英国的二氧化碳激光测距机
英国的二氧化碳激光测距机
伍允诵
二氧化塘激光测距仪机有三个主要的优点:对人眼安全;对烟尘雾有良好的穿透能力;能够与8-13微米的热观察装置兼容。据分析,超过1.4微米的辐射就不会聚焦在人眼的视网膜上。对于10.6微米脉冲激光器,国际上公认的对人眼的损伤极限为100焦耳/米²。这个数值比可见光的损伤极限大20000倍。对于单次发射的二氧化碳激光测距机,当脉冲宽度为60毫微秒,均匀照射窗孔直径为50毫米,峰值功率为3.2兆瓦时,即便在零距离上直接观察,对人眼也是防护。对于那些名义上也是安全的钬或铒激光器,情况就不是如此。关于连续器件,二氧化碳的安全极限为1千瓦/米²,因此,连续二氧化碳系统用平均2瓦的功率及50毫米的均匀照射窗孔工作,在任何距离上对人眼都无危险。
大气对电磁波的透射受两个因素的影响:吸收和散射。据分析,能有效穿透大气的波带为可见光,1微米,1.5微米、2微米及10微米。但由于战场的烟尘雾颗粒一般比10微米小得多,故二氧化碳系统在大气中的衰减比其它激光器小得多。据报道,二氧化碳系统在大气中每公里的损耗约为1.55分贝,而钕激光器每公里的损耗为2.65分贝,并且这种损耗随传输距离的增加而增加。因此,对于给定的输出功率,二氧化碳系统的作用距离就比钕系统远多了。一般认为,在5公里距离上,直接探测的二氧化碳激光测距机需要的功率比钕测距机要低2-3个数量级。第三个优点是 它能与8-13微米热象装置组合使用。由于它的波长处于8-13微米热象装置的波段内,因而两个系统可以组合起来,共用一个光学系统、探测器和制冷系统,从而使仪器具有全天候作战能力,这一点是钕测距机难以做到的。
英国史研制二氧化碳激光测距机最早的国家。弗兰迪公司搞得最早。它于1975年开始研制303型激光系统,采用皇家信号雷达局研制的由马可尼航空电子设备公司制造的横向激励大气压激光管。弗兰迪负责将激光管连同新设计的电源,测距电路及光学系统等装成测距机。不过,该系统在体积、重量及接收孔径方面均不符合军用要求。因此,1977年,弗兰迪又着手研制307型。307型的体积、重量及接收孔径均已大大减小,并且用光电导探测器代替了303型的碲锡铅探测器。这一点有助于在接收孔径减小的情况下提高测距机的性能。第一台307型系统采用了马可尼公司制造的小型TEA 二氧化碳激光器,以后则采用弗兰迪公司自己制造的620型器件。后来,弗兰迪公司又搞了307改进型。307改进型与307型的主要区别是,用了弗兰迪公司自己制造的大功率激光管620型。输出功率为600千瓦,测程提高到20公里,而总的体积重量仍为改变。光束散度减到了0.5毫弧。尽管输出功率很高,但由于光束密度在发射孔径上严格受到控制,故对人眼仍是安全的。弗兰迪公司曾用307型测距机对地面积空载目标和海上船只做过试验,并由美国国防部予以鉴定,开始商品生产。
620型激光器是弗兰迪的二氧化碳激光测距机的主要部件。它有两个chang型电机。全密封的外壳是用膨胀系数一致的硅面和殷钢制成的。混合气体中含有二氧化碳、氮、一氧化碳和氢。管的一端为100%镀金的铜反射镜,另一端为反射率可调的锗窗。发射的光束接近高斯曲线。1/e²直径为6毫米,光束散度约为3毫弧。他的寿命超过10六次方次,而且可以重新充气继续使用。这是弗兰迪器件的一个独特的设计特点。后再此基础上又研制了625器件。该器件的忒单是采用了偏振技术。两个器件的重复率均为每秒5个脉冲,为了适应高重复率的要求,弗兰迪公司还研制了一种627型器件。这种器件适用于地-武器系统。此外,还研制了一种623型微型发射接收系统及一种光束散度低的626型系统。
在外差探测连续波二氧化碳激光器方面,继皇家信号和雷达局之后,弗兰迪公司也做了大量工作。连续激光测距机的优点主要有:发射的能量少,因此不易被发现;可以直接求出目标速度信息;激光测距机易于转作它用,如秘密通信及模拟吴祺直接设计效果等等。缺点是信号的处理特别复杂。该公司研制的100连续的波导激光器的输出功率为2.5瓦。此装置已于1980年按军用标准作了鉴定。根据英国国防部的要求,已用波导激光器装成了实验性的测距机-305型连续激光测距机。305型为超外差系统,输出的激光用声光调制器做频率调制。回波信号在探测器与取样的未调制激光信号混频。探测器是一个平方率器件,它对差频产生响应,信号经过处理,得出距离速度信息。
第二家研究二氧化碳测距机的公司为马可尼航空电子设备公司。他研制的二氧化碳激光测距机样机也用的是封离式TEA 二氧化碳激光管,脉冲持续时间为60毫微秒,峰值功率为220千瓦。用锗透镜将回波聚焦于碲钖铅探测器上,探测器冷却到77°K。测量9公里,精度±5米。此测距机共有15个硬组件、通光孔经为125mm的锗接收光学系统、能把光束发散度由3.5毫弧压缩为0.5毫弧的锗发射光学系统、“时钟起动”组件、用焦耳---汤姆生致冷却器的碲钖铅探测器以及电路板和后安装板等等。接收器的视场约为0.7毫弧。探测器后面有低噪声前置放大器。测距电路采用分立元件,工作频率为60兆赫,距离梯度为2.5米,望远镜的倍率为6,装在接收装置旁边。在后安装板上,装有测距机的控制和显示部件。用最小距离控制器和可变距离门进行选通。该系统还可以用双脉冲模式工作,能按已知的时间间隔自动测出两个距离,从而能测出活动目标的距离速率。此测距机可以装在三脚架上。能再充电的24V镍铬电池及制冷用的高压氮气瓶也装在该架上。测距机的体积为30X30X30立方厘米,重量10公斤。该测距机共有三个光学系统;激光发射光学系统、接收光学系统和瞄准光学系统。发射光轴是固定的。另两个以它为准调校。
曾用该机对各种已知距离的目标做过试验。结果证明,不管距离远近,精度一直是±5米。对2888公尺远的喷火铝目标测了500次,其中93%的结果是±5米。据称,该测距机能分辨出前后相距数公尺的固定目标。还作为地-空及空-地测距试验。由地面测飞行的直升飞机为3公里。从直升飞机测地面3.5公里。地面测距的试验结果是:能见度良好是对大楼为9公里。从直升飞机测地面为3.5公里。地面测距的试验结果是:能见度良好时对大楼为9公里,在能见度为500公尺的薄雾天,测程为1.5公里。
第三家研制二氧化碳激光测距机的公司为航空航天动力财团激光系统部。他研制了一种快速可寻址二氧化碳激光测距机。此机能与8-14微米的探测系统组装。它采用高频率横向激励激光器。能提供150微秒的指令信号。除体积小这一设计特点外,它还采用了声光偏转光束控制技术及高性能分向滤光镜,能够从热信息中提取激光回波信号。
激光测距机和红外探测系统共用接收望远镜的组装系统可以在方向和高低两方面手控或自动扫描。瞬时高低视场大于激光光束散度,以便给出良好的距离性能。激光光源用紫外光预电离半密封TE脉冲二氧化碳激光器,不锈钢外壳内装有混合气体,由外部电动机驱动的转子使其回流。在一对装有光电离器的chang型电极间产生主放电。光电离器及主电极均封装在陶瓷体内。用布鲁斯特窗提供平面偏振输出。用水冷却气体热交换器。输出功率为兆瓦级。脉冲重复率超过25赫。此系统采用锗单晶偏转盒,光学孔径为7毫米。整个偏转组件包括有偏转盒、频率合成器、功率放大器和移相器。偏转盒的中心频率为68.75兆赫,变化范围为55-82.5兆赫。这是副波束中出现的激光能量与入射到声光盒上的能量比率的测量结果。这是一个声频函数。声光盒的光学插入损耗低于4%。在27.5兆赫的有效调谐范围内,效率大于85%。该系统采用的分向滤光镜的带宽下限约为2.5%。
英国的二氧化碳激光测距机已进入实用阶段。休斯飞机公司已选定弗兰迪的脉冲二氧化碳激光器。作为它正在研制的M1坦克的激光测距机的发射器。英国国防部也已计划将二氧化碳激光器加到各种热象装置中去。今后发展的总方向就是研制体积小、重量轻、性能优越的全天候二氧化碳激光测距机,当前的工作重点则是解决测距机与热象装置的兼容问题。近年来,弗兰迪公司与英国国防部合作探讨过多种组装的途径,例如,测距机和热像仪共用一个接收器,而激光发射器单用一个发射孔;或者,把热像仪与测距机作机械连接,各用自己的发射接收孔等等。最近,他们还在探讨如何将激光测距机装到TOGS上去的问题,采用的屙屎改进的307型激光测距机和620序列的微型发射接收器。
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