Лазерный дальномер , также известный как лазерный телеметр , представляет собой дальномер , который использует лазерный луч для определения расстояния до объекта. Наиболее распространенная форма лазерного дальномера работает по принципу времени пролета , посылая лазерный импульс узким лучом к объекту и измеряя время , необходимое импульсу для отражения от цели и возвращения к отправителю. Из-за высокой скорости света этот метод не подходит для высокоточных субмиллиметровых измерений, где вместо этого часто используются триангуляция и другие методы. Лазерные дальномеры иногда классифицируются как тип ручного безсканирующего лидара .
Импульс может быть закодирован, чтобы уменьшить вероятность того, что дальномер может быть заклинен . Можно использовать методы эффекта Доплера, чтобы судить, движется ли объект к дальномеру или от него, и если да, то насколько быстро.
Точность прибора коррелирует с временем нарастания , [1] расходимостью и мощностью его лазерного импульса, а также качеством его оптики и встроенной цифровой обработки сигнала . Факторы окружающей среды могут значительно снизить дальность и точность:
В хороших условиях опытные операторы, использующие точные лазерные дальномеры, могут определить расстояние до цели с точностью до метра на расстоянии порядка трех километров.
Несмотря на то, что луч узкий, в конечном итоге он распространяется на большие расстояния из-за расхождения лазерного луча, а также из-за эффектов мерцания и блуждания луча, вызванных наличием в воздухе капель воды, действующих как линзы, размер которых варьируется от микроскопических до примерно половины высоты траектории лазерного луча над землей.
Эти атмосферные искажения в сочетании с расходимостью самого лазера и поперечными ветрами , которые толкают атмосферные тепловые пузыри в стороны, могут в совокупности затруднить получение точных показаний расстояния до объекта, например, под деревьями или за кустами, или даже на больших расстояниях более 1 км на открытой и незатененной пустынной местности.
Часть лазерного света может отражаться от листьев или веток, которые находятся ближе, чем объект, давая раннее возвращение и слишком низкие показания. В качестве альтернативы, на расстояниях более 360 м, если цель находится близко к земле, она может просто исчезнуть в мираже , вызванном температурными градиентами в воздухе вблизи нагретой поверхности, преломляющими лазерный луч. Все эти эффекты необходимо учитывать.
Расстояние между точками A и B определяется по формуле
где c — скорость света, а t — время, необходимое для перемещения из точки A в точку B туда и обратно.
где φ — фазовая задержка, создаваемая распространяющимся светом, а ω — угловая частота оптической волны.
Затем подставляем значения в уравнение,
В этом уравнении λ — длина волны с/ф ; Δφ — часть фазовой задержки, которая не удовлетворяет π (то есть φ по модулю π ); N — целое число полупериодов волны полного обхода, а Δ N — оставшаяся дробная часть.
Время пролета — это измерение времени, необходимого световому импульсу для прохождения до цели и обратно. Зная скорость света и точно измерив необходимое время, можно рассчитать расстояние. Многие импульсы запускаются последовательно, и чаще всего используется усредненный ответ. Этот метод требует очень точной субнаносекундной схемы синхронизации.
Многочастотный фазовый сдвиг — измеряет фазовый сдвиг нескольких частот при отражении, а затем решает несколько одновременных уравнений для получения окончательного измерения.
Интерферометрия — наиболее точный и полезный метод измерения изменений расстояния, а не абсолютных расстояний.
Ослабление света за счет атмосферного поглощения - Метод измеряет ослабление лазерного луча, вызванное поглощением от атмосферного соединения ( H 2 O , CO 2 , CH 4 , O 2 и т. д.), для расчета расстояния до объекта. Метод ослабления поглощения света в атмосфере требует немодулированных некогерентных источников света и низкочастотной электроники, что снижает сложность устройств. Благодаря этому для определения расстояния можно использовать недорогие источники света. Однако применение метода ограничено атмосферными измерениями или планетарными исследованиями. [2]
Дальномеры обеспечивают точное расстояние до целей, находящихся за пределами дальности стрельбы в упор для снайперов и артиллерии. Они также могут использоваться для военной разведки и инженерных работ. Обычно танки используют LRF для корректировки решения прямой стрельбы.
Ручные военные дальномеры работают на расстоянии от 2 км до 25 км и комбинируются с биноклями или монокулярами . Когда дальномер оснащен цифровым магнитным компасом (DMC) и инклинометром, он способен определять магнитный азимут, наклон и высоту (длину) целей. Некоторые дальномеры также могут измерять скорость цели по отношению к наблюдателю. Некоторые дальномеры имеют кабельные или беспроводные интерфейсы, позволяющие им передавать данные своих измерений на другое оборудование, например, компьютеры управления огнем. Некоторые модели также предлагают возможность использования дополнительных модулей ночного видения . Большинство ручных дальномеров используют стандартные или перезаряжаемые батареи.
Более мощные модели дальномеров измеряют расстояние до 40 км и обычно устанавливаются либо на штативе, либо непосредственно на транспортном средстве, корабле, самолете, вертолете или артиллерийской платформе. В последнем случае модуль дальномера интегрируется с бортовым тепловизионным, ночным и дневным оборудованием наблюдения. Самые современные военные дальномеры могут быть интегрированы с компьютерами.
Чтобы сделать лазерные дальномеры и лазерное оружие менее полезными против военных целей, различные военные роды могли разработать поглощающую лазер краску для своих транспортных средств. Несмотря на это, некоторые объекты не очень хорошо отражают лазерный свет, и использование лазерного дальномера на них затруднительно.
Первым коммерческим лазерным дальномером был Barr & Stroud LF1, разработанный совместно с Hughes Aircraft , который появился в 1965 году. Затем последовал Barr & Stroud LF2, который интегрировал дальномер в танковый прицел, и он использовался на танке Chieftain в 1969 году, первой машине, оснащенной такой системой. Обе системы использовали рубиновые лазеры. [4]
Лазерные дальномеры широко используются в 3D-распознавании объектов , 3D-моделировании объектов и в широком спектре областей, связанных с компьютерным зрением . Эта технология является основой так называемых 3D-сканеров времени пролета . В отличие от военных приборов, лазерные дальномеры предлагают высокоточные возможности сканирования, как с односторонним, так и с 360-градусным режимами сканирования.
Разработан ряд алгоритмов для объединения данных о дальности, полученных с разных углов одного объекта, для создания полных 3D-моделей с минимально возможной ошибкой. Одним из преимуществ лазерных дальномеров по сравнению с другими методами компьютерного зрения является отсутствие необходимости сопоставлять характеристики двух изображений для определения глубинной информации, как это делают стереоскопические методы.
Лазерные дальномеры, используемые в приложениях компьютерного зрения, часто имеют глубинное разрешение 0,1 мм или меньше. Это может быть достигнуто с помощью методов триангуляции или рефракции, в отличие от методов времени пролета, используемых в LIDAR .
Специальные лазерные дальномеры используются в лесном хозяйстве . Эти устройства имеют противолистные фильтры и работают с отражателями . Лазерный луч отражается только от этого отражателя, поэтому гарантируется точное измерение расстояния. Лазерные дальномеры с противолистным фильтром используются, например, для инвентаризации лесов .
Лазерные дальномеры могут эффективно использоваться в различных видах спорта, требующих точного измерения расстояния, таких как гольф , охота и стрельба из лука . Некоторые из наиболее популярных производителей — Caddytalk, Opti-logic Corporation, Bushnell, Leupold, LaserTechnology, Trimble, Leica, Newcon Optik, Op. Electronics, Nikon , Swarovski Optik и Zeiss . Многие дальномеры от Bushnell поставляются с расширенными функциями, такими как ARC (компенсация углового диапазона), возможность измерения нескольких расстояний, наклон, JOLT (вибрация при захвате цели) и поиск булавки. ARC можно рассчитать вручную с помощью правила стрелка , но обычно намного проще, если вы позволите дальномеру сделать это, когда вы на охоте. В гольфе, где время имеет наибольшее значение, лазерный дальномер оказывается полезным для определения расстояния до флага. Однако не все функции на 100% законны для игры в гольф. [5] Многим охотникам на востоке США дальномер не нужен, хотя многим охотникам на западе он необходим из-за больших расстояний для стрельбы и большего количества открытых пространств.
Важным применением является использование лазерной дальномерной технологии при автоматизации систем управления запасами и производственных процессов в сталелитейной промышленности.
Лазерные дальномеры также используются в нескольких отраслях, таких как строительство, реконструкция и недвижимость, в качестве альтернативы рулеткам , и были впервые представлены Leica Geosystems в 1993 году во Франции . Чтобы измерить большой объект, например комнату, с помощью рулетки, понадобится еще один человек, который будет держать рулетку у дальней стены и четкую линию поперек комнаты, чтобы растянуть ленту. С помощью лазерного измерительного инструмента работа может быть выполнена одним оператором, имея только линию прямой видимости. Хотя рулетки технически идеально точны, лазерные измерительные инструменты намного точнее. Лазерные измерительные инструменты обычно включают в себя возможность производить некоторые простые вычисления, такие как площадь или объем комнаты. Эти устройства можно найти в хозяйственных магазинах и на интернет-площадках.
Лазерные дальномеры могут различаться по цене в зависимости от качества и области применения продукта. Дальномеры военного класса должны быть максимально точными и должны также охватывать большие расстояния. Эти устройства могут стоить сотни тысяч долларов. Для гражданских применений, таких как охота или гольф, устройства более доступны и гораздо более доступны. [6] [7]
Лазерные дальномеры делятся на четыре класса и несколько подклассов. Лазерные дальномеры, доступные потребителям, обычно являются устройствами лазерного класса 1 или 2 и считаются относительно безопасными для глаз. [8] Независимо от рейтинга безопасности, прямого контакта с глазами всегда следует избегать. Большинство лазерных дальномеров военного назначения превышают уровни энергии лазерного класса 2.
Медиафайлы по теме Лазерные дальномеры на Wikimedia Commons
