一种Nd:YAG激光测距机
一种Nd:YAG激光测距机
作者:李春亮
一、概 述
英国Ferranti航空电子公司开发的1 0 5系列激光测距仪机, 使用掺钕钇铝石榴石(Nd YAG)周体激光器。为了减小测距机的尺寸、重量, 其激光发收器组件选用发、收台一式光学系统。测距机的另一组件是光束瞄控器。光束瞄控器选用一对楔形镜,这对楔形镜由伺服系统控制旋转以实现对准目标,并能达到2O。的圆锥视场。测距机的两大组件可精确校准并能达到0.5毫弧度的轴线平行度。两大组件可用每秒300。的转速同步运行、追踪目标。激光器的光学谐振腔选用正交泊罗棱镜, 装调方便, 使用可靠。
105系列激光测距机已有400台以上交付使用。该系列中, 目前仍在生产的只有105D 和1 O5s两型 105D与10'3S的不同之处仅在于结构尺寸, 它们的光学系统、电子组件完全相同。105D的后身n )曾装A—l0飞机进行过大量飞行试验。而本身主要与丹麦皇家空军的公鸭飞机配套, 此外, 也装于美国空军的A— 10单座型飞机。
105系列激光测距机体积小、重量轻, 能达到每秒l0次昀重复额率, 是理想的可用于航空火控系统的距离信息传感器。
二、原理组成
所述激光测距机包括发收器和瞄控器两大组件,每组件自成独立模块。每组件的光学系统被牢靠密封在各自的壳体中, 这样能防止光学元件表面的受潮或划伤。测距机的高压器件亦被牢固灌封, 这能防止潮气侵蚀可能引起的性能下降。测距机的光学设计,能确保系统装调时一次成功,使发、收光束始终保持校准状态。发收器组件与瞄控器的对接具备互换性,任意两个组件只要注意对按基准即可迅速完成组装并保证0.5毫弧度以上的轴线平行度。
发收器组件由以下几个部件掏成: (I)包括光源驱动电路、Q开关调节器、脉冲产生网络在内的光学部件l (2)包括光源、测杆在内的冷却部件, (3)电源I (4)包括探测器, 前量放大器在内的接收部件, (5)精密计时仪部件。
为便于装调、维护, 上述谙部件间采用插接结构, 备部件具有互换性。光学部件的金属壳体是整个发收器组件的基础结构, 它承载着发收器组件中的其它部件。为在电源已被拆除情况下仍能点亮光源, 更换脉冲产生网络或Q开关。发收器组件设计采取了特殊措施。涮距机发收器的电子部件因与激光发射机配连~ 体而常被归并于发射机电子部件。发射机电子部件交连着光学部件中的接收器、精密计时器, 以及电源三个模块,它须紧靠激光谐振腔安装。
三、光学部件的设计思想
这种激光测距机的光学部件具有以下特点。
(1)遁度大小的单一通光口径’减小了光学组件的重量 体积和造价。对于使用于航空环境下的激光测距机, 最好的结构方案莫如发射、接收光学系统台二为一。其原因在于·为提高激光束的传输效率, 飞机被要求开凿专门窗口。这种窗口尺寸愈大, 飞机的空气动力蛀能受到的影响愈严重。而发射、接收合一结物型式只需较小窗口
(2)接收光学系统及其探测元件的视场角都很小,其数值仅比发射激光束构发散角稍大一点。如此设计极利于抑制背景噪声,提高潮距机抗干扰能力,可限制接收器噪音灵敏度到最低水平。
(3)光学部件中的谐振腔使用正交泊罗棱镜, 可降低谐振腔的光学调整难度。在实际使用环境条件下, 即使由于撮赓变化或机械冲摄引起一一些失调, 谐振胯的蔓作性能也不会受
到太大影响。此外,正交泊罗棱镜还对近轴光束、远轴光束具有不同 放犬作l用。激光柬在谐振腔内往复振荡时,近轴光能摄比远轴光能量将获得更大增益。典型情况下 其平均蟑值密度比可达4 t 1
(4)光学部件选用铌酸锂晶体为“Q”开关。可避免对于高速旋转棱镜及高速机构的需求。此种 Q”开关可给出稳定的脉冲序列,使测距机其有更高可靠性。此外,辊酶锂晶体不蓣外增加磁光束冉匀发散角, 利于压窄波束角。
(5) 光学部件使用负分支非稳谐振腔。能保证用作“Q” 开关 铌酸锂晶体具有稿灵敏度,可感知能量密度很低的激光束。宴现负分支非稳腔的具体逮径是:在铌酸锂晶体中加进一片偏振分光片,并用这片偏振分光片从输出的激光蘸量中提取一部分蘸量作为反馈信息。设计上能这一特点, 可产生其它方案无法比拟 灵敏度效果。此外 这种谐振腔中还有1.22倍的补偿作用, 它不仅提供辅助性保护, 而且控制光束发散。
(6)泊墨棱镜紧靠“Q”开关空位,装于相干计的负反馈支路中。该棱镜涂镀的位相光学薄膜允许“Q”开关晶体直接使用在光轴上,并把激光束提前发射的可能性限制到最小程度。
(7)测距机选用的Nd:YAG激光器,实际上可以安全的输出70豪焦的能量,但测距机使用的能量还不到这一能量的一半。这种降额使用措施,不仅可延长激光器自身的寿命,而且可延长光源的脉冲电路电容器等的寿命。
(8)光学零件的所有表面均涂镀高效增透膜,极利于防止边角杂散光束产生大角度发散的可能性。
(9)光学部件的冷却板为充液系统,这种冷却板可满足每秒10次的使用要求。液冷系统中用一电源模块驱动液泵,用压力传感器和温度传感器控制电源模块。
四、电子部件的设计特点
该激光测距机的电子部件具有咀下的特点:
(1)发射机电子部件。它包括直接与激光器插接的几个模块; “Q” 开关调节器是一快速响应的矗压暮冲固体电路,用来控制,“Q 开关晶体。光源驱动装置含有高压开关变压器, 能稳妥地顺序点亮光源 脉冲电路电容器是一塑科模块,它具有较高能量密度 特制长的使用寿命。
(2)电源。插入式电源模块依靠来自飞机的大约28伏的电源玉作, 它通过自身的高压过渡趟程德被 能把任何瞬间出现的噪音控制在允许限度以下。高压由一个裔效能量反馈泵产生。为了安全可靠,该泵仅被使用于自身能力的60%左右。直流低压亦被调制成脉冲形式, 因而, 测距机的供电需要量被减小到了最低限度。
(3)精密计时仪。精密计时仪装于光学模块底部的预制槽内。它实际是二进制十四字节的遥算耐铷,工作在6o兆赫频率上,最低位数字2.5米。计时仪 零相纰情号起动, 研熏加计算簋到1b=F米。当激光返回被接收机接收时,该瞬时的时间数擅首先送入寄存滞.斑随后的逻辑脉冲工作摸式中,每当下~ 个返回信号再被接收器接收时,寄存器中的时间数值虻荐却秧更替。如果丢失了一个回波,则时钟可建立起门锁,门锁信息被加到距离数字上。此时所显示的距离数字是与最远目标相对应的。在第一个脉冲逻辑电路中,只有第一个返回信号被贮存,剩余的返回信号被移放到其它电路中。精密计时陂可计算300~l0000米间的任何距离。计时仪系统的最小距离是内部预置的。测距工作全部完成后, “数据准备”教励信号形成并被送到外部时钟上,距离数值可由外部时钟读得 、计时电路由两个混台网络以及几个标准高速T T L集成电路连接而成。
(4)激光接收器。激光接收器装于光学模块束端 亮蔺中 接收器包含一十高灵敏度的雪崩二极管。雪崩二极管输出的信号经放大处理后用于产生输出脉冲的门限虢视器。从激光器起动到监视器输出脉冲之间的时问差, 即被精密计时仪用来计算目标距离。为更好地分辨多个目标, 应注意信号的放大、处理方法。降低放大增益可减小由于烟团、云块或尘雾介入测程引起的紊乱。自动建立探测门限可降低虚警率。模拟电路由小型的可靠分立元件焊装而成,它与两个混合电路相连接。整个接收器使用双层罩屏蔽,外电路对它的干扰能被减小到最低程度。整个接收器模块是一个预先校准光轴、预先调好焦距翱备用件, 它能在外场维修时不作任何调整地予以更换。
(5)机内测试装置。谢试用脉冲由精密计时仪产生, 它与9900米距离相当。该脉冲的波形和振幅与返回激光光束产生的信号非常相似, 可直接引入接收器。激光器起动后, 如果没有被目标返回的真实信号进入接收器, 计时仪的指示器将按机内测试装置的数码给出显示。预置数码的显现可以说明: 尽普没有返回信号被接收, 但整个激光测距系豌运行正常。
激光器每次发射的脉冲能量强弱总被测量。如果发射能量低于允许的最小值, 信息将被直接加到计时仪的距离数字上,以提醒驾驶员注意。
五、.光束瞄控器的工作原理
光束瞄控器包括主座架、齿轮盘、透射望远镜、伺服电路板和电源。主座架避蝗个测距机的载体。透射望远镜也安装在主座架 , 并在出厂前完碱控罐和调焦。下而仅剥诲托盘和伺服机构进行介绍。
(1)齿轮盘。齿轮盘包括两个光学楔形镜,每镜由自身的伺服马选驱动。樱形镜的转角用同步角传感器予以测量,楔形镜的转速用转速计测量。
伺服机构。楔形镜应古据的理论位置直接由计算机解算并以数字信号输出。伺服机构受来自计算机能理论信号控制。理论信号在伺服机构的接口电路板中被处理编排成30个同步信号数码。伺服控制扳驱动伺服马达,直到拖动禊形镜的马达值在“伺服误差 信号等于零的位翼上。伺服浸善信号还同时被机内测试设备网络所监视。如果激光皋漪来指向正确方向,机内游试设备网络将给出“防止起动激光器” 的命令。饲服系统参数设计,应能保证寓身具有较高的响应速度, 以使瞄堆线严格遵循一切跟踪命令跟踪目标。不管飞机在方位、俯卸、饲滑方向上怎样运动,都能维持瞄准符号始终压在目标上。
光束瞄控器设计亦有若干技术特点。例如, 齿轮盘是一个稳定的、预先调校音格的接插件, 用旋转的光学楔形镜控制光束指向, 使之在2O。锥角范围内精确定位。
六、激光测距机的技术指标
该激光测距机的主要性能及技术参数如下表{
(1)发射机
激光器类型 Nd:YAG
激光波长 1.064微米
发射能量 30毫焦耳(最小值)
重复频率 10次/秒(连续地)
光束发散角 0.45毫弧度
Q开关 铌酸锂晶体
冷却方式 甘醇液热交换器
(2)接收器
器件类型 雪崩二极管
视场 0.6毫弧度(最大值)
测距范围 300-10000米
总精度 3.5米
(a) 光柬蠢控嚣
光束瞄控范围 10°半圆锥角
旋转范围 360°
测角精度 1毫弧度(静态)
楔形镜同步响应 30°(100毫秒内)
10°(80毫秒内)
2°(35毫秒内)
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