新一代激光测距仪的初步研究
新一代激光测距仪的初步研究
作者:程勇;丁方正
1.前言
目前,我军海、陆、空三军大量装各的第二代Nd:YAG激光测距仪机在实战和训练中己暴露出一些性能上的问题:①对人眼不安全,Nd:YAG激光测距机发出的激光能量通过人眼被聚焦在现网膜上,损伤人眼;②在战场烟雾中的传输性能差,意味着Nd:YAG激光测距机受天候能见度的影响大:③与夜视仪兼容性能差,与现装各的微光夜视仪和今后要大量装备的8~12 u m波长的热象仪工作在不同的波长,不能共用部件和元件,不能同时观测。这些问题,人大增加了其在训练和在能见度差的战场环境中应用的困难。因此,研制适应现代战争需要的新一代军用激光测距机己显得愈来愈迫切和需要。
2.对人眼安全的激光测距机
对人眼安全是新一代军用激光测距机的基本特征和要求。激光对人眼的损伤分为三类。第一,由于透镜的光学增益而产生的高能量密度辐射透过角膜和玻璃体聚焦到视网膜上,从而产生永久性的烧伤斑点;第二,辐射透过角膜在约1,5cm 的玻璃体内全部被吸收,虽没有能量到达视网膜,但使玻璃体异变:第三,能量全部被角膜吸收损伤角膜 通过对人眼的光谱透过率分析知道,在1 5 u m附近的波长上.辐射衰减达12个数量级与1.06 m波长相比对人眼的损伤闽值平均高7个数量级,角膜几乎没有吸收。所以,人眼对1.j4 u m光不具有聚焦作用.即使能量密度很高也不会对视网膜造成损伤。
2.1 喇曼频移Nd:YAG激光测距机的实验结构
虽然还有其它方法产生人眼安全的1.54 m区激光束.但用喇曼频移将Nd:YAG激光移到该波 乃是一个活沃的发展领域和实用有效的技术途径。
喇曼频移激光器的[作原理是:应用气体介质中的受激喇曼散射效应, 即利用甲烷气潍2915cm。。振动摸将Nd:YAG L 06 Ⅲ波长频移到1 54 in的人眼安全波长 图I显示了喇曼频移激光器的实验结构。充有甲烷气体介质的喇曼盒及其光学元件位于两平面反射镜组成的Nd:YAG激光谐振腔内.当1.06 u m波长的Q开头激光脉冲射八该盒时,便产生受激喇曼散射,使L O6 m波长 产生频移.发生1.54 m波长激光 再用一个滤光片就得到对人眼安全的1.5 u m激光输出。在这种结构中, 由于喇曼盒能量密度更火.1.06 u m转换为1.54 p m激光的转换效率和光束质量均较高,而且对于非准直的灵敏度显著降低.放宽,机构准直容差 从而使可靠性更高,能实现高重复频率工作,便于推广应用于激光测距机和防空火控系统。
2.2 喇曼频移Nd:YAG激光测距机的特性
经实验研究表明,喇曼频移激光测距机具有如下特性:
①可对现有Nd:Y^G激光测距机进行简单改造,不改变激光工作物质和测距原理。
②保留的Nd:Y^G材料 无论在光谱性,还是在双折射性,热透镜性、可制造性、野外使用和价格方面 仍优于其他可产生人眼安全的固体激光材料。
③Ge光电探测器对喇曼频移输出的1.54 m激光波长有较高的光谱响应度 且不需要进彳亍温度控制。
④喇曼频移Nd:~AG激光器输出只需大于7.9mJ,测程便能达到lOKm要求。
⑤采用相同结构的发射天线,喇曼频移Nd:YAG激光发散角比Nd:YAG进一步压缩了3~4倍。
⑥喇曼频移Nd:YAG l_54 u m激光穿透战场烟雾的能力比Nd:~AG 1.06 u m激光穿透战场烟雾的能力平均高出5倍。
⑦1.54 m波长对军事目标对比度高,易将目标从背景中分辨出来,即喇曼频移Nd:Y^G激光测距机的准测率较Nd:YAG激光测距机的高。
⑨可制成小巧、轻便手持式喇曼频移Nd:YAG激光测距机。
⑨ 、⑤ 、⑥项说明在硝烟弥漫的战场中,对于同样的激光输出功率,l_54 m喇曼频移激光测距机的测程犬于Nd:TAG激光测距机:而对于同样的测程,喇曼频移Nd:YAG激光测距机所需要的激光功率小于Nd:YAG激光测距机所需的激光功率。
3.研制新一代军激光测距机的途径
3.1 研制的基拳思路=和依据
(1)把喇曼频移Nd:YAG激光器改造成人眼安全的Nd:YAG激光测距机。因为喇曼移Nd:YAG激光测距机不但克服了Nd:YAG激光测距机在性能上的缺点,而保留了Nd:Y^G激光测距机几乎全部的优点,并且可利用现有Nd:Y^G激光测距机的很多元部件,降低了研制和生产费用。
(2)在激光测距机和微光夜视仪之间,设计一个“接口装置”,组合后可昼夜使用,分开后可各自独立使用,不但可解决兼容性问题,还拓宽了功能。
(3)国内对Nd:YAG激光测距机和一:代微光夜视仪的研制生产等技术均已成熟。转换效率在40%以上的喇曼频移激光器已进入实用阶段。如果人员、技术、资金能有效协调使用,新一代激光测距产品可提前投入装备。
(4)人眼安全的喇曼频移激光测距机(AN/PVS一6)和微光夜视组合使用的综合测距机(/~/GRS0-184)等,美军己早在1988年开始装备部队.并在“沙漠风暴”中得到有效应用。
3.2基本设计方案
该系统由两个功能(激光测距和微光夜视)彼此独立的单目仪器组合而成。其中左路为观瞄台一结构的喇曼频Ge探移Nd:YAG测距机,这种结构改变了传统手持式激光测距机中“假双目结构”——即左目系统仅供距离数字显示,右目系统供观察瞄准.实际上是一种无体视效应的单目结构。根据测距机使用中瞄准、测量、发读射数分、时激序光工接作收原和理读数,将四路目标台观一。瞄这、激种光改 图2新式军用激光测距札光路结构图进设计既能进一步压缩现有激光测距机的体积,又能适应测手左眼观察距离显示器的习惯右路为单目第二代手持式微光夜视仪。左右两路之间通过标准接口连接,该接口拆装方便定位精度高(保证左、右两路光轴一致).且可根据需要连接在三角架上。
4.结束语
作为现代战争不可缺少的军用激光测距机己大量地应用到坦克、地炮、高炮、导弹、飞机、舰船以及步兵分队中。由于Nd:YAG激光测距机在使用中暴露出了一系列问题,使我们考虑研制新一代激光测距机,这种在现有Nd:YAG激光测距机中插入高压甲烷喇曼盒,将部分元件怍适当改进制造出新的人眼安全的激光测距机,并将它与夜视仪组合使用,拓展功能,这种设计思想将有助于问题解决。可以预料,喇曼频移的Nd:YAG激光测距机及其与夜视仪的组合,一定会在新一代军用激光测距机中得到广泛应用。
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