军用脉冲激光测距机的发展及应用
军用脉冲激光测距机的发展及应用
作者:冯青;郑永超
20世纪6O年代初,第一台激光器问世不久,由于激光具有高亮度、单色性、方向性极佳的特点,开始将其应用于测距。激光测距是激光技术最早,最成熟的应用领域之一。4O多年来,伴随着激光器技术及信息处理技术的飞速发展,激光测距技术尤其是军用激光测距技术得到迅猛发展。虽然激光测距技术系统种类繁多,但从体制上来看不外脉冲和连续波两类,大多数军用激光测距机采用脉冲波形和直接探测的激光测距机。根据战术和战略用脉冲激光测距仪机的测距光源的特点,按照工作波长和安全性,军用脉冲激光测距机通常可分为下面几种。
I 近红外可见光
红宝石脉冲激光测距机工作波长为0.69/~m,工作物质为红宝石的脉冲激光浏距机是第一代军用激光测距机,其结构简单,紧凑。典型产品有美国的AN/GVS一5型、GVQ一1O型等。但因工作波长为近红外绿光,属于可见光范围,极易暴露目标,不利于隐秘,加上对人眼极不安全,所以同世不久被淘汰。
2 近红外不可见光
Nd:YAG脉冲激光测距机以Nd:YAG为工作物质,工作波长为I.06/~m 的脉冲激光测距机是第二代军用激光测距机,它的主要优点是结构紧凑、可靠性高、隐蔽性强、保密性好、电光效率高、脉冲重复工作频率高、寿命长,因而从60年代后期开始广泛装备部队。
存在的主要缺点:
① 工作波长为1.06~m,在烟雾中的传输性差,不能完全适应自然雾和战场烟幕等环境条件下的远距离探测;
② 对人眼不安全,I.06/~m 波长发射后经人眼聚焦进入视网膜,在很短的厘离上若不加防护观察,可以使人眼永久致盲;
③1.06/~m 波长与8_12/~m 热成像系统不兼容。Nd:YAG脉冲激光测距机目前仍具有无法取代的独特优点,加上装备量已扩大到陆、海、空三军,仍在广泛应用。 ’
3 人眼安全的激光测距机
包括工作波长10.6~-mCDz脉冲激光测距机、1.5 4/.Lm的喇曼频移Nd :YAG和Er:玻璃激光器的脉冲激光测距机、输出1.57/~m波长的Nd:YAG 泵浦的光学参量振荡(OPO)激光器的脉冲测距机、DPL激光器脉冲激光测距机等。
(I)CO2脉冲激光测距机是7O年代末和8O年代中期主要针对I.06/~m 的Nd:,YAG激光测距机的不足发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。其主要优点有t
① 对烟雾的穿透能力优于Nd:YAG激光器,能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作;
② 10.6/zm 激光波长能与8~12f』rn波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器;
③ 对人眼安全。
主要缺点是:
① 10.6/zm 的激光波长极易被水分子吸收衰减,在大气中含水蒸汽密度大的晴天和潮湿条件下,限制了它的最大测距能力,特别是雨天和目标被雪覆盖时,目标呈现多镜面对称反射,对10.6/zm 激光波长测距不利;
② 10.6 m 的COz激光波长对目标的反射系数低于近红外的激光波长;
③ 高灵敏度探测需要低温制冷,战场适应能力差;
④ 成本较高、体积大,适装性较差。
(2)喇曼频移Nd:YAG(甲烷喇曼激光器)脉冲激光测距机:喇曼频移Nd:YAG发展于70年代末和8 0年代中期,工作波长
1.54/zm。它采用Nd:YAG激光器并在高压甲烷气体中受激喇曼散射(SRS),1.06/zm波长频移到1.54/zm。因此,激光器与Nd:YAG一样结构紧凑,但价格高而结构复杂。1.541zm 的波长对人眼损伤的阈值高,对人眼安全。
主要优点是:
① 对战场烟雾的穿透能力优于Nd:YAG激光器;
② 对目标的反射系数在晴天、高温条件下测距时,其性能高于C02激光波长并与Nd:YAG激光波长相当i
③ 对人眼的安全性高于CO:激光波长。
缺点是由于1.54 m 波长属近红外波段,不能与8—12 m 的热成像系统兼容,加上转换效率低、脉冲能量小和重复工作频率低等限制了它们的应用。
(3)Er:玻璃脉冲激光测距机:工作波长1.54 m。Er:玻璃激光器采用掺入铒元素的玻璃激光棒并用闪光灯泵浦,直接产生1.54/~m 的激光输出。因此,激光器的重复工作频率和输出能量都很低且寿命短,不利于高重复频率对空防御应用,一般仅用于对地面目标测距。并且Er:玻璃材料制作困难,光探测器InGaAs—APD仍存在某些技术问题有待解决。
(4)Nd :YAG 泵浦的光学参量振荡(OPO)激光器【{ :从8O年代末开始研究并得到迅速发展,美国和以色列先后研制出
1.57/zm人眼安全的OPO激光测距机。
其优点:
① 对人眼安全;
② 可高重频运转,波长可调。
缺点是束散角较大,能量利用率不高,光电转换效率低,仅适合于要求高重频的舰载或防空光电火炮系统。
(5)DPL半导体脉冲激光测距机:具有小型化,长寿命、高效率、工作电压低、可调谐和全固态等优点,但输出功率不高,光束发散角大,测量距离较短,适合近距离测量 ,现广泛应用于中短程激光测距机。
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