风冷免调固体激光器在军用激光测距机中的应用
风冷免调固体激光器在军用激光测距机中的应用
作者:张兴民
目前舰载、陆用火控系统中的激光测距机,其核心部分即固体激光测距仪均采用主动调Q的平行平面腔激光器来实现。优点是电光转化效率高,可以实现高的工作重复频率。这种激光器最大的不足是:要求机加工、安装、调试精度很高。而采用免调试风冷固体激光器以后,由于激光器的稳定性的提高,使得整机的高低温性能、可靠性、现场可维修性得到很大提高。更适应部队野战需要。
2 风冷免调试激光器工作机制
2.1 被动调Q开关原理
由于Cr4 YAG晶体在波长1 附近具有较大的吸收截面,对1.064 m的光有很强的基态和激发态吸收。其吸收面积分别为⋯ :仃g=(7±O.8)×10 cm ,仃。=(2±O.3)×10 。cm .而且它还具有饱和吸收光强小,稳定性好,使用方便等优点。
2.2 免调试机理
免调试固体激光器由激光棒、泵灯、聚光腔、光学谐振腔、Q开关等构成。一端放置定向棱镜(M )作为全反镜,另一端直接镀透反膜作为输出镜(M )组成谐振腔。
免调试功能 定向棱镜谐振腔可实现激光器安装后不经调试即可正常运转的独特功能,便于现场的更换。高稳定性 定向棱镜具有非常强的抗失调能力,允许失调角高达±20。,棱镜中心轴可偏离腔轴D/4(D为棒的直径),它完全克服了谐振腔失调引起的激光器失效的缺陷。可实现激光器在高低温突变和强列冲击下的稳定运行。
3 激光器优化设计及在激光测距机中的使用结果
3.1 激光器的优化设计
我们采用热沉加强迫风冷的措施来实现高重频下激光的稳定工作;采用紧包裹聚光腔的设计来实现高的灯泵效率;采用角锥棱镜用以改善热不均匀性引起的热畸变,以及角锥棱镜较大的调整范围实现谐振腔的免调试性;采用高低温性能稳定的饱和吸收体作为调Q器件。M 反射率20% ,饱和吸收体7"o=20% ,激光棒qo5×75。
3.2 激光器实测
能量稳定度优于5% ;将多次测得的激光脉冲半宽度取平均约为12 BS;在-40~+55~C温度范围内各项指标没有明显变化。主动调Q激光器的失调常见的原因有两个:一个是调Q晶体位置变化引起的失调;另一个是全反镜位置变化引起的失调。综合失调角度应在几十秒的量级,而且实际测得在高低温下有时激光能量会损失50% 以上,这样设备将无法达到激光测距机的指标要求。
3.3 免调试激光器在激光测距机中的使用结果
激光发射机是激光测距机的核心部件,其性能的好坏对整机影响很大。测距机要求激光输出光斑模式好,能量稳定,光轴稳定性好。高低温性能稳定。在以往的风冷激光测距机中,存在以下问题,激光的光斑模式会随工作时间延长而变差。光轴在高重频工作时随时间延长会出现偏移。且随工作时间的延长,激光能量下降。
3.3.1 激光测距威力实验
(1)理论计算的测距能力
我们使用了自己传统设计的激光光学系统、接收系统、终端数据处理系统,以上条件不变,根据激光对小目标最大作用距离的测算。
(2)两种体制测距机实际测试结果比较
我们采用消光比法对该测距机测距威力进行了验证。测试方法,对准500 Ill附近漫反射靶板,去除时变增益控制电路,在发射光路上加光学衰减片,对靶板测距,增加衰减片,直到回波率为≥98% ,此时的衰减量即为消光比Jsd。
采用主动调Q激光器的测距机按激光能量损失50% ,计算得最大作用距离R ^x=11 km则满足不了指标的要求,更为严重的是在高低温下激光出现多脉冲时测距会出现乱码,距离会严重失真。
3.3.2激光发射光轴的稳定性比较
使用该激光器的激光测距机,通过高温下激光发射轴与常温下激光发射轴比较,发现没有变化,而且以中心点均匀分布,且1次/秒与10次/秒的发射光轴一致性很好。与主动调Q的激光器的光轴相比稳定性有明显改善。
4 结论
通过实际测试,· 同步时统信号和发射电平均为rITI'L电平信号,54LS240隔离驱动,带载能力300 Q,分别经同轴屏蔽电缆送接收机和激励源,屏蔽层接系统信号地。
·BCD显示信号,rITIL电平信号,送数码管显示。
·接主回波合成信号,5O Q负载,使用50Q电阻匹配,屏蔽层接系统信号地。
·接收键盘输入操控命令,541_5240隔离。
b)激光探测系统外部接口
采用单片机控制和其它系统之间的接口通讯。考虑到单片机串口数目及特性无法满足系统主从式多机串行通讯的特点,在实际设计中采用扩展UART方式。UART只占用单片机的外触发中断口,当扩展串行口接收到一个新的字符或者前一个字符发送结束时,UART以中断方式通知单片机,激光探测系统和其它系统之间可通过扩展系统实现全工通讯,完成与其它系统的信息交换。
·通讯MPU采用Atmel公司的8位单片机89C51。单片机的P0口与UART的并口相连,实施双向的数据总线传输。P1和P2主要完成对UART的通讯控制和地址选择。
·UART采用TI公司生产的4通道异步收发器集成芯片TL16C554,在FIFO模式下,传输和接收前将数据缓冲为16字节数据包,减少了CPU的中断数量。内部包含4片改良的16C550异步传输器件,完全满足本系统四串口通讯的要求,每个信道可实现串行和并行两种连接方式的转换,每个信道的状态还可以通过通讯MPU的操作读取,获取操作情况或任何错误状态。三态输出为双向数据总线和控制总线,提供 rrL驱动能力、优先级中断系统控制、可编程的串行接口。
· 与伺服系统的接口。激光探测系统与伺服跟踪问采用RS一422接口,波特率为19200 bps。接口芯片采用MAXIM 公司的MAX490,MAX490是标准的422接口芯片。信号传输采用屏蔽双绞线传输。
5 结束语
随着大规模数字处理芯片和高速接口芯片的迅猛发展,激光探测系统也呈现出智能化、小型化、模块化的趋势。在激光探测系统中,信息接口的设计越来越被重视,逐渐向标准化、网络化、多节点、高速等方向发展。
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