激光测距机最大测程评估方法研究
激光测距机最大测程评估方法研究
作者:张雏;沈洪斌;周冰;徐春梅;沈学举
激光测距仪机因其体积质量小、测距精度高、抗干扰能力强等优点 ,在工程测量和军事领域已得到广泛应用 ,特别是在包括地面、海上、空中的各种先进武器控制系统中发挥着日益重要的作用 ,成为影响武器系统作战效能的重要因素。为使武器系统保持良好的技术状况以应对突发情况 ,平时需要定期检查关键部分的技术性能 ,而最大测程作为评估测距性能的综合性指标 ,成为检验的主要对象。
目前 ,检验最大测程的方法主要有实际测距法和消光比法。实际测距法是最直观的检验方法 ,通过对放置在最大测程距离上的真实目标或替代性的标准靶板实际测距 ,来检验测距性能是否满足要求 ;该方法的最大问题是受天气条件影响很大 ,尤其是大于 10km的中远程测距要求的天气条件 ,多数情况下难以满足 ;而且 ,在武器系统的平时检验过程中不太可能在最大测程距离上设置真实目标或标准靶板 ,从环境中选择的替代性目标的反射特性与真实目标会有差异 ,这些因素导致实际测距法在很多时间、地点难以实施。消光比法则是衰减激光发射能量之后对固定的近距离标准靶板进行测距 ,找出稳定测距临界状态对应的衰减量 ,来评估最大测程是否达到指标要求 ;这种方法能够较好地克服天气条件的影响 ,但标准靶板不易广泛推广 ,而且目前测距所用的激光接收处理电路都采用了时序增益控制技术 ,不同型号测距机的增益控制时间各不相同 ,这意味着测距时要么将接收电路的增益设置到最高水平 ,要么实时测出测距时的实际增益与最大增益的比值 ,做到这一点需要分解测距机进行设置或测量 ,这在测距机的生产验收过程中容易实现 ,但对于已经在大型武器系统中安装就位并进行了全系统轴系平行性校正的测距机而言 ,不能再去分解设置或测量该系统的增益 ,因此在这种情况下消光比法也难以实施。
2 最大测程的理论估算与分析
实际上 ,最大测程作为激光测距机的关键指标 ,一直是测距机的设计重点 ,设计之初都是先用理论公式来估算最大测程对应的关键参数 ,比如激光发射功率、接收孔径、探测灵敏度 (一般用最小可探测激光功率来表征 ) ,等等。在目标面积小于激光照射面积的情况下 (多数测距机检验最大测程设定的目标面积都显著小于该距离上的激光照射面积 ) ,测距机的关键参数、大气透过率条件、被测目标情况与最大测程。
考虑目前广泛应用的脉冲激光测距机 ,每次测距发射的都是激光单脉冲 ,脉冲宽度由调 Q 方式决定 ,一旦根据测距重复频率要求选定激光器的调 Q方式 ,激光发射功率就与脉冲包含的激光能量成固定比例 。
一旦确定了大气透过率条件、目标情况和测距机自身的关键参数 ,测距机的最大测程也就随之确定不变。因为设计和检验最大测程对应的大气透过率条件和目标情况是相同的 ,所以在测距机的实际应用过程中 , 最大测程的变化完全是由系统的自身参数变化所引起的 , 因此可以通过对这些参数的测量 , 来检验最大测程是否满足指标要求。
而且 ,在不分解测距机的前提下 ,激光发射能量只能在发射窗口处测量 , 实际测出的是激光器发射激光透过发射系统后的能量 Et ·τ (以下用 E′来表示 ) 。同样 , 也只能在激光接收窗口处测量或模拟最小可探测激光功率 ,该功率 (用 P′in来表示 )与探测器光敏面上实际接收激光功率的关系。
3 实际问题及解决
需要注意的是 ,最大测程的理论估算公式是在进行了一系列假定的前提下 ,对很多情况进行简化处理才导出的。其中 ,与测距机自身性能密切相关的假定和简化包括 :激光照射区域内的能量分布完全均匀 ,激光发射、接收和跟踪瞄准系统的光轴完全平行。而实际检验发现 :激光束横截面上的能量分布是不均匀的 ,从激光照射区域的中心到边缘 ,实际能量分布一般呈现降落趋势 ,测程较远的中远程测距机表现的更为明显 ,实际测量结果和剪切干涉实验都可以证明 :实际激光能量分布与基模光束的高斯分布比较接近。而且 ,在实际应用过程中 ,测距机的激光发射、接收与所在系统的跟踪瞄准这些光轴之间可能发生微小变化 ,特别是大系统的维修可能导致这些光轴的平行性达不到出厂时的水平 ;这样一来 ,目标不再位于激光照射区域的中心 ,实际反射的激光能量就可能低于理论估算时的取值 ,导致理论估算结果与实际情况明显不符。
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