МОБИЛЬНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ СПЕЦТЕХНИКИ

В первой 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 24×24°, 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 40×30, 17×13 и 4,3×3°, число пикселей в ФПУ 320×240, дальность обнаружения проводов при МДВ более 1 км 600 − 1000 м, массу оптико-электронного блока 10 кг.

а − оптический блок;

Фото 1. Бортовой комплекс «ДЛС-Пергам»:
б − блок электроники,

в − специализированное ПО

г − установка комплекса на борту вертолета МИ-8

Фото 1. Бортовой комплекс «ДЛС-Пергам»:

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;
5 − расщепитель луча;
6 − 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, тепловизионной 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 диодно-лазерной 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 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 − ∅350×600 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° (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.

а)

б)
Фото 2. Мобильный комплекс ПЕГАЗ (а) и его установка на автомашине (б)

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 (опорно-поворотное 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 дальности 0,1 м, по угловым координатам 3 − 5", частота регистрации измерительной информации 25 Гц.

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

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 2×1,8°, 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 PtSi с числом пикселей 256×256, напряжение питания 27 В ± 10%, ток потребления средний до 3 А, в импульсе до 15 А, масса 20 кг, габариты 650×450×200 мм. Оптические оси лазерного пучка и поле зрения ФПУ взаимно параллельны для точного наведения лазера на цель в пределах угла поля зрения 182×92°. 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-камера 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.

а)

б)
Фото 3. Мобильная оптико-электронная станция
«Вереск-ЭК» (а) и пульт ее управления (б)

Лазерная доплеровская измерительная система (ЛДИС) ЛАД-056 для 3D-диагностики газожидкостных потоков (рис. 3) [8] предназначена для прецизионного бесконтактного измерения и визуализации вектора скорости газожидкостных многофазных мутных потоков в режиме обратного 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, Y − ±0,01 − 30 м/с, компоненты Z − ±0,02 − 100 м/с, погрешность измерения средней скорости компоненты X, Y − ±0,5%, компоненты Z − ±1,5%, максимальная частота измеряемых пульсаций − 300 кГц, размер зондирующего оптического поля − ∅0,05×1 мм, энергопотребление модуля − 200 Вт, ресурс работы 4×10⁴ часов.

Рис. 3. Схема построения системы ЛАД-056

Лазерные мобильные проекторы на основе CuBr-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: CuBr-лазер «ЛАЗУРИТ-500», сканирующая система «ЛАЗУРИТ-05 СКАН», пульт управления «ЛАЗУРИТ-05П». CuBr-лазер «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 170×280×830 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 X-Y-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 140×280×245 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 песенной 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 366×260×77 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 предзабойной зоны, контролировать выход нефтегазового продукта, анализировать работоспособность внутрискважинного 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 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 RAID-массив 2-процессорного мощного промышленного сервера. На его базе возможно через локальную сеть создание АСУ промысла для стационарного использования и оптимизации 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.

Фото 4. Мобильная установка глубинной лазерной
видеосъемки нефтегазовых скважин

Фото 5. Комплекс дистанционной химической разведки (КДХР-1Н)

Комплекс дистанционном химической разведки (KДXP-H) (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 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 [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.

Фото 6. Система мониторинга недоступных полостей CMS

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 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 270×247×175 мм при массе 8,3 кг. Безопасность для зрения: класс 1 (ИК-лазер), класс 2 (видимый лазер).

Фото 7. Лазерный сканер Leica ScanStation 2

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 s). Точность моделирования поверхности/шум − 2 мм, 1 s, точность измерения марки − 2 мм, 1 s. 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 менее 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 265×370×510 мм, а его блок питания − соответственно 12 кг и 165×236×215 мм. Изображение фотографируется и выводится на дисплей.

а − легкий LMS-Q160;

б −LMS-Q240i;

VQ-480
в − бортовой VQ-480;

г − бортовой LMS-Q560 для полного анализа формы сигналов;

д − LMS-Q680 для полного анализа формы волны

Фото 8. Лазерные сканеры:

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 сканирования 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 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.

Рис. 4. Вид эхо-сигналов, отраженных от различных типов объектов

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 − приемо-передающая 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 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 проведены 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 устанавливается 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.

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 − 2000⁷⁾; 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)×10³	до 24×10⁴	(120 × 160)×10³
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	∅170×350	∅180×374	∅180×345	420×212×228	420×212×230
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⁾ Δ между последовательными замерами, град.		≥0,04	0,06 ≤ Δ	≥0,004

Примечания:

¹⁾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 RIGL;

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 RS232 или TCP/IP;

¹¹⁾для стандартных атмосферных условий: 1013,25 миллибар на уровне моря, +15°С.

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 ФПУ для мобильного лазерного комплекса. /Прикладная физика, 2006. − № 5. − С. 103 − 108.
7.    Мобильная оптико-электронная система «Вереск-ЭК». /Проспект ТПК ЛИНКОС». − 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.