光电定位系统AG一4型激光测距机
光电定位系统AG一4型激光测距机
作者:霍长征
光电定位系统AG.4型激光测距仪是根据中国船舶总公司750试验场对该系统战术技术指挥要求而研制的 激光测距目标是舰、船,跟踪目标的手段是人工操作,其跟踪精度很差。激光测距的环境都在江、河、湖、海的水面上进行,空气湿度大、能见度差,并且是平角测距,要求的战术技术指标又高,难度很大 必须采取一系列的技术措施,方可实现其战术技术指标AG.4型激光测距机主要用途是以高精度的激光测距信息,为光电定位系统提供距离参数,结合测角分系统测出的角度信息,测出被测目标的运动轨迹参数。
2 仪器的主要技术指标
(1)测程在七级能见度,人工跟踪精度小于士6 条件下,作用距离15 km。
(2)I作重复频率单次、0.5 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz
(3)91,l距精度对动态目标测距误差士1~2 m
(4)有效回波率对固定目标94 ,对运动目标90 。有效数据率丢失数连续小于3个
(5)仪器连续i作时问 当仅器5 Hz重复频经率工作时,连续工作时间大于60 min。
3 激光测距机的工作原理和组成
3 1 工作原理
脉冲激光测距机的原理是测量激光发射器至被测目标之间往返时问 其测距公式如下:
R一1/2cT式中R为发射机至被测目标的距离,c为光束,丁为激光在发射器和被测目标之问的往返时间。
除了固大气的变化而引起的光速不准确外,时间丁的测量精度将是影响测距机分系统测距精度的主要因素。当激光器发射激光的同时,主波接收光电二极管取出激光发射信号(主波)输入到距离计数器作为计时的起点(即开门信号)。发射的激光束经发射光学分系统(压缩激光束的发散角)射向被测目标。接收光学分系统接收来自被测目标反射回来的激光信号(即回波),经窄带干涉滤光片(消除背景杂散光)至光电转换元件硅雪崩光电二极管转变成电信号,然后经前放和恒比定时触发电路形成距离计数器的关门信号,通过选通门进入距离计数器,使距离计数器关门停止计时 即完成一次测距。
3.2 测距机的组成部分
(I)激光器采用固体脉冲式高重复频率YAG调Q激光器,激光器工作波长1_064,um,谐振腔为平一平腔,聚光腔采用聚四氟乙烯漫反射紧包腔,单灯全冷结构 工作物质选用优质Nd:YAG晶体 氙灯用掺铈石英玻璃材料制成,它可滤掉紫外光,冷却液不用加滤紫外光的药剂,有效的保护了Nd:YAG捧不产生“色心”,同时也防止了聚光腔的污染 调Q开关为浸液KD P普克尔盒开关,指数匹配液即可对KD’P晶体通光面防潮,又可使KD’P两个通光面增透,密封盒两窗片,一个面镀I.064 m增透膜,可减少Q开关的插入损耗。后腔架后面装有主波光电接收头。
(2)激光电源单机供电22OV/5o Hz,备有内、外时统,供电功率1 kW ·hr,工作重复频率为单次、0.5 Hz,1 Hz,2 Hz,5 Hz,可四小时连续工作,并有自动预电离电路,预电离电流60~70 mA,备有自保功能,即连孤过压保护和断水保护,工作电压在500~900 V 可调,充电电容100 F/I 200V。采用恒流充电,不用电源变压器,并配以专门技术,使激光电源工作稳定可靠。
(3)发射望远镜激光器的自然发散角为6 mrad,本测距分系统要求2 mrad的发散角,我们设计的光学天线为3倍的扩束望远镜,满足了测距分系统的要求。
(4)激光接收望远镜接收望远镜是将来至被测目标反射的激光信号会聚到光电探测器件的光敏面上。它主要由抛物面镜、目镜、光阑、窄带干涉滤光片组成。物镜的接收口径为≠120 mm,相对孔径l:2,抛物面镜比较球半径128.05 mm,焦距229.486 mm,目镜组由45 反射镜、分划板、目镜等组成。装在接收望远镜上面,作为瞄准、观测披测目标及三轴调整时用。正式测距时将45。反射镜翻下来,离开接收光路,让接收来的光信号通过窄带干涉滤光片到达光电探测器的光敏面上。光信号转变为电信号,经电路处理后进至距离计数器,作为距离计数器的关门信号。
(5)激光回波光电探测器我们采用带有前放组件的sPO一052型硅雪崩光电探测器。它将接收到的被测光信号转变为电信号,经电路放大、处理后作为距离计数器的关门信号。SPO一052组件的主要参数:光敏面积的直径≠0.8 FFIm;工作电压350~400V;前放电源电压土6~ 土9Vi放大器供给电流5~8 mA;输出阻抗25 0;等效噪声功率对1.064,um波段为2X10 /Hz ;电压响应度1.4×10 V/w i前放带宽40MHz;上升、下降时间为9 ns。光电探测组件安装在接收望远镜物镜的焦面处。
(6)恒比定时触发电路激光测距分系统的测距误差主要因素之一是激光回波脉冲信号强弱幅度起伏所引起的,而且此误差属于偶然误差。采用恒比定时触发电路处理激光回波信号,此项误差可以大大减少。此项误差为激光回波脉冲前沿时间所引起的误差,而恒比定时电路实际上是采用浮动触发电平,回波幅度大小所引起的误差在米级测距系统可以忽略不计.因此,恒比定时电路的定时精度为<1 ns。我们采用的恒比定时电路是将输入的激光回波脉冲按一定比例产生一个输出脉冲信号.该信号不随激光回波输入幅度起伏而变化,以此产生距离计数器的关门信号。
(7)选通电路除了在测距的时间内各种干扰要加以严格控制,防止误触发,影响正常1测距。在测距有效时间之外,由于激光电源充放电是高压,大电流工作状态,Q开关也同时在高压、高频状态下工作以及外界环境的各种光电干扰都可能误触发有关电路,严重影响测距精度。为了克服和控制以上各种噪声干扰,我们设计了选通电路。该电路只允许在有效测程范围内的激光回波信号脉j巾进入与门,而其他干扰脉j巾信号则一律不通过。
(8)距离计数器距离计数器采用超高速 和肖特基J 集成电路,输出为BCD码,计数器频率(时钟)为150 MHz,分辨率为20/3 as,满足测距精度的要求。计数器备有盲区电路、溢出数据保持功能电路、自检电路等。因而功能齐全、供电种类少,结构简单、稳定可靠。距离信息输出为2O bit输出BCD码TTL电平,数据判别为输出TTL高电平(有效),低电平(无效).并有溢出显示。
(9)控制电路激光测距分系统控制部分由、外时统控制,内时统主要控制本测距机调试和静态工作时用。外时统控制由总控制台计算机给出,控制激光测距机的工作频率、工作时间及其使激光电源、计数器等与之同步工作。
4 结束语
光电定位系统AG一4型激光测距枧经严格在湖上、海上试验。战术技术指标全部达到要求。在连云港试验场进行的作战系统海陆联调试验,在实验中光电定位系统模拟雷达和声纳对海面运动双目标进行实时定位和定轨,对海试的其实目标试验的成功起到了重要作用。光电定位系统于95年初通过中国船舶总公司及海军装备部联合组织的技术鉴定和验收。其评语有 填补国内空白,具有显著的经济、军事效益”字样。
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