Как работает лазерный дальномер. Дальномеры

Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется следующее соотношение:

L = ct/2,

Где L - расстояние до обьекта,
- с - скорость распространения излучения,
- t - время прохождения импульса до цели и обратно.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче импульс, тем лучше.

Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению соответствующего интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от того, какой характер модуляции лазерного излучения используется в дальномере: импульсный, фазовый или фазо-импульсный.

Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру,то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до объекта.

При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по синусоидальному закону с помощью модулятора (электрооптического кристалла, изменяющего свои параметры под воздействием электрического сигнала). Обычно используют синусоидальный сигнал с частотой 10...150 МГц (измерительная частота). Отраженное излучение попадает в приемную оптику и фотоприемник, где выделяется модулирующий сигнал. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза отраженного сигнала относительно фазы сигнала в модуляторе. Измеряя разность фаз, определяют расстояние до объекта.

Наиболее популярные модели лазерных дальномеров для охоты среди наших покупателей:

Использование лазерных дальномеров в военных целях.

Лазерная дальнометрия является одной из первых областей практического применения лазеров в зарубежной военной технике. Первые опыты относятся к 1961г., а сейчас лазерные дальномеры используются в наземной военной техники (артиллерийские, танковые), и в авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели), и на флоте. Эта техника прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке. В настоящее время ряд дальномеров принят в армиях ряда стран.

Первый лазерный дальномер XM-23 прошел испытание во Вьетнаме и был принят на вооружение в армии США. Он был рассчитан на использование передовых наблюдательных пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем являлся лазер с выходной мощностью 2.5Вт и длительностью импульса 30нс. В конструкции дальномера широко использовались интегральные схемы. Излучатель, приемник и оптические элементы смонтированы в моноблоке, который имеет шкалы точного отсчета азимута и угла места цели. Питание дальномера осуществлялось от батареи никелево-кадмиевых аккумуляторов напряжением 24В, обеспечивающий 100 измерений дальности без подзарядки.

Один из первых серийных моделей - шведский дальномер, предназначенный для использования в системах управления бортовой корабельной и береговой артиллерии. Конструкция дальномера отличалось особой прочностью, что позволяло применять его в сложных условиях. Дальномер можно было сопрягать при необходимости с усилителем изображения или телевизионным визиром. Режимом работы дальномера предусматривалось либо измерения через каждые 2с в течение 20с, либо через каждые 4 с в течение длительного времени.

С начала 70-х годов на зарубежных танках устанавливаются лазерные дальномеры. Установка лазерных дальномеров на танки сразу заинтересовала зарубежных разработчиков вооружения. Это объясняется тем, что на танке можно ввести дальномер в систему управления огнем танка, чем повысить его боевые качества. По сравнению с оптическими они имеют ряд преимуществ: высокое быстродействие, автоматизированный процесс ввода измеренной дальности в прицельные устройства, высокую точность измерения, малые размеры, вес и т. д. Для этого в США был разработан дальномер AN/VVS-1 для танка М60А. Он не отличался по схеме от лазерного артиллерийского дальномера на рубине, однако помимо выдачи данных о дальности на цифровое табло имел устройство, обеспечивающее ввод дальности в счетно-решающее устройство системы управления огнем танка. При этом измерение дальности могло производиться как наводчиком пушки так и командиром танка. Режим работы дальномера - 15 измерений в минуту в течение одного часа.

Лазерные дальномеры, установленные на современных танках, позволяют измерять дальность до цели в пределах от 200 м до 8 000 м (на американских и французских танках) и от 200 до 10 000 м (на английских и западногерманских танках) с точностью до 10 м. Большинство активных элементов лазерных дальномеров, устанавливаемых в настоящее время на танках и БМП западного производства, созданы на основе кристалла граната с примесью неодима (активный элемент - кристалл иттриево-алюминиевого граната Y3A15O3, в который в качестве активных центров введены ионы неодима Ш3+). Эти лазеры генерируют излучение на длине волны 1,06 мкм. Имеются также лазерные дальномеры в которых активным элементом служит кристалл розового рубина. Здесь основой является кристалл окиси алюминия А12О3, а активными элементами ионы хрома Сг3*. Лазеры на рубине генерируют излучение на длине волны 0,69 мкм.

В последнее время на зарубежных боевых машинах начали применяться лазерные дальномеры на углекислом газе. В СО2-лазере в газоразрядной трубке находится смесь, состоящая из углекислого газа (СО2), молекулярного азота (N,) и различных небольших добавок в виде гелия, паров воды и т. д. Активные центры - молекулы СО2. Преимущество лазера на двуокиси углерода заключается в том, что его излучение (длина волны 10,6 мкм) относительно безопасно для зрения и обеспечивает лучшее проникновение через дым и туман. Кроме того, лазер постоянного излучения, работающий на этой длине волны, может использоваться для подсветки цели при работе с тепловизионным прицелом.

Бурное развитие микроэлектроники обеспечило уменьшение массо-габаритных показатели лазерных дальномеров, что позволило создать портативные дальномеры. Весьма удачным оказался норвежский лазерный дальномер LP-4. Он имел в качестве модулятора добротности оптико- механический затвор. Приемная часть дальномера является одновременно визиром оператора. Диаметр оптической системы составляет 70 мм. Приемником служит портативный фотодиод. Счетчик снабжен схемой стробирования по дальности, действующий по установке оператора от 200 до 3000 м. В схеме оптического визира перед окуляром помещен защитный фильтр для предохранения глаза от воздействия своего лазера при приеме отраженного импульса. Излучатель и приемник смонтированы в одном корпусе. Угол места цели определяется до ~25 градусов. Аккумулятор обеспечивал 150 измерений дальности без подзарядки, его масса всего 1кг. Дальномер был закуплен Канадой, Швецией, Данией, Италией, Австралией.

Портативные лазерные дальномеры были разработаны для пехотных подразделений и передовых артиллерийских наблюдателей. Один из таких дальномеров выполнен в виде бинокля. Источник излучения и приемник смонтированы в общем корпусе с монокулярным оптическим визиром шестикратного увеличения, в поле зрения которого имеется световое табло из светодиодов, хорошо различимых как ночью, так и днем. В лазере в качестве источника излучения используется алюминиево-иттриевый гранат, с модулятором добротности на ниобате лития. Это обеспечивает пиковую мощность в 1.5 МВт. В приемной части используется сдвоенный лавинный фотодетектор с широкополосным малошумящим усилителем, что позволяет детектировать короткие импульсы с малой мощностью. Ложные сигналы, отраженные от близлежащих предметов исключаются с помощью схемы стробирования по дальности. Источник питания - малогабаритная аккумуляторная батарея, обеспечивающая 250 измерений без подзарядки. Электронные блоки дальномера выполнены на интегральных схемах, что позволило довести массу дальномера вместе с источником питания до 2кг.

Следующий этап военного применения лазерных дальномеров - их интеграция с индивидуальным стрелковым оружием пехотинца.

Примеров может служить штурмовая винтовка F2000 (Бельгия). Вместо прицела на F2000 может устанавливаться специальный модуль управления огнем, включающий в себя лазерный дальномер и баллистический вычислитель. Основываясь на данных о дальности до цели, вычислитель выставляет прицельную марку прицела как для стрельбы из самого автомата, так и из подствольного гранатомета (если он установлен).

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

При выполнении измерительных работ применяются линейки или рулетки. Несмотря на то, что такому методу измерения уже много лет, его постепенно вытесняет лазерная методика. В основе такой методики лежит прибор, который называется лазерный дальномер. Этот прибор позволяет осуществлять измерения, находясь только в одной точке. Как работает лазерный дальномер, а также принцип его функционирования узнаем в материале.

Лазерный дальномер, или еще называют лазерная рулетка, нашел свое активное применение при выполнении строительных работ, а также в сфере ландшафтного дизайна, агрономии, топографии и других областях. При проведении строительных работ инструмент активно пользуется как при выполнении наружной отделки, так и внутренней.

Услышав впервые о дальномере, возникает вопрос о том, зачем и для чего же он нужен? Главным его предназначением является измерение расстояний, находясь только в одной точке. Такой инструмент предназначен не только для облегчения физического труда человека, так как выполнить замеры больших расстояний с помощью рулетки совсем не просто, но еще и повысить точность измерений.

Помимо измерения расстояния, дальномеры (в зависимости от функционала) могут выполнять следующие функции:

• вычисление площади помещения;
• определение объема помещения;
• измерения по теореме Пифагора.

Устройство лазерного дальномера включает в себя такие ключевые элементы, как светодиодный излучатель красного или зеленого цвета, а также оптические элементы различной формы. Прибор представляет собой конструкцию, напоминающую мобильный телефон, только в несколько раз толще. Приборы оснащаются ЖК-дисплеями, на которых отображается измеряемая информация. В зависимости от модели, устройства могут быть оснащены визирами, а также видеокамерой или прочими оптическими устройствами.

Принцип работы лазерного дальномера

Принцип работы такого прибора, как лазерный дальномер, основывается на изменении времени, за которое проходит луч до отражателя и обратно. Такой принцип действия прибора позволяет не просто измерять расстояния, но и делать это с большей точностью. Электромагнитная волна создает лазерный луч, который отражается от рабочей плоскости. Луч возвращается в приемник, после чего осуществляется обработка информации.

Чтобы воспользоваться прибором, его изначально следует включить. После этого нужно приложить устройство к одной точки измеряемой поверхности, а затем навести луч на объект, к которому следует отмерить расстояние и нажать на кнопку. Таким простым способом определяют расстояние с помощью дальномера.

Полученные значения можно увидеть на мониторе дальномера в таких единицах измерения, которые были предварительно выставлены.

Важно знать! Первые дальномеры появились достаточно давно, а принцип их функционирования основывается на ультразвуковых колебаниях. Такие устройства не получили широкого распространения, так как имеют большие погрешности в работе.

Стандартные дальномеры стоимостью до 6 000 рублей способны мерить расстояния до 30 метров. Более дорогие модели позволяют производить измерения расстояний до 250-300 метров. При измерении расстояний на больших объектах требуется применение специального штатива, посредством которого можно установить прибор максимально точно. Точность измерительных действий намного выше в темное время суток, чем днем, что обусловлено низкой видимостью лазерного луча. В дорогостоящих моделях применяются визиры или видеокамеры, посредством которых повышается возможность хорошо видеть луч.

Как пользоваться лазерной рулеткой

Пользоваться лазерным дальномером достаточно просто.

К каждому прибору прилагается инструкция по эксплуатации, в которой описаны такие шаги по проведению измерительных работ:

1. Для начала нужно включить прибор путем нажатия кнопки «on/off».
2. После этого требуется выбрать необходимую функцию.
3. Выбирается единица измерений, в которой прибор отобразит конечное значение.
4. Теперь нужно расположить рулетку ровно в точку, от которой нужно замерять, и лучом направить в точку, до которой нужно померить.
5. Когда прибор установлен в нужном положении, необходимо нажать на кнопку измерения.
6. В течение нескольких секунд информация будет отображена на экране устройства.

Достичь эффективной работы лазерной рулетки можно путем использования ее в теплых помещениях с умеренным уровнем влажности и достаточным освещением. Инструменты предназначаются для измерения прямых расстояний, поэтому при наличии углублений в стене, потребуется дополнительно воспользоваться рулеткой.

Если планируется выполнить измерения на улице, то немаловажно обратить внимание на следующие рекомендации:

1. Для таких целей должны использоваться дальномеры, максимальная длина измерений у которых составляет 200-300 м.
2. Понадобится воспользоваться мишенью, так как луч на 200-300 метров не сможет пройти. Такие мишени обычно имеются в комплекте дальномеров для больших расстояний.
3. Осуществлять измерительные работы на улице рекомендуется с применением штатива.

Прибор имеет прямую зависимость от погодных условий:

• При наличии солнечной погоды измерения получаются не точными, так как ухудшается видимость луча. Рекомендуется проводить работы во время пасмурной погоды или в вечернее время.
• Если во время использования прибора наблюдается туман или сильная загазованность воздуха, то это также негативно отражается на точности измерений.
• Во время ветреной погоды рекомендуется дальномер фиксировать на штативе, так как любые колебания прибора в руке отражаются на качестве измерений.

Использовать инструмент можно как внутри помещений, так и снаружи, но при проведении наружных измерений, следует обязательно учитывать погодные условия.

В заключение важно отметить, что такой инструмент является отличной альтернативой для замены обычной рулетки. Применяя современный дальномер можно не только облегчить физический труд, но и ускорить процедуру измерений.

Пришедшие на смену ленточным рулеткам и металлическим метрам электронные дальномеры с цифровыми микропроцессорами значительно снижают трудовые затраты при проведении измерительных работ. Это не только дорогостоящая эффектная игрушка, с помощью которой можно решать текущие бытовые задачи, но и профессиональный инструмент, повышающий качество и производительность измерительных работ на этапах оценки, проектирования и строительства.

Функциональные возможности

Основная функция лазерных дальномеров – проведение дистанционных линейных измерений. В зависимости от встроенных алгоритмов, можно проводить также автоматический расчет периметра, объема закрытых помещений, также вычислять расстояния до отдаленных ландшафтных объектов и делать угловые и диагональные замеры.

Некоторые модели оснащены функцией трекинга, который позволяет делать разметку на определенно расстоянии от объекта. Лазерные дальномеры могут иметь опцию непрерывного измерения, которая позволяет установить заданное расстояние от нулевой точки, путем направления луча вдоль определенной линии.

Еще один из режимов позволяет вычислить стороны трапеции (например, покатой крыши), исходя из замеров трех остальных параметров (соответственно – высоты стен и горизонтали пола).

Опция теоремы Пифагора позволяет делать косвенный расчет труднодоступных отрезков, получая величину одной из сторон треугольника, исходя из длины одного из катетов и гипотенузы. Блокнот для сохранения и функция запоминания данных – еще одно преимущество электронных измерительных приборов.

Типы дальномеров по принципу работы

Фазовые дальномеры обладают высокой точностью, но ограничены в дальности. Расчеты производятся по сдвигу фаз направленной и отраженной лазерной волны.

Импульсный дальномер производит калькуляцию производной времени прохождения лазерного луча и скорости света. Этот принцип обеспечивает максимальную дальность измерений, и наиболее подходит для использования на открытой местности.

Специальные устройства корректируют обработку сигнала, обеспечивая точность замеров. Импульсные дальномеры, в силу своей усложненной конструкции, стоят дороже фазовых.

Параметры выбора

Первый параметр, который поможет определиться, какой дальномер лучше подойдет под конкретный запрос – максимальная дальность действия. Затем нужно обратить внимание на мощность микропроцессора, которой определяется скорость работы и функциональные характеристики прибора.

Точность измерения лазерных дальномеров колеблется в диапазоне 1-1,5 мм, и не является решающим показателем выбора. Погрешности при замерах могут быть вызваны и внешними факторами, которые устраняются путем дополнительных мер, например установкой мишеней для коррекции специфических поверхностей с повышенными поглощающим или отражающим эффектом.

Очки со светофильтрами и модели, спроектированные под различные погодные условия могут решить профессиональные задачи любой сложности. Ценовой класс зависит от набора опций, особенностей комплектации и авторитета производителя.

Дополнительные устройства

Различные модели дальномеров, как оно судить по подборке фото, выглядят почти одинаково: лицевая панель оснащена дисплеем и кнопками управления, на фронтальной расположены излучатель и приемник, в некоторых случаях оптическое устройство.

Точность измерений зависит как от технических параметров, так и от правильного расположения дальномера, поэтому для проверки нулевого показателя рекомендуется пользоваться пузырьковым уровнем.

В некоторых моделях есть такой встроенный прибор, облегчающий корректировку положения по вертикали и горизонтали. Профессиональные модификации для топографических работ оснащаются оптическим визором.

Выдвижные упоры и хомуты предусмотрены для закрепления на нулевых поверхностях или штативах. Наличие съемных батареек, индикатора затрат энергии и автоматического отключения значительно облегчают использование. Современные модели обладают возможностью подключения к компьютеру и использования съемной карты памяти.

Класс защищенности корпуса и качество дисплея выбираются в зависимости от внешних условий, в которых будет использоваться прибор.

Правила безопасности

Инструкции для определенных моделей дальномера, содержат свод правил использования и хранения прибора. Помимо специфических требований, обусловленных конструктивными особенностями, все лазерные приборы не подлежат разборке и ремонту вне стен специализированных мастерских.

Прибор нужно хранить в специальном чехле, исключить его перегрев или переохлаждение, оберегать от ударов и падения. При работе с дальномером запрещается направление луча на людей и животных.

Фото лазерных дальномеров

На русском про устройство этой рулетки можно почитать .

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

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