|
Реферат: Применение лазеров (Физика)
Доклад
по физике
На тему:
«Применение лазеров»
Ученика 11
«Б» класса
лицея № 34
г. Костромы
Кудашева
Михаила
г. Кострома
2000 г.
План.
1. Введение. 1
2. Лазерный луч. 2
3. Лазерный луч в роли сверла. 3
4. Лазерная резка и сварка. 5
5. Лазерный луч в роли хирургического скальпеля. 7
6. Лазерное оружие. 10
7. Заключение. 14
8. Список литературы. 14
Введение.
Уже самое начало XX века было отмечено величайшими достижениями
человеческого ума. 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического
общества А. С. Попов продемонстрировал изобретенное им устройство связи без
проводов, а год спустя аналогичное устройство предложил итальянский техник
и предприниматель Г. Маркони. Так родилось радио. В конце уходящего века
был создан автомобиль с бензиновым двигателем, который пришел на смену
изобретенному еще в XVIII в. паровому автомобилю. К началу XX столетия уже
действовали линии метро в Лондоне, Нью-Йорке, Будапеште, Вене. 17 декабря
1903 г. американские инженеры братья Орвилл и Уилбор Райт пролетели 260 м
на созданном ими первом в мире аэроплане, а через 12 лет русский инженер И.
И. Сикорский сконструировал и построил первый в мире многомоторный самолет,
дав ему имя «Илья Муромец».
Не менее потрясающими оказались достижения в физике. Только за одно
десятилетие на рубеже двух веков было сделано пять открытий. В 1895 г.
немецкий физик В. Рентген открыл новый вид излучения, названный позднее его
именем; за это открытие он получил в 1901 г. Нобелевскую премию, став,
таким образом, первым в истории нобелевским лауреатом. В 1896 г.
французский физик Антуан Анри Беккерель открыл явление
радиоактивности — Нобелевская премия 1903 г. В 1897 г. английский физик
Дж. Дж. Томсон открыл электрон и в следующем году измерил его заряд —
Нобелевская премия 1906 г. 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого
физического общества Макс Планк дал вывод формулы для испускательной
способности черного тела; этот вывод опирался на совершенно новые идеи,
ставшие фундаментом квантовой теории — одной из основных физических теорий
XX века. В 1905 г. молодой Альберт Эйнштейн — ему тогда было всего 26 лет —
опубликовал специальную теорию относительности. Все эти открытия
производили ошеломляющее впечатление и многих повергали в
замешательство — они никак не укладывались в рамки существовавшей
физики, требовали пересмотра ее основных представлений. Едва начавшись, 20-
й век возвестил о рождении новой физики, обозначил невидимую грань, за
которой осталась прежняя физика, получившая название «классическая».
И вот сегодня человек получил в своё распоряжение всемогущий луч лазера.
На что употребит он это новое завоевание ума? Чем станет лазер:
универсальным инструментом, надёжным помощником или, напротив, грозным
космическим оружием, ещё одним разрушителем?
Лазерный луч.
Человек никогда не хотел жить в темноте; он изобрел много разнообразных
источников света — от канувших в прошлое стеариновых свечей, газовых рожков
и керосиновых ламп до ламп накаливания и ламп дневного света, которые
сегодня освещают наши улицы и дома. И вот появился еще один источник света
— лазер.
Этот источник света совершенно необычен. В отличие от всех других
источников, он вовсе не предназначается для освещения. В отличие от других
источников света, лазер генерирует световые лучи, способные гравировать,
сваривать, резать материалы, передавать информацию, осуществлять измерения,
контролировать процессы, получать особо чистые вещества, направлять
химические реакции... Так что это поистине удивительные лучи.
В чем же причина удивительных свойств лазерного луча? Для объяснения
этих свойств в научном языке есть специальный термин - когерентность.
В общих чертах такое пояснение дать вроде бы несложно. Вполне понятно,
что поток света, распространяющийся от любого источника, есть суммарный
результат высвечивания великого множества элементарных излучателей,
каковыми являются отдельные атомы или молекулы светящегося тела. В случае
лампы накаливания каждый атом-излучатель высвечивается, никак не согласуясь
с другими атомами-излучателями, поэтому в целом получается световой поток,
который можно назвать внутренне неупорядоченным, хаотическим. Это есть
некогерентный свет. В лазере же гигантское количество атомов-излучателей
высвечивается согласованно — в результате возникает внутренне упорядоченный
световой поток. Это есть когерентный свет.
Внутренне упорядоченный, иными словами, когерентный световой пучок
отличается, во-первых, высокой монохроматичностью и, во-вторых,
исключительно малой расходимостью. Это понятно, поскольку разные атомы при
взаимной согласованности испускают волновые цуги одинаковой (точнее говоря,
почти одинаковой) частоты и одинакового (почти одинакового) направления
движения.
Когда мы говорим о лазерном луче, то обычно представляем себе яркий и
тонкий световой шнур или световую нить. Эту нить можно увидеть, если
включить гелий-неоновый лазер. Правда, этот лазер маломощный - настолько,
что его луч можно спокойно «ловить» в руку. К тому же луч не «ослепительно
белый», а сочного красного цвета. Чтобы он был лучше виден, надо создать в
лаборатории полумрак и легкую задымленность. Луч почти не расширяется и
везде имеет практически одинаковую интенсивность. Можно разместить на его
пути ряд зеркал и заставить его описать сложную изломанную траекторию в
пространстве лаборатории. В результате возникнет эффектное зрелище-комната,
как бы «перечеркнутая» в разных направлениях яркими красными прямыми
нитями.
Однако не всегда лазерный луч выглядит столь эффектно. Например, луч
СО2-лазера вообще невидим — ведь его длина волны попадает в инфракрасную
область спектра. Кроме того, не следует думать, что лазерный луч - это
обязательно непрерывный поток световой энергии. В большинстве случаев
лазеры генерируют не непрерывный световой пучок, а световые импульсы.
Современная лазерная техника позволяет регулировать длительность,
энергию и даже форму лазерных импульсов. Регулируется и частота следования
импульсов; это очень важно, так как от частоты следования импульсов
существенно зависит средняя мощность лазерного излучения. О том, как
управляют лазерными импульсами, будет рассказано позднее.
Лазерный луч в роли сверла.
Сверление отверстий в часовых камнях — с этого начиналась трудовая
деятельность лазера. Речь идет о рубиновых камнях, которые используются в
часах в качестве подшипников скольжения. При изготовлении таких подшипников
требуется высверлить в рубине — материале весьма твердом и в то же время
хрупком — отверстия диаметром всего 0,1-0,05 мм. Многие годы эта ювелирная
операция выполнялась обычным механическим способом с использованием сверл,
изготовленных из тонкой рояльной проволоки диаметром 40-50 мкм. Такое
сверло делало до 30 тысяч оборотов в минуту и одновременно совершало при
этом около ста возвратно-поступательных перемещений. Для сверления одного
камня требовалось до 10-15 мин.
Начиная с 1964 г. малопроизводительное механическое сверление часовых
камней стало повсеместно заменяться лазерным сверлением. Конечно, термин
«лазерное сверление» не надо понимать буквально; лазерный луч не сверлит
отверстие — он его пробивает, вызывая интенсивное испарение материала. В
настоящее время лазерное сверление часовых камней является обычным делом.
Для этой цели применяются, в частности, лазеры на стекле с неодимом.
Отверстие в камне (при толщине заготовки 0,5-1 мм) пробивается серией из
нескольких лазерных импульсов, имеющих энергию 0,5-1 Дж. Производительность
работы лазерной установки в автоматическом режиме —камень в секунду. Это в
тысячу раз выше производительности механического сверления!
Вскоре после своего появления на свет лазер получил следующее задание,
с которым справился столь же успешно, — сверление (пробивание) отверстий в
алмазных фильерах. Для получения очень тонкой проволоки из меди, бронзы,
вольфрама используется технология протягивания металла сквозь отверстие
соответствующего диаметра. Такие отверстия высверливают в материалах,
обладающих особо высокой твердостью, — ведь в процессе протягивания
проволоки диаметр отверстия должен сохраняться неизменным. Наиболее тверд,
как известно, алмаз. Поэтому лучше всего протягивать тонкую проволоку
сквозь отверстие в алмазе — сквозь так называемые алмазные фильеры. Лишь с
помощью алмазных фильер удается получать сверхтонкую проволоку, имеющую
диаметр всего 10 мкм. Но как просверлить тонкое отверстие в таком
сверхтвердом материале, как алмаз? Механически это сделать очень трудно —
для механического сверления одного отверстия в алмазной фильере требуется
до десяти часов. Зато, как оказалось, совсем нетрудно пробить это отверстие
серией из нескольких мощных лазерных импульсов.
Сегодня лазерное сверление широко применяется не только для особо
твердых материалов, но и для материалов, отличающихся повышенной
хрупкостью. Лазерное сверло оказалось не только мощным, но и весьма
деликатным «инструментом». Пример: применение лазера при сверлении
отверстий в подложках микросхем, изготавливаемых из глиноземной керамики.
Керамика необычайно хрупка. По этой причине механическое сверление
отверстий в подложке микросхемы производили, как правило, на «сыром»
материале. Обжигали керамику уже после сверления. При этом происходила
некоторая деформация изделия, искажалось взаимное расположение высверленных
отверстий. Проблема была решена с появлением лазерных сверл. Используя их,
можно работать с керамическими подложками, которые уже прошли обжиг. С
помощью лазеров пробивают в керамике очень тонкие отверстия — диаметром
всего 10 мкм. Механическим сверлением такие отверстия получить нельзя.
То, что сверление — призвание лазера, ни у кого не вызывало сомнений.
Здесь у лазера фактически не оказалось достойных конкурентов, особенно
когда речь шла о сверлении особо тонких и особо глубоких отверстий, когда
отверстия надо сверлить в очень хрупких или очень твердых материалах.
Лазерная резка и сварка.
Лазерным лучом можно резать решительно все: ткань, бумагу, дерево,
фанеру, резину; пластмассу, керамику, листовой асбест, стекло, листы
металла. При этом можно получать аккуратные разрезы по сложным профилям.
При резке возгорающихся материалов место разреза обдувают струёй инертного
газа; в результате получается гладкий, необожженный край среза. Для резки
обычно используют непрерывно генерирующие лазеры. Нужная мощность излучения
зависит от материала и толщины заготовки. Например, для резки досок
толщиной 5 см применялся СО2-лазер мощностью 200 Вт. Ширина разреза
составляла всего 0,7 мм; опилок, естественно, не было.
Для резки металлов нужны лазеры мощностью в несколько киловатт.
Требуемую мощность можно снизить, применяя метод газолазерной резки - когда
одновременно с лазерным лучом на разрезаемую поверхность направляется
сильная струя кислорода. При горении металла в кислородной струе (за счет
происходящих в этой струе реакций окисления металла) выделяется
значительная энергия; в результате может использоваться лазерное излучение
мощностью всего 100-500 Вт. Кроме того, струя кислорода сдувает и уносит из
зоны разрезания расплав и продукты сгорания металла.
Первый пример такого рода резки — лазерный раскрой тканей на ткацкой
фабрике. Установка включает СО2-лазер мощностью 100 Вт, систему фокусировки
и перемещения лазерного луча, ЭВМ, устройство для натяжения и перемещения
ткани. В процессе раскроя луч перемещается по поверхности ткани со
скоростью 1 м/с. Диаметр сфокусированного светового пятна равен 0,2 мм.
Перемещениями луча и самой ткани управляет ЭВМ. Установка позволяет,
например, в течение часа раскроить материал для 50 костюмов. Раскрой
выполняется не только быстро, но и весьма точно; при этом края разреза
оказываются гладкими и упрочненными. Второй пример — автоматизированное
разрезание листов алюминия, стали, титана в авиационной промышленности.
Так, СО2-лазер мощностью 3 кВт разрезает лист титана толщиной 5 мм со
скоростью 5 см/с. Применяя кислородную струю, получают примерно тот же
результат при мощности излучения 100-300 Вт.
В развитии лазерной сварки выделяют два этапа. Вначале развивалась
точечная сварка — на основе импульсных лазеров на рубине и на стекле с
неодимом. С появлением мощных СО2-лазе-ров и лазеров на гранате с неодимом,
дающих непрерывное излучение или последовательность часто повторяющихся
импульсов, стала развиваться шовная сварка.
Примеры точечной лазерной сварки: соединение никелевого контакта с
зажимом из никелевого сплава на основании транзистора, приваривание тонких
медных проводов друг к другу или к зажимам, взаимное соединение
микроэлектронных компонентов. Шовная лазерная сварка непрерывным излучением
мощностью около 100 Вт применяется для герметизации корпусов приборов,
приваривания наконечников к лопастям газовых турбин и кромок из закаленной
стали к полотнам металлорежущих пил и т. д. С помощью киловаттных лазеров
производят автоматизированную шовную сварку кузовов автомобилей, корпусов
судов, труб газопроводов и т.д. Для сварки деталей из стекла используются
лазеры мощностью 100 Вт, для сварки кварца — мощностью до 300 Вт.
Лазерная сварка успешно конкурирует с известными способами сварки,
например с электродуговой и сваркой электронным лучом. Она обладает
весомыми преимуществами. При лазерной сварке нет контакта со свариваемым
образцом, а значит, нет опасности загрязнения его какими-либо примесями. В
отличие от электронно-лучевой сварки, для которой нужен вакуум, лазерная
сварка производится в обычных условиях. Она позволяет производить быстро и
с высокой точностью проплавление локально: в данной точке или вдоль данной
линии. Зона, подвергающаяся тепловому воздействию, имеет очень малые
размеры. Это важно, в частности, в тех случаях, когда сварка выполняется в
непосредственной близости от элементов, чувствительных к нагреву.
Лазерный луч в роли хирургического скальпеля.
Свойством лазерного луча сверлить и сваривать различные материалы
заинтересовались не только инженеры, но и медики. Представьте себе
операционную, где рядом с операционным столом находится СО2-лазер.
Излучение лазера поступает в шарнирный световод — систему полых
раздвигающихся трубок, внутри которых свет распространяется, отражаясь от
зеркал. По световоду излучение попадает в выходную трубку, которую держит в
своей руке хирург. Он может перемещать ее в пространстве, свободно
поворачивая в разных направлениях и тем самым посылая лазерный луч в нужное
место. На конце выходной трубки есть маленькая указка; она служит для
наведения луча — ведь сам луч невидим. Луч фокусируется в точке, которая
находится на расстоянии 3-5 мм от конца указки. Это и есть лазерный
хирургический скальпель.
В фокусе лазерного луча концентрируется энергия, достаточная для того,
чтобы быстро нагреть и испарить биологическую ткань. Перемещая «лазерный
скальпель», хирург рассекает ткань. Его работа отличается виртуозностью:
вот он почти неуловимым движением руки приблизил конец указки к рассекаемой
ткани, а вот приподнял, отодвинул его подальше; указка быстро и равномерно
перемещается вдоль линии разреза, и вдруг ее движение слегка замедляется.
Глубина разреза зависит от скорости резания и от степени кровенаполнения
ткани. В среднем она составляет 2-3 мм. Часто рассечение тканей выполняют
не в один, а в несколько приемов, рассекая как бы послойно. В отличие от
обычного скальпеля, лазерный скальпель не только рассекает ткани, но может
также сшивать края разреза, иными словами, может производить биологическую
сварку.
Рассечение производят сфокусированным излучением (хирург должен держать
выходную трубку на таком расстоянии от ткани, чтобы точка, в которой
фокусируются лучи, оказалась на поверхности ткани). При мощности излучения
20 Вт и диаметре сфокусированного светового пятна 1 мм достигается
интенсивность (плотность мощности) 2,5 кВт/см2. Излучение проникает в ткань
на глубину около 50 мкм. Следовательно, объемная плотность мощности, идущая
на нагрев ткани, достигает 500 кВт/см3. Для биологических тканей это очень
много. Происходит их быстрое разогревание и испарение — налицо эффект
рассечения ткани лазерным лучом. Если же луч расфокусировать (для чего
достаточно немного отодвинуть конец выходной трубки от поверхности ткани) и
тем самым снизить интенсивность, скажем, до 25 Вт/см2, то ткань испаряться
не будет, а будет происходить поверхностная коагуляция («заваривание»). Вот
этот-то процесс и используют для сшивания разрезанной ткани. Биологическая
сварка осуществляется за счет коагуляции жидкости, содержащейся в
рассекаемых стенках оперируемого органа и специально выдавливаемой в
промежуток между соединяемыми участками ткани.
Лазерный скальпель — удивительный инструмент. У него есть много
несомненных достоинств. Одно из них — возможность выполнения не только
рассечения, но и сшивания тканей. Рассмотрим другие достоинства.
Лазерный луч делает относительно бескровный разрез, так как
одновременно с рассечением ткани коагулирует края раны, «заваривая»
встречающиеся на пути разреза кровеносные сосуды. Правда, сосуды должны
быть не слишком крупными; крупные сосуды необходимо предварительно
перекрыть специальными зажимами. В силу своей прозрачности лазерный луч
позволяет хирургу хорошо видеть оперируемый участок. Лезвие обычного
скальпеля всегда в какой-то мере загораживает хирургу рабочее поле.
Лазерный луч рассекает ткань как бы на расстоянии, не оказывая на нее
механического давления. В отличие от операции обычным скальпелем, хирург в
данном случае может не придерживать ткань рукой или инструментом. Лазерный
скальпель обеспечивает абсолютную стерильность - ведь с тканью
взаимодействует здесь только излучение. Луч лазера действует локально;
испарение ткани происходит только в точке фокуса. Прилегающие участки ткани
повреждаются при этом значительно меньше, чем при использовании обычного
скальпеля. Как показала клиническая практика, рана от лазерного скальпеля
относительно быстро заживляется.
До появления лазеров поиски методов лечения отслоения сетчатки привели
к следующему. Нужно закрыть разрыв сетчатки, но ведь она находится внутри
глаза. Предложили способ, состоящий в том, что до больного места добирались
с тыльной стороны глаза. Для чего рассекали веки и вытаскивали глазное
яблоко наружу. Оно висело только на нервных волокнах. Затем через внешнюю
оболочку осуществляли термокоагуляцню, при помощи которой добивались
рубцового сращения краев разрыва с прилегающими тканями. Очевидно, что
такая сложная операция требует, во-первых, виртуозного мастерства хирурга
и, во-вторых, что также очень важно, решимости больного пойти на такой шаг.
С появлением лазеров были начаты исследования по их использованию для
лечения отслоения сетчатки. Эти работы проводились в институте имени Г.
Гельмгольца в Москве и в клинике имени В. П. Филатова в Одессе. Метод
лечения был выбран необычный. Для проникновения к больному месту уже не
надо производить разрез века и вытаскивать глазное яблоко. Для этого был
использован прозрачный хрусталик. Именно через него было предложено
проводить операцию. Для технической реализации операции был разработан
прибор, называемый офтальмокоагулятор марки ОК-1. Прибор состоит из
основания, на котором размещены источники питания и электрическая часть
аппаратуры с органами управления. На основании на специальном шланге с
помощью гибкого соединения подвешена излучающая головка с рубиновым
лазером. На одной оптической оси с лазером располагается система
прицеливания, которая позволяет через зрачок тщательно исследовать глазное
дно, найти пораженное место и навести на него (прицелить) луч лазера. Для
этого служат две рукоятки, находящиеся в руках хирурга. Вспышка
обеспечивается нажатием кнопки, расположенной на одной из рукояток.
Выдвигающаяся шторка предохраняет глаза хирурга во время вспышки. Для
удобства работы врача-оператора и обслуживающего персонала прибор снабжен
световой и звуковой сигнализацией. Энергия импульсов регулируется от 0,02
до 0,1 Дж. Сама техника операции состоит в следующем. Сначала врач с
помощью оптического визира исследует глазное дно больного и, определив
границы заболевшего участка, рассчитывает необходимое количество вспышек и
потребную энергию каждой вспышки. Затем, следуя по границам заболевшего
участка, производит их облучение. Вся операция напоминает сварку металла
точечным методом.
Лазерное оружие.
В середине 80-х годов был получен ряд сообщений о том, что на
американских полигонах было испытано несколько образцов лазерного оружия,
часть из которого была изготовлена в виде пистолета, часть—в виде ружья. В
сообщениях подчеркивалось, что оно было создано для борьбы с живой силой
противника на поле боя. Действие оружия основано на использовании большой
пиковой мощности лазера. Для чего применялся твердотельный (рубиновый или
на стекле с неодимом) лазер с модуляцией добротности. В результате
длительность импульса составляла всего 10~9 с, что при использовании
энергии в 1 Дж приводило к мощности в 109 Вт. В первую очередь действие
такого оружия, по замыслам создателей, должно состоять в поражении глаз,
вызывая в них обратимые или необратимые процессы. Предположения основаны на
том, что, попадая на хрусталик человеческого глаза, лазерное излучение не
должно поражать сам хрусталик, так как он прозрачен для этого излучения. Но
хрусталик, как всякая оптическая система, фокусирует излучение в очень
маленькое пятно на сетчатке. В этом пятне плотность энергии возрастает
настолько, что приводит к кровоизлиянию. Человек либо не успевает моргнуть
— настолько короткой является вспышка, либо даже не видит излучение — если
оно на волне 1,06 мкм. Но зрение теряется мгновенно. Образцы такого оружия
представлены на рисунке ниже. В качестве источника излучения используется
лазер на рубине, помещенный внутри съемного патрона. В этом же патроне
находится источник возбуждения, представляющий собой химический элемент,
питаемый от батареи. На рисунке показан патрон отдельно от пистолета.
Управление таким оружием максимально приближено к обычному оружию. Оно
наводится на объект поражения, нажимается спусковой курок, чем подается
импульс от батареи на химический элемент, который дает питание на рубиновый
стержень. Излучаемая энергия выбрасывается в сторону цели. Действие
показанного на рисунке ружья аналогично. Разработчики считают, что для
поражения органов зрения нет необходимости наведения луча точно в глаз
противника. Достаточно облучить голову или весь корпус человека. Но если он
будет расположен лицом в сторону источника излучения, то поражение органов
зрения обеспечено. Механизм воздействия лазерного излучения на сетчатку и
хрусталик подробно рассмотрен в предыдущем материале и здесь нет надобности
повторяться. В сообщении отмечается, что даже если объект поражения
находится к источнику излучения под некоторым углом, все же он может
потерять зрение. С появлением лазеров на СО2, работающих в непрерывном
режиме, работы по созданию наземного оружия были форсированы. Были созданы
лазерные «пушки». Если первые пистолеты и ружья предназначались в основном
против человека и только в отдельных случаях — для поджога легко
воспламеняющихся материалов, то лазерные пушки предполагали, в основном,
борьбу с техникой.
В печати сообщалось, что для повышения интереса Пентагона к лазерам
американские инженеры выполнили следующий эксперимент. Создали лазерную
пушку для борьбы с низколетящими объектами. Затем запустили модель
беспилотного самолета, который на малой высоте прошел над позицией, где
размещалась эта пушка. На глазах наблюдавших была отрезана часть плоскости
беспилотного самолета. Самого луча никто не видел, но самолет был сбит. В
опубликованных материалах, носящих рекламный характер, ничего не говорится
о мощности излучения пушки, о высоте, на которой пролетел самолет, о
материале, из которого были сделаны плоскости самолета, а также о покраске
крыла самолета. После этого эксперимента, как сообщается, работы по
созданию лазерного оружия развернулись с новой силой.
Помимо использования так называемого прямого воздействия лазерного
излучения на объекты поражения, высокая направленность лазерного излучения
применяется за рубежом и для создания лазерных имитаторов стрельбы и
тренажеров. Использование лазеров для тренировки стрелков и наводчиков
танковых пушек обосновывают тем, что лазер, имея малую расходимость пучка,
повышает реальность имитации попадания в цель, обеспечивает «безопасность»
стрельбы, дает возможность проводить тренировки в любое время суток и года.
В сообщении делают вывод, что лазерные имитаторы, которыми предполагают
оснастить танковые подразделения, позволят разыгрывать танковые бои в
условиях, максимально приближенных к боевым.
Так как имитаторы стрельбы и тренажеры соответствуют по дальности
стрельбы тем видам оружия, которые они имитируют, т. е. в пределах от сотни
метров до нескольких километров, то предполагают применить маломощные
твердотельные лазеры, газовые и полупроводниковые лазеры, простые по
конструкции, надежные в эксплуатации, безопасные для «противника». И как
отмечают, влияние тумана и дымки на прохождение лазерного излучения в
атмосфере дает положительный эффект для тренировок. Условия стрельбы
ухудшаются, но если наводчик видит цель в пределах возможностей своего
оружия, то и излучение лазера достигнет цели. Быстродействие лазерных
имитаторов дает возможность использовать их для имитации стрельбы любых
средств поражения, обладающих любой начальной скоростью. Сообщают, что в
такие имитаторы приходится вводить специальные устройства, рассчитанные на
задержку «выстрела» в целях приведения его в соответствие с полетным
временем снаряда или пули, а также при стрельбе по движущимся целям с
упреждением. Здесь представлена схема лазерного тренажера.
[pic]
Она включает в себя два варианта аппаратуры. Первым оборудуется
наводчик, вторым — объект поражения: танк, самолет, вертолет и т. п.
Аппаратура наводчика содержит оптический прицел, через который наводчик
наблюдает объект поражения и удерживает перекрестье прицела на цели,
лазерный источник излучения и блок управления его работой, пульт
регистрации попадании и приемник попаданий. На объекте поражения
устанавливается блок имитатора попаданий. Он состоит из набора
фотоприемников, размещенных на объекте в различных его точках (на башне, на
защитном щитке водителя, на баке с топливом и т. д.), и командного
устройства, включающего в работу световой, звуковой или дымовой имитатор,
который указывает экипажу о поражении танка, а также наводчику — о
попадании в объект поражения. На основе такой схемы за рубежом был
разработан ряд тренажеров. Некоторые из них используют штатные средства с
небольшими изменениями. Проведенные испытания позволяют сделать вывод, что
существенно сокращается стоимость учебных стрельб за счет экономии
боеприпасов, за счет многократного использования мишеней и упрощения
тренировочного оборудования. Сообщается, что экспертная комиссия дала свою
оценку и показала, что качество подготовки стрелков и наводчиков
повышается, однако и тренажеры продолжают совершенствовать. Если в первых
сериях тренажеров в качестве источника излучения применялся рубиновый
лазер, то впоследствии он был заменен лазером полупроводникового типа на
арсениде галлия. Затем изменениям подверглась прицельная система. В ней
были установлены дополнительные линзы и зеркала, которые имитируют введение
упреждения при стрельбе по движущимся целям, установку требуемого угла
возвышения. Установка прицела производится по результатам измерения
дальности с помощью дальномерной приставки, которая вводит в логическую
схему величину коррекции направления луча с тем, чтобы установка прицела
соответствовала истинному расстоянию до цели и баллистике данного снаряда.
Имитация вспышки производится ксеноновым прожектором, который включается в
момент излучения лазерного импульса. Внутри башни танка смонтирован блок
управления, с помощью которого подаются команды имитатора стрельбы. Панели
управления имеются у командира танка и заряжающего. На панели последнего
имеются красная и зеленая кнопки, которые включаются в зависимости от того,
какой вид боеприпаса используется. Приемники лазерного излучения
расположены по периметру башни тапка. Их пять штук. Каждый из них по углу
ноля зрения перекрывает 36° по азимуту и ±15° по углу места. При попадании
луча лазера, имитирующего выстрел орудия, на один из приемных
фотодетекторов, включается блок радиостанции, который посылает стреляющему
танку сигнал о поражении цели. Одновременно в танке-цели включается
сигнальное устройство, информирующее экипаж о поражении их танка. Кроме
того, баллон, смонтированный на башне танка, начинает дымить в течение 30
с. Иногда вместо одного баллона устанавливают ряд петард, что дает гораздо
больший эффект.
Заключение.
За последнее время в России и за рубежом были проведены обширные
исследования в области квантовой электроники, созданы разнообразные лазеры,
а так же приборы, основанные на их использовании. Лазеры применяются в
локации и связи, в космосе и на земле, в медицине и строительстве, в
вычислительной технике и строительстве. Становление и развитие голографии
также немыслимо без лазеров.
Нам, молодому поколению, нужно знать об этом интересном приборе,
переделывающем мир, как можно больше, и быть готовым к его использованию в
учебной, научной и военной деятельности.
Список литературы.
-----------------------
Лазерный скальпель в руке хирурга. Хорошо видна маленькая указка на конце
выходной трубки. Условно показан выходящий из трубки лазерный пучок (в
действительности он невидим).
На рисунке изображён процесс вырезания квадратных отверстий в листе
нержавеющей стали толщиной 0,5 мм с помощью СО2-лазера. Скорость резания
примерно 2 м/мин. Если длина стороны одного отверстия равна 10 мм, то за 1
мин лазерный луч может вырезать до 5 – 10 отверстий.
При газолазерной резке луч работает совместно с сильной струёй кислорода.
Место разреза подвергается одновременно воздействию сфокусированного
лазерного луча и кислородной струи.
кислород
Так выглядит в разрезе отверстие в алмазной фильере. Лазерными импульсами
пробивают черновой канал в алмазной заготовке. Затем, обрабатывая канал
ультразвуком, шлифуя и полируя, придают ему необходимый профиль. Проволока,
получаемая при протягивании через фильеру, имеет диаметр d.
Эти аккуратные отверстия диаметром 0,3 мм пробиты в пластинке из
глиноземной керамики толщиной 0,7 мм с помощью СО2-лазера.
сетка
Оптический прицел
наводчик
лазер
Блок управления
индикатор
Приёмник попаданий
Командный блок
Сигнализатор попаданий
Блок имитатора попаданий
фотоприёмник
Световая имитация
Дымовая имитация
Блок имитатора попаданий
Реферат на тему: Применение лазеров в военной технике
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА
АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ
имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ
реферат на тему:
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ
В ВОЕННОЙ ТЕХНИКЕ
студент гр. 04-314
Амигуд Леонид
МАИ 1995г.
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В ВОЕННОМ ДЕЛЕ
К настоящему времени сложились основные направления, по которым
идет внедрение лазерной техники в военное дело. Этими направлениями
являются:
1. Лазерная локация (наземная, бортовая, подводная).
2. Лазерная связь.
3. Лазерные навигационные системы.
4. Лазерное оружие.
5. Лазерные системы ПРО и ПКО.
Ускоренными темпами идет внедрение лазеров в военную технику
США, Франции, Англии, Японии, Германии, Швейцарии. Государственные
учреждения этих стран всемерно поддерживают и финансируют работы
в данной области.
1. ЛАЗЕРНАЯ ЛОКАЦИЯ
Лазерной локацией в зарубежной печати называют область
оптикоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением
местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн
оптического диапазона, излучаемых лазерами. Объектами лазерной
локации могут стать танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные
и вооруженные сооружения. Принципиально лазерная локация осуществляется
активным методом.
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 отраженнного 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. Поэтому-то и проявлялась
по мере развития радиолокации тенденция к перехода от длинных волн к
более коротким. Однако изготовление генераторов радиодиапазона,
излучающих сверх короткие радиоволны становилось все труднее и труднее,
а затем вовсе и 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.
Угловой раствор 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 дальнометрирования используется следующее соотношение:
L = ct/2
где L - расстояние до обькта, 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. Совершенно
ясно, что чем короче импульс, тем лучше.
Какими же параметрами принято характеризовать локатор? Каковы
его паспортные данные? Рассмотрим некоторые из них.
Прежде всего зона действия. Под ней понимают область пространства,
в которой ведется наблюдение. Ее границы обусловлены максимальной и
минимальной дальностями действия и пределами обзора по углу места и
азимуту. Эти размеры определяются назначением военного лазерного
локатора.
Другим параметром является время обзора. Под ним понимается
время, в течении которого лазерный луч производит однократный
обзор заданного объема пространства.
Следующим параметром локатора является определяемые координаты.
Они зависят от назначения локатора. Если он предназначен для
определения местонахождения наземных и подводных объектов, то
достаточно измерять две координаты: дальность и азимут. При наблюдении
за воздушными объектами нужны три координаты. Эти координаты следует
определять с заданной точностью, которая зависит от систематических
и случайных ошибок. Будем пользоваться таким понятием как
разрешающая способность. Под разрешающей способностью понимается
возможность раздельного определения координат близко расположенных целей.
Каждой координате соответствует своя разрешающая способность. Кроме
того, используется такая характеристика, как помехозащищенность. Это
способность лазерного локатора работать в условиях естественных
и искусственных помех. И весьма важной характеристикой локатора
является надежность. Это свойство локатора сохранять свои характеристики
в установленных пределах в заданных условиях эксплуатации.
1.1 НАЗЕМНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДАЛЬНОМЕРЫ
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(артиллеристские, 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 капиталистических стран.
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 автоматически
высвечивается перед оператором расстояние до объекта. Погрешность такого
метода измерения 30см. Зарубежные специалисты считают, что для решения
ряда практических задач это вполне достаточно.
При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется
по синусоидальному закону. При этом интенсивность излучения меняется в
значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется
фаза сигнала, упавшего на объект. Отраженный от объекта сигнал придет
на приемное устройство также с определенной фазой, зависящей от расстояния.
Оценим погрешность фазового дальномера, пригодного работать в полевых
условиях. Специалисты утверждают, что оператору(не очень квалифицирован-
ному солдату) не сложно определить фазу с ошибкой не более одного градуса,
следовательно погрешность будет составлять примерно 5см.
Первый лазерный дальномер XM-23 прошел испытание во Вьетнаме и был
принят на вооружение в армии США. Он рассчитан на использование передовых
наблюдательных пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем
является лазер с выходной мощностью 2.5Вт и длительностью импульса 30нс.
В конструкции дальномера широко используются интегральные схемы.
Излучатель, приемник и оптические элементы смонтированы в моноблоке,
который имеет шкалы точного отсчета азимута и угла места цели. Питание
дальномера производится от батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов
напряжением 24В, обеспечивающий 100 измерений дальности без подзарядки.
Также интересен шведский дальномер. Он предназначен для использования
в системах управления бортовой корабельной и береговой артиллерии.
Конструкция дальномера отличается особой прочностью, что позволяет
применять его в сложных условиях. Дальномер можно сопрягать при
необходимости с усилителем изображения или телевизионным визиром. Режим
работы дальномера предусматривает либо измерения через каждые 2с в
течение 20с, либо через каждые 4с в течение длительного времени. Цифровые
индикаторы дальности работают таким образом, что когда один из индикаторов
выдает последнюю измеренную дальность, в памяти другого хранятся четыре
предыдущие измеренные дистанции.
Как утверждает зарубежная печать, весьма удачным оказался норвежский
лазерный дальномер LP-4. Он имеет в качестве модулятора добротности оптико-
механический затвор. Приемная часть дальномера является одновременно
визиром оператора. Диаметр оптической системы составляет 70мм. Приемником
служит портативный фотодиод. Счетчик снабжен схемой стробирования по
дальности, действующий по установке оператора от 200 до 3000м. 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 в градусах ~25 градусов. Аккумулятор обеспечивает 150
измерений дальности без подзарядки, его масса всего 1кг. Дальномер прошел
испытания и был закуплен Канадой, Швецией, Данией, Италией, Австралией.
Портативные лазерные дальномеры разработаны за рубежом 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 аллюминиево-иттириевый 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. Источником питания является малогабаритная
аккумуляторная батарея, обеспечивающая 250 измерений без подзарядки.
Электронные блоки дальнометра выполнены на интегральных схемах, что
позволило довести массу дальномера вместе с источником питания до 2кг.
Установка лазерных дальномеров на танки сразу заинтересовала
зарубежных разработчиков вооенного вооружения. Это объясняется тем, что
на танке можно ввести дальномер в систему управления огнем танка, чем
повысить его боевые качества. 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 может производиться как наводчиком пушки так
и командиром танка. Режим работы дальномера - 15 измерений в минуту в
течение одного часа.
1.2 НАЗЕМНЫЕ ЛОКАТОРЫ
Как сообщает печать, за рубежом разрабатывается ряд стационарных
лазерных локаторов. Эти локаторы предназначены для слежения за ракетами
на начальном этапе полета, а также для слежения за самолетами и спутниками.
Большое значение придается лазерному локатору, включенному в систему
ПРО и ПКО. По проекту американской системы именно оптический локатор
обеспечивает выдачу точных координат головной части или спутника в систему
лазерного поражения цели. Локатор типа "ОПДАР" предназначен для слежения за
ракетами на активном участке их полета. Тактические требования определяют
незначительную дальность действия локатора, поэтому на нем установлен
газовый лазер, работающий на гелий-неоновой смеси, излучающий
электромагнитную энергию на волне 0.6328мкм при входной мощности всего
0.01Вт. Лазер работает в непрерывном режиме, но его излучение модулируется
с частотой 100МГц. Передающая оптическая система собрана из оптических
элементов по схеме Кассагрена, что обеспечивает очень незначительную
ширину расходимости луча. Локатор монтируется на основании, относительно
которого он может с помощью следящей системы устанавливаться в нужном
направлении с высокой точностью. Эта следящая система управляется
сигналами, которые поступают через кодирующее устройство. Разрядность кода
составляет 21 единицу двоичной информации, что позволяет устанавливать
локатор в нужном направлении с точностью около одной угловой секунды.
Приемная оптическая система имеет диаметр входной линзы 300мм. В ней
установлен интерференционный фильтр, предназначенный для подавления
фоновых помех, а также устройство, обеспечивающее фазовое детектирование
отраженной ракетой сигналов. В связи с тем, что локатор работает по
своим объектам, то с целью увеличения отражательной способности ракеты
на нее устанавливается зеркальный уголковый отражатель, который
представляет
собой систему из пяти рефлекторов, обеспечивающих распределение упавшей
на них световой энергии таким образом, что основная ее часть идет в
сторону лазерного локатора. Это повышает эффективность отражающей
способности ракеты в тысячи раз.
Локатор имеет три устройства слежения по углам: точный и грубый
датчики по углам и еще инфракрасную следящую систему. Технические
данные первого датчика определяются в основном оптическими характеристиками
приемо-передающей системы. А так как диаметр входной оптической системы
равен 300мм и фокусное расстояние равно 2000м, то это обеспечивает
угловую разрешающую способность 80 угловых секунд. Сканирующее устройство
имеет полосу пропускания 100Гц. Второй датчик имеет оптическую систему с
диаметром 150мм и меньшее фокусное расстояние. Это дает разрешающую
способность по углу всего 200 угловых секунд, т.е. обеспечивает меньшую
точность, чем первый. В качестве приемников излучения оба канала оснащены
фотоумножителями, т.е. наиболее чувствительными элементами из имеющихся.
Перед приемником излучения располагается интерференционный фильтр с
полосой пропускания всего в 1.5 ангстрема. Это резко снижает долю
приходящего излучения от фона. Полоса пропускания согласована с длиной
волны излучения лазера, чем обеспечивается прохождение на приемник только
своего лазерного излучения.
Локатор позволяет работать в пределах от 30 до 30000м. Предельная
высота полета ракеты 18000м. Сообщается, что этот локатор обычно
располагается от ракеты на расстоянии около 1000м и на линии,
составляющей с плоскостью полета ракеты 45 градусов. Измерение параметров
движения ракеты с такой высокой точностью на активном участке полета
дает возможность точно рассчитать точку ее падения.
Локатор для слежения. Рассмотрим локатор созданный по заказу
НАСА и предназначенный для слежения за спутниками. Он предназначался для
слежения за собственными спутниками и работал совместно с радиолокатором,
который выдавал координаты спутника с низкой точностью. Эти координаты
использовались для предварительного наведения лазерного локатора,
который выдавал координаты с высокой точностью. Целью эксперимента было
определение того, насколько отклоняется истинная траектория спутника от
расчетной, - чтобы узнать распределение поля тяготения Земли по всей ее
сфере. Для этого на полярную орбиту был запущен спутник "Эксплорер-22".
Его орбита была рассчитана с высокой точностью, но в качестве исходных
данных вложили информацию, что поле тяготения определяется формой Земли,
т.е. использовали упрощенную модель. Если же теперь в процессе полета
спутника наблюдалось уменьшение высоты его относительно расчетной
траектории, то очевидно, что на этом участке имеются аномалии в поле
тяготения.
По спутнику "Эксплорер-22" была, по сообщению НАСА, проведена
серия экспериментов и часть этих данных была опубликована. В одном из
сообщений говорится, что на расстоянии 960 км. ошибка в дальности
составляла 3м. Минимальный угол, считываемый с кодируемого устройства,
был равен всего пяти угловым секундам.
Интересно, что в это время появилось сообщение, что американцев
опередили в их работе французские инженеры и ученые. Сотрудники лаборатории
Сан-Мишель де Прованс провели серию экспериментов по наблюдению за тем же
спутником, используя лазерный локатор своего производства.
1.3 БОРТОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Зарубежная печать сообщает, что в военной авиации стран США и
НАТО стали широко использоваться лазерные дальномеры и высотомеры, они дают
высокую точность измерения дальности или высоты, имеют небольшие габариты и
легко встраиваются в систему управления огнем. Помимо этих задач на
лазерные системы сейчас возложен ряд других задач. К ним относятся
наведение
и целеуказание. Лазерные системы наведения и целеуказания используются
в вертолетах, самолетах и беспилотных летательных аппаратах. Их разделяют
на полуактивные и активные. Принцип построения полуактивной системы
следующий:
цель облучается излучением лазера или непрерывно или импульсно,
но так, что-бы исключить потерю цели лазерной системы самонаведения,
для чего подбирается соответствующая частота посылок. Освещение цели
производится либо с наземного, либо с воздушного наблюдательного пункта;
отраженное от цели излучение лазера воспринимается головкой
самонаведения, установленной на ракете или бомбе, которая определяет
ошибку в рассогласовании положения оптической оси головки с траекторией
полета. Эти данные вводятся в систему управления, которая и обеспечивает
точное наведение ракеты или бомбы на освещаемую лазером цель.
Лазерные системы охватывают следующие виды боеприпасов:
бомбы, ракеты класса "воздух-земля", морские торпеды. Боевое применение
лазерных систем самонаведения определяется типом системы, характером цели и
условиями боевых действий. Например, для управляемых бомб целеуказатель
и бомба с головкой самонаведения могут находиться на одном носителе.
Для борьбы с тактическими наземными целями в зарубежных лазерных
системах целеуказание может быть производиться с вертолетов или с помощью
наземных переносных целеуказателей, а поражение выполняться с вертолетов
или самолетов. Но отмечается и сложность использования целеуказателей с
воздушных носителей. Для этого требуется совершенная система стабилизации
для удержания лазерного пятна на цели.
1.4 ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ РАЗВЕДКИ
Для разведки с воздушных в зарубежных армиях используются самые
различные средства: фотографические, телевизионные, инфракрасные,
радиотехнические и др. Сообщается, что наибольшую емкость полезной
информации дают средства фоторазведки. Но им присущи такие недостатки, как
невозможность ведения скрытной разведки в ночных условиях, а также
длительные сроки обработки передачи и предоставления материалов, несущих
информацию. Передавать оперативно информацию позволяют телевизионные
системы, но они не позволяют работать ночью и в сложных метеоусловиях.
Радиосистемы позволяют работать ночью и в плохих метеоусловиях, но они
имеют относительно невысокую разрешающую способность.
Принцип действия лазерной системы воздушной разведки заключается
в следующем. Излучение с бортового носителя облучает разведуемый участок
местности и расположенные на нем объекты по-разному отражают упавшее на
него излучение. Можно заметить, что один и тот же объект, в зависимости
от того, на каком фоне он расположен имеет различный коэффициент яркости,
следовательно, он имеет демаскирующие признаки. Его легко выделить на
окружающем фоне. Отраженный подстилающей поверхностью и объектами, на
ней расположенными, лазерное излучение собирается приемной оптической
системой и направляется на чувствительный элемент. Приемник преобразует
отраженное от поверхности излучение и электрический сигнал, который
будет промодулирован по амплитуде в зависимости от распределения яркости.
Поскольку в лазерных системах разведки реализуется, как правило, строчно-
кадровая развертка, то такая система близка к телевизионной.
Узконаправленный
луч лазера развертывается перпендикулярно направлению полета самолета.
Одновременно с этим сканирует и диаграмма направленности приемной
системы. Это обеспечивает формирование строки изображения. Развертка по
кадру обеспечивается движением самолета. Изображение регистрируется либо
на фотопленку, либо может производиться на экране электронно-лучевой
трубки.
1.5 ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ НА ЛОБОВОМ СТЕКЛЕ
Для использования в прицельно-навигационной системе ночного
видения, предназначенной для истребителя F-16 и штурмовика A-10 был
разработан голографический индикатор на лобовом стекле. В связи с тем, что
габариты кабины самолетов невелики, то с тем, что-бы получить большое
мгновенное поле зрения индикатора разработчиками было решено разместить
коллимирующий элемент под приборной доской. Оптическая система включает
три раздельных элемента, каждый из которых обладает свойствами
дифракционных оптических систем: центральный изогнутый элемент выполняет
функции коллиматора, два других элемента служат для изменения положения
лучей. Разработан метод отображения на одном экране объединенной
информации: в форме растра и в штриховой форме, что достигается благодаря
использованию обратного хода луча при формировании растра с интервалом
времени 1.3мс, в течении которого на ТВ-экране воспроизводится информация в
буквенно-цифровой форме и в виде графических данных, формируемых штриховым
способом. Для экрана ТВ-трубки индикатора используется узкополосный
люминофор, благодаря чему обеспечивается хорошая селективность
голографической
системы при воспроизведении изображений и пропускание света без розового
оттенка от внешней обстановки. В процессе этой работы решалась проблема
приведения наблюдаемого изображения в соответствие с изображением на
индикаторе при полетах на малых высотах в ночное время (система ночного
видения давала несколько увеличенное изображение), которым летчик не мог
пользоваться, поскольку при этом несколько искажалась картина, которую
можно бы было получить при визуальном обзоре. Исследования показали, что
в этих случаях летчик теряет уверенность, стремится лететь с меньшей
скоростью и на большой высоте. Необходимо было создать систему,
обеспечивающую получение действительного изображения достаточно большого
размера, чтобы летчик мог пилотировать самолет визуально ночью и в сложных
метеоусловиях, лишь изредка сверяясь с приборами. Для этого потребовалось
широкое поле индикатора, при котором расширяются возможности летчика по
пилотированию самолета, обнаружению целей в стороне от маршрута и
производству противозенитного маршрута и маневра атаки целей. Для
обеспечения этих маневров необходимо большое поле зрения по углу места и
азимуту. С увеличением угла крена самолета летчик должен иметь широкое
поле зрения во вертикали. Установка коллимирующего элемента как можно
выше и ближе к глазам летчика была достигнута за счет применения
голографических элементов в качестве зеркал для изменения направления
пучка лучей. Это хотя и усложнило конструкцию, однако дало возможность
использовать простые и дешевые голографические элементы с высокой
отдачей.
В США разрабатывается голографический координатор для распознавания
и сопровождения целей. Основным назначением такого коррелятора является
выработка и контроль сигналов управления наведения ракеты на среднем
и заключительном участках траектории полета. Это достигается путем
мгновенного
сравнения изображений земной поверхности, находящейся в поле зрения
системы в нижней и передней полусфере, с изображением различных участков
земной поверхности по заданной траектории, хранимым в запоминающем
устройстве
системы. Таким образом обеспечивается возможность непрерывного определения
местонахождения ракеты на траектории с использованием близко лежащих
участков поверхности, что позволяет проводить коррекцию курса в
условиях частичного затемнения местности облаками. Высокая точность на
заключительном этапе полета достигается с помощью сигналов коррекции с
частотой меньше 1 Гц. Для системы управления ракетой не требуется
инерциальная система координат и координаты точного положения цели.
Как сообщается, исходные данные для данной системы должны обеспечиваться
преварительной аэро- или космической разведкой и состоять из серии
последовательных кадров, представляющих собой Фурье-спектр изображения
или панорамные фотографии местности, как это делается при использовании
существующего площадного коррелятора местности. Применение этой схемы,
как утверждают специалисты, позволит производить пуски ракет с носителя,
находящщегося вне зоны ПВО противника, с любой высоты и точки траектории,
при любом ракурсе, обеспечит высокую помехоустойчивость, наведения
управляемого оружия после пуска по заданнее выбранным и хорошо
замоскированным стационарным целям. Образец аппаратуры включает в себя
входной объектив, устройство преобразования текущего изображения,
работающего в реальном масштабе времени, голографической линзовой матрицы,
согласованной с голографическим запоминающим устройством,лазера,входного
фотодетектора и электронных блоков. Особенностью данной схемы является
использование линзовой матрицы из 100 элементов, имеющих формат 10x10.
Каждая элементарная линза обеспечивает обзор всей входной аппаратуры и,
следовательно, всего сигнала от поступающего на вход изображения
местности или цели. На заданной фокальной плоскости образуется
соответственно
100 Фурье спектров этого вхлдного сигнала. Таким образом мгновенный входной
сигнал адресуется одновременно к 100 позициям памяти. В соответствии
в линзовой матрице изготавливается голографическая память большой
емкости с использованием согласованных фильтров и учетом необходимых
условий применения. Сообщается, что на этапе испытания системы был
выявлен ряд ее важных характеристик.
1. Высокая обнаружительная способность как при низкой, так и при высокой
контрастности изображения, способность правильно опознать входную
информацию, если даже имеется только часть ее.
2. Возможность плавного автоматического перехода сигналов сопровождения
при смене одного изображения местности другим, содержащимся в запоминающем
устройстве.
3. Возможность расширения зоны пуска ракеты путем запоминания несколько
близко расположенных участков местности, из которых каждая имеет
соответствующую
ориентацию на цель. В процессе полета ракета может быстро переведена на
заданную траекторию, зависяцую от динамики ракеты.
Оглавление:
Введение
............................................................................
.. 1
1 Лазерная локация
.............................................................. 1
1.1 Наземные лазерные дальномеры .................................... 2
1.2 Наземные локаторы
....................................................... 4
1.3 Бортовые лазерные системы .......................................... 5
1.4 Лазерные системы разведки ........................................... 6
1.5 Голографические индикаторы на лобовом стекле.......... 7
| |
