激光测距机在精密制导子弹中的应用
激光测距机在精密制导子弹中的应用
作者:简莉
一、应用激光测距机的优越性
美川空军和陆军正在研究用散开的子弹去摧毁扎、的武器系统, 很多较小的子弹通常是装在一个大的投弹器内或平台上, 投弹器或平台从空中或地面向目标区发射, 在目标区上方,投弹器散开, 很多较小的子弹投射出, 投射的子弹用挤种传感器搜索目标。日前战场上应用的传感器有被动红外, 主动厂被动毫米波以及毫米波与红外组合的通常称为双伶的传感器。被动红外传感器易受干扰影响, 例如目标本身会投射具有类似热容量的火焰, 并且当真实目标弄错时会产生误射。其次, 目前进行了大量的研究工作来减小目标区的热特征, 如减小现代战场上战车排气火舌的热特征。因此, 需要研制一种根据目标形状而不是仅仅根据月标热特征来分辨日标的新的传感器。激光传感器利用激光测距的原理测量目标的即离和标高由此得到目标的几何形状, 根据目标的几何形状可分辨目标。这种利用激光测距原理的激光传感器就是技术已相当成熟月已在武器上广泛应用的激光测即机。目前激光测距机虽还未在精密制导的介弹中应用, 但原理上它在精密制导盯子弹中应用后可提供以下潜·在的优点可以瞬时测量目标的距离, 这能力使信号传感器编程地只搜索在适合跟离内的目标, 并使弹头的射击能力最佳可以测量目标的标高, 由目标标高的测量可完成目标三维形状的绘图测量, 例如,向一的前视激光测距机, 探测到目标如坦克之后, 激光测距机可测出坦克距离和目标距离两者之间的距离变化, 由此得出坦克目标的高度尺寸, 然后由坦克‘目标的高度尺寸计算出坦克目标的三维尺寸激光器可使甩非致冷的探测器。
二、可应用激光测距机的子弹类型
激光测距机可应用在四种类型的精密制导子弹。类型传感器引爆子弹。这类子弹是从战术弹药投弹器投放的, 传感器使用捷联式传感器并通过子弹的运动完成区域扫描。传感器在目标上方扫描当探测到日标时, 弹头射击。类型具有修正能力的传感器起爆子弹。这是一种增加了机动功能的传感器起爆二一弹,当传感器探测到目标时, 机动器执行, 使子弹机动并修正弹道, 使子弹在最任即离射向日标。
川类型制导到发射子弹。这类子弹将连续控制加在初始目标探测之后连续控制使弹头的毁伤效果对准目标并使子弹飞近目标。通常, 探测到目标后, 气动装置使子弹对准目标,在预定的即离, 弹头射向目标。 类型制导到命中子弹。这种类型的子弹是最完善的, 子弹投放和发射在一个区域内之后, 子弹沿近乎水平的路径自助式搜索目标。当搜索到日标时, 寻的器锁住日标并提供拧制信号给制导的弹使子弹命中日标这类子弹搜索目标, 然后跟踪并转向以声接命中目标。
激光测跟扫在上述四类子弹中应用后, 将使较低成本现代性能的子弹发展为高成本、高性能的二弹。上述四类子弹的飞行特性、探测和命中目标的方法各不相同, 因而在各类子弹上应用激光测即机的结构也不相同, 要求进行实际的野外试验后进行认真分析。
应用激光测即机的典型子弹的部件分解图。子弹中包括以下部件弹头、弹筒、电池、保险和解除保险装置、信号处理器、激光测距机。激光测距机的发射机和接收机分离, 以减小反向散射的影响。为使子弹的杀伤最大, 弹头必须尽可能的大。对于总体积为厘米的子弹而言, 通常只留下一, 厘米’ 的空间给传感器, 因此要求传感器和电子装置的体积必须很小, 耗电量也必须很小。
为了设计子弹用的可生产的低成本激光测距机,必须了解子弹各部件、子弹环境及其目标之间的相互影响。这种相互影响是复杂的,并且综合的影响使发展子弹用激光测距机的任务变得不平凡。必须考虑子弹的各部件、子弹环境以及目标是如何影响传感器的选择和实现。
研究经验表明:主要的考虑是性能、尺寸、能耗和成本。在性能方面,最高要求的工作距离和脉冲重复频率是影响部件选择的两个主要性能指标。
通常要求子弹传感器必须能在60米的距离工作。为了确定满足60米距离要求的激光发射机的功率,根据标准测距方程和Lowttan大气传输模型,建立了计算机模型。计算机模型研究了不同气象条件下,包括大气衰减系数的雾天、霾天以及晴天,发射功率与距离的关系。结果表明:在各种气象条件下,对于0.01弧度的视场而言,发射功率在0.25~1瓦之间,可满足工作距离为60米的要求。
为使激光测距机能测量目标的标高,探测目标时,激光测距机必须两次取样目标的高度;分辨目标时,必须8次取样目标的高度;识别目标时,必须12次取样目标的高度。因此,取样速率直接正比于目标的尺寸和激光束扫描目标的速度。不同扫描速度探测、分辨、识别典型军用目标标高所需的脉冲重复频率。所需的脉冲重复频率在1千赫兹以上。
子弹的尺寸通常限制在3277厘米³一下,传感器和处理器约占40%的空间。子弹由电池供电,并且最高成本通常在2000美元一下。根据上述限制条件选择激光测距机的元器件和测距方法。
三、元器件和测距方法的选择
选择激光器的出发点是激光器必须工作在大气窗口,大气窗口的波段是(1)可见光和0.75-1.2微米波段的近红外光;(2)2.0-5.0微米波段的中红外光;(3)8-14微米波段的远红外光。通常由三类激光器可供选择;即半导体二极管激光器、固体晶体激光器、气体激光器。在选择激光器时必须同时考虑激光器所用的探测器。
气体激光器具有潜在低的成本和高的输出功率,很有吸引力。但目前因体积太大,耗电太多, 且需要昂贵的致冷的探测器, 目前还没有竞争力但近年来出现的射频波导激光器, 具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、可脉冲工作或连续工作、易于调制等优点, 很适合于矛弹应用, 具有潜在的竟争力。晶体激光器使用低成本的非致冷的探测器,但休积大, 电转换为光的效率低, 激光晶体的成本高且重复频率太低不能满足快速飞行的子弹应用要求。
半导体二极管激光器很有竞争性, 激光器的探测器使用低成本的非致冷的探测器, 激光器易调制, 耗电少, 成本低, 适于大规模生产根据上述优点, 霍尼威尔防卫系统部选择了半导体二极管激光器供子弹应用。
在选择激光器和探测器时, 要考虑所用的测距方法。研究了三种主要的测距方法连续波振幅调制法, 脉冲飞行时间法以及光学外差法。外差法需宽的线宽和高的相干性, 且光混频不适用于子弹, 因此很快排除。脉冲飞行时间法具有较高的精度, 但为使距离分辨率小于米, 脉冲上升时间必须小于纳秒, 这要求宽的带宽和昂贵的高速电子电路。因此也排除了。
连续波振幅调制法又称为连续波相位延迟法, 因该法能很好满足子弹应用的性能、成本和尺寸的要求, 故尼威尔防御系统部选择了这种方法。应用该法的激光测距机, 主振荡器用来振幅调制半导体激光器的无束, 振幅调制的激光束射向目标, 由目标返回的回波信号用接收机接收, 回波信号振幅的相位与基准信号振幅的相位作比较, 两者之间的相位差是目标距离的度量。若使用矩形波调制技术, 相位比较器进行“ 异” 操作。异的平均输出在。相位延迟时为。在180°相位延迟时增加到最大,在360°相位延迟时又回复到0。
四、目前研制情况
美国的霍尼威尔防卫系统部目前正进行精密制导子弹用激光测距机的研制工作, 现已研制成7原理论证样机。该样机采用GaAs激光器,也可选用GaAlAs激光器样机的性能。
实验室线性试验结果表明:试验结果呈线性,且分辨误差大大小于设计要求的0.3米的分辨率。实验发现,测量的相位随距离的变化受回波信号强度的影响,通过仔细设计电子线路,这种影响可以消除,实验结果表明,在1伏和3伏之间的回波,所测量的距离变化不大于半英尺。
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