Принцип действия импульсной лазерной дальнометрии

Лазерный импульсный дальномер

*Иванов К.А., *А.Д. Рахимова, **В.В. Бесогонов

*ГОУ ВПО Ижевский Государственный Технический Университет им. М.Т. Калашникова

**Институт механики УрО РАН, т. 8-9097158718, E-mail: [email protected]

Лазерный импульсный дальномер

Основные технические характеристики:

- максимальная дальность – 5 км;

- минимальная дальность – 0,3 км;

- объект – бронетехника потенциального проивника;

- точность измерения дальности – не более 3,0 м;

- размещение: танк Т-90.

Принцип действия импульсной лазерной дальнометрии

В основе дальнометрии так же, как и в основе радиолокации, лежат три принципа.

Первый принцип основан на использовании отражения электромагнитных волн оптического диапазона, что происходит, если на пути их распространения встречается какое-либо физическое тело. Объект и фон, на котором он расположен, по-разному отражают падающее излучение, в результате чего между ними возникает контраст, что и позволяет обнаруживать объект.

Мощность отраженного излучения определяется рядом факторов, один из которых – длина волны источника излучения, используемого в локаторе. Известно, что когда линейные размеры цели существенно меньше длины волны, то мощность отраженного излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Это приводит к тому, что при использовании длинных волн мощность отраженного излучения резко падает, а следовательно, резко падает и дальность действия локатора. В связи с этим по мере развития активной локации все ярче проявляется тенденция к использованию более коротких волн. Для активной локации существенно использование таких волн длина которых меньше линейных размеров объектов, подлежащих обнаружению. Поэтому использование инфракрасных и видимых излучений открывает возможности создания локаторов, дальность действия которых (без учета влияния атмосферы) не зависит от длины волны.

Второй принцип, лежащий в основе активной оптической локации,– использование направленного излучения. Для того чтобы определить направление на объект, нужно направить энергию в область его предполагаемого нахождения, и по отраженному сигналу судить, имеется ли на данном направлении объект или нет; если имеется, то каковы его координаты. Таким образом, проблема определения местоположения объекта сводится к определению геометрических величин, однозначно характеризующих место объекта в пространстве. Известно, что электромагнитные колебания оптического диапазона распространяются прямолинейно, поэтому, если направить излучение в район объекта, то по отраженному излучению можно судить о направлении на объект. Для этого необходимо, чтобы локатор излучал энергию узким пучком. Чем уже пучок, в котором распространяется энергия, тем с большей точностью может быть определено направление на объект, тем больше дальность действия такого локатора, потому что энергия направляется только в сторону объекта. Кроме того, угловая расходимость луча также пропорциональна длине волны, используемой для локации. Очевидно, что использование оптического диапазона волн дает и здесь возможность создания более совершенной аппаратуры, отличающейся от аналогичной радиолокационной аппаратуры меньшими габаритами.

Третьим принципом, лежащим в основе оптической локации, является использование того, что электромагнитные колебания распространяются с постоянной скоростью. Это позволяет определить длину траектории распространения волн, а следовательно и дальности до интересующего нас объекта.

При импульсном методе обнаружения объект облучается не непрерывно, а короткими импульсами. В промежутках между пульсами ведется прием отраженных сигналов. По временному сдвигу между зондирующим и отраженным сигналами определяют дальность до объекта. При наличии нескольких объектов отраженные от них сигналы будут смещены во времени в соответствии с дальностями. Это известное преимущество импульсных локационных устройств, которое состоит в простоте одновременной индика­ции отраженных от нескольких объектов сигналов и возможности использования одного приемо-передающего устройства.

Выбор лазера

Учитывая все выше указанное, можно для начала представить возможные варианты лазеров. Согласно [3], среди возбуждающих молекул в диапазонах присутствуют: H₂O, HCl, HF, DF, HBr. Но данные варианты можно сразу отмести, т.к. в основном лазеры на основе данных сред являются мощными, дорогостоящими и потенциально опасными, учитывая опасность некоторых из этих молекул.

Существуют также варианты с волоконными лазерами на основе Er³⁺, Ho³⁺ и полупроводниковыми. Сравним эти типы лазеров для выбора определенного типа. Для начала необходимо отметить, что для накачки волоконных лазеров используют полупроводниковые лазерные диоды и энергобаланс лазера из-за этого ухудшается, нежели при использовании напрямую излучения полупроводникового лазера. Также сравнивая два эти рынка, существует трудность в поиске импульсного волоконного лазера в данных диапазонах, поэтому выбор пал в сторону полупроводниковых лазерных диодов.

Фирма АИБИ выпускает следующую модель полупроводникового лазера с техническими характеристиками [4]:

Рисунок 3. Лазерный диод ЛД220р

Длина волны: 2,19 – 2,29 мкм;

Пиковая мощность: 15 мВт;

Длительность импульса: 0,5 мкс;

Частота повторения импульсов: 5 кГц;

Расходимость: 20×45 град.;

Спектральная ширина: 80 МГц.

Необходимо отметить, что форма пучка из условия расходимости данного лазера представляет собой эллипс. В последующих главах необходимо проверить применимость данного лазера.

Оптическая схема системы

Оптическая схема изображена на рисунке 7. Принцип действия следующий: лазер 1 подает импульс в направлении объекта. Диафрагмой 2 модулируется апертура и форма пучка, учитывая, что он первоначально имеет форму эллипса. Сразу необходимо отметить, что диафрагма вносит дополнительные потери: отношение площади окружности диафрагмы к площади эллипса выходного лазерного пучка. Отношение площадей будет эквивалентно отношению углов расходимости и, соответственно, потери будут составлять τ_д = 20/45 = 0,44

Далее расходящееся излучение проходит через коллимирующую двухлинзовую систему формирования пучка и, соответственно, на выходе из данной оптической системы приближенно получается нерасходящийся пучок. Далее часть излучения, попадая на полупрозрачную пластинку 5, отражается и направляется на объект 7. При его присутствии, отраженный сигнал вернется обратно в то же самое место на пластине 5 (при условии, что объект 7 в виде бронетехнике будет установлен таким образом, что его боковая поверхность будет плоской или близкой к данной и находиться перепендикулярно к плоскости земной поверхности). Также немаловажным фактором является расположение танка Т-90, на котором установлен дальномер. Прошедшее отраженное излучение через пластину 5, пройдет через трехлинзовый объектив и сфокусируется на фотоприемник 6.

Рисунок 7. Оптическая схема дальномера, где

1 – лазер;

2 – диафрагма;

3 – собирающая линза;

4 – рассеивающая линза;

5 – полупрозрачная пластинка;

6 – фотоприемник;

7 – объект.

Далее произведен расчет условно «телескопической» системы формирования выходного сигнала лазера и объектива для формирования приема отраженного сигнала. Телескопическая система представлена на рисунке 8, а объектив на рисунке 9. Основные расчеты параметров оптических элементов произведены по формулам высот и углов:

, (2)

, (3)

, (4)

где σ – угол распространения краевого луча относительно оптической оси;

n – показатель преломления;

h – высота прохождения краевого луча относительно оптической оси;

Ф – оптическая сила поверхности;

d – расстояние между рассматриваемыми точками;

r – радиус кривизны поверхности.

Рисунок 8. «Телескопическая» система формирования выходного пучка.

Рисунок 9. Объектив приемной системы.

Но для дальнейшего расчета необходимо значение показателя преломления, то есть теперь необходимо подобрать материал для линз. Для этого обратимся к спектрам пропускания оптических материалов (рис. 10).

По данным из [5], наименьшее отражение имеет CaF₂ и оно составляет порядка ρ = 5,5% = 0,055. Отсюда следует, что необходимо использовать этот материал. Для фторида кальция показатель преломления составляет примерно n = 1,4 и он остается примерно таким практически на всем спектральном диапазоне собственного пропускания.

Рисунок 10. Спектры пропускания оптических стекол: К8 (а), CaF₂ (б), Ge (в), BaF₂ (г), MgF₂ (д), Si (е), плавленый кварц (ж).

Теперь можно приступить к расчету оптических схем. Для начала можно записать начальные данные для телескопической системы:

Для начала можно найти высоту h₁: . Возьмем фокусное расстояние f₁ = 30 мм. Далее по формуле (2) находим угол σ₂:

Примем толщину первой линзы и, соответственно, расстояние d₁ = 7 мм, а также фокусное расстояние f₁' = 75 мм. По формуле (3) можно найти высоту h₂ и далее снова по формуле (2) σ₂ и так далее:

Т.к. известны параметры h4 = 10 мм и σ₅ = 0°, и при d₃ = 12 мм, можно найти недостающие параметры фокусных расстояний 2 линзы и угол σ₄, составив уравнения:

По формуле (4) можно оценить радиусы кривизны данных поверхностей.

Аналогичный расчет по формулам (2) – (4) проводим для объектива. Параметры линз занесены в таблицу 4.

Таблица 4. Параметры оптических элементов, используемых в системе.

Выбор фотоприемника

Кроме уже выбранного лазера, та же фирма АИБИ предлагает также и фотоприемное устройство со следующими техническими характеристиками:

Спектр фоточувствительности приемника типа PD24-01-HS изображен на рисунке 11. Судя по спектру, данный тип фотоприемника отличается хорошей чувствительность в области 2,19 – 2,29 мкм.

Рисунок 11. Спектр фоточувствительности приемника типа PD24-01-HS

Также он имеет следующие параметры:

Блок-схема системы

Блок – схема системы изображена на рисунке 13.

Рисунок 13. Блок-схема системы.

Лазер подает оптический сигнал в сторону предполагаемого слежения и одновременно с ним от него поступает электрический сигнал на систему обработки данных, означающий выход сигнала. Телескопическая система формирования выходного пучка формирует выходной пучок. Сигнал поступает на объект и от него отражается. Отраженный импульс доходит до объектива приемной системы, который формирует пучок таким образом, чтобы максимально доставить его до фотоприемника. Фотоприемник обрабатывает импульс и передает электрический сигнал в систему обработки данных, означающий прием отраженного сигнала. Система обработки данных сопоставляет полученные значения и выдает результат дальности объекта от лазера. Блок питания снабжает электрической энергией основные узлы системы: лазер, приемник, систему обработки данных.

Техника безопасности

При работе с данной лазерной системой необходимо учесть следующие параметры:

– излучение невидимо для глаза, мощность импульсов такова, что не может вызвать поражение глаз, но данная мощность выбрана с учетом того, что воздействие излучения на глаза происходит в течение короткого промежутка времени таким образом, персоналу запрещается находиться в зоне работы системы длительное время;

– в зону работы охранной системы запрещено вносить предметы с поверхностями, которые могут привести к отражению лазерного излучения, что создаст угрозу несанкционированного облучения излучением человека, находящегося рядом;

– материалы, из которых изготовлена данная система, не должны быть токсичными, не должны разлагаться под воздействием окружающей среды с выделением вредных веществ. В первую очередь это касается оптических материалов. Материалы, из которых изготовлены защитные кожухи, не должны проводить электрический ток;

– конструкция лазеров должна быть выполнена таким образом, чтобы исключить поражение электрическим током персонала;

– персонал должен быть ознакомлен с инструкцией по технике безопасности при работе с лазерным излучением.

Список литературы

1. Л. З. Криксунов. Справочник по основам инфракрасной техники.-М.: Сов. радио, 1978. – 400 с.

2. Handbook of Geophysics. United States Air Force, Macmillan Company, New York, 1960.

3. Справочник по лазерам. Под редакцией А. М Прохорова. В 2-х томах. Т. I. — М.: Сов., радио, 1978. — 504 с.

4. Каталог-справочник: лазерные источники излучения. Лазерная ассоциация, 2010 г.

5. http://www.elektrosteklo.ru

6. Козинцев В. И. Основы импульсной лазерной локации, 2006.

Лазерный импульсный дальномер

*Иванов К.А., *А.Д. Рахимова, **В.В. Бесогонов

*ГОУ ВПО Ижевский Государственный Технический Университет им. М.Т. Калашникова

**Институт механики УрО РАН, т. 8-9097158718, E-mail: [email protected]

Лазерный импульсный дальномер

Основные технические характеристики:

- максимальная дальность – 5 км;

- минимальная дальность – 0,3 км;

- объект – бронетехника потенциального проивника;

- точность измерения дальности – не более 3,0 м;

- размещение: танк Т-90.

Принцип действия импульсной лазерной дальнометрии

В основе дальнометрии так же, как и в основе радиолокации, лежат три принципа.

Первый принцип основан на использовании отражения электромагнитных волн оптического диапазона, что происходит, если на пути их распространения встречается какое-либо физическое тело. Объект и фон, на котором он расположен, по-разному отражают падающее излучение, в результате чего между ними возникает контраст, что и позволяет обнаруживать объект.

Мощность отраженного излучения определяется рядом факторов, один из которых – длина волны источника излучения, используемого в локаторе. Известно, что когда линейные размеры цели существенно меньше длины волны, то мощность отраженного излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Это приводит к тому, что при использовании длинных волн мощность отраженного излучения резко падает, а следовательно, резко падает и дальность действия локатора. В связи с этим по мере развития активной локации все ярче проявляется тенденция к использованию более коротких волн. Для активной локации существенно использование таких волн длина которых меньше линейных размеров объектов, подлежащих обнаружению. Поэтому использование инфракрасных и видимых излучений открывает возможности создания локаторов, дальность действия которых (без учета влияния атмосферы) не зависит от длины волны.

Второй принцип, лежащий в основе активной оптической локации,– использование направленного излучения. Для того чтобы определить направление на объект, нужно направить энергию в область его предполагаемого нахождения, и по отраженному сигналу судить, имеется ли на данном направлении объект или нет; если имеется, то каковы его координаты. Таким образом, проблема определения местоположения объекта сводится к определению геометрических величин, однозначно характеризующих место объекта в пространстве. Известно, что электромагнитные колебания оптического диапазона распространяются прямолинейно, поэтому, если направить излучение в район объекта, то по отраженному излучению можно судить о направлении на объект. Для этого необходимо, чтобы локатор излучал энергию узким пучком. Чем уже пучок, в котором распространяется энергия, тем с большей точностью может быть определено направление на объект, тем больше дальность действия такого локатора, потому что энергия направляется только в сторону объекта. Кроме того, угловая расходимость луча также пропорциональна длине волны, используемой для локации. Очевидно, что использование оптического диапазона волн дает и здесь возможность создания более совершенной аппаратуры, отличающейся от аналогичной радиолокационной аппаратуры меньшими габаритами.

Третьим принципом, лежащим в основе оптической локации, является использование того, что электромагнитные колебания распространяются с постоянной скоростью. Это позволяет определить длину траектории распространения волн, а следовательно и дальности до интересующего нас объекта.

При импульсном методе обнаружения объект облучается не непрерывно, а короткими импульсами. В промежутках между пульсами ведется прием отраженных сигналов. По временному сдвигу между зондирующим и отраженным сигналами определяют дальность до объекта. При наличии нескольких объектов отраженные от них сигналы будут смещены во времени в соответствии с дальностями. Это известное преимущество импульсных локационных устройств, которое состоит в простоте одновременной индика­ции отраженных от нескольких объектов сигналов и возможности использования одного приемо-передающего устройства.