某型俄制机载激光测距器模块化改进
某型俄制机载激光测距器模块化改进
作者:顾进;
某型俄制机载激光测距仪由激光发射装置和接收装置共8个部件及安装框架组成。激光发射器、电子部件、高压电源部件、计时器及高压脉冲变换部件组成激光辐射组件,用于激光输出信号的形成。接收部件、电源部件、时间间隔测量器、变换器完成光信号的接收与时间间隔的计算并与上位机通讯。
激光测距器模块化改进主要针对激光测距器的调 Q 模式和光电探测器进行升级替换,对电源部件、电子部件及激光物质等进行元器件进行可靠性调高,提高系统的参数指标和整体稳定性。
1 技术要求及研究目的
1.1 主要技术指标
(1)激光测距器测距距离 :0.3至10km ;
(2)激光测距器测距分辨率 :不超过 ±150m ;
(3)激光测距器连续工作时间 :2Hz 模式≤11.5min 10Hz 模式≤3.5min ;
(4)激光测距器电气参数合格 ;
(5)激光测距器快门装置检查合格 ;
(6)激光测距器虚警概率 :不超过5×10-2次。
1.2 研究目的
1.2.1参数提升
在确保系统工作原理的前提下,通过各部件模块化改进,实现测距距离、精度、系统工作的稳定性等参数提升。
1.2.2降低故障率,
在模块化改进修理过程中,采用新型元器件替代俄制器件,实现系统可靠性提升,对维护过程中易损易耗的元器件,选用性能稳定性更高的器件替换,降低系统故障率。
1.2.3降低修理成本
通过模块化改进修理,采用国产器件尤其对光电探测器、快门转镜等易损核心器件的替换,及消除冷却加温部件失效风险后,大幅降低后期产品维护的成本。
1.2.4消除故障风险
失效风险。
1.2.5提高竞争力
参考借鉴先进技术成果,取长补短,在性能、成本、维护周期及可靠性上均要优于国内目前水平。
2 主要研究内容及技术方案
2.1 主要研究内容
2.1.1 激光辐射器结构优化
模块化改进修理后,激光发射系统无升温装置,彻底消除温控将整个折叠式激光谐振腔设计在具备一定刚度和热稳定性的钛板光具座上,使其具备很好的机械稳定性和热稳定性。同时设计必要的调试工装,通过外部调试基准光,基于激光晶体进行全反镜、反射镜、输出镜的调试,保证激光最佳的激光谐振腔。需要调整的光机组件需要具备必要的俯仰、方位调节机构和加固方式。设计基于俄制激光辐射器谐振腔内结构开展,延续原设计的腔长参数实现模块化替代。
2.1.2 调 Q模式优化
(1)加入电光调 Q 晶体 :由于电光调 Q 技术基于激光的偏振特性,而偏振特性易受到应力的干扰,导致激光偏振态下降,进而影响调 Q 效率。另外电光晶体利用电光效应,通过控制晶体内部电场强度实现偏振态的控制,完成调 Q。因此调 Q 晶体若出现应力安装和电场干扰,将导致整个激光器的效率下降和不稳定性。
(2)调 Q 驱动模块安装方式优化 :激光测距系统易受到电磁干扰而导致测距乱数、错数,甚至无法测距。同时装载系统也需要尽可能少的电磁干扰,而调 Q 驱动模块瞬间进行高压的快速变换,极易导致强烈的电磁干扰。因此需要重点照顾设计调 Q 驱动电路,需要从安装位置、隔离措施、接地方式等进行优化。
2.1.3 激光接收模块优化
本次改进激光测距机采用空间合成技术,实现激光测距的共窗口发射,因此存在同轴发射时,近距离大气后向散射造成的强回波干扰,需要对雪崩探测器进行必要的保护措施,且受到接收光路系统透过率、遮拦比等限制,导致需要较高的探测能力,在原有探测光机条件下,进行必要的接口改造,适应改造环境和提升探测能力。
2.2 技术方案
2.2.1 辐射系统改进修理
(1)调 Q方式改进
(2)脉冲氙灯改进
通过与53所、上光所等单位就提高脉冲氙灯寿命及稳定性进行沟通并对比试验,目前已采用 XMZ5-60C 型脉冲氙灯进行替换原脉冲氙灯,试用性能稳定。
(3)激光棒改进
采用 Nd :YAG 激光晶体作为激光工作物质替换原俄制 N3130
型激光棒,热性能稳定、技术成熟且无需加温系统即可满足使用要求。
(4)镜片组改进
已完成苏系列多型镜片自制,完全具备镜片自制能力。
(5)谐振腔设计
腔长设在尽可能不改变暗盒光学接口、机械接口的前提下,对暗盒内的激光谐振腔进行必要的改进。采用 Nd :YAG 激光晶体作为激光工作物质,根据暗盒空间限制和光学接口,设计折叠式激光谐振腔。根据激光测距机对激光要求及考虑调试难易程度,采用平平激光谐振腔。平平激光谐振腔对腔长不敏感,且不易失调。根据系统对激光束散角的要求,平平谐振腔一般可以达到3mrad 以内的激光束散角,通过系统的激光发射3倍扩束天线,可压缩激光束散角至指标要求的1mrad。
LiNbO3调 Q 晶体为电光调 Q 器件,需增加调 Q 高压控制模块,一般 LiNbO3的四分之一波电压约两千伏左右,与晶体尺寸、激光功率及模式相关。电光调 Q 需要很快的关断、打开时间,必然导致很强的电磁干扰,对激光探测十分不利,需要一定的处理措施来抑制这种电磁干扰。该类电磁干扰主要以辐射干扰为主,通过电磁屏蔽就能在一定程度上改善上述问题,基于调研调 Q 高压模块的尺寸,可将其放置在暗盒内,且尽量靠近调 Q 晶体可有效抑制电磁干扰。
2.2.2 冷却系统改进修理
在采用 Nd :YAG 激光晶体作为激光工作物质,冷却循环系统无需原升温电路,仅保留循环系统即可,避免了继电器失效风险。另一方面俄制冷却液采购成本高,在激光器重新设计的条件下,可采用国产通用冷却液,提高性能且降低成本。
2.2.3 接收系统改进修理
沿用俄制光电接收装置的光学系统,可保证激光测距器系统的束散角、同轴度、接收视场等关键参数不变,将原恒压升温式光电探测器改进为温度自适应变压式雪崩光电探测器。目前的1.064μm雪崩探测器的响应度高达105V/W,通过放大探测电路可实现几十纳瓦,甚至纳瓦级的探测能力,可大大降低激光测距对激光能量的需求,降低激光干扰、激光损伤对光学系统的压力。
考虑到改进设备采用激光发射接收共光路系统,同时为了提高测距系统的可靠性,增加雪崩探测器保护措施,利用雪崩探测器工作状态(有偏执电压)和待机状态(无偏执电压)时损伤阈值的不同,通过快速的偏执电压控制,实现雪崩探测器的保护。避免检测过程中的损伤和性能下降。
2.2.4 电气系统改进修理
(1)二次电源系统
二次电源系统含电子部件、变换器及电源部件,因温控电路的去除、探测器系统的工作模式改变及光电开关触发时序逻辑的变化,以上二次电源部分功能缺失,且俄制器件普遍存在器件采购难、性能老化现象,可通过定制的军品级电源模块集成于目前电子部件内。
(2)氙灯驱动电源部件
采用 Nd :YAG 激光晶体作为激光工作物质,其转换效率较高,加之选用主动电光调 Q 技术,能够有效降低所需激光能量,故需要的泵浦功率下降。
新型脉冲氙灯驱动电源采用更加紧凑、高效、可靠的反激升压电路结构,并针对之前氙灯触发及预燃电路出现的工作寿命短、可靠性差等缺点,采用数字恒流控制算法,通过 PWM 方式对脉冲氙灯触发预燃过程进行优化处理,从充电和触发预燃两个方面提升脉冲氙灯驱动电源的效率和可靠性。目前氙灯驱动电源已具备成熟技术,可定制军品级驱动电源,成本低可靠性高。
(3)逻辑部件
时间间隔测量器故障率高,且俄制设计存在缺陷部分批次的时间间隔测量自检电路无效。根据调 Q 原理的改进,触发电路至接收回波信号选通逻辑变化,采用可编程器件实现新型专用集成电路,实现逻辑关系。
2.2.5 机械系统改进修理
结构部分沿用俄制的壳体,仅在内部进行安装方式的调整,并在通过配重块确保各部件质量不变,避免光雷整体重心变化。
3 可行性论证
3.1 系统激光损伤阈值分析
激光测距器模块化改进修理改进激光调 Q 方式后,脉冲从原20 ~ 30ns 提升至15ns,需判定系统脉宽提升后,激光峰值功率是否符合原系统的激光损伤阈值要求。
判定原激光测距系统峰值功率下限值,单脉冲能量取450mJ,光斑直径1.8cm,脉宽30ns,系统激光损伤阈值下限值为8.34MW/cm2,经计算脉宽提升后激光功率不超过300mJ 符合设计要求。
3.2 大目标测距公式分析
首先根据激光测距公式测量关键参数,并以大目标测距公式论证改进参数可行性。
预设改进后激光辐射器输出功率90mJ、脉宽15ns,由以上推导过程可知,测距方程成立的条件是 :在光斑大小小于等于目标大小时,发射系统透过率、接收光学系统透过率(共光路系统)均不低于60%,能见度20km 以上条件下,可完成测距14.5km,参数可行。
3.3 小目标测距公式分析
激光测距器模块化修理改进后,仍能完成目标不小于10km的测距功能,参数可行。
4、综述
目前该型机载激光测距器维护过程中存在以下特点 :
(1)产品老化故障率高,MBTF 时间短。
激光测距器因其器件的特性及系统老化等原因,导致其整体故障率高,产品可靠性低。2014年外场统计苏 -30飞机激光测距器MBTF 时间仅25h,完全无法满足部队使用要求。近期随着部队作训任务加重,训练质量提升,激光测距器的问题越发突出。
(2)光电产品维护成本高,修理周期长。
激光测距器的光电元器件均为进口,采购周期长、成本高,如光电探测器、暗盒、快门转镜和冷却泵等易损元器件采购价格在10万元以上,其他元器件也不同程度存在采购难或价格高等情况,随着系统老化及使用强度增加,维护成本难以估计。
(3)存在设计缺陷,故障隐患难控制。
冷却加温部件温控电路存在设计缺陷,采取过增加必换件、改装方案及元器件替代等手段,但均未取得明显成效。2014至今仅外场冷却加温部件温控失效故障就高达15起,不仅严重影响部队作训任务的执行,对我厂的口碑也造成影响。同时因冷却加温部件失效造成的外场技术服务、返修及修理成本更是天价。
综上所述,无论从提升修理质量、保障部队作训任务的角度,还是降低修理成本、缩短修理周期并消除风险隐患的角度,或是提高维护企业的视场竞争力的角度,对该型机载激光测距器通过采用新技术、新元器件、新工艺,完成激光测距器各个部件的模块化改进,实现参数提升的同时并解决以上问题。
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