συνεχή ακτινοβολία, π.χ. Τα «Helium-Neon" lasers Ημιαγωγικά (Semiconductor ή Diode lasers), που είναι μικρού μεγέθους και χρησιμοποιούν χαμηλή ενέργεια ορυφορικά Συστήματα Λέιζερ Τα δορυφορικά τηλέμετρα λέιζερ, ή SLR, είναι συστήματα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της απόστασης ενός δορυφόρου μέσω μιας ακτίνας λέιζερ και τη μέτρηση του χρόνου που χρειάζεται η ακτίνα λέιζερ για τη διαδρομή μέχρι τον δορυφόρο, την ανάκλαση της σε ειδικά κατάφωτα, και την επιστροφή της στον επίγειο σταθμό Ειδικοί δορυφόροι για λέιζερ ορυφόροι εφοδιασμένοι με λέιζερ Μικρές συμπαγείς σφαίρες καλυμμένοι με ειδικά κατάφωτα (ανακλαστήρες) Starlette (800 km) Lageos I και II (5800 km) Ajasai (1500 km) Stella (800 km) Etalon I και II (19000 km) Εφοδιασμένοι με κατάφωτα λέιζερ για τον ακριβή υπολογισμό της τροχιάς τους GEOS-3 ERS-1 και ERS-2 TOPEX/POSEIDON JASON ENVISAT GPS-35 GPS-36 GLONASS 3

4 Ανακλαστήρες Laser (Cornercube retroreflectors) Ησημερινή κατάσταση SLR: Η πλέον ακριβής μέθοδος υπολογισμού της γεωκεντρικής θέσης των δορυφόρων Αντανακλούν το φως προς την πηγή εκπομπής του ανεξάρτητα από τη γωνία της πρόσπτωσης Στη πράξη αποτελούνται από σειρά κατόπτρων Ανακλαστήρες Laser... (και στη Σελήνη) 1100 Km 950 km Σταθμοί με τηλέμετρα Λέιζερ 1250 km ιατάξεις (arrays) ανακλαστήρων έχουν τοποθετηθεί στη Σελήνη από τις διαστημικές αποστολές Apollo Lunar Laser Ranging Κοινό ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΟ (όπως και το VLBI) Πολύ υψηλό κόστος Βασικός εξοπλισμός SLR Nd: : YAG-Laser Σ.. Εκπομπής/ Λήψης Σ.. Καθοδήγησης Τηλεσκόπιο Βασικά Χαρακτηριστικά Λέιζερ ρουβιδίου (λ=694.3 nm) Ενέργεια 1-5 Joules Παλμοί nsec (1η γενιά), 1-5 ns (2η γενιά) Eπαναληπτικότητα Hz ιασπορά δέσμης 1-5 mrad Ακρίβεια μετρήσεων 1-2 m (1η γενιά), m (2η γενιά) Λέιζερ Neodymium-YAG (λ=532 nm) Ενέργεια mjoules Παλμοί nsec Eπαναληπτικότητα 1-4 Hz ιασπορά δέσμης 0.4 mrad Ακρίβεια μετρήσεων <0.1 m 4

5 Αρχή t 1 Τέλος t 2 Από το χρόνο της διπλής διαδρομής ρ = c (t 2 t 1 ) / 2 Λειτουργικές απαιτήσεις Ηστενή δέσμη του λέιζερ απαιτεί, εκτός από καλές προβλέψεις της θέσης του δορυφόρου, και κατάλληλο σύστημα σκόπευσης Οπτικές και ηλεκτρονικές συνεχώς μεταβαλλόμενες καθυστερήσεις συχνές βαθμονομήσεις Επίδραση της Ατμόσφαιρας Ηατμόσφαιρα κάμπτει την πραγματική ακτίνα λέιζερ Ο υπολογισμός της διόρθωσης περιπλέκεται από το γεγονός ότι η ατμόσφαιρα έχει διαφορετική πυκνότητα στα διάφορα στρώματα της Άλλοι παράγοντες που περιπλέκουν το πρόβλημα περαιτέρω είναι οι υδρατμοί στον αέρα και η αιθαλομίχλη. Ατμοσφαιρική ιόρθωση S Δρ = n g dl - dx P P n g ομαδικός δείκτης διάθλασης 2.5 m (στο ζένιθ) 13 m (10 ο πάνω από τον ορίζοντα) Σφάλμα μετά τη χρήση μοντέλων < ±5 mm S Πολύχρωμα Λέιζερ Για ακριβέστερες διορθώσεις της διάθλασης, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τις πραγματικές ατμοσφαιρικές συνθήκες ΚΑΤΑ ΜΗΚΟΣ της διαδρομής της ακτίνας λέιζερ Μετρήσεις της διαδρομής με λέιζερ διαφορετικού μήκους κύματος (ή χρώματα) άμεση μέτρηση της πραγματικής διασποράς του λέιζερ εξ αιτίας της ατμόσφαιρας καλύτερες διορθώσεις Σωλήνες Raman: μέρος των πράσινων παλμών Nd-YAG (λ=532 nm) κόκκινους (λ=683 nm) και μπλέ (λ=435 nm) παλμούς ακρίβεια μετρήσεων καλύτερη από 6 psec 5

6 Alfred Wegener ( ) 1930) Υπερήπειρος Pangaea [225 mya] Mετατόπιση των ηπείρων στις σημερινές θέσεις 1960: Harry Hess και Robert Deitz Continental Drift Προτείνουν τη θεωρία της διάνοιξης του φλοιού των ωκεανών κατά μήκος των υποωκεάνιων οροσειρών Plate Tectonics Theory Mετατόπιση των ηπείρων + διάνοιξης του φλοιού των ωκεανών + Νέα εδομένα Θεωρία των Τεκτονικών Πλακών Ητεκτονική κατάσταση της Μεσογείου Το αποτέλεσμα... Crustal Dynamics & Wegener Projects ιεθνή προγράμματα ( ) για την επαλήθευση της θεωρίας των τεκτονικών πλακών Magnitude >4 Βασικές τεχνολογίες: SLR και VLBI 6

7 Significant Morphological Features of Tectonic Origin Μεταφερόμενα συστήματα SLR Συστήματα 2ης γενιάς MOBLAS 4,, 8 TLRS MTLRS Ακρίβειες -4 cm Μεταφερόμενα Ολοκληρωμένα Γεωδαιτικά Παρατηρητήρια Transportable Integrated Geodetic Observatories (TIGO) Μεταφερόμενα Ολοκληρωμένα Γεωδαιτικά Παρατηρητήρια Transportable Integrated Geodetic Observatories (TIGO) Titan sapphire (423.5nm, 847nm) Ακρίβεια Λέιζερ < 1 cm Εμβέλεια: μέχρι γεωστατικούς δορυφόρους Μεταφερόμενα Ολοκληρωμένα Γεωδαιτικά Παρατηρητήρια Transportable Integrated Geodetic Observatories (TIGO) Συστήματα SLR2000 Αυτόνομα, πλήρως αυτοματοποιημένα SLR Ακρίβεια < 1 cm Υψηλή επαναληπτικότητα παλμών Χαμηλό S/N 7

8 Χρήσεις των συστημάτων SLR SLR είναι αποδεδειγμένη γεωδαιτική τεχνική με σημαντική συνεισφορά στις μελέτες της Γης ως σύστημα (στερεού φλοιού/ατμόσφαιρας/ωκεανών) Βελτίωση της ακρίβειας των συστημάτων SLR SLR: Πεδίο Βαρύτητας Επί 25ετία, 15 δορυφόροι με ανακλαστήρες λέιζερ ακριβή υπολογισμό μοντέλων του πεδίου βαρύτητας Υπολογισμό της τροχιάς των γεωδαιτικών δορυφόρων ιαχρονικές μεταβολές του πεδίου βαρύτητας εξ αιτίας της ανακατανομής των μαζών της Γης Επιπτώσεις στις αλληλοεπιδράσεις της ατμόσφαιρας-ωκεανών-κρυόσφαιρας-στερεού φλοιού κλιματικές αλλαγές SLR: Θέση του Γεώκεντρου σε επίπεδο mm Συνεχής παρακολούθηση των μεταβολών του γεωκεντρικού υψομέτρου των σταθμών SLR Σταθερό σύστημα αναφοράς για τη μελέτη των μεταβολών της μ.σ.θ. και του στερεού φλοιού της Γης SLR: Αναπήδηση του στερεού φλοιού Στα τελευταία χρόνια, μετά το λιώσιμο των παγετώνων ο στερεός φλοιός αναπηδά (post glacial rebound) Αλλαγές στη μέση στάθμη της θάλασσας (μ.σ.θ.) επιπτώσεις στις κλιματικές αλλαγές Συσχετισμός με τις παρατηρούμενες αλλαγές της μ.σ.θ. στους παλιρροιακούς σταθμούς σε παγκόσμια κλίμακα SLR: παρακολούθηση της κατακόρυφης μετακίνησης των εν λόγω σταθμών SLR: παρακολούθηση των μεταβολών στη κίνηση του Πόλου εξ αιτίας της αναπήδης του στερεού φλοιού SLR: Αλλαγές στη στάθμη της θάλλασας Από day επαναληπτικές τροχιές του TOPEX/Poseidon SLR: τροχιές των αλτιμετρικών δορυφόρων λεπτομερής χαρτογράφηση των μεταβολών των θαλασσών Ακριβή Μοντέλα παλιρροιών SLR: Παλίρροιες των ωκεανών Καλύτερα μοντέλα των παλιρροιών επιτρέπουν Καλύτερα μοντέλα της αντίδρασης του στερεού φλοιού στη φόρτωση του από τις παλιρροιακές επιδράσεις Καλύτερη ερμηνεία των βαρυτημετρικών μετρήσεων σε γεωφυσικές εφαρμογές Απομόνωση των επιδράσεων από κλιματολογικούς παράγοντες 8

9 SLR/LLR: Το Σύστημα Γης/Σελήνης Tidal Dissipation: Αδράνεια και ανταλλαγή ενέργειας, εξ αιτίας των παλιρροιών μεταβολές στη τροχιά της Σελήνης (3.8m/century) Πιθανή αιτία οι αλλαγές στο στερεό φλοιό και η ανακατανομή θαλασσίων μαζών εξ αιτίας των τεκτονικών μεταβολλών Μετακίνηση των θαλασσίων μαζών εξ αιτίας των παλιρροιών Αλληλοεπίδραση των συστημάτων Γης/Σελήνης SLR: Τεκτονικές Μικρομετακινήσεις Ακριβής εντοπισμός της μετακίνησης σταθμών SLR σε επίπεδα mm/yr σε παγκόσμια κλίμακα, στο γεωκεντρικό σύστημα αναφοράς + Λεπτομερή μοντέλα του πεδίου βαρύτητας και των αλλαγών στη περιστροφή της Γης Ακριβή μοντέλα των μηχανισμών του γήινου μανδύα (π.χ. μεταγωγή θερμότητας) Δεσμέυσεις στα τεκτονικά μοντέλα Η μικροπλάκα του Αιγαίου SLR Ελληνικοί Σταθμοί Wettzell Graz Fiducial Stations SLR Συντ/νες Askites Matera Karitsa Xrisokelaria Dionysos Satellite Station Katavia Roumeli 9

10 SLR Συντ/νες SLR Συντ/νες DIONysos ITRF 2000 Transformed Solutions from Matera, Graz, Wettzell SLR: Τεκτονικές Μικρομετακινήσεις db db = Μικρομετακίνηση = (ΔΝ ή ΔS) 2 + (ΔΕ ή ΔW) 2 SLR: Τεκτονικές Μικρομετακινήσεις SLR: Τεκτονικές Μικρομετακινήσεις Μικρομετακινήσεις σε σχέση με τη σταθερή Β. Ευρώπη Μέγεθος μικρομετακινήσεων: 25 με 30 mm/y Ακρίβειες: ±2 mm/yr με ±20 mm/yr 10

11 SLR: Τεκτονικές Μικρομετακινήσεις Ελλαδικός χώρος SLR: Βαθμονόμηση ορυφορικών Αλτιμέτρων Ακριβής υπολογισμός του ύψους ενός αλτιμετρικού δορυφόρου διαχωρισμός της ολίσθησης των αλτιμέτρων από τις περιοδικές αλλαγές της τοπογραφίας των ωκεανών σε επίπεδα εκατοστών Απαραίτητο για τη μέτρηση της παγκόσμιας στάθμης της θάλασσας σε επίπεδα μερικών mm/yr, και στη χαρτογράφηση των αρκτικών περιοχών για τη μελέτη των κλιματικών αλλαγών Toν εκέμβριο 2002 ICESat Κύριο όργανα GLAS GPS Στο άμεσο μέλλον... Αλτίμετρα Λέιζερ Geoscience Laser Altimeter (GLAS) Ανάστροφη διαδικασία μετρήσεων SLR Λέιζερ στον δορυφόρο Ανάκλαση του λέιζερ στους πάγους (Επίγεια κατάφωτα) GLAS Nd-Yag, 532 & 1064 nm Ακρίβεια < 10 cm Κόστος καταφώτων << κόστους του λέιζερ πολλαπλά κατάφωτα σε πολλές περιοχές Γεωδυναμικές εφαρμογές Ανάκλαση κατευθείαν από τους πάγους Μετρήσεις Αλτιμετρίας λέιζερ σε αρκτικές περιοχές Μελέτες αλλαγής κλίματος 11