3.1.1. Наземные лазерные дальномеры

Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического применения лазеров в зарубежной военной технике. Первые опыты относятся к 1961 году [39], а сейчас лазерные дальномеры используются и в наземной военной технике (артиллерийские, танковые), и в авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели), и на флоте [40]. Эта техника прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время ряд дальномеров принят на вооружение в армиях капиталистических стран.

Рис. 42. Внешний вид импульсного дальномера

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 фазово-импульсный. Внешний вид импульсного дальномера показан на рис. 42 [41]. Назначение отдельных блоков понятно из рассмотрения рисунка. 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 . Поскольку

можно считать, что скорость света равна см/с, получим погрешность в измерении расстояния около 30 см. Зарубежные 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 то тогда погрешность измерения расстояния составит около 5 см [15].

Первый лазерный дальномер (табл. 18) прошел испытания во Вьетнаме и был принят на вооружение армии США. Он рассчитан на использование в передовых наблюдательных пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем является лазер на рубине с выходной мощностью и длительностью импульса 30 не. В конструкции дальномера широко используются интегральные схемы. Излучатель, приемник и оптические элементы смонтированы в моноблоке, который имеет шкалы точного отсчета азимута и угла места цели. Питание дальномера производится от батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов напряжением 24 В, обеспечивающей 100 измерений дальности без подзарядки. В другом артиллерийском дальномере, также принятом на вооружение армии США, имеется устройство для одновременного определения дальности до четырех целей, лежащих на одной прямой, путем последовательного стробирования дистанций 200, 600, 1000, 2000 и 3000 м.

Основные характеристики некоторых типов импульсных дальномеров приведены в табл. 18. 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 сложных условиях. Дальномер можно

Таблица 18: (см. скан) Основные характеристики лазерных импульсных дальномеров военного назначения [15]

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, в памяти другого хранятся четыре предыдущие измеренные дистанции.

Как утверждает зарубежная печать, весьма удачным оказался норвежский лазерный дальномер 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 и приемник смонтированы в одном корпусе. Угол места цели определяется в пределах ±25°. Аккумулятор обеспечивает 150 измерений дальности без подзарядки, его масса всего Дальномер прошел испытания, как сообщается в печати, и был закуплен Канадой, Швецией, Данией, Италией, Австралией. Кроме того, министерство обороны Великобритании заключило контракт на поставку английской армии модифицированного дальномера массой в 4,4 кг.

Портативные лазерные дальномеры (см. табл. 18) разработаны за рубежом 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, составляющей всего Ложные сигналы, отраженные от близлежащих предметов, находящихся в створе с цельк исключаются 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.

Остановка 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 в США был разработан дальномер для танка 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 может производиться как наводчиком пушки, так и командиром танка. Режим работы дальномера — 15 измерений в минуту в течение одного часа. Зарубежная печать сообщает, что более совершённый дальномер, разработанный позднее, имеет пределы измерения дальности от 200 до 4770 м с точностью ±10 м, и счетно-решающее устройство, связанное с системой управления огнем танка, где совместно с другими данными обраба тывается еще 9 видов данных о боеприпасах. Это, по мнению разработчиков, даст возможность поражать цель с первого выстрела. Бельгийская система управления огнем танковой пушки имеет в качестве дальномера аналог, рассмотренный ранее, но в нее входят еще семь чувствительных датчиков и оптический прицел. Название установки «Кобельда». В печати сообщается, что она обеспечивает высокую вероятность поражения цели и, несмотря на сложность этой установки, отличается простотой обращения. Для ведения огня по неподвижной цели наводчику достаточно установить переключатель механизма баллистики в положение, соответствующее выбранному типу выстрела, а затем нажать кнопку лазерного дальномера.

Рис. 43. Вероятность поражения неподвижной цели

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 упреждения. 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.

На рис. 43 приведены зависимости, показывающие, как изменяется вероятность поражения неподвижной цели в случае использования обычного прицела, стереодальномера с простейшим счетным прибором, системы с лазерным дальномером. Анализ графиков показывает, что использование системы с лазерным дальномером и ЭВМ обеспечивает вероятность поражения цели, близкую к расчетной. Графики также показывают, насколько повышается вероятность поражения движущейся цели.

Если для неподвижных целей вероятность поражения при использовании лазерной системы по сравнению с вероятностью поражения при использовании системы со

стереодальномером не составляет большой разницы на дистанции около 1000 м и ощущается лишь на дальности 1500 м и более, то для движущихся целей выигрыш явный. Видно, что вероятность поражения движущейся цели при использовании лазерной системы по сравнению с вероятностью поражения при использовании системы со стереодальномером уже на дистанции 1000 м повышается более чем в 3,5 раза, а на дальности 2000 м, где система со стереодальномером становится практически неэффективной, лазерная система обеспечивает вероятность поражения с первого выстрела около 0,3 [9];

В зарубежных армиях, помимо артиллерии и танков, лазерные дальномеры используются в системах, где требуется в короткий промежуток времени определить дальность с высокой точностью. Так, в печати сообщалось, что в США 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 сервоприводом, 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. Минимальный пороговый сигнал, при котором система следит за целью, составляет 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, определенная экспериментально, составляет 0,1 мрад по азимуту и 0,2 мрад по углу места цели. Точность измерения дальности ±15 см [9].

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 же нужно измерять небольшие расстояния, но с большой частотой циклов измерений, то используют фазовые дальномеры с излучателями на полупроводниковых лазерах. В них в качестве источника применяется, как правило, арсенид галлия. Вот характеристики одного из дальномеров, выпускаемых в США [9]: выходная мощность 6,5 Вт в импульсе, длительность которого равна 0,2 мкс, а частота следования импульсов 20 кГц. Расходимость луча лазера составляет мрад, т. е. напоминает лепесток. При необходимости угловая расходимость луча может быть уменьшена до 2 мрад. Приемное устройство состоит из оптической системы, в 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, английская фирма «Бритиш Эйркрафт» разработала лазерный дальномер с дальностью действия и точностью измерения расстояния ±30 м. Этот дальномер имеет частоту следования 12,5 кГц при длительности импульса 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 [9].

Характеристики некоторых фазовых дальномеров даны в табл. 19. Поскольку в зарубежных армиях, авиации и на флоте применяется несколько типов дальномеров, то, как сообщается в печати, наметилась тенденция унификации лазерных систем в виде отдельных модулей. Это упрощает их сборку, а также замену отдельных модулей в процессе эксплуатации. По оценкам зарубежных специалистов, модульная, конструкция лазерного

Таблица (см. скан) Основные характеристики лазерных фазовых дальномеров военного назначения [15]

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 алюминиево-иттриевый гранат, что обеспечивает работу дальномера без системы охлаждения. Все элементы головки размещены в жестком цилиндрическом корпусе. Точная механическая обработка посадочных мест на обоих концах цилиндрического корпуса головки позволяет производить ее 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 быстрыми запусками. Основные данные унифицированной головки таковы: длина волны 1,06 мкм, энергия накачки - 25 Дж, энергия выходного импульса — 0,2 Дж, длительность импульса 25 не, 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 . 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 афокального 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.