Как работают лазерные дальномеры

Главный оптический форум
Ответить
Bf 109
Ефрейтор
Ефрейтор
Сообщения: 246
Зарегистрирован: 17 янв 2006, 14:29

Сообщение Bf 109 » .

Понимая принцип работы точных приборов, вы сможете эффективно использовать их в полевых условиях, избегая возможных ошибок.
Все лазерные дальномеры (в названиях моделей часто присутствует аббревиатура LRF - laser rangefinders) работают по одной схеме. Нажатие кнопки заставляет прибор 'выстрелить' лазерным лучом, состоящим из множества импульсов. Эти импульсы отражаются от попадающихся им на пути объектов и возвращаются в приемник дальномера. Высокоскоростной секундомер измеряет время, затраченное лучом на прохождение расстояния до цели и обратно. Зная скорость луча (скорость света), прибор рассчитывает расстояние до цели. Дистанция отображается на дисплее.
Изображение
Хотя все лазерные дальномеры работают по одному принципу, они сильно отличаются по своим свойствам. Способность измерять расстояние до удаленного объекта зависит от множества факторов. Вот основные из них:
Возможность разглядеть цель
Это означает хорошую качественную оптику с достаточной кратностью увеличения. Вы не сможете померить расстояние до цели, если не будете ее видеть. Большинство стрелков предпочитает кратность 8х или 10х. Проводя полевые испытания дешевого дальномера с оптической кратностью 5х, мы осматривали сектор в поисках целей и спустя какое-то время решили, что обнаружили все имеющиеся. Но осмотрев поле в оптику с кратностью 10х, сразу же обнаружили цель, не замеченную нами в изделие с 5-кратным приближением. Однако действительно высококачественные линзы могут компенсировать кажущуюся недостаточной кратность. На 1500 метров вы лучше, более детально рассмотрите мишень в зрительную трубу Leica 45х, чем в Bushnell с кратностью 60x. И стекла должны быть хорошими, и увеличение должно быть достаточным - важны оба параметра.
Возможность попасть лазерным лучом в цель
В первую очередь это зависит от расхождения луча, т.е. насколько он 'сфокусирован'. Здесь не все просто: нельзя однозначно сказать, что лучше - узконаправленный или расходящийся луч. О расхождении луча далее мы поговорим подробнее. На количество лазерной энергии, достигающей мишени, влияют количество и тип лазерных импульсов, длина волны и прочие факторы, которые сложно выразить цифрами технической спецификации.

Апертура приемника
Диаметр отверстия приемника отраженного лазерного сигнала, который передает отраженные лазерные импульсы на сенсор. Чем больше апертура, тем больше информации получает сенсор. Это значит, что прибор имеет большую максимальную дальность измерения. Размер апертуры не только определяет максимальную дистанцию, но влияет на точность измерений на всех доступных дистанциях. Дальномером с большей апертурой проще измерить расстояние до малоразмерной цели.

Анализ прибором полученной им информации
Разные производители используют разные алгоритмы обработки сигналов. Одни дальномеры 'умнее' других. Старые модели выдают дистанцию лишь до первого объекта, оказавшегося на пути их луча. В современных устройствах применена многоимпульсная технология. В течение очень короткого промежутка времени они выстреливают очередь из сотен, а то и тысяч лазерных импульсов. Потом они анализируют количество полученных откликов, отсеивая незначительные результаты, что позволяет им игнорировать случайные помехи (кусты, туман, капли дождя), с наибольшей долей вероятности выдавая расстояния до интересующего вас объекта. Чем больше импульсов способен выпустить прибор, тем больше вероятность 'зацепить' небольшую или плохо отражающую сигнал цель. 'Мозги' дальномера имеют огромное значение для эффективности дальномера.
Расхождение луча и его влияние на точность дальномера
Расхождение луча, иначе называемое дивергенцией - это угловая величина, обычно выражаемая в миллирадианах (милах), характеризующая 'сфокусированность' лазерного излучения. В большинстве случаев чем уже луч, тем выше точность и максимальная дистанция измерений. Если сравнить два идентичных дальномера, отличающихся лишь расхождением лучей, именно эта характеристика определит, какой из них эффективнее. Чем больше энергии лазерного излучения падает на цель, тем больше ее отразится от цели обратно в приемник дальномера. Однако если дальномер 'умно' анализирует получаемую информацию, он справится с далеко не идеальным расхождением. И, кстати, расхождение луча играет двоякую роль в работе дальномера.
Изображение
Чтобы лучше понять смысл расхождения, представьте, что у вас есть две винтовки: кучность первой составляет 2,5 МОА (угловых минуты), кучность второй - 0,5 МОА. Какая из них с большей вероятностью попадет в мишень на 900 метрах? Если вы хотите поразить круг диаметром 30 см на расстояниях до 250 метров, можно взять любую их двух винтовок. Но по мере увеличения расстояния или уменьшения размера мишени кучность винтовки становится критичной. То же самое и с расхождением луча - если вам надо измерять расстояние до относительно крупной цели (например, олень), находящейся не далее 500 метров, то можете не беспокоиться о расхождении луча. Другое дело, если цель мельче или стоит дальше.
Я слышал о расхождениях луча 4х2 мила, а у одной модели армейского дальномера расхождение не превышало 0.3 мила.
Изображение
А теперь представьте себе не две винтовки с разной кучностью, а два пулемета, один из которых стреляет практически в одну точку, а у другого поперечник рассеяния - не менее метра на 100 метрах. Какой из них вы предпочтете иметь в своем окопе, чтобы попасть в противника еще на дальних подступах при условии, что патронов у вас тысячи, как импульсов при одном замере? Ведь лазерный луч состоит из сотен импульсов, которые он выпускает очередью, буквально как из пулемета. Если надо померить расстояние с рук до отдельно стоящего удаленного объекта, то широким лучом больше шансов попасть в него, нежели узким?
Изображение
В большинстве случаев идеальным будет расхождение луча примерно 1.5х0.5 мила, что позволяет уверенно определять расстояния в диапазоне от 500 до 2000 метров.
Изображение
Когда производитель говорит, что максимальная дальность измерения 1 км, это значит, что у вас есть шанс измерить такую дистанцию при идеальных условиях (например, при низко освещенности, со штатива, до очень большой цели с отражающей поверхностью. По моему опыту при обычных дневных условиях наблюдения (при ярком солнце) реальная максимальная дистанция измерения до объекта с габаритами 2 угловые минуты (МОА) не превышает 70-80% от указанной в паспорте изделия.
Что именно измерил прибор?
Простой пример, поясняющий, что же 'увидел' дальномер. На рисунке изображены две непростые ситуации. Желтые цели внутри красной рамки, обозначающей границы расхождения луча. В обоих случаях дальномер, скорее всего, 'зацепит' дерево, саму цель, ближний холм, дальний холм.
Изображение
Следующие иллюстрации упрощенно пояснят, что 'видит' дальномер при замере одной из трудных мишеней. На первой показана сетка из 200 ячеек. Представьте, что это выпущенные дальномером лазерные импульсы. Синие ячейки обозначают отраженные импульсы, принятые прибором через свою апертуру и учтенные им. Если ячейка не закрашена синим цветом, значит, дальномер не принял сигнал от этого импульса либо по причине плохой отражательной способности объекта (дерево не так хорошо отражает сигнал, как металл), либо из-за его расположения под углом к импульсу (склон холма расположен под углом, в отличии от гонга, поверхность которого перпендикулярна лучу).
Изображение
Вот вид сбоку на ту же сцену, показывающий, куда попадают импульсы, и какие из них отражаются обратно к измерительному устройству.
Изображение
Менее чем за секунду дальномер обработает все принятые им сигналы. Получится гистограмма, показанная ниже. Это те данные, которыми располагает дальномер, и на основании которых он должен решить, какое расстояние отображать на дисплее.
Изображение
Как дальномер анализирует результаты и решает, что отображать
Теперь начинается самое интересное. В современных дальномерах могут использоваться различные алгоритмы для расчета дистанции. Вот некоторые из наиболее часто применяемых:
1. Первый импульс - По этому алгоритму работают старые, примитивные дальномеры. Когда прибор получает первый отраженный импульс, т.е. от ближайшего объекта, он рассчитывает и отображает дистанцию до него. В нашем примере это будет 225 метров.
2. Первый пик - Алгоритм похож на #1, но вместо первого импульса выбирается первый пик совпавших импульсов. Такой подход помогает избежать фальшивых показаний, вызванных дождем или туманом. Капли дождя не могут создать пика. Программисты могут задать пороговое значение типа 'принимать в расчет первый пик, состоящий по меньшей мере из двух импульсов'. В нашем примере отобразятся 230 метров.
3. Высочайший пик - Учитываются все показания, обнаруживается самый большой пик и предполагается, что это именно искомая дистанция. В целом это успешный подход, но особенно он эффективен при замере расстояния до хорошо отражающих сигнал объектов, грань которого перпендикулярна лазерному лучу. В нашем случае получим 350 метров.
4. Самый большой кластер - Тоже учитываются все показания, но выбирается самая большая группа импульсов. В нашей гистограмме на 350 метрах рядом оказались 7 импульсов, отразившиеся от мишени, мишенной стойки и земли рядом с нею. Но на 650 метрах оказались 8 импульсов, отразившиеся от дальнего склона. На дисплее отобразятся 650 метров.
5. Последний пик - Алгоритм похож на #2, но ищет самый удаленный пик. Этот прием эффективен, если хотим померить расстояние до цели, спрятанной за кустами. В нашем примере получим 650 метров.
Есть множество алгоритмов, согласно которым дальномеры интерпретируют результаты. Проблема в том, что никакой из них не идеален для всех условий. Мы намеренно рассмотрели трудный случай, показывающий слабые стороны каждого подхода. И хотя алгоритм #3 вроде бы дал правильную дистанцию, можно придумать другие ситуации, где 'высочайший пик' не даст верного показания. Например, цель недостаточно хорошо отражает лазерные импульсы или расположена не перпендикулярно лучу.
Большинство дальномеров запрограммированы на использование какого-то одного алгоритма (обычно #1 или #2), но некоторые продвинутые модели допускают выбор режима работы самим пользователем.
Такие 'умные' приборы позволяют человеку сказать дальномеру, какой именно алгоритм с максимальной долей вероятности даст интересующие результаты. Пользователь способен лучше оценить условия, при которых производятся измерения - например, цель частично закрыта веткам, либо измеряем расстояние до очень маленького объекта. Правильная оценка окружающей обстановки и удачный выбор дальномера дадут оптимальные результаты.

Gratius
Подпоручик
Подпоручик
Сообщения: 3054
Зарегистрирован: 17 фев 2008, 22:11

Сообщение Gratius » .

Со всем к Вам уважением, позволил себе дать ссылку на Ваш труд Модератору - F.A.Q. по НВ для новичков #506 . Надеюсь, Вы не против.
Bf 109
Ефрейтор
Ефрейтор
Сообщения: 246
Зарегистрирован: 17 янв 2006, 14:29

Сообщение Bf 109 » .

Изначально написано Gratius:
Со всем к Вам уважением, позволил себе дать ссылку на Ваш труд.

Спасибо, Gratius. Я только ЗА. Надоело лишь продавать здесь. Иногда надо и полезной информацией делиться :-)
dmut
Рядовой
Рядовой
Сообщения: 153
Зарегистрирован: 12 янв 2008, 13:30

Сообщение dmut » .

хороший труд, монументальный.
только с принципиальной ошибкой в самом начале.
дальномеры не измеряют время между "выстрелом" луча и "получением".
для этого нужны слишком высокие частоты анализатора.
для измерений с точностью 1 метр нужна частота 300*2 мегагерца. множитель 2 появляется из теоремы Найквиста-Котельникова. причем 2 это минимальный множитель. для лучшей обработки ошибок и меньшей погрешности лучше иметь больше 2х.
то есть для прямого измерения времени нужны гигагерцовые устройства.
а я напомню, что лазерные дальномеры появились еще в 60х, тогда не было никаких гигагерцовых вычислительных устройств.
даже сейчас это дорого и кушает много энергии.
на самом деле, современные лазерные дальномеры потребительского уровня испускают поток сигналов с заранее известной модулированной частотой и при приёме ловят интерференцию этой частоты, получают пик. и для измерения этих пиков нужны гораздо более грубые и дешевые устройства, порядка килогерц.
в общем, теория измерения сигналов давно расписана, я удивлен что вы решили написать такой труд только на основе собственных измышлений, не заглянув в литературу.
Bf 109
Ефрейтор
Ефрейтор
Сообщения: 246
Зарегистрирован: 17 янв 2006, 14:29

Сообщение Bf 109 » .

Как я и ожидал, критическое замечание не заставило себя долго ждать.
"Монументальный" труд не мой - я просто перевел статью из американского издания. Автор не углублялся в никому не нужную теорию (Котельникова с его знаменитой теоремой помню по институту :-)) и я полностью согласен с его подходом. Пользователю дальномера параллельно, каким образом происходит замер - по фазе или по времени. Это не учебник по волновой теории.
В любом случае благодарю за комментарий.
Аватара пользователя
yevogre
Капитан
Капитан
Сообщения: 11820
Зарегистрирован: 17 сен 2010, 15:02
Страна: Латвия
Откуда: Огре

Сообщение yevogre » .

Bf 109 писал(а): Пользователю дальномера параллельно, каким образом происходит замер - по фазе или по времени. Это не учебник по волновой теории.
Вы АБСОЛЮТНО правы!
Но пользователю интересно другое:
ПОЧЕМУ замеры от одинакового производителя дают разные результаты?
Никогда не задумывались? :D :D

Bf 109
Ефрейтор
Ефрейтор
Сообщения: 246
Зарегистрирован: 17 янв 2006, 14:29

Сообщение Bf 109 » .

Изначально написано yevogre:
ПОЧЕМУ замеры от одинакового производителя дают разные результаты?

Этот как раз и объясняется в статье :-)
Читаем текст внимательно!

Bf 109
Ефрейтор
Ефрейтор
Сообщения: 246
Зарегистрирован: 17 янв 2006, 14:29

Сообщение Bf 109 » .

yevogre, на больших расстояниях не бывает двух одинаковых замеров, как не бывает двух одинаковых дальних выстрелов. Результаты замеров на дистанциях, на которые рассчитаны дальномеры, будет одинаковы или очень близки в рамках допустимой погрешности.
ПОЧЕМУ замеры от одинакового производителя дают разные результаты? - Если условия измерения не меняются, то и результат будет стабилен.
Аватара пользователя
yevogre
Капитан
Капитан
Сообщения: 11820
Зарегистрирован: 17 сен 2010, 15:02
Страна: Латвия
Откуда: Огре

Сообщение yevogre » .

Bf 109 писал(а): Если условия измерения не меняются, то и результат будет стабилен
У всех дальномеров?
Не торопитесь отвечать....
Я некоторое время работал с Джейсоном Тайаном, владельцем Apresys.
И проводил некоторые анализы.
И по форме пятна, и по коллимации.
Но все касалось ТОЛЬКО оптической части, которую из уравнения обычно просто выбрасывают.
Даже в монументальном труде Бауманки под редакцией Карасика
https://rucont.ru/efd/287581
к оптике приемного канала отношение несколько презрительное, ИМХО.
Кстати, данный труд доступен бесплатно если набрать в поисковике.
Я-бы рекомендовал обращать внимание на цену прибора.
Ибо дешевые приборы собирают насыпкой и характеристики могут разнИца до 40%

Bf 109
Ефрейтор
Ефрейтор
Сообщения: 246
Зарегистрирован: 17 янв 2006, 14:29

Сообщение Bf 109 » .

Благодарю за ссылку на учебник. Постараюсь ознакомиться.
Ответить

Вернуться в «Общий»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость