工程型人眼“安全”co激光测距机
工程型人眼“安全”co激光测距机
作者:封巍;封鸿渊;贾世宏;蔡国芳;张晓东;李清国
0 激光测距机以小型封离式TEA CO2激光器为光源,波长为l0.6 m,激光脉宽(FwHM 约为50ns,由于它具有穿透烟雾能力强,对人眼“安全”,以及与8~l2 m 波段红外热像仪性能兼容等优点,是当今世界上几种实用波长的军用激光测距机之一。
我们经过多年努力ll1,研制出了一台实用的工程型CO2激光测距机,该机经过了严格的性能和环境适应能力检测与用户使用试验,现已正式移交用户使用。本机作为工程型cO2激光测距机,其主要的特点是:(1)全模块化结构,模块可以拆卸,维修方便,具有优良的抗震动、抗冲击能力;(2)收发光学系统采用特种装调工艺,适合在温度变化范围较大或严酷的温度冲击环境下使用;(3)整机采用导电密封结构,具有优良的抗电磁辐射与防水、防潮性能;(4)CMT探测器采用分置式闭合循环Stirling机致冷,解决了Stirling机引起的强电磁脉冲对接收弱信号干扰的技术难题,具有使用方便,运行稳定的优点;(5)本台c 激光测距机采用专用微机遥控操作,具有测距机故障自动诊断、报警及测距数据显示与输出功能[。
1 c0:激光测距机的主要特点
1.1 10.6pm波长c02激光穿透烟雾能力较强
在不良气候及战场烟尘的环境条件下,工作于10.61am波长的co2激光测距机的激光束有较强的穿透能力,因此,其最大测程下降不多。在能见度为1.5kin 的薄雾环境条件下,coz激光测距机对典型战术目标(涂橄榄色油漆的车辆)其最大测程仍可达3kin左右,相比之下,1.061am波长的Nd:YAG激光测距机与1.54,am波长的喇曼激光测距机的最大测程只能达到约1、5km[ 。
1.2 10.61am波长o02激光使用安全
在一般使用的coz激光'侧距机输出能量水平条件下,根据北约组织(NATO)“激光安全标准3603”文件的规定,co2激光测距机的输出激光能量水平对人眼是“零距离安全”的。也就是说,即使在很近的距离内,由于偶尔意外,人眼或可见光观察镜(如望远镜)直接对准了co2激光测距机发射的激光束,都不会对人眼造成损伤。因此,在平时训练或战时的观测使用可以
不受限制,这对激光测距机的使用极为重要。
1.3 10.6pm波长CO:激光与热像仪性能完全兼容
当前普遍采用的红外夜视仪工作波段为8~12ta1TI,因此,工作于10、6,urn的cO2激光测距机的性能自然与红外夜视仪相匹配,这两者的搭配是最佳的组合。但是,() 激光测距机成本较高,体积尺寸与重量较其它测距机大些。
2 c 激光测距机的设计
脉冲coz激光测距机的设计中最重要的是必须了解大气对10.6,am波长激光的衰减特性以及各种目标对10.6,am波长激光的反射特性,有关l0.6,am波长激光的大气传输特性,国内外文献报道较多,但有关的目标特性数据却少有公开报道,在对c 激光测距机的性能进行理论分析时,我们采用文献[4]所提出的大气模型及目标反射特性数据。
2.1 10. m CO2激光的大气衰减模型
根据w.R.Kamiski提供的10.6tam波长大气衰减数据,把大气条件分成五种大气标准模型,即亚寒带冬天、中纬度冬天、亚寒带夏天、中纬度夏天和热带,同时,在计算中还考虑到了能见度的影响。
2.2 10.6pro c 激光的目标反射率
文献【4]给出了几种不同目标对三种波长激光的反射率,其中10.6,urn波长的平均反射率约为6%。此外,实验表明,激光在目标上的反射沿入射面的法线方向有一定分布,这取决于不同目标的特性。
2.3 直探式CO2激光测距机的测距方程
直探式cO2激光测距机的简化测距方程为 W /√£ =(-;R~exp23RT (1)式中,Ⅳ。为每个激光脉冲能量(J), 为激光脉冲持续时间(FWHM)(tin),系数C=( K K2K3×10 )/(pcos0),其中,K【为系统要求的最小信噪比,K2=(NEI)/~/△,为接收系统总噪声系数,K3= · :,RT为最大测程(km),P为目标有效反射率, 为大气对c激光的衰减系数(1/km),0为激光柬轴线与目标反射面法线夹角(deg),af为接收系统带宽(Hz),NEI=NEP/(ARrR)为噪声等效辐照度(W/cm~)。
2.4 CO 激光测距机接收机噪声的计算
接收机的噪声Kz由三部分组成,即(1)探测器噪声(K)R. (2)放大器噪声(K)(3)背景噪声(K)R. B。
2.5 对CO:激光测距机接收系统信噪比{S/N)的要求
根据对测距机探测概率PD和平均误警率FRA的具体要求来确定c 激光测距机应达到的信噪比(S/N)。按照所要求的探测概率PD及虚瞽率FAR,联系cO2激光测距机的各有关参数,在中等能见度条件下,对标准漫反射率的小目标(2m×2m),其昂大测程的设计值约为6.7km。
3 C02激光测距机的原理、结构、基本参数与试验结果。
3.1 CO 激光测距机的基本参数
工作波长:10.59p-m;每个激光脉冲输出能量:30mJ;激光脉宽(FWHM):50ns;激光束散角:0.72mrad;接收视场:~lmrad;CMT探测器制冷方式:分置式闭合循环Stifling机致冷,~80K;工作方式:单次或1Hz;多目标数据存取功能:每次可存取三个目标数据,任意选择三个目标距离值,
3.2 CO2激光测测距机达到的主要性能指标
实际达到的测程范围:150m-7.4kin(7.4km为设定的距离门限值).其中对单人徒手实测距离达到4、985km以上。对CAI41锵放牌卡车正面实测距离>6 4kin。测距误差:±5m,纵向分辨率:≤20m。出了CO,激光测距机在进行外场实验时,对约5.6kin 处的通讯铁塔测距时的回波波形,此时的信噪比S/N-7。
4 结 论
rig 4 Exterior view of the eng ineering c LRF我们成功研制了一台工程型TEACOz激光测距机,实测所达到的技术性能.如最大测程、测距误差、信噪比、环境适应性等与理论分析的结果符合一致。该机采用小型金属陶瓷TEAcO2激光器作光源、工作波长10 6 m;分置式闭合循环Stirllng机致冷金属杜瓦瓶CMT探测器(80K)及光学系统软装调工艺;成功地解决了抗电磁辐射脉冲干扰的技术难题;该机具有良好环境(温度、冲击、振动与淋雨、温热等)适应能力;由于采用模块式组合结构.微机遥控操作.故障自动诊断与显示,操作维修方便;此外,该机具有标准数据输出接口(RS422),可与主控计算机联机使用。
工程型CO2激光测距机最重要的实际应用就是与8~12,~m 波长的红外热像仪组合成昼夜全勤、全天候的观、瞄、测多功能一体化系统.可为债察、监视等应用提供新的手段。本项工程型CO2激光测距机使用了西南技术物理所研制的小型封离式长寿命TEA CO2。
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