Лазеры. Основы устройства и применение их в военной технике

3. Способность лазерного  излучения распространяться с  постоянной скоростью дает возможность  определять дальность до объекта.  Так, при импульсном методе  дальнометрирования используется  следующее соотношение: L = ct и 2 где  L расстояние до объекта, км, С  - скорость распространения излучения  км/с, t и время прохождения импульса  до цели и обратно, с.  

Рассмотрение этого  соотношения показывает, что потенциальная  точность измерения дальности определяется точностью измерения времени  прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем, короче импульс, тем лучше (при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят радисты) . Но нам уже  известно, что самой физикой лазерного  излучения заложена возможность получения импульсов с длительностью 10-7 - 10-8 с. А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.  

Какими же параметрами  принято характеризовать локатор? Каковы его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них, см. рис.  

Прежде всего зона действия. Под ней понимают область  пространства, в которой ведется  наблюдение. Ее границы обусловлены  максимальной и минимальной дальности  действия и пределами обзора по углу места и азимуту. Эти размеры  определяются назначением военного лазерного локатора.  

Другим параметром локатора является время обзора. Под  ним понимается время, в течение  которого лазерный луч приводит однократный  обзор заданного объема пространства.  

Следующим параметром локатора являются определяемые координаты. они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения  местонахождения наземных и надводных  объектов, то достаточно измерять две  координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами  нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной точностью, которая зависит от систематических  и случайных ошибок. Их рассмотрение выходит за рамки данной книги. Однако будем пользоваться таким понятием, как разрешающая способность. Под  разрешающей способностью понимается возможность раздельного определения  координат близко расположенных  целей. Каждой координате соответствует  своя разрешающая способность. Кроме  того, используется такая характеристика, как помехозащищенность. Это способность  лазерного локатора работать в условиях естественных (Солнце, Луна) и искусственных  помех.  

И весьма важной характеристикой  локатора является надежность. Это  свойство локатора сохранять свои характеристики и установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.  

Схема лазерного  локатора, предназначенного для измерения  четырех основных параметров объекта (дальности, азимута, угла места и  скорости) см. рис. на стр. 17. Хорошо видно, что конструктивно такой локатор  состоит из трех блоков: передающего, приемного и индикаторного. Основное назначение передающего локатора генерирование  лазерного излучения, формирование его в пространстве, во времени  и направлении в район объекта. Передающий блок состоит из лазера с источником возбуждения, модулятора добротности, сканирующего устройства, обеспечивающего посылку энергии  в заданной зоне по заданному закону сканирования, а также передающей оптической системы.  

Основное назначение приемного блока - прием излучения  отраженного объектом, преобразование его в электрический сигнал и  обработка для выделения информации об объекте. Оно состоит из приемной оптической системы, интерференционного фильтра, приемника излучения, а  также блоков измерения дальности, скорости и угловых координат.  

Индикаторный блок служит для указания в цифровой форме  информации о параметрах цели.  

В зависимости от того, для какой цели служит локатор, различают: дальномеры, измерители скорости (доплеровские локаторы) , собственно локаторы(дальность, азимут, и угол места) .  

СХЕМА ЛАЗЕРНОГО  ЛОКАТОРА

о модулятор  

Лазер  

Модулятор  

Оптическая система   

Сканирующее устройство  
 
 
 
 
 
 
 

Источник возбуждения   

ПЕРЕДАЮЩИЙ БЛОК  
 
 

приемник излучения    

оптический фильтр   

приемная оптическая система   
 

ИНДИКАТОРНЫЙ БЛОК   
 
 
 
 

ПРИЕМНЫЙ БЛОК   
 
 
 
 
 
 
 
 
 

блок измерения  дальности   

блок измерения  скорости   

блок измерения  угловых координат   
 

Угол места  
 
 

A  

В   

Азимут   
 
 
 
 
 
 

Скорость   
 
 

Блок питания   
 
 

Дальность   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3.2. НАЗЕМНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ  ДАЛЬНОМЕРЫ.  

Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического применения лазеров  в зарубежной военной технике. Первые опыты относятся к 1961 году, а сейчас лазерные дальномеры используются и  в наземной военной технике(артиллерийские, таковые) , 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 на вооружение во многих армиях мира.  

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 или фазово-импульсный. Внешний вид импульсного дальномера показан на рисунке.  

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 в -9 с. Поскольку можно считать, что скорость света равна 3*10в10 см/с, получим погрешность в изменении расстояния около 30 см. Специалисты считают, 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. Это хорошо показано в разделе геодезических дальномеров. Оценим погрешность фазового дальномера, пригодного работать в полевых условиях. Специалисты утверждают, что 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 ХМ-23 прошел испытания, и  был принят на вооружение армий. Он рассчитан на использование в  передовых наблюдательных пунктах  сухопутных войск. Источником излучения  в нем является лазер на рубине с выходной мощностью 2.5 Вт и длительностью  импульса 30 нс. В конструкции дальномера широко используются интегральные схемы. Излучатель, приемник и оптические элементы смонтированы в моноблоке, который имеет шкалы точного  отчета азимута и угла места цели. Питание дальномера производится то батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов  напряжением 24 в, обеспечивающей 100 измерений  дальности без подзарядки. В другом артиллерийской дальномере, также принятом на вооружение армий, имеется устройство для одновременного определения  дальности до четырех целей., лежащих  на одной прямой, путем последовательного  стробирования дистанций 200,600,1000,2000 и 3000 м.  

Интересен шведский лазерный дальномер. Он предназначен для  использования в системах управления огнем бортовой корабельной и  береговой артиллерии. Конструкция  дальномера отличается особой прочностью, что позволяет применять его  в сложенных условиях. Дальномер  можно сопрягать при необходимости  с усилителем изображения или  телевизионным визиром. Режим работы дальномера предусматривает либо измерения  через каждые 2 с. в течение 20 с. и  с паузой между серией измерений  в течение 20 с. либо через каждые 4 с. в течение длительного времени. Цифровые индикаторы дальности работают таким образом, что когда один из индикаторов выдает последнюю  измеренную дальность, и в памяти другого хранятся четыре предыдущие измерения дистанции.  

Весьма удачным  лазерным дальномерам является LP-4. Он имеет в качестве модулятора добротности  оптико-механический затвор. Приемная часть дальномера является одновременно визиром оператора. Диаметр входной  оптической системы составляет 70 мм. Приемником служит портативный фотодиод, чувствительность которого имеет максимальное значение на волне 1,06 мкм. Счетчик снабжен схемой стробирования по дальности, действующей по установке оператора от 200 до 3000 м. В схеме оптического визира перед окуляром помещен защитный фильтр для предохранения глаза оператора от воздействия своего лазера при приеме отраженного импульса. Излучатель в приемник смонтированы в одном корпусе. Угол места цели определяется в пределах + 25 градусов. Аккумулятор обеспечивает 150 измерений дальности без подзарядки, его масса всего 1 кг. Дальномер прошел испытания и был закуплен в ряде стран таких как - Канада, Швеция, Дания, Италия, Австралия. Кроме того, министерство обороны Великобритании заключило контракт на поставку английской армии модифицированного дальномера LP-4 массой в 4.4. кг.  

Портативные лазерные дальномеры разработаны для пехотных подразделений и передовых артиллерийской 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 аллюминиево-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, составляющей всего 10 в -9 Вт. Ложные сигналы, отраженные от близлежащих предметов, находящихся в стволе с целью, исключается с помощью схемы  стробирования по дальности. Источником питания является малогабаритная аккумуляторная батарея, обеспечивающая 250 измерений  без подзарядки. Электронные блоки  дальномера выполнены на интегральных и гибридных схемах, что позволило  довести массу дальномера вместе с источником питания до 2 кг.  

Установка лазерных дальномеров на танки сразу заинтересовала зарубежных разработчиков военного вооружения. Это объясняется тем, что на танке можно ввести дальномер  в систему управления огнем танка, чем повысить его боевые качества. Для этого 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  в счетно-решающее устройство системы  управления огнем танка. При этом измерение дальности может производится как наводчиком пушки так и  командиром танка. Режим работы дальномера - 15 измерений в минуту в течение  одного часа. Зарубежная печать сообщает, что более совершенный дальномер, разработанный позднее, имеет пределы  измерения дальности от 200 до 4700 м. с точностью + 10 м, и счетно-решающее устройство, связанное с системой управления огнем танка, где совместно  с другими данными обрабатывается еще 9 видов данных о боеприпасах. Это, по мнению разработчиков, дает возможность  поражать цель с первого выстрела. Система управления огнем танковой пушки имеет в качестве дальномера аналог, рассмотренный ранее, но в  нее входят еще семь чувственных  датчиков и оптический прицел. Название установки “Кобельда” . В печати сообщается что она обеспечивает высокую вероятность поражения  цели и несмотря на сложность этой установки переключатель механизма  баллистики в положение, соответствующее  выбранному типу выстрела, а затем  нажать кнопку лазерного дальномера. При ведении огня по подвижной  цели наводчик дополнительно опускает блокировочный переключатель управления огнем для того, чтобы сигнал от датчика скорости поворота башни  при слежении за целью поступал за тахометром в вычислительное устройство, помогая вырабатывать сигнал учреждения. Лазерный дальномер, входящий в систему “Кобельда” , позволяет измерять дальность одновременно до двух целей, расположенных в створе. Система отличается быстродействием, что позволяет произвести выстрел в кратчайшее время.