Nederlands mobiel meetstation meet 1 foton; Landmeten met satelliet

Tot het klassieke gereedschap van de landmeter behoren het rood-wit gestreepte meetlint en de driepoot of theodoliet. Nog altijd handig om bijvoorbeeld de nieuwe route voor een fietspad uit te zetten, maar voor het grote werk is beter gereedschap nodig. Bij de Technisch Physische Dienst van TNO (TNO-TPD) is een zeer vernuftige laserafstandsmeter ontworpen om bijvoorbeeld de bewegingen van aardschollen - bron van vulkaanuitbarstingen en aardbevingen - beter te bestuderen. Als het nieuwe instrument volgend jaar in gebruik wordt genomen, hoopt men daarmee zaken als het uiteendrijven van de aardschollen, de poolbewegingen of veranderingen in de aardrotatie tot op de centimeter nauwkeurig te kunnen volgen.

Met behulp van zeer korte laserpulsen meet men telkens de afstand van een bepaald punt op aarde tot een satelliet die met spiegeltjes is uitgerust en het licht deels terugkaatst naar een detector op aarde. Hoe langer het laserlicht onderweg is, hoe groter de afstand. Als men deze 'looptijdmetingen' op verschillende punten op aarde en op exact bekende tijden verricht, kan men uit de verkregen gegevens zeer nauwkeurig de baan van de kunstmaan en de plaats van de meetpunten op aarde berekenen. In de loop van het meetprogramma, dat enkele maanden tot jaren kan duren, ziet men dan, dankzij uiterst nauwkeurige metingen, de plaats van de meetpunten op aarde heel subtiel van positie veranderen ten opzichte van elkaar. Bij metingen over grote afstanden kan men zo de drift der continenten vaststellen.

Retroreflectie

Het instrument zendt laserpulsen van een groot vermogen, maar met zeer korte pulsduur, ongeveer 30 picoseconden, naar een kunstmaan. Op de kunstmaan zitten een of meer retroreflectoren. Zij kaatsen een deel van het opgevangen licht terug naar het grondstation. Retroreflectie wil zeggen, dat het licht wordt teruggekaatst in dezelfde richting waaruit het ook gekomen is (de fietsreflector is zo'n retroflector). Het systeem werkt zo nauwkeurig dat je zelfs bij vol daglicht nog één weerkaatst foton kunt meten. Als je weet hoe lang de lichtflits onderweg is geweest, kun je daar de afstand tot kunstmaan of satelliet uit afleiden. Om metingen van diverse grondstations met elkaar in verband te kunnen brengen, wordt het meettijdstip tot op de microseconde precies vastgelegd.

De TPD verzorgt zowel de optische als de mechanische kant van de zaak: de telescoop, een zender- en ontvangersysteem dat met de laser samenwerkt en de detectoren die de teruggekaatste lichtflitsen waarnemen. Met het project is acht miljoen gulden gemoeid.

“We hebben deze opdracht gekregen van het Duitse Institut für Angewandte Geodäsie (IfAG),” vertelt TPD-onderzoeker ing. Theo Braakman, “en daar zijn we best trots op want er waren ook Duitse aanbieders op de markt.”

De allereerste satelietlasermeter van de TPD werd al in de jaren zeventig ontworpen als stationair meetsysteem. Tien jaar later volgden de eerste mobiele meetsystemen en inmiddels wordt de derde generatie laserafstandsmeters ontworpen. Braakman: “Het bijzondere is, dat onze lasermeter gebruik maakt van een titanium-saffier-laser, die licht van twee verschillende golflengten tegelijk uitzendt, namelijk 847 en 423,5 nanometer. Door op twee golflengten tegelijk te gaan meten verwachten we een betere correctie voor de invloed van de atmosfeer te kunnen bereiken. De atmosfeer beïnvloedt de lichtsnelheid en dus de looptijd van het licht. Atmosferische storingen spelen alleen in de dampkring, voor de rest van de afstand van de kunstmaan maakt het natuurlijk niet uit, maar het is toch een zeer belangrijke factor.”

Zo'n titanium-saffierlaser is nog nooit eerder voor dit doel toegepast. Het gaat om een hoogvermogen-laser en dat betekent, dat alle optische onderdelen in het instrument extra duurzaam moeten worden uitgevoerd. Deze optische onderdelen, en ook de coatings, worden ontwikkeld door de vakgroep optica van de TU-Delft. De afdeling geodesie van de TU Delft maakt het elektronisch besturingssysteem en ontwikkelt de software. De TPD is projectleider en verzorgt optica en mechanica.

“Groot voordeel van het nieuwe systeem is, dat het goed met alle bestaande satellieten overweg kan” vult collega Bert van der Zwan aan. “Dat geldt ook voor geostationaire satellieten, in een vaste baan om de aarde. Dat is een enorme verbetering ten opzichte van bestaande systemen, die een veel beperktere toepassing hebben en niet zo snel kunnen overschakelen op weer een nieuw satellietsysteem.”

De meetopstelling kan worden vervoerd in een 12 meter lange container, die op een vrachtwagen past. Aangekomen op de plaats van bestemming wordt de telescoop, die in een apart wagentje staat, uit de container gereden. Op de goede plek aangekomen, ongeveer vijf meter van de container, worden de wieltjes eraf gehaald en komt hij op eigen voetjes te staan. Het uitlijnen gebeurt met behulp van twee ingespiegelde helium-neonlasers die deel uitmaken van het optisch instrumentarium. Daarmee wordt de uitlijning van het hele systeem voortdurend gecontroleerd.

Controlekamer

De container, die als controlekamer dienst doet, staat boordevol computerapparatuur. Om de elektronica, en niet te vergeten de operator koelte toe te wuiven is air-conditioning ingebouwd. Ook de laser bevindt zich in de cabine. Via een buis bereiken de lichtstralen vanuit de cabine de telescoop, en omgekeerd. De telescoop zelf bevat allerlei prisma's en spiegels, die de lichtbundels afbuigen. Uitgaande en terugkerende lichtbundels mogen elkaar niet hinderen, waarbij men er rekening mee moet houden dat het instrument intussen langzaam meedraait om de satelliet in zijn baan te blijven volgen.

Van der Zwan: “In principe blijft de telescoop in zijn wagentje gewoon buiten staan, het is weersbestendig uitgevoerd. Voor de meting gaat een koepeltje open, zodat de telescoop naar buiten kan kijken. De telescoop kan de satelliet op een afstand tot 40.000 kilometer van horizon naar horizon blijven volgen. Dat gebeurt tot op 2 boogseconden nauwkeurig - een boogseconde is een 3600e graad.”

Braakman: “Het probleem met bestaande laserafstandsmeters is dat men de satellieten vaak niet goed kan vinden. Je moet je voorstellen dat je naar de hemel kijkt met een heel smalle lichtbundel. Als je hem maar een haardikte opschuift zit je al fout - dat is zo ongeveer de marge waar wij binnen moeten zien te blijven. Op een afstand van 40.000 kilometer is die satelliet maar zò'n bolletje, dat is zo voorbij en de kans dat je het mist is groot.”

Daarom is het heel belangrijk, dat de telescoop intussen zelf niet staat te wiebelen. Om te zorgen dat hij perfect stil staat, is hij voorzien van drie verstelbare voetjes, gemonteerd aan een grote ring van zwart graniet. Die staat in de kelder van het TPD-gebouw. Hij heeft een doorsnee van meer dan een meter, weegt zo'n 600 kilo en is uit één blok graniet gehouwen. Theo Braakman strijkt liefdevol met zijn hand over het perfect gepolijste oppervlak. “Helemaal glad, de oneffenheden zijn minder dan twee-duizendste millimeter. Graniet is thermisch zeer stabiel, het is spanningsvrij en bovendien corrosiebestendig.”

In de toekomst hoopt men met dit soort meetinstrumenten meer gegevens over aardbevingen te krijgen. Zo zullen rond Tokyo zo'n vijf vergelijkbare instrumenten komen te staan. Zelf gaan de Delftse instrumentenbouwers straks niet mee het veld in. Braakman: “Wat wij moeten doen is heel goede handleidingen maken. Onze opdrachtgever heeft een speciaal team dat hier dagelijks mee omgaat. Alleen voor onderhoud komt men dan bij ons terug.”