Лазерное излучение в атмосфере

Трассовые измерительные комплексы

Трассовые измерительные комплексы

При отработке лазерных систем наведения и сопровождения в полевых условиях используются передвижные трассовые контрольно-измерительные комплексы. При этом экспериментально определяются и составляющие расходимости пучка, обусловленные атмосферой. Расположение измерительной аппаратуры и оборудования, имеет как правило вид, приведенный на рисунке.

Для перехвата всего пучка используется диффузно отражающий экран, обладающий индикатрисой отраженного излучения, приближающейся к Ламбертовской. Преобразователи энергии и мощности, а также камеры, регистрирующие пространственное распределение излучения, устанавливаются в отраженном излучении на кронштейне на фиксированном расстоянии от экрана. Типы экрана, преобразователей и камер определяются конкретными требованиями к спектральным, энергетическим и временным характеристикам излучения в предстоящем эксперименте. Все преобразователи и камеры подключаются к регистратору РИЦ822 и, соответственно, к компьютеру для накопления, обработки и отображения информации.

Так выглядит контрольно-измерительный комплекс при высоте экрана 4м.


Максимальная высота подъема аппаратуры для данного комплекса составляет 10м.

Пространственные параметры свободного (несфокусированного) пучка импульсного лазера зарегистрированные на дистанции 1200м.

Для работы на больших высотах экран и измерительная аппаратура размещаются на платформе, подвешенной к аэростату.

 

Высота подъема измерительного комплекса составляет как правило не более 400м. 

Измерительная информация передается на пункт управления по радиоканалу.

 

Лазеры против БПЛА. Требования к излучению.

Последнее время интернет заполнен сообщениями о создании боевых лазерных систем мощностью от 10 до 100 кВт, способными уничтожить все летящие объекты и боеприпасы.
Нисколько не претендуя на обсуждение военных аспектов применения подобных систем, хотелось бы привлечь внимание к более земным проблемам, стоящим перед полицией и службами, обеспечивающими безопасность важных объектов. Им явно нужны средства очистки подступов к этим объектам от присутствия непрошенных гостей в виде БПЛА, бытовых по исполнению, однако способных нести разведывательную аппаратуру, а то и гексоген на борту.
На роль таких средств явно просятся наземные, относительно компактные роботы-лазерные чистильщики воздушного пространства, устанавливаемые рядом с аэродромами, космодромами, атомными электростанциями и пр., работающие в режиме 24/7 и практически без обслуживающего персонала по принципу: «обнаружил посторонний объект в заданной зоне ответственности-ликвидировал и доложил».
Для таких устройств, на наш взгляд, достаточно лазера с мощностью 1,5…2 кВт, но с хорошей расходимостью и хорошей системой наведения. Поскольку их участие в боевых действиях не предполагается, конструктивные требования в части обеспечения живучести также минимальны.
Очевидно, что при заданной мощности степень воздействия на БПЛА определяется размером зоны воздействия (ЗВ) излучения (чем меньше зона, тем сильнее воздействие), которая, в свою очередь, зависит от шести основных составляющих.

Лазеры против БПЛА. Требования к излучению.

Оценим составляющие.

Для одномодового лазера с пятикратным телескопом типичное значение расходимости 22мкрад.

Дрожание закрепленного лазера, вызываемая вибрациями грунта, здания и конструкций, очень мало и, по крайней мере в течение 10с, не превышает 5 мкрад. Этому соответствует среднее квадратическое отклонение 1,25 мкрад.

Оценка дополнительной расходимости, приобретенной за счет атмосферы. была проведена экспериментально фокусировкой зеленого (532 нм) лазера с хорошей расходимостью (15мкрад) в безоблачный солнечный день на слабо наклонной (≈6 град.) трассе длиной 255м. Распределение на экране (75 кадров в пуске длительностью 1,5с) регистрировалось измерителем СИЭПХ-2. Ниже приведены 8 кадров, равномерно выбранных из серии. Только в первом кадре полученное значение расходимости в атмосфере (18 мкрад) приближается к значению расходимости самого лазера (15 мкрад). Хотя некоторые искажения распределения, обусловленные атмосферой явно проявляются. В остальных кадрах распределение в фокальном пятне меняется весьма существенно. Его размер (среднее значение 25,8 мкрад) определяется как свертка двух составляющих: расходимости лазера (15 мкм) и влияния атмосферы, что соответствует сложению составляющих по квадратичному закону. С учетом этого чистый вклад атмосферы в зону воздействия составляет 21 мкрад.


Аналогично наблюдаемое суммарное дрожание 10,8 мкрад поправлено на дрожание лазера (5 мкрад). С учетом этого чистый вклад атмосферы в дрожание оси пучка составит 9,6 мкрад.

При воздействии на реальный объект возникает дополнительное увеличение зоны воздействия, обусловленное ошибкой фокусировки излучения на требуемую дальность. Точность современных дальномеров и существующие методики градуировки фокусирующих телескопов позволяют считать, что данная составляющая не превышает 8 мкрад.

Наиболее сложной при количественном анализе является оценка увеличения зоны воздействия за счет динамической ошибки наведения (нет достоверной экспериментальной информации по реальным системам). Приходится в данном случае «знание заменить требованием»: зона дрожания пучка при его удержании на цели не должна превышать расходимость самого лазера (22 мкрад). Этому соответствует среднее квадратическое отклонение 5,5 мкрад.

Для оценки возможностей нашего предполагаемого лазерного чистильщика на дистанции 500м необходимо внести поправку в составляющую, отражающую вклад атмосферы (21 мкрад) в связи с тем, что длина волны меняется с 0,532мкм на 1,06мкм, а расстояние увеличивается с 255 м до 500м. С учетом необходимых поправок эта величина составляет 27,4 мкрад.

Оценки остальных составляющих в угловых единицах от расстояния практически не зависят.

Итак, исходные данные:

Расходимость лазера                                   22 мкрад;

Дрожание лазера                                              5 мкрад;

Расходимость в атмосфере                               27,4 мкрад;

Дрожание в атмосфере                                  9,6 мкрад;

Уширение из-за дефокусировки                   8 мкрад;

Ошибка наведения                                        22 мкрад

 

Таким образом, угловой размер зоны воздействия данной лазерной системы на расстоянии 500м составляет 43,6 мкрад, а натуральный 21,8 мм.

 

При мощности лазера 1 кВт средняя плотность в пределах этого пятна составит около 230 Вт/см2, а на оси до 500 Вт/см2.

Судя по отрывочной информации, имеющейся  в интернете, воздействие излучения с такой плотностью на БПЛА обычного типа (без металлической защиты) в течение нескольких секунд с высокой вероятностью нанесет ему повреждения, несовместимые с его дальнейшим функционированием.

Судя по значительной расходимости, обусловленной атмосферой, турбулентность в данном эксперименте была довольно высокой (структурная характеристика атмосферы составляла около 5·10-14-2/3]). Т.о., в большинстве случаев применения интенсивность воздействия на цель будет более высокой. К тому же, можно применить более мощный лазер.

Рабочая дальность "до 500м", конечно, невелика, но для большинства гражданских объектов лучше чем ничего. К тому же она удачным образом согласуется с рабочей дальностью оптических обнаружителей БПЛА, рассмотренных в разделе «Оптическая локация» и которые, на первый взгляд, при создании также не требуют запредельных сил и средств.

Почему таких устройств на рынке нет?