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.
В армиях, помимо артиллерии и танков, лазерные дальномеры используются в системах, где требуется в короткий промежуток времени определить дальность с высокой точностью. Так, 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 сервопроводом, 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. Минимально пороговый сигнал, при котором система следит за целью, составляет 5*10-8 Вт. 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, определяемая экспериментально составляет 0,1 мрад по азимуту и 0,2 мрад по углу места цели. Точность измерения дальности + 15 см.
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 нужно измерять небольшие расстояния, но с большей частотой циклов измерений, то используют фазовые дальномеры с излучателем на полупроводниковых лазерах. В них в качестве источника применяется, как правило, арсенид галлия. Характеристика одного из дальномеров: выходная мощность 6,5 Вт в импульсе, длительность которого равна 0,2 мкс, а частота следования импульсов 20 кГц. Расходимость луча лазера составляет 350*160 мрад т.е. напоминает лепесток. При необходимости угловая расходимость луча может быть уменьшена до 2 мрад. Приемное устройство состоит из оптической системы, а 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 уже разработан лазерный дальномер с дальностью действия 1500 м и точностью измерения расстояния + 30м. Этот дальномер имеет частоту следования 12,5 кГц при длительности импульсов 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.
Поскольку применяется несколько типов дальномеров, то наметилась тенденция унификации лазерных систем в виде отдельных модулей. Это упрощает их сборку, а также замену отдельных модулей в процессе эксплуатации. По оценкам специалистов, модульная конструкция лазерного 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 аллюминиево-натриевый гранат, что обеспечивает работу дальномера без системы охлаждения. Все эти элементы головки размещены в жестком цилиндрическом корпусе. Точная механическая обработка посадочных мест на обоих концах цилиндрического корпуса головки позволяет производить их 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 быстрым запусками. основные данные унифицированной головки таковы: длина волны - 1,06 мкм, энергия накачки - 25 Дж, энергия выходного импульса - 0,2 Дж, длительность импульса 25 нс, 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 5*10-8 Вт.
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 фокального 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.
Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:
L = ct/2,
где L - расстояние до обьекта, с - скорость распространения излучения, 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.
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 фазо-импульсный.
Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру,то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до объекта.
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.
Раньше, измеряя орбиты спутников, использовали методы тригонометрии. Измерялись угловые координаты спутника в определенный момент времени. Но погрешности таких измерений были велики. Запускались специальные геодезические спутники, которые мигали особыми лампами в определенные периоды времени, которые привязывались к государственному эталону времени и частоты. Эти вспышки на фоне звезд фиксировались на фотопленке, но все равно, погрешность измерялась десятками угловых секунд, иногда минутами, а по дальности десятками и сотнями метров. Радиолокационные измерения были не на много точнее. Поколения дальномеров появлялись, как только появлялись лазеры с более коротким импульсом, поскольку именно длительность импульса наибольшим образом влияет на точность. Самые первые лазеры не могли использоваться для целей дальнометрии, их импульс был слишком длительным. Первое поколение были экспериментальные дальномеры, с длительностью лазерного импульса десятки наносекунд и точностью измерений 1-3 метра. Второе поколение – все вышеперечисленные советские ЛСД системы достигали точность от 0,5 до 0,2 метров при длительности импульса 2-3 наносекунды. Третье поколение измеряет дальность с точностью 5-2 см. и имеют длительность импульса не более 200 пикосекунд.
Спутниковые лазерные светодальномеры являются средствами траекторных измерений. ЛСД - это лазер, который благодаря модуляции добротности резонатора и ряду других технических ухищрений, дают очень короткий импульс, измеряемый нано и пикосекундами. Энергия импульса равна 0.1-0.05 джоулей, при этом мощность излучения порядка 250 мегаватт и более. Собственное расхождение лазерного луча очень маленькое, оно измеряется величиной 10-20 угловых минут, но на дальности 500 км диаметр пятна будет более 2 км. Расхождение уменьшают, пропуская через коллимирующую оптическую систему. Упрощенно, эта система состоит из двух линз, фокусы которых совпадают. Фокусное расстояние первой линзы маленькое, второй большое. Соотношение этих фокусов равно уменьшению расхождения лазерного луча и равно увеличению его выходного диаметра.
Очень маленькая часть энергии импульса лазера забирается специальной призмой и направляется на фото-электронный умножитель (ФЭУ) старт сигнала. Электрический сигнал включает счетчик времени и заставляет компьютер дальномера запомнить, в какой момент времени это произошло. Луч лазера летит до спутника, отражается и принимается телескопом. Обычно, приемный телескоп имеет площадь приемного зеркала 0,5 кв.м. или диаметр зеркала 0,5 м. Передающая оптическая система, из-за своих меньших габаритов, крепиться на приемном телескопе, вместе с лазером. Сфокусированный телескопом сигнал пропускается через оптический фильтр, который состоит из двух совершенно прозрачных плоско-параллельных стеклянных пластин, которые крепятся друг к другу сегнетоэлектрическими столбиками (сегнетоэлектрик изменяет свою длину, если на него подать напряжение). Фильтр будет пропускать свет, длина волны которого кратна расстоянию, между этими пластинами, при условии, что они стоят строго параллельно. Для того, чтобы расстояние между пластинами было кратным длине волны излучения лазера и чтобы они были строго параллельны, на скрепляющие их сегнетоэлектрические столбики подается управляющее напряжение. Электрический сигнал с этого ФЭУ останавливает работу счетчиков, называемых Измеритель Временного Интервала. Исходя из времени распространения светового сигнала, зная момент его испускания, вычисляют дальность до космического аппарата в момент времени, в который лазерный луч коснулся спутника. Попасть лучом по спутнику помогает опорно-поворотное устройство (ОПУ). Оно позволяет телескопу траекторных измерений следить за спутником, поворачиваясь вокруг двух, или большего количества осей. Электромоторы ОПУ управляются компьютером. Если ОПУ не смогло вывести телескоп в точку встречи с достаточной точностью, то в приемном телескопе обычно предусматривают возможность вывода изображения на телекамеру. Тогда можно ввести определенную коррекцию в движение ОПУ.
Если КА находится на низкой орбите, то отраженного от обшивки сигнала может быть вполне достаточно для измерения дальности. Но чем выше орбита, тем слабее сигнал, здесь зависимость в четвертой степени (дальность больше в два раза, сигнал слабее в 16 раз, больше в три, слабее в 81). Чтобы получить сигнал, на КА ставят отражающие уголки, световозвращатели.
Однако на старт баллистической ракеты морского базирования влияет местное отклонение от нормали силы тяжести. Уловить такое отклонение можно, если спутник будет следить за локальным проседанием или вспучиванием поверхности океана относительно среднего уровня моря. Такой спутник должен лететь по орбите, параметры которой поддерживается дальномерами с высокой точностью. Это достигается использованием дальномера четвертого поколения. В этих дальномерах сокращается длительность импульса (импульс 30 пикосекунд – длина световой пули всего 3 мм). Используют двухчастотное излучение (1,06 и 0,53 мкм), тогда отставание импульсов разных цветов несет информацию об интегральном показателе преломления атмосферы. Вместе с приемным ФЭУ используют стрик-камеру, которая преобразует отставание разночастотных сигнал во времени в расстояние (развертка летящих фотоэлектронов) с разрешением ПЗС линейкой до 3 пикосекунд.
Поскольку одна из основных задача этого дальномера – калибровка радиовысотомера, то на спутнике уголковые отражатели установлены пояском, вокруг параболической антенны, а один, на контр-зеркале. Дальномер, стоящий на берегу океана, еще лучше на мысу, дожидается момента, когда спутник пройдет прямо над ним и стреляет в зенит. Радиовысотомер в этот момент делает измерения. Сигнал от поверхности земли на борту отфильтровывается от сигнала от океана и получается точная поверка высотомера. Дальномер следит за спутником автоматически, по сигналам компьютера. Компьютер управляет моторами, которые крутят дальномер вокруг двух осей – горизонтальной, когда дальномер поворачивается на 360 градусов, и вертикальной, когда труба телескопа поднимается от 0 до 90 градусов, если спутник проходит стороной. При этом моторы развивают определенные скорости движения и ускорения, поскольку скорость движения по осям меняется. С определенным нарастанием скорости работает только вертикальная ось, поднимая телескоп от 0 до 90 градусов. Когда спутник оказывается над головой, двигатели привода горизонтальной оси должны дико взвыть и МГНОВЕННО крутануть дальномер на 180 градусов, т.е. развить бесконечное ускорение. После чего телескоп должен опускаться вокруг вертикальной оси от 90 до 0 (вообще, на углах места меньше 20 градусов измерения не проводятся, слишком большие потери в толстом слое атмосферы). Дальномер пятого поколения работает на полупроводниковом лазере, который дает достаточно короткий 5-10 пикосекундный импульс.