激光测距机的测距能力与距离波门
激光测距机的测距能力与距离波门
作者:殷占英
1 激光测距仪机的测距能力
优异的测距能力是激光测距机设计者所追求的主要目标。激光测距机的测程取决于环境条件(大气能见度、目标大小、目标反射系数) 和测距机本身的特性。测距机的本身特性包括, 激光发散角, 发射功率, 接收光学口径, 光机结构, 接收放大电路及光电探测器的性能等。其关系由测距方程表达为(在目标张角小于激光发散角的情况下)。其中, Pe 是激光发射功率; A t 是目标反射截面积; A r 为接收系统的有效面积; Θ是目标反射系数; Ke、K r 分别为发射和接收光学系统的透过率; R 是目标距离; Q 是激光束散角; Ρ 是大气衰减系数; P r是探测器光敏面处收到的光信号功率。对特定要求的激光测距机来说, P r 应大于等于测距机的最小可探测功率。而最小可探测功率是指满足规定探测概率和虚警率要求的最小信号功率(在光敏面处)。
为了提高测距机的测距能力, 显然应从测距机本身诸因素考虑。而其中有些因素受相应条件的限制, 如激光发射功率和接收光学口径受体积和重量的制约; 压缩激光束散角可提高测距能力, 但束散角又必须与跟踪精度 (或瞄准精度) 匹配; 光电探测器的灵敏度也是一定的, 通常采用的硅雪崩光电探测器, 其灵敏度为 10- 8W 左右。从而提高激光测距机测距能力就只能从光机结构的设计与调整及接收放大器的制作上下功夫, 千方百计地降低有用信号的能量损失, 抑制各种噪声源的噪声水平, 即提高系统的信噪比。系统的信噪比为[1 ]其中,M 是雪崩管的电流放大系数; P s 是入射
到探测器上的信号功率; n 是量子效率; e 是电子电荷; h 是普朗克常数; f 是光学频率; K 是波尔兹曼常数; T 是热力学温度; B 是接收器带宽, F r 是视频放大器的噪声系数; r 是等效负载电阻; Fm 是雪崩放大过程中的噪声系数 (硅管 Fm = M 0. 3~ 0. 5 ) ; Id 是阴极暗电流; Pb 是入射到探测器上的背景光功率。它由三部分组成: 大气对阳光的散射功率 P1, 目标对阳光的反射功率 P2, 激光后向散射功率 P3。
HΚ是太阳的光谱辐照, 对 Κ= 1. 06Λm 来说, HΚ= 6×10- 7W cm 2nm , △Κ是滤光片带宽, ∆s 是大气后向散射系数, 在均匀大气情况下 ∆s = Ρ, Α是目标张角, t 是激光脉宽, G 是激光后向散射增益 (一般为 0. 24) , Β是接收视场角。
公式 (2)、(3)、(4)、(5) 中各参数大部分是物理常数和由环境条件决定的参数。在设计中可供操控掌握的仅有△Κ、Ke、K r、M、F r、B 和 Β。其中M、F r、B与放大器有关, 而 Ke、K r、Β与光学系统的设计、光学材料的选取及光学系统的调整有关。现分别说明如下:M 是雪崩管的放大倍数, 它取决于雪崩管的高压, 其大小有一最佳化选取, 文献[ 3 ]有详细分析。 F r 是视频放大器的噪声系数, 在放大器的设计中采用低噪放大器, F r 的大小决定了放大器的性能。B是放大器的带宽, 宽带有利于有用信号的通过, 但不利于噪声的抑制, 同时为在各种背景和温度条件下放大器都处于最佳工作状态, 在放大器的设计中采用噪声反馈(恒虚警) 和温度补偿技术。为增大 Ke、K r 即增加光信号的透过率, 减少光能损失, 通常采取选用优质光学玻璃并镀制增透膜。Β是光学系统的光学视场, 由接收物镜焦平面处的小孔光栏确定, 光栏的大小取决于束散角, 一般D ZfQ , f 是物镜焦距。一台激光测距机性能的优劣在很大程度上取决于光学系统的调整, 包括①发射、接收两轴的平行性调整; ②雪崩光电二极管的定位调整, 确保所有光信号投射到光敏面上, ③小孔光栏的定位调整。其中小孔光栏的定位调整是关键, 它要求小孔精确定位在物镜的中心位置, 以保证信号光的通过和背景光的抑制。△Κ是起光谱滤波作用的滤光片的带宽, 它的选择原则是在窄带宽(越窄对背景光的抑制愈好) 和高中心透过率之间求得平衡, 同时还要考虑环境温度变化引起的通频带偏移。
2 距离波门技术
2. 1 距离波门与信噪比
以上说明了降低各种噪声电平, 提高系统信噪比从而增强测距能力的方法。以下考虑通过距离波门技术改善系统的信噪比从而提高测距机测距能力的方法。系统的探测概率和虚警率不仅与噪声峰值强度有关, 还与测距过程中计数器打开的持续时间△T有关。
其中△L 是距离波门宽度, 即回波脉冲有效作用的距离范围, 回波脉冲只有落在此范围内, 才能触动计数器。C 是光速, Pfd是虚警率。系统的信噪比与距离波门的大小有关, 即与△L 的大小有关。在探测概率和虚警率一定的情况下, 距离波门愈小, 所需的信噪比愈低; 或信噪比一定, 波门愈小, 系统的探测概率越大,即测距能力愈强。
2. 2 距离波门的选择
虽然距离波门愈小愈有利, 但其大小还要看应用对象。对静止目标和移动目标是不同的。对快速移动的目标, 应保证目标始终位于波门内。例如, 飞行速度 1 马赫的导弹若测距机重复率为 20H z, 则波门应大于 34m。同时波门应设计成自适应式, 根据目标的运行状态自如地变换其大小。
2. 3 距离波门在船用激光测距机中的意义
距离波门不仅可提高系统的信噪比, 改善测距机的测距能力, 在舰用光电跟踪仪中对干扰目标还具有滤波作用。海上经常出现由各种船只散放的阵阵薄烟, 对处于薄烟后的目标, 按反射回波关门测距原理工作的测距机, 所得的距离不是有用目标的距离, 而是薄烟的距离。若采用距离波门技术, 在主控计算机控制下, 设置波门, 就可以消除薄烟或在跟踪过程中遇到其它障碍引起的影响。(仅在①薄烟后的目标可形成回波, ②光束大于障碍物, 后面有用目标可形成回波这两种情况下, 才有意义)。
3 结 论
3. 1 激光测距机的测距能力, 在选定接收器件和发射功率条件下, 主要取决于接收放大器的制作和光机设计与调整。
3. 2 设置距离波门可以提高系统的信噪比, 从而提高测距机的性能。
3. 3 波门大小应根据具体情况设置, 并应设计成自适应式。
3. 4 测距机的距离波门技术在舰用光电跟踪仪中具有特殊作用。
3. 5 本文仅从测距能力上考虑测距机的设计, 未考虑小型化、智能化和高可靠性。
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