高重复频率脉冲激光测距机
高重复频率脉冲激光测距机
作者:霍长征
一、引言
脉冲激光测距仪机是激光技术最早、最成熟的应用领域。激光测距也是最早装备国内外各兵种的军用仪器。随着激光测距技术的日趋成熟和发展,激光测距的应用也延伸到其它科学领域,不仅成为不可缺少的军用光测仪器,而且在国民经济各部门也广泛地应用。如:民航、地质、探矿、江河湖泊的航道测量、体育大赛测量等方面。
为适应现代化战争的需要,加速国防现代化建设、西方各国不断地采用先进的技术,进行武器装备更新。激光测距机有其固有的的高重复频率、高精度、高亮度、高灵敏度的特点,我军和外军需求量也大大增加,根据外刊报道,世界上一些主要的技术先进国家的陆海空军都以普遍的装备了各种型号的激光测距机,其中以导弹靶场、步兵、炮兵、坦克装备网为最多。还有一些地对空测距、飞机的空对地测距、海军的舰载火炮测距、水下测距也都应用上激光测距机。其中美国陆海空航天各兵种是最早装备激光测距机的国家,其技术之先进,品种数量之多都为世界之最。美国各兵种用的激光测距机已有100余种型号,发过也有50余种型号的测距机服役于部队。其它国家如苏联、挪威、日本、英国、瑞典、南非等国家的军队也都不同程度的装备了不同种类的激光测距机。
我国的激光测距机法阵也很迅速,已装备到坦克、火炮、飞机、舰船及国防科工委、海军、空军各靶场。激光测距机的质量不断提高,种类和数量也不断增加。常州二电仪生产的低重复频率小型激光测距已装备到坦克上,蚌埠无线电厂生产的钕玻璃小型激光测距机已装备到炮兵,机电部209所生产的手持小型激光测距机已提供我军指挥员使用、中国可选远成都光电所研制生产的远程测距机已装在“778”大型光电经纬仪上,在西昌卫星发射中心承担着重要的光测任务;我所研制的三台高重复频率脉冲激光测距机已安装在112高速光电经纬仪上,1986年经国防科工委及空军油管部门的严格验收后,装备到空军某靶场使用。解决了该靶场长期无法解决的高速运动目标初始段弹道轨迹测量任务。
二、高重复频率脉冲激光测距机的原理及组成部分
高重复频率脉冲激光测距机的原理是测量激光束从激光器发射点到被测目标往返一次的时间,然后由距离计数器显示出被测目标的距离。
激光测距机工作时,由距离计数器内的标准频率振荡器,产生高重复频率脉冲序列,计量器电路在激光发射的同时,开始计算脉冲序列的脉冲数,知道激光束从被测目标返回激光接收器为止。这样由计数器记录的脉冲数正比于被测距离。高重复频率脉冲激光测距机的构成主要有如下几个部分:激光发射器是测距机的核心部分。因为测距机要再100次/秒重复频率下工作,激光器的工作物质要选用导热性能高、热稳定性好的优质ND:YAG晶体。ND:YAG棒直径6毫米,长度为85号,棒的两端面镀有1.664微米的增透膜,每个端面的剩余发射率小于0.01%。激光器的泵浦源选用掺石英玻璃管疝灯,掺铈石英玻璃管光谱透过率0.36微米以前为37%,0.36微米以后大于92%,可以将ND:YAG棒吸收光谱不需要的紫外光滤掉,并将部分紫外光转换为ND:YAG吸收光谱有贡献的可见光。这样既可以防止ND:YAG棒长期使用不产生“色心”效应,疝灯的外径为7.5毫米,内径5.5毫米,电极间距85毫米(与ND:YAG棒长度匹配),疝气充气压490托。聚光腔选用铜制相交圆腔,反射面镀银后抛光,为适应测距机高重复频率运转,墙体内部加工成网状沟槽,通循环水冷却。激光器调Q开关用浸液指数匹配液KDP普克尔盒,因为激光器的工作物质为ND:YAG,棒产生的激光为无轨光, 而KD*PQ开关为纵向调制,必须为偏振光方可调制,所以我们用腔内偏振片作为起偏器,将无规光调制成偏振光,且偏振度很高,纵向调制效果更佳。KD*P晶体装好两电极后置于充满指数匹配液的密封绝缘普克尔盒内,引出连个电极。指数撇皮也有很高的的绝缘性,1.064微米透过率92%以上,它既可防止KD*P晶体的端面潮解,又可起到通光面的增透作用。普克尔盒的窗口用Kg玻璃加工成平行度小于6秒的平板,一个面镀有1.064微米的增透膜,增加普克尔盒的透过率,减少激光腔内的插入损耗。激光电源采用谐振充电,取样调压方式,输出电压可从800伏至1200伏连续可调,贮能母电容为100微法,并有断水保护和连弧保护装置,确保激光器安全运转。
主波接收用2DUL型光电二极管,击穿电压为20伏,暗电流250毫安培,光电流大于4毫安培。利用激光器后腔片部分投射激光信号为测距机的开门信号。经光电二极管将激光信号转变为电信号,经整形放大后输入给距离计数器开门,计数器开始计数。
接收器是一个开普勒式望远镜,物镜为一非球面镜,有效口径80毫米,焦距126.77毫米。目镜有效口径31.7毫米,焦距31.7毫米,物镜、目镜的通光面均镀1.064微米增透膜、在接收物镜和目镜的焦平面上放置口径为1.7的小孔光栏,即现场光栏,用来挡住接收现场以外的杂散光,从而减少了光电倍增管的北京噪声。
窄带干涉滤光片置于接收望远镜后、光电倍增管前,其中心波长1.064微米,带宽40埃、1.064微米透过率大于70%,滤掉了其他波长的杂散光。在通带内,激光信号衰减不大,因此,有利于提高光电倍增管输出的信噪比。
光电接收器用GDB-238型光电倍增管。他一般有11个打拿极,增益很大。光电倍增管的增益随着外加电压的增加而迅速增加,外加电压可在800伏至1300伏呈线性变化。这样可使测距机随测量增加、光电倍增管电压也自动随着增加,有利于解决动态连续测距时洗脑幅度变化太大的问题。保证测距机近程到远程的正常测距。
前置放大器将接收由望远镜接收到目标后反射回来的微弱光信号,经窄带干涉滤光片,由光电倍增管变为电信号输出并放大。没有放大之前的信号脉冲幅度在十至几十毫伏,这远远低于距离计数器的门限电平。这样在光电倍增管及窄带干涉滤光片之后必须用前置放大器将其微弱的脉冲信号放大,为了保证距离计数器稳定工作,将放大的脉冲信号通过正形电路整形,然后输入给距离计数器。前置放大器
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