Лазерная локация Луны

[Виталий Насенник]

Суть - выявлено значительное расхождение (на несколько порядков) между расчётом и сообщаемыми результатами экспериментов по лазерной локации Луны.

По моим расчётам получается, что из лазерного импульса энергией 1 Дж для неодимового лазера (длина волны 1064 нм) от уголкового отражателя (УО) площадью 0.1 м2 (на "Луноходе") телескопом диаметром 2.6 м должно регистрироваться более 6000 фотонов, а в статьях, посвящённых лазерной локации Луны, сообщается об одном-единственном детектируемом фотончике на 20-30 имульсов.

При этом расчётное значение количества фотонов, детектируемых просто от грунта, должно быть около 20. (Т.е. УО должен блестеть в 300 раз ярче просто грунта.)

На мой взгляд, такое вопиющее расхождение между теорией и экспериментом можно объяснить, если предположить, что астрономы, проводившие эксперименты по лазерной локации Луны, просто забыли о том, что система "телескоп-Луна" не является инерциальной, а поэтому лоцировали на самом деле не УО, а просто лунный грунт.

Дело в том, что Земля вращается вокруг своей оси, а Луна - вокруг Земли. (Точнее, вокруг центра масс системы Земля-Луна, но тут это уже неважно, поскольку можно смело пренебречь всеми эффектами, которые малы на масштабе времени 2.5 секунды, пока длится эксперимент по лазерной локации.) Это явление астрономам, разумеется, известно, для компенсации этого явления используется специальная система, поворачивающая телескоп синхронно с вращением Земли, компенсируя это вращение - изображение астрономических объектов при этом перестаёт "уползать" из поля зрения телескопа. Причём, для наблюдения Луны и звёзд используются разные значения этой компенсации. Так вот, когда всё идеально настроено - телескоп наведён точно на какой-то объект на Луне (УО), система компенсирует вращение Земли и Луны, изображение неподвижно - телескоп на самом деле направлен не на этот объект, а в точку, где был этот объект 1.25 секунды назад! Соответственно, если выпустить лазерный импульс в этом направлении, то, во-первых, мы прицелились уже с опозданием на 1.25 с, а во-вторых, пока луч лазера будет лететь до Луны, этот объект (УО) вместе с Луной ещё сместится на столько же. Следовательно, центр пятна, освещаемого лазером, окажется примерно на расстоянии 2.56 км (2 * 1.254с * 1.023 км/с) от цели (УО). Если мы сделаем луч лазера расходящимся с запасом, чтобы даже краем пятна "зацепить" УО, то фотоны, попавшие на УО, отразятся назад и попадут в телескоп, который за время путешествия лазерного импульса туда и обратно довернётся на нужный угол и фотоны будут обнаружены прилетевшими именно оттуда, куда телескоп был нацелен. Для этого нужно, чтобы диаметр пятна, освещаемого лазером на Луне, был более 5,12 км. Если же лазерный пучок достаточно расширен (борьба с дифракционным расхождением), то в идеале (с учётом неустранимых искажений луча в атмосфере) можно добиться расходимости луча около одной угловой секунды, что даёт на Луне пятно диаметром 0.6 км - луч просто не попадёт в УО, а, стало быть, будут зарегистрированы фотоны, отразившиеся от грунта, а не от УО.

Чтобы луч лазера попал на УО - нужно прицеливаться лазером с упреждением на 2.508 секунды.

Ни в одной статье, посвящённой лазерной локации Луны, об этом не упоминается. Более того, у меня сложилось впечатление, что луч лазера настраивается строго вдоль оси телескопа.

Моя гипотеза заключается в том, что астрономы перестарались с сужением лазерного пучка, а необходимость прицеливаться с упреждением просто забыли учесть. Соответственно, лоцируют не УО, а грунт. С учётом разброса рельефа местности в пределах освещаемого пятна (метры, десятки метров, а то и больше!) получается расползание отражённого импульса на несколько наносекунд, а то и десятков наносекунд, а временнОй фильтр (Temporal filter) устанавливает очень узкое окно в доли наносекунд (борьба-то идёт за достижение сантиметровой и даже миллиметровой точности!). Отношение длительности этого окна к длительности принимаемого пучка как раз и даёт дополнительное ослабление - при такой гипотезе наблюдаемые результаты (1 детектируемый фотон на 20-30 "выстрелов") совпадают с теоретическим расчётом.

[Ernest]

Размер сканирующего лазерного пятна на поверхности Луны примерно 5х5 км, так что его уход от мишени на 1.6 км из-за конечности света - не большая проблема.

В остальном - см. неплохую статью по теме http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NA...0902_57-66.PDF где в качестве само-собой разумеющегося упоминается и смещение цели из-за конечного времени распространения света.

[Виталий Насенник]

Сообщение от Ernest

Размер сканирующего лазерного пятна на поверхности Луны примерно 5х5 км, так что его уход от мишени на 1.6 км из-за конечности света - не большая проблема.

В остальном - см. неплохую статью по теме http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NA...0902_57-66.PDF где в качестве само-собой разумеющегося упоминается и смещение цели из-за конечного времени распространения света.

Статью Алёшкиной я, разумеется, читал - 1.6 км упоминается в контексте смещения телескопа от точки испускания за 2.5 секунды за счёт вращения Земли и её движения по орбите, а не в контексте, что лазерный импульс попадает мимо УО из-за движения Луны по орбите. (страница 60, по файлу - 5)

(К сведению: я прочитал все статьи, посвящённые лазерной локации Луны, доступные в Интернете.)

Форма освещаемого пятна на Луне - скорее круглая, нежели квадратная, поэтому правильнее было бы говорить о диаметре 5км, а не о размере 5х5 км.

(из "Основы импульсной лазерной локации" В.И.Козинцев, М.Л.Белов, В.М.Орлов и др. под ред. В.Н.Рождествина)
Диаметр 5 км - это радиус 2.5 км, т.е. ещё 600 метров не дотягиваем до УО. Да и диаметр 5 км - это больше 8 угловых секунд, что-то многовато...

[Виталий Насенник]

Единственное сообщение, в котором указано число принятых фотонов, примерно совпадающее с теоретическим расчётом хотя бы по порядку величины - сообщение о лазерной локации УО, установленного на "Луноход-1".

On April 22, Murphy and his team sent pulses of laser light from the 3.5 meter telescope at the Apache Point Observatory in New Mexico, zeroing in on the target coordinates provided by Lunar Reconnaissance Orbiter. A laser retroreflector on Lunokhod 1 intercepted the pulses and sent a clear signal back to Earth.
"We got about 2,000 photons from Lunokhod 1 on our first try. After almost 40 years of silence, this rover a lot to say," notes Murphy.

http://science.nasa.gov/science-news...3jun_oldrover/

[igor_da_bari]

Сообщение от Виталий Насенник

Форма освещаемого пятна на Луне - скорее круглая, нежели квадратная, поэтому правильнее было бы говорить о диаметре 5км, а не о размере 5х5 км.

Мне кажется, что расхождение пучка по определению процесс симметричный и изотропный - нет выделенных направлений.

Поэтому в контексте данной дискуссии "размер" и "диаметр" это одно и то же.

Учитывая же тот факт, что диаметр пятна примерно 2 раза больше предлагаемой Вами поправки, сама постановка проблемы выглядит, на мой взгляд, несколько надуманной.

[Виталий Насенник]

Сообщение от igor_da_bari

Учитывая же тот факт, что диаметр пятна примерно 2 раза больше предлагаемой Вами поправки, сама постановка проблемы выглядит, на мой взгляд, несколько надуманной.

Вы невнимательно читали. Если диаметр пятна 5 км, т.е. радиус 2.5 км, то до УО ещё 600 метров не дотягиваемся.

Постановка проблемы крайне проста - расхождение теоретического расчёта с сообщаемыми в статьях цифрами на 4-5 порядков. В физике так давно уже не бывает.

Надуманная тут только моя гипотеза, ну так всё очень просто - не нравится моя гипотеза - опровергните мою и дайте свою! Делов-то...

[igor_da_bari]

Сообщение от Виталий Насенник

Вы невнимательно читали. Если диаметр пятна 5 км, т.е. радиус 2.5 км, то до УО ещё 600 метров не дотягиваемся.

Постановка проблемы крайне проста - расхождение теоретического расчёта с сообщаемыми в статьях цифрами на 4-5 порядков. В физике так давно уже не бывает.

Надуманная тут только моя гипотеза, ну так всё очень просто - не нравится моя гипотеза - опровергните мою и дайте свою! Делов-то...

Вы 600 с 60 не перепутали? А гипотеза у меня простая - неверен ваш теоретический расчет.

[Виталий Насенник]

Сообщение от igor_da_bari

Вы 600 с 60 не перепутали?

Да, перепутал, извините.

Сообщение от igor_da_bari

А гипотеза у меня простая - неверен ваш теоретический расчет.

Вместе посчитаем?

[Ernest]

Думаю, что при этих измерениях, когда точность доходит до миллимитрового диапазона и учитываются десятки самых тонких эффектов, едва-ли участники забыли что свет распространяется конечное время и геометрия системы Земля-Луня претерпевает за время этого измерения изменения на многие сотни метров.

Впрочем на всякого мудреца довольно простоты и почему бы не сообщить миру о возможной ошибке в сотни метров в измерениях с использованием миллиметровки. Только адрес для этих вопросов выбран странный - откуда участники этого форума могут знать о всех тонкостях примененных разными группами по постановке лазерной локации Луны. Проще списаться с ними напрямую, адреса и имена не засекречены.

[Ernest]

Сообщение от Виталий Насенник

Ни в одной статье, посвящённой лазерной локации Луны, об этом не упоминается. Более того, у меня сложилось впечатление, что луч лазера настраивается строго вдоль оси телескопа.

2.5 км на Луне это угол менее 2" с точки зрения земного наблюдателя, по сравнению с конечными размерами приемника в фокусе телескопа - мало значимая величина. Так что телескоп можно наводить на точку где через секунду ожидается наличие отражателя, возвратный блик будет зафиксирован в двух угловых секундах от оси телескопа (очевидно, все еще в пределах приемника, даже если его расположить строго в центре поля зрения). Мне, очевидно, что в процессе локации направление телескопа не строго расчетное, а есть возможность поиграть его направлением добиваясь максимальной мощности возвратного блика. Оно и понятно - что такое 2 угл секунды, на фоне обычных весовых разъюстировок телескопа, которые измеряются на порядок большими величинами и которые надо как-то компенсировать практически при каждом использовании прецизионного угломерного инструмента столь большого веса и апертуры?