Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения эпицентрального расстояния и высоты сферического источника ультрафиолетового излучения с помощью средств космического базирования

Изобретение относится к способам определения координат источников электромагнитных излучений с помощью средств космического базирования путем регистрации и измерения поляризационных характеристик регистрируемого излучения.

Известен способ определения местоположения импульсного высотного источника рентгеновского излучения с помощью средств космического базирования [1]. Сущность способа состоит в том, что измеряют разность между временем прихода прямого рентгеновского излучения от источника и временем прихода импульса оптического флуоресцентного излучения, возникающего в результате взаимодействия рентгеновского импульса с верхними слоями атмосферы. Недостатком способа является необходимость прямой видимости на источник. Другим недостатком является необходимость измерения угла между направлением на источник и направлением в надир.

Другим аналогом может служить способ определения угловых координат источника по поляризационным характеристикам рассеянного земной атмосферой оптического излучения [2]. Реализация способа состоит в измерении азимута поляризации регистрируемого излучения, например, солнечного (так называемые «солнечные» компасы). По измеренному азимуту поляризации определяют угловые координаты источника, даже если он сам не виден. Недостатком способа является невозможность определения пространственных координат источника, его высоты и дальности.

Прототипом является способ определения дальности до импульсного оптического сферического источника путем регистрации и измерения поляризационных характеристик (степени поляризации) рассеянного окружающей средой излучения от источника [3]. Способ основан на том, что регистрируют рассеянное излучение под заданным углом относительно направления на источник. В процессе рассеяния излучение становится частично поляризованным. По мере распространения в среде степень поляризации сначала возрастает, достигает максимума, а затем снова уменьшается. Отслеживая развитие степени поляризации во времени, отсчитываемого от начала вступления импульса прямого излучения от источника, измеряют время достижения максимума поляризации и по измеренному значению определяют расстояние до источника. Недостатком способа является зависимость возможности проведения измерений от состояния облачности. Другим недостатком является необходимость наличия прямой видимости на источник. Недостатком является также необходимость точного фиксирования времени прихода прямого излучения.

Техническая проблема заключается в том, что, как считалось ранее, для определения местоположения самосветящегося объекта необходимым является условие прямой видимости на объект. Реализация предлагаемого изобретения позволит решить проблему определения местоположения самосветящегося объекта в условиях отсутствия прямой видимости на него.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в том, что при помощи оптического поляриметрического устройства, установленного на космическом аппарате (спутнике), производят измерения азимута поляризации рассеянного земной атмосферой ультрафиолетового излучения от сферически симметричного источника, координаты которого нужно определить. При этом не требуется наличие прямой видимости на источник. Кроме того, по результатам измерений обеспечивается возможность определения не только угловых, но и пространственных координат источника, т.е. его высоты и расстояния до эпицентра.

Технический результат в предлагаемом способе достигается тем, что измеряют азимут поляризации не менее чем в двух узких оптических каналах, вращающихся вокруг общей вертикальной оси, направленной в надир и проходящей через подспутниковую точку. Далее для простоты описания рассмотрен вариант двух оптических каналов. Оси полей зрения каналов устанавливают под углом γ относительно надира так, чтобы оси и общая вертикальная ось вращения лежали в одной плоскости, которая называется плоскостью референции. Азимут поляризации χ - это угол между плоскостью поляризации и плоскостью референции. В каждом оптическом канале устанавливают поляризационные анализаторы, у которых оси полного пропускания поляризованной компоненты регистрируемого излучения лежат в плоскости референции. При вращении плоскости референции вокруг вертикальной оси азимут поляризации в обоих каналах изменяется, поэтому изменяется и амплитуда оптического сигнала от поляризованной компоненты. В соответствии с законом Малюса [2] эта амплитуда пропорциональна cos²χ. Вращая плоскость референции, фиксируют угол поворота, когда сигнал от поляризованной компоненты в обоих каналах обращается в нуль. При дальнейшем вращении измеряют угол поворота ϕ_m, при котором сигнал от поляризованной компоненты в одном из двух каналов становится максимальным, т.е. когда в этом канале азимут поляризации χ=0. В этот момент измеряют азимут поляризации χ_m в другом, противоположном канале. По результатам измерения углов ϕ_m и χ_m при известной высоте орбиты спутника путем установленных соотношений определяют эпицентральное расстояние R от эпицентра источника до подспутниковой точки и высоту источника h. При необходимости можно по измеренным значениям углов определить надирный угол θ источника, т.е. определить его угловые координаты.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что не требуется прямая видимость на источник и не требуется измерять надирный угол источника. Другое отличие - это отсутствие необходимости точно фиксировать время прихода прямого излучения от импульсного сферического источника. Третье отличие - не требуется применение оптических средств кругового обзора в 4π стерадиан.

Схема реализации способа представлена на фиг. 1, где показаны: 1 - сферический источник ультрафиолетового излучения; 2 - оптическое поляриметрическое устройство, установленное на спутнике; 3 и 3^' - оптические оси двух оптических каналов; 4 - вертикальная ось, вокруг которой вращаются два канала; 5 - подспутниковая точка; 6 - искомое эпицентральное расстояние; 7 - высота источника; 8 и 8^' - точки, в которых происходит рассеяние оптического ультрафиолетового излучения; 9 - прямой луч от источника в точку рассеяния; 10 и 10^' - рассеянные лучи; 11 - направление вращения плоскости референции; 12 - направление на источник.

Суть предлагаемого способа состоит в следующем. Пусть на большой, более 40 км, высоте от земной поверхности возник сферический источник ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовые лучи интенсивно рассеиваются атмосферным воздухом на высотах порядка 30 км, приобретая значительную степень поляризации около 0,8. Рассеивающий слой относительно тонок по сравнению с высотой орбиты спутника, поэтому на фиг. 1 этот слой условно совмещен с плоскостью XOY координатной системы XYZ. Высота источника отсчитывается от этого слоя. Прямой луч 9, попадая в точку 8, рассеивается по направлению 10 и попадает в поле зрения одного из двух каналов оптического поляриметрического устройства 2. Оси полей зрения каждого канала ориентированы под заданным углом γ относительно надира. Апертура полей зрения такова, что они не пересекаются на земной поверхности. Точки 2-5-8 на фиг. 1 образуют плоскость референции, которая вращается вокруг общей вертикальной оси 4. Вращение происходит в направлении 11. Когда сигнал от поляризованной компоненты в обоих каналах равен нулю, то это означает, что угол ϕ=0, поскольку только в этот момент плоскость рассеяния, образуемая точками 1-2-8, совпадает с плоскостью референции 2-5-8, и, следовательно, плоскость поляризации перпендикулярна оси полного пропускания поляризационных анализаторов, установленных в каждом оптическом канале. При равномерном вращении плоскости референции по направлению 11 в некоторый момент оптический сигнал от поляризованной компоненты в точке 8 достигает максимума, поскольку в этот момент плоскость рассеяния 1-2-8 перпендикулярна плоскости референции и, следовательно, ось полного пропускания поляризационного анализатора в этом канале совпадает с плоскостью поляризации регистрируемого излучения, т.е. в этом канале азимут поляризации χ=0. В этот момент измеряют угол ϕ_m, соответствующий максимуму поляризованной компоненты в данном канале. Одновременно измеряют азимут поляризации χ_m в другом, противоположном канале. Эпицентральное расстояние R от точки О до подспутниковой точки 5 определяют по установленному соотношению:

где Н - известная высота орбиты спутника; γ - надирный угол поля зрения оптического канала; ϕ_m - измеренный угол поворота плоскости референции, при котором наблюдают максимум поляризованной компоненты в одном из каналов регистрации; χ_m - измеренный азимут поляризации в другом, противоположном канале. Высоту источника h определяют по установленному соотношению:

При необходимости можно определить и надирный угол источника θ по установленному соотношению:

Таким образом, измерив углы ϕ_m и χ_m, при известной высоте орбиты спутника и заданной величине угла γ определяют не только угловые, но пространственные координаты источника, не наблюдая его самого.

Источники информации:

1. Заявка на изобретение №2016134327 от 22.08.2016 «Способ определения местоположения короткоимпульсного высотного источника рентгеновского излучения с помощью средств космического базирования», авторы: Пузанов Ю.В., Ковалевская О.И.

2. Шерклифф У. Поляризованный свет. - М.: Мир, 1965.

3. Пузанов Ю.В. Поляризация излучения как индикатор расстояния до импульсного источника. - Известия РАН, серия «Физика атмосферы и океана», 1993, т. 29, №4, стр. 574-576.