Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Июля 2015 в 08:57, курсовая работа
Для определения расстояния до цели в России долгое время применялись дальномерные шкалы на оптических прицелах. Однако этот способ при всей своей простоте не является достаточно точным и надежным. Кроме того, наблюдателю необходим ориентир с заранее известными размерами, что является невыполнимым условием, например, в чистом поле.
Выходом из положения стали портативные лазерные дальномеры.
Министерство Образования и Науки РФ
Новосибирский Государственный Технический Университет
Кафедра АИУС
Курсовой проект
тема
Лазерные дальномеры (высотомеры)
Факультет: АВТ
Группа: АУ-25
Выполнила: Казанцева Н. С.
Проверил:
Новосибирск, 2006.
Для определения расстояния до цели в России долгое время применялись дальномерные шкалы на оптических прицелах. Однако этот способ при всей своей простоте не является достаточно точным и надежным. Кроме того, наблюдателю необходим ориентир с заранее известными размерами, что является невыполнимым условием, например, в чистом поле.
Выходом из положения стали портативные лазерные дальномеры. Принцип работы лазерного дальномера заключается в том, что посылаемые прибором импульсы отражаются от цели. Затем встроенный микропроцессор вычисляет расстояние в зависимости от времени с момента посыла импульса до момента приема его отражения. Лазеры, установленные в дальномерах, работают в инфракрасном диапазоне длин волн и их излучение не видно невооруженным взглядом. Несмотря на то, что в современных лазерных потребительских дальномерах используются безопасные инфракрасные лазеры 1-го класса, тем не менее, все производители категорически запрещают направлять включенные приборы на людей - это может привести к травмам глаз, в особенности на близких расстояниях.
Впервые на Западе они попали в свободную продажу в 1992 г. Тогда выпустились первые дальномеры с безопасным лазером. Чуть позднее модель дальномера, интегрированная в оптический прицел. Однако стоимость этих приборов (несколько тысяч долларов) была очень высока, и реально доступны для широкого потребителя лазерные дальномеры стали с 1996 г. В СССР (а затем в России) такое оборудование было доступно только военным, причем военные модели используют мощные лазеры, которые при попадании в глаза зачастую приводят к потере зрения и поэтому ни при каких обстоятельствах не могут быть выпущены на потребительский рынок. В последние годы многие торговые фирмы стали завозить приборы для гражданского использования. К сожалению, отечественная промышленность не в состоянии пока предложить конкурентоспособные дальномеры гражданского назначения и выбор состоит только из приборов зарубежных фирм.
Области
применения лазерных дальномеров.
Основное назначение лазерного дальномера - это измерение расстояний. Главное преимущество работы с этим прибором – измерения может проводить один человек. Лазерные дальномеры находят все большее применение в самых различных областях, где необходимо измерять расстояния быстро и с высокой точностью. Применяются в строительстве при разбивке и для определения объемов, при планировании сельскохозяйственных работ, в военной технике, а так же в различных видах активного отдыха - охоте, туризме, игре в гольф. Бюро технической инвентаризации используют их при инвентаризации жилого фонда и промышленных объектов. При производстве топографических работ лазерные дальномеры используются для различного рода дополнительных обмеров и при составлении абрисов.
Лазерный дальномер - электронно-оптический прибор, используемый для определения дальности между различными предметами, может работать, как в помещениях, так и на открытом пространстве. Погрешность измерений лазерного дальномера колеблется от 3 до 1 мм на 10 м. Некоторые модели лазерных дальномеров могут производить вычисления объемов и площадей помещений, вычислять длину недостающего катета (по теореме Пифагора) и т.д. Принцип действия лазерных дальномеров основан на измерении промежутка времени между посылкой лазерного импульса и приемом отраженного от предмета сигнала. Лазерные дальномеры помогают производить замеры в неудобных местах и из углов помещений. Максимальная дальность определения расстояния может составлять до 150 м и более. Как правило, на рынке встречаются профессиональные модели лазерных дальномеров.
Все выпускаемые дальномеры имеют цифровой дисплей. Паразитные отражения от близко расположенных целей и рассеивающих объектов, возникающих вследствие атмосферных осадков (дождь, снег, туман),
Лазерные дальномеры новой серии просты в использовании и способны работать в жестких климатических условиях. Новые перспективы применения появляются при применении безопасных для зрения лазеров на стекле, легированных ионами эрбия, и методов тахеометрии (комбинации лазерного дальномера и точного электронного гониометра),
могут устраняться путем установления минимального диапазона (от 50 до 5000 м). Дальномеры обеспечивают селекцию первой и последней целей и измеряют расстояние до
каждой из них.
Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического применения лазеров в зарубежной военной технике. Первые опыты относятся к 1961г., а сейчас лазерные дальномеры используются в наземной военной техники (артиллерийские, танковые), и в авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели), и на флоте. Эта техника прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время ряд дальномеров принят в армиях ряда стран.
Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отражения от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере:
- импульсный,
- фазовый
- фазово-импульсный.
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 10-9 с. Поскольку можно считать , что скорость света равна 3*1010 см/с, получим погрешность в изменении расстояния около 30 см. Считается, 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. Оценим погрешность фазового дальномера, пригодного работать в полевых условиях. 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.
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 2.5 Вт и длительностью импульса 30 нс. 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.
Один из первых серийных моделей - шведский дальномер, предназначенный для использования в системах управления бортовой корабельной и береговой артиллерии. Конструкция дальномера отличалась особой прочностью, что позволяло применять его в сложных условиях. Дальномер можно было сопрягать при необходимости с усилителем изображения или телевизионным визиром. Режимом работы дальномера предусматривалось либо измерение через каждые 2 с в течение 20 с, либо через каждые 4 с в течение длительного времени.
С начала 70-х годов на зарубежных танках устанавливаются лазерные дальномеры. По сравнению с оптическими они имеют ряд преимуществ: высокое быстродействие, автоматизированный процесс ввода измеренной дальности в прицельные устройства, высокую точность измерения, малые размеры, вес и т. д. Для этого в США был разработан дальномер AN/VVS-1 для танка М60А. 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 могло производиться как наводчиком пушки так и командиром танка. Режим работы дальномера - 15 измерений в минуту в течение одного часа. Лазерный дальномер, входящий в систему, позволяет измерять дальность одновременно до двух целей, расположенных в створе. Система отличается быстродействием, что позволяет произвести выстрел в кратчайшее время.
Вероятность поражения движущейся цели при использовании лазерной системы по сравнению с вероятностью поражения при использовании системы со стереодальномером уже на дистанции 100 м, повышается более чем в 3,5 раза, а на дальности 2000 м., где система со стереодальномером становиться практически неэффективной, лазерная система обеспечивает вероятность поражения с первого выстрела около 0,3.
Лазерные дальномеры, установленные на современных танках, позволяют измерять дальность до цели в пределах от 200 м до 10 000 м с точностью до 10 м. Большинство активных элементов лазерных дальномеров, устанавливаемых в настоящее время на танках, созданы на основе кристалла граната с примесью неодима (активный элемент - кристалл иттриево-алюминиевого граната, в который в качестве активных центров введены ионы неодима). Эти лазеры генерируют излучение на длине волны 1,06 мкм. Имеются также лазерные дальномеры, в которых активным элементом служит кристалл розового рубина. 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, молекулярного азота и различных небольших добавок в виде гелия, паров воды и т. д. 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.
Положительные свойства излучения СО2 -лазеров:
Недостатки лазеров на СО2:
Бурное развитие микроэлектроники обеспечило уменьшение массо-габаритных показатели лазерных дальномеров, что позволило создать портативные дальномеры. Весьма удачным оказался норвежский лазерный дальномер LP-4. Он имел в качестве модулятора добротности оптико - механический затвор. Приемная часть дальномера является одновременно визиром оператора. Диаметр оптической системы составляет 70 мм. Приемником служит портативный фотодиод. Счетчик снабжен схемой стробирования по дальности, действующий по установке оператора от 200 до 3000 м. В схеме оптического визира перед окуляром помещен защитный фильтр для предохранения глаза от воздействия своего лазера при приеме отраженного импульса. Излучатель и приемник смонтированы в одном корпусе. Угол места цели определяется до ~25 градусов. Аккумулятор обеспечивал 150 измерений дальности без подзарядки, его масса всего 1кг.
Портативные лазерные дальномеры были разработаны 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. Ложные сигналы, отраженные от близлежащих предметов исключаются с помощью схемы стробирования по дальности. Источник питания - малогабаритная аккумуляторная батарея, обеспечивающая 250 измерений без подзарядки. Электронные блоки дальномера выполнены на интегральных схемах, что позволило довести массу дальномера вместе с источником питания до 2кг.
Следующий этап военного применения лазерных дальномеров - их интеграция с индивидуальным стрелковым оружием пехотинца. Примером может служить штурмовая винтовка F2000 (Бельгия). Вместо прицела на F2000 может устанавливаться специальный модуль управления огнем, включающий в себя лазерный дальномер и баллистический вычислитель. Основываясь на данных о дальности до цели, вычислитель выставляет прицельную марку прицела как для стрельбы из самого автомата, так и из подствольного гранатомета. Перед выстрелом по данным с лазерного дальномера взрыватель гранаты программируется на подрыв в воздухе на заданной дальности, чем обеспечивается поражение укрытых целей осколками сверху или сбоку. Определение дальности для дистанционного подрыва осуществляется путем подсчета оборотов, совершенных гранатой в полете.