CC BY
456
ВОЛКОВ1 Виктор Генрихович, доктор технических наук
МОБИЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ СПЕЦТЕХНИКИ
Окончание. Начало в № 2, 2011 г.
Впервой части статьи [1] рассмотрены мобильные лазерные приборы — лаги и локаторы — лидары. Далее будут описаны детекторы и системы слежения различных типов [2 - 9, 20, 21], приборы лазерной видеосъемки глубинных скважин [10], приборы химической разведки [11], сканеры [12 -19], лазерное оружие [22 - 24]. Лазерно-телевизионная система предупреждения столкновения с препятствиями «Вереск-ЛТ» для пилотирования вертолетов [2] предназначена для обнаружения препятствий, мешающих пилотированию: проводов ЛЭП, антенн, растяжек ретрансляторов, определения направления безопасного полета. Лазерный канал работает на длине волны 1,54 мкм, имеет поле обзора 24x24°, частоту кадров 2 Гц, дальность обнаружения проводов при МДВ более 1 км 500 - 600 м, погрешность дальнометрирования 5 м, массу оптико-электронного блока 14 кг. Тепловизионный канал работает в области спектра 8 - 14 мкм, имеет поля обзора 40x30, 17x13 и 4,3x3°, число пикселей в ФПУ 320x240, дальность обнаружения проводов при МДВ более 1 км 600 - 1000 м, массу оптикоэлектронного блока 10 кг.
а
б
г
Фото 1. Бортовой комплекс «ДЛС-Пергам»: а - оптический блок; б - блок электроники, в - специализированное ПО, г - установка комплекса на борту вертолета МИ-8
1 — ФГУП «Альфа», ведущий научный сотрудник.
в
обзор
Рис. 1. Принципиальная схема измерений с помощью бортового комплекса для поиска утечек газа «ДЛС-Пергам»: 1 - параболическое зеркало;
2 - фотоприемник; 3 - диодный лазер; 4 - объектив; З - расщепитель луча;
б - реперный канал
Дистанционный бортовой лазерный детектор метана ДЛС ПЕРГАМ [3] (фото 1) предназначен для обнаружения утечек природного газа в магистральных трубопроводах, крановых узлах, подземных газохранилищах и других объектах, диагностики городских газовых сетей, круглосуточного мониторинга воздушных и водных переходов, мест пересечения с дорогами и др., контроля загазованности территорий различных объектов, экологического мониторинга, тепловизи-онной аэросъемки и картографирования, предупреждения чрезвычайных ситуаций, обеспечения безопасности предприятий, торговых центров, подземных парковок и жилых домов. Прибор может иметь стационарное исполнение, а также монтируется на мобильные лаборатории, многоцелевые вертолеты Ми-8, Ми-2, Ка-32, легкие диагностические вертолеты Ка-26, Ка-226, Robinson, Eurocopter, легкие самолеты, беспилотные летательные
аппараты. В состав прибора входят оптический блок, монтажный узел для его установки, блок электроники, ноутбук, система видеонаблюдения, программные пакеты для записи и обработки данных на борту, для создания отчетов, создания и редактирования электронных карт, система GPS для нанесения на электронную карту маршрута полета и места утечки. В состав прибора может входить дополнительное оборудование: система фоторегистрации высокого разрешения, система тепловизионной ИК-съемки, лазерный дальномер, портативный детектор утечек газа Gasenal с широким ассортиментом зондов для подтверждения и локализации утечек. Принцип работы детектора (рис. 1) основан на диоднолазерной спектроскопии, обеспечивающей высокую надежность, точность и селективность. Детектор метана устанавливается на вертолете так, чтобы излучение лазера было направлено вертикально вниз в течение полета
вертолета. Диодный лазер излучает импульсы с длительностью 1 мс на длине волны 1,65 мкм. При этом длина волны излучения лазера перестраивается в течение импульса излучения в окрестности одной из сильных узких линий поглощения метана. Лазерное излучение, отраженное от топографического объекта (земля, трава, лес и пр.), попадает на параболическое зеркало 1 и фокусируется на фотоприемник 2. Прибор включает в себя реперный канал 6, в котором часть лазерного пучка проходит через кювету с метаном и фокусируется на другом фотоприемнике. В результате обработки сигналов фотоприемников вычисляется концентрация метана на длине оптического пути от прибора до топографического объекта. Для исключения световой помехи от солнца в приборе установлен фильтр. При помощи системы GPS, установленной в приборе, можно определить пространственное распределение метана в окрестности места его утечки и зафиксировать координаты и величину утечки. Сигнал обрабатывается при помощи специальных программ, а по степени ослабления лазерного луча на длине волны поглощения метана прибор измеряет концентрацию природного газа в атмосфере с расстояния от 30 м до 200 м. Это обеспечивает безопасность работы операторов. Прибор полностью автоматизирован и может непрерывно работать без оператора с сохранением результатов во встроенной памяти и с использованием программы DLS-Leak View™. Во время обнаружения утечек оператору выдается световой и звуковой сигнал, а на ТВ-монитор выводится фотоизображение места утечек с высоким разрешением, Это в сочетании с установленными координатами мест утечек позволяет локализовать и устранить места аварии. Программа позволяет загрузить электронные карты местности и карту трубопровода, а также производить привязку маршрута полета, мест утечки и др. к электронной карте. Все данные заносятся в память компьютера. Программный пакет DLS-REporter™ позволяет оператору уже в полете производить детальную обработку и анализ полученных в полете данных, составить отчеты, редактировать электронные карты и пр. [3]. В приборе используется диодный
Фото 2. Мобильный комплекс ПЕГАЗ (а) и его установка на автомашине (б)
лазер с мощностью излучения 15 мВт (1 класс безопасности). Максимальная дальность обнаружения утечек составляет 200 м, длительность измерений 0,1 и 0,5 с (одновременно), пороговая чувствительность измерений за 0,5 секунд с расстояния 50 м - 25 ppm м (part per milli метр - количество молекул детектируемого газа на миллион молекул воздуха), 100 м - 100 ppm м, 200 м - 200 ppm м, минимальная толщина обнаруживаемого слоя метана при атмосферном давлении в реальных условиях -
0,02 мм, минимально обнаруживаемые утечки метана 50 - 200 м3/сут. В реальных погодных условиях динамический диапазон измеряемых концентраций составляет менее 1/104, точность привязки местонахождения утечек на трассе газопровода по каналу GPS составляет ±15 м, масса прибора - 44 кг, габариты - 0350*600 мм (оптический блок), 600*600*250 мм (электронный блок), энергопотребление - 160 Вт (от бортсети), диапазон рабочих температур от -10 до +40° С. Водяные пары на результаты измерений не влияют [3]. Кроме комплексов воздушного базирования, возможно создание и автомобильных диагностических комплексов для поиска утечек газа, например, модель ПЕГАЗ [4] (фото 2). Комплекс может быть установлен на автомобилях ГАЗ 2705, УАЗ 3962, Нива Шевроле, Фольксваген LT35/28 и др. Средняя скорость обследования 20 - 50 нм/ч, углы визирования по азимуту ±360°
Рис. 2. Оптическая схема канала наведения лазерного луча:
1 - защитное окно; 2 -сканирующее зеркало; 3 - вогнутое зеркало; 4 - выпуклое зеркало; 5 - линза; 6 -фильтр; 7 - ФПУ;
8 - линза лазерного канала; 9 -плоское зеркало
(зоны сканирования), режимы сканирования 0 - 180°, 0 - 90°, 45 - 135°. Диодный лазер генерирует на длине волны 1,65 мкм мощность излучения 15 мВт. Зона стабильной регистрации утечки 60 м, диапазон измерения концентрации газа 0 — 100%, чувствительность по метану 20 ppm м (вариант с установкой на крыше) и 0,3 ppm м (вариант с установкой на бампере), диапазон рабочих температур от 10 до 40° С. Высокоточная координатная лазерно-телевизионная система (ВКЛТС) «ЮКОН-М» [5] предназначена для измерения в реальном масштабе времени координат космических и приземных летательных аппаратов авиационно-ракетной техники, регистрации ТВ-изображения объекта наблюдения и измеряемых координат на компакт-
диск, передачи потребителю измеренной информации, последующей ее обработки и представления результатов в графическом и табличном виде. В состав ВКЛТС входит оптико-электронное устройство - ОЭУ (опорноповоротное устройство, оптико-электронный блок, электронные блоки и преобразователи), рабочее место оператора - РМО (пульт управления, стол оператора, персональный компьютер, блок питания). Система осей ОЭУ -азимутально-угломестная, диапазон угловых перемещений по азимуту
0 - 360°, по углу места цели от -5 до +85°, максимальная скорость слежения по азимуту и по углу места цели 10 (15) град/с, максимальная дальность действия лазерного канала 8000 (20 000) км, среднеквадратическая погрешность по
б
Фото 3. Мобильная оптико-электронная станция «Вереск-ЭК» (а) и пульт ее управления (б)
дальности 0,1 м, по угловым координатам 3 - 5”, частота регистрации измерительной информации 25 Гц.
Для точного наведения луча лазера мобильного комплекса на подвижный источник ИК-излучения служит канал наведения на основе матричного ФПУ [6]. Его оптическая схема дана на рис. 2. Комплекс наведения выполнен в виде автономного модуля, который стыкуется с лазерной установкой, с устройством управления и имеет угол обзора по азимуту ±90°, по углу места цели 20 - 40°, угол поля зрения 2x1,8°, мгновенное поле зрения 0,01°, дальность обнаружения цели до 5 км, время ее обнаружения 0,7 с, точность наведения не хуже 3', рабочую область спектра 3,5 - 5 мкм, ФПУ на основе Р1БІ с числом пикселей 256x256, напряжение питания 27 В ± 10%, ток потребления средний до 3 А, в импульсе до 15 А, масса 20 кг, габариты 650x450x200 мм. Оптические оси лазерного пучка и поле
зрения ФПУ взаимно параллельны для точного наведения лазера на цель в пределах угла поля зрения 182x92°. Излучение лазера (рис. 2) проходит через линзу 8, отражается от зеркал 9 и 2 и выходит через сферическое защитное окно 1. Излучение лазера, отраженное от цели, проходит через стекло 1, отражается от зеркала 2 и проходит в объектив (позиции 3, 4, 5), который через фильтр 6 оптически сопряжен с ФПУ
7. На нем создается изображение цели и пятна подсвета от лазерного излучения. Слабая отрицательная линза 8 компенсирует действие сферического защитного окна 1.
Мобильная лазерная оптико-электронная станция «Вереск-ЭК» [7] (фото 3) предназначена для аттестации летательных испытаний в реальном масштабе времени. В ее состав входят две ТВ-системы высокой четкости (одна - длиннофокусная, другая - с вариобъективом), ТПВ-
система с вариобъективом, импульсный лазерный дальномер-теодолит. Среднеквадратическая погрешность измерения угловых координат равна 5”, измерения дальности - 1 м, максимальная угловая скорость по азимуту 100 град/с, по углу места цели - 30 град/с, время регистрации видеоинформации на дисковом накопителе 60 мин., количество одновременно отслеживаемых объектов в каждом канале
- 4, масса оптико-электронного блока 950 кг, всей станции — 16 500 кг. Дальность действия лазерного дальномера по диффузно отражающему объекту 1 - 20 км, по угловому отражателю 1
- 40 км. Длина волны излучения 1,064 мкм, угол расходимости луча 1 мрад, энергия в импульсе 200 мДж, частота 3 Гц, диапазон рабочих температур от -30 до +50° С, масса 42кг, питание ~220 В, 50 Гц. ТВ- и ТПВ-системы служат для отображения на ТВ-мониторе и записи видеоизображений на дисковые накопители в целях измерения величин отклонения изображения объектов от центра кадра и выдачи их в системы слежения и измерения координат. ТПВ-система работает в области спектра 3,7 - 4,8 мкм с использованием ФПУ на основе матрицы КРТ с числом пикселей 320^240 или 256*256 (ТПВ-камеры БТПВ 500, БТПВ 400 или ТПВ-матрицы на основе PtSi БТПВ 225) при частоте кадров 60 Гц, точности определения координат в поле кадра 1 пиксель, диапазоне рабочих температур от -3 до +50° С. ТПВ-ка-мера БТПВ 500 имеет угол поля зрения 5°26'*4°21' до 1°05'*52', фокусное расстояние объектива 100 - 500 мм при относительном отверстии 1:4, массу 50 кг. ТПВ-камера БТПВ 400 имеет угол поля зрения 6°50'*5°28' и 1°22'*1°06', фокусное расстояние объектива 80 и 400 мм при относительном отверстии 1:4, массу 46 кг. ТПВ-камера БТПВ 225 имеет угол поля зрения 1°47'*1°47', фокусное расстояние объектива 225 мм при его относительном отверстии 1:1,3, массу 40 кг.
Лазерная доплеровская измерительная система (ЛДИС) ЛАД-056 для 30-диагностики газожидкостных потоков (рис. 3) [8] предназначена для прецизионного бесконтактного измерения и визуализации вектора скорости газожидкостных многофазных мутных потоков в режиме обратного
В
25.07720Т1 ГТЗШПЪ
светорассеяния, а также для измерения концентрации светорассеивающих частиц в интересах промышленных технологических процессов, а также научных исследований в области гидро- и аэродинамики. Диапазон измеряемых скоростей компоненты X, У - ±0,01
- 30 м/с, компоненты Ъ - ±0,02 - 100 м/с, погрешность измерения средней скорости компоненты X, У - ±0,5%, компоненты Ъ - ±1,5%, максимальная частота измеряемых пульсаций -300 кГц, размер зондирующего оптического поля - 00,05x1 мм, энергопотребление модуля - 200 Вт, ресурс работы 4*104 часов.
Лазерные мобильные проекторы на основе СиВг-лазеров серии «ЛАЗУРИТ-500» [9] предназначены для создания световых эффектов на плоскости и в пространстве в информационных, рекламных и развлекательных целях. В состав проектора входят: СиВг-ла-зер «ЛАЗУРИТ-500», сканирующая система «ЛАЗУРИТ-05 СКАН», пульт управления «ЛАЗУРИТ-05П». СиВг-ла-зер «ЛАЗУРИТ-500» работает на длинах волн 510/578 нм, имеет диаметр луча 6 мм, расходимость излучения 1 мрад, частоту 20 Гц, мощность излучения 1 Вт, энергопотребление 700 Вт, воздушное охлаждение, массу 18 кг и габариты 170x280x830 мм. Сканирующая система «ЛАЗУРИТ-05 СКАН» имеет 6 оптических каналов с временем переключения соседних каналов
4,4 мс, скорость сканирования 15 360 точек/с, максимальный угол сканирования 40°. Первый канал выводится на Х-У-сканирующую головку для создания пространственных и графических эффектов, второй, третий и пятый каналы предназначены для вывода лучей на внешние оптические элементы, четвертый канал выводится на две соосные дифракционные решетки с изменяемой скоростью вращения. Проходя через дифракционные решетки, луч раскладывается на множество зеленых и желтых лучей. Шестой канал предназначен для гашения луча или получения стробоэффектов. Масса системы 5 кг, ее габариты 140x280x245 мм. Пульт управления «ЛАЗУРИТ-05П» предназначен для управления сканирующей системой «ЛАЗУРИТ-05 СКАН» в ручном и в автоматическом режимах. В автоматическом режиме возможно воспроизведение 48 программ песен-
Персональный компьютер
Беспроводной адаптер
Беспроводной
маршрутизато{
Интернет-камера
Координатно-перемещающее
устройство
Рис. 3. Схема построения системы ЛАД-056
ной продолжительности. Каждая программа содержит до 4000 шагов. Каждый шаг может иметь длительность от 1/30 до 8 с с дискретом 1/30 с. Функция повтора позволяет циклически воспроизводить выбранные последовательности шагов. Шаг состоит из кадров и эффектов. При работе сканирующей головки кадр состоит из 256 точек. Максимальная скорость вывода 15 360 точек/с. Объем памяти 4 МБ обеспечивает 1500 кадров. Воспроизводимые эффекты: стробоскопический, вращение, изменение скорости прорисовки и изменение размеров фигур. Энергопотребление пульта 50 Вт, масса 4 кг, габариты 366x260x77 мм.
Мобильная установка глубинной лазерной видеосъемки нефтегазовых скважин (фото 4) [10] предназначена для оперативного и стационарного контроля состояния нефтяных и газовых скважин, а также скважинного оборудования. Установка позволяет производить его видеосъемку, рабочей пред-забойной зоны, контролировать выход нефтегазового продукта, анализировать работоспособность внутрисква-жинного оборудования. Установка позволяет проводить спектрозональную видеосъемку рабочей зоны с высоким разрешением, имеет режим ручной и автоматической адаптации подсвета и параметров видеокамеры к условиям рабочей зоны при глубине погружения до 5 км, давлении до 700 атм., позволяет записывать попиксельный профиль изображения, осуществлять распознавание и дефектацию объектов в трех
Фото 4. Мобильная установка глубинной лазерной видеосъемки нефтегазовых скважин
спектральных диапазонах подсвета. Передача закодированного цветного изображения производится по одноволоконной волоконно-оптической дуплексной линии связи от видеокамеры до сервера. Это позволяет осуществлять помехоустойчивую высокоскоростную передачу данных на компьютер без сжатия. Запись текущего изображения производится в &Д.ГО-массив 2-процес-сорного мощного промышленного сервера. На его базе возможно через локальную сеть создание АСУ промысла для стационарного использования и оп-
Фото 5. Комплекс дистанционной химической разведки (КДХР-ЇН)
тимизации эксплуатационных параметров. Установка может быть использована на любых скважинах - заглушенных и рабочих, сероводородных и газовых. Взрывобезопасная установка может быть расположена на любых носителях и при наличии специального оборудования функционировать на работающей скважине при устьевом давлении до 200 атм., а также проводить комплекс геофизических исследований. Комплекс дистанционном химической разведки (КДХР-Н) (фото 5) [11] предназначен для проведения химической и радиационной разведки в сложных топографических и метеорологических условиях с возможностью преодоления водных преград и обеспечения высокой проходимости. Комплекс в реальном масштабе времени определяет координаты и размеры облаков химических веществ, направление и скорость их перемещения, а также передает по радиоканалу и проводной линии связи информацию о заражении приземного слоя атмосферы. Комплекс установлен на разведывательной машине. Его принцип работы состоит в зондировании лазерным излучением облаков аэрозолей. Обзор пространства производится путем сканирования по азимуту и углу места цели. В состав комплекса входит лазерный локатор, приборы радиационной и химической разведки, измеритель мощности дозы, автоматический газоанализатор, полуавтоматический гозоопределитель,
комплект приспособлений для отбора проб, приборы навигации и связи, средства индивидуальной и коллективной защиты, бронированное гусеничное шасси. Дальность обнаружения аэрозолей с концентрацией химических веществ 10-3 — 10-4 мг/л составляет 0,5 -
1,5 км, углы обзора по азимуту 0 - 360°, по углу места цели от -3 до +70°, время однократного обзора контролируемого района 1 мин., точность определения координат облака аэрозоля, его поперечных размеров, глубины и высоты верхней кромки не хуже 30 м, режим работы - автоматический.
Бортовая лазерная сканирующая система LMS-5560 [25] использует компоненты комплекса RIEGL. Система полностью аттестована и откалибрована. В сочетании с многоцелевой платформой DA-42 компании Diamond система полностью соответствует нормам и требованиям JAR23, касающихся годности к летной эксплуатации. Система предназначена для поиска, обнаружения и измерения координат объектов различного типа, мониторинга местности, выявления лесных пожаров и пр. Она установлена в прочной надежной гондоле для ее крепления под самолетом. Система может иметь один или два лазерных сканера. Один из них с наклонной установкой служит для расширения возможностей измерения в холмистой местности. В состав системы входит также GPS - приемо-передающая система навигации и цифровая видеока-
мера. Встроенное программное обеспечение осуществляет обработку всех данных измерений для их приведения к высокоточным геодезическим справочным данным в соответствии с системой координат WGS84 для анализа данных и уточнения калибровочных характеристик системы. Частота повторения импульсов до 200 кГц с полной оцифровкой отраженных сигналов [25].
Вопрос о лазерных сканерах требует более подробного освещения. Эти приборы нашли применение в цифровой аэросъемке, мониторинге конструкций промышленных объектов и шахтного оборудования с точки зрения его безопасности, в криминалистике, для съемки труднодоступных объектов и пр. Технология лазерного сканирования позволяет создать цифровую 3-мерную модель объекта, представив его набором точек с пространственными координатами (х, у, z) [25]. Лазерные сканеры измеряют координаты точек поверхности объекта со скоростью несколько тысяч измерений в секунду. Полученный набор сотен тысяч и миллионов точек называется «облаком точек» и может быть впоследствии представлен в виде твердой 3-мерной модели объекта, точного чертежа, набора сечений, поверхности и пр. Процесс съемки полностью автоматизирован. Более полную цифровую картину невозможно получить никакими другими известными способами. Полная цифровая модель объекта строится с высокой точностью (от 3 до 5 мм). Возможно дистанционное проведение съемки. Важным преимуществом является возможность измерений недоступных или труднодоступных объектов. Процесс съемки полностью автоматизирован, а участие оператора сводится лишь к подготовке сканера к работе.
Система мониторинга недоступных полостей CMS (Cavity Monitoring System) [12] (фото 6) является лазерным горным инструментом, предназначенным для определения опасных или недоступных полостей в интересах объектов горноспасательных и прочих горных работ. Дальность измерения цели с 20% отражением равна 350 м, диапазон углов вращения составляет 0 - 360°, наклона
- 0 - 145°, линейная точность измерения ±2 см, разрешающая способность
1 см, угловая точность измерения ±0,3°, максимальная скорость вращения
Фото 6. Система мониторинга недоступных полостей CMS
21 град/с, длина волны 0,905 или 0,635 мкм, отклонение ИК-луча 5 мрад, максимальное количество отсчетов (данных) 100 000 (для каждой съемки), питание = 24 В, энергопотребление 60 Вт, диапазон рабочих температур от -1 до +50° С, (ИК-лазер), от 0 до +40° С (видимый лазер), масса 44,5 кг, габариты блока питания 270*247x175 мм при массе 8,3 кг. Безопасность для зрения: класс 1 (ИК-лазер), класс 2 (видимый лазер). Импульсный лазерный сканер Leica ScanStation 2 (фото 7) [13] характеризуется высокой точностью и большой дальностью действия. Он обладает высокой скоростью сканирования, широким полем зрения, двухосевой компенсацией наклона, гибкостью многочисленных настроек. Сканер, как и тахеометр, позволяет снимать объекты, расположенные вокруг инструмента - полный круг по горизонтали и 270° по вертикали. Прибор позволяет сканировать со скоростью до 5*104 точек/с. Точность единичного измерения: местоположение - 6 мм, расстояние - 4 мм, угол (гор./верт.) 60 мкрад (1 о). Точность моделирования поверхности/ шум - 2 мм, 1 о, точность измерения марки - 2 мм, 1 о. Двухосевой компенсатор обеспечивает разрешение 1”, динамический диапазон ±5'. Зеленый лазер класса 3R обеспечивает диапазон измерений до 300 м. Размер лазерного пятна на расстоянии от 0 до 50 м: 4 -6 мм. Минимальное расстояние между точками по горизонтали и вертикали 1 мм, максимальная плотность точек ме-
нее 1 мм-1.Напряжение питания равно + 36 В, энергопотребление 80 Вт, время непрерывной работы не менее 6 ч, диапазон рабочих температур от 0 до + 40° С. Сканер имеет массу 18,5 кг, габариты 265*370x510 мм, а его блок питания - соответственно 12 кг и 165x236x215 мм. Изображение фотографируется и выводится на дисплей. Фирма «ПЕРГАМ» предлагает серию лазерных сканеров [14 - 19]. Их основные параметры приведены в табл. 1. Система LMS-Q160 (фото 8а) - компактный двухкоординатный сканирующий лазерный радар, оптимизированный для обнаружения даже таких целей с малым поперечным сечением, как провода, тонкие ветки и пр. Сканер предназначен для работы в качестве датчика столкновений для беспилотных летательных аппаратов, но может быть использован и сухопутными машинами для разведки. Принцип действия прибора основан на измерении времени распространения коротких импульсов лазера ИК-диапазона и оптико-механического сканирования для обеспечения измерения в режиме online расстояния и угловых данных целей в пределах угла поля зрения сканера. Прибор обеспечивает получение данных сканирования online через интегрированный интерфейс TCP/ IP Ethernet [14]. Сканер LMS-Q240i (фото 8б) предназначен для размещения на борту небольших одномоторных самолетов, на вертолетах и других транспортных средствах. Данные ска-
У
і
Фото 7. Лазерный сканер Leica ScanStation 2
нирования также представляются с помощью интегрированного интерфейса TCP/IP Ethernet [15]. Прибор VQ-480 (фото 8в) [16] обеспечивает высокую точность измерения дальности, базирующуюся на технологии оцифровки эхо-сигналов и постоянном анализе формы сигналов. Возможен анализ множества объектов - неограниченное число целей. Предусмотрены электрические интерфейсы для последовательности данных GPS и синхроимпульсов (1 импульс/с), механическое устройство сопряжения для установки инерциального измерительного блока, встроенный интерфейс LAN-TCP/IP. Поток двоичных данных может быть легко декодирован с помощью программы, выбранной пользователем в поставляемой библиотеке программ RiVLib. Сканер может быть использован для кодирования коридоров, инспекции высоковольтных линий электропередачи, картографирования памятников культуры. Сканер LMS-Q560 (фото 8г) [17] предназначен для установки на одномоторные самолеты, вертолеты и беспилотные летательные аппараты. Сканер обеспечивает в режиме online доступ к детальным параметрам цели путем оцифровки эхо-сигнала во время сбора данных с
Фото 8. Лазерные сканеры: а - легкий ЬМБ-0160; б -ЬМБ-0240і; в - бортовой У0-480; г - бортовой ЬМБ-0560 для полного анализа формы сигналов; д - ЬМБ-0680 для полного анализа формы волны
последующим анализом формы сигналов. Для работы прибора необходимы сигналы синхронизации GPS в целях обеспечения оперативного контроля при регистрации точно привязанных ко времени и оцифрованных эхо-сигналов. Регистратор данных RIEGL Data Recorder обеспечивает надежную запись и сохранность данных в процессе измерения. Сканер LMS-Q680 (фото 8д) [18] предназначен для установки на тех же носителях, обладает всеми перечисленными преимуществами и обеспечивает анализ полной формы волны для неограниченного количества эхо-сигналов от объектов. На рис. 4 показан процесс измерения, когда производятся 3 замера на различных типах объектов. Импульсы лазера движутся к объекту. При диффузном отражении от объекта импульсы возвращаются к прибору. В случае 1 лазерный луч попадает на лесной покров, являющийся причиной возникновения трех отдельных отраженных импульсов. Часть лазерного сигнала попадает на землю, вызывая появление еще одного импульса. В случае 2 лазерный луч отражается от плоской поверхности под небольшим углом, давая отраженный импульс большей длительности. В случае
3 импульс лазера просто отражается от
плоской поверхности, создавая один эхо-импульс с формой, идентичной зондирующему лазерному импульсу. Аналоговые сигналы преобразуются в цифровые, образуя поток данных, сохраняемых в регистраторе данных RIEGL Data Recorder для последующей обработки в режиме online.
Бортовая лазерная сканирующая система LMS-5560 [19] использует компоненты комплекса RIEGL. Система полностью аттестована и откалибрована. В сочетании с многоцелевой платформой DA-42 компании Diamond система полностью соответствует нормам и требованиям JAR23, касающихся годности к летной эксплуатации. Система предназначена для поиска, обнаружения и измерения координат объектов различного типа, мониторинга местности, выявления лесных пожаров и пр. Она установлена в прочной и надежной гондоле для ее крепления под самолетом. Система может иметь один или два лазерных сканера. Один из них с наклонной установкой служит для расширения возможностей измерения в холмистой местности. В состав системы входит также GPS - приемопередающая система навигации и цифровая видеокамера. Встроенное программное обеспечение осуществляет
обработку всех данных измерений для их приведения к высокоточным геодезическим справочным данным в соответствии с системой координат WGS84 для анализа данных и уточнения калибровочных характеристик системы. Частота повторения импульсов до 200 кГц с полной оцифровкой отраженных сигналов [19].
Лазерная воздушная система обнаружения мин ALDMS (Airborne Laser Mike Detection) фирмы Northrop Grumman (США) [20] работает с борта вертолета Sikorsky-SH60S/MH-60S. Система предназначена как для военного, так и для гражданского применения. Она работает в реальном масштабе времени и передает информацию со скоростью ~1,5 Мбит/с. Система способна отличить мины от других объектов. Она устанавливается в гондоле, которая подвешивается под вертолетом. В гондоле расположены лазерная, фотоприемная аппаратура и видеокамера. Аналогичное назначение имеет вертолетная система разминирования RAMICS (Rapid Mine Clearance System) [21] той же фирмы. В системе используется лазерный передатчик с мощностью излучения 19 Вт.
Мобильные системы лазерного оружия [22, 23] стали развиваться в США
Рис. 4. Вид эхо-сигналов, отраженных от различных типов объектов
еще в 70-х гг. XX в. В 2007 г. министерство обороны США выделило на развитие программы высокоэнергетических лазеров для лазерного оружия 629 млн. долларов. Такие устройства могут быть выполнены на основе химических, твердотельных, волоконных лазеров и лазеров на свободных электронах. Примером может служить химический лазер на основе окиси йода (chemical oxygen iodine laser - COIL), созданный в 1977 г. в интересах ВВС США и используемый в настоящее время для создания бортовых воздушных лазеров и разрабатываемых лазерных тактических систем. Лазерное оружие предполагалось использовать для разрушения ракет противника на конечной фазе их полета. Фирма Boeing явилась первым исполнителем контракта, испытавшим свою лазерную систему оружия
- бортовой лазер на самолете 747-400F. Фирма Northrop Grumman разработала многомегаваттный COIL-лазер с длиной волны 1,3 мкм. В середине 2008 г. и во второй половине 2009 г. Были про-
ведены демонстрационные испытания мощных лазерных систем. Разработка лазерного бортового оружия предполагает создание шестимодульного лазера, системы его наведения, блока компенсации влияния атмосферы, передающей оптики, оптических покрытий, контроль «дрожания» пучка и управления мощным лучом лазера для окончательного формирования его пучка. Фирма Boeing разработала химический лазер (система ABL - Airborne Laser) для установки на самолете С130Н [22]. Проведенные испытания показали возможность фокусировки лазерного пучка на всех целях - как воздушных, так и наземных. В 2007 г. были проведены успешные эксперименты с твердотельным лазером мощностью 1 кВт. Было обращено внимание фирмы на необходимость создания лазерной системы для уничтожения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). С декабря 2005 г. фирма Northrop Grumman Space Technology приступила к разработке твердотельного лазера мощностью
100 кВт для уничтожения крылатых ракет и БПЛА. Также фирма Northrop Grumman приступила к созданию системы Joint High Power Solid-State Laser (JHPSSC) на основе твердотельного лазера с удвоением частоты и мощностью 100 кВт. Первые два лазера этой серии мощностью 25 кВт были испытаны в феврале 2008 г. Фирмы Northrop Grumman и Unteel Defense прорабатывают вариант создания лазерной системы ПВО мощностью 100 кВт для установки на борту автомашины. По программе High Energy Laser Technology Demonstration (MRLTD) фирмы Boeing и Northrop Grumman приступили к выполнению первой фазы этой программы в интересах уничтожения ракет, артиллерии и минометов. В то же время для ВМФ США разрабатывались лазерные системы для борьбы с ракетами на основе лазеров на свободных электронах с базированием на кораблях с большим водоизмещением. Разрабатывались волоконные лазеры мощностью 50 - 100 кВт для борьбы с
баллистическими ракетами. В частности, фирма Raytheon (США) разработала корабельную систему LADS (Laser Area Defense System) на основе твердотельного лазера для борьбы с ракетами и системами залпового огня [22, 23]. С 2010 г. программа по созданию лазеров на свободных электронах в интересах ВМФ США предусматривала расходы 150 млн. долларов на 5 лет разработки.
Лазерное оружие используется также для разминирования. Система Zeus Laser System (ZLS) на основе твердотельного лазера была разработана для испытаний в Афганистане. Система ZLS обеспечивает нейтрализацию целей в течение от 5 до 240 с в зависимости от толщины заряда и может обезвредить до 120 мин в течение часа и 2000
- 3000 за сутки [24]. Система устанав-
ливается на машине повышенной проходимости, обеспечивает 1000 лазерных «выстрелов». Оператор наблюдает за перемещением целей с экрана дисплея, осуществляя джойстиком контроль направления лазерного луча [24]. Таким образом, существуют разнообразные и весьма перспективные направления использования мобильных лазерных приборов в спецтехнике
Литература
1. Мобильные лазерные приборы для. спецтехники./ Спецтехника и связь, 2011. - № 2. С. 3 — 10.
2. Лазерно-тепловизионная система предупреждения, столкновения с препятствиями для. пилотирования, вертолетов «Вереск-ЛТ». /Проспект. ФГУП НПО «ГИПО». - Казань, 2008.
3. ДЛС - ПЕРГАМ. Дистанционный лазерный детектор метана. /Проспект, фирмы. «Пергам». - М., 2009.
4. ПЕГАЗ - мобильные диагностические комплексы для поиска утечек газа. /Проспект, фирмы. «Пергам». - М., 2008.
5. Лазерно-телевизионная, измерительная, аппаратура. /Проспект. ФГУП «ОКБ МЭИ». - М., 2008.
6. Алексеев Ю.В., Муравьев Б.П., Приходько В.Н., Сунцов В.В., Хисанов Р.Ш. Канал наведения на основе матричного ФПУдля мобильного лазерного комплекса. /Прикладная, физика, 2006. - № 5. - С. 103 - 108.
7. Мобильная, оптико-электронная, система «Вереск-ЭК». /Проспект. ТПКЛИНКОС». - М., 2008.
8. ЛАД-056. Лазерная, доплеровская измерительная, система (ЛДИС) для. 3D диагностики газожидкостных потоков. /Проспект. Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. - Новосибирск, 2007.
9. Лазерные мобильные проекторы, на основе CuBr лазеров серии «ЛАЗУРИТ-500». /Проспект. Института мониторинга климатических проблем.. - Томск, 2007.
10. Мобильная, установка глубинной лазерной видеосъемки нефтегазовых скважин. /Проспект. ФГУП «НПО «АСТРОФИЗИКА». -М., 2010.
11. Комплекс дистанционной химической разведки (КДХР-1Н). /Проспект ФГУП «НПО «АСТРОФИЗИКА». - М., 2010.
12. Система мониторинга недоступных полостей CMS. /Проспект, фирмы. НПК «Йена Инструмент». - М., 2008.
13. Лазерный сканер Leica ScanStation 2. /Проспект, фирмы. ООО «Геометр-Центр». - М., 2007.
14. Лазерный сканер легкий LMS-Q160. /Проспект фирмы «ПЕРГАМ». - М., 2010.
15. Лазерный сканер LMS-Q240i. /Проспект, фирмы «ПЕРГАМ». - М., 2010.
16. Лазерный сканер бортовой VQ-480. /Проспект, фирмы. «ПЕРГАМ». - М., 2010.
17. Лазерный сканер бортовой LMS-Q560 для. полного анализа формы, сигналов. /Проспект, фирмы. «ПЕРГАМ». - М., 2010.
18. Лазерный сканер LMS-Q680 для. полного анализа формы, волны.. Проспект фирмы. «ПЕРГАМ». - М., 2010.
19. Бортовые лазерные сканирующие системы. LMS-S560. /Проспект, фирмы. «ПЕРГАМ». - М., 2009.
20. Airborne Laser Mine detection System.. /Проспект, фирмы. Northrop Grumman, США, 2009.
21. Система RAMICS (Rapid. Mine Clearance System). /Проспект, фирмы. Northrop Grumman, США, 2010.
22. Skinner Т. Seeing in the light. Jane's Defence Weekly, 2008. - Vol. 45. - No. 6. - PP. 22 — 27.
23. Donald. D. Lasers for area defense. Jane's Eurosatory Daily, 2000, 16 Juni. - P. 50.
24. Solid State lasers break out of the lab. Jane's International Defense Review, 2003. - Vol. 36. - No. 2. - P. 20 - 23.
25. Чернышев В.Н. Применение лазеров в военном деле. - М.: Военное издательство МО СССР, 1966. - 128 с.
Таблица 1. Основные характеристики лазерных бортовых сканеров фирмы «Пергам»
Модель сканера LMS-Q160 LMS-Q240J VQ-480 LMS-Q560 LMS-Q680
Максимальная дальность1' измерений, м до 602'; до 2003' 3207'; 6508' 350 - 5007'; 600 - 9008' 580 - 12007'; 580 - 18008»’ 1250 - 20 007'; 2000 - 30008'
Минимальная дальность, м 2 10 30
Погрешность4', мм 20 25 20
Точность4', мм 15 25 20
Эффективная скорость измерений (округленные величины), изм./с 10000 10000 (25- 100)хЮ3 до 24x104 (120 х 160)хЮ3
Разрешение при наличии нескольких целей, м 8
Расходимость пучка5’, мрад. 2,7 <0,5
Диапазон углов сканирования, град. ±40 = 80 ±30 = 60; ±40 = 80 ±30 = 60 ±22,5 = 45; ±30 = 60 ±22,5 = 45; ±30 = 60
Скорость сканирования6', разверток/с 5-60 6 - 80; 5 - 60 10-100 10-160 10-200
Угловое разрешение, град. 0,01 0,005 0,001
Число измерений на одну линию сканирования 500 при 20 развертках/с; 1000 при 10 развертках/с 6-8 разверток/с; 5-60 разверток/с 10 - 100 разверток/с 100-160 разверток/с
Интерфейс TCP/IP/Ethernet, 10/100 Мбит/с TCP/IP/Ethernet, 10/100 Мбит/с, RS232, 19,2 кбит/с, ЕСР (порт с расширенными возможностями) .параллельный RS232 с привязкой по времени от GPS RS232, вход TTL для импульса синхронизации
Энергопотребление, Вт при питании от = 18 - 32 В 48 (типично) 65 (типично)
Ток потребления, А 20 типично при = 24 В -1,8 при =24 В -5 при = 24 В
Габариты, мм 0170x350 0180x374 0180x345 420x212x228 420x212x230
Масса, кг -4,6 -7 11,5 16 17,5
Диапазон рабочих температур,°С -10...+50 -10...+ 40 0... + 40
Частота повторения лазерных импульсов (округленные величины), Гц 30 000 до 200 240 000
Типичная высота полета9' над уровнем земли, м 280 - 450; рабочая высота до 500011' 450- 1000 1000- 1600
Величина шага изменения угла луча10' А между последовательными замерами, град. >0,04 0,06 < А >0,004
Примечания:
11 - возможность выбора первой или последней цели; максимальная дальность измерения и погрешность, указанные ниже, для видимости >1 км, затянутого облаками неба или ночи; 2) - диаметр проволоки больше 6 мм; коэффициент диффузного рассеяния поверхностью проволоки свыше 15%; луч падает перпендикулярно к проволоке; максимальная дальность измерения для конкретной цели снижается до 50 м в случае ушла падения 45° при условии, что рассеяние поверхности проволоки является строго диффузным;3> - коэффициент диффузного рассеяния свыше 10 %; луч падает на цель перпендикулярно; размер цели превышает диаметр лазерного пучка; максимальная дальность измерения для протяженной плоской цели с коэффициентом рассеяния 15 % будет снижаться до 160 м для угла падения луча 45°;4) - одна сигма для дальности 50 м при условиях испытаний, принятых компанией RIEGL; 5) - 2,7 мрад соответствуют увеличению ширины луча (пучка) на 27 см для каждых 100 м дальности;6} - параметры сканирования могут устанавливаться с помощью TCP/IP-интерфейса задания конфигурации;7) - природный объект имеет коэффициент отражения >20%;8> - природный объект имеет коэффициент отражения >60%;9> - коэффициент отражения 20%, угол поля зрения ±30°, угол крена ±5°;10) - параметры сканирования могут устанавливаться с помощью интерфейса задания конфигурации RS 232 или TCP/IP; п} - для стандартных атмосферных условий: 1013,25 миллибар на уровне моря, +15° С.
