Retroreflektoren Mond, Mindestmittel?

Hallo Beisammen,

Nochmal eine Lanze fuer DC Laser. Alles eine Frage der Integration. Sagen wir mal ein 1W DC Diodenlaser mit Shutter (='Propeller') davor. Damit machen wir 1kHz Laserlicht und das auch noch in einem schmalen Wllenlaengenbereich. Jetzt 1000sec mit Lock-in Verstaerker auf 1kHz (Sync kommt vom Propeller) auf den Mond gestarrt. (Wenn der Reflektor im unbeleuchteten Teil ist) Ich wette da kommt ein Signalpeak bei 1kHz aus dem Rauschen gewachsen. Zeitaufloesung ist ein kleines Problem beim Detektor. Evtl kann man die eine oder andere ZWO Cam ja mit 1ms auslesen. Oder als High-end Idee ein Photomultiplier, da geht microsec Zeitaufloesung. Wenn mal kein Photon vom Mond kommt ist das auch kein Problem. Ueber die Integrationszeit analysiert kommt es nur darauf an, dass Signale (z.B. Photonen Peaks vom PM) phasenrichtig ankommen. Der ganze Schmutz tut das nicht und mittelt sich im Integral weg.

Siehe z.B. :
https://de.wikipedia.org/wiki/Lock-in-Verst%C3%A4rker
Und dort :
https://de.wikipedia.org/wiki/…ck-in-Verst%C3%A4rker.svg

Eine etwas detailiertere Beschreibung von der englischen Wiki Seite:

https://en.wikipedia.org/wiki/Lock-in_amplifier

"Signal recovery takes advantage of the fact that noise is often spread over a much wider range of frequencies than the signal. In the simplest case of white noise, even if the root mean square of noise is 10^3 times as large as the signal to be recovered, if the bandwidth of the measurement instrument can be reduced by a factor much greater than 10^6 around the signal frequency, then the equipment can be relatively insensitive to the noise. In a typical 100 MHz bandwidth (e.g. an oscilloscope), a bandpass filter with width much narrower than 100 Hz would accomplish this. The averaging time of the lock-in-amplifier determines the bandwidth, and allows very narrow filters, less than 1 Hz if needed. However this comes at the price of a slow response to changes in the signal.

In summary, even when noise and signal are indistinguishable in the time domain, if the signal has a definite frequency band and there is no large noise peak within that band, noise and signal can be separated sufficiently in the frequency domain."

Clear Skies,
Gert

Gert,
ich glaub, damit kannst Du vielleicht insgesamt das Echo vom Mond messen, mehr aber auch nicht. Eine Millisekunde entspricht 150 km Höhenunterschied im Mondrelieff. Und Du sammelst alles ein, was der Laser dort ausleuchtet (Der hat im besten Fall einen Spotdurchmesser von 3 km auf dem Mond). Die Kunst besteht doch darin, dass man die Reflexion dieses einen Gegenstands herauslesen will. Da brauchst du eine ganze andere Orts- und Zeitauflösung. Das ist doch einer der Gründe, warum die so ultrakurze Pulse nehmen und warum sie mit so extremer Zeitauflösung das Empfangsfenster setzen. Nützt doch nichts, wenn sämtliche Felsen im Umkreis ebenfalls ihr Echo in das Zeitfenster einbringen können.

Darüber wurde jetzt in diesem Thema noch gar nicht gesprochen, welche Randbedingungen man einhalten muss, um den Reflektor vom Mond an sich unterscheiden zu können. Moon-Bouncing, das schafft jeder besser ausgestattete Funkamateur.

Das nächste Problem ist, dass der Sender beim Empfang ausgeschaltet sein muss. Ok, das Zeitfenster dafür wäre ein ~ 2,5 Sekundenintervall, bis das erste Echo zurückkommt. Danach ~ 3 Sekunden lauschen und wieder von vorne.

Hi Kalle,

Danke fuer die Antwort. Du hast recht, mit den Mitteln ist man auf die Lichtlaufstrecke in 1ms begrenzt. Nun muss man aber sagen, dass das wenn wirklich ein Amateurteam das schafft eine ganz ausgezeichnete Leistung ist. Zeig mir doch mal eine Bestimmung der Mondentfernung auf +-150km die von Amateuren mit anderen Methoden gemacht wird? Parallaxen ? Sternbedeckungstiming ? Wenn ein Team oder ein Einzelchampion das Thema mal geknackt hat, sind ja Verbesserungen moeglich. Z.B. schnellere optoelektronische Modulation des Lasers. Mit Korrelation eines Pseudozufallscodes geht da noch eine Menge.

Clear Reflexes,
Gert

Gert,

Zum Thema Reflexion der gesamten Spotfläche habe ich mir noch mal Gedanken gemacht. Aber wirklich weiter komme ich da nicht. Es hängt von den Annahmen ab, ob Deine Idee da ins Leere läuft oder eine Chance hat.

Meine Überlegung ist, wenn der Laserspot 70 qkm hat, die Fläche durchschnittlich in einem 30°-Kegel zurückstrahlt bei ~10% Albedo, der Reflektor dagegen in einem 6"-Kegel zurückstrahlt ...

30°-Kegel ergibt überschlägig 900 Quadratgrad = 900*3600*3600 Bogensekunden im Quadrat versus 36 Quadratbogensekunden beim Reflektor. Also ein Verhältnis von ~300 Mio bzw. unter Berücksichtigung der Albedo 3 Mrd zu 1. Die beteiligten Flächen sind 70 Mio zu 1. Der Reflektor gewinnt da 50 zu eins, wenn man beides zusammen nimmt. Andererseits ... ich kenne den Lichtkegel nicht, kenne die Beschaffenheit des Bodens auf dem Mond nicht etc. Je gröber die Fels-, Sand- und Staubkörner, desto weniger spielt Streuung/Beugung eine Rolle, deren diffuse Eigenschaften träte in den Hintergrund, desto mehr käme es auf die Zufallsverteilung der einzelnen Oberfläächen an, ob die im Laser anfangen zu 'glitzern'. Fragen über Fragen ...

Was mir aber zu denken gibt: Schon im Pikosekundenbereich (1E-12) ist das S/N-Verhältnis "erheblich unter 1", wegen Störlicht. Im Millisekundenbereich (1E-3) hast du also milliardenfach mehr Rausch-Photonen. Sind das nicht umgerechnet 90 Dezibel, also das, was eine Audio-CD so an Dynamik hat? Schafft das Dein Rauschunterdrückungssystem?

Hi Kalle,

Ich wuerde mich nichtmal um die Reflektion der Mondoberflaeche ausserhalb des Reflektors kuemmern, sondern nur die Photonen nehmen die wirklich vom Laserreflektor kommen. Das sind schon ein paar pro Sek. Beim Stoersignal kann man eine Menge machen, um erstmal die einfachen Faktoren zu reduzieren.
1. Wir gucken auf einen Reflektor der auf der dunklen Seite des Mondterminators steht. Was kommt von da an Licht so an? Rueckgestreutes Erdlicht und Streulicht aus Erdatmosphaere und Teleskop. Bei letzterem kann man schoen was mit Lyotblenden machen. So wie die Leute mit ihren Lille-Sonnenguckern.
2. Wir haben schoen monochromatisches Laserlicht und gucken mit unserem Sensor natuerlich durch ein Schmalbandfilter. Hast Du schon mal durch ein Luntfilter auf die unbeleuchtete Seite des Mondes geguckt? Ziemlich dunkel!

Bei der Signalverarbeitung kann man dann all das aus der Schublade holen, was die Leute ausgedacht haben, die sich natuergemaess mit schwachen Signalen rumschlagen muessen. Ein GPS Signal kommt auf der Erdoberflaeche mit -130dBm an. Dann heisst es korrelieren und integrieren. Dabei sind Codelaenge und Integrationszeit noch frei. Wenn einem ein Faktor 100 fehlt macht man den Code 10x laenger und integriert 10x.

Das sowas geht hat Andrew Holme gezeigt und sich einen GPS Empfaenger mit Amateurmitteln selbst gebaut.
http://www.aholme.co.uk/GPS/Main.htm

Schwierig zu finden, aber hier ist ein Beispiel fuer Photonen pro Sec aus einem 7.5mW Laser
http://www.google.com/url?sa=t…v.128617741,d.cGc&cad=rja

Da kommt 2x10^16 raus. 75mW dann schon 2x10^17.

Ein 5arcsec Laserstrahl hat beim Mond ca. 7x10e7 qm. Sagen wir der Reflektor ist 1qm ergibt ein Verhaeltnis von eben 1:7x10e7.
Nehmen wir das gleiche fuer den Rueckweg macht etwa 5x10e15. Da kommen immer noch 2x10e16 / 5x10e15 = 4 Photonen pro sec zurueck. Immerhin schon 240 pro Min.

Clear Skies,
Gert

PS hat jemand mal eine Bezugsquelle fuer Lasermodule mit Angabe photonen/sec ? (und Modulierbarkeit?)

Hallo Gert,

ich frag mich noch immer- was willst du eigentlich empfangen? Lies mal in dem Dokument nach- http://physics.ucsd.edu/~tmurphy/apollo/0710.0890v2.pdf

Unter Punkt 1.2 zu lesen: <i>which used a ruby laser with 4 ns pulse width, firing at a repetition rate of about 0.3 Hz and #8764;3 J/pulse.
with a photon return rate as high as 0.2 photons per pulse, or 0.06 photons per second. A typical “normal point”—a representative
measurement for a run typically lasting tens of minutes—was constructed from approximately 20 photon returns</i>

Oder das andere von Wettzell bestätigte Beispiel- hier arbeitet der Laser mit einer Impulsleistung von 1,9GW. Und damit kommt pro Puls 7*10^-20 J zurück- oder anders gesagt, auf 50 Pulse a´1,9GW Pulsleistung kann damit im Schnitt 1 einzelnes Photon detektiert werden.

Wenn bei diesen hohen Sendeleistungen schon nur so eine geringe Rücklaufquote vorhanden ist und der Rest der hochgeschickten Photonen schlichtweg beim doppelten Durchlauf durch die Lufthülle sowie durch Nichtreffen des Reflektors auf dem Mond verloren geht- wie sollen dann bitteschön bei deinem angedachten 75mW Laser noch irgendwelche Photonen wieder deinen Empfänger erreichen? <blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Da kommt 2x10^16 raus. 75mW dann schon 2x10^17.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">Ja, aber auf eine Sekunde verteilt, oder? Was steht in dem Dokument von Wettzell? unter Erkennung von Treffern: <blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Bedingt durch die knappe Energiebilanz, den Störlichteinfluß und nicht zuletzt das Eigenrauschen der Photodetektoren, gestaltet sich die Erkennung von Treffern zum Mond recht schwierig. Von den abgesendeten ca. 10^19 Photonen findet im Mittel noch nicht einmal ein einziges den Weg zum Empfänger zurück. <hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">Zu der optimistischen Annahme der Reflektorgröße-<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Sagen wir der Reflektor ist 1qm<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">Lt. dem französischen Dokument ist der aber nur ca. 0,3m², nicht 1m². [:)]

Was willst du integrieren, wenn nichts ankommt? Wieviel ergibt 1000x0? Du schickst über die Zeit verteilt um mehrere Zehnerpotenzen weniger Photonen auf die Reise- und um diese Faktoren weniger wird auch zurückkommen. Die Verluste sind ja gleich, die längere Zeit hilft dabei doch nicht.

Mach mal einen "Bodenversuch"- justiere einen 0,5W Laserpointer auf einem Teleskop und peil damit auf möglichst große Entfernung ein Blatt weißes Papier an. Dann versuch, ob du reflektiertes Licht per Kamera erfassen kannst. Man kann das ja mit 1km beginnen und dann bis zur max. möglichen Entfernung steigern. Dann nimm einen entsprechend schwächeren Laser (der könnte parallel montiert werden, wechselweise betreiben) und wiederhol das Ganze, alternativ wäre eine größere Entfernung möglich, wird aber nicht so einfach umsetzbar sein. Auf dem Blatt Papier kann man auch noch ein Katzenauge anbringen, würde den Reflektor auf dem Mond simulieren.

Gruß
Stefan

Hi Stefan,

Klar, daß die Profis das mit den super kurzen Pulsen machen. Die können sich das halt leisten. Eine Poor-Man Solution sieht halt anders aus. Sieh Dir mal die Prinzipien von Lock-In Verstärker und z.B. Kreuzkorrelation an.
http://alumni.cs.ucr.edu/~saha/stuff/cdma_gps.htm

Die Schlüsselberechnung dabei ist die Multiplikation des erwarteten Signals mit dem Empfangenen unter einem Zeit-Integral. Das meine ich mit integrieren. Und , ja 1000x0 ist 0 aber wenn bei 1e6 mal nur 1000 Photonen 'Nutzsignal' da sind ist es eben nicht mehr null. Stell Dir vor die Modulationsfunktion ist eine Sinuswelle. Also kommt im Empfänger die Sinuswelle multipliziert mit grauenvollem Rauschen an. Das empfangene Signal wird mit der ursprünglichen Sinuswelle multipliziert und integriert. (Korreliert) Was ergibt das? Ohne Signal: Die positive Halbwelle ergibt was positives (Rauschen) und die negative was genauso gross negatives (Rauschen). Im Integral also null. Nun ist dem Rauschen ein elend winziges Signal überlagert, daß mit der selben Frequenz moduliert ist (das ist der Trick). Bei der positiven Halbwelle ergibt sich (positiv x positiv = positiv) ein positiver Betrag (zuzüglich irre viel Rauschen mit positivem Vorzeichen). In der negativen (minus x minux = plus!) auch was positives (Das Rauschen aber addiert hier negativ). Im Integral also ein positiver Rest-Beitrag. Ein paar Feinheiten kommen noch dazu. Die verwendeten Pseudorandomcodes, die Phasenlage etc.

Warum machen die Profis es so wie sie es machen?
1. Klar können die sich schicke Laser mit elend kurzen Pulsen leisten. Da ist die Entfernungsmessung sozusagen autmatisch im Ergebnis drin und man muss keine komischen Signalauswertungstechniken anwenden. Außerdem können die ihre Pulse eben so schön kurz machen. Eine Modulation in der Geschwindikeit geht nicht. Einen 1W Laser mit 1GHz an/auszuschalten ist nicht drin. (Ich stell mir gerade vor wie ein 1W Laser ein kleine rotierende Strichplatte zersaegt) Mein Vorschlag mit der mechanischen Modulation kommt an die Grenzen, wie schnell Du halt so eine Scheibe mit Strichmuster rotieren kannst. Bestimmt nicht im MHz Bereich. Man kann das mit elektro optischen Effekten 'Kerr-effekt' evtl besser machen. Damit kann man Licht im 10GHz Bereich modulieren. Damit koennten auch die Profis wieder hausieren gehen.

2. (Kleiner Seitenhieb auf die Profis) Als die ihren ganzen Kram entwickelt haben gab es die Empfängertechnik mit Pseudorandomcodes noch nicht. Also wurde der Brute-Force Weg genommen. Warum heute davon abweichen?

Deine Idee mit dem Bodenversuch muß folgendermaßen modifiziert werden. Vor dem Laserpointer ist eine rotierende Strichplatte. Der Strahl geht einmal durch die Platte durch, dann kommt das Katzenauge, dann wieder durch die Platte (gegenüber vom Laser) und da ist ein Fototransitor. Eine Lichtschranke ist ebenfalls so montiert, daß sie die Striche auf der Scheibe misst. Das Signal von der Lichtschranke geht in den Ref. Eingang vom Lock-In Verstärker, das Signal vom Fototransistor an den Signaleingang. Nun ein Zeigerinstrument an den Ausgang und vorsichtig die Phase (Position der Lichtschranke) variieren bis der Ausschlag maximal wird. Jetzt ist die Detektion optimiert! Mal zu Probe den Laser verdunkeln und sehen, dass der Ausschlag auf Null geht. Dann Laser wieder freigeben und fette Absorber in den Signalweg stellen. Mal sehen, was passiert.

Clear Signal,
Gert

Hi Gert, <blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Warum machen die Profis es so wie sie es machen?<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">Hm, vielleicht weil es anders gar nicht geht?<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Außerdem können die ihre Pulse eben so schön kurz machen<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">Die <b>können</b> nicht, die <b>müssen</b> das tun. Nicht nur wegen der Messgenauigkeit. Die 0,25 J in 130ps entsprechen ja 1,9GW- einen Laser mit dieser Dauerstrichleistung gibt es nicht.

Leistung pro Zeit- das ist nötig, um die Verluste auf dem Weg zu überwinden.

Ein hinkendes Beispiel- in 1000m Höhe 1 qm Wasser innerhalb einer Sekunde auskippen und auf den von der Sonne aufgeheizten Sand in einer Wüste fallen lassen- danach suchst du Feuchtigkeit im Sand. Oder steckst ein Reagenzglas in den Sand und guckst danach rein, ob Wasser darin ist.

Verluste entstehend dabei durch Wind und verdampfendes Wasser am Boden (oder schon während dem Fallen).

Findest du nichts, erhöhst du die Menge Wasser oder versuchst die "Energiedichte" zu erhöhen, indem du das Wasser noch schneller auskippst. Das wäre die Methode der Profis.

Was du tun willst- du lässt aus 1000m Höhe 1qm Wasser tröpfeln- auf eine verlängerte Zeitstrecke von 1x10^10 Sekunden- und suchst während dieser Zeit Feuchtigkeit im Sand. Ändert sich daran etwas, wenn du dann 20qm Wasser auf 20x10^10s auskippst (Vergleich- du lässt deinen Laser einfach länger leuchten und misst länger)?
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Deine Idee mit dem Bodenversuch muß folgendermaßen modifiziert werden. Vor dem Laserpointer ist eine rotierende Strichplatte. <hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">Wieso modifizieren? Es geht erst mal nur um die Überprüfung, ob du mit der Kamera den schwachen Laser auf Entfernung x noch erfassen kannst bzw. ab welcher Entfernung du nichts mehr davon siehst. Und um wieviel weiter der stärkere Laser entfernt sein darf bevor er auch nicht mehr erfassbar ist. Du kennst dabei die Leistung der Laser und die Daten der Kamera, das Ergebnis zeigt dir die Größenordnung der Verluste auf der Strecke auf.

Gruß
Stefan

Hi Stefan,

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: stefan-h</i>
<br />Hi Gert, ...
Wieso modifizieren? Es geht erst mal nur um die Überprüfung, ob du mit der Kamera den schwachen Laser auf Entfernung x noch erfassen kannst bzw. ab welcher Entfernung du nichts mehr davon siehst. Und um wieviel weiter der stärkere Laser entfernt sein darf bevor er auch nicht mehr erfassbar ist. Du kennst dabei die Leistung der Laser und die Daten der Kamera, das Ergebnis zeigt dir die Größenordnung der Verluste auf der Strecke auf.

Gruß
Stefan
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Die Modulation ist ja gerade der Schlüssel. In DC wird es garantiert einen Punkt geben, wo Du im Rauschen des Empfängers das Signal nicht mehr 'siehst'. Das heißt ja nicht, daß es nicht mehr da ist, sondern nur, daß das Signal eben im vergleich zum Rauschen zu klein geworden ist. mit Modulation und Signalverarbeitung wirst Du das vorher unsichtbar gewordene Signal deutlich detektieren können.

Sieh Dir mal die Papers oder Tutorials zu Lock-In Verstärkern an. Hier ein ganz nettes bei Youtube:

Clear Skies,
Gert