l.5xµm波长人眼安全的军用激光测距机及其进展
l.5xµm波长人眼安全的军用激光测距机及其进展
作者:卢常勇;王小兵;郭延龙;王古常;孙斌;林轶;万强
1引言
第一台红宝石激光测距仪诞生后, 首先在军用激光测距机领域取得应用, 经过40多年的研发和部队使用,激光测距机已大量配备到坦克飞机、火炮及各种步兵武器上, 显著提高了武器系统的命中精度 和快速反应能力。 到目前为止,第 二代Nd:YAG军用激光测距机技 术已完全成熟,并成为部队的主战 装备,但在实战和训练中,暴露出 了一些缺点,如对人眼不安全和对 战场烟雾的穿透能力差等等。鉴于此,各国纷纷开展了新一代人眼安 全激光测距技术的研究工作,其中l.5xµm激光波长因具有以下明显优势而成为研发的重点妇]:
I)位于人眼最安全的波段;
2)处于1.5-1.Bµm的大气窗口,对战场烟雾的穿透能力强;
3)目标与背景有较高的对比 度,在相同条件下测距能力更强;
4)对应千室温工作的Ge和 InGaAs探测器的探测灵敏区,无需低温制冷。
2 1.5xµm波段人眼安全激光测距机
2.1铝玻璃激光测距机
2.1.1工作原理及国内外装备应用位
激光器是 以饵玻璃作为工作物质,利用闪光灯抽运, 直接输出1.54µ,rn人眼安 全激光的固体激光器,适用千手持式或车载激光测距机。表1是国外 装备的手持式饵玻璃人眼安全激 光测距机。
此外, 澳大利亚ADI公司的 ESLR-1000人眼安全饵玻璃激光 测距机设计用于步兵、装甲兵和炮 兵,测程为12km, 精度4m, 使用 ADI申请专利的MTR (多目标回 波)方法可以实现用一个激光发射 为所有捕获的目标提供测距,目前 已在加拿大和马来西亚部队进行 实验, 正在为澳大利亚部队供货。 美国ALST公司的ELRF系列远程 人眼安全激光测距机也是基千饵 玻璃的人眼安全激光器,测程最高 可达50km, 重频lHz时,可连续工 作3min, 随后冷却lmin。所有型号都是坚固耐用、密闭、干氮气净化 系统,具有在恶劣的军事环境下应 用的能力。 该公司的Falcon系列 小型人眼安全激光测距机使用分立的瞄准器, 可用千侦察、 监视、UAV、地面车辆、手持式传感器、火控系统和辅助导航。美国Litton公 司生产的Abrams人眼安全钥玻璃 激光测距机用于主战坦克和 Bradley步兵战车上, 与Nd:YAG 的接门相同,输出能量约lOmJ, 最 大测程7995m, 精度10m, 可在lHz连续工作2min。该公司的AN/ PVS-6 MELIOS小型人眼安全激 光红外观测装置是轻型的手持式 或安装在三角架上的饵玻璃激光 测距机, 能以5m的步进量确定50-9995m的距离, 是构成先进逻辑监视系统(LRAS3)演示计划的一部分,用于美国陆军夜视和电子传 感器管理局正在开发的侦察车辆 上。英国Avimo公司也在开发一个 可以集成到Avimo或其它瞄准或 火控系统中的人眼安全饵玻璃LRF (激光测距机)模块,以0.2Hz连续工 作,计划适用千陆地和空中。
国内西南技术物理研究所、常 州第二电子仪器厂等单位也已经 研制出饵玻璃激光测距机,其中常 州第二电子仪器厂的某型号手待 人眼安全激光测距机,采用转镜调 Q, 现已进入批量生产阶段,不久将 装备部队。
2.1.2关键技术及发展趋势
由于饵玻璃属于三能级系统,激活离子浓度低, 受激发射截面小, 对腔内损耗和温度都很敏感, 造成器件增益小、效率低、阙值高、 高温特性差,加之基质是磷酸盐玻 璃,其物理机械特性也较晶体材料 差。 从军事应用角度分析,钥玻璃 激光器的主要缺点包括:
1)转换效率低。产生25-30mJ的激光输出需要12-15.J注入能 量,效率约2%o, 这是国内外见诸报 导的较好的水平;
2)尚无成熟的被动Q开关,且 脉冲较宽。早期采用旋转反射镜或玻 璃棱镜调Q,美国光电公司、Kigre公 司和俄罗斯都有报导采用这种方式 实现人眼安全激光测距机。 日本 NEC公司采用受抑全内反射(ITIR) 技术调Q,得到了窄脉冲输出;
3)重复频率低。饵玻璃热特性 较差, 高重复频率工作困难大,但 可以满足每分钟六次的单次测距 机要求。 近来美国Varo公司已研 制出 lHz非冷却系统, 用千AN/ PVS-6微型人眼安全激光红外观 测仪(MELIOS)中,它输出15mJ/ 30ns, 持续丁_作30s, 休息2min后 可重复[作。 若用循环液冷却,可 在20Hz条件下运转。 目前用激光 二极管抽运钥玻璃也得到了深入的研究, 美军已实现了20.5mJ的输出,斜效率达14%, 采用转镜调Q时,重复频率可达7Hz; 俄罗斯也实现了20mJ的输出,重复频率O.lHz。
2.2受激拉曼频移(Raman shift)
Nd:YAG激光测距机
2.2.1工作原理及装备应用情况
在拉曼频移Nd:YAG激光测 距机中通常用甲皖做拉曼介质,用 Nd:YAG激光器的1.06µm激光作 为抽运光, 就可以得到人眼安全的 1.54µm斯托克斯光。 通常约10cm长的甲皖盒对40mJ Nd:YAG激光 的转换效率为30%-40%。拉曼激光 器有两种结构形式:外腔式和内腔 式。外腔式结构简单,调整方便,转 换效率达40%, 可满足实用要求。 内腔式结构较复杂, 惆整较难,但总体效率较高。拉曼频移激光器的特点是光束质量好,可在一定的重复频率下工作,目前装备上最高为20Hz,可用于手持式、车载激光测 距机,更适用于舰载或防空火控系 统中激光测距。
目前,拉曼激光测距机已经大 量装备部队。法国CILAS公司生产 的THS304-06人眼安全拉曼激光 测距机,其工作距离达40000m,重 复频率为20Hz, 精度为4.5m, 主要 用千防空火控系统,显著提高了该 系统光电或雷达的性能。该公司还 分别生产了荆号为TMS314和TMS 303/309的人眼安全拉曼激光 测距机,TMS314主要用于地对空 或轻重型海上炮塔上,测程可达 20000m; TMS 303/309主要用于坦 克和直升机的火控系统中,测程同 为20000m。美国DRS光电系统集 团(EOSG)为美国陆军ITAS计划 开发的AMREL系列人眼安全激光 测距机,同样采用拉曼频移技术和 无源Q开关技术、短脉冲输出、高 重复频率,并目没有机械零件,测 程为20000m,精度5m。通过普通的 模块方法,可以将该系统应用千地面 车辆的火控系统、直升机、固定翼和2005年3月UAV飞机以及海军和手持式装置。以 色列Elop光电丁业公司也开发了轻而小的测程达20000m、能单独使用也能集成在防空炮火控制系统中的HRLR-ES高重复频率拉曼激 光测距机,由微处理器控制,且装备串行通讯输出装置,目前已在以色列 空军服役。表2为国外近年来开发的 人眼安全拉曼激光测距机。
国内,西南技术物理研究所已 成功开发出实用化的手持式拉曼 激光测距机,重复频率可达15Hz; 由扬州5308厂生产的93-200式 人眼安全拉曼激光测距机已大量 装备部队。
2.2.2关键技术及发展趋势
拉曼激光器的关键技术是高 密度的抽运光功率和高效率的拉 曼介质。其缺点是由于采用高压气 休作转换介质, 造成重复频率低、 体积较大和结构复杂等,且存在密 封难、高低温试验难等工艺难点, 适用低重复频率的手持、 车载、舰载和防空火控系统中。 此外,受到甲烧气体化学击穿及其产生的碳化物可能沉积到拉曼盒窗口上的 限制,一般输出约为20mJ,更高输 出或重复频率运转需采用循环气 体拉曼盒,造成体积大,且高压密 封技术难度大、可靠性差。为了改善拉曼激光器的热效应,人们尝试 用氮(DJ作为拉曼介质,获得了 1.56µ,m激光输出,单脉冲能量为 135mJ, 重复频率8本国内lOHz,但与甲炾相比效率略低。值得一提的 是,近年来固体拉曼激光器得到较 大发展,利用硝酸钡[Ba(NO心]作为固体拉曼介质, 得到了接近衍射极限的1.56µ,m激光输出,单脉冲最大 输出250mJ,重复频率日本国内可 达lOOHz,是种很有前途的激光器。
2.3光参量振荡器(OPO)激光测距机
2.3.1工作原理及装备应用情况
光参量振荡技术[5)是利用具有 一定功率密度的抽运光作用于非线性晶体, 当满足相位匹配条件时,产生信号光和闲频光,对信号 光加以谐振腔技术, 振荡放大,获 得人眼安全的l.5xµ,m波长输出。
光参量振荡是实现波长转换的有 效措施, 通过定向切割非线性晶 体, 可以实现选定波长的激光输 出。 近年来,由于研制出了非线性 系数大、破坏阙值高的优质非线性 晶体,如KTP、BBO、KTA等,使得 OPO的转化效率大大提高, 可达 47%。利用KTP作OPO晶体,II类 非临界相位匹配, 可将l.06µm的 Nd:YAG激光变化为l.57µm的人 眼安全激光。OPO器件可分为单谐 振器件(SRO)和双谐振器件 (DRO)。DRO是将两个光波同时共 振, 使得频率和功率都不易稳定, 因此通常采用SRO方式。 OPO的 特点是可高重复频率日本国内运 转,束散较大,很适合用于高重复 频率日本国内的舰载或防空光电 火控系统, 且波长可调, 可根据1.5-1.Sµm的精细大气传输窗口, 将其输出调谐到最佳的波长。OPO 激光揣是全固体器件,结构紧凑, 可靠性及效率都比拉曼激光器高, KTP晶体的热特性也比钳玻璃好, 故其重复频率比以上二者都高。
OPO激光技术是20世纪90年 代初逐步走向成熟的,美国BIGSKY 公司最早将其应用于光电跟踪及火 控系统,输出25rnJ,重复频率20Hz, 测程达20lan以上。 近年来美国 Litton公司也研制出CVITS AFV 人眼安全OPO激光测距机,作为美 军目前及未来装甲战车热瞄准系统 中的独立分系统,测程9000m, 精度 10m。奥地利NGI公司也研发了型 号为Teleranger HX/HL的陆用 OPO激光测距机,精度可达lm, 可安装于武器上,具有各种用途。瑞典Saab Dynamics公司开发了用于陆军和海军的小型火控系统的轻型人眼安全OPO防空激光测距机,可探 测10000m范围内的空中目标,输出能量lOmJ,重复频率为lOHz,正在评估和验证中。
电子部11所、西南技术物理研究所在1995年前后相继开展 OPO激光技术研究,目前西南技术 物理研究所的小型化器件已获得 1.57µm OPO输出25.7mJ重复频 率20Hz;常州第二电子仪器厂的 手持式OPO激光测距机已通过鉴定,即将用于某轻荆测地系统;我 所开发的定向棱镜腔OPO激光器,采用专利技术,大大简化了激 光器的调试工艺,具有高稳定、相 对理想光束质晕等优点,实现了工 程实用化。
2.3.2关键技术及发展趋势
OPO激光器有赖于大的质量优良的非线性晶体的生长,以及锁膜技术的完善。OPO容易引起光学损伤,其输出光束质量较差,原端 发散角往往达到Smrad以上,这使 得手持测距机体积增大,采取高斯 镜技术可改善输出光束束散度。 OPO技术一个重要发展方向就是对其输出激光波长进行调谐,这点 在光电对抗中具有重要意义,而OPO技术与二极管抽运技术相结合,实现全固化、高重复频率日本国内激光测距机/目标指示器多功 能集成,是OPO人眼安全另一个 重要的发展方向。
3结语
近期内,上述三种人眼安全激 光技术将由于各自都很鲜明的优点和缺点共存(见表3),使得军用 人眼安全激光测距机的装备数量 更多、品种更全、质量更好,功能更 强。此外,CO2激光器、半导体激光 器等其他人眼安全激光技术又成 为本文所述技术的有力补充,这必 将有利于促进我军激光测距的装 备建设和作战能力的提高!
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