便携式激光测距机的设计
便携式激光测距机的设计
作者:陈苗海
近十年来, 已有许多便携式激光测距仪机问世。因而在制定这类产品的进一步发展计划时, 方案的考虑要周密细致, 以便使新设计的产品 优于现有的产品。
这类激光测距机在侦测诸如珊堡、 车辆或其它不规律的各种非合作目标的军事应用中, 十分有用。 激光测距的速度快, 隐蔽性好, 在 精度方面要高于普通的光测设备、 雷达和三角 测量技术。 通常,激光测距机采用近红外光谱 的脉冲固体激光器。 通过对发射激光脉冲瞬间 至接收到目标回波脉冲之间经过的时间作精密 的测量, 来确定距离。 最常用的激光器是Nd: YAG, 钦玻璃、红宝石以及最近发展的一些 激光器, 尤其是一些人眼安全的激光器。 本文 将对各种系统、 元件和性能参数作出评价, 以便制造满足要求的低成本设备。
1.系统的制约因素
系统设计需要考虑三个关键的因素:成本、 尺寸和重益, 以及性能。成本 至今许多激光测距机用户, 对千要 采购单价8000-15000美元的测距机而感到气俀。 用户的要求是, 用激光器提高便携式武器 精度节省下来的钱, 应能基本上偿付激光器的 费用。
尺寸和重量 为便千用户接受使用, 激光 测距机的尺寸应很小, 可装在现有武器的瞄准 器上, 并且易于搬运, 使用户的负担最小。 通 常, 这些要求最终使测距机在尺寸和重量方面 类似于一具双筒望远镜。
性能 大多数测距技术的最佳测距精度约 为15~20物, 测程为儿千米。 一般激光测距机 的作用距离为3~4km, 精度为土5~10m。
上述这些因素, 对于激光器的类型,各分 系统组件的性能指标, 以及整个系统的组合和 分解方面, 提出了很高的要求。
分系统的制约因素
有必要设立各分系统的临界条件, 这些条 件与整个系统的要求和系统的制约因素有关。 在设计各个主要元件或组件时, 应该引入一系 列需要进行估计、 标定有效值和确定最佳系统 设计结构的因素。 系统的一些主要元部件是, 激光器, 主电源, 激光探测器, 探测器信号处理器,距离计数器以及系统的组装件和结构件。 为确定某些影响性能的局限因素,现分析如 下。
激光器的设计 如果假设激光测距能力约 为4000m, 那么要求激光器向一个典型目标 发射的脉冲峰值功率, 其回波信号强度恰好可 满足测距接收机能接收到的功率, 此值约为 10~20n W /cm2C1J。取军事目标的标准横截面 积为l.5m2, 反射率约为20例此目标在4km 处的倾角为0.3mrad。 假设全部激光能量由目 标截获, 对此必须确定相应的激光发散角。
由于固体激光器的原光束发散角难以做到 很小, 激光的输出必须通过准直望远镜, 若要增大准直望远镜的倍率, 其孔径尺寸亦增大, 这样激光测距机的尺寸和重量必将随之增加。 换言之, 通过扩展激光器干涉仪的长度, 便可降低原光束的发散度。 但其结果是功率输出降 低而如果增加激光器的输出功率来补偿这一损失, 又将使激光器的尺寸和重量增加。
激光探测器基本上属于峰值功率探测类型, 为此通过缩短干涉仪将激光脉宽变窄, 相比之下, 在同一能量的单脉冲激光情况下, 接收机的灵敏度提高了。但若峰值功率增加过多, 光学系统损坏的可能性也就增加。所有这些因素是激光器各种可 能方案的关键设计因素。 在把这些关键的光学 和机械制约因素、 现有材料及对成本、 尺寸和 重址的影响都考虑在内时,就变得十分复杂(2) 。
绝大多数红外波段的固体激光器棒是掺钦 的基质材料。 虽然已使用的掺钦材料不少, 但 最常用的两种材料是钦玻璃和YA立在过去儿年中, YAG棒的货源短缺, 而且其价格增长 周期几乎与石油产品相等, 无疑, 生长这类晶 体材料需要大量的电力。
最近在使用Kigre公司生产的Q-100型钦 玻璃棒C3) 。 虽然它代替不了Nd:YAG, 但这种 五磷酸盐玻璃的成本节省比为2.5:I, 其效率 仅低15~20例钦玻璃棒的典型尺寸为4mmX 75mm, Q开关工作, 重复频率每秒一次, 在输入能抵小于行时, 每个输出脉冲(脉宽7-10nm)的能量为10,...,15mj。此功率水乎在绝 大多数可见度条件下较所测距离估计的所需功 率增大儿倍。
为获得激光测距所需的短脉冲和高峰值功 率, 采用染料(用塑料密封) Q开关, 既简单 又便宜。 这类复合的有机染料组合在醋酸盐薄膜基片上, 它可使激光器功率储存到所需水平,然后产生瞬间可逆漂白,发射Q开关激光脉冲。当然亦可用另外两种调Q方法,即电光晶体调Q和高速转镜调Q,但这样做需要添加元器件和某些电子电子驱动元件。
选定激光棒和Q开关后,接着需考虑干涉仪的长度如上所述,长的干涉仪提供的光束发散角小, 但输出功率亦小,短的干涉仪可得“ 到的输出功率高, 但原光束的发散角大。 而一台短的激光器, 在宽温度变化范围内或在振动 状态下较易保持准直。
因而在折衷考虑长度与稳定性、束散、输 出功率和脉宽的情况下,加上对尺寸、重量和 市售元件,以及成本的权衡,确定最佳长度范 围为150,...,,200mm。用这一长度的结构,激光 器的输出功率可达lMW,脉宽为7