Введение

Устройство для определения дальности, использующее лазерный луч для определения расстояния до объекта.

Лазерный дальномер, также известный как лазерный телеметр, – это прибор для определения расстояния до объекта, использующий лазерный луч. Наиболее распространенная конструкция лазерного дальномера работает по принципу измерения времени прохождения сигнала: он посылает лазерный импульс в узком луче к объекту и измеряет время, необходимое импульсу для отражения от цели и возврата к излучателю. Из-за высокой скорости света эта техника не подходит для высокоточных измерений с субмиллиметровой точностью, где обычно применяются триангуляция и другие методы. Это разновидность лидара без сканирования.

Пульс

Импульс может быть закодирован для снижения вероятности подавления дальномера. Возможно использование методов, основанных на эффекте Доплера, для определения, движется ли объект к дальномеру или от него, и если да, то с какой скоростью.

Точность

Точность прибора связана с временем нарастания, расхождением и мощностью его лазерного импульса, а также с качеством его оптики и встроенной цифровой обработки сигналов. Факторы окружающей среды могут существенно уменьшить дальность и точность: влажность, снег, пыль или другие взвешенные в воздухе частицы рассеивают сигнал. Повышенная температура и повышенное давление (на меньшей высоте) незначительно снижают скорость света в воздухе. Меньшие по размеру и менее отражающие объекты возвращают меньше информации. В благоприятных условиях опытные операторы, использующие высокоточные лазерные дальномеры, могут определять расстояние до цели с точностью до метра на дистанциях порядка трех километров.

Дальность и погрешность дальности

Несмотря на то, что луч узкий, он со временем будет расширяться на больших расстояниях из-за расхождения лазерного луча, а также из-за эффектов сцинтилляции и отклонения луча, вызванных наличием в воздухе капель воды, которые действуют как линзы размером от микроскопических до примерно половины высоты пути лазерного луча над землей. Эти атмосферные искажения, в сочетании с расхождением самого лазера и поперечными ветрами, отводящими тепловые пузыри в сторону, могут затруднить точное определение расстояния до объекта, например, под деревьями или за кустами, или даже на больших расстояниях, превышающих 1 км, на открытой и незатененной пустынной местности. Часть лазерного света может отражаться от листьев или веток, находящихся ближе к приемнику, чем объект, что приведет к преждевременному возврату сигнала и заниженному результату измерения. В противном случае, на расстояниях более 360 м, если цель находится близко к земле, она может просто исчезнуть в мираже, вызванном градиентами температуры в воздухе вблизи нагретой поверхности, искривляющими лазерный луч. Все эти факторы необходимо учитывать.

Технологии

Время полета – это время, за которое световой импульс достигает цели и возвращается обратно. Зная скорость света и точно измерив время, можно вычислить расстояние. Обычно генерируется последовательность импульсов, и используется среднее значение отклика. Эта техника требует очень точной синхронизации с разрешением менее наносекунды. Многочастотный фазовый сдвиг – это измерение фазового сдвига нескольких частот при отражении, с последующим решением системы уравнений для получения конечного значения. Интерферометрия – наиболее точный и полезный метод для измерения изменений расстояния, а не абсолютных значений расстояния. Затухание света при атмосферном поглощении – метод измерения ослабления лазерного луча, вызванного поглощением атмосферными компонентами (H2O, CO2, CH4, O2 и т.д.), для вычисления расстояния до объекта. Метод измерения затухания света при атмосферном поглощении требует немодулированных некогерентных источников света и низкочастотной электроники, что упрощает конструкцию приборов. Благодаря этому для определения дальности можно использовать недорогие источники света. Однако область применения метода ограничена измерениями в атмосфере или планетарными исследованиями.

Военный

Дальномеры обеспечивают точное определение расстояния до целей, находящихся за пределами эффективной дистанции прямого выстрела для снайперов и артиллерии. Они также могут использоваться для военной разведки и инженерных работ. Обычно танки используют дальномеры (LRF) для корректировки решения по прямой наводке. Ручные военные дальномеры работают на дальностях от 2 до 25 км и часто комплектуются биноклями или монокулярами. Если дальномер оснащен цифровым магнитным компасом (DMC) и инклинометром, он способен определять магнитный азимут, угол места и высоту (дальность) до цели. Некоторые дальномеры также могут измерять скорость цели относительно наблюдателя. Некоторые модели имеют кабельные или беспроводные интерфейсы для передачи данных измерений на другое оборудование, например, вычислительные машины управления огнем. Некоторые модели также предлагают возможность подключения модулей ночного видения. Большинство портативных дальномеров работают от стандартных или перезаряжаемых батарей. Более мощные модели дальномеров измеряют расстояние до 40 км и обычно устанавливаются либо на штатив, либо непосредственно на транспортное средство, корабль, самолет, вертолет или огневую платформу. В последнем случае модуль дальномера интегрирован с бортовым оборудованием тепловизионного, ночного и дневного наблюдения. Наиболее современные военные дальномеры могут быть интегрированы с компьютерами. Для снижения эффективности лазерных дальномеров и лазерно-наводимого оружия против военных целей, различные армии могли разработать лазерно-поглощающую краску для своей техники. Тем не менее, некоторые объекты плохо отражают лазерное излучение, что затрудняет их измерение лазерным дальномером. Первым коммерческим лазерным дальномером был Barr & Stroud LF1, разработанный совместно с Hughes Aircraft и поступивший в продажу в 1965 году. За ним последовал Barr & Stroud LF2, который интегрировал дальномер в танковый прицел и был установлен на танк Chieftain в 1969 году – первом транспортном средстве, оснащенном подобной системой. В обеих системах использовались рубиновые лазеры.

3D моделирование

Лазерные дальномеры широко используются в распознавании трехмерных объектов, трехмерном моделировании и широком спектре областей, связанных с компьютерным зрением. Эта технология составляет основу так называемых 3D-сканеров на основе измерения времени пролета. В отличие от военных приборов, лазерные дальномеры обеспечивают высокоточное сканирование, с возможностью сканирования одной стороны или в режиме 360 градусов. Разработано множество алгоритмов для объединения данных о расстоянии, полученных с разных углов одного объекта, чтобы создать полные трехмерные модели с минимальной погрешностью. Одним из преимуществ лазерных дальномеров перед другими методами компьютерного зрения является отсутствие необходимости сопоставлять признаки на двух изображениях для определения информации о глубине, как это делают стереоскопические методы. Лазерные дальномеры, используемые в приложениях компьютерного зрения, часто имеют разрешение по глубине 0,1 мм или меньше. Это достигается с помощью методов триангуляции или измерения преломления, в отличие от методов измерения времени пролета, используемых в лидарах.

Лесоводство

В лесном хозяйстве используются специальные лазерные дальномеры. Эти устройства оснащены антилистовыми фильтрами и работают с отражателями. Лазерный луч отражается исключительно от отражателя, что гарантирует точное измерение расстояния. Лазерные дальномеры с антилистовым фильтром, например, применяются при проведении лесных инвентаризаций.

Спорт

Лазерные дальномеры эффективно используются 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 Bushnell оснащены расширенными функциями, такими как ARC (компенсация угла наклона), измерение нескольких расстояний, определение уклона, JOLT (вибрация при захвате цели) и функция поиска флажка. ARC можно вычислить вручную, используя правило стрелка, но обычно проще доверить это дальномеру во время охоты. В гольфе, где важна каждая секунда, лазерный дальномер помогает быстро определить расстояние до флага. Однако не все функции разрешены к использованию на турнирах по гольфу. Многие охотники на востоке США не нуждаются в дальномере, в то время как западным охотникам он необходим из-за больших дистанций стрельбы и открытой местности.

Процессы промышленного производства

Важным применением является использование технологии лазерных дальномеров при автоматизации систем управления запасами и производственных процессов в сталелитейной отрасли.

Лазерные измерительные приборы

Лазерные дальномеры также используются в различных отраслях, таких как строительство, ремонт и недвижимость, в качестве альтернативы рулеткам, и впервые были представлены компанией Leica Geosystems во Франции в 1993 году. Для измерения большого объекта, например комнаты, рулеткой требуется помощь второго человека, чтобы удерживать конец рулетки на противоположной стене и обеспечить прямую линию для ее натяжения. С лазерным измерительным инструментом эту задачу может выполнить один человек, имея лишь прямую видимость. Хотя рулетки технически могут быть абсолютно точными, лазерные измерительные инструменты обеспечивают гораздо большую точность. Как правило, лазерные измерительные инструменты позволяют выполнять простые вычисления, например, площади или объема помещения. Эти устройства можно приобрести в хозяйственных магазинах и на онлайн-площадках.

Цена

Цена лазерных дальномеров может варьироваться в зависимости от качества и области применения. Дальномеры военного назначения должны быть максимально точными и обеспечивать измерение на больших расстояниях. Такие приборы могут стоить сотни тысяч долларов. Для гражданских нужд, например, для охоты или игры в гольф, приборы более доступны по цене и гораздо шире представлены на рынке.

Безопасность

Лазерные дальномеры делятся на четыре класса и несколько подклассов. Лазерные дальномеры, доступные потребителям, как правило, относятся к лазерному классу 1 или 2 и считаются относительно безопасными для глаз. Независимо от класса безопасности, следует всегда избегать попадания лазерного луча в глаза. Большинство лазерных дальномеров, используемых в военной сфере, имеют мощность выше, чем у лазеров класса 2.