ТЕМА 5: Дальномеры ТЕМА 5: Дальномеры ЛЕКЦИЯ 5 СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ кафедра радиоэлектроники

Учебные вопросы: 1. Основные определения. 2. Принцип работы. 3. Общие сведения о дальномерах.

Дальномер - устройство, предназначенное для определения расстояния от наблюдателя до объекта. Используется в системах наблюдения, прицельных приспособлениях оружия, системах бомбометания и т.д. Лазерный дальномер - прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча. Виды дальномеров: Дальномерные приспособления делятся на активные и пассивные: активные: –звуковой дальномер; –световой дальномер; –лазерный дальномер и др. пассивные: –дальномеры, использующие оптический параллакс (напр. дальномерный фотоаппарат); –дальномеры, использующие сопоставление объекта какому-либо образцу и др.

Радиодальномер средство для определения расстояний бесконтактным методом с помощью радиоволн. Принцип действия В основу принципа действия положено определение времени прохождения радиоволны от радиодальномера до какого-либо объекта и обратно, расстояние до которого будет прямо пропорционально этому времени. Отражающий объект может быть пассивным или активным, с переизлучением принятого сигнала. Пассивное отражение используют дальномеры, которые предназначены для измерения расстояний до произвольно выбранных целей, например, в военном деле. При активном способе используются специальные переизлучающие устройства, заранее расположенные в какой-либо точке, или дальномерные радиомаяки (в радионавигационных системах). Способы измерения: - импульсные (производится непосредственное измерение времени задержки принятого отражённого сигнала); - фазовые (определение количества длин волн, укладывающихся на пути прохождения сигнала).

КОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ. Лазер (англ. laser, акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation) - усиление света посредством вынужденного излучения. Оптический квантовый генератор - устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Когерентный свет – согласованное высвечивание гигантского количества атомов-излучателей - в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Некогерентный свет – поток света где, каждый атом-излучатель высвечивается, никак не согласуясь с другими атомами- излучателями, поэтому в целом получается световой поток, который можно называть внутренне непорядочным, хаотическим (лампа накаливания). Не следует думать, что лазерный луч - это обязательные непрерывный поток световой энергии. В большинстве случаев лазеры генерируют не непрерывный световой пучок, а световые импульсы.

Лазеры различаются не только характеристиками генерируемого ими излучения, но также внешним видом, размерами, особенностями конструкции. Различают лазеры (по активному элементу) : - твердотельные - кристаллический или стеклянный стержень цилиндрической формы; - газовые - отпаянная стеклянная трубка, внутри которой находится специально подобранная газовая смесь; - жидкостные - кювета со специальной жидкостью.

Газоразрядные лазеры - лазеры на разряженных газовых смесях (давление смеси 1-10мм рт.ст) которые возбуждаются самостоятельным электрическим разрядом. Различают три группы газоразрядных лазеров: лазеры, в которых генерируемое излучение рождается на переходах между энергетическими уровнями свободных ионов (применяется термин ионные лазеры). лазеры, генерирующие на переходах между уровнями свободных атомов; лазеры, генерирующие на переходах между уровнями молекул (так называемые молекулярные лазеры). Из огромного числа газоразрядных лазеров выделяются три: гелий- неоновый (как пример лазера, генерирующего на переходах в атомах), аргоновый (ионовый лазер) и СО2- лазер (молекулярный лазер)

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучения. Сущность явления: -возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения; -при этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»); -происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу. Гелий-неоновый лазер. Светящийся луч в центре - это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах. Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки.

Вероятность вызова случайным фотоном индуцированного излучения возбуждённого атома, равняется вероятности поглощения этого фотона атомом, находящимся в невозбуждённым состоянии. Поэтому для усиления света необходимо, чтобы возбуждённых атомов в среде было больше, чем невозбуждённых. В состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому используются различные системы накачки активной среды лазера (оптические, электрические, химические и др.). Активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное - через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, вызывая в нём индуцированные переходы. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При этом, используя различные приборы для быстрого выключения и включения обратной связи и уменьшения тем самым периода импульсов, возникает возможность создать условия для генерации излучения очень большой мощности (так называемые гигантские импульсы). 1 - активная среда; 2 - энергия накачки лазера; 3 - непрозрачное зеркало; 4 - полупрозрачное зеркало; 5 - лазерный луч.

Все лазеры состоят из трёх основных частей: активной (рабочей) среды; системы накачки (источник энергии); оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя). Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

Активная среда В настоящее время в качестве рабочей среды лазера используются все агрегатные состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и даже плазма. 1. В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана: N - число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E, N 0 - число атомов, находящихся в основном состоянии, k - постоянная Больцмана, T - температура среды. 2. Электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера: l 0 - начальная интенсивность, I l - интенсивность излучения, прошедшего расстояние l в веществе, a 1 - коэффициент поглощения вещества. 3. В случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых, акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону ( наз. инверсия населённостей): a 2 коэффициент квантового усиления В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе. Эти потери связаны с насыщением метастабильного уровня рабочего вещества, после чего энергия накачки идёт только на его разогрев, а также с наличием других факторов (рассеяние, поглощение примесями, неидеальность отражающих зеркал, полезное и нежелательное излучение в окружающую среду и пр.).

Система накачки Для создания инверсной населённости среды лазера используются различные механизмы. Твердотельные лазеры За счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (оптическая накачка) и излучением других лазеров (в частности, полупроводниковых) При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества Газовые и жидкостные лазеры Используется накачка электрическим разрядом Лазеры работают в непрерывном режиме полупроводниковые лазеры Происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов

Оптический резонатор В ширину спектральной линии, изображённой на рисунке зелёным цветом, укладывается три собственных частоты резонатора. В этом случае генерируемое лазером излучение будет трехмодовым. Для фиолетовой линии излучение будет чисто монохроматическим. Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной связи, но и работают как резонатор, усиливая одни генерируемые лазером моды, соответствующие стоячим волнам данного резонатора, и ослабляя другие. Также используются различные диафрагмы, рассеивающие нити и применяются различные схемы оптических резонаторов.

Схема действия лазерного дальномера Активный элемент Лампа накачки Выходное зеркало Вращающееся зеркало Призма Принцип действия лазерного дальномера состоит в следующем - посылаемые прибором лучи лазера, невидимого для глаза, отражаются от цели и возвращаются обратно. Далее встроенный микроконтроллер вычисляет расстояние, которое зависит от времени с момента отправки лазерного импульса до момента приема его после отражения. Лазеры, установленные в дальномерах, работают в инфракрасном диапазоне длин волн и их излучение не видно глазу.

Принцип работы дальномеров активного типа состоит в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномером сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. Скорость распространения сигнала (скорость света или звука) считается известной.

Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение: 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. где L расстояние до объекта, c скорость света в вакууме, n показатель преломления среды, в которой распространяется излучение, t время прохождения импульса до цели и обратно.

Виды лазеров Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. Применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине. Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного электронных состояний. Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях. Газовые лазеры - лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. Работают в непрерывном и импульсном режимах. В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами (например, лазеры с ядерной накачкой, в начале 80-х проводились испытания систем противоракетной обороны на их основе, однако, без особого успеха), газодинамические и химические лазеры.

Газодинамические лазеры - газовые лазеры с тепловой накачкой, инверсия населённостей в которых создаётся между возбуждёнными колебательно-вращательными уровнями гетероядерных молекул путём адиабатического расширения движущейся с высокой скоростью газовой смеси (чаще N2+CO2+He или N2+CO2+Н2О, рабочее вещество - CO2). Эксимерные лазеры - разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах молекул, способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих собой среду с инверсией населённостей. Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне. Химические лазеры - разновидность лазеров, источником энергии для которых служат химические реакции между компонентами рабочей среды (смеси газов). Лазерные переходы происходят между возбуждёнными колебательно-вращательными и основными уровнями составных молекул продуктов реакции. Для осуществления химических реакций в среде необходимо постоянное присутствие свободных радикалов. Отличаются широким спектром генерации в ближней ИК-области, большой мощностью непрерывного и импульсного излучения. Лазеры на свободных электронах - лазеры, активной средой которых является поток свободных электронов, колеблющихся во внешнем электромагнитном поле (за счёт чего осуществляется излучение) и распространяющихся с релятивистской скоростью в направлении излучения. Основной особенностью является возможность плавной широкодиапазонной перестройки частоты генерации. Квантовые каскадные лазеры полупроводниковые лазеры, которые излучают в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. В отличие от обычных полупроводниковых лазеров, излучение квантовых каскадных лазеров возникает при переходе электронов между слоями гетероструктуры полупроводника и состоит из двух типов лучей, причем вторичный луч обладает весьма необычными свойствами и не требует больших затрат энергии. Волоконный лазер лазер, резонатор которого построен на базе оптического волокна, внутри которого полностью или частично генерируется излучение. При полностью волоконной реализации такой лазер называется цельноволоконным, при комбинированном использовании волоконных и других элементов в конструкции лазера он называется волоконно-дискретным или гибридным. Виды лазеров (ПРОДОЛЖЕНИЕ)

Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный; фазовый; фазо-импульсный.

Сущность импульсного метода 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. Известно, что точность измерения интервала времени между зондирующим и отраженным сигналами соответствует с. Поскольку можно считать, что скорость света равна 3·10 10 см/с, получим погрешность в измерении 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 с помощью модулятора (электрооптического кристалла, изменяющего свои параметры под воздействием электрического сигнала). Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 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. 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.

Факторы определяющие характеристики дальномеров 1. Тип активной среды. 2. Чувствительность фотодиодов приемника. 3. Влияние различного рода внутренних и внешних шумов.

Наземные лазерные дальномеры Большинство активных элементов лазерных дальномеров, устанавливаемых в настоящее время на танках и БМП западного производства, созданы на основе кристалла граната с примесью неодима (активный элемент - кристалл иттриево-алюминиевого граната Y3A15O3, в который в качестве активных центров введены ионы неодима Ш3+). Эти лазеры генерируют излучение на длине волны 1,06 мкм. Имеются также лазерные дальномеры в которых активным элементом служит кристалл розового рубина. Здесь основой является кристалл окиси алюминия А12О3, а активными элементами ионы хрома Сг3. 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 (СО2), молекулярного азота (N,) и различных небольших добавок в виде гелия, паров воды и т. д. Активные центры - молекулы СО2. 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.

Применение лазерных дальномеров в военном деле 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 2.5Вт и длительностью импульса 30нс. 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.

Боевой модуль 3Р89 ЗРАК "Палаш" с боекомплектом и ЗУР 9М337 В состав установки 3С89 боевого модуля 3Р89 входят 2 шестиствольных 30 мм автомата АО-18КД с увеличенной начальной скоростью снаряда и 2 блока по 4 ракеты "Сосна-Р" 9М337. Дальность взятия целей на автосопровождение: - самолет км - вертолет км - КР км - наземный бронеобъект - 8 км Максимальная измеряемая дальность - 20 км.

Система управления ЗУР