ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - Российский фонд развития высоких

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Лазерные системы ближней дальнометрии
Ю.К. Конопляников
Начальник отдела ГНЦ «Астрофизика»
А.С. Казаков, к.т.н.
Начальник отдела ГНЦ «Астрофизика»
Ю.М. Лазаренко, к.т.н.
Заведующий лабораторией ГНЦ «Астрофизика»
Б.В. Прилепский
Ведущий научный сотрудник ГНЦ «Астрофизика»
И.И. Пузыревский
Начальник сектора ГНЦ «Астрофизика»
Системы ближней дальнометрии позволяют решать множество задач, связанных с
дистанционным контролем пространственной формы объектов. Области практической
деятельности, где возникают подобные задачи, многообразны. Для успешного решения
измерительных задач необходимо иметь точную количественную информацию о
геометрических размерах, форме и пространственном положении различных объектов. К
таким задачам можно, в частности, отнести:
1. Обеспечение
безопасности
движения
транспортных
средств
в
условиях
пространственных ограничений движению, в том числе:
 контроль габаритов сооружений на железнодорожном транспорте;
 контроль геометрических параметров туннелей и оборудования в метрополитене;
 маневрирования вертолетов в условиях городской застройки;
 близкое прохождение или швартовка судов;
 контроль высоты полета в диапазоне 0.5...10 метров и угла крена летательных аппаратов
при посадке и т.п.
2. Контроль формы деталей и геометрических параметров технологических процессов в
машиностроении.
3. Обнаружение препятствий автономными мобильными роботами и т.д.
Для решения сформулированных выше задач необходимы системы с различными
требованиями к их основным техническим характеристикам: дальности действия, глубине
анализируемой сцены и точности измерений.
Использование сканирующих лазерно-оптических систем - это один из перспективных
современных способов получения точной трехмерной информации об объекте или
совокупности объектов. Принцип построения таких систем несложен. Точный лазерный
дальномер сопряженный с устройством сканирования позволяет «просмотреть» поверхность
объекта точка за точкой и получить для него массив измерений, который обычно называют
картой дальностей. Компьютерная обработка полученной карты дальностей позволяет
определить геометрические параметры и форму объекта.
В докладе сформулированы требования, которым должна удовлетворять система
ближней дальнометрии, вне зависимости от принципа ее действия. Кратко рассматриваются
сами принципы действия, на которых основана работа сканирующих устройств систем
ближней дальнометрии и входящих в их состав измерителей расстояний. Анализируются
технические характеристики ряда систем ближней дальнометрии, созданных для различных
областей применения.
Рассматриваются системы ближней дальнометрии, использующие для измерения
расстояний базовые методы, когда пространственно разнесены лазер и фотоприемное
устройство. Приводятся принципиальные схемы построения таких базовых дальномеров и
обсуждается влияние геометрических параметров измерителя на основные характеристики.
В качестве примера более подробно описывается созданная в России лазерная
сканирующая система ближней дальнометрии для решения задач безопасной
транспортировки грузов на железнодорожном транспорте. Приводятся некоторые ее
технические характеристики, экспериментальные оценки точности и результаты измерений,
полученные при ее эксплуатации.
Мобильный лазерный комплекс большой мощности
В.Г. Востриков, В.Д. Гаврилюк, А.Г. Красюков, В.М. Кузнецов, В.Г. Наумов, В.Е. Черковец
Л.В. Шачкин, В.М. Шашков
ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований
Лазерные технологические установки на базе СО2 лазеров большой мощности в
последнюю четверть века находят применение в ряде отраслей промышленности при
решении таких задач как сварка, резка и поверхностная термообработка различных
материалов. Все известные такие установки  стационарного исполнения и предназначены
для работы в производственных помещениях. Создание мобильных лазерных установок на
базе мощных СО2 лазеров открывает широкий круг принципиально новых технологий в
различных областях.
Основным направлением применения таких установок представляется проведение
аварийно-восстановительных работ на объектах атомной промышленности, газовых и
нефтяных скважинах, при экологических катастрофах, когда приближаться к объекту, на
который необходимо воздействовать, опасно или затруднительно. Мобильный лазерный
комплекс может быть доставлен в заданный район, и в течение нескольких часов быть
подготовлен к решению поставленных задач.
В основу концепции построения мобильного лазерного комплекса положено
оригинальное техническое решение, состоящее в использовании электроионизационного СО2
лазера импульсно – периодического действия, работающего на смеси атмосферного воздуха
с углекислым газом. В его работе используется схема с открытым газовым циклом.
Применительно к проблеме создания мобильного комплекса, главное преимущество этой
схемы, по сравнению с традиционным замкнутым циклом - это отсутствие систем
охлаждения и регенерации газовой смеси. Второй принципиальной особенностью лазера
является дешевая и простая рабочая среда  атмосферный воздух с небольшой примесью
углекислого газа, что особенно важно для работы в экстремальных полевых условиях.
2
Оборудование комплекса располагается на двух автомобильных прицепах. При этом
средство прокачки располагается на одной платформе, а собственно лазер с системой
наведения луча – на другой. Это обеспечивает развязку оптической системы лазерного
комплекса от вибраций, создаваемых двигателем, что способствует достижению высокой
точности наведения луча. Система охлаждения теплонагруженного оборудования автономная, водяная. Для функционирования комплекса необходимо подключение внешнего
электропитания. Автономный запас топлива для двигателя и углекислоты достаточен для
работы в течение одного дня.
Основные характеристики комплекса приведены в таблице.
Тип лазера
Электроионизационный СО2 лазер
Выходная мощность
До 50 кВт
Режим работы
Импульсно – периодический
Длительность импульса
100 – 300 мкс
Частота повторения импульсов
100 Гц
Энергия в импульсе
До 500 Дж
Расходимость излучения
0,3 мрад
Рабочее давление
200 Тор
Расход СО2
0.35 кг/с
Расход топлива (керосин)
0.5 кг/с
Потребляемая
электрическая
850 кВт
мощность
Продолжительность работы в пуске
До 10 мин
Интервал между пусками
30 мин
Масса оборудования
48 тонн
Комплекс создан совместно с НИИЭФА им. Д.В.Ефремова и ЦКБ «Алмаз».
С использованием комплекса проведен целый ряд технологических экспериментов,
выполненных как в условиях лабораторного стенда, так и в полигонных условиях.
Проведено более 800 пусков, в ходе которых комплекс показал надежность в работе и
удобство в эксплуатации.
Проведена
отработка
технологии
дистанционной
резки
различных
металлоконструкций, в том числе труб различного диаметра.
По заданной программе совместно с ООО «Газобезопасность» проведены полигонные
испытания лазерного комплекса. Осуществлена резка фрагментов газовой запорной
арматуры диаметром до 150 мм с толщиной стенки до 20 мм с расстояния 50 метров за один
пуск, в том числе и при прохождении лазерного излучения через фронт пламени глубиной до
5 метров.
Лазерный комплекс позволил провести исследования и сделать выводы и о других его
возможных применений, в частности:
 утилизации и дезактивации оборудования объектов атомной промышленности
продемонстрирована возможность очистки поверхностей от радиоактивных загрязнений;
 эффективного удаления тонких нефтяных пленок с поверхности воды.
3
Созданный мобильный лазерный комплекс большой мощности устанавливает
приоритет России в развитии мобильных мощных лазерных систем и открывает новые
перспективы использования лазеров в различных областях, где их применение до сих пор
сдерживалось отсутствием мобильных лазерных установок.
4