Военное применение лазерной техники с низкой энергией излучения

Помимо боевых лазеров с высокой энергией направленного излучения в арсенале военных имеются также вспомогательные лазерные приборы с гораздо меньшей энергией импульса. Их можно разделить на следующие группы:

1. Лазерные дальномеры (ЛД).
2. Системы лазерного сканирования (LiDAR).
3. Лазерные целеуказатели (ЛЦУ).
4. Лазерные головки самонаведения (ЛГСН).
5. Средства электронно-оптического противодействия (СЭОП).

Далее мы рассмотрим каждую группу лазерной техники по отдельности и начнём с лазерных дальномеров.

Лазерные дальномеры

Практически все оптико-электронные системы (ОЭС), применяемые в военных целях, имеют в своём составе лазерный дальномер (ЛД). Данный прибор предназначен для измерения расстояния до цели. Импульсный лазерный дальномер — это устройство, состоящее из импульсного лазера коротковолнового ИК диапазона (1,535 / 1,064 мкм) и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Принципиальная схема устройства лазерного дальномера выглядит следующим образом:

Долгое время фотоприёмные устройства (детекторы) в лазерных дальномерах строились на базе PIN фотодиодов, однако с постепенным технологическим развитием наметился переход на APDфотодиоды, которые основаны на эффекте «лавинного пробоя». 

Что же касается лазерных излучателей, то их в настоящее время насчитывается три вида:

• Лазерные излучатели с диодной накачкой – это наиболее распространённый вид лазерных излучателей, который имеет хорошее соотношение цены и качества, а также отличается компактностью, однако у диодных лазеров имеются серьёзные ограничения по дальности действия (в пределах 5км касательно малогабаритных целей).

• Лазерные излучатели с ламповой накачкой – это ламповые квантроны на CO₂ , хотя они и считаются устаревшими, но до сих пор используются там, где нужно определять расстояния до объектов на дальних дистанциях (до 30км и далее).
• Волоконные лазеры – это самый современный тип лазерных излучателей. Их преимущество заключается в хорошей коллимации луча, что позволяет определять расстояние до объектов размером менее 1м на дистанции до 10 км.

Лазерные дальномеры по большому счёту являются частным случаем систем лазерного сканирования, т.к. если мы увеличим в ЛД число лазерных излучателей и поставим в этот прибор фотоприёмное устройство с достаточно широким полем зрения, то мы уже сможем не только определять расстояние до объекта, но и сканировать его поверхность в двухмерном или даже трёхмерном режиме. Такая технология получила наименование Light Detection And Ranging («обнаружение и определение дальности с помощью света»), сокращённо – LiDAR. 

Системы лазерного сканирования (Lidar)

Приборы дистанционного лазерного сканирования помимо двухмерных (2D LiDAR) и трёхмерных (3D LiDAR) могут быть секторальными (с ограниченным углом обзора) и панорамными (с обзором 360° в горизонтальной плоскости), а также они подразделяются на лазерные сканеры прямого детектирования, когда лазерный луч напрямую достигает объекта и, отражаясь от него, также напрямую поступает в фотоприёмное устройство, и на лазерные сканеры с когерентным детектированием, когда зондирующее излучение сначала проходит через оптический делитель и какая-то его часть получает некоторый сдвиг по частоте и фазе. Преимуществом лазерных сканеров с когерентным детектированием является их способность сканировать не только объекты абсолютно непрозрачные для лазерного излучения, но и объекты, преломляющие его, например аэрозольные взвеси, сосредоточенные в атмосфере, что позволяет определять наличие в воздухе на различных дистанциях боевых отравляющих веществ и даже идентифицировать некоторые из них. При этом излучатель и фотоприёмное устройство не обязательно должны полностью находиться в одном поле зрения, иногда имеет смысл в их разделении на отдельные приборы, находящееся на некотором расстоянии друг от друга.  

В свою очередь лазерные сканеры прямого детектирования могут иметь излучатели, работающие на разной длине волны в диапазоне от 1 до 1,5мкм. Это позволяет при использовании мультиплексора распознавать достаточно мелкие элементы окружающей обстановки. В качестве примера можно привести многоволновые системы лазерного сканирования, устанавливаемые на вертолётах и БПЛА мультикоптерного типа, главным предназначением которых является обнаружение воздушных препятствий в виде проводов электросетей или специально натянутых металлических тросов, поскольку такие объекты не всегда можно увидеть с помощью обычных наблюдательных приборов или рядовых систем технического зрения.

Своими особенностями отличается сфера подводного применения лазерных сканеров, которые позволяют не только производить картографическую съёмку морского рельефа (батиметрия), но и идентифицировать глубинные мины, что затруднительно сделать с помощью средств гидроакустики. В отличие от наземных систем лазерного сканирования, которые как правило легированы эрбием или иттербием и работают в ближнем ИК диапазоне, их подводные аналоги построены на базе лазеров Nd:YAG, излучающих в видимом диапазоне (0,532мкм). Это связано с особенностями пропускания и поглощения электромагнитных волн различной длины в подводной среде.

В целом задачи, решаемые с помощью дистанционных лазерных сканнеров, можно разделить на три группы:

1. Топографическая (в т.ч. батиметрическая) съёмка местности.
2. Ориентация (оптическая навигация) автономных транспортных средств.
3. Обнаружение и идентификация скрытых (замаскированных) объектов.

И если выполнение первой и третьей задачи вполне отвечает особенностям военного применения, то решение второй задачи требует дополнительной доработки, т.к. действие коротковолновых ИК лазеров легко обнаружимо при использовании SWIR камер и таким образом демаскирует свой носитель.

Лазерные целеуказатели

Лазерные целеуказатели (ЛЦУ) — это приборы, устанавливаемые на различных видах стрелкового оружия для того, чтобы коллимированный лазерный луч формировал на цели яркую точку, соответствующую предполагаемому месту поражения. Поскольку дальность действия ЛЦУ не велика, в них как правило используются диодные лазерные излучатели видимого или ближнего ИК диапазона.

Исходя из рабочей длины волны лазера, ЛЦУ можно разделить на следующие виды:

1. Красный луч (635—670 нм). Это самый бюджетный и поэтому самый распространённый вид   ЛЦУ. Однако он хорошо виден не только тому, кто целится, но и тому, в кого целятся.
2. Фиолетовый луч (405 нм).  Это более редкий и менее заметный вид ЛЦУ.
3. Зелёный луч (532 нм) на базе неодимового лазера. Оптимальный для наблюдателя, но достаточно дорогостоящий вид ЛЦУ.
4. ИК лазер (780, 808 и 850 нм). Данный тип излучателя не виден невооружённым глазом, поэтому используется совместно с приборами ночного видения (ПНВ). Такие ЛЦУ имеют наибольшую дальность действия.

ЛЦУ является простейшим средством лазерного наведения, но существуют и более сложные приборы с гораздо большей дальностью действия, о которых пойдёт речь ниже.

Высокоточные системы лазерного наведения

Лазерные головки самонаведения (ЛГСН) представляют собой оптические приборы, предназначенные для наведения самоуправляемых боеприпасов на цель, которые устанавливаются в головной части ракет или снарядов:

ЛГСН по принципу своего действия делятся на активные, полуактивные и пассивные системы. Активные ЛГСН подразумевают установку лазерного излучателя ближнего ИК диапазона и фотоприёмного устройства на одном носителе (внутри единой электронно-оптической системы). После запуска носителя, лазерный луч достигает цели и отражаясь от неё поступает в фотоприёмник, затем траектория носителя автоматически корректируется согласно направлению зондирующего лазерного сигнала. Существуют также активные ЛГСН, где в качестве главного оптического элемента используется лазерный сканер (LiDAR), что позволяет не только наводиться на цель, но и идентифицировать её по отсканированному изображению.  Активные системы лазерного наведения наиболее точны, но в то же время они достаточно сложны и дорогостоящи. Кроме того, есть методы эффективного противодействия таким системам, например вокруг объекта нацеливания может быть распылено аэрозольное облако, поглощающее ИК излучение, что способно воспрепятствовать точному наведению носителя на цель. Сложнее скрыть объект нацеливания, если излучатель и фотоприёмник находятся в разных местах, такие системы лазерного самонаведения именуются полуактивными ЛГСН.

Полуактивные ЛГСН получили наибольшее распространение благодаря достаточно гибкой приборной схеме, поскольку местоположение лазерного излучателя может быть напрямую никак не связано ни с носителем ЛГСН, ни с устройством, осуществляющим его запуск:

Ещё один вид систем лазерного самонаведения представляют собой пассивные ЛГСН. Пассивное самонаведение ‒ такой способ наведения носителя ЛГСН, при котором приемная аппаратура, установленная на нём, анализирует лазерное излучение, приходящее от самой цели, и никакого внешнего зондирующего сигнала для такой головки не требуется.  Чаще всего пассивные ЛГСН используются на ракетах класса земля-воздух и воздух-воздух. Это прежде всего обусловлено широким использованием различной лазерной техники на авиационных носителях, которая испускает необходимое излучение для пассивного определения направления удара.

Однако, помимо систем лазерного целеуказания существуют также лазерные средства, препятствующие нацеливанию.  

Средства электронно-оптического противодействия (СЭОП)

Существуют различные методы противодействия электронно-оптической разведке, однако при этом первичной задачей тут всегда является своевременное обнаружение оптических приборов противника, особенно пассивных (не испускающих излучение). Для этой цели используются наблюдательные устройства с активно-импульсным лазерным излучателем, работающим в ближнем ИК диапазоне. Обнаруживаемый оптический прибор подсвечивается лазерным лучом и отражает его часть как рассеянное излучение, которое после этого поступает в светочувствительный фотоприемник на основе КМОП или ПЗС сенсора. Для затруднения маскировки антибликовых покрытий в одном устройстве могут использоваться несколько лазеров, излучающих на разной длине волны коротковолнового ИК спектра. Одновременно активно-импульсный режим работы лазера позволяет определять дальность до отражающего объекта по времени прохождения переданного и отраженного лазерного луча, а также работать в режиме стробирования, исключая помехи от рассеяния в ближней зоне, поэтому такая схема может применяться в плохих метеоусловиях и даже сквозь растительность или затемнённое стекло. Подобные приборы, предназначенные для обнаружения скрытой оптики, получили название «антиснайпер»:

Как уже было сказано выше, работу активных (излучающих) лазерных приборов (дальномеры, лазерные системы сканирования, лазерные целеуказатели и т.д.) можно обнаружить с помощью камер, предназначенных для визуализации коротковолнового ИК диапазона (т.н. SWIR камеры).

После того как оптическая система обнаружена, возникает необходимость противодействия ей, для чего в составе СЭОП также предусмотрено использование лазерных излучателей. Прежде всего речь идёт о прямом подавлении электронно-оптических систем противника с помощью антисенсорных лазеров. Лазерные излучатели направленного действия с энергией всего в несколько джоулей способны вызвать временное «ослепление» электронно-оптических устройств, а лазерный луч более высокой мощности, посылаемый в направлении расположения вражеского лазерного целеуказателя, способен парализовать его действие.

Ещё одним способом противодействия системам лазерного наведения, помимо прямого подавления сигнала, может быть перенацеливание на ложную цель, которая находится на безопасном расстоянии от истинной цели. Для этого используется более мощный лазерный излучатель, который при обнаружении работы системы лазерного наведения противника излучает лазерные импульсы в нужном направлении и отражённый сигнал именно от этого излучения попадает в фотоприёмное устройство на вражеском носителе.

Таковы основные особенности военного применения лазерной техники с низкой энергией излучения.