Дальномеры различных конструкций. Лазерный дальномер Как устроен лазерный дальномер

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.

Наиболее популярные модели лазерных дальномеров для охоты среди наших покупателей:

Использование лазерных дальномеров в военных целях.

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.

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 2.5Вт и длительностью импульса 30нс. 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 отличалось 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 измерения через каждые 2с в течение 20с, либо через каждые 4 с в течение длительного времени.

С начала 70-х годов на зарубежных танках устанавливаются лазерные дальномеры. Установка лазерных дальномеров на танки сразу заинтересовала зарубежных разработчиков вооружения. Это объясняется тем, что на танке можно ввести дальномер в систему управления огнем танка, чем повысить его боевые качества. 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.

Лазерные дальномеры, установленные на современных танках, позволяют измерять дальность до цели в пределах от 200 м до 8 000 м (на американских и французских танках) и от 200 до 10 000 м (на английских и западногерманских танках) с точностью до 10 м. Большинство активных элементов лазерных дальномеров, устанавливаемых в настоящее время на танках и БМП западного производства, созданы на основе кристалла граната с примесью неодима (активный элемент - кристалл иттриево-алюминиевого граната Y3A15O3, в который в качестве активных центров введены ионы неодима Ш3+). Эти лазеры генерируют излучение на длине волны 1,06 мкм. Имеются также лазерные дальномеры в которых активным элементом служит кристалл розового рубина. Здесь основой является кристалл окиси алюминия А12О3, а активными элементами ионы хрома Сг3*. 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 (СО2), молекулярного азота (N,) и различных небольших добавок в виде гелия, паров воды и т. д. Активные центры - молекулы СО2. 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.

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. Дальномер был закуплен Канадой, Швецией, Данией, Италией, Австралией.

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.

Примеров 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 (если он установлен).

Американская система OICW (Objective Individual Combat Weapon - объективное индивидуальное боевое оружие) является попыткой резко повысить эффективность вооружения пехотинца. В настоящее время разработка находится на стадии создания прототипов. Начало производства планируется на 2008 год, поступление на вооружение - на 2009 год. По текущим планам, на каждое отделение пехоты будет приходится по 4 OICW. OICW представляет собой модульную конструкцию, состоящую из трех основных модулей: модуля "KE" (Kinetic Energy), представляющего собой слегка модернизированную винтовку Хеклер-Кох G36; Модуля "HE" (High Explosive), представляющего из себя самозарядный 20мм гранатомет с магазинным питанием, устанавливаемый сверху на модуль "КЕ" и использующий для стрельбы общий с модулем "КЕ" спусковой крючок; и, наконец, модуль управления огнем, включающий в себя дневной/ночной телевизионный прицелы, лазерный дальномер и баллистический вычислитель, который автоматически выставляет в объективе прицельную марку в соответствии с дальностью до цели, а также используется для программирования дистанционных взрывателей 20мм гранат. 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.

Никого не удивляет наличие техники, которая помогает любому человеку решить множество задач. В этот список вошли и лазерные дальномеры.

Лазерный дальномер – это оптический прибор, который используется для точного определения дистанции – от точки отсчета (месторасположения) до конкретной цели наведения.

Основы устройства лазерного дальномера

Главными составляющими прибора, именуемого лазерным дальномером, являются: излучатель и приемник.

Слово излучатель говорит само за себя, в данном приборе это генерирование лазерного луча определенной силы, что определяет длину волны. Луч абсолютно безопасен как для человека, так и для окружающей среды. Приемник предназначен для приема отраженного луча от выбранного вами объекта наведения. Для улучшения параметров дальномера в его конструкции всегда присутствует качественная оптика, которая позволяет самым точным способом сфокусировать сгенерированный луч и принять рассеянный луч на приемнике. Этот оптический усилитель имеет название – видоискатель. Если говорить доступной терминологией, то оптический видоискатель данного типа дальномера имеет принцип действия монокуляра с величиной кратности - 6х,12х.

Виды лазерных дальномеров

По типу обработки излучаемого сигнала такие устройства делятся на два вида:

Фазовые дальномеры – принцип работы основан на сравнении величины фазы посланного и отраженного луча. Такие приборы имеют доступную стоимость и просты в эксплуатации. Обычно в приобретении такого оборудования заинтересованы охотники и любители стрелкового оружия.

Импульсные дальномеры – работают на основании определения времени отклика, посланного лазерного луча.

Особенности дальномеров, применяемых в охотничьих угодьях

Дальномер является отличным аксессуаром для стрельбы, как для охотничьего оружия, так и для спорта – стрельбы из лука. Размер прибора можно соизмерить с большим яблоком. Дальномер имеет автономное питание.

Охотники предпочитают приобретать приборы, которые могут измерить путь (дистанцию) от 500 м до 1,5 км. Погрешность вычисления расстояния зависит от типа оптики и самого прибора. Таким образом, у более дорой техники меньше погрешность измерений предполагаемой дистанции.

Немаловажным фактором для лазерного дальномера считается водозащищенность. Ведь процесс охоты происходит в любых погодных условиях, поэтому этот параметр очень важен. Водонепроницаемость защитит не только оптику, но и элементы питания от выхода из строя. Очень популярными становятся приборы такого назначения со встроенным баллистическим калькулятором. На охоте они особенно удобны: вы точно знаете расстояние до цели. Поэтому стрельба на критических дистанциях нуждается в применении дальномеров.

Охотимся с помощью дальномера

Охота на медведя: дальность прицельной и безопасной стрельбы равна от 50 до 150 метров.

Варминтинг – зимняя охота на лис, стрельба только с дальней дистанции.

Охота на лося и косуль – неплохо применять дальномер с баллистическим калькулятором.

Охота в горной местности тоже нуждается в таком приборе, желательно наличие опции «угломер».

Какой прибор купить решать только его будущему владельцу. Ведь он конкретно знает, какие задачи будут поставлены перед устройством. Лидами рынка стали мировые компании, давно зарекомендовавшие себя как надежные и качественные производители оптических приборов.

На русском про устройство этой рулетки можно почитать .

Как видно из фотографий, электроника этой рулетки достаточно проста, и похожа на ту, что описана в этой статье.

Используемый в этой рулетке микроконтроллер - STM32F103C8. Микросхема PLL: CKEL925 (на нее есть документация).

А вот протокол новой версии рулетки UT390B+ никто пока выяснить не смог. Схемотехника этой рулетки отличается от ее старой версии .

Она еще ближе к схемотехнике моей рулетки - здесь используется микроконтроллер STM32F030CBT6 и PLL Si5351.

Если приглядеться к фотографиям, можно заметить, что в рулетке установлены два лазера.
Судя по всему, два лазера в рулетке сейчас - не редкость. Вот в этом описании устройства еще одной рулетки упоминается, что один из лазеров имеет видимое излучение, и служит только для «целеуказания», а второй лазер - инфракрасный, и используется для измерения расстояния. Интересно, что при этом и лазер, и фотодиод используют одну линзу.

Еще одна рулетка с неизвестным протоколом - BOSCH PLR 15.

Минобрнауки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Факультет «Системы автоматического управления»

Кафедра «Приборы управления»

Контрольно – курсовая работа по дисциплине

«Физико-теоретические основы построения приборов и

систем управления и навигации»

на тему «Лазерные дальномеры»

Выполнил: студент гр. 130801

Волынкин П.Н.

Проверил: Лихошерст В.В.

Введение ……………………………………………………………………...3 стр

1. Преимущества лазерного дальномера………………..…………………..4 стр

2.Конструкция и принцип работы………………………………………….. 5 стр

4. Пример лазерного дальномера…………………………………………....6 стр

5.История развития...........................................................................................7 стр

Заключение.......................................................................................................9 стр

Введение

Лазерный дальномер - прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча.

Широко применяется в инженерной геодезии, при топографической съёмке, в военном деле, в навигации, в астрономических исследованиях, в фотографии. Современные лазерные дальномеры в большинстве случаев компактны и позволяют в кратчайшие сроки и с большой точностью определить расстояния до интересующих объектов.

Лазерные дальномеры различаются по принципу действия на импульсные и фазовые.

Импульсный лазерный дальномер это устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом.

Фазовый лазерный дальномер – это дальномер, принцип действия которого основан на методе сравнения фаз отправленного и отражённого сигналов. Фазовые дальномеры обладают более высокой точностью измерения по сравнению с импульсными дальномерами. Так же фазовые дальномеры дешевле в производстве. Именно фазовые дальномеры получили широкое распространение в быту.

Преимущества лазерного дальномера

Во-первых, измерять расстояния можно в одиночку, достаточно просто навести прибор на цель, и нажать на кнопку. Этот легкий и компактный инструмент удобен и прост в эксплуатации, и позволяет с высокой точностью измерять не только длину, но и ширину, высоту объектов, вычислять объемы и площади, а также выполнять арифметические вычисления. При этом лазерный дальномер позволяет сохранять результаты измерений в своей памяти.

Кроме того, в отличие от традиционных стальных или матерчатых рулеток, лазерные дальномеры со временем практически не подвержены износу – достаточно лишь вовремя менять батарейки. Ну и, разумеется, неоспоримыми преимуществами лазерных дальномеров являются высокая точность измерений, скорость работы, простота эксплуатации и надежная защита от пыли и влаги. Если Вы уронили дальномер в грязь – достаточно быстро и аккуратно промыть его под струей проточной воды, и продолжать работу. Некоторые модели лазерных рулеток оснащены уклономером, что позволяет измерять высоту объекта за один прием – то есть измеряется гипотенуза и угол, а высота вычисляется автоматически.

Конструкция и принцип работы

при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

Где L – расстояние до обьекта,

С – скорость распространения излучения,

T – время прохождения импульса до цели и обратно.

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.

Проблему точного измерения натурных расстояний на местности, в геодезии, строительном и военном деле удалось решить только с появлением легкого переносного лазерного дальномера. С развитием микропроцессорной техники у лазерных приборов появилась возможность не только измерять, но и рассчитывать удаление по косвенным измерениям. В технике измерения больших расстояний с разработкой и внедрением дальномеров на лазерном излучении произошла маленькая революция.

Как измеряет лазерный дальномер

Основной принцип работы лазерного дальномера базируется на свойствах когерентного излучения. Для гражданских версий применяют два основных метода:

Измерение времени прохождения расстояния импульсом света от прибора до измеряемой точки и обратно. По данным внутреннего таймера, запускаемого синхронно с лазерным импульсом, микропроцессор вычисляет удаление до объекта;
Считывание фазы пришедшего отраженного лазерного излучения. В этом случае на выходе из дальномера луч модулируется с частотой до 100 МГц, и отраженный от объекта сигнал с 99,9% вероятности будет иметь, отличную от начальной, фазовую характеристику. По разнице между начальным и конечным углом закрутки луча вычисляется пройденное расстояние.

К сведению! На практике чаще всего используют оба метода одновременно, поэтому иногда говорят, что у лазерных дальномеров три принципа измерения.

Наибольшей точностью обладает фазовый метод, но его используют при измерении расстояния максимум в десяток метров. Чтобы посчитать удаление с точностью в несколько миллиметров, дальномер должен полноценно «видеть» точку лазерного излучения на поверхности объекта. Для средних и дальних расстояний используется импульсно-фазовый метод, и для больших удалений преимущественно импульсный.

Строительные и геодезические дальномеры профессионального качества при ясной, но не солнечной погоде стабильно работают на удаление до 250 м. В утренней дымке, легком тумане, дождике лазерное излучение рассеивается, поэтому работающий прибор даст определенную погрешность.

Практические измерения дальномером

Как работает полевой дальномер. Чтобы измерить расстояние до определенной точки, необходимо надежно зафиксировать прибор, лучше всего с помощью штатива или универсального крепления. Сориентировать излучатель в направлении поверхности, расстояние до которой будет измеряться, запустить режим измерения и выждать определенное время, пока устройство выдаст серию лазерных импульсов и рассчитает удаление. На строительной площадке, чтобы измерить расстояние между стенами, дальномер просто укладывают на ящик или на бетонный пол.

Качество и точность измерения в немалой степени зависит от того, насколько эффективно отражает поверхность, на которую падает луч лазера. Зачастую на шероховатые, ржавые, рыхлые и насыпные поверхности устанавливают так называемую мишень - пластиковый элемент с калиброванным альбедо.

Наиболее удачные модели лазерных дальномеров

Современный прибор для измерения расстояния с помощью лазерного излучения изготавливается на относительно мощных твердотельных или полупроводниковых лазерах. Для гражданских целей используют только полупроводниковые излучатели. Для промышленного и бытового измерения расстояния лазерные дальномеры выпускают в нескольких вариантах оформления корпуса и системы измерения:

Строительные и контрольные приборы изготавливают в виде электронного блока, размером чуть больше кнопочного мобильного телефона. Обычно корпус запечатывают в водо и пыленепроницаемый чехол, что сильно упрощает пользование в полевых условиях и на строительной площадке;
Дальномеры повышенной точности изготавливают в форм-факторе ручной видеокамеры или нивелира. В дополнение к процессорному блоку и фотоприемнику устройство комплектуется видеоискателем, значительно упрощающим наведение излучателя на объект измерения;
Встроенные лазерные дальномеры применяются для геодезической техники,в охотничьих биноклях, в любых оптических устройствах, требующих точного измерения расстояния, в том числе в военных прицелах и видеосканерах.

К сведению! Очень часто гражданские лазерные дальномеры изготавливаются и выпускаются на основе военных конструкций, с искусственно заниженными точностью и дальностью измерений.

Среди гражданских приборов наиболее известной в стране является продукция немецких компаний «Leica» и «Bosch», российской «Сondtrol» и китайской «Sndway». На долю продукции этих фирм относится 75% всех продаж на отечественном рынке.

Немецкое качество лазерных дальномеров

На сегодняшний день оптика и фотоаппараты компании «Leica» известны, как образец высококачественной оптики и точной механики. Не является исключением и лазерный дальномер «Leica». В качестве примера можно привести модель «Leica Disto D210».

Компактная, размером с мобильный телефон, «Leica Disto D210». спроектирована для измерений в отсутствии помех в виде запылений, тумана, атмосферных осадков. Производитель рекомендует использовать лазерный дальномер «Leica» преимущественно внутри помещений готовых строительных объектов. Модель «Leica Disto D210». оснащена наружным защитным чехлом, поэтому ограничения по эксплуатации касаются в первую очередь диапазона температур - от 0 о до +40 о. При низких температурах лазерный дальномер «Leica» может работать, но с увеличенной погрешностью измерений.

Размеры «Leica Disto D210». соответственно 11,1х4,3 см при толщине корпуса в 2,3 см. Габариты корпуса позволяют нормально держать лазерный дальномер «Leica» и выполнять набор команд на клавиатуре пальцами одной руки.

Конструкция «Leica Disto D210». рассчитана на дальность измерения в 60 м с точностью до полутора миллиметров. Устройство прибора позволяет хранить в памяти 10 значений последних измерений, выполнять трекинговые операции, размечать отрезки, рассчитывать расстояния по косвенным измерениям и использовать простейшие формулы планиметрии. Стоит такая «Leica» сегодня не менее 200 долл., что примерно в три-четыре раза дороже китайских аналогов. Лазерные дальномеры «Bosch PLR 50C» аналогичной функциональности стоят на 20% дешевле, но отзывы большинства пользователей о результатах практического пользования лишний раз подтверждают высокую репутацию Лейки.

Российские и китайские лазерные дальномеры

Сегодня рынок буквально забит относительно дешевыми китайскими аналогами известных брендов. Из предлагаемого ассортимента особенно стоит присмотреться к продукции компании «Sndway». Прежде всего, следует отметить, что стоимость самых доступных моделей «Sndway SWT40» в китайских интернет-магазинах едва превышает 25 долл. На российском рынке можно купить за 2500-2700 руб.

Модель «Sndway SWT40» можно назвать бюджетным или домашним вариантом дальномера, но только потому, что производитель ограничил максимальную дальность захвата точки луча в 40 м. Точность измерения составляет 2 мм, что для бытовых целей более чем достаточно. Питания хватает на 600-700 измерений, при заявленных производителем 800 циклах. Стоит отметить отдельно высокое качество сборки корпуса, что само по себе говорит о высокой культуре производства.