АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха»

От квантовых парамагнитных усилителей до лазерных измерителей скорости и дальности


Ю. В. Абазадзе, Б. К. Рябокуль

В НИИ «Полюс» в период с 1962 по 1970 г. были созданы два разных по своему назначению квантовых парамагнитных усилителя (мазера): на рутиле (TiO2) с примесью хрома Cr3+ и рубине, также с примесью хрома Cr3+. Оба усилителя были оснащены магнитами со сверхпроводящими обмотками. Первый усилитель был разработан для комплекса ПВО, второй — для спутниковой ретрансляции телевизионного сигнала. Работая при сверхнизких температурах (4,2 °К), эти усилители обладали рекордно низкими собственными шумами и, соответственно, самой высокой пороговой чувствительностью, равной 10-23 Вт. Эти устройства использовались в системах в качестве предусилителей сигнала.

В 1962—1967 гг. в НИИ «Полюс» был создан квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны, перестраиваемый магнитным полем в диапазоне частот 1700—2040 МГц и 2100—2460 МГц. В качестве активного вещества использовался монокристалл рутила (TiO2) c примесью Cr3+. Для создания магнитного поля был разработан магнит со сверхпроводящими обмотками (рис. 1), который обеспечивал магнитное поле напряженностью в несколько килоэрстед.

Общий вид магнита со сверхпроводящими обмотками
Рис. 1. Общий вид магнита со сверхпроводящими обмотками

Внешний вид квантового парамагнитного усилителя бегущей волны на рутиле без магнита представлен на рис. 2. При температуре 4,2 °К было получено чистое усиление (по уровню -3 дБ) в полосе частот 1700—2460 МГц, составлявшее 11—16,4 дБ. Мгновенная полоса усиления (по уровню -3 дБ) изменялась от 21,5 до 10,1 МГц.

Квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны без сверхпроводящего магнита
Рис. 2. Квантовый парамагнитный усилитель бегущей волны без сверхпроводящего магнита

В период с 1975 по 1989 гг. в НИИ «Полюс» созданы два частотных лазерных дальномера для систем военно-морского флота: «Кальмар» для системы «Аквилон» и «Козерог» — для системы «Гепард». Обе системы разрабатывались в НИИ «Квант» (г. Киев). Лазерный дальномер «Кальмар» работал с частотой 20 Гц, имел энергию в импульсе 0,3 Дж и был оснащен дневным, ночным и телевизионными каналами.

Лазерный дальномер «Козерог» работал с частотой 30 Гц, имел энергию 0,5 Дж в импульсе и был оснащен устройством синхронного сканирования лазерного луча и оптической оси фотоприемника в пределах ±15` и предназначался для комплексной радиоэлектронной системы «Гепард».

Лазерный дальномер «Козерог» разрабатывался в 1987—1989 гг. Основными отличительными особенностями этого прибора являлось наличие в конструкции прибора механизма сканирования, повышенная энергия лазерных импульсов (0,5 Дж) и увеличенная частота повторения импульсов — 30 Гц. Механизм сканирования «Корректор» (разрабатывался в кооперации с НИИ «Квант») позволял синхронно отклонять в горизонтальном и вертикальном направлениях в пределах ±15` все три оптические оси: передающего, приемного и визирного каналов. Это позволяло отслеживать и удерживать лазерное излучение на передвигающихся объектах. Фотография прибора «Козерог» в составе комплексной радиоэлектронной системы «Гепард» представлена на рис. 3.

Прибор «Козерог» в составе системы «Гепард»
Рис. 3. Прибор «Козерог» в составе системы «Гепард» (прибор справа)

Главный конструктор ОКР «Козерог» Абазадзе Ю.В.

Абазадзе Юрий Владимирович
Абазадзе Юрий Владимирович

Абазадзе Юрий Владимирович.

Родился в 1932 г. в г. Баку АзССР.

В 1959 г. окончил физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.

В НИИ «Полюс» работает с 1962 г.

Кандидат физико-математических наук (1970 г.).

Заместитель начальника НТЦ «Система» по направлению «Лазерные скоростемеры».

Награжден Орденом «Знак Почета».

В период с 1979 г. по настоящее время в НИИ «Полюс» проводятся разработки лазерных дальномеров и скоростемеров на полупроводниковых лазерах различного назначения: НИР «Каскад» (1980 г.), ЛИНД-27, ЛИСД (1981 г.), ЛИСД-1 (1986 г.), ЛИСД-2 (1997 г.), ЛИСД-2М (2000 г.), ЛИСД-2Ф (2007 г.), ДЛК-1 (2006 г.), ДЛ-1 (2004 г.), ДЛ-5 (2010 г.), а также ряд приборов, разработанных вне плана по личной инициативе руководства отделения: ДМЛ-1, ДМЛ-2, ДМЛ-3, ДМЛ-4, ДЛ-3 и ДЛ-6.

Разработки измерителей дальности на полупроводниковых лазерах начались в НИИ «Полюс» в 1979 г. с постановкой НИР «Каскад». Основным достоинством этих приборов являлась их компактность и малые вес и габариты.

Высокая точность измерения дальномеров на основе полупроводникового лазера достигалась за счет возможности высокой частоты повторения импульсов и их последующей обработки. Основной задачей приборов на полупроводниковых лазерах является измерение дальности в пределах 200—600 м со среднеквадратической погрешностью 10—30 см. Увеличение измеряемой дальности достигается за счет усложнения обработки принимаемого пакета импульсов. В последние годы таким путем было достигнуто измерение дальности до 3000 м при некотором увеличении погрешности.

Первые приборы состояли из нескольких блоков общим весом до 4 кг. Последняя разработка — ДЛ-5 (2011 г.) состоит из малогабаритного блока весом менее 200 г (для беспилотного летательного аппарата). При этом приборы решают одинаковые задачи.

Лазерные измерители скорости основаны на измерении изменения расстояния при движении измеряемого объекта за строго определенное время. Скоростемеры также прошли путь от приборов, состоящих из нескольких блоков, до моноблочных весом менее 1,5 кг. В последней разработке ЛИСД-2Ф была введена фотофиксация измеряемого транспортного средства.

Идеология построения и принцип работы лазерного полупроводникового дальномера были отработаны в НИР «Каскад». В результате этой работы появился первый отечественный дальномер на полупроводниковом лазере, представленный на рис. 4. Этот прибор измерял расстояния от 0 до 200 м со среднеквадратической ошибкой измерения дальности 10 см. Прибор испытывался не только в лабораторных условиях, но и на вертолете МИ-6 в качестве высотомера и получил высокую оценку со стороны авиаторов.

Лазерный полупроводниковый дальномер «Каскад»
Рис. 4. Лазерный полупроводниковый дальномер «Каскад»

Разработкой прибора руководили Ф.Ф. Сабиров и В.Л. Почтарев.

Почтарев Валерий Львович
Почтарев Валерий Львович

Почтарев Валерий Львович.

Родился в 1947 г. в г. Москве.

В 1971 г. окончил Московский авиационный институт им. С. Орджоникидзе по специальности «радиотехника».

В НИИ «Полюс» работает с 1976 г.

Награжден Орденом «Знак Почета», Знаком «Почетный радист».

Следующим шагом явилась разработка лазерного измерителя наклонной дальности ЛИНД-27 (ОКР «Кардинал») для комплекса «Советник-СВ». В 1986 г. ЛИНД-27 в составе комплекса «Советник-СВ» применялся при замерах радиации на Чернобыльской АС. Замеры проводились с борта вертолета КА-32.

Вторым направлением развития НИР «Каскад» было развитие лазерных измерителей скорости и дальности НИР «Корректор» (рис. 5). В 1981 г. прибор был испытан совместно с сотрудниками НИЦ ГАИ и получил высокую оценку. Применение лазерной техники для измерения скорости транспортных средств позволило измерять скорость отдельных транспортных средств в потоке машин. Это реализовывалось в результате малой расходимости лазерного излучения. Так, на расстоянии 200 м размер лазерного пятна не превышает 60 см, что меньше поперечных размеров автомобилей.

Лазерный измеритель скорости и дальности ЛИСД
Рис. 5. Лазерный измеритель скорости и дальности ЛИСД

В 1997 г. в рамках ОКР «Корректор-2» была проведена модернизации лазерного измерителя скорости и дальности на новой элементной базе. В результате этой работы появился моноблочный вариант прибора ЛИСД-21 весом 1,5 кг и дальностью действия до 600 м, отслеживающий машины светлых тонов. Среднеквадратическая погрешность измерения скорости составляла 1,5—2 км/ч.

Дальнейшая модернизация ЛИСД-2 была связана с организацией совместной работы с ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева», где при ведущей роли ФГУП НИИ «Полюс» в 2000 г. создан промышленный образец ЛИСД-2М весом 1,3 кг. В этой кооперации ФГУП НИИ «Полюс» был ответственен за идеологию построения прибора и разработку всех электронных блоков, входящих в ЛИСД-2М. Разработка конструкторской документации на прибор в целом и его оптическую часть принадлежала ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева». Активная роль со стороны ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» отводилась его главному инженеру В.В. Потелову и коллективу разработчиков, который возглавлял В.И. Шавкин. Конструкция прибора была выполнена с применением современных технологий и позволила выпустить за короткий срок более 250 приборов, которые эксплуатируются в ГИБДД г. Москвы до настоящего времени. Лазерный измеритель скорости и дальности ЛИСД-2М сертифицирован в Госстандарте РФ.

Дальнейшая модернизация лазерного измерителя скорости и дальности связана с инициативой директора НИИ «Полюс» А.А. Казакова ввести в прибор фотофиксацию нарушения скоростного режима. Модернизация прибора ЛИСД-2Ф (рис. 6) была завершена в середине 2007 г.

Лазерный измеритель скорости и дальности ЛИСД-2Ф
Рис. 6. Лазерный измеритель скорости и дальности ЛИСД-2Ф, установленный на штативе,
с блоком автономного питания

При создании ЛИСД-2Ф в уже сложившуюся кооперацию вошло третье предприятие — ООО «НИЦ ИСС» во главе с генеральным директором А.Л. Аматуни. Этим коллективом была разработана встроенная в конструкцию ЛИСД-2Ф система, которая фиксировала на дисплее прибора дорожную обстановку. Специальная метка, выводимая на дисплей прибора, указывала в потоке машин на автомобиль, скорость которого измерялась. При этом на дисплее высвечивалась информация об измеренной скорости, допустимой скорости на данном участке дороги, расстоянии, времени и дате фиксации нарушения. Изображение транспортного средства и данные измерения могли заноситься во флеш-память прибора для возможности переноса в память компьютера и последующего оформления протокола нарушения.

ЛИСД-2Ф сертифицирован в Агентстве по регулированию и метрологии РФ не только как средство измерения скорости, но и как средство идентификации транспортного средства, нарушившего скоростной режим.

В 2007—2008 гг. было выпущено 100 шт. ЛИСД-2Ф, которые были поставлены в 25 регионов России. В создании ЛИСД-2Ф со стороны НИИ «Полюс» принимали участие В.Л. Почтарев, Н.А. Лицарев, А.Ю. Хачиев, А.К. Потапов, М.В. Медведева.

С 2006 г. работы по созданию лазерных дальномеров и скоростемеров возглавляет Б.К. Рябокуль.

Рябокуль Борис Кириллович
Рябокуль Борис Кириллович

Рябокуль Борис Кириллович.

Родился в 1946 г. в г. Саранск.

В 1971 г. окончил Рязанский радиотехнический институт.

В НИИ «Полюс» работает с 1977 г.

Начальник НТЦ «Система».

В 2006 г. был разработан лазерный полупроводниковый дальномер ДЛК-1 (рис. 7) с дальностью действия до 3000 м. Повышенная дальность действия ДЛК-1 связана с применением в приборе метода статистической обработки отраженных сигналов, находящихся в шумах и их накопления. При этом возрастает погрешность измерения до ±3 м. В случае достаточного уровня отраженного сигнала прибор автоматически переходит в режим обычной обработки отраженных сигналов, при этом точность измерения дальности повышается до ±1 м. Габаритные размеры ДЛК-1 — 250 x 200 x 105 мм, вес — не более 1,5 кг. Прибор ДЛК-1 внесен в Государственный реестр средств измерений под № 33172-06. Сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии RU.E.27010A № 25879 от 12.12.06 г. Разработка ДЛК-1 проводилась в кооперации с ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева».

Лазерный полупроводниковый дальномер ДЛК-1
Рис. 7. Лазерный полупроводниковый дальномер ДЛК-1

В 2006 г. был разработан лазерный дальномер ДЛ-1. ДЛ-1 предназначен для измерения расстояний до естественных объектов и определения профиля подстилающей поверхности с высокой точностью и разрешающей способностью. ДЛ-1 имеет встроенную систему контроля работоспособности. Диапазон измерений дальности при метеорологической дальности видимости не менее 5 км: над водной поверхностью — 200 м, над земной поверхностью — 600 м. Максимальная дальность — 1000 м. Масса прибора — не более 1,4 кг.

В 2006 г. совместно с ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» был разработан лазерный измеритель скорости и дальности ЛИСД-2ЖТ (рис. 8). Заказчиком разработки этого прибора выступило ОАО «НИИАС», входящее в состав ОАО «Российские железные дороги». Прибор был предназначен для включения в состав системы «Призма», обеспечивающей безопасность железнодорожных составов при перемещении в тупики пассажирских станций. В 2007 г. было изготовлено 8 приборов. Этими приборами в составе системы «Призма» оборудовано шесть железнодорожных тупиков Ярославского вокзала г. Москвы. По результатам эксплуатации системы «Призма» в 2008 г. была произведена модернизация лазерного измерителя скорости и дальности ЛИСД-2ЖТ и системы «Призма»; в 2009 г. в обновленном виде изготовлено и поставлено 6 образцов ЛИСД-2ЖТМ для оборудования тупиков Павелецкого вокзала г. Москвы.

Лазерный измеритель скорости и дальности ЛИСД-2ЖТ
Рис. 8. Лазерный измеритель скорости и дальности ЛИСД-2ЖТ

Лазерный измеритель скорости и дальности ЛИСД-2ЖТМ выдавал информацию в систему «Призма-М» о скорости и дальности до тупика перемещаемого состава с частотой 2 Гц. В системе «Призма-М» эта информация обрабатывалась и поступала на пульт в кабине машиниста, находящегося в конце состава. В критических ситуациях при отсутствии реакции машиниста автоматически включалась тормозная система.

Со стороны НИИ «Полюс» в работе принимали участие В.Л. Почтарев, Н.А. Лицарев, А.Ю. Хачиев и М.В. Медведева.

В 2011 г. разработан лазерный высотомер ДЛ-5 (рис. 9). Диапазон измерения расстояний при МДВ не менее 10 км и коэффициенте отражения подстилающей поверхности не менее 0,2 составляет от 2 до 1000 м. Диапазон измеряемых расстояний разбит на два поддиапазона, переключение которых осуществляется автоматически по уровню отраженного сигнала. В диапазоне измеряемых дальностей от 2 до 200 м максимальная погрешность измерения составляет 0,5 м; в диапазоне от 200 до 1000 м — 1 м. Частота выдачи информации в первом поддиапазоне — 50 Гц, во втором — 10 Гц. Вес прибора — не более 200 г. Габариты — 87 x 74 x 40 мм.

Лазерный высотомер ДЛ-5
Рис. 9. Лазерный высотомер ДЛ-5

Работу выполняли В.Г. Волобуев, В.Л. Почтарев, Д.И. Игнатьев, С.С. Михайлов, А.Ю. Хачиев, М.В. Медведева.

Миниатюрные измерительные средства на основе полупроводниковых лазеров уже составляют заметную часть рынка лазерных приборов и имеют большие перспективы дальнейшего развития.

НТЦ «Система»
НТЦ «Система».
Слева направо, сверху вниз: Куляшов В.Н., Потапов А.К., Почтарев В.Л., Хачиев А.Ю., Александрова Е.Ю.,
Лицарев Н.А., Кочетков Е.И., Вильнер В.Г., Морошкин А.Ю., Михайлов С.С., Зазулин В.С., Абазадзе Ю.В.,
Седова Н.В., Александрова Н.Г., Рябокуль Б.К., Судакова Н.С., Лаврухина Л.В., Медведева М.В.
Почтовый адрес
РФ, 117342, г. Москва,
ул. Введенского, д. 3, корп. 1
Телефон и факс
Телефон:
+7 495 333-91-44
Факс:
+7 495 333-00-03
Интернет
E-mail:
bereg@niipolyus.ru
Skype:
niipolyus