Laserreflektoren

Hallo

Ich habe eine Frage zu den Abstandsmessungen Erde Mond
mit einem Laser

Es wird immer mal wieder im Internet behauptet,dass es bereits seit 1962
Abstandsmessungen mit einem Laser gab und das dann natürlich ohne Reflektoren

Weiß jemand etwas über diese frühen Messungen?

Danke für Hinweise

Die Messungen von 1962 nutzten die Rückstreuung der Mondoberfläche selbst :

"The first successful tests were carried out in 1962 when a team from the Massachusetts Institute of Technology succeeded in observing laser pulses reflected from the Moon's surface using a laser with a millisecond pulse length.[2] Similar measurements were obtained later the same year by a Soviet team at the Crimean Astrophysical Observatory using a Q-switched ruby laser[3]"

2: Smullin, Louis D.; Fiocco, Giorgio (1962). "Optical Echoes from the Moon". Nature. 194 (4835): 1267. Bibcode:1962Natur.194.1267S. doi:10.1038/1941267a0
3: Bender, P. L.; et al. (1973). "The Lunar Laser Ranging Experiment: Accurate ranges have given a large improvement in the lunar orbit and new selenophysical information" (PDF). Science. 182 (4109): 229–238. Bibcode:1973Sci...182..229B. PMID 17749298. doi:10.1126/science.182.4109.229.

  Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_Laser_Ranging_experiment

Danke

Auf die englische Wikipedeaseite hätte auch selbst kommen können

Interessant wäre es zu wissen was genau dieser Satz bedeutet

>>>Greater accuracy was achieved following the installation of a retroreflector array on July 21<<<

Denn so überragend sind die Messungen ja heute auch nicht

Ein Photon kommt im Mittel pro Laserstrahl zurück,wenn ich das richtig verstanden habe

Danke

Auf die englische Wikipedeaseite hätte auch selbst kommen können

Interessant wäre es zu wissen was genau dieser Satz bedeutet

>>>Greater accuracy was achieved following the installation of a retroreflector array on July 21<<<

Denn so überragend sind die Messungen ja heute auch nicht

Ein Photon kommt im Mittel pro Laserstrahl zurück,wenn ich das richtig verstanden habe

Hallo,

der Satz bezieht sich wohl auf die Messungen vor der Mondlandung. Die waren noch sehr ungenau. Als dann Apollo 11 am 21. Juli den Reflektor installiert hat, wurden die Messungen deutlich genauer (Verschwörungstheorie ade ).

...Als dann Apollo 11 am 21. Juli den Reflektor installiert hat, wurden die Messungen deutlich genauer (Verschwörungstheorie ade ).

Das sah dann so aus:


LRRR (Laser-Retroreflektor, Laser Ranging Retroreflector) aus dem Apollo-Programm im Science Museum London
(Photo: selbst)

Das ganze analog von der Apollo-11-Crew auf dem Mond positioniert:


(Photo: NASA)

Gruß   Pirx

Die waren noch sehr ungenau. Als dann Apollo 11 am 21. Juli den Reflektor installiert hat, wurden die Messungen deutlich genauer

Das würde mich interessieren ob man das mit Zahlen belegen kann
Heute kommt pro Lasersignal 1 Photon zurück.Der Laser müsste etwa ein 3W Laser sein

Zitat von: MpunktApunkt am 17. Oktober 2017, 21:29:32

Die waren noch sehr ungenau. Als dann Apollo 11 am 21. Juli den Reflektor installiert hat, wurden die Messungen deutlich genauer

Das würde mich interessieren ob man das mit Zahlen belegen kann....

vorher ohne Reflektor ~ 1 km Genauigkeit
mit Reflektor immmer besser werdend im Zentrimeterbereich

Quelle: https://www.hq.nasa.gov/alsj/LRRR-94-0193.pdf

Gruß   Pirx

Sehr schöner Artikel, Danke Pirx!

vorher ohne Reflektor ~ 1 km Genauigkeit
mit Reflektor immer besser werdend im Zentimeterbereich

So richtig überzeugen kann das nicht
Wenn ein Photon zurückkommt dann ist es doch egal ob das vom
Reflektor oder von 100m daneben kommt
Wenn man schon ohne Reflektor tausende Signale
empfängt,wieso sollte das mit dem Reflektor plötzlich viel genauer werden?
Im Laufe der Zeit wurde aber sicher der Laser und die Zeitmessung besser

Ich habe die pdf Datei noch nicht gelesen,weil ich die mir erst übersetzen lassen muss
aber du hast das mit dem Abstand ja schon hingeschrieben

Ich denke, der Denkfehler ist, dass du von einer einzelnen Messung ausgehst. Hier mal zusammengefasst ein paar Stellen aus dem oberen Paper, die das Vorgehen verdeutlichen:

-Durch die Strahldivergenz des Lasers wird (wurde zu der damaligen Zeit) ein Kreis mit 7km Duchmesser auf dem Mond bestrahlt.

-Jeder Laserpuls enthält etwa 10^19 Photonen, man erwartet aber eine Detektionseffizienz von 10^-21, dass heißt, bei jeden hundertsten Puls wird man (im Mittel) mal ein Photon detektieren können.

Bis hierhin hast du Recht, wie kann man denn jetzt genauer werden, man weiß ja nicht, wann man den Reflektor trifft und wann nicht.

Allerdings gingen die Messreihen sehr lange, nämlich 3x 45 Minuten pro Tag, etwa 21 Tage pro Mondorbit. Der Laser der verwendet wurde, hatte eine Pulsfrequenz von 10 Hz. Fasst man das zusammen, erhält man 1.7 Millionen Pulse pro Monat, also etwa 17000 Signale pro Monat. An der Stelle der Reflektoren wird man eine deutlich höhere Häufigkeit haben und damit kann man sehr genau sagen, welche Entfernung zu dem Reflektor korrespondiert.

Hallo,

Das würde mich interessieren ob man das mit Zahlen belegen kann
Heute kommt pro Lasersignal 1 Photon zurück.Der Laser müsste etwa ein 3W Laser sein

Unter Lunar Laser Ranging wird beschrieben wie man berechnet wie viele Photonen mit Reflektor zurückkommen. Dies gilt für aktuelle sub-nanosekunden Laser mit 100 mJ Leistung.

So richtig überzeugen kann das nicht
Wenn ein Photon zurückkommt dann ist es doch egal ob das vom
Reflektor oder von 100m daneben kommt
Wenn man schon ohne Reflektor tausende Signale
empfängt,wieso sollte das mit dem Reflektor plötzlich viel genauer werden?
Im Laufe der Zeit wurde aber sicher der Laser und die Zeitmessung besser

Ohne Reflektor benötigt man für die tausend Signale im Vergleich zu mit Reflektor wahrscheinlich die 1000fache Zeit. Und die wenigen Photonen die zurück kommen müssen auch erst mal genau detektiert werden.
Der Wikipedia Artikel spricht bei der Auswertung auch von einem statistischen Verfahren die nützlichen Signale von den Störsignalen zu unterscheiden (Stichwort Histogramm). Hierzu sind natürlich möglichst viele "gute" Signale notwendig, was mit den Reflektoren eben deutlich besser geht als ohne.

Zitat von: Pirx am 17. Oktober 2017, 22:27:59

vorher ohne Reflektor ~ 1 km Genauigkeit
mit Reflektor immer besser werdend im Zentimeterbereich

So richtig überzeugen kann das nicht
Wenn ein Photon zurückkommt dann ist es doch egal ob das vom
Reflektor oder von 100m daneben kommt
Wenn man schon ohne Reflektor tausende Signale
empfängt,wieso sollte das mit dem Reflektor plötzlich viel genauer werden?
Im Laufe der Zeit wurde aber sicher der Laser und die Zeitmessung besser

Ich habe die pdf Datei noch nicht gelesen,weil ich die mir erst übersetzen lassen muss
aber du hast das mit dem Abstand ja schon hingeschrieben

Wie soll dich auch etwas überzeugen, das Du nach eigener Aussage gar nicht gelesen hast?

Im Wiki-Artikel irritiert mich etwas "... eine Scheibe von 75 bis 350 cm Durchmesser"
Die Dicke von wenigen Zentimetern ist klar, es sind ja Nanosekunden. die 9,4 km Durchmesser  auf dem Mond sind auch klar. Aber eine Scheibe im Meterbereich bei der Aussendung ? Der Laser kann doch nicht solch Umfang haben ? Und ein optischer Austrittsort (Fokussierung??) zählt ja nicht, das ist ja nicht der Laser selbst. Wie muß man das verstehen?

Wenn es Sand wäre, dann würde auf der Erde eine "Kanone" eine Sandkugel von 10 cm Durchmesser abfeuern. Auf dem Weg zum Mond würde der Sand sich verteilen, so daß eine Scheibe von z.B. 1 Meter Durchmesser entsteht, die aber nur noch ca 1 cm dick ist. Genau so ist es mit dem Licht auch.

Je kleiner der Durchmesser der Scheibe ist, desto mehr Photonen sind vorhanden, desto mehr Photonen werden zur Erde zurück geworfen, desto mehr Photonen kann man somit auf der Erde messen. Aber je kleiner die Scheibe ist, desto genauer muss man ziehlen, damit man den Reflektor trifft.

Im Wiki-Artikel irritiert mich etwas "... eine Scheibe von 75 bis 350 cm Durchmesser"
Die Dicke von wenigen Zentimetern ist klar, es sind ja Nanosekunden. die 9,4 km Durchmesser  auf dem Mond sind auch klar. Aber eine Scheibe im Meterbereich bei der Aussendung ? Der Laser kann doch nicht solch Umfang haben ? Und ein optischer Austrittsort (Fokussierung??) zählt ja nicht, das ist ja nicht der Laser selbst. Wie muß man das verstehen?

@McPhönix: der Laser besitzt eine bestimmte Strahldivergenz (Winkel, innerhalb dessen das Licht bei der Ausbreitung "auseinanderläuft". Diesen Winkel kann man verkleinern, wenn man den Durchmesser des Laserstrahls mit einer geeigneten Optik aufweitet: ein um den Faktor 10 aufgeweiteter Laser besitzt danach eine um den Faktor 10 geringere Divergenz (und damit geringere "Fleckgröße" auf dem Mond).
Die Angabe von 70 cm bis 350 cm Durchmesser gibt die Größe der Austrittsapertur der Aufweitungsoptik an.

@Hugo: Deine Sandanalogie finde ich irreführend: Du scheinst mit der Volumenkonstanz zu argumentieren (Scheibe von 1 m Durchmesser, die aber nur noch 1 cm dick ist).
Das stimmt so nicht: die "Dicke" des Lichtpulses ist bestimmt durch "Pulsdauer x Lichtgeschwindigkeit" und bleibt gleich - auch wenn der Laserstrahl geometrisch aufgeweitet wird.

@McPhönix: der Laser besitzt eine bestimmte Strahldivergenz (Winkel, innerhalb dessen das Licht bei der Ausbreitung "auseinanderläuft". Diesen Winkel kann man verkleinern, wenn man den Durchmesser des Laserstrahls mit einer geeigneten Optik aufweitet: ein um den Faktor 10 aufgeweiteter Laser besitzt danach eine um den Faktor 10 geringere Divergenz (und damit geringere "Fleckgröße" auf dem Mond).
Die Angabe von 70 cm bis 350 cm Durchmesser gibt die Größe der Austrittsapertur der Aufweitungsoptik an.

Die Optik scheint mir interessant. Den Strahl aufweiten ist ja nicht so kompliziert. Eine passende Optik dafür sollte kein Problem sein. Vermutlich wird man sie trotz NanoSekunden Impulsen vlt kühlen, damit bei langer Betriebsdauer die Bedingungen gleich bleiben.
Man erhält aber zwangsläufig einen gedachten Kegel, der alle 0,1 sek eine Kalotte trägt mit der "Schichtdicke", die der Impulslänge entspricht, also im unteren cm-Bereich. Bei einem DM der Kalotte im Meterbereich ist die Differenz Mitte zu Außenrand wiederum im Bereich von Zentimetern. Es sei denn, die Nachfokussierung ist hunderte Meter entfernt. Wie schafft man eine Planierung der Kalotte? Geht das optisch verlustfrei oder rechnet man die Abweichung heraus?

Na ja - so ganz trivial ist so eine Optik zur Strahlaufweitung auch nicht - man landet da schnell bei Genauigkeitsanforderungen wie für astronomische Teleskope (lambda/20 etc) und entsprechenden Kosten. Der Trick ist, bei der Strahlformung eine schön plane Wellenfront zu erzeugen (bis auf die unvermeidlichen Randstörungen an der Apertur). Dabei hilft eine rein geometrische Betrachtung nicht weiter - man muss den Wellencharakter des Lichts (Beugung u.ä.) mit einbeziehen.
Störender ist i.A. der Einfluß der Erdatmosphäre (Dichteschwankungen/Brechungsindex) sowie die Tatsache, dass innerhalb der beleuchteten Fleckgröße auf dem target zT erhebliche Höhenunterschiede vorhanden sind und das Rückstreusignal entsprechend komplex ist.
Solche Laser Ranging-Messungen werden nicht nur von der Erdoberfläche aus gemacht, sondern auch von Satelliten - die entsprechenden Geräte heißen dort "Laser-Altimeter" und messen vom Orbit aus Form und Terrainstruktur. Aktuell zB auf BepiColombo: BELA (BEpiColombo Laser Altimeter) zu Merkur
(Beschreibung: https://pdfs.semanticscholar.org/db5b/8830ad04670bec1830378ee3029cc0cf734d.pdf)
 und GALA (GAnymede Laser Altimeter) auf JUICE zum Jupiter
(Beschreibung: https://ssed.gsfc.nasa.gov/IPM/PDF/1029.pdf,
beide übrigens mit deutlicher deutscher Beteiligung.

Ich habe mir mal die beiden Rechnungen auf dieser Seite
https://de.wikipedia.org/wiki/Lunar_Laser_Ranging
genauer betrachtet

Zu der ersten Rechnung mit dem 0.7 muss man einiges sagen

Die 8*10^9 betreffen den Reflektor der Apollo 11
Gemessen wird aber heute hauptsächlich mit dem Reflektor von Apollo 15,der ist aber 3mal so groß

Der Wirkungsgrad von 0.1 ist komisch.Erwarten würde man bei einem Spiegel eher 0.9 oder mehr.Zumal der Mond ja schon 0.12 hat

Die Zahl 18520m ist nicht nicht ganz nachvollziehbar.Von der Erde zum Mond hat man etwa die Hälfte des Wertes.Beim Spiegel gibt es aber keine Streuung.Also müssten es vom Spiegel zur Erde auch wieder etwa nur 9260m sein