جهاز تحديد الهدف بالليزر

1.1 نظرة عامة

1. وظيفة محدد الهدف بالليزر

في تطور تكنولوجيا الضربات الدقيقة، ظهرت أجهزة تحديد الأهداف بالليزر حسب متطلبات العصر. والآن، تم تجهيزها بقوات بأعداد كبيرة، وعددها يعادل عدد أجهزة تحديد المدى بالليزر. يتمتع جهاز تحديد الأهداف بالليزر بالوظائف التالية:

تحديد الأهداف وتوفير معلومات التوجيه للأسلحة الموجهة شبه النشطة بالليزر؛

إرشادات للطائرات المجهزة بأجهزة تعقب الليزر؛

توفير بيانات الهدف أو معلومات المسار البصري للأسلحة الأخرى؛

تنفيذ الإضاءة المستهدفة للعمليات في جميع الأحوال الجوية.

يمكن أن يحمل جندي فردي جهاز تحديد الهدف بالليزر على الأرض (محمولاً باليد أو مدعوماً بحامل ثلاثي القوائم) ويصبح جهازاً محمولاً. ويمكن أيضاً تثبيته على مركبة أو في الجو أو على متن سفينة لتحسين قدرته على الحركة وقدرته على البقاء والتكيف مع ساحة المعركة.

2.الهيكل الأساسي

يتضمن الهيكل الأساسي لمؤشر الهدف بالليزر الليزر ونظام الإرسال ونظام استقبال الليزر وجهاز تحديد المدى ونظام تصويب الهدف وآلية التتبع ونظام التحكم الذاتي والهيكل الثابت وآلية تثبيت المحور البصري وما إلى ذلك. الشكل 1 هو هيكلها النموذجي.

الشكل 1 أ - مُحدد الهدف

1-نافذة؛ 2-عاكس ثابت يمكن التحكم فيه؛ 3-جيروسكوب؛ 4-منشور زاوية؛ 5-عاكس قابل للتعديل؛ 6-مقسم شعاع؛ 7-نظام بصري؛ 8، 10-عدسة؛ 9-مرشح كثافة محايد؛ 11-منشور؛ 12-كاميرا تلفزيون؛ 13-جهاز إرسال مؤشر ليزر؛ 14-محدد مدى ليزر

في مؤشر الهدف، تدخل إشارة الصورة البصرية C للهدف إلى النظام من خلال النافذة البصرية 1، وتمر عبر العاكس المستقر القابل للتحكم 2، والعاكس القابل للتعديل 5، ومقسم الشعاع 6 ونظام التصوير 7، ويتم تصويرها على كاميرا التلفزيون 12؛ التشغيل يختار المشغل الهدف وفقًا للصورة على الشاشة، ويتحكم في دوران الجيروسكوب 3 والعاكس 2، بحيث تغطي نافذة التتبع على الشاشة الهدف وتحافظ عليه في حالة تتبع تلقائية. بعد التصويب على الهدف، يتم إطلاق شعاع الليزر المشفر A على الهدف. ضوء الليزر الذي يصل إلى الهدف "يضيء" الهدف؛ يدخل جزء من ضوء الليزر العائد من الهدف إلى نظام تحديد المدى بالليزر في الاتجاه المعاكس لقياس مسافة الهدف وتوفير معلومات التوجيه.

تم إعداد مكعب الزاوية 4 في النظام لاختبار النظام ذاتيًا. عندما يتحول العاكس المستقر بالجيروسكوب إلى مكعب الزاوية، يعود الليزر المنبعث على طول المسار الأصلي، ويجب أن تظهر صورة تتزامن مع نقطة التصويب على كاميرا التلفزيون، مما يشير إلى أن المحاور البصرية الثلاثة لنظام الإرسال والاستقبال ونظام التصويب بالليزر متسقة. خلاف ذلك، اضبط موضع نافذة التتبع على شاشة التلفزيون لتصحيحها. يحتوي نظام التصويب التلفزيوني على مجالين للرؤية: كبير وصغير. عند البحث عن هدف، استخدم نظام مجال الرؤية الكبير (الشكل 5.1)؛ بينما عند تتبع الهدف، من الأفضل استخدام نظام مجال الرؤية الصغير (في هذا الوقت، يتم تحريك العدسة 10 خارج المسار البصري). يضمن الفلتر المحايد 9 تباينًا جيدًا في صور التلفزيون.

بعد معايرة المحاور البصرية الثلاثة للنظام بأكمله لتكون متوازية مع بعضها البعض، يصبح محاذاة نظام التصويب البصري مع الهدف هو المفتاح لتوجيه شعاع الليزر بشكل صحيح. ولضمان التشغيل ليلاً ونهارًا وفي ظل ظروف الطقس السيئة، يجب تجهيز نظام التصويب البصري بأنظمة مثل أجهزة الرؤية الليلية منخفضة الإضاءة وكاميرات التصوير الحراري بالإضافة إلى مشاهد الضوء المرئي العادية.

1.2 الليزر والنظام البصري

1. الليزر

تستخدم أغلب أجهزة تحديد الأهداف بالليزر المجهزة حاليًا ليزر Nd:YAG الصلب (تردد التكرار Q-switched). يوضح الشكل 5.2 البنية.

الشكل 2 نظام ليزر YAG Q-switched

1- نافذة مرآة الانعكاس الكلي؛ 2- مفتاح Q؛ 3- قضيب YAG؛ 4- تجويف المضخة؛ 5- مبرد؛ 6- مرآة الانعكاس الجزئي؛ 7- مصباح فلاش؛ 8- مصدر الطاقة؛ 9- التحكم في التردد/المشفر؛ 10- التأخير؛ 11- شعاع الإخراج

الوحدة 9 في الشكل 2 هي وحدة تحكم/ترميز تردد تكرار النبضات. من ناحية، ترسل إشارة لإشعال مصباح المضخة 7، ومن ناحية أخرى، تعطي إشارة Q-switch متأخرة قليلاً من خلال المؤخر 10؛ يتم تحديد فترة النبضة بواسطة الكود الموجود فيها. يقرر الجهاز. لكي يوفر مُصمم هدف الليزر معدل بيانات مرتفع بدرجة كافية، عند التعامل مع أهداف ثابتة، يجب أن يكون تردد تكرار النبضات 5p/s (5 نبضات في الثانية)؛ بينما بالنسبة للأهداف المتحركة، يجب أن يكون أعلى من 10p/s. ومع ذلك، تُظهر التجارب أنه عندما يكون تردد التكرار أكبر من 20p/s، لم يعد التأثير محسّنًا بشكل كبير، ولكن حجم وكتلة نظام الليزر يزدادان بشكل كبير، لذلك يكون عادةً من 10 إلى 20p/s. في نطاق تردد التكرار هذا، تتوفر تقنية ترميز فترة النبضات (PIM) فقط. الفكرة هي استخدام نبضتين أو أكثر كمجموعة، وتكون الفواصل الزمنية بين النبضات في كل مجموعة مختلفة. يحتوي هذا المشفر المطبق بواسطة الدائرة المتكاملة على مؤشر قرص. يضغط المستخدم على القرص لتعيين الرمز، ويرسل مؤشر الهدف بالليزر شعاع الليزر المشفر إلى الهدف حسب الحاجة. ينعكس هذا الشعاع بشكل منتشر عن سطح الهدف ويصبح حامل معلومات بنفس خصائص التشفير. يوجد جهاز فك تشفير (رقم يشير إليه القرص) في الطرف المستقبل للجانب الخاص، ويتم تثبيت نفس مجموعة الرموز باتفاق مسبق (أو اتصال مؤقت) أثناء القتال.

من الواضح أن إحدى وظائف "الترميز" هي منع التداخل الخارجي ورفض إشارات الليزر الكاذبة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا تكييفه مع حالة الأهداف المتعددة في ساحة المعركة. عندما تظهر أهداف متعددة، يشير كل مؤشر إلى هدفه الخاص وفقًا لرمز مختلف، ويتم "تسوية" الباحث.

تُستخدم تقنية التبديل الكهروضوئي Q عادةً في أجهزة تحديد الأهداف بالليزر. تعمل البلورات الكهروضوئية (التي تستخدم عادةً نيوبات الليثيوم أو فوسفات ديديوتيريوم البوتاسيوم KDP) عند حوالي 2000 فولت أو 4000 فولت (المقابلة لحالتي λ/4 وλ/2 على التوالي)، ويتم دمجها مع المستقطب المقابل (مثل منشور غلانواك) لتكوين مفتاح Q.

إن المدى الفعال لمؤشر هدف الليزر يرتبط ارتباطًا وثيقًا بطاقة الليزر P التي ينبعثها الليزر، ويمكن حساب P بالصيغة التالية:

في الصيغة، يتم تحديد P بواسطة طاقة النبضة E وعرض النبضة τ، أي P=E/τ؛ Ps هي القدرة التي يستقبلها الطرف المستقبل؛ Tt هي نفاذية نظام إرسال الليزر؛ Tr هي معدل نفاذية نظام الاستقبال المعني؛ σ هو معامل التوهين الجوي؛ Rd هي المسافة من المؤشر إلى الهدف؛ RM هي المسافة من الطرف المستقبل المعني (مثل الباحث) إلى الهدف؛ ρt هي انعكاسية الهدف؛ θr هي زاوية انعكاس الهدف؛ Ar هي مساحة فتحة الاستقبال.

البيانات التجريبية للمعلمات الرئيسية لليزر هي كما يلي:

الطول الموجي λ=1.06μm؛

طاقة النبضة E=50~300mJ (تختلف حسب غرض المؤشر)؛

عرض النبضة τ=10~30ns؛

تردد التكرار 10~20p/s (قابل للترميز)؛

زاوية تباعد الشعاع δ=0.1~0.5mrad.

2. النظام البصري

من منظور الاحتياجات التشغيلية لمؤشر الهدف بالليزر، يجب أن يتضمن ثلاث مجموعات من الأنظمة البصرية: نظام تجميع توسيع الشعاع لإصدار أشعة الليزر، ونظام استقبال وتقارب للأشعة المدى، ونظام تصوير لتوجيه الهدف. من أجل تقليل حجم وجودة النظام بأكمله، غالبًا ما يكون للثلاثة درجة معينة من تصميم "المسار البصري المشترك". في الوقت نفسه، يمكن أن يقلل "المسار البصري المشترك" أيضًا من أخطاء الإزاحة للثلاثة، وهو أمر مفيد لاستقرار النظام.

الشكل 5.3 هو النظام البصري لمؤشر الهدف المحمول جواً. تشكل الوحدتان 4 و6 في الشكل نظام تجميع توسع الشعاع من نوع تلسكوب جاليليو، وهو المسؤول عن مهام انبعاث الليزر. وفي الوقت نفسه، تعمل الوحدة 4 أيضًا كعدسة موضوعية لاستقبال الليزر وعدسة موضوعية لكاميرا التلفزيون. يمكن لكاميرا التلفزيون 12 تغيير مجال الرؤية عن طريق تبديل المنشورين 10 و11. يمكن لمكعب الزاوية 13 والعدسة 14 إكمال الفحص الذاتي للتوازي ثلاثي المحاور.

الشكل 3 محدد الهدف بالليزر المحمول جواً

1- غطاء كرة؛ 2- مرآة محورية؛ 3- مرآة محورية/ضبط الرؤية؛ 4- عدسة موضوعية؛ 5- مقسم شعاع؛ 6- عدسة عينية سلبية؛ 7- عاكس؛ 8- ليزر؛ 9. 14- عدسة؛ 10- عنصر بصري واسع المجال؛ 11- منشور ضيق المجال؛ 12- كاميرا تلفزيونية؛ 13- منشور مصحح

1.3 أمثلة

1. مؤشر "بنسات تمهد الطريق"

"Pave Penny" هو جهاز ليزر صغير محمول جواً استخدمه سلاح الجو الأمريكي في وقت مبكر. يمكنه تحديد الأهداف الأرضية في جميع الأحوال الجوية. يتم تثبيته على المقعد الخلفي لطائرة فانتوم ويرسل ليزرًا إلى منطقة الهدف ويستقبل الصدى. وبدعم من المعدات الإلكترونية الموجودة على متن الطائرة، يتم عرض المشهد المضاء بالليزر على الشاشة.

2.نظام LANTIRN

LANTIRN ("الدرع الأزرق") هو نظام محمول جواً من الجيل الأحدث في الولايات المتحدة. وهو يتألف من جراب الملاحة AN/AAQ-13 وجراب الاستهداف AN/AAQ-14. ويمكن استخدامه للملاحة الليلية على ارتفاعات منخفضة والاستهداف. وهو أحد أكثر أنظمة الجراب اكتمالاً المتاحة.

1.4 القياس النشط لمسافة الهدف

ينعكس الشعاع المنبعث من جهاز تحديد المدى بالليزر عن الهدف ثم يعود إلى جهاز تحديد المدى. من خلال قياس زمن انتشار الموجة الضوئية Δt بين AB وسرعة انتشار الموجة الضوئية c في الغلاف الجوي، يتم حساب المسافة وفقًا للصيغة التالية:

وفقًا لطريقة قياس الوقت Δt، يتم تقسيمها إلى طريقة قياس النبضة التي تقيس الوقت بشكل مباشر وطريقة قياس الطور التي تقيس الوقت بشكل غير مباشر. تستخدم أجهزة تحديد المدى عالية الدقة بشكل عام نوع الطور.

مبدأ تحديد المدى لجهاز تحديد المدى بالليزر الطوري هو: بعد أن يمر الضوء المنبعث من مصدر الضوء عبر المغير، يصبح ضوءًا معدَّلًا تتغير شدة ضوئه مع الإشارة عالية التردد. يتم حساب المسافة عن طريق قياس فرق الطور ϕ للضوء المعدل الذي ينتشر ذهابًا وإيابًا على المسافة المراد قياسها. إذا كان التردد الزاوي للضوء المعدل هو ω، وكان تأخير الطور الناتج عن رحلة ذهاب وعودة واحدة على المسافة D المراد قياسها هو Φ، فإن الوقت المقابل t = Φ/ω، وبالتالي يمكن التعبير عن المسافة D على النحو التالي

اكتب تأخير الطور كمجموع جزأين، أي

Φ=2π(N+ΔN)=2πN+ΔΦ (5-4)

وفقًا للمعادلة (5-3)، المسافة المقابلة

في الصيغة، N هو عدد أطوال الموجة للتشكيل الموجودة في خط القياس؛ ΔN هو الجزء الكسري من الطول الموجي الموجود في خط القياس؛ λ/2 هو طول مسطرة القياس، والمعروفة أيضًا باسم "مسطرة الضوء". في هذه المرحلة، يصبح قياس المسافة هو قياس عدد الأطوال الموجية الموجودة في خط القياس والجزء الكسري الذي يقل عن طول موجي واحد.

في مقياس مسافة الطور، يمكن لمقياس الطور قياس الجزء العشري ΔN فقط من فرق الطور، ولكن لا يمكنه قياس رقم الفترة المتكاملة N، لذلك لا يمكنه قياس مسافات أكبر من مسطرة الضوء. من أجل توسيع نطاق القياس، يجب اختيار مسطرة ضوء أطول. من أجل حل التناقض بين توسيع نطاق القياس وضمان الدقة، تستخدم أجهزة تحديد المدى قصيرة المدى بشكل عام ترددين للتعديل، أي نوعين من مقاييس الضوء. على سبيل المثال، يتم استخدام مسطرة ضوء طويلة (تسمى مسطرة خشنة) f1 = 150 كيلو هرتز، λ1/2 = 1000 متر لتوسيع نطاق القياس وقياس 100 متر و10 أمتار و1 متر؛ مسطرة ضوء قصيرة (تسمى مسطرة دقيقة) f2 = 15 ميجا هرتز، λ2/2 = 10 أمتار، تستخدم لضمان الدقة، وقياس 1 متر و0.1 متر و1 سم و1 مم.

يعد تحديد المدى بالتداخل أيضًا طريقة لتحديد المدى بطريقة الطور. لا تقيس طريقة تحديد المدى هذه المسافة عن طريق قياس طور إشارة تعديل الليزر، بل عن طريق قياس التغيرات في حواف التداخل لموجة ضوء الليزر نفسها. وبالمقارنة، فإن مبدأ تحديد المدى لليدار أكثر تعقيدًا بكثير. بالإضافة إلى طريقة التوقيت وطريقة التداخل، هناك أيضًا طريقة الدوران البصري وطريقة تعديل المكسب.

اتجاه تطوير محددات الهدف بالليزر هو: (1) دمجها مع أنظمة أخرى لتشكيل نظام للإشارة إلى الهدف وتتبعه مع وظائف متعددة؛ (2) يتطور الطول الموجي لليزر نحو نطاقات الطول الموجي المتوسطة والطويلة ويمكن تعديله باستمرار؛ (3) التطور نحو التسلسل والتعميم والمكونات.

بناءً على الطلب الحالي في السوق، أطلقت شركة ERDI TECH LTD جهاز تحديد الهدف بالليزر الصغير والمدمج. يتميز المنتج بأداء مستقر ويُستخدم على نطاق واسع في الكبسولات والمركبات والطائرات وغيرها من التدابير المضادة للكهرباء الضوئية. لمزيد من تفاصيل المنتج، يرجى زيارة https://erdicn.com.