Оптическими приборами называются такие приборы, в которых применяются линзы, призмы, зеркала и другие оптические детали, позволяющие увеличить дальность зрения человека и рассматривать те предметы, которые нельзя увидеть простым глазом.
С помощью данных приборов: биноклей, теодолитов, дальномеров, визиров ориентирования и др. подразделения артиллерийской разведки производят разведку наблюдением, определяют полярные или прямоугольные координаты целей, реперов и ориентиров, осуществляют топографическую привязку и ориентирование позиций технических средств разведки и наблюдательных пунктов.
Основой построения оптических приборов артиллерийской разведки и ориентирования является оптическая зрительная система, которая предназначена для обеспечения наблюдения изображения и пространства объектов в увеличенном виде. Зрительная система совместно с механизмами прибора обеспечивает точное наведение прибора в цель (ориентир или объект) для измерения углов и расстояний.
Основой оптической зрительной системы является телескопическая система Кеп-лера, которая включает в себя объектив и окуляр. Объектив предназначен для построе-ния изображения пространства объектов в своей задней фокальной плоскости, а окуляр для обеспечения рассматривания изображения пространства объектов в увеличенном виде. И объектив, и окуляр представляют собой определенное сочетание оптических дета-лей - линз и призм.
Для наведения прибора на объект необходимо в телескопическую систему устано-вить сетку и оборачивающую систему. Сетка - плоскопараллельная пластина с нанесен-ными на нее знаками и прицельными индексами. Плоскость с сеткой устанавливают в плоскости действительного изображения так, чтобы обеспечить одновременную резкость видимости изображения пространства объектов и сетку. В качестве оборачивающих систем также используют линзы или призмы. Тип оборачивающей системы предопределяет внешнее устройство прибора. Таким образом, основными узлами оптических систем являются: объектив, окуляр, сетка и оборачивающая система.
Кроме основных узлов в оптическую систему могут входить призмы, светофильтры и др. Для выполнения работ связанных с назначением прибора кроме оптической сис-темы в состав приборов включаются различные механизмы: отсчетные, установочные и крепления.
Основными техническими характеристиками оптических приборов являются: фо-кусное расстояние, относительное отверстие и светопропускание объектива, поле зрения, увеличение, светосила, разрешающая способность, пластичность и перископичность.
Фокусное расстояние объектива влияет на длину зрительной трубы и разрешаю-щую способность. Относительное отверстие объектива определяет его размеры
О = Доб/f'об
где Доб - диаметр объектива;
f'об - фокусное расстояние.
Полем зрения называется часть пространства, видимого в прибор. Поле зрения ха-рактеризуется углом, под которым видны в приборе две противоположные крайние точки поля зрения. Поле зрения прибора выражается в градусах или делениях угломера. Поле зрения зависит от увеличения и устройства окуляра прибора: оно тем больше, чем мень-ше увеличение. Величина поля зрения выбирается из условий назначения прибора и ха-рактеристик органов зрения и составляет для оптических приборов разведки 6...12о.
Увеличение (кратность) - это отношение величины изображения предмета, види-мого в прибор, к величине изображения того же предмета, наблюдаемого невооруженным глазом. Например, оптический прибор имеет шестикратное увеличение, если изображение предмета, видимое в прибор, в шесть раз больше, чем его изображение при наблюде-нии невооруженным глазом. Увеличение прибора обозначается значком - х. Обозначения 4х, 6х, 20х выражают четырехкратное, шестикратное и двадцатикратное увеличение. Уве-личение телескопической системы определяется как отношение диаметров входного и выходного зрачков системы.
Разрешающая способность оптических приборов - это наименьший угол между двумя точками удаленного предмета, изображения которых получаются раздельными. Разрешающая способность характеризует качество изображения и определяется парамет-рами объектива. Для телескопических систем оптических приборов разрешающая способность оценивается разрешаемым углом.
Светосила - это отношение освещенности изображения предмета на сетчатке глаза при наблюдении в прибор к освещенности изображения того же предмета на сетчатке при наблюдении невооруженным глазом. Величина эта - отвлеченная, и применяется только для сравнения двух одинаковых по конструкции оптических приборов.
Светопропускание - характеризует способность оптической системы пропускать оптическое излучение.
Пластичность - это свойство прибора давать наблюдателю ощущение глубины, рельефности видимой в прибор местности и возможности различать на ней взаимное по-ложение предметов по дальности. Пластичностью обладают приборы, предназначенные для наблюдения одновременно обоими глазами.
Перископичность - свойство прибора, позволяющее наблюдать из-за укрытия. Перископичность определяется расстоянием по вертикали от объектива до окуляра.
Основными операциями при работе на оптических приборах являются: подготовка к работе, ориентирование, наблюдение в прибор (ведение разведки), измерение углов и расстояний, техническое обслуживание и свертывание.
При подготовке к работе прибор устанавливается на штатный механизм крепления (треногу, кронштейн и т.п.), надежно закрепляется и горизонтируется, т.е. его оптической оси придается направление параллельное линии горизонта. Окуляры прибора подгоняются по 'глазам' - устанавливается база глаз наблюдателя и осуществляется наведение на резкое изображение.
При ориентировании прибора его оптическая ось в горизонтальной плоскости привязывается к какой-либо опорной углоизмерительной системе( по дирекционным углам, в основном направлении, по магнитному азимуту и т.п.). Ориентирование осуществляется с помощью установочных механизмов.
Измерение углов и расстояний при работе на приборе осуществляется путем наве-дения прибора с помощью оптической системы и снятия отсчетов со шкал отсчетных механизмов.
Техническое обслуживание приборов заключается в совокупности работ по под-держанию его в работоспособном состоянии с сохранением всех технических характеристик.
Одними из основных современных средств артиллерийской разведки являются квантовые(лазерные) дальномеры. Лазерная дальнометрия одна из первых областей практического применения лазеров в военном деле. Измерение дальности до цели является наиболее часто встречающейся задачей при подготовке стрельбы артиллерии и ведении огня. Точность измерения дальности обуславливает эффективность стрельбы артиллерии. В настоящее время благодаря высокой точности и другим достоинствам импульсные квантовые дальномеры широко распространены в системах артиллерийского вооружения.
По сравнению с обычными оптическими дальномерами лазерные дальномеры да-ют возможность исключить субъективные ошибки в измерении дальности, вносимые оператором и, кроме того, исключают зависимость точности измерения дальности от измеряемого расстояния. К числу других преимуществ лазерных дальномеров по сравнению со стереоскопическими относят компактность аппаратуры и реальные перспективы ее улучшения за счет микроминиатюризации элементной базы, простоту процесса из-мерения дальности, не требующего специальных качеств и подготовки операторов.
Характерные недостатки импульсных квантовых дальномеров: возможность изме-рения дальности только до неподвижных или медленно движущихся целей, вследствие малой частоты повторения импульсов, которая, как правило, не превышает 1 Гц; малая скрытность в связи с активным принципом работы, требующим излучения электромаг-нитной энергии; зависимость работы от состояния атмосферы.
Импульсные квантовые дальномеры, так же как и импульсные радиолокационные дальномеры, осуществляют измерение дальности до цели D путем измерения времени за-паздывания t3 отраженного от цели импульса относительно излученного, т.е. времени затрачиваемого импульсом излучения квантового генератора дальномера на прохождение до цели и обратно. Тогда:
D = сt3/2 (1)
Полагая с = const, дифференцируя выражение (1) и переходя затем к конечным приращениям, получим формулу для ошибки измерения дальности:
D = сt3/2 (2)
Точность измерения дальности, как следует из (2), не зависит от дальности и опре-деляет точность измерения времени запаздывания. Это большое достоинство квантовых дальномеров перед обычными артиллерийскими оптическими дальномерами, у которых, как известно, ошибка измерения дальности увеличивается с ростом дальности.
Типовая функциональная оптико-электронная схема импульсного квантового дальномера приведена на рис.1, где КГ - квантовый генератор, М - модулятор, ПЗ - полу-прозрачное зеркало, ОС1 - передающая оптическая система (передающая антенна), ФЭУ1 - фотоэлектронный умножитель приемного канала, У - усилитель, СИД - система измере-ния дальности, И - цифровой индикатор, СУ - система управления. В состав квантового дальномера входят и другие системы, обеспечивающие его нормальную работу (оптический визир, система электропитания и др.).
Рис.1. Структурная схема квантового дальномера
Функционирование дальномера осуществляется следующим образом. Квантовый дальномер с помощью оптического визира (их оптические оси параллельны) наводится на цель. С помощью системы управления подготавливается к измерению система измере-ния дальности и цифровой индикатор, а затем запускается квантовый передатчик, со-стоящий из квантового генератора (КГ) и модулятора (М).
Передатчик генерирует импульс когерентного излучения, который через пере-дающую оптическую систему ОС1 направляется в сторону цели. Эта система (передающая антенна) предназначена для уменьшения угла расходимости излучения квантового передатчика. Часть энергии импульса когерентного излучения, сравнительно небольшая, с помощью полупрозрачного зеркала направляется на вход фотоэлектронного умножите-ля канала ФЭУ1, а с его выхода - на запуск системы измерения дальности.
Работу системы измерения дальности, основу которой составляет электронный счетчик (измеритель) интервалов времени, можно сравнить с работой обычного секун-домера: сначала запуск, затем счет времени, прекращающейся при остановке. Отсчет времени осуществляется с помощью высокостабильного кварцевого генератора. Остановка работы электронного счетчика осуществляется отраженным от цели импульсом, кото-рый, пройдя через приемную оптическую систему ОС2 и приемник, состоящий из фото-электронного умножителя ФЭУ2 и усилителя, поступает на систему измерения дальности. Задача системы ОС2 (приемной антенны) - сфокусировать отраженное от цели излу-чение на чувствительном элементе приемника. Результат измерения электронным счет-чиком времени запаздывания, преобразованной системой измерения дальности в соответ-ствии с формулой (1) в дальность, отображается на цифровом табло индикатора. Затем таким же образом можно осуществлять следующее измерение дальности.
С целью получения высокой точности измерения сравнительно больших даль-ностей в импульсных квантовых дальномерах используется режим с модуляцией доброт-ности оптического резонатора твердотельного квантового генератора, позволяющий получать короткие с крутым фронтом мощные одиночные импульсы. Поэтому модулятор является одним из оптических затворов. Благодаря своим достоинствам чаще всего применяются оптико-механические затворы с вращающимися призмами.
Тип приемника обусловлен выбором рабочей длины волны излучения квантового генератора дальномера. В качестве приемника излучения лазеров с длиной волны 0,69 мкм применяют фотоэлектронный умножитель, а при использовании квантового генера-тора на стекле или иттриево-алюминиевом гранате (АИГ), активированных неодимов (длина волны 1,06 мкм), оптимальным типом приемника излучения являются более чув-ствительные лавинные фотодиоды. Увеличение же чувствительности приемника позволя-ет увеличить дальность действия квантового дальномера. Следует также отметить, что на дальности действия значительно сказываются влияние различного рода внутренних и внешних шумов, а также обратного рассеяния от неоднородностей атмосферы при прохождении излучения в тумане, дожде, облаках и т.д. Эти факторы ограничивают дальность действия квантового дальномера. Как показывает анализ, для надежного приема отраженного от цели импульса лазерного излучения необходимо, чтобы его мощность Рпр бы-ла в 5-10 раз больше суммарной мощности шумов Рш ( в том числе и обратного рассея-ния), т.е. Рпр/Рш = 5-10.
Для защиты приемника от возможных помех перед его входом располагается оп-тический фильтр, полоса пропускания которого согласована со спектром излучения квантового передатчика дальномера, осуществляя частичную селекция входного сигнала. Для исключения приема ложного сигнала, отраженного от какого-либо местного предмета, находящегося на одном направлении с целью, в схеме квантового дальномера обычно предусматривается стробирование по дальности и устройство селекции целей.
Особым видом квантовых приборов артиллерийской разведки являются квантовые дальномеры-целеуказатели предназначенные для работы в составе комплексов корректируемого артиллерийского вооружения с полуактивным лазерным наведением, а также для корректировки артиллерийского огня при стрельбе обычными боеприпасами. С точки зрения конструкции они являются полнофункциональными лазерными дальномерами, имеющими кроме того возможность лазерной подсветки целей излучением мощных световых импульсов с малой угловой расходимостью и частотой повторения в несколько десятков Герц.
Таким образом, дальномеры-целеуказатели содержат такие же элементы как и обычные дальномеры, за исключением устройств обеспечивающих дополнительную функциональную нагрузку. Важнейшим функциональным блоком дальномера-целеуказателя является излучатель твердотельного лазера импульсно-периодического режима работы на АИГ. Прием отраженного от цели лазерного излучения осуществляет-ся ФПУ на лавинном фотодиоде. Излучатель и ФПУ с элементами оптической схемы, определяющими союстировку лазерного излучения с перекрестием визирной сетки и чувствительной площадкой фотокатода объединены в едином оптическом блоке. Дальномер-целеуказатель содержит также блок охлаждения, который осуществляет прокачку теплоносителя, охлаждающего лампу накачки и активный элемент излучателя и фильтр в цепи питания двигателя центробежного насоса, подавляющий помехи, вызванные искре-нием коллектора двигателя. Питание лампы накачки излучателя осуществляется от мощ-ного блока питания, который, кроме того, обеспечивает заряд накопительного конденса-тора, коммутирующийся на лампу накачки силовым разрядным тиристором и служит ис-точником "дежурной дуги", поддерживающим лампу накачки излучателя в проводящем состоянии, что обеспечивает необходимый импульсный режим работы. Через окуляр и оптическую систему, включающую линзовую оборачивающую систему, визирную сетку, приемный объектив и поворотное зеркало, ведется наблюдение за местностью. Наведение визирной сетки на цель по вертикали осуществляется поворотным зеркалом, соединен-ным с устройством отсчета вертикальных углов.
Одной из разновидностей квантовых систем измерения дальности являются ак-тивно-импульсные приборы ночного видения (ПНВ) с системой стробирования (рис 2). Они содержат лазерный импульсный осветитель цели, выполняющий задачи как освещения объектов в условиях недостаточной освещенности, так и определения дальности до цели.
Импульсы излучения осветителя, отраженные от местности, поступают в ЭОП ви-зира прибора, затвор которого открывается лишь в момент прихода отраженного импуль-са излучения на отрезок времени, определяющий глубину наблюдаемого пространства в несколько метров. В поле зрения при этом наблюдается изображение цели, отраженное излучение от которой попадает в ЭОП в момент открывания его затвора. Момент откры-вания (или нужная дальность наблюдаемого пространства) затвора ЭОП устанавливается оператором. Закрытие затвора производится автоматически таким образом, что глубина видимого пространства составляет те же несколько метров. Измерение дальности до цели производится измерителем времени по границе строба (момент измерения контраста цели), а измеренная величина дальности, вычисленная в соответствии с выражением (1) проектируется на индикаторе в цифровом значении. Данные приборы позволяют устра-нить недостаток обычных дальномеров, связанный с невозможностью их наведения на цель в условиях недостаточной видимости, однако они имеют худшую точность и суще-ственно демаскируют позицию наблюдателя.
Наряду с вышесказанным следует отметить, что в настоящее время происходит активное внедрение малогабаритных квантовых дальномеров, разработка которых стала возможна благодаря успехам электроники в области микроминиатюризации и разработке компактных полупроводниковых ОКГ. Эти дальномеры по отношению к обычным артиллерийским квантовым дальномерам имеет ряд преимуществ: габариты и масса меньше, больше источников электропитания, возможность работы "с рук". Вместе с тем основные тактико-технические характеристики их хуже, при боевой работе существенно ниже устойчивость, нет перескопичности. Кроме того, их активный измерительный ка-нал подвержен засветкам от яркого источника света.
Основными тактико-техническими характеристиками квантовых дальномеров являются дальность действия, ошибки измерения расстояния, длинна волны излучения ОКГ, а также все характеристики присущие оптическим приборам. Наличие углоизме-рительного устройства позволяет лазерным дальномерам измерять кроме дальности также и угловые координаты целей. Одним из основных недостатков данных прибо-ров, как уже отмечалось, является активный принцип их действия, что снижает скрыт-ность работы. Это особенно относится к лазерам, работающим в видимой части оптического диапазона. Кроме того, цель, облучаемая лазером, должна иметь определенный коэффициент отражения, чтобы сигнал, отраженный от нее, мог быть зарегистрирован при-емником. На дальность действия квантовых дальномеров влияет и состояние атмосферы: низкая ее прозрачность и особенно туман и дым, значительно снижающие их дальность действия.
Основными операциями при работе на квантовых приборах являются: подготовка к работе, проверка на функционирование, ориентирование, наблюдение в прибор (ведение разведки), измерение углов и расстояний, техническое обслуживание и свертывание.
При подготовке к работе прибор устанавливается на штатный механизм крепления (треногу, кронштейн и т.п.), надежно закрепляется и горизонтируется, т.е. его оптической оси придается направление параллельное линии горизонта. Если электрическое питание прибора осуществляется от внешнего источника, то он подключается к прибору с помо-щью штатного кабеля.
Проверка на функционирование квантовых приборов, как правило, включает внешний осмотр оптических элементов, проверку исправности источника питания, про-верку измерителя временных интервалов (калибровку), проверку работоспособности устройств стробирования и селекции целей, а также проверку правильности измерения дальности.
Ориентирование квантовых приборов осуществляется, как правило, способами вза-имного визирования (с помощью буссоли, гирокомпаса или визира командирской машины управления) либо по известным дирекционным углам ориентирных направлений.
Измерение полярных координат целей при работе на приборе осуществляется путем наведения прибора с помощью оптической системы, измерения дальности и снятия отсчетов со шкал отсчетных механизмов и индикатора дальности.
Техническое обслуживание приборов заключается в совокупности работ по под-держанию его в работоспособном состоянии с сохранением всех технических характеристик.