МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «БАЛТИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ВОЕНМЕХ» ИМ. Д. Ф. УСТИНОВА» Факультет «И» Информационные и управляющие системы Кафедра «И1» Лазерная техника Курсовая работа На тему: «Лазерные импульсные дальномеры» Подготовил: Студент 3-го курса гр. О491 Лила. А. С. Проверил: Доцент, к. т. н. Лентовский В. В. Санкт-Петербург 2022 год СОДЕРЖАНИЕ 1. 2. 3. 4. 5. Введение Теоретическая часть Принцип работы лазерного импульсного дальномера Принцип работы лазерного фазового дальномера. Различие с лазерным импульсным дальномером Особенности прохождения луча через среду 4.1. Поглощение излучения. Окна прозрачности 4.2. Рассеяние излучения Заключение Список используемых источников 2 2 3 6 7 8 10 11 12 ВВЕДЕНИЕ Лазерный дальномер – это прибор, относящийся к средствам лазерной локации. Лазерная локация специализируется на обнаружении и определении местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемых лазерами. Начало для лазеров было положено ещё в шестидесятых годах прошлого века. Лазерная техника сразу же начала своё бурное развитие – область применения была и остаётся весьма широкой. Собственно говоря, первые лазерные дальномеры применялись, как не сложно догадаться, в военной технике в 1961 году В наше время лазерные дальномеры находят все большее применение в самых различных областях, где необходимо измерять расстояния быстро и с высокой точностью, от военной техники до строительных приборов. 3 1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ В основе лазерной локации, так же, как и в 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 отражённого 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. Поэтомуто и проявлялась по мере развития радиолокации тенденция к переходу от длинных волн к более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона, излучающих сверхкороткие радиоволны становилось все труднее и труднее, а затем и вовсе зашло в тупик. Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации. 2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым проводится просмотр пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели). Это направление находят по расположению оси оптической системы, формирующей лазерное излучение. Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг. Простые расчеты показывают - чтобы получить коэффициент направленности около 1.5, при использовании 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. Угол раствора луча лазера, изготовленного с помощью твердотельного активного вещества, как известно составляет всего 1.0 ... 1.5 градуса и при этом без дополнительных оптических систем. Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше, чем аналогичного радиолокатора. Использование же незначительных по габаритам 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 используется следующее соотношение: 𝐿= 4 𝑐𝑡 2𝑛 где L - расстояние до объекта, с - скорость света в вакууме, t - время прохождения импульса до цели и обратно, n – показатель преломления среды, в которой распространяется излучение. 5 2 ПРИНЦИП РАБОТЫ Принцип действия лазерного дальномера состоит в следующем - посылаемые прибором лучи лазера, отражаются от цели и возвращаются обратно. Далее встроенный микроконтроллер вычисляет расстояние, которое зависит от времени с момента отправки лазерного импульса до момента приема его после отражения (см. рис.1). рис.1. принципиальная схема лазерного дальномера Изготовление качественного лазерного импульсного дальномера – это непростая задача так как предъявляются высокие требования к длине импульса излучения и счётчику времени. 6 3 ПРИНЦИП РАБОТЫ ЛАЗЕРНОГО ФАЗОВОГО ДАЛЬНОМЕРА. РАЗЛИЧИЕ С ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСНЫМ ДАЛЬНОМЕРОМ В лазерных фазовых дальномерах расстояние определяется сравнением фазы модулирующего сигнала на выходе с приемника 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, равно 𝐿 = 𝑐𝑡 где c — скорость света в вакууме. За то же время фаза модулированного лазерного излучения, прошедшего путь от источника дальномера до объекта и обратно, изменится на величину 𝜑 = 2π𝑓𝑚 𝑡 где 𝑓𝑚 — частота модуляции излучения. Таким образом, дальность до объекта можно определить как 𝜑 𝐿=𝑐 2𝜋𝑓𝑚 В качестве источника излучения в лазерных фазовых дальномерах используется непрерывный полупроводниковый лазер либо светодиод, излучение которых промодулировано одним или несколькими гармоническими сигналами. Таким образом, Лазерные фазовые дальномеры в отличие от импульсных дальномеров обладают существенно меньшей дальностью измерения, но при этом гораздо большей точностью измерений. 7 4 ОСОБЕННОСТИ ПРОХОЖДЕНИЯ ЛУЧА ЧЕРЕЗ СРЕДУ 4.1 Поглощение излучения. Окна прозрачности При распространении электромагнитного излучения через атмосферу оно частично поглощается молекулами различных газов. Наибольшей способностью к поглощению обладают озон (О3), пары воды (Н20) и углекислый газ (С02). На рис.2 показана кривая прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн от 0 до 22 мкм. Рис. 2. Окна прозрачности атмосферы Видно, что примерно половина этого спектрального диапазона является совершенно бесполезной с точки зрения лазерной локации, просто потому, что соответствующее излучение не может пройти через атмосферу. Для дистанционного зондирования используют только те диапазоны длин волн, которые лежат вне основных интервалов поглощения. Такие диапазоны называются окнами прозрачности атмосферы (отображены на графике белым цветом). Они представляют собой такие участки спектра электромагнитного излучения, которые не поглощаются атмосферой. Окна прозрачности: 1) "большое окно": 0,3-1,3 мкм (видимый диапазон); 2) 1,5-1,8 мкм (инфракрасный диапазон); 8 3) 2,0-2,6 мкм (инфракрасный диапазон); 4) 7,0-15,0 мкм (тепловой инфракрасный диапазон); +5) 0,5 мм и более 10м (микроволновый и радиодиапазон - наибольшая прозрачность). 9 4.2 Рассеяние излучения Изменение какой-либо характеристики потока оптического излучения при его взаимодействии с веществом называют рассеянием света Процесс рассеяния света состоит в заимствовании молекулой или частицей энергии у распространяющейся в среде электромагнитной волны и излучении этой энергии в телесный угол, вершиной которого является рассматриваемая частица. Молекула или частица физически одинаково рассеивает свет, однако механизм этого рассеяния зависит от размеров частицы. Различают несколько типов рассеяния, при этом характер рассеяния зависит от соотношения между длиной волны света и линейным размером частиц a 1) Рэлеевское рассеяние – размеры частиц малы по сравнению с длиной волны: a /15 . Это обычно рассеяние в мутных средах. При этом интенсивность рассеянного излучения будет: 𝐼∝ 1 𝜆4 2) Если a /15 – рассеяние Ми. Рассеяние на сферических частицах 3) Рассеяние на оптических неоднородностях – здесь много различных случаев. Среди них, например, важный случай рассеяния на оптических неоднородностях, создаваемых звуковой волной. Т.е. под ее воздействием возникает гармоническое распределение оптической неоднородности. В результате наблюдается дифракция света на волне, при этом наблюдается изменение частоты дифрагированного света. Это – явление Мандельштама Бриллюэна– напоминает (и является следствием) доплеровского изменения частоты при отражении от акустической волны. 4) Специфическое рассеяние – комбинационное рассеяние или Рамановское рассеяние, характеризуется изменением частоты рассеянного света по сравнению с частотой падающего. Это рассеяние носит квантовый характер. Из-за явлений поглощения и рассеяния света выбор длин волн, на которых будет работать лазерный дальномер весьма невелик. Обычно используют спектральный диапазоны 1.5-1.8 мкм или 2.0-2.6 мкм, соответствующие окнам прозрачности атмосферы. Так же стоит отметить, что лазерные дальномеры (по крайней мере бытовые) относятся к первому классу опасности - лазеры и лазерные системы очень малой мощности, не способные создавать опасный для человеческого глаза уровень облучения 10 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Применение лазерных дальномеров позволяет упростить выполнение тяжелых измерительных операций, повысить точность измерений. Нужно отметить, что, несмотря на видимую сложность приборов, работа с ними сводится к нажатию всего пары кнопок. Все вычисления и замеры берет на себя электронная начинка таких устройств. 11 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 2 3 4 5 Якушенков, Ю. Г. Теория и расчёт оптико-электронных приборов. Учебник для студентов вузов. – 4-е изд., перераб. и доп. –М.: Логос, 1999. – 480 с.: ил. – ISBN 5-88439-035-1 Сивухин Д. В. Общий курс физики. Учеб. Пособие: Для вузов. В 5 т. Т.IV. Оптика. 3-е изд., стереот. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 792 с. – ISBN 5-9221-0228-1 Матвеев И. Н., Протопопов В. В., Троицкий И. Н., Устинов Н. Д. Лазерная локация; Под ред. чл.-кор. АН СССР Н. Д. Устинова. – М.: Машиностроение, 1984. 272 с. Ил. Байбородин Ю. В. Основы лазерной техники. – 2-е изд., перераб. и доп.- К.: Выща шк. Головное изд-во, 1988. – 383 с. ISBN 5-11-000011-5 Бруннер В. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. С74 М.: Энергоатомиздат, 1991. — 544 с: ил. ISBN 5-283-02480-6 12
