脉冲激光测距机
脉冲激光测距机
作者:邬双阳
随着现代光电子技术的飞速发展,作为光电子技术应用之一的激光测距技术也日趋成熟,特别是作为一些发达国家如美国、、前苏联和欧共体,在激光测距仪的基础上,不断研制出新型的脉冲和连续波激光雷达,同时,各种类型的脉冲激光测距仪机及光电设备的大量装备部队,标志着激光测距技术进入一个新的发展时代。本文旨在总结国外脉冲激光测距机技术的发展情况,起到借鉴作用。
1.国外发展概述
激光测距是激光在军事上最早而且字重要的应用之一。由于激光测距仪具有体积小、操作简单、角分辨率及测量精度高、作用该距离远、抗干扰能力强等优点,油漆在配合各种战术武器使用时能使收发命中率高达80%以上,大大提高了武器系统的攻击力和准确性。
自1961年美国第一台激光测距机之后,1962年第一台军用激光测距机便成功地进行了师范表演,1963-1967年美国休斯公司相继研制成几种试验型军用激光测距机,1969年军用激光测距机受限装备了美国的陆军。经过几十年的发展,激光测距机以大量装备到坦克、地炮、导弹、飞机、军舰、潜艇以及各种步兵武器,而激光测距机中应用最广,数量最大首推脉冲激光测距机。
从目前脉冲激光测距机发展看,从60年代初的0.694μm红宝石脉冲激光测距机研制开始,到80年代末的1.06μmND:YAG脉冲激光测距机,知道发展到90年代中期的人眼安全的脉冲激光测距机,脉冲激光测距机已从最早单波长、单一功能发展到今天的多波长、多功能激光测距。脉冲激光测距技术经历了几代的发展历程,随着光电子技术的飞速发展,脉冲激光测距机技术必将有大的发展。
在8o年代初期到9o年代中期的战场上,广泛装备应用的脉冲激光测距机大多是测程在10km 以内的近程Nd:YAG激光测距机,而1.54/~m 波段的激光测距机仅有少量装备部队应用。在已装备的脉冲激光测距机中,接收元件多用雪崩光电二极管,最大测程8km 12km,最小测程l5O~500m,测距精度士5m,士10m,光束发散角lmrad~3m—rad,坦克、地炮和步兵使用的激光测距机,重复频率一般为几次/分~几次/秒,高炮、机载和舰载激光测距机,通常为1 1)ppsi20pps。
2 国际上现装备的激光测距机技术发展趋势
2.1 小型化、标准化和固体组件化
采用体积小、重量轻、成本低、不耗电的被动染料Q开关和灵敏度高的雪崩光电=极管以及大规模集成电路,可以实现激光测距机的小型化、低成本以及激光测距机的固体组件化。7O年代中期以后研制成功的重量约3kg以下,外型和大小像标准军用望远镜,可手持使用,亦可安装在战车、飞机、军舰上使用。美国AN/GVs一5型激光测距机就是这种产品的典型代表。自它出现以后,英国、法国、挪威、瑞典、以色列、南斯拉夫等国都先后研制成功各种型号的手持激光测距机,相继装备部队。1979年美国研制成功的I RR一104型微小型近程激光测距机的重量为510克,体积比一个香烟盒还小。
2.2 激光测距机多功能化、系列化
激光测距机除具有测距的功能外,还具有目标指示,目标跟踪和测定云高等功能。目前研制和装备部队主要有激光测距指示器、激光测距跟踪器两类。这两种军用激光测距仪80年代初已开始装备部队。例:英国机载的LRMTS以及英国的Rapier Laser firie。除此之外,激光测距仪与其它仪器组装在同一个壳体内完成多功能的激光仪器,如美国的M一931型激光夜视测距仪。
3 新一代脉冲激光测距技术
人眼安全将是今后测距机发展的主要考虑因素。因为目前更多的是和平时期的大规模训练演习,而不是对敌作战。对人眼安全提高到了一个新的认识水平,同时1.06/~m穿雾能力差,且与8~14pm热成像夜视仪兼容性差。从目前发展看,人眼安全的脉冲激光测距机主要分为两类,下面分别介绍。
3.1 CO 激光测距机
CO:激光器发射波长在10.6 m处,处于8~12pm的红外热像仪波带之内,因此能与其兼容,并且穿透战场烟雾的性能好,对人眼安全。英、美等国从7O年代末期投人大量的人力、物力于此项研究,并已发展到相当的水平。外刊预言,“CO 激光测距机的工作波长似乎是未来的测距波长”。由于8~14 m热像仪将作为新一代坦克的主要夜视仪,因此CO 激光测距机也将作为新一代坦克优选的激光测距机。目前研制的CO 激光测距机大多处于试装阶段。坦克用和大多数便携式CO:激光测距机都采用脉冲TEA CO。激光测距机,接收机采用致冷的HgCdTe探测器,直接探测。
但是,c02激光测距机也有它的缺点,首先是该波长处于大气的强吸收线内,因此在潮湿的情况下其性能降低,其次是很多目标在c0 波长下其目标反射率不如较短的波长高,其三是cOz激光波长的接收必须在77K温度下工作,须采用制冷设备,对于战车测距可以利用车体电源致冷探测器.而对于依靠电池供电的炮兵、步兵用手持激光测距机而言要用电池致冷探测器并在测距之前极短的时间内使探测器致冷到所需的低温上,尚有很大的困难 且co 激光器结构复杂,导致制造费用及后勤保障费用增高,可靠性降低
3.2 1.54gm 固体脉冲激光测距机
由于CO 激光脉冲测距机对于手持特别笨重。因此,很多国家在研制CO 激光测距机的同时也开展了可代替Nd:YAG激光测距机的人眼安全固体激光测距的研究工作 目前的人眠安全的军用固体激光测距机已选用的激光器有Ef玻璃(波长1.54/am),: YLF(波长1.73t~m),Ho:YLF(2.06t~m)以及Q开关Nd:YAG激光器泵浦高压甲烷气体的喇曼激光器(波长1 54~m),用铒玻璃激光器的有SMILE便携式激光测距机,I H一83型手持激光测距机,联邦德国研制的供“豹”Ⅱ主战坦克选用的人眠安全的喇曼激光器。
上述的人眼安全固体脉冲激光测距机的共同特点是,可以克服Nd:YAG激光测距机在性能上的缺点(如眼睛损伤,在战场烟雾中的传输性能差),丽保留Nd t YAG激光测距机紧凑、体积小、重量轻的优点,并且可以利用现有Nd t YAG激光测距机的很多元、部件,降低了研制和生产费用,因此可做为代替Nd:YAG激光测距机的低成本的手持式和便携式军用激光测距机的优选者
3.3 激光二极管泵浦的脉冲激光测距机
固体激光器效率低的主要原因是泵浦潦的问题,普通氙灯或氮灯发射光谱与Nd:YAG的吸收谱线不匹配,其光耦合效率大约只有2 ,发射波长为810nm~950nm 的二极管激光器,与Nd:YAG 吸收带重叠,并且体积小、重量轻、效率高、性能稳定,可靠性高和寿命长,因此,利用激光二极管泵浦固体激光器是当前的技术热点之一。
在能量较高的系统中,闪光灯必须耗散大量能量,激光热交换器总冷却能力约70%消耗在冷却灯上,2O 消耗于激光介质,余下约10 为系统的其它部分所消耗二极管泵浦激光器与闪光灯泵浦的激光器相比,其效率高lO倍,因此,二极管泵浦Nd:YAG激光测距机必将成为新一代的激光测距机的发展方向脉冲固体激光测距机远程测距能力可采用高增益的新的激光材料和压缩激光发射光束的发射角来提高。
由测距方程可知,增大激光器的峰值功率降低接收系统的噪声等效功率以及减小光束发散角均能使测程增加在输出功率和噪声等效功率一定的情况下,对于小目标,测程跟光束发散度的平方根成反比,反比于噪声等效功率的四次方根,正比于激光发射功率四次方根。困此,减小光束发散所做的工作对增大测程最有效脉冲激光测距技术另一个发展方向是提高测距精度,使激光测距摆脱目前主要供军用这一被动局面。
4 激光脉冲测距机主要技术难点(需要突破的技术难点)
脉冲激光测距机经过几十年的发展,不同波段、各种型号的脉冲激光测距机已大量装备到部队,且由于激光本身的优势,世界各国普遍高度重视对激光测距机的研究,从现有发展水平来看.Nd:YAG激光测距技术已成熟,重点着眼于人眼安全1.54/zm、10.6,um 激光测距技术及二极管激光器泵浦的Nd:YAG研究工作。
4.1 CO。激光刮距技术
目前研制的CO:激光测距机大部处于试装阶段,高重频的CO 激光脉冲测距仍处于研制阶段,现困扰CO 激光测距机大量装备部队的主要因素是体积太、重量较重,因而降低体积和重量成为CO。激光测距机的技术难点。
COz激光测距探测技术:由于c()2激光探测器要想获得高灵敏度的接收其探测器必须置于77K低温之下工作。对某些应用而言,可以不带高压气瓶,而用冷却电机代替。即便如此,作为步兵使用的手持CO 激光测距机距应用尚有一定的距离。因而,研制高灵敏度、小体积的探测器为未来的CO 激光探测的关键技术。CO 激光器技术:由于CO 激光器结构复杂,特别是CO。激光器工作时间的增长,其激光器的气体成份由于电离将发生变化,其激光器的效率将明显降低,因此,提高工作时间,减小体积重量仍是目前CO 激光器的术难点。
4.2 激光二极管泵浦Nd:YAG激光器
由于激光二极管泵浦Nd:YAG 激光器的简单性、坚固性、小尺寸、可靠性以及有效性使它较之闪光灯泵浦装置更是一个名符其实的优胜者。而且也可能实现闪光灯泵浦激光器所没有的新应用。二极管泵浦的固体激光器适合作激光测距仪,激光指示器和激光雷达之用,但其费用起到了阻碍作用,要想实现二极管泵浦激光器的大量应用,就要降低成本。但军用市场对二极管阵列的需求不会且永远不可能很大,以致不可能使价格降低到市场本身所能接受的水平上。虽然二极管泵浦激光系统的费用仍高于闪光灯泵浦系统,但差距正在缩小。随着二极管泵浦固体激光器成本的继续下降和功率的提高,这将使Nd:YAG的新应用迅速增加。
4.3 1.54y-m人眼安全激光测距技术
由于【.54/~m对人眼比较安全,且较1.06.umNd:YAG激光测距机的穿透战场烟雾能力强,因此,发展势头迅猛,其主要技术问题是:① 需研翩高效率的1.54.um激光器;②研制更高灵敏度的探测器。
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