Безопасный полуторамикронный импульсный лазерный дальномер
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК
№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)
УДК 623.4.023.
Ю.А. ГОГОЛЕВ,
канд.техн.наук,
А.В. НУЖИН,
канд.техн.наук,
А.Э. ПУЙША,
канд.техн.наук
С.-Петербург,
ФГУП «НПК ГОИ им. С.И.Вавилова»
Безопасный полуторамикронный импульсный лазерный дальномер
Современные тенденции построения лазерных дальномеров, в том числе для бронетанковой техники, связаны с применением безопасных для глаз лазерных излучателей, сохраняющих свои основные характеристики по воздействием различных внешних факторов.
Так, в ГОИ им. С.И.Вавилова разработан и испытан лазерный дальномер с лазерным излучателем на 1,54 мкм.
В дальномере использован лазерный источник на кристалле КГВ:Nd, работающего на переходе 4F3/2-4I13/2 λ=1,34 мкм) с ВКР-самопреобразованием в выходное излучение с длиной волны λ =1,54 мкм.
Лазер обеспечивает следующие характеристики:
Длина волны излучения - 1,54мкм
Выходная энергия - 4 - 8 мДж
Частота повторения - до 1 Гц
Угловая расходимость (после 5х телескопа) -1,5 угл.мин.
В отличие от широко применяемых в подобных изделиях лазеров с длиной волны излучения 1,06 мкм, новый лазер имеет ряд неоспоримых преимуществ:
- длина волны излучения 1,54 мкм безопасна для зрения;
- обеспечивает лучшее прохождение излучения через пыледымовые образования, что позволяет более эффективно использовать его в различных внешних условиях;
- излучение с длиной волны 1,54 мкм меньше ослабляется атмосферой, поэтому можно использовать излучатель с меньшей энергией излучения при сохранении тактико-технических характеристик дальномера.
Данный лазер выгодно отличается от подобных лазеров других разработчиков широким рабочим температурным диапазоном - от -50ЄС до +50ЄС и повышенной энергией излучения. Отличие обусловлено свойствами выбранной активной среды и особенностями построения модулятора добротности резонатора. Так, в лазере использован оптико-механический модулятор добротности, который успешно работает в заданном температурном интервале. Кроме этого используемая в лазере схема генерации моноимпульсного преобразования на основе ВКР-самопреобразования позволяет получить более стабильные характеристики лазера по сравнению с известными схемами других разработчиков, где используется прямая генерация на активном элементе из иттербий-эрбиевого стекла, параметры которого сильно изменяются под действием внешних факторов.
В приведенной схеме используется оптико-механический модулятор добротности [1]. Основным элементом модулятора является вращающееся зеркало со сложными спектроделительными покрытиями для трех длин волн. Наличие вращающегося с весьма большой скоростью элемента накладывает достаточно жесткие требования как на сам микроэлектродвигатель, так и на качество балансировки вращающегося узла. Однако такой излучатель имеет нерасстраиваемую схему резонатора. Ось лазерного пучка всегда совпадает с нормалью к выходному зеркалу, а резонатор в целом нечувствителен к малым изменениям пространственной ориентации отдельных оптических элементов. Такие изменения неизбежно возникают из-за температурных градиентов в процессе работы лазера. Также положительным качеством схемы является генерация относительно короткого импульса излучения (рис.2) с одним максимумом, что очень важно для импульсной лазерной дальнометрии.
На рис.3 представлены результаты эксперимента по оценке изменений энергии излучения лазера в зависимости от температуры. В эксперименте лазерный дальномер помещался в термобарокамеру TVB-1000 и через смотровое окно камеры с помощью измерителя энергии лазерного излучения фирмы Coherent (модель 3 sigma) проводились измерения энергии.
При снижении температуры до - 50°С лазерный излучатель сохранял работоспособность, снижая выходную энергии примерно в 2,5 раза. Этим лазерный излучатель выгодно отличается от известных моделей излучателей, у которых нижний предел рабочих температур составляет (-30 ...-40)°С. При заданном на стадии энергетического расчета запасе по требуемой энергии излучения лазера такое уменьшение энергии не приводит к нарушению работоспособности дальномера в целом и не вызывает ухудшения его метрологических характеристик.
В дальномере регистрация отраженного от объекта излучения осуществлялась с помощью pin-фотодиода на основе гетероструктур InGaAs, со встроенным предварительным усилителем и порогом чувствительности к импульсу излучения длительностью 5 нс на рабочей длине волны не хуже (3...4)х10-8 Вт.
Регистрация временного интервала между исходным и отраженным сигналом осуществлялась с погрешностью дискретизации, соответствующей погрешности измерения расстояния 2,5 м. В дальномере использован оригинальный алгоритм обработки отраженного сигнала [2], позволяющий фиксировать его максимум при пороговой обработке без динамического изменения порога. В результате, при испытаниях дальномера с измерениями дальности до различных натурных объектов при расстояниях от 200 м до 6500 м были получены погрешности результатов измерений, не превышающие погрешность дискретизации отсчетов дальности. В дальномере также предусмотрена возможность проводить измерения по первому или по последнему объекту, которые попадают в его поле зрения.
В целом результаты проведенных испытаний свидетельствуют о правомерности схемотехнических решений принятых и реализованных при построении импульсного дальномера с излучением на безопасной для глаз длине волны.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Лазерная дальнометрия . Л.А.Аснис, В.П. Васильев, В.Б.Волконский и др.; под ред В.П.Васильева и Х.В.Хинрикус. - М.: Радио и связь, 1995. 256 с.
2. Аверьянов Г.А, Нужин А.В. Фиксация максимума сигнала в импульсных лазерных дальномерах. Оптический журнал, том 73, №8, 2006. С. 55-57.
