Основное назначение лазерного дальномера - это измерение расстояний. Главное преимущество работы с этим прибором - измерения может проводить один человек. Лазерные дальномеры находят все большее применение в самых различных областях, где необходимо измерять расстояния быстро и с высокой точностью. Применяются в строительстве при разбивке и для определения объемов, при планировании сельскохозяйственных работ, в военной технике, а так же в различных видах активного отдыха - охоте, туризме, игре в гольф. Бюро технической инвентаризации используют их при инвентаризации жилого фонда и промышленных объектов. При производстве топографических работ лазерные дальномеры используются для различного рода дополнительных обмеров и при составлении абрисов.

Лазерный дальномер - электронно-оптический прибор, используемый для определения дальности между различными предметами, может работать, как в помещениях, так и на открытом пространстве. Погрешность измерений лазерного дальномера колеблется от 3 до 1 мм на 10 м. Некоторые модели лазерных дальномеров могут производить вычисления объемов и площадей помещений, вычислять длину недостающего катета (по теореме Пифагора) и т.д. Принцип действия лазерных дальномеров основан на измерении промежутка времени между посылкой лазерного импульса и приемом отраженного от предмета сигнала. Лазерные дальномеры помогают производить замеры в неудобных местах и из углов помещений. Максимальная дальность определения расстояния может составлять до 150 м и более. Как правило, на рынке встречаются профессиональные модели лазерных дальномеров.

Все выпускаемые дальномеры имеют цифровой дисплей. Паразитные отражения от близко расположенных целей и рассеивающих объектов, возникающих вследствие атмосферных осадков (дождь, снег, туман),

Лазерные дальномеры новой серии просты в использовании и способны работать в жестких климатических условиях. Новые перспективы применения появляются при применении безопасных для зрения лазеров на стекле, легированных ионами эрбия, и методов тахеометрии (комбинации лазерного дальномера и точного электронного гониометра), могут устраняться путем установления минимального диапазона (от 50 до 5000 м). Дальномеры обеспечивают селекцию первой и последней целей и измеряют расстояние до каждой из них.

2. Использование лазерных дальномеров в военных целях

Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического применения лазеров в зарубежной военной технике. Первые опыты относятся к 1961 г., а сейчас лазерные дальномеры используются в наземной военной техники (артиллерийские, танковые), и в авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели), и на флоте. Эта техника прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время ряд дальномеров принят в армиях ряда стран.

Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отражения от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере:

- импульсный,

- фазовый

- фазово-импульсный.

Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылается зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу автоматически высвечивается перед оператором расстояние до объекта. Используя ранее рассмотренную формулу, оценим точность такого метода дальнометрирования, если известно, что точность измерения интервала времени между зондирующим и отраженным сигналами соответствует 10^-9 с. Поскольку можно считать, что скорость света равна 3*10¹⁰ см/с, получим погрешность в изменении расстояния около 30 см. Считается, что для решения ряда практических задач этого вполне достаточно.

При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону. При этом интенсивность излучения меняется в значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза сигнала, упавшего на объект. Отраженный от объекта сигнал придет на приемное устройство также с определенной фазой, зависящей от расстояния. Оценим погрешность фазового дальномера, пригодного работать в полевых условиях. Оператору (не очень квалифицированному солдату) не сложно определить фазу с ошибкой не более одного градуса. Если же частота модуляции лазерного излучения составляет 10 МГц, то тогда погрешность измерения расстояния составит около 5 см.

Первый лазерный дальномер XM-23 прошел испытание во Вьетнаме и был принят на вооружение в армии США. Он был рассчитан на использование передовых наблюдательных пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем являлся лазер с выходной мощностью 2.5 Вт и длительностью импульса 30 нс. В конструкции дальномера широко использовались интегральные схемы. Излучатель, приемник и оптические элементы смонтированы в моноблоке, который имеет шкалы точного отсчета азимута и угла места цели. Питание дальномера осуществлялось от батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов напряжением 24В, обеспечивающий 100 измерений дальности без подзарядки.

Один из первых серийных моделей - шведский дальномер, предназначенный для использования в системах управления бортовой корабельной и береговой артиллерии. Конструкция дальномера отличалась особой прочностью, что позволяло применять его в сложных условиях. Дальномер можно было сопрягать при необходимости с усилителем изображения или телевизионным визиром. Режимом работы дальномера предусматривалось либо измерение через каждые 2 с в течение 20 с, либо через каждые 4 с в течение длительного времени.

С начала 70-х годов на зарубежных танках устанавливаются лазерные дальномеры. По сравнению с оптическими они имеют ряд преимуществ: высокое быстродействие, автоматизированный процесс ввода измеренной дальности в прицельные устройства, высокую точность измерения, малые размеры, вес и т.д. Для этого в США был разработан дальномер AN/VVS-1 для танка М60А. Он не отличался по схеме от лазерного артиллерийского дальномера на рубине, однако помимо выдачи данных о дальности на цифровое табло имел устройство, обеспечивающее ввод дальности в счетно-решающее устройство системы управления огнем танка. При этом измерение дальности могло производиться как наводчиком пушки так и командиром танка. Режим работы дальномера - 15 измерений в минуту в течение одного часа. Лазерный дальномер, входящий в систему, позволяет измерять дальность одновременно до двух целей, расположенных в створе. Система отличается быстродействием, что позволяет произвести выстрел в кратчайшее время.

Вероятность поражения движущейся цели при использовании лазерной системы по сравнению с вероятностью поражения при использовании системы со стереодальномером уже на дистанции 100 м, повышается более чем в 3,5 раза, а на дальности 2000 м., где система со стереодальномером становиться практически неэффективной, лазерная система обеспечивает вероятность поражения с первого выстрела около 0,3.

Лазерные дальномеры, установленные на современных танках, позволяют измерять дальность до цели в пределах от 200 м до 10 000 м с точностью до 10 м. Большинство активных элементов лазерных дальномеров, устанавливаемых в настоящее время на танках, созданы на основе кристалла граната с примесью неодима (активный элемент - кристалл иттриево-алюминиевого граната, в который в качестве активных центров введены ионы неодима). Эти лазеры генерируют излучение на длине волны 1,06 мкм. Имеются также лазерные дальномеры, в которых активным элементом служит кристалл розового рубина. Лазеры на рубине генерируют излучение на длине волны 0,69 мкм.

В последнее время на зарубежных боевых машинах начали применяться лазерные дальномеры на углекислом газе. В СО₂ -лазере в газоразрядной трубке находится смесь, состоящая из углекислого газа, молекулярного азота и различных небольших добавок в виде гелия, паров воды и т.д. Преимущество лазера на двуокиси углерода заключается в том, что его излучение (длина волны 10,6 мкм) относительно безопасно для зрения и обеспечивает лучшее проникновение через дым и туман. Кроме того, лазер постоянного излучения, работающий на этой длине волны, может использоваться для подсветки цели при работе с тепловизионным прицелом.

Положительные свойства излучения СО₂ - лазеров:

· безопасное для глаз;

· выполнение измерений через завесы из выхлопных газов танковых двигателей, дымку и легкий туман;

· возможность использования в системах автоматического учета метеобаллистических факторов, например, для оценки боковой составляющей скорости ветра и в системах «свой-чужой»;

· возможность реализации высокой частоты импульсов повторения.

Недостатки лазеров на СО₂:

· совпадение длины волны распространяемого излучения с линией сильного его поглощения парами воды атмосферы;

· низкая отражательная способность объектов (танков, БМП и др.) на длине волны 10,6 мкм в сравнении со способностью отражать излучение с более короткой длиной волны;

· сложность в изготовлении и более высокие стоимостные характеристики;

· недостаточно высокая надежность.

Бурное развитие микроэлектроники обеспечило уменьшение массо-габаритных показатели лазерных дальномеров, что позволило создать портативные дальномеры. Весьма удачным оказался норвежский лазерный дальномер LP-4. Он имел в качестве модулятора добротности оптико - механический затвор. Приемная часть дальномера является одновременно визиром оператора. Диаметр оптической системы составляет 70 мм. Приемником служит портативный фотодиод. Счетчик снабжен схемой стробирования по дальности, действующий по установке оператора от 200 до 3000 м. В схеме оптического визира перед окуляром помещен защитный фильтр для предохранения глаза от воздействия своего лазера при приеме отраженного импульса. Излучатель и приемник смонтированы в одном корпусе. Угол места цели определяется до ~25 градусов. Аккумулятор обеспечивал 150 измерений дальности без подзарядки, его масса всего 1 кг.

Портативные лазерные дальномеры были разработаны для пехотных подразделений и передовых артиллерийских наблюдателей. Один из таких дальномеров выполнен в виде бинокля. Источник излучения и приемник смонтированы в общем, корпусе с монокулярным оптическим визиром шестикратного увеличения, в поле зрения которого имеется световое табло из светодиодов, хорошо различимых как ночью, так и днем. В лазере в качестве источника излучения используется алюминиево-иттриевый гранат, с модулятором добротности на ниобате лития. Это обеспечивает пиковую мощность в 1.5 МВт. В приемной части используется сдвоенный лавинный фотодетектор с широкополосным малошумящим усилителем, что позволяет детектировать короткие импульсы с малой мощностью. Ложные сигналы, отраженные от близлежащих предметов исключаются с помощью схемы стробирования по дальности. Источник питания - малогабаритная аккумуляторная батарея, обеспечивающая 250 измерений без подзарядки. Электронные блоки дальномера выполнены на интегральных схемах, что позволило довести массу дальномера вместе с источником питания до 2 кг.

Следующий этап военного применения лазерных дальномеров - их интеграция с индивидуальным стрелковым оружием пехотинца. Примером может служить штурмовая винтовка F2000 (Бельгия). Вместо прицела на F2000 может устанавливаться специальный модуль управления огнем, включающий в себя лазерный дальномер и баллистический вычислитель. Основываясь на данных о дальности до цели, вычислитель выставляет прицельную марку прицела как для стрельбы из самого автомата, так и из подствольного гранатомета. Перед выстрелом по данным с лазерного дальномера взрыватель гранаты программируется на подрыв в воздухе на заданной дальности, чем обеспечивается поражение укрытых целей осколками сверху или сбоку. Определение дальности для дистанционного подрыва осуществляется путем подсчета оборотов, совершенных гранатой в полете.

В армиях, помимо артиллерии и танков, лазерные дальномеры используются в системах, где требуется в короткий промежуток времени определить дальность с высокой точностью. Так, разработана автоматическая система сопровождения воздушных целей и измерения дальности до них. Система позволяет производить точное измерение азимута, угла места и дальности. Данные могут быть записаны на магнитную ленту и обработаны на ЭВМ. Система имеет небольшие размеры и массу и размещается на подвижном фургоне. В систему входит лазер, работающий в инфракрасном диапазоне. Приемное устройство с инфракрасной телевизионной камерой, телевизионное контрольное устройство, следящее зеркало с сервопроводом, цифровой индикатор и записывающее устройство. Лазерное устройство на неодимовом стекле работает в режиме модулированной добротности и излучает энергию на волне 1,06 мкм. Мощность излучения составляет 1 Мвт в импульсе при длительности 25 нс и частоте следования импульсов 100 Гц. Расходимость лазерного луча 10 мрад. В каналах сопровождения используются различные типы фотодетекторов. В приемном устройстве используется кремниевый светодиод. В канале сопровождения - решетка, состоящая из четырех фотодиодов, с помощью которых вырабатывается сигнал рассогласования при смещении цели в сторону от оси визирования по азимуту и углу места. Сигнал с каждого приемника поступает на видеоусилитель с логарифмической характеристикой и динамическим диапазоном 60 дБ. Минимально пороговый сигнал, при котором система следит за целью, составляет 5*10^-8 Вт. Зеркало слежения за целью приводится в движение по азимуту и углу места сервомоторами. Система слежения позволяет определять местоположение воздушных целей на удалении до 19 км при этом точность сопровождения целей, определяемая экспериментально составляет 0,1 мрад по азимуту и 0,2 мрад по углу места цели. Точность измерения дальности + 15 см.

Лазерные дальномеры на рубине и неодимовом стекле обеспечивают измерение расстояния до неподвижных или медленно перемещающихся объектов, поскольку частота следования импульсов небольшая. Не более одного герца. Если нужно измерять небольшие расстояния, но с большей частотой циклов измерений, то используют фазовые дальномеры с излучателем на полупроводниковых лазерах. В них в качестве источника применяется, как правило, арсенид галлия. Характеристика одного из дальномеров: выходная мощность 6,5 Вт в импульсе, длительность которого равна 0,2 мкс, а частота следования импульсов 20 кГц. Расходимость луча лазера составляет 350*160 мрад т.е. напоминает лепесток. При необходимости угловая расходимость луча может быть уменьшена до 2 мрад. Приемное устройство состоит из оптической системы, а фокальной плоскости, которой расположена диафрагма, ограничивающая поле зрения приемника в нужном размере. Коллимация выполняется короткофокусной линзой, расположенной за диафрагмой. Рабочая длина волны составляет 0,902 мкм, а дальность действия от 0 до 400 м. В печати сообщается, что эти характеристики значительно улучшены в более поздних разработках. Так, например уже разработан лазерный дальномер с дальностью действия 1500 м и точностью измерения расстояния + 30 м. Этот дальномер имеет частоту следования 12,5 кГц при длительности импульсов 1 мкс. Другой дальномер, разработанный в США, имеет диапазон измерения дальности от 30 до 6400 м. Мощность в импульсе 100 Вт, а частота следования импульсов составляет 1000 Гц.

Поскольку применяется несколько типов дальномеров, то наметилась тенденция унификации лазерных систем в виде отдельных модулей. Это упрощает их сборку, а также замену отдельных модулей в процессе эксплуатации. По оценкам специалистов, модульная конструкция лазерного дальномера обеспечивает максимум надежности и ремонтопригодности в полевых условиях.

Модуль излучателя состоит из стержня, лампы-накачки, осветителя, высоковольтного трансформатора, зеркал резонатора модулятора добротности. В качестве источника излучения используется обычно неодимовое стекло или аллюминиево-натриевый гранат, что обеспечивает работу дальномера без системы охлаждения. Все эти элементы головки размещены в жестком цилиндрическом корпусе. Точная механическая обработка посадочных мест на обоих концах цилиндрического корпуса головки позволяет производить их быструю замену и установку без дополнительной регулировки, а это обеспечивает простоту технического обслуживания и ремонта. Для первоначальной юстировки оптической системы используется опорное зеркало, укрепленное на тщательно обработанной поверхности головки, перпендикулярно оси цилиндрического корпуса. Осветитель диффузионного типа представляет собой два входящих один в другой цилиндра между стенками, которых находится слой окиси магния. Модулятор добротности рассчитан на непрерывную, устойчивую работу или на импульсную с быстрым запусками. основные данные унифицированной головки таковы: длина волны - 1,06 мкм, энергия накачки - 25 Дж, энергия выходного импульса - 0,2 Дж, длительность импульса 25 нс, частота следования импульсов 0,33 Гц в течение 12 с допускается работа с частотой 1 Гц), угол расходимости 2 мрад. Вследствие высокой чувствительности к внутренним шумам фотодиод, предусилитель и источник питания размещаются в одном корпусе с возможно более плотной компоновкой, а в некоторых моделях все это выполнено в виде единого компактного узла. Это обеспечивает чувствительность порядка 5*10^-8 Вт.

В усилителе имеется пороговая схема, возбуждающаяся в тот момент, когда импульс достигает половины максимальной амплитуды, что способствует повышению точности дальномера, ибо уменьшает влияние колебаний амплитуды приходящего импульса. Сигналы запуска и остановки генерируются этим же фотоприемником и идут по тому же тракту, что исключает систематические ошибки определения дальности. Оптическая система состоит из фокального телескопа для уменьшения расходимости лазерного луча и фокусирующего объектива для фотоприемника. Фотодиоды имеют диаметр активной площадки 50, 100, и 200 мкм. Значительному уменьшению габаритов способствует то, что приемная и передающая оптические системы совмещены, причем центральная часть используется для формирования излучения передатчика, а периферийная часть - для приема отраженного от цели сигнала.

лазерный оптический дальномер военный

3. Измерение дальности

Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

L = ct/2,

где L - расстояние до объекта, с - скорость распространения излучения, t - время прохождения импульса до цели и обратно.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче импульс, тем лучше.

Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазо-импульсный.

Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до объекта.

При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону с помощью модулятора (электрооптического кристалла, изменяющего свои параметры под воздействием электрического сигнала). Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 10…150 МГц (измерительная частота). Отраженное излучение попадает в приемную оптику и фотоприемник, где выделяется модулирующий сигнал. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза отраженного сигнала относительно фазы сигнала в модуляторе. Измеряя разность фаз, определяют расстояние до объекта.

4. Спутниковые лазерные светодальномеры

1. Федоров Б.Ф. «Лазерные приборы и системы летательных аппаратов «Машиностроение 1988 г.

2. Лазеры в авиации (под ред. Сидорина В.М.) Воениздат 1982 г.

3. Орлов В.А. Лазеры в военной технике Воениздат 1986 г.

Размещено на Allbest.ru