Atmosphärisches Echtzeit-Laser-Tracking




 

Bei der Ausbreitung von Laserstrahlung über große Distanzen ist der Einfluss der Atmosphäre wegen auftretender Luftturbulenzen nicht mehr vernachlässigbar. Dieser Effekt ist insbesondere bei der Propagation nahe der bodennahen Grenzschicht zu beobachten. Diese Störungen führen vor allem zu statistisch schwankenden Strahlablenkungen sowie zu einer Verbreiterung des Strahlquerschnitts. Neben der erhöhten Anforderung, dass der Laserstrahl an einem gewünschten, ggf. schnell bewegten Zielpunkt auftrifft, reduziert sich dabei gleichzeitig die durchschnittliche Intensität der Laserstrahlung.

Die typischen Zeitkonstanten für Änderungen der atmosphärischen Turbulenzzellen liegen im Bereich von 10 bis 1000 Millisekunden. In Abhängigkeit von den vorliegenden meteorologischen Beding­ungen treten dabei Ablenkwinkel von bis zu 100 µrad auf. Trackingsysteme, die entsprechende Strahlablenkungsvorrichtungen enthalten, erlauben durch angepasste Drehung und Neigung von Umlenkeinheiten eine präzise Strahlrichtungssteuerung auf das gewünschte Ziel. Weitere Störungen der Strahlrichtung können durch die Laserquelle selbst oder durch Vibrationen der Montierung der Sendeoptik hervorgerufen werden.

Eine hochpräzise Erfassung und schnelle Nachführung in Echtzeit erlauben eine Strahlsteuerung auch auf schnell fliegende, entfernte Objekt, wie z.B. Weltraumschrott oder UAVs. Dies erfordert Genauigkeiten der Nachführung im Sub-Mikrorad-Bereich sowie eine Bandbreite bis zu einigen Kilohertz. Derartige echtzeitfähige Systeme werden in der Abteilung Aktive Optische Systeme des Instituts für Technische Physik entwickelt und unter real-atmosphärischen Bedingungen getestet. Die Systeme basieren auf Kippspiegeln mit unterschiedlichen Aktuator-Technologien. Als Positionssensoren werden CCD- oder CMOS-Bildsensoren oder hochempfindliche Quadrantendioden mit selbstentwickelter Messverstärkerelektronik verwendet.

Zur Überprüfung der Eignung unter Realbedingungen wurden etliche Experimente auf der Laserfreistrahlstrecke des Institutes für Technische Physik in Lampoldshausen durchgeführt. Bei diesen Untersuchungen konnte über eine Distanz von 130 Metern eine turbulenzbedingte Strahlrichtungsinstabilität von 6 µrad (Standardabweichung) auf weniger als 300 nrad reduziert werden. Dies entspricht einer Richtungsschwankung von ca. einem Millimeter auf drei Kilometer Abstand.

Die in den atmosphärischen Nachführexperimenten gewonnenen Daten erlauben die Skalierung der Systemanforderungen auf relevante Entfernungen von mehreren Kilometern. Typische Szenarien, wie die optisch passive und aktive Verfolgung von schnell fliegenden Objekten, werden mit den derart gewonnen Daten abgeglichen.

Darüber hinaus werden dadurch die Grundlagen gelegt, um Satelliten und Weltraumschrott auf ihren Bahnen in erdnahen Umlaufbahnen (LEO) und geostationären Orbits (GEO) optisch sehr präzise verfolgen und die entsprechenden Bahndaten bestimmen zu können.


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Dr.-Ing. Ivo Buske
German Aerospace Center

Institute of Technical Physics
, Active optical Systems
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E-Mail: ivo.buske@dlr.de
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