人眼安全 1. 57μm OPO 激光测距机
人眼安全 1. 57μm OPO 激光测距机.
作者:时顺森;翟刚;金锋;李晶;马楠;曹良奎;彭绪金;田子文
激光测距仪是激光在军事上应用最早和最成熟的技术 ,它的使用大大提高了火炮等武器的首发命中率。目前 ,大量装备的军用激光测距机大都采用 1. 06μm 激光 ,在战场和训练中容易给人员带来人眼损伤甚至致盲的危险。为此 ,70 年代末国际上开始研制第三代人眼安全激光测距机。其中 1. 5 xμm 激光对人眼最安全 ,且处于 1. 5~1. 8μm 的大气传输窗口 ,对烟、雾的穿透能力强 ,可用室温工作的 Ge 和 In GaAs 探测器而无需低温制冷 ,因而成为人眼安全激光测距机的主流。
人眼安全 1. 57μm OPO 激光技术的研究是 80 年代末开始的 ,由于对人眼安全激光的强烈需求使其发展迅速 ,并后来居上 ,备受军方青睐。自 1994 年以来 ,美国 B IG SKY 公司、美国Litton 公司及以色列光电工业公司等先后研制出 1. 57μm 人眼安全 OPO 测距机 , 美国Lockheed sanders 公司研制了二极管泵浦的全固体化 1. 57μm 手持式人眼安全 OPO 激光测距机[1 ,2 ] 。1. 57μm OPO 器件可以高重复频率运转 ,很适合于舰载或防空光电火控系统 ,如与二极管泵浦技术相结合 ,就可向全固体化、高重频激光测距机/ 目标指示器二合一器件方向发展 ,并进一步拓展到激光雷达、激光有源干扰等其它应用领域。
1 1. 57μm OPO 激光测距机
1. 1 测距原理及框图
本测距机利用激光脉冲来测量测距机与被测物体之间的距离。
1. 2 测程估算
本机是原理样机 ,在此 ,只针对漫反射大目标进行讨论。
1.3 1. 57μm OPO 激光器
1.57μm OPO 激光器采用 KTP 晶体 Ⅱ类非临界相位匹配 ,此时晶体具有最大的有效非线性系数 ,且无 walkoff效应存在 ,同时相位匹配接受角比较大 ,即可能得到较高的效率 ,且可靠性较好。根据总体设计要求 ,选择 KTP 晶体尺寸为 6mm ×6mm ×15mm ,选用水冷 LiNbO3 电光调 Q1. 06μm (Ce ,Nd) ∶YA G 激光器作为泵浦源 ,1. 06μm 输出 Fig. 2 1. 57μm OPO laser pulse shape能量 ≥40mJ/ pulse ,脉冲宽度 10ns。采用外腔式单谐振 OPO 结构 ,选择合适的泵浦光功率密度 ,并让泵浦光两次通过 OPO 晶体 ,充分利用剩余泵浦光 ,大大提高 OPO 转换的效率 ,获得12mJ/ pulse 1. 57μm OPO 激光输出 ,脉冲宽度~6ns ,束散~8mrad ,1. 57μm OPO 激光输出波形如图 2 示。OPO 器件重复频率为 1Hz ,5Hz ,12. 5Hz ,20Hz 可调。
1. 4 测距机光学系统
本机专门设计针对 1. 57μm 波长的光学发射天线 ,由于 OPO 激光束散稍大 ,天线设计倍率为 8 × ,发射天线口径取 40mm ,发射天线长度~110mm ,接收天线口径为 72mm。
1. 5 探测接收及信息处理电路
对于激光测距 ,发射与接收是关系到测距机性能的两大核心 ,为减轻对发射端激光器件的要求 , 通常尽量提高接收能力。目前 , 1. 57μm 激光测距所用探测器件性能低于 1. 06μm Nd∶YA G所采用的 Si2APD ,其接收器件更应精心设计 ,以满足人眼安全激光测距机在某些应用对于体积重量的苛刻要求。
探测器选用常温下工作国产带前置放大器的 In GaAs2PIN 探测器组件 ,探测灵敏度约60nW。考虑到锗探测器暗电流大 ,且易受温度影响 ,故不予采用。在接收电路设计上注意设计较大的动态范围 ,以避免饱和或过载造成电路损坏 ,采用时序增益电路 ( TPG) 抑制杂散光影响 ,自动阈值控制电路 (A TC) 自动调节激光测距机的探测阈值 ,使测距机能够全天候工作 ,采用距离选通抑制近距离假目标回波干扰。通过以上措施确保小型化测距整机的性能指标。
1. 6 1. 57μm OPO 测距机结构
参照通常高重频激光测距机的设计惯例 ,将激光测距机分为激光头和电源两大部分 ,其中激光头 (见图3) 含激光器、发射光学系统、接收光学系统、探测器、放大器、信息处理电路及距离显示等 ,激光电源另置。
2 测距试验
我们于 1999 年 1 月 8 日~1 月 27 日进行了 1. 57μm OPO 激光测距试验 , 在能见度~10km 时 ,测到了 7. 050km 的目标 ,测距精度±5m ,测距距离及精度用无人机测高仪及示波器进行了标定 ,如表 2 ,并通过所计量检测中心认定。
3.结语
我们研制了小型紧凑 1. 57μm OPO 器件 ,其整体电光效率达 2 ‰以上 ,已达到实用化水平 ,以此为基础于 1998 年底研制成功国内首台人眼安全高重频 1. 57μm OPO 激光测距机 ,并进行了初步测距试验 ,最大测程 7. 050km ,最小测程 200m ,测距精度 ±5m ,重复频率达 20Hz ,束散~1. 2mrad。该测距机进一步改进光学系统 ,选用 In GaAs2APD 探测器 ,可将其最大测程增大至 10km 以上。1. 57μm 人眼安全高重频 OPO 激光测距机研制成功 ,为今后进一步研制其工程样机 ,发展系列化人眼安全测距机产品打下了坚实的基础。
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