Лазерный дальномер

Лазерный целеуказатель-дальномер 1Д22

Ла́зерный дальноме́р — устройство, функционирование которого зависит от обработки информации микрокомпьютером. Информация поступает в результате перемещения лазерного луча от самого прибора к целевой точке и обратно.

Принцип работы

Принцип работы лазерного дальномера заключается в излучении электромагнитного импульса, а именно лазерного луча. Основное предназначение лазерного дальномера состоит в бесконтактном определении расстояний до объектов, находящихся на дальних дистанциях. Излучатель направляет световой поток на целевой объект. Луч, отразившись от поверхности, возвращается к фотоприёмнику. Обратный сигнал задерживается, что фиксируется прибором. Микропроцессор анализирует фазы исходящего и отражённого сигнала. Фаза, характеризующая электромагнитный импульс, изменяется в зависимости от частоты. На основе измеренного фазового сдвига рассчитывается расстояние. Результат выводится на экран.

Так функционирует дальномер, использующий измерение импульсного сдвига лазерного луча. Также существуют рулетки, применяющие ультразвук для измерений. Ультразвуковые устройства также используют лазерный светодиод для создания отметок на объектах, но это их единственное сходство.

История создания

Первая разработка лазерного дальномера началась в конце 60-х годов под руководством Кривцуна В. М. В качестве компоновочной идеи им была выбрана схема с одним объективом, с использованием электрооптического элемента в качестве коммутатора входного и выходного каналов. Эта схема была подобна схеме радиолокатора с антенным переключателем. Был выбран лазер на кристалле АИГ: Nd, позволявший получать достаточную выходную энергию инфракрасного излучения (20 мДж). Завершить разработку прибора Кривцуну не удалось, он тяжело заболел и в 1971 году скончался. Завершать разработку пришлось Ершову А. Г., ранее разрабатывавшему перестраиваемые лазеры для научных исследований. Успешные натурные испытания первого НИР-овского образца прибора «Контраст- 2» прошли в июне 1971 года Заказчиком первого в стране лазерного дальномера выступило Военно-топографическое управление. Разработка была завершена в очень короткий срок. Уже в 1974 году квантовый топографический дальномер КТД-1 был принят на снабжение и передан в серийное производство на завод «Тантал» в Саратове.

Во время разработки данной модели лазерного дальномера свой талант проявил Главный конструктор Ершов, который сумел правильно выбрать основные технические решения прибора, организовать разработку смежными подразделениями его блоков и узлов, новых функциональных элементов. Прибор обладал дальностью действия до 20 километров с погрешностью менее 1,7 метров. Дальномер КТД-1 выпускался серийно много лет в Саратове, а также на заводе ВТУ в Москве. За период 1974—1980 годов в войска поступило более 1000 таких приборов. Они достойно эксплуатировались при решении многих задач военной и гражданской топографии.

Первый малогабаритный (в виде бинокля) лазерный дальномер ЛДИ-3 был испытан на полигоне в 1977 году. В 1980 году были успешно проведены Государственные испытания. Прибор был освоен серийно на Ульяновском радиоламповом заводе.

Разновидности и их применение

По этому принципу лазерные рулетки делятся на два типа: бытовые и профессиональные. Дальномеры превратились в незаменимых помощников в различных сферах деятельности. Их используют в следующих областях:

• Земляные работы при строительстве и прокладки коммуникаций.
• Отделочные работы.
• Геодезические работы, межевание.
• Монтажные работы при возведении конструкций и коммуникаций.
• Дизайн помещений и ландшафта, конструирование мебели.
• Прикладные задачи: охота, навигация, контроль, военное дело.

Импульсивный лазерный дальномер

Для определения местоположения объекта отправляется короткий радиосигнал. После этого радиолокационная станция активирует приёмник, который ловит сигнал, отражённый от цели. Задержка, с которой возвращается отражённый радиосигнал по сравнению с исходным, позволяет вычислить расстояние до объекта. Угловые координаты направления отправки радиосигнала соответствуют углам, под которыми был найден объект. Точность измерения расстояния зависит от длительности радиосигналов.

Схема импульсного лазерного дальномера включает два самостоятельных канала: канал излучателя лазера и канал приёма. В канале излучателя лазера присутствует источник излучения — лазер, а также устройство, усиливающее пучок — телескоп. Использование телескопа необходимо для уменьшения угловой расходимости лазерного луча. Это расхождение определяется размерами цели и расстоянием до неё. Приёмный канал включает объектив и фотоприёмник, отвечающий за регистрацию отражённого излучения. Обычно фокусное расстояние объектива не превышает 100 миллиметров.

Увеличение фокусного расстояния приводит к сужению диаграммы направленности и улучшению соотношения сигнал/шум, поскольку шумом в данном случае выступает солнечное излучение, рассеивающееся в атмосфере с равномерным угловым распределением. Спектральная плотность этого излучения может быть использована для оценки чувствительности приёмной системы. Прямое увеличение площади входной апертуры объектива не приводит к росту отношения сигнал/шум. Получаемый сигнал увеличивается пропорционально площади входного отверстия, однако шум также возрастает. Поэтому для повышения уровня принимаемого сигнала, при условии, что он не будет превышать шумы электроники, целесообразно увеличить диаметр входного отверстия объектива.

Импульсный лазерный дальномер оснащён таймером, который измеряет время, необходимое для прохождения сигнала от отправителя к получателю. На основе этой информации и точно известной скорости света вычисляется расстояние. Данный аппарат предназначен для измерения больших дистанций (например, между Землёй и Луной), что ограничивает его область применения.

Фазовый лазерный дальномер

Лазерные фазовые дальномеры отличаются высокой точностью измерения при относительно малой предельной дальности. Такие различия обусловлены тем, что в качестве источника излучения в лазерных фазовых дальномерах используется непрерывный полупроводниковый лазер, либо светодиод. Их излучение промодулировано одним или несколькими гармоническими сигналами.

Известно, что в лазерном фазовом дальномере расстояние определяется путём сравнения фазы модулирующего сигнала на выходе с приёмника излучения (фаза излучения, прошедшего расстояние до объекта и обратно) с фазой опорного сигнала (фаза сигнала на источнике излучения).

Расстояние, проходимое световой волной за время $t$:

$l=ct$,

где $c$ — скорость света.

За это же время фаза модулированного лазерного излучения, прошедшего путь от источника дальномера до объекта и обратно, изменится на величину $\varphi$:

$\varphi =2\pi f_{M}t$,

где $f_{M}$- чистота модуляции излучения.

Таким образом, приравняв время в последних формулах, можно определить дальность до объекта:

$l=c{\frac {\varphi }{2\pi f_{M}}}$.

При измерении фазы возникает погрешность $\vartriangle \varphi$, тогда соответствующая ошибка в измерении расстояния:

$\vartriangle l=c{\frac {\vartriangle \varphi }{2\pi f_{M}}}$.

Анализ полученной формулы позволяет заключить, что погрешность измерения дальности $\vartriangle l$ тем ниже, чем выше частота модуляции, но для однозначного определения дальности изменение фазы на измеряемом расстоянии должно быть меньше $2\pi$, то есть двойное расстояние не должно превышать длины волны модуляции. Это накладывает ограничение на максимально допустимое значение частоты модуляции. Как правило, в дальномерах используется не одна, а несколько частот модуляции. Низкая частота определяется максимальной дальностью измерения, последующие — погрешностью измерения на предыдущей частоте (аналогично низкой частоте погрешность более низкой частоты не должна превышать длины волны модуляции следующей частоты). Последняя частота модуляции определяется погрешностью $\vartriangle \varphi$ и необходимой точностью измерений.

Он не имеет встроенного таймера, а вычисляет расстояние по смещению фазы волны света между отправленным и отражённым сигналом. С помощью величины этого сдвига прибор вычисляет расстояние.