Принцип действия квантового дальномера

Государственный комитет Российской федерации по высшему образованию

Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова

Квантовый артиллерийский дальномер ДАК-2М.

Санкт-Петербург 2002

Категорически запрещается:

Наводить включенный дальномер на людей,

Наводить дальномер на зеркально отражающие поверхности и на поверхности близкие по отражению к зеркальным,

Наводить дальномер на солнце.

Цель работы.

Целью настоящей работы является изучение принципов работы кван­товых дальномерных устройств, а также их основных узлов и особенностей построения.

Введение.

.Наряду с радиолокационными, существуют и другие методы опреде­ления координат объекта. Так широкое применение на практике получили оптические локаторы, позволяющие определять все три координаты объекта с высокой точностью. Изучение применения оптических локаторов в качест­ве угломерных устройств выходит за рамки настоящей работы, в дальней­шем будет рассматриваться только определение дальности. Методы опреде­ления дальности с помощью оптико-электронных средств можно разделить на активные, использующие зондирующие сигналы, и пассивные. К послед­ним относятся стреоскопические дальномеры и дальномеры с фокусировкой изображения (например, дальномеры двойного изображения).

Оптические локаторы, к которым относится и данный квантовый дальномер, характеризуются очень высокой разрешающей способностью по дальности и угловым координатам, что обусловлено уменьшением, по срав­нению с устройствами радиодиапазона, длины волны на несколько поряд­ков. В квантовых (лазерных) дальномерах повышение рабочих частот позво­ляет расширить используемую полосу частот. Это позволяет формировать очень короткие (до десятков наносекунд) зондирующие импульсы. Практиче­ски это позволяет получать разрешающую способность по дальности порядка 1 метра при дальности в несколько километров.

Лазерное излучение имеет высокую направленность, что упрощает селекцию объектов, находящихся приблизительно в одном угловом направле­нии, но на существенно различных дальностях, и позволяет устранить свя­занные с этим ошибки.

Назначение дальномера.

Артиллерийский квантовый дальномер ДАК-2М с устройством селек­ции целей предназначен для:

- измерения дальности до подвижных и неподвижных целей, местных предметов и разрывов снарядов;

- корректировки стрельбы наземной артиллерии;

- ведения визуальной разведки местности;

- измерения горизонтальных и вертикальных углов целей;

- топогеодезической привязки элементов боевых порядков артиллерии с помощью других топогеодезических приборов.

Дальномер ДАК-2М может включаться в состав комплекса управления огнем артиллерии как устройство разведки и наблюдения, а также сопрягаться со счетно-решающими приборами комплекса.

Дальномер обеспечивает измерение дальности до целей типа танк, автомашина с вероятностью достоверного измерения 0.9 (при отсутствии в створе луча посторонних предметов).

Тактико-технические данные.

1. Максимальная измеряемая дальность по целям типа танк-автомашина, м 9000

2. Диапазон углов наведения:

- диапазон вертикальных углов наведения ±4-50

- диапазон горизонтальных углов наведения ±30

3. Точность измерения параметров цели:

- количество целей, фиксируемых на индикаторе счетчика целей 3

- максимальная ошибка измерения дальности, м <6

- разрешающая способность по дальности, м 3

- точность измерения угловых координат в обеих плоскостях ±00-01

4. Оптические характеристики канала приемника:

- диаметр входного зрачка, мм 96

- угол поля зрения 3'

Краткое описание прибора.

Внешний вид приемопередатчика с углоизмерительной платформой представлен на рисунке 1. На рисунке цифрами обозначены:

1- винт крепления визирной вешки;

2-клапан осушки;

3- патрон осушки;

4- патрон подсветки сетки;

5- переключатель "СВЕТОФИЛЬТР";

6- окуляр;

7- окуляр визира;

8- переключатель "ЦЕЛЬ";

9- ручка "ЯРКОСТЬ";

10- кнопка "ПУСК";

11- кнопка "ИЗМЕРЕНИЕ";

12-шкала точных отсчетов горизонтальных углов;

13-гайка;

14,19- рукоятка горизонтального наведения;

15- винт;

16- шкала лимба (шкала грубых отсчетов горизонтальных углов);

17- винт подъемный;

18- шаровой уровень;

20- рукоятка отвода червяка;

21- разъем;

22- рукоятка зажимного устройства.

23- рукоятка вертикального наведения;

24- разъем контроль параметров;

25- тумблер "ПИТАНИЕ";

26- тумблер "ПОДСВЕТКА";

27- переключатель "СТРОБИРОВАНИЕ";

28- цилиндрический уровень;

29- шкала грубых отсчетов вертикальных углов;

30- шкала точных отсчетов вертикальных углов.

На передней стенке приемопередатчика расположена панель контроля, она изображена на рисунке 2.

1-кнопка "КАЛИБРОВКА";

2-кнопка "КОНТР. НАПР." (контроль напряжения);

3-предохранитель;

4-разъем "ФОНАРЬ";

5-

счетчик числа измерений.

Принцип действия квантового дальномера

Артиллерийские квантовые дальномеры предназначены для определения дальности до подвижных и неподвижных целей, местных предметов и разрывов снарядов с целью ведения разведки, корректировки стрельбы и топогеодезической привязки боевых порядков артиллерии. Основным элементом дальномера является оптический квантовый генератор (лазер).

Принцип действия лазера

Для создания источника света необходимо активное тело, в атомах вещества которого число электронов в возбужденном состоянии превышает число электронов на нижнем энергетическом уровне (инверсия населенности).

Одним из наиболее распространенных материалов, применяемых в качестве активного тела, является рубин. Рубин – это кристалл окиси алюминия Al₂O₃, в котором часть ионов алюминия замещена ионами хрома.

Поглощая световую энергию в зеленой части спектра (длины волн около 0,41 и 0,56 мкм), ионы хрома переходят в возбужденное состояние (рисунок 3).

Однако продолжительность пребывания ионов хрома на верхнем энергетическом уровне составляет порядка 2×10^-7 сек., и они начинают возвращаться в исходное состояние. В отличие от тепловых источников света этот переход происходит не сразу, а через так называемое метастабильное состояние, где «время жизни» ионов больше (2×10^-3 с), благодаря чему происходит накапливание ионов и возникновение инверсии населенности).

После возникновения инверсии населенности происходит спонтанный, непроизвольный переход ионов на основной уровень, сопровождаемый излучением света с четко определенной длиной волны. В рубине имеется два метастабильных уровня, и излучение происходит на двух длинах волн в красном диапазоне спектра.

Излучаемые фотоны воздействуют на ионы хрома, находящиеся в возбужденном состоянии, вызывая их переход на основной уровень, что сопровождается испусканием новых фотонов. Для того, чтобы возвращать часть излученных фотонов обратно в активное тело и стимулировать лавинообразный процесс перехода ионов на основной уровень (рисунок 4) служит оптический резонатор из двух зеркал параллельных друг другу. Для вывода излучения из резонатора одно из зеркал делается полупрозрачным.

Обычно источником световой энергии для возбуждения ионов хрома в рубиновых квантовых генераторах служит газоразрядная лампа накачки, которая может быть выполнена в виде спирали, окружающей рубиновый стержень. Заполняется такая лампа смесью неона и криптона, что обеспечивает зеленое свечение.

Устройство и принцип действия квантовых дальномеров

В основу работы квантовых дальномеров положен импульсный метод измерения дальности, который заключается в измерении времени прохождения светового импульса от дальномера до цели и обратно. Дальность в этом случае определяется следующим выражением:

2.5

где t_з – время прохождения света, с = 3×10⁸ м/c – скорость света.

Для обеспечения высокой точности измерения дальности (ошибка 2-3 метра) необходимо, чтобы длительность светового импульса составляла величину менее 50 наносекунд. В целях получения столь коротких импульсов в квантовых дальномерах применяются модуляторы излучения.

В военной технике благодаря своей простоте и надежности наиболее распространены так называемые оптико-механические затворы. Затвор представляет собой вращающуюся треугольную призму, на гипотенузную грань которой нанесено зеркальное покрытие. Призма заменяет собой сплошное зеркало объемного резонатора, и излучение происходит только в момент, когда гипотенузная грань строго перпендикулярна его оси.

В состав квантового дальномера помимо оптического квантового генератора входит оптическая система, обеспечивающая дополнительную фокусировку излучаемого света в узкий пучок параллельных лучей. Эта система также фокусирует отраженный свет на вход фотодетектора.

В качестве фотодетекторов в лазерной технике обычно применяются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). На рисунке 6 представлена схема ФЭУ с делителем напряжений, принцип действия которого заключается в следующем.

Под действием падающего на фотокатод света с его внутренней поверхности эмиттируются электроны, которые с помощью электронно-оптической системы фокусируются на первый динод, вызывая вторичную эмиссию. Между каждой парой динодов с помощью делителя напряжений создается ускоряющее электрическое поле, за счет чего электроны, провоцируя акты вторичной эмиссии, движутся к аноду.

В современных ФЭУ с 12 каскадами умножения коэффициент усиления достигает 10⁷, что достаточно для изменения тока в анодной цепи даже под действием единичного электрона, эмиттированного фотокатодом.

Аналогичный фотодетектор служит для запуска блока измерения времени запаздывания в момент излучения импульса, используя часть световой энергии оптического квантового генератора. Иногда вместо ФЭУ используют фотодиод, который пропускает электрический ток только в момент попадания на него светового луча, однако, чувствительность фотодиодов гораздо хуже.