脉冲激光测距机消光比测试研究
脉冲激光测距机消光比测试研究
作者:胡继先
一、消光比测试方案
1.衰减片的放置
从消光比测试原理看出,衰减片加在发射窗前或加在接收窗前是等效的,但加在发射光路中比较合理,因为挡接收光路会使北京光噪声人为地减弱。近代激光测距仪机的接收光电转换多采用硅雪崩管,硅雪崩管的工作偏压由噪声控制,北京光噪声和雪崩电路噪声同时起控制偏压作用,因此挡接收衰减方式会使背景光噪声减弱,雪崩管偏压将有所提高,总的接收灵敏度稍有提高,将影响消光比的正确评价。再则在瞄准与接收共用一个物镜的光学系统中,衰减片在接收物镜前会使观察视场变黑,测手看不到靶板和分划板刻线,无法在测量过程中监视瞄准点是否发生走动。第三、接收窗尺寸一般比发射窗尺寸大,例如某些远程激光测距机接收物镜口径可能超过100mm,成套衰减片尺寸太大制备困难,如果加光阑后小口径衰减片测量则要引入光阑衰减修正值,影响消光比的测试精度。
2.p0的取值
推到测距方程的前提是假定目标漫反射特性符合朗伯定律,虽然测距机实际使用时所要探测的战术目标各色各样,大部分情况属于部分漫反射,而且也不大可能是与激光束垂直的整体平面,因此对于实际目标只能用有效反射率和有效反射面积近似模似。测试消光比,为使测试数据可靠,靶面应该是标准的漫反射面,尽可能符合朗伯定律,p0值的高低没有多大影响,只要实现能将其准确标定。靶板安装应注意使靶面垂直于激光光束。
3.成套衰减片的设计
成套衰减片国外用特制感光胶片以不同感光黑度获得所需各种衰减值。考虑到胶片薄、易变形,平面度平行性难保证,若放在发射窗前胶片易受激光损伤,因此采用玻璃平行平板。消光比测试范围最大约为70dB,设想测试时每次可插入三片,则成套衰减片应用0.5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,20,30这十三种规格,其中30dB者每套2件,其余每种1件。大分贝值10,20,30dB三种采用不同牌号的有色玻璃制造、厚度统一规定为3mm,10dB的可用QB11,20DB的可用AB7,30dB的可用AB8.尾数部分0.5-9dB十种用普通五色光学玻璃制成平行平板厚度亦为3mm,双面抛光,不规则优于0.5道,平行差优于5″,一个面真空镀铬,控制不同的铬层厚度以达到所要求的衰减值。因为铬层并非完全吸收,表面反射率较大,如果直接加在发射窗前,反射回激光器内的激光有可能损伤内部光学件膜层,再则三片叠在一起测量,当各片严格相互平行时,有可能形成片间多次反射,引起消光比的测量误差。因此10 ,20,30dB三种不应该用镀铬件,测量时只用一块镀铬衰减片,而且让它位于色社吸收衰减片之后,不要紧靠激光发射窗口。10,20,30dB吸收式衰减片,双面镀增透膜以防止反射光,同时可对玻璃起保护作用,成套衰减片的衰减值经准确标定后将各自的分贝值刻在镜框上以便识别。
4.TPG电路改进
以雪崩管委接收器件的激光测距机为了解决近距离激光大气后向散射问题,都没有时间程序自动增益电路(简称TPG)没在TPG控制下最小测程下放大器增益最小,放大器增益随测程的增加而自动增大,到测程为3km左右达到最大值并在以后保持不变。测量消光比靶距一般选在0.5到2km之间,正式TPG电路起作用的范围。在L0=5km处放大器增益衰减约为20dB,该值随具体产品而异,无法准确给出修正值。因此为了贯彻消光比测试方法,激光测距机TPG电路应稍加修改,可将TPG信号控制线接到距离选通电位计的闲置开关上。测消光比时将距离选通旋钮转至最小并过开关位置,此时放大器将不受TPG的控制,近距离亦处于全增益状态。置于后向散射问题,因为测消光比时插入几十分贝的衰减片达到测距临界状态,早已不存在后向散射的影响。
二、消光比气象修正和大气衰减系数测试
接近地面水平路径上大气对激光功率的耍贱的主要因素是水蒸气的吸收和悬浮在大气中的颗粒的米氏散射。
1.水蒸气的吸收
为了计算一定的大气路径长度上水蒸气对波长1.06μm激光的吸收,受限要确定该路径长度内大气中水蒸气的含量。水蒸气含量可表达为可凝水,可凝水定义为单位长度某一截面测量路径上的水蒸气假想压缩成界面相同某一厚度的水层。
大气中处于平衡状态的地m水蒸气含量为饱和绝对湿度, 不同温度下的饱和绝对湿度可查手册, 如测得当时I询大 变和相对湿窿, 即可求得绝对湿度W , 亦即可凝水b。
例如温度23℃ 相对湿度75 测量光路长度为1.25km~ , 查得23℃ 饱和绝对湿度为20,57~/m。, 因此,b :20.57×75% ×1.2 5=19.28mm, 由表I, 用曲线内插法求得1.O6 m波长时的光谱透过率为0.707,相当于衰减1.5ldB。
2. 米氏散射 r
如果大气温度较低,湿度很小,水蒸气吸收不显著,而大气散射是主导的衰减因素。
三、结果和讨论
1.测试样机
工厂生产经验合格的某产品A-59、A-72两具,该产品战技要求为能见度20km,对模拟战术目标的5*8㎡红红砖墙其发射率为0.29,最大测程10km,计算消光比指标为45.0dB。样机测消光比前焊掉了TPG控制信号线。
工厂试制的某产品设计定型正样机B-1,B-2两具,该产品战技要求为用本望远镜能识别坦克目标的天候条件,对模拟坦克靶军绿色靶面最大测程5km,样机TPG电路作了修改,测消光比时可用距离选通旋钮开关将TPG控制信号断开。
2.测试方法
制备有两套经准确标定的衰减片,小口径的用于档发射窗,大口径的用于挡接收窗。标准漫反射靶面用特种MgO涂料,其漫反射率经准确标定为0.978,靶面与激光束的垂直性由于5°。
3.大气衰减系数的测试
如果地形条件许可,预先拽一些远近不同的参考目标,测消光比时用肉眼观察,最远可以看请那个参考目标,筑可以估测出气象视距。估铡虽然报难准确,但对消光比修正影响不显著。涮消光比对L.一般在1kin以内,对l km以内的标准自靶测距几乎不受气象条件限制, 但气象条件太坏, 例如能见度小于5kin,往往雾气很大且变化迅速,大气衰减系数a o没有一个稳定数据可言, 因此测试消光比一般应选择不下雨且无明显烟雾的天气,气象视距最好能超过8kin,并不是任何坏天气下都能测消光比。
再作测距临界状态下准测率试验,求得10次皆能准测的测距临界状态后逐级增加衰减值至每次都测不回来距离,然后回到测距临界状态增加测距次数到20次和50次,如不能此次准测,则逐级减少衰减值。
3.测试结果讨论
(1)当发射窗和挡接收窗 挡接收时的消光比值略高,但差别不大,因此挡发射, 挡接收,或者既挡发射又挡接收均为可行。
(2)气象修正值 如果气温较高湿度较大,且测试时,能见度不是太坏(V>5km),胡果鼙地形限制看不到远近不同的参考目标,也不具备两个标准白靶的测试条件,只考虑水蒸气吸收衰减而忽略大气散射,虽然修正值略小,但实践证明这样取气象括正值基本可行。
(3)确定测距临界状态的测距次数美国休斯公司St{tch & Jahnson 1967年的试验报告规定测距10次,其中有9次测定为测距临界状态, 以确定消光比数据。我们的测试结果表明, “测距临界 是一种非稳状态,从刚能测回距离到10次都准铡, 其间过渡区约有5dB,从lO次准测到50次都准酒的过渡区还有ldB左右, 随具体产品而异。因此确定测距临界状态的测距次数与战技指标中的准测率指标有关,准测率为90 的产品可以只测10次,准渊率为95%的产品应该测2O次,准测率为98%的产品应该测50次。
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