Дальномеры

СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ
АКАДЕМИЯ
кафедра радиоэлектроники
ТЕМА 5: Дальномеры
ЛЕКЦИЯ №5
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 атомамиизлучателями, 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: гелийнеоновый (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.).
1 - активная среда; 2 - энергия накачки
лазера; 3 - непрозрачное зеркало; 4 полупрозрачное зеркало; 5 - лазерный луч.
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).
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,
N0 - 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:
l0 - начальная интенсивность, Il - интенсивность излучения, прошедшего
расстояние l в веществе, a1 - 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):
a2 — 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
полупроводниковые
лазеры
Используется накачка
электрическим разрядом
Происходит под действием
сильного прямого тока
через p-n переход, а также
пучком электронов
Лазеры работают в
непрерывном режиме
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
Лампа накачки
Вращающееся
зеркало
Активный
элемент
Выходное
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:
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.
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.
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.
Виды лазеров
(ПРОДОЛЖЕНИЕ)
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.
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 10-9 с.
Поскольку можно считать, что скорость света равна 3·1010 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 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.
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
Дальность взятия целей на
автосопровождение:
- самолет - 16-30 км
- вертолет - 10-14 км
- КР - 8-12 км
- наземный бронеобъект - 8 км
Максимальная измеряемая дальность
- 20 км.
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.
Система управления ЗУР