ALSE (Аполлон Лунный эхолота Эксперимент) (также известный как научный эксперимент S-209, в соответствии с обозначениями НАСА) был георадар (подповерхностного эхолот) эксперимент , который летал на Apollo 17 миссии.
Миссия и наука [ править ]
В этом эксперименте использовался радар для изучения поверхности и недр Луны . Радиолокационные волны с длинами волн от 2 до 60 метров (частоты 5, 15 и 150 МГц) передавались через серию антенн рядом с задней частью служебного модуля Apollo . После того, как волны были отражены Луной , они были приняты теми же антеннами, и данные были записаны на пленку для анализа на Земле. Основная цель этого эксперимента состояла в том, чтобы «заглянуть» в верхние 2 километра лунной коры способом, в некоторой степени аналогичным использованию сейсмических волн для изучения внутренней структуры Луны.. Это стало возможным, потому что использовались очень длинные радиолокационные волны и потому что Луна очень сухая, что позволило радиолокационным волнам проникать намного глубже в Луну, чем это было бы возможно, если бы вода присутствовала в лунных скалах. (Радиолокационный эксперимент на космическом шаттле был аналогичным образом использован для картирования долин древних рек под пустыней Сахара .) Этот эксперимент также предоставил очень точную информацию о топографии Луны. В дополнение к изучению Луны, эксперимент также измеряли радиоизлучение от Млечного Пути Галактики .
Этот эксперимент выявил структуры под поверхностью в Mare Crisium , Mare Serenitatis , Oceanus Procellarum и многих других областях. [1] В кобыльских районах слои наблюдались в нескольких различных частях бассейнов и поэтому считаются широко распространенными особенностями. Основываясь на свойствах отраженных радиолокационных волн, считается, что структуры наслоены в базальте, который заполняет оба этих морских бассейна. В Mare Serenitatis слои были обнаружены на глубинах 0,9 и 1,6 км от поверхности. В Mare Crisium слой был обнаружен на глубине 1,4 км от поверхности. По-видимому, подошва кобыльских базальтов в этом эксперименте не обнаружена. Однако в Mare Crisiumрезультаты эксперимента с лунным эхолотом были объединены с другими наблюдениями для оценки общей мощности базальта от 2,4 до 3,4 км.
Эксперимент "Лунный эхолот" также внес вклад в наше понимание морщин на Луне. Эти длинные низкие гребни встречаются во многих морях Луны. Большинство лунных геологов считают, что эти хребты образовались, когда поверхность Луны была деформирована в результате движения по разломам («лунотрясениям») в лунной коре более 3 миллиардов лет назад. Вес нескольких километров кобыльего базальта в этих областях привел к некоторому прогибу поверхности Луны, и это движение привело к изгибу поверхности в некоторых местах, образуя морщинистые гребни. Однако другие ученые предположили, что эти хребты представляют собой вулканические образования, образованные потоком магмы либо на поверхности Луны, либо внутри земной коры. Эксперимент с лунным эхолотом изучил несколько морщин на юге Маре Серенитатис.подробно, предоставляя информацию как о топографии этих хребтов, так и о структурах земной коры под этими хребтами. Эти результаты подтверждают идею о том, что морщинистые гребни образованы в основном перемещениями по разломам. [2]
Дизайн прибора [ править ]
Прибор ALSE работал в двух диапазонах HF (5 МГц - HF1 - и 15 МГц - HF2), центральных частотах и одном диапазоне VHF (150 МГц), каждый с полосой пропускания 10% (с использованием ЛЧМ- сигнала). Для двух диапазонов ВЧ использовалась одна и та же дипольная антенна с центральным питанием , а для канала УКВ использовалась 7- элементная антенна Яги . Два разных трансивера использовались для HF (попеременная работа между HF1 и HF2 на основе PRF- by- PRF ) и VHF, совместно использующих общий оптический регистратор. Одновременно работать в диапазонах УКВ и КВ не представлялось возможным. Вся система весила 43 кг и требовала мощности 103 Вт. Электроника находилась внутри сервисного модуля Apollo.. Две половины дипольной антенны были выдвижными по обе стороны от самого служебного модуля, в то время как Yagi, используемый для VHF, был уложен рядом с главным двигателем, а затем развернут на место после запуска.
Поскольку основная цель эксперимента - картирование подземных слоев, наиболее важным компромиссом в конструкции было соотношение глубины проникновения и разрешения: более низкие частоты проникают больше, но допускают меньшую полосу пропускания сигнала и, следовательно, худшее разрешение, которое, в свою очередь, повлияло на способность различать подповерхностные эхо-сигналы вблизи поверхности. На возможность зондирования также повлияли:
- боковые лепестки диапазона сжатого ЛЧМ-сигнала : они могут маскировать слабые подповерхностные эхо-сигналы, если их не контролировать должным образом. ALSE был разработан с учетом минимального отношения пиковых и боковых лепестков 45 дБ после третьего лепестка.
- возврат помех от поверхности вне надира, который можно спутать с подповерхностным эхосигналом с той же задержкой. Чтобы уменьшить помехи на пути следования, при наземной обработке создается синтетическая апертура , тем самым сужая эффективную площадь покрытия антенны.
Беспорядок от рассеивателей, попадающих в полосу движения, должен был быть выведен из знания топографии поверхности.
Автоматическая регулировка усиления функции (АРУ) была включена во всех каналах , чтобы оптимизировать распределение сигнала в приемнике диапазона динамического . Скорость обновления АРУ составляла 30 с. Как в КВ, так и в УКВ приемопередатчиках, ЛЧМ-сигнал генерировался качающимся генератором, синхронизированным с STAble Local Oscillator (STALO), чтобы сохранить фазовую когерентность для обработки SAR . Принятый сигнал преобразовывался на ПЧ, а амплитуда сигнала использовалась для амплитудной модуляции ЭЛТ (развертка со скоростью ЧПИ), в свою очередь, на пленке диаметром 70 мм для оптической записи данных. Из-за высокой скорости записи, необходимой для более широкой полосы частот VHFканал, чтобы минимизировать количество записываемых данных, в этом канале использовалась система отслеживания эхо-сигналов для сбора и записи только отраженного сигнала от основной поверхности и 70 мкс эхо-сигналов, непосредственно следующих за ним. Кроме того, на этом канале усиление приемника было увеличено на 13 мкс после прихода основного поверхностного эхо-сигнала, чтобы наилучшим образом использовать динамический диапазон при слабых подземных отражениях.
Поскольку записывающее устройство расположено в служебном модуле, один из астронавтов (Рон Эванс) должен был выполнить внекорабельную деятельность (EVA) во время обратного полета с Луны для сбора записанных фильмов.
Средства обработки на земле позволяли выполнять как полную оптическую обработку (в то время стандартный подход для обработки SAR ), выполняя сжатие по азимуту и / или дальности, так и оцифровку грубых или сжатых по азимуту данных для последующей цифровой обработки.
На этапе разработки модифицированный прототип ALSE был установлен на борту самолета KC-135 для проведения зондовых испытаний над юго-востоком США и над Гренландией , демонстрируя возможности системы.
Основные параметры радара ALSE приведены в таблице ниже: [3]
| Имущество | HF1 | HF2 | УКВ |
|---|---|---|---|
| Частота (МГц) | 5,266 | 15,8 | 158 |
| Расчетная глубина проникновения (м) | 1300 | 800 | 160 |
| Полоса пропускания ЛЧМ (МГц) | 0,5333 | 1.6 | 16.0 |
| Ширина импульса (мкс) | 240 | 80 | 8.0 |
| Время (произведение пропускной способности | 128 | 128 | 128 |
| Разрешающая способность по дальности, свободное пространство (м) | 300 | 100 | 10 |
| Пиковая мощность передатчика (Вт) | 130 | 118 | 95 |
| Эффективное усиление антенны (дБ в одну сторону) | -0,8 | -0,7 | +7,3 |
| Коэффициент шума (дБ) | 11,4 | 11,4 | 10.0 |
| Частота повторения импульсов (Гц) | 397 | 397 | 1984 |
| Длина окна регистрации (мкс) | 600 | 600 | 70 |
| Диапазон усиления АРУ (дБ) | 12.1 | 12.1 | 13,9 |
| Эхо трекер | Нет | Нет | да |
Ссылки [ править ]
- ^ Купер, BL; Картер, Дж. Л.; Сапп, Калифорния (февраль 1994 г.), «Новое свидетельство грабенового происхождения Oceanus Procellarum из оптических изображений лунного зонда», Журнал геофизических исследований: планеты , 99 (E2): 3799–3812, Bibcode : 1994JGR .... 99.3799C , DOI : 10,1029 / 93JE03096 , ISSN 0148-0227
- ^ «Эксперименты Аполлона 17 - Эксперимент с лунным эхолотом» . Лунно-планетный институт. 2012 . Проверено 20 июня 2013 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Porcello et al. - "Радиолокационная система лунного эхолота Аполлона" - Труды IEEE , июнь 1974 г.
Внешние ссылки [ править ]
- Миссия Аполлона-17 в Лунно-планетном институте
