Далекоміри. Принцип лазерної дальнометріі

Вимірювання дальності

Здатність електромагнітного випромінювання поширюватися з постійної швидкістю дає можливість визначати дальність до об'єкта. Так, при імпульсному методі дальнометрирования використовується наступне співвідношення:
L = ct / 2, де L - відстань до об'єкта, з - швидкість поширення випромінювання, t - час проходження імпульсу до цілі і назад.

Розгляд цього співвідношення показує, що потенційна точність вимірювання дальності визначається точністю вимірювання часу проходження імпульсу енергії до об'єкта і назад. Ясно, що чим коротше імпульс, тим краще.

Завдання визначення відстані між далекоміром і метою зводиться до вимірювання відповідного інтервалу часу між зондирующим сигналом і сигналом, відбитим від мети. Розрізняють три методи вимірювання дальності в залежності від того, який характер модуляції лазерного випромінювання використовується в далекоміри: імпульсний, фазовий або фазо-імпульсний.

Сутність імпульсного методу дальнометрирования полягає в тому, що до об'єкту посилають зондує імпульс, він же запускає тимчасової лічильник в далекоміри. Коли відбитий об'єктом імпульс приходить до далекоміру, то він зупиняє роботу лічильника. За часового інтервалу (затримки відбитого імпульсу) визначається відстань до об'єкта.

При фазовому методі дальнометрирования лазерне випромінювання модулюється за синусоїдальним законом за допомогою модулятора (електрооптичних кристала, що змінює свої параметри під впливом електричного сигналу). Зазвичай використовують синусоїдальний сигнал з частотою 10 ... 150 МГц (вимірювальна частота). Відбите випромінювання потрапляє в приймальну оптику і фотоприймач, де виділяється модулюючий сигнал. Залежно від дальності до об'єкта змінюється фаза відбитого сигналу щодо фази сигналу в модуляторі. Вимірюючи різницю фаз, визначають відстань до об'єкта.

Використання лазерних далекомірів в військових цілях

Лазерна дальнометрія є однією з перших областей практичного застосування лазерів у закордонній військовій техніці. Перші досліди відносяться до 1961р., А зараз лазерні далекоміри використовуються в наземної військової техніки (артилерійські, танкові), і в авіації (далекоміри, висотоміри, целеуказатели), і на флоті. Ця техніка пройшла бойові випробування у В'єтнамі і на Близькому Сході. В даний час ряд далекомірів прийнятий в арміях ряду країн.

Перший лазерний далекомір XM-23 пройшов випробування у В'єтнамі і був прийнятий на озброєння в армії США. Він був розрахований на використання передових спостережних пунктах сухопутних військ. Джерелом випромінювання в ньому був лазер з вихідною потужністю 2.5Вт і тривалістю імпульсу 30нс. У конструкції далекоміра широко використовувалися інтегральні схеми. Випромінювач, приймач і оптичні елементи змонтовані в моноблоці, який має шкали точного відліку азимута і кута місця мети. Харчування далекоміра здійснювалося від батареї нікелево-кадмієвих акумуляторів напругою 24В, що забезпечує 100 вимірювань дальності без підзарядки.

Один з перших серійних моделей - шведський далекомір, призначений для використання в системах управління бортовий корабельної і берегової артилерії. Конструкція далекоміра відрізнялося особливою міцністю, що дозволяло застосовувати його в складних умовах. Далекомір можна було сполучати при необхідності з підсилювачем зображення або телевізійним візиром. Режимом роботи далекоміра передбачалося або вимірювання через кожні 2с в протягом 20с, або через кожні 4 с протягом тривалого часу.

З початку 70-х років на зарубіжних танках встановлюються лазерні далекоміри. Установка лазерних далекомірів на танки відразу зацікавила зарубіжних розробників озброєння. Це пояснюється тим, що на танку можна ввести далекомір в систему управління вогнем танка, ніж підвищити його бойові якості. У порівнянні з оптичними вони мають ряд переваг: високу швидкодію, автоматизований процес введення виміряної дальності в прицільні пристрої, високу точність вимірювання, малі розміри, вага і т. Д. Для цього в США був розроблений далекомір AN / VVS-1 для танка М60А. Він не відрізнявся за схемою від лазерного артилерійського далекоміра на рубіні, проте крім видачі даних про дальності на цифрове табло мав пристрій, що забезпечує введення дальності в обчислювальній машині системи управління вогнем танка. При цьому вимір дальності могло проводитися як навідником гармати так і командиром танка. Режим роботи далекоміра - 15 вимірювань в хвилину протягом однієї години.

Лазерні далекоміри, встановлені на сучасних танках, дозволяють вимірювати дальність до цілі в межах від 200 м до 8 000 м (на американських і французьких танках) і від 200 до 10 000 м (на англійських і західнонімецьких танках) з точністю до 10 м. Більшість активних елементів лазерних далекомірів, що встановлюються в даний час на танках і БМП західного виробництва, створені на основі кристала граната з домішкою неодиму (активний елемент - кристал иттриево-алюмінієвого граната Y3A15O3, в який в якості активних центрів введені іони неодиму Ш3 +). Ці лазери генерують випромінювання на довжині хвилі 1,06 мкм. Є також лазерні далекоміри в яких активним елементом служить кристал рожевого рубіна. Тут основою є кристал окису алюмінію А12О3, а активними елементами іони хрому Сг3 *. Лазери на рубін генерують випромінювання на довжині хвилі 0,69 мкм.
Останнім часом на зарубіжних бойових машинах почали застосовуватися лазерні далекоміри на вуглекислому газі. У СО2-лазері в газорозрядної трубці знаходиться суміш, що складається з вуглекислого газу (СО2), молекулярного азоту (N,) і різних невеликих добавок у вигляді гелію, парів води і т. Д. Активні центри - молекули СО2. Перевага лазера на двоокису вуглецю полягає в тому, що його випромінювання (довжина хвилі 10,6 мкм) відносно безпечно для зору і забезпечує краще проникнення через дим і туман. Крім того, лазер постійного випромінювання, що працює на цій довжині хвилі, може використовуватися для підсвічування мети при роботі з тепловізіонним прицілом.
Бурхливий розвиток мікроелектроніки забезпечило зменшення масо-габаритних показники лазерних далекомірів, що дозволило створити портативні далекоміри. Дуже вдалим виявився норвезький лазерний далекомір LP-4. Він мав як модулятора добротності оптико механічний затвор. Приймальна частина далекоміра є одночасно візиром оператора. Діаметр оптичної системи складає 70 мм. Приймачем служить портативний фотодіод. Лічильник забезпечений схемою стробування по дальності, чинний з установки оператора від 200 до 3000 м. У схемі оптичного візира перед окуляром поміщений захисний фільтр для запобігання очі від впливу свого лазера при прийомі відбитого імпульсу. Випромінювач і приймач змонтовані в одному корпусі. Кут місця мети визначається до ~ 25 градусів. Акумулятор забезпечував 150 вимірювань дальності без підзарядки, його маса всього 1 кг. Далекомір був закуплений Канадою, Швецією, Данією, Італією, Австралією.

Портативні лазерні далекоміри були розроблені для піхотних підрозділів і передових артилерійських спостерігачів. Один з таких далекомірів виконаний у вигляді бінокля. Джерело випромінювання і приймач змонтовані в загальному корпусі з монокулярним оптичним візиром шестиразового збільшення, в поле зору якого є світлове табло з світлодіодів, добре помітних як вночі, так і вдень. У лазері в якості джерела випромінювання використовується алюмінієво-ітрієві гранат, з модулятором добротності на ніобіті літію. Це забезпечує пікову потужність в 1.5 МВт. У приймальні частини використовується здвоєний лавинний фотодетектор з широкосмуговим малошумливим підсилювачем, що дозволяє детектувати короткі імпульси з малою потужністю. Помилкові сигнали, відбиті від сусідніх предметів виключаються з допомогою схеми стробування по дальності. Джерело живлення - малогабаритна акумуляторна батарея, що забезпечує 250 вимірювань без підзарядки. Електронні блоки далекоміра виконані на інтегральних схемах, що дозволило довести масу далекоміра разом з джерелом живлення до 2 кг.

Наступний етап військового застосування лазерних далекомірів - їх інтеграція з індивідуальною стрілецькою зброєю піхотинця.

Прикладів може служити штурмова гвинтівка F2000 (Бельгія). Замість прицілу на F2000 може встановлюватися спеціальний модуль управління вогнем, що включає в себе лазерний далекомір і балістичний обчислювач. Грунтуючись на даних про дальності до мети, обчислювач виставляє прицільну марку прицілу як для стрільби з самого автомата, так і з підствольного гранатомета (якщо він встановлений).

Американська система OICW (Objective Individual Combat Weapon - об'єктивне індивідуальне бойову зброю) є спробою різко підвищити ефективність озброєння піхотинця. В даний час розробка перебуває на стадії створення прототипів. Початок виробництва планується на 2008 рік, надходження на озброєння - на 2009 рік. За поточними планами, на кожне відділення піхоти буде доводиться по 4 OICW. OICW являє собою модульну конструкцію, що складається з трьох основних модулів: модуля "KE" (Kinetic Energy), що представляє собою злегка модернізовану гвинтівку Хеклер-Кох G36; Модуля "HE" (High Explosive), що представляє із себе самозарядний 20мм гранатомет з магазинним харчуванням, встановлюваний зверху на модуль "КЕ" і використовує для стрільби спільний з модулем "КЕ" спусковий гачок; і, нарешті, модуль управління вогнем, що включає в себе денний / нічний телевізійний приціли, лазерний далекомір і балістичний обчислювач, який автоматично виставляє в об'єктиві прицільну марку відповідно до дальністю до мети, а також використовується для програмування дистанційних детонаторів 20мм гранат. Перед пострілом за даними з лазерного далекоміра детонатор гранати програмується на підрив в повітрі на заданій дальності, чим забезпечується ураження укритих цілей осколками зверху або збоку. Визначення дальності для дистанційного підриву здійснюється шляхом підрахунку оборотів, скоєних гранатою в польоті.