2. Застосування лазерів у військовій справі

До теперішнього часу склалася основні напрями, за якими йде впровадження лазерної техніки у військову справу. Цими напрямками є:

1. Лазерна локація (наземна, бортова, підводна).

2. Лазерний звязок.

3. Лазерні навігаційні системи.

4. Лазерна зброя.

5. Лазерні ситний ПРО і ПКО, створювані в рамках стратегічної оборонної ініціативи - СОІ.

Зараз, отримані такі параметри випромінювання лазерів, які здатні істотно підвищити тактико-технічні дані різних зразків військової апаратури (стабільність частоти порядку 10 в -14, пікова потужність 10 в -12 Вт, потужність безперервного випромінювання 10 у 4 Вт, кутовий розчин променя 10 в -6 радий, t = 10 в -12 с, ... = 0,2 ... 20 мкм.

2.1 Лазерна локація

Лазерної локацією називають область оптікоелектронікі, що займається виявленням і визначенням місця розташування різних обєктів за допомогою електромагнітних хвиль оптичного діапазону, випромінюваного лазерами. Обєктами лазерної локації можуть бути танки, кораблі, ракети, супутники, промислові та військові споруди. Принципово лазерна локація здійснюється активним методом. Нам вже відомо, що лазерне випромінювання відрізняється від температурного тим, що воно є вузьконаправленим, монохроматичного, має велику імпульсивну потужність і високу спектральну яскравість. Все це робить оптичну локацію конкурентоспроможною в порівнянні з радіолокації, особливо при її використанні в космосі (де немає поглинаючого впливу атмосфери) і під водою (де для ряду хвиль оптичного діапазону існують вікна прозорості).

В основі лазерної локації, так само як і радіолокації, лежать три основні властивості електромагнітних хвиль:

1. Здатність відбиватися від обєктів. Мета і фон, на якому вона розташована, по-різному відображають впало на них випромінювання. Лазерне випромінювання відбивається від всіх предметів: металічних і неметалічних, від лісу, ріллі, води. Більш того, воно відбивається від будь-яких обєктів, розміри яких менше довжини хвилі, краще, ніж радіохвилі. Це добре відомо з основної закономірності відображення, за якою слід, що чим коротше довжина хвилі, тим краще вона відбивається. Потужність відображеного в цьому випадку випромінювання обернено пропорційна довжині хвилі в четвертого ступеня. Лазерному локатору принципово притаманна і велика знаходжувальної здатність, ніж радіолокатори - чим, коротше хвиля, тим вона вища. Тому-то виявлялася в міру розвитку радіолокації тенденція переходу від довгих хвиль до більш коротким. Проте виготовлення генераторів радіодіапазону, випромінюючих понад короткі радіохвилі, ставало все більш важкою справою, а потім і зайшло в глухий кут.

Створення лазерів відкрило нові перспективи у техніці локації.

2. Здатність поширюватися прямолінійно. Використання вузькоспрямованого лазерного променя, яким проводитися перегляд простору, дозволяє визначити напрямок на обєкт (пеленг цілі).

Цей напрямок знаходять розміщенням осі оптичної системи, формує лазерне випромінювання (в радіолокації - у напрямку антени). Чим вже промінь, тим з більшою точністю може бути визначений пеленг. Визначимо коефіцієнт спрямованої дії і діаметр антени за такою простою формулою, G = 4п * S / 2 де G - коефіцієнт спрямованої дії, S площа антени, м2, / довжина хвилі випромінювання мкм.

Прості розрахунки показують - щоб отримати коефіцієнт спрямованості близько 1,5 при користуванні радіохвиль сантиметрового діапазону, потрібно мати антену діаметром близько 10 м. Таку антену важко поставити на танк, а тим більше на літальний апарат. Вона громіздка і нетранспортабельними. Потрібно використовувати більш короткі хвилі.

Кутовий розчин променя лазера, виготовленого з використанням твердотільного активної речовини, як відомо, становить лише 1,0 - 1,5 градуса і при цьому без додаткових оптичних фокусуючих систем (антен). Отже, габарити лазерного локатора можуть бути значно менше, ніж аналогічного радіолокатора. Використання ж незначних за габариту м оптичних систем дозволить звузити промінь лазера до декількох кутових хвилин, якщо в цьому виникне необхідність.

3. Здатність лазерного випромінювання поширюватися з постійної швидкістю дає можливість визначати дальність до обєкта. Так, при імпульсному методі дальнометрирования використовується наступне співвідношення: L = ct і 2 де L відстань до обєкта, км, С - швидкість поширення випромінювання км / с, t і час проходження імпульсу до цілі і назад, с.

Розгляд цього співвідношення показує, що потенційна точність виміру дальності визначається точністю вимірювання часу проходження імпульсу енергії до обєкта і назад. Абсолютно ясно, що чим, коротше імпульс, тим краще (за наявності хорошої смуги пропускання, як кажуть радисти). Але нам вже відомо, що самої фізикою лазерного випромінювання закладена можливість отримання імпульсів з тривалістю 10-7 - 10-8 с. А це забезпечує гарні дані лазерному локатору.

Якими ж параметрами прийнято характеризувати локатор? Які його паспортні дані? Розглянемо деякі з них, див. рис.

Перш за все зона дії. Під нею розуміють область простору, в якій ведеться спостереження. Її межі обумовлені максимальної і мінімальної дальності дії і межами огляду по куту місця і азимуту. Ці розміри визначаються призначенням військового лазерного локатора.

Іншим параметром локатора є час огляду. Під ним розуміється час, протягом якого лазерний промінь призводить одноразовий огляд заданого обсягу простору.

Наступним параметром локатора є зумовлені координати. вони залежать від призначення локатора. Якщо він призначений для визначення місцезнаходження наземних і надводних обєктів, то досить вимірювати дві координати: дальність та азимут. При спостереженні за повітряними обєктами потрібні три координати. Ці координати слід визначати із заданою точністю, яка залежить від систематичних і випадкових помилок. Їх розгляд виходить за рамки цієї книги. Однак будемо користуватися таким поняттям, як роздільна здатність. Під роздільною здатністю розуміється можливість роздільного визначення координат близько розташованих цілей. Кожній координаті відповідає своя роздільна здатність. Крім того, використовується така характеристика, як перешкодозахищеність. Це здатність лазерного локатора працювати в умовах природних (Сонце, Місяць) і штучних перешкод.

І дуже важливою характеристикою локатора є надійність. Це властивість локатора зберігати свої характеристики і встановлених межах в заданих умовах експлуатації.

Схема лазерного локатора, призначеного для вимірювання чотирьох основних параметрів обєкта (дальності, азимута, кута місця і швидкості) див. рис. на стор 17. Добре видно, що конструктивно такий локатор складається з трьох блоків: передавального, приймального і індикаторного. Основне призначення передавального локатора генерування лазерного випромінювання, формування його в просторі, в часі і напрямку в район обєкта. Передавальний блок складається з лазера з джерелом порушення, модулятора добротності, скануючого пристрою, що забезпечує посилку енергії в заданій зоні по заданому закону сканування, а також передавальної оптичної системи.

Основне призначення приймального блоку - прийом випромінювання відбитого обєктом, перетворення його в електричний сигнал і обробка для виділення інформації про обєкт. Воно складається з приймальні оптичної системи, інтерференційного фільтра, приймача випромінювання, а також блоків вимірювання дальності, швидкості та кутових координат.

Індикаторний блок служить для вказівки в цифровій формі інформації про параметри мети.

У залежності від того, для якої мети служить локатор, розрізняють: далекоміри, вимірювачі швидкості (доплерівські локатори), власне локатори (дальність, азимут, і кут місця).

2.2 Наземні лазерні далекоміри

Лазерна дальнометрія є однією з перших областей практичного застосування лазерів у закордонній військовій техніці. Перші досліди відносяться до 1961 року, а зараз лазерні далекоміри використовуються і в наземній військовій техніці (артилерійські, такі), і в авіації (далекоміри, висотоміри, цілевказівники), і на флоті. Ця техніка пройшла бойові випробування у Вєтнамі і на Близькому Сході. В даний час ряд далекомірів прийнятий на озброєння в багатьох арміях світу.

Завдання визначення відстані між далекоміром і метою зводиться до вимірювання відповідного інтервалу часу між зондирующим сигналом і сигналом, відбиття від мети. Розрізняють три методи вимірювання дальності в залежності від того, який характер модуляції лазерного випромінювання використовується в далекоміри: імпульсний, фазовий чи фазово-імпульсний. Зовнішній вигляд імпульсного віддалеміра зображений на малюнку.

Сутність імпульсного методу дальнометрирования полягає в тому, що до обєкта надсилається зондуюче імпульс, він же запускає тимчасової лічильник в далекоміра. Коли відбитий обєктом імпульс приходить до далекоміру, то він зупиняє роботу лічильника. За часового інтервалу автоматично висвічується перед оператором відстань до обєкта. Використовуючи раніше розглянуту формулу, оцінимо точність такого методу дальнометрирования, якщо відомо, що точність вимірювання інтервалу часу між зондирующим і відбитим сигналами відповідає 10 в -9 с. Оскільки можна вважати, що швидкість світла дорівнює 3 * 10в10 см / с, отримаємо похибка у зміні відстані близько 30 см. Фахівці вважають, що для вирішення ряду практичних завдань цього цілком достатньо.

При фазовому методі дальнометрирования лазерне випромінювання модулюється за синусоїдальним законом. При цьому інтенсивність випромінювання змінюється в значних межах. У залежності від дальності до обєкта змінюється фаза сигналу, що впав на обєкт. Відбитий від обєкта сигнал прийде на приймальний пристрій також з певною фазою, що залежить від відстані. Це добре показано в розділі геодезичних далекомірів. Оцінимо похибку фазового далекоміра, придатного працювати в польових умовах. Фахівці стверджують, що оператору (не дуже кваліфікованого солдату) не складно визначити фазу з помилкою не більше одного градуса. Якщо ж частота модуляції лазерного випромінювання становить 10 МГц, то тоді похибка вимірювання відстані складе близько 5 см.

Перший лазерний далекомір ХМ-23 пройшов випробування, і був прийнятий на озброєння армій. Він розрахований на використання в передових спостережних пунктах сухопутних військ. Джерелом випромінювання в ньому є лазер на рубіні з вихідною потужністю 2.5 Вт і тривалістю імпульсу 30 нс. У конструкції далекоміра широко використовуються інтегральні схеми. Випромінювач, приймач і оптичні елементи змонтовані в моноблоці, який має шкали точного звіту азимута і кута місця мети. Харчування далекоміра виробляється то батареї нікелево-кадмієвих акумуляторів напругою 24 в, що забезпечує 100 вимірювань дальності без підзарядки. В іншому артилерійської далекоміри, також було узято на озброєння армій, є пристрій для одночасного визначення дальності до чотирьох цілей., Що лежать на одній прямій, шляхом послідовного стробування дистанцій 200,600,1000,2000 і 3000 м.

Цікавий шведський лазерний далекомір. Він призначений для використання в системах керування вогнем бортової корабельної та берегової артилерії. Конструкція далекоміра відрізняється особливою міцністю, що дозволяє застосовувати його в складених умовах. Далекомір можна сполучати при необхідності з підсилювачем зображення або телевізійним візиром. Режим роботи далекоміра передбачає або вимірювання через кожні 2 с. протягом 20 с. і з паузою між серією вимірювань протягом 20 с. або через кожні 4 с. протягом тривалого часу. Цифрові індикатори дальності працюють таким чином, що коли один з індикаторів видає останню виміряну дальність, і в памяті іншого зберігаються чотири попередні вимірювання дистанції.

Дуже вдалим лазерним далекоміром є LP-4. Він має в якості модулятора добротності оптико-механічний затвор. Приймальна частина далекоміра є одночасно візиром оператора. Діаметр вхідний оптичної системи складає 70 мм. Приймачем служить портативний фотодіод, чутливість якого має максимальне значення на хвилі 1,06 мкм. Лічильник оснащений схемою стробування по дальності, що діє з установки оператора від 200 до 3000 м. У схемі оптичного візира перед окуляром поміщений захисний фільтр для запобігання очі оператора від впливу свого лазера при прийомі відбитого імпульсу. Випромінювач в приймач змонтовані в одному корпусі. Кут місця мети визначається в межах 25 градусів. Акумулятор забезпечує 150 вимірювань дальності без підзарядки, його маса всього 1 кг. Далекомір пройшов випробування і був закуплений в низці країн таких як - Канада, Швеція, Данія, Італія, Австралія. Крім того, міністерство оборони Великобританії уклало контракт на поставку англійської армії модифікованого далекоміра LP-4 масою у 4.4. кг.

Портативні лазерні далекоміри розроблені для піхотних підрозділів і передових артилерійської спостерігачів. Один з таких далекомірів виконаний у вигляді бінокля. Джерело випромінювання та приймач змонтовані в загальному корпусі, з Монокулярний оптичним візиром шестиразового збільшення, в поле зору якого є світлове табло з світлодіодів, добре помітних як уночі, так і вдень. У лазері в якості джерела випромінювання використовується аллюминиевой-иттриевой гранат, з модулятором добротності на ніобіті літію. Це забезпечує пікову потужність в 1,5 Мвт. У приймальні частини використовується здвоєний лавинний фотодетектор з широкосмуговим малошумливим підсилювачем, що дозволяє детектувати короткі імпульси з малою потужністю, що становить всього 10 в -9 Вт Помилкові сигнали, відбиті від сусідніх предметів, що знаходяться в стовбурі з метою, виключається з допомогою схеми стробування по дальності. Джерелом живлення є малогабаритна акумуляторна батарея, що забезпечує 250 вимірів без підзарядки. Електронні блоки далекоміра виконані на інтегральних та гібридних схемах, що дозволило довести масу далекоміра разом з джерелом живлення до 2 кг.

Установка лазерних далекомірів на танки відразу зацікавила зарубіжних розробників військового озброєння. Це пояснюється тим, що на танку можна ввести далекомір в систему управління вогнем танка, ніж підвищити його бойові якості. Для цього був розроблений далекомір AN/VVS-1 для танка М60А. Він не відрізнявся за схемою від лазерного артилерійського далекоміра на рубіні, однак, крім видачі даних про дальності на цифрове табло в лічильно-вирішальне пристрій системи керування вогнем танка. При цьому вимір дальності може проводиться як навідником гармати так і командиром танка. Режим роботи далекоміра - 15 вимірювань в хвилину протягом однієї години. Зарубіжна друк повідомляє, що більш досконалий далекомір, розроблений пізніше, має межі виміру дальності від 200 до 4700 м. з точністю 10 м, і лічильно-вирішальне пристрій, повязане з системою управління вогнем танка, де спільно з іншими даними обробляється ще 9 видів даних про боєприпаси. Це, на думку розробників, дає можливість вражати ціль з першого пострілу. Система керування вогнем танкової гармати має в якості далекоміра аналог, розглянутий раніше, але в неї входять ще сім чуттєвих датчиків і оптичний приціл. Назва установки "Кобельда". У пресі повідомляється що вона забезпечує високу ймовірність ураження цілі і незважаючи на складність цієї установки перемикач механізму балістики в положення, відповідне обраному типу пострілу, а потім натиснути кнопку лазерного далекоміра. При веденні вогню по рухомій цілі навідник додатково опускає блокувальний перемикач управління вогнем для того, щоб сигнал від датчика швидкості повороту башти при стеженні за метою надходив за тахометром в обчислювальний пристрій, допомагаючи виробляти сигнал установи. Лазерний далекомір, що входить в систему "Кобельда", дозволяє вимірювати дальність одночасно до двох цілей, розташованих у створі. Система відрізняється швидкодією, що дозволяє зробити постріл в найкоротший час.

Якщо для нерухомих цілей ймовірність ураження при використанні лазерної системи в порівнянні з імовірністю ураження при використанні системи з стереодальномером не становить великої різниці на дистанції близько 1000 м, і відчувається лише на дальності 1500 м, і більше, то для рухомих цілей виграш явний. Видно, що ймовірність ураження рухомої цілі при використанні лазерної системи в порівнянні з імовірністю ураження при використанні системи з стереодальномером вже на дистанції 100 м, підвищується більш ніж в 3,5 рази, а на дальності 2000 м., де система зі стереодальномером ставати практично неефективною , лазерна система забезпечує вірогідність поразки з першого пострілу близько 0,3.

В арміях, крім артилерії і танків, лазерні далекоміри використовуються в системах, де потрібно в короткий проміжок часу визначити дальність з високою точністю. Так, у пресі повідомлялося: розроблена автоматична система супроводу повітряних цілей та вимірювання дальності до них. Система дозволяє проводити точне вимірювання азимута, кута місця і дальності. Дані можуть бути записані на магнітну стрічку і оброблені на ЕОМ. Система має невеликі розміри і масу і розміщується на рухомому фургоні. У систему входить лазер, що працює в інфрачервоному діапазоні. Приймальний пристрій з інфрачервоною телевізійною камерою, телевізійне контрольне пристрій, що стежить дзеркало з сервопроводом, цифровий індикатор і записуючий пристрій. Лазерний пристрій на неодимовому склі працює в режимі модульованої добротності і випромінює енергію на хвилі 1,06 мкм. Потужність випромінювання становить 1 Мвт в імпульсі при тривалості 25 нс і частоті слідування імпульсів 100 Гц. Расходимость лазерного променя 10 мрад. У каналах супроводу використовуються різні типи фотодетекторів. У приймальному пристрої використовується кремнієвий світлодіод. У каналі супроводу - решітка, що складається з чотирьох фотодіодів, за допомогою яких виробляється сигнал неузгодженості при зміщенні мети в бік від осі візування по азимуту і куту місця. Сигнал з кожного приймача надходить на відео-підсилювач з логарифмічною характеристикою і динамічним діапазоном 60 дБ. Мінімальною пороговий сигнал при якому система стежить за метою становить 5 * 10в-8Вт. Дзеркало спостереження за метою приводиться в рух по азимуту і куту місця сервомоторами. Система стеження дозволяє визначати місце розташування повітряних цілей на відстані до 19 км. при цьому точність супроводу цілей, визначається експериментально становить 0,1 мрад. по азимуту і 0,2 мрад за кутом місця мети. Точність вимірювання дальності 15 см.

Лазерні далекоміри на малахіті неодимовому склі забезпечують вимірювання відстані до нерухомої або повільно переміщаються обєктів, оскільки частота проходження імпульсів невелика. Не більше одного герца. Якщо потрібно вимірювати невеликі відстані, але з більшою частотою циклів вимірювань, то використовують фазові далекоміри з випромінювачем на напівпровідникових лазерах. До них у вигляді джерела застосовується, як правило, арсенід галію. Ось характеристика одного з далекомірів: вихідна потужність 6,5 Вт в імпульсі, тривалість якого дорівнює 0,2 мкс, а частота проходження імпульсів 20 кГц. Расходимость променя лазера складає 350 * 160 мрад тобто нагадує пелюсток. При необхідності кутова розбіжність променя може бути зменшена до 2 мрад. Приймальний пристрій складається з оптичної системи, на фокальній площині якої розташована діафрагма, що обмежує поле зору приймача в потрібному розмірі. Колімація виконується короткофокусної лінзою, розташованої за діафрагмою. Робоча довжина хвилі становить 0,902 мкм, а дальність дії від 0 до 400 м. У пресі повідомляється, що ці характеристики значно покращені в більш пізніх розробках. Так, наприклад вже розроблений лазерний далекомір з дальністю дії 1500 м. і точністю вимірювання відстані 30 м. Цей далекомір має частоту слідування 12,5 кГц при тривалості імпульсів 1 мкс. Інший далекомір, розроблений в США має діапазон виміру дальності від 30 до 6400 м. Потужність в імпульсі 100 Вт, а частота проходження імпульсів становить 1000 Гц.

Оскільки застосовується кілька типів далекомірів, то намітилася тенденція уніфікації лазерних систем у вигляді окремих модулів. Це спрощує їх складання, а також заміну окремих модулів в процесі експлуатації. За оцінками фахівців, модульна конструкція лазерного далекоміра забезпечує максимум надійності і ремонтопридатності в польових умовах.

Модуль випромінювача складається із стрижня, лампи-накачування, освітлювача, високовольтного трансформатора, дзеркал резонатора. модулятора добротності. В якості джерела випромінювання використовується зазвичай неодимові скло або аллюминиевой-натрієвий гранат, що забезпечує роботу далекоміра без системи охолодження. Всі ці елементи головки розміщені в жорсткому циліндричному корпусі. Точна механічна обробка посадкових місць на обох кінцях циліндричного корпусу головки дозволяє проводити їх швидку заміну і установку без додаткового регулювання, а це забезпечує простоту технічного обслуговування та ремонту. Для початкової юстування оптичної системи використовується опорне дзеркало, укріплене на ретельно обробленої поверхні головки, перпендикулярно осі циліндричного корпусу. Освітлювач дифузійного типу являє собою два входять один в іншій циліндра між стінками яких знаходиться шар окису магнію. Модулятор добротності розрахований на безперервну стійку роботу або на імпульсну з швидким запусками. основні дані уніфікованої головки такі: довжина хвилі - 1,06 мкм, енергія накачування - 25 Дж, енергія вихідного імпульсу 0,2 Дж, тривалість імпульсу 25 нс, частота проходження імпульсів 0,33 Гц протягом 12 с дозволяється робота з частотою 1 Гц ), кут розходження 2 мрад. Внаслідок високої чутливості до внутрішніх шумів фотодіод, передпідсилювач і джерело живлення розміщуються в одному корпусі з можливо більш щільною компоновкою, а в деяких моделях все це виконано у вигляді єдиного компактного вузла. Це забезпечує чутливість порядку 5 * 10 в -8 Вт.

У підсилювачі є порогова схема, що збуджують в той момент, коли імпульс досягає половини максимальної амплітуди, що сприяє підвищенню точності далекоміра, бо зменшує вплив коливань амплітуди приходить імпульсу. Сигнали запуску і зупинки генеруються цим же фотоприймачем і йдуть тим же тракту, що виключає систематичні помилки визначення дальності. Оптична система складається з афокальних телескопа для зменшення расходимости лазерного променя і фокусуючого обєктива для фотоприймача. Фотодіоди мають діаметр активної майданчики 50,100, і 200 мкм. Значному зменшенню габаритів сприяє те, що прийомна й передавальна оптичні системи суміщені, причому центральна частина використовується для формування випромінювання передавача, а периферійна частина - для прийому відбитого від цілі сигналу.