Лазеры. Основы устройства и применение их в военной технике
Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ
имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
Институт государственного управления
Кафедра ,, Управление технологиями”,
РАСЧЕТНО ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
,,КОНЦЕПЦИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ,,
НА ТЕМУ: ЛАЗЕРЫ. ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА И
ПРИМЕНЕНИЕ ИХ В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ.
Выполнила студентка Слепова И.П.
ф-та государственного управления
группы 1 вечернего отделения
Руководитель
Москва 1997 год.
С О Д Е Р Ж А Н И Е
стр.
1. Введение 3-5
2. Причина удивительных свойств
лазерного луча. Когерентный свет. 6-7
а). Анатомия лазера 7-8
б). Типы лазеров: 9-10
- газоразрядные;
- эксимерные;
- элетроионизационные;
- химические.
3. Применение лазеров в военном деле 11
3.1. Лазерная локация 12-17
- характерные параметры.
3.2. Наземные лазерные дальномеры и
их применение в армиях. 18-27
4. Заключение 28-29
5. Использованная литература. 30
1. ВВЕДЕНИЕ
И вот он наступил ХХ век. Уже самое его начало было отмечено величайшими достижениями человеческого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико- химического общества Попов А.С. продемонстрировал изобретенное им устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное устройство связи без проводов, а год спустя аналогичное устройство предложил итальянский техник и предприниматель Г.Маркони . Так родилось радио. В конце уходящего века бал создан автомобиль с бензиновым двигателем, который пришел на смену изобретенному еще в ХVШвеке паровому автомобилю. Не менее потрясающим оказались достижения в физике. Только за одно десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895 году немецкий физик Рентген открыл новый вид излучения , названный позднее его именем. В 1896г. французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, в 1897году английский физик Дж.Дж.Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд, 14 декабря 1900 года на заседании немецкого физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательной способности черного тела, этот вывод опирался на совершенно новые идеи, ставшие фундаментом квантовой теории - одной из основных физических теорий ХХ века. В 1905г. молодой А.Эйнштейн - ему тогда было всего 26 лет - опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия производили ошеломляющее впечатление и многих подвергали в замешательство - они никак не укладывались в рамки существования физики, требовала пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись, новый век возвестил о рождении новой физики, обозначил невидимую грань, за которой осталась прежняя физика получившая отныне название ,,классическая,,.
Новые фундаментальные знания привели и к новым техническим достижениям - началось то, что мы сегодня называем научно-технической революцией. Развитие вакуумной, а позднее - с начала 50-х годов -полупроводниковой электроники позволило создать весьма совершенные системы радиосвязи, радиоуправления, радиолокации. В 1948 году был изобретен транзистор, в начале 60-х годов на смену ему пришли интегральные схемы - родилась микроэлектроника. Развитие атомной и ядерной физики привело к созданию атомной электростанции (с1954г) и судов с атомными двигателями( с 1959г). Телевидение, быстродействующие вычислительные машины, разнообразные компьютеры, промышленные роботы - такова наша сегодняшняя действительность.
Первый лазер был создан в 1960 году - и сразу началось бурное развитие лазерной техники. В сравнительно короткое время появились различные типы лазеров и лазерных устройств предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.
Человек никогда не хотел жить в темноте, он изобрел много разнообразных источников света - от канувших в прошлое стеариновых свечей, газовых рожков, и керосиновых ламп до ламп накаливания и ламп дневного света, которые сегодня освещают наши улицы и дома. И вот появился еще один источник света - лазер.
Этот источник света совершенно необычен. В отличие от всех других источников , он вовсе не предназначается для освещения. Конечно при желании лазеры могут применяться в качестве экстравагантных светильников. Однако использовать лазерный луч в целях освещения столь же нерационально, как отапливать комнату сжигаемыми в камине ассигнованиями. В отличие от других источников света лазер генерирует световые лучи, способные гравировать, сваривать резать материалы, передавать информации., осуществлять измерения. контролировать процесса, получать особо чистые вещества, направлять химические реакции... Так что это поистине удивительные лучи.
П. ПРИЧИНА УДИВИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ЛАЗЕРНОГО
ЛУЧА .
КОГЕРЕНТНЫЙ СВЕТ.
Для объяснения этих свойств в научном языке есть специальный термин - когерентность. Ученые скажут, что свет от лампы накаливания некогерентен, а лазерное излучение когерентно - и все им понятно. Человеку же, недостаточно просвещенному в области физики, надо очевидно, пояснить , что такое некогерентный или когерентный свет.
В общих чертах такое пояснение дать вроде бы несложно. Вполне понятно, что поток света , распространяющийся от любого источника есть суммарный результат высвечивания великого множества элементарных излучателей, каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае лампы накаливания каждый атом -излучатель высвечивается, никак не согласуясь с другими атомами-излучателями, поэтому в целом получается световой поток, который можно называть внутренне непорядочным, хаотическим. Это есть некогорентный свет. В лазере же гигантское количество атомов излучателей высвечивается согласованно- в результате возникает внутренне упорядоченный световой поток. Это есть когерентный свет.
Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе яркий и тонкий световой шнур или световую нить. Нечто подобное можно увидеть в действительности если включить гелий-неоновый лазер. Правда этот лазер маломощный настолько, что его луч можно спокойно ,,ловить,, в руку. К тому же луч не ,,ослепительно белый,, а сочного красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо создать в лаборатории полумрак и легкую задымленность. Луч почти не расширяется и везде имеет практически одинаковую интенсивность. Можно разместить на его пути ряд зеркал и заставить его описать. сложную изломанную траекторию в пространстве лаборатории. В результате возникнет эффективное зрелище - комната , как бы , перечеркнутая,, в разных направлениях яркими красными прямыми нитями.
Однако не всегда лазерный луч выглядит столь эффектно. Например, луч СО2 - лазера вообще невидим - ведь его длина волны попадает в инфракрасную область спектра. Кроме того, не следует думать, что лазерный луч - это обязательные непрерывный поток световой энергии. В большинстве случаев лазеры генерируют не непрерывный световой пучок, а световые импульсы.
1. Анатомия лазера.
Как выглядит лазер? На что он похож? Лазеры отличаются большим разнообразием. Существует огромное число разных типов лазеров, они различаются не только характеристиками генерируемого ими излучения, но также внешним видом, размерами, особенностями конструкции.
”Сердце лазера” - его активный элемент. У одних лазеров он представляет собой кристаллический или стеклянный стержень цилиндрической формы. У других - это отпаянная стеклянная трубка, внутри которой находится специально подобранная газовая смесь. У третьих - кювета со специальной жидкостью. Соответственно различают лазеры твердотельные, газовые и жидкостные. см. табл. стр. 88.
2. Типы лазеров.
Продолжая знакомиться с лазерами, совершим экскурсию по обширному лазерному хозяйству. Остановимся на некоторых типах лазеров .
Газоразрядные лазеры. Так называют 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 выделим три: гелий-неоновый( как пример лазера, генерирующего на переходах в атомах), аргоновый (ионовый лазер) и СО2- лазер (молекулярный лазер). (см.таблицы 113-115)
Гелий -неоновой лазер имеет три основных рабочих перехода , на длинах волн 3,39 и1,15 и 0,63 мкм.
В аргоновом лазере генерация происходит на переходах между уровнями однократного иона аргона (Ar+) основными являются переходах на длинах волн 0,488(голубой цвет) и 0,515 мкм (зеленый цвет).
Генерация в СО2 -лазере происходит на переходах между колебательными уровнями молекулы углекислого газа (СО2) основными являются переходы на длинах волн 9,6 и 10,6 мкм. Основными составляющими газовой смеси являются углекислый газ и молекулярный азот.
Эксимерные лазеры . Так называют газовые лазеры генерирующие на переходах между электронными состояниями эксимерный (разлетных) молекул. К таким молекулам относятся, например молекулы Ar2, Kr2, Xe2 , ArF, KrCl, XeBr и др. Эти молекулы содержат атомы инертных газов.
Заметим, что в эксимерных лазерах реализованы наиболее низкие значения генерируемых длин волн. Так. в лазере на молекулах Хе2 наблюдалась генерация на длине волн 0,172 мкм , в лазере на молекулах Kr2 0,147 мкм, в лазере на Ar2 0,126 мкм.
Электроионизационные лазеры. В качестве ионизирующего излучения используют ультрафиолетовое излучение, электронный пучок из ускорителя, пучки заряженных частиц, являющихся продуктами ядерных реакций.
Химические лазеры. Реакции идущие с высвобождением энергии, называют экзоэнергетичсекими. Они-то и представляют интерес для химических лазеров. В этих лазерах, высвобождающаяся при химических реакциях, идет на возбуждение активных центров и в конечном счете преобразуется в энергию когерентного света.
Приведем пример реакций замещения , которые используются в химических лазерах:
F + H2 -> HF* + H , F + D2 ->DF* + D, H + Cl2 -> Hcl* + Cl,
Cl + HJ - > HCl* + J.
Звездочка указывает на то, что молекула образуется в возбужденном колебательном состоянии.
Существует еще ряд признаков классификации лазеров, но отнесем их рассмотрение к специальной литературе.
Ш. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В ВОЕННОМ ДЕЛЕ.
К настоящему времени сложилась основные направления по которым идет внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениями являются:
1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная).
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные системы.
4. Лазерное оружие.
5. Лазерные ситным ПРО и ПКО , создаваемые в рамках стратегической оборонной инициативы - СОИ.
Сейчас, получены такие параметры излучения лазеров, которые способны существенно повысить тактико-технические данные различных образцов военной аппаратуры (стабильность частоты порядка 10 в -14, пиковая мощность 10 в -12 Вт, мощность непрерывного излучения 10 в 4 Вт, угловой раствор луча 10 в -6 рад, t=10 в -12 с, ... =0,2...20 мкм .
3.1 ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ.
Лазерной локацией называют область оптикоэлектроники, занимающегося обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемого лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется активным методом. Нам уже известно, что лазерное излучение отличается от температурного тем, что оно является узконаправленным, монохраматичным, имеет большую импульсивную мощность и высокую спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию конкурентноспособной в сравнении с радиолокаций, особенно при ее использовании в космосе ( где нет поглощающего воздействия атмосферы) и под водой ( где лоя ряда волн оптического диапазона существуют окна прозрачности).
В основе лазерной локации, так же как и радиолокации, лежат три основных свойства электромагнитных волн:
1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон на котором она расположена, по разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Более того, оно отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны, лучше, чем радиоволны. Это хорошо известно из основной закономерности отражения , по которой следует, что чем короче длина волны, тем лучше она отражается. Мощность отраженного в этом случае излучения обратно пропорциональна длине волны в четвертой степени. Лазерному локатору принципиально присуща и большая обнаружительная способность, чем радиолокатору - чем, короче волна, тем она выше. Поэтому-то проявлялась по мере развития радиолокации тенденция перехода от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверх короткие радиоволны, становилось все более трудным делом, а затем и зашло в тупик.
Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.
2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым производиться просмотр пространства, позволяет определить направление на объект ( пеленг цели).
Это направление находят по расположению оси оптической системы, формирующей лазерное излучение ( в радиолокации - по направлению антенны). Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг. Определим коэффициент направленного действия и диаметр антенны по следующей простой формуле,
G = 4п * S
/ 2
где G - коэффициент направленного действия , S - площадь антенны, м2, / - длина волны излучения мкм.
Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности около 1,5 при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10м. Такую антенну трудно поставить на танк , а тем более на летательный аппарат. Она громоздка и нетранспортабельна. Нужно использовать более короткие волны.
Угловой раствор луча лазера, изготовленного с использованием твердотельного активного вещества, как известно, составляет всего 1,0 - 1,5 градуса и при этом без дополнительных оптических фокусирующих систем (антенн). Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогического радиолокатора. Использование же незначительных по габарита м оптических систем позволит сузить луч лазера до нескольких угловых минут, если в этом возникнет необходимость.
3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так. при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:
L = ct и
2
где L - расстояние до объекта, км, С - скорость распространения излучения км/с, t и -время прохождения импульса до цели и обратно, с.
Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Совершенно ясно, что чем, короче импульс, тем лучше ( при наличии хорошей полосы пропускания, как говорят радисты). Но нам уже известно , что самой физикой лазерного излучения заложена возможность получения импульсов с длительностью 10-7 - 10-8 с . А это обеспечивает хорошие данные лазерному локатору.
Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них,см.рис.
Прежде всего з о н а д е й с т в и я . Под ней понимают область пространства, в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и минимальной дальности действия и пределами обзора по углу места и азимуту. Эти размеры определяются назначением военного лазерного локатора.
Другим параметром локатора является в р е м я о б з о р а. Под ним понимается время, в течение которого лазерный луч приводит однократный обзор заданного объема пространства.
Следующим параметром локатора являются о п р е д е л я е м ы е к о о р д и н а т ы . они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для определения местонахождения наземных и надводных объектов, то достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении за воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты следует определять с заданной точностью, которая зависит от систематических и случайных ошибок. Их рассмотрение выходит за рамки данной книги. Однако будем пользоваться таким понятием , как р а з р е ш а ю щ а я с п о с о б н о с т ь . Под разрешающей способностью понимается возможность раздельного определения координат близко расположенных целей. Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме того, используется такая характеристика, как п о м е х о з а щ ищ е н н о с т ь . Это способность лазерного локатора работать в условиях естественных (Солнце, Луна) и искусственных помех.
И весьма важной характеристикой локатора является н а д е ж н н о с т ь. Это свойство локатора сохранять свои характеристики и установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.
Схема лазерного локатора , предназначенного для измерения четырех основных параметров объекта ( дальности, азимута, угла места и скорости) см. рис. на стр. 17. Хорошо видно, что конструктивно такой локатор состоит из трех блоков : передающего, приемного и индикаторного. Основное назначение передающего лока-тора - генерирование лазерного излучения, формирование его в пространстве, во времени и направлении в район объекта. Передающий блок состоит из лазера с источником возбуждения, модулятора добротности, сканирующего устройства, обеспечивающего посылку энергии в заданной зоне по заданному закону сканирования, а также передающей оптической системы.
Основное назначение приемного блока - прием излучения отраженного объектом, преобразование его в электрический сигнал и обработка для выделения информации об объекте. Оно состоит из приемной оптической системы, интерференционного фильтра , приемника излучения , а также блоков измерения дальности, скорости и угловых координат.
Индикаторный блок служит для указания в цифровой форме информации о параметрах цели.
В зависимости от того, для какой цели служит локатор, различают: дальномеры, измерители скорости (допплеровские локаторы), собственно локаторы(дальность, азимут, и угол места).
CХЕМА ЛАЗЕРНОГО ЛОКАТОРА
|
о- модулятор |
Лазер |
Модулятор |
Оптическая система |
Сканирующее устройство |
|
Источник возбуждения |
П Е Р Е Д А Ю Щ И Й Б Л О К |
|
приемник излучения |
оптический фильтр |
приемная оптическая система |
ИНДИКАТОРНЫЙ БЛОК |
|
|||||||||
|
ПРИЕМНЫЙ БЛОК |
|
||||||||||||
|
|||||||||||||
|
блок измерения дальности |
блок измерения скорости |
блок измерения угловых координат |
Угол места |
||||||||||
|
A |
В |
Азимут |
|
||||||||||
|
Скорость |
|
||||||||||||
|
Блок питания |
Дальность |
|
|||||||||||
3.2. НАЗЕМНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ.
Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического применения лазеров в зарубежной военной технике. Первые опыты относятся к 1961 году, а сейчас лазерные дальномеры используются и в наземной военной технике(артиллерийские, таковые), 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 на вооружение во многих армиях мира.
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 или фазово-импульсный. Внешний вид импульсного дальномера показан на рисунке.
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 в -9 с. Поскольку можно считать , что скорость света равна 3*10в10 см/с, получим погрешность в изменении 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. При этом интенсивность излучения меняется в значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза сигнала, упавшего на объект. Отраженный от объекта сигнал прийдет 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 10 Мгц, то тогда погрешность измерения расстояния составит около 5 см.
Первый лазерный дальномер ХМ-23 прошел испытания , и был принят на вооружение армий. Он рассчитан на использование в передовых наблюдательных пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем является лазер на рубине с выходной мощностью 2.5 Вт и длительностью импульса 30нс. В конструкции дальномера широко используются интегральные схемы. Излучатель, приемник и оптические элементы смонтированы в моноблоке, который имеет шкалы точного отчета азимута и угла места цели. Питание дальномера производится то батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов напряжением 24в, обеспечивающей 100 измерений дальности без подзарядки. В другом артиллерийской дальномере, также принятом на вооружение армий, имеется устройство для одновременного определения дальности до четырех целей., лежащих на одной прямой, путем последовательного стробирования дистанций 200,600,1000, 2000 и 3000м.
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 сложенных условиях. Дальномер можно сопрягать при необходимости с усилителем изображения или телевизионным визиром. Режим работы дальномера предусматривает либо измерения через каждые 2с. в течение 20с. и с паузой между серией измерений в течение 20с. либо через каждые 4с. в течение длительного времени. Цифровые индикаторы дальности работают таким образом, что когда один из индикаторов выдает последнюю измеренную дальность, и в памяти другого хранятся четыре предыдущие измерения дистанции.
Весьма удачным лазерным дальномерам является LP-4. Он имеет в качестве модулятора добротности оптико-механический затвор. Приемная часть дальномера является одновременно визиром оператора. Диаметр входной оптической системы составляет 70мм. 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 3000м. В схеме оптического визира перед окуляром помещен защитный фильтр для предохранения глаза оператора от воздействия своего лазера при приеме отраженного импульса. Излучатель в приемник смонтированы в одном корпусе. Угол места цели определяется в пределах + 25 градусов. Аккумулятор обеспечивает 150 измерений дальности без подзарядки , его масса всего 1 кг. Дальномер прошел испытания и был закуплен в ряде стран таких как - Канада, Швеция, Дания , Италия, Австралия. Кроме того, министерство обороны Великобритании заключило контракт на поставку английской армии модифицированного дальномера LP-4 массой в 4.4.кг.
Портативные лазерные дальномеры разработаны для пехотных подразделений и передовых артиллерийской 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 аллюминиево-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 10 в -9 Вт. Ложные сигналы , отраженные от близлежащих предметов, находящихся в стволе с целью, исключается 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.
Установка 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 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 в счетно-решающее устройство системы управления огнем танка. При этом измерение дальности может производится как наводчиком пушки так и командиром танка. Режим работы дальномера - 15 измерений в минуту в течение одного часа. Зарубежная печать сообщает, что более совершенный дальномер, разработанный позднее , имеет пределы измерения дальности от 200 до 4700м. с точностью + 10 м, и счетно-решающее устройство, связанное с системой управления огнем танка, где совместно с другими данными обрабатывается еще 9 видов данных о боеприпасах. Это, по мнению разработчиков, дает возможность поражать цель с первого выстрела. Система управления огнем танковой пушки имеет в качестве дальномера аналог, рассмотренный ранее, но в нее входят еще семь чувственных датчиков и оптический прицел. Название установки “Кобельда”. В печати сообщается что она обеспечивает высокую вероятность поражения цели и несмотря на сложность этой установки переключатель механизма баллистики в положение, соответствующее выбранному типу выстрела, а затем нажать кнопку лазерного дальномера. 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 учреждения. 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 рисунке приведены зависимости , показывающие , как изменяется вероятности поражения неподвижной цели в случае использования обычного прицела, стеродальномера 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.
|
1,0 |
||||||||||||||
|
0,8 |
||||||||||||||
|
0,6 |
||||||||||||||
|
0,4 |
||||||||||||||
|
0,2 |
||||||||||||||
1000 2000 3000
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 1000м, и ощущается лишь на дальности 1500м, 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 100м, повышается более чем в 3,5 раза , а на дальности 2000м., где система со стереодальномером становиться практически неэффективной, лазерная система обеспечивает вероятность поражения с первого выстрела около 0,3.
В 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 в 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 25нс 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. Минимальной пороговый сигнал при котором система следит за целью составляет 5*10в-8Вт. 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 неподвижной 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. Вот 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 400м. В печати сообщается , что эти характеристики значительно улучшены в более поздних разработках. Так, например уже разработан лазерный дальномер с дальностью действия 1500м. 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 6400м. Мощность в импульсе 100Вт, 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 25нс, частота следования импульсов 0,33 Гц в течение 12с 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 в -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 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.
1У. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
За последнее время в России и за рубежом были проведены обширные исследования в области квантовой электроники. созданы разнообразные лазеры, а также приборы , основанные на их использовании. Лазеры теперь применяются в локации и в связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в вычислительной технике и промышленности, в военной технике. Появилось новое научное направление - голография, становление и развитие которой также немыслимо без лазеров.
Однако, ограниченный объем этой работы не позволил отметить такой важный аспект квантовой электроники , как лазерный термоядерный синтез, об использовании лазерного излучения для получения термоядерной плазмы. Устойчивость светового сжатия . Не рассмотрены такие важные аспекты , как лазерное разделение изотопов, лазерное получение чистых веществ, лазерная химия и многое другое. Но мы рассмотрели одну из частей употребления лазеров в военной технологии , которые сейчас широким фронтом вторгаются в нашу действительность, обеспечивая подчас уникальные результаты. Человек получил в свое распоряжение инструмент для повседневной научной и производственной деятельности.
Мы еще не знаем, а вдруг может произойти научная “революция” в мире основанная на сегодняшних достижениях лазерной техники. Вполне возможно , что через 50 лет действительность окажется гораздо багаче нашей фантазии.....
Может быть, переместившись в “машине времени” на 50 лет вперед, мы увидим мир, затаившийся под прицелом лазеров. Мощные лазеры нацелившись из укрытий на космические аппараты и спутники. Специальные зеркала на околоземных орбитах приготовились отразить в нужном направлении беспощадный лазерный луч, направить его на нужную цель. На огромной высоте зависли мощные гамма-лазеры , излучение которых способно в считанные секунды уничтожить все живое в любом городе на Земле. И негде укрыться от грозного лазерного луча - разве , что спрятаться в глубоких подземных убежищах.
Но это все фантазии. И не дай бог она привратиться в реальность.
Все это зависит от нас, от наших действий сегодня, от того, насколько активно все мы будет относиться к достижениям нашего разума правильно, и направлять наши решения в достойное русло этой необъятной “реки” которая называется - Лазер.
Л И Т Е Р А Т У Р А .
1.Тарасов Л.В. “Знакомьтесь - лазеры” Радио и связь 1993 г
2. Федоров Б.В. “Лазеры основы устройства и применение” изд ДОСААФ 1990г.
3. Тарасов Л.В. “ Лазеры действительность и надежды” изд Наука 1985г
4. Орлов В.А. Лазеры в военной технике Воениздат 1986г.
5.Реди Дж. “Промышленной применение лазеров” Мир 1991г.
6. Авиация и космонавтика № 5 1981г. с 44-45
7. Петровский В.И. “Локаторы на лазерах “ Воениздат
8. Федоров Б.Ф. “Лазерные приборы и системы летательных аппаратов “ Машиностроение 1988г.
9. Лазеры в авиации. (под ред. Сидорина В.М.) Воениздат 1982г.