CO2TEA激光测距机
CO2TEA激光测距机
1.引言和提要
本文详述了一种小型的适于测距200米到5000米的CO2TEA激光测距仪机的设计、结构和野外试验结果。着重讨论适于军用(如用于坦克)的坚固小型化测距机。
近几年来,输出10微米的CO2激光器,在野外试验中显示出比一微米的Nd:YAG或GaAs系统优越,这是由于CO2激光穿透烟雾的能力比较好,大气衰减比较小。波长10微米的激光对人眼安全,可供培训联系用。随着前视红外雷达的使用日益真多,目前正在探索把TEA激光器装入前视红外雷达的可能性,由此设想出一种既能增强火控能力又能有效利用成本而且紧凑的主-被动系统。
2.系统描述
激光发射机由机内振荡器或者由外触发器以每秒2次的最高重复频率触发。从高速(700兆赫带宽)热电探测器来的发射脉冲作为距离计数器的起始脉冲。该探测器监视透过激光器后反射镜(反射率为99.5%)的低能脉冲。发射到目标的高峰值功率脉冲的上升时间小于20毫微秒,脉宽为50-60毫微秒。
从碲镉汞探测器接收到的脉冲由专门设计的、标称增益为40分贝、贷款为10兆赫的低噪声前置放大器放大。经过10倍附加可变电压放大之后,再使脉冲在视频放大器中放大,该放大器具有自动增益控制以避免由于近距离目标返回来的强信号而产生的饱和。放大了脉冲作为距离计数器的停止脉冲,然后在高亮度发光二极管显示器上显示出距离。
激光测距机由五个独立的组件构成,他们都装配在同一平台上。这五个组件是:1.激光发射机;2.发射光学系统;3.碲镉汞探测器/杜瓦瓶和前置放大器;4.接收光学系统;5.信号处理机器/显示器。
3.激光发射机
该组件包括激光器,脉冲成形网络电源和触发器组件。
专门研制了一种为测距用的紧凑而牢固的具有30-50豪焦脉冲能量的CO2TEA激光器。激光头是一个3英寸X3英寸X7英寸的氧化铝陶瓷外壳。使用近于Rogowsky剖面的电极,由装在这两个电极两边的两块电弧列阵提供紫外预电离。放电尺寸约为1厘米X1厘米X14厘米。采用平平光学谐振腔结构,硒化锌输出耦合器直接粘贴在经精密湮没了激光器管壳的一端面上。后反射镜则装在精确准直了的支架上。谐振腔内装有ZnSe布儒斯窗以获得线(垂向)偏振光输出。
测距机中所示出的激光器使用在大气压下缓慢流动的CO2、N2和He的混合气体,用一个小气瓶装预先混合好的气体。同样的封离型激光器的寿命实验也已成功地达到4X106脉冲,寿命试验的结果,今后将用封离型激光器代替流动型激光器。
脉冲形成网络由储能电容器和一个密封的出发火花隙开关组成,该开关通过低电感接线与激光器连接。小型而有效的电源变换器产生17-19千伏的充电电压。使用直接串联开关电路和倍压电路都很成功。为了避免电晕和击穿,高压元件都封装起来。
激光器的输出脉冲快速上升的增益开关尖峰脉冲宽度为50-60毫微秒,峰值功率大于300千瓦。较低功率的脉冲尾部宽度约为1.5微秒,约占脉冲能量的60%,可是这个脉冲尾部受混合气体组分的强烈影响。
激光器以纯TEM00模振荡,具有近似于高斯强度分布。在输出反射镜处的光点大小约为7毫米,初始光束束散(全角)大约为3毫弧。
4.接收机
探测器是单个HgCdTe光点二极管,直径0.01英寸,本征带宽约为100兆赫。该探测器装在一个小型不锈钢液氮杜瓦瓶内,其报文时间达12小时以上。杜瓦瓶上的窗口材料是bAF2,厚2毫米。
增益为39倍,带宽为10兆赫的的专用低噪声前置放大器直接安装在杜瓦瓶下面。
接收光学系统是一个标称衍射限制的二元透镜系统。透镜直径为5英寸,焦距为6英寸。在焦平面处衍射限制光斑尺寸的计算值约为0.003英寸。接收机视场约为1.6毫弧。这是发射束散的3倍,从而保证了良好的手机效率并减轻了对发射和接收机之间的准直要求。
5.信号处理机/显示器
信号处理机由一个放大器和一个脉冲触发器,二个消隐门限电路,二个距离门,一个计数器以及一个距离显示器组成。
为了降低激光器触发放电产生的噪声影响,需要有消隐门限及距离选通电路。
视频放大器和距离计数器与AN/GVS-5Nd:YAG手持测距机中采用的混合电路相同,这是由于他们小巧,并且为了实现与其它系统通用,所以使用了这种放大器和计数器。时钟频率为15赫兹,因而么给时钟脉冲相当于10米距离,由此即可得出测距精度。距离计数器的固有的最小技术距离为180米。
由2赫兹的主脉冲发生器确定触发激光器和使距离计数器与显示器复位的脉冲重复频率,大约在触发脉冲之后2.6微秒产生激光脉冲。噪声消隐脉冲在放电脉冲期间关闭大部分数字电路。另外,距离门的最长开门时间为45微秒。距离门起始时间是可变的。以容许在多个返回脉冲情况下选择远距离目标。
6.机械设计和准直
测距机装在同一基座上的三个分离的外壳内。基座装在三脚架上以容许调整方位及仰角以便于不同的目标。可见光瞄准镜装在激光发射机上,用于测距机的轴线校准。
系统分离成独立的组件以便于设计灵活和容易修理。此外,由于高压放电产生的非常大的噪声,所以必须把发射机和接收机各自装在独立的完全屏蔽的容器中,实现严格隔绝,以保护灵敏的接收电子学设备。为了进一步减少电磁感应问题,一定要特别注意保证良好的接地,并对电子学线路的输入端进行严格的滤波。
在本规划力所能及的条件下把这些组件设计的尽可能小,当然,进一步减少所有部件的尺寸无疑是可能的,因而可以预料下一代产品将大约是这台测距机体积的一半。本测距机体积约为15.5英寸X12.1英寸X10.1英寸,重35磅。
系统的准直包括正确的调节发射机和接收机光学系统的焦点并调准他们的瞄准线相互平行。焦点调节器是发射机组件前面的一个微调螺旋,该螺旋围绕接近该组件后部的定位钉旋转。仰角调节器是接收机外表背面的一堆微调螺旋,其中一个作为微动调节器,另一个则作锁定只用。事实上,粗略的准直是用位于约50英尺远的热电光导摄像管在实验室里完成的。然后将焦点调整到无限远,并在外场是用500到2000米范围内的目标进行瞄准线的精细调节。
7.外场试验
目标返回信号的测量是在位于Minneapolis郊外的一座屋顶实验室进行的。记录到了距离为250米-4900米的各种目标的不同振幅的回波信号。信噪比从近目标的24分贝变到4公里目标的6分贝。
实验发现从卡车、小汽车和各种不同的金属结构可得到最大的反射信号。卡车和履行拖车的返回信号是很强的。例如,在相距一公里处设置一个靶标,而对准靶标的光束在高出路面约2米的上空横穿快车道。快车道离测距机450米,当每次有小汽车或卡车穿过光束时,就产生一次这一数值的距离显示。党对710米的钢棚测距时,又发生类似情况,在临近钢棚的公路上驶过卡车时总是给出690米的读数。
8.结束语
制作并试验了一种组件式的,可野外使用的10微米TEA激光测距机。结果证明,脉冲为300千瓦的小型测距机可进行5公里远的精确度高重复性好的测距。
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