二氧化碳激光测距机
二氧化碳激光测距机
作者:卫洁
近年来, 通过试验证明了波长为10.6微米的二氧化碳激光测距仪器的性能比微米系统(Nd+3:YAG) 的性能好。这是因为它其有较好的烟雾渗透能力和较低的大气衰减, 可在较差的能见度条件下, 提高测距性能, 满足军事要求。采用二氧化碳激光器技术制成的测距机对人眼安全, 并且在光学上与工作在8一12微米波带的热像仪相适应。
性能
适应于前视红外波长前视红外仪器用于夜视, 它一般工作在8一12微米波长范围内, 而激光器的工作波长也在这个波带内。这样, 当二氧化碳激光器与前视红外仪器联用时, 只使用一些相同的光学系统郎可, 而YAG:Nd+3激光器与前视红外仪器配用时, 一般需要两种不同的光学系统。此外, 当扫描器与激光脉冲同步时, 可以用前视红外探测激光斑点, 并用前视红外成象显示。因此, 二氧化碳激光测距机比YAG:Nd+3测距机简单、价格便宜并且效率高。
渗透烟雾能力
10.6微米辐射与YAG:Nd+3辐射相比,具有较好的透烟雾能力。1.06微米与10.6微米波带透过黄磷、红磷和六氛乙烷烟的能力比较。
效率
YAG:Nd+3测距机的总效率为1一2%,二氧化碳激光测距机的效率为10一15%。二氧化碳激光器电源需耍高电压, 这往往会增加测距机的重量, 但若满足电池的要求, 今后研制成功的二氧化碳测距机大概会比YAG:Nd+3测距机尺寸小、重量轻。
眼睛的安全性
眼睛瞳孔把1.06微米辐射传播到视网膜上, 而10.6微米辐射在眼球玻璃液中大大衰减。此外,1.06 微米辐射的最大允许照射强度为5X10-6焦耳/厘米², 而10.6微米辐射最大允许照射强度为1X10-2焦耳/厘米²。因此, 可以把二氧化碳测距机设计成具有满意的输出能量/脉冲, 且在观察者直接观察测距机的输出孔径时, 对子人眼非常安全。
光束宽度
固体激光器的输出不受衍射限制。例如,具有5/4孔径的YAG:Nd+3激光器会产生发散角为1.67X-4弧度的激光光束。典型输出是在毫弧度范围内, 采用光学的方法很难使其达到0.1毫弧度。而二氧化碳激光器的输出是受衍射限制的, 虽然初始光束宽度是在毫弧度范围内, 但与固体激光器输出相比, 其光束容易用光学系统进行准直, 这是因为来自衍射限制源的辐射相当于一个点光源辐射。
波长丰富
二氧化碳激光器的工作波长不仅与YAG:Nd+3不同,而且它可以分别工作在将近一百条不同的波长上或同时工作在几条波长上。尽管这些波长在探测器的光谱响应范围内,但是它们可以不通过窄波带光学滤波器,而且所用的特定波长也不一定工作在探测器的峰值响应上。这样可以避免不必要的探测。波长丰富是使用外差探测法所具有的的一个独特的优点。
外差探测
由于探测10.6μm辐射的外差接收机具有高度的相干性和长波长,因此他的灵敏度比视频接收机的灵敏度高几个数量级。在激光测距机中已经采用外差接收技术,并已得到论证。使用外差接收机,可以用连续波激光器来代替脉冲激光器。并且由于外差接收机需要使用本机,因此该装置对于不必要的探测几乎没有影响。
结构
主要介绍英国马克尼公司脉冲式二氧化碳测距机样机的机构。
1.发射机
发射机由高压电源、激光器、“时钟起动”装置和发射光学系统组成。高压电源的作用是把24V直流输入电压转变成25千伏输出电压,用来驱动激光器。激光器由密封的横向激励大气压(TEA)激光管和快速放电电路组成。“时钟起动”装置使用一个锗光束分离器,使激光输出的小部分能量进入热电探测器,产生一个点燃距离计数序列的信号。而激光输出的大部分能量被反射离开光束分离器,并穿过带有锗透镜的发射光学系统,把光束发散度从3.5豪弧度降低到0.5豪弧度。
2.接收机
接收机由接收光学系统、探测器、放大器、测距电路、低压电源、中央处理机、光学瞄准具和按制显示板组成。接收光学系统采用通光孔径为125毫米的绪透镜。接收到的返回激光脉冲聚焦到啼铅锡探测器中, 使用啼铅锡探测器是由于现成可用, 便于在短期内完成激光测距机的研制工作。今后为提高灵敏度, 进一步改进测距性能, 则应使用啼蝠汞探测器。接收机探测器的输出被输送到接收机后面的低噪声前置放大器中, 随后再通过主放大器进一步放大。测距电路在单电路板, 采用分立元件。用于探测和跟踪目标的光学瞄准具安装在接收机的侧面。
测距机的控制和显示器安装在接收机后面的板上。最小距离控制和可变距离窗按制可以排除来自近踢和远塌物体的不必要的反射。同时也给两次测距提供了方便, 若已知两次测之间的时间间隔, 就可自动测量两个距离。运动目标的距离变化率就是采用这样的方法测量的。在单次测距操作中, 数米远自标的距离在一个七节LED数字显示仪中显示。在二次测距操作中, 第一个和第二个距离以及目标的距离变化率在三个单独的数字显示仪和一个指示目标运动方向的显示仪中显示。该显示器也可以显示在最小距离调整范围内和超出距离窗范围接收到的回波。
低压电源安装在接收机中, 从伏直流输人电仄开始操作, 以便为接收机电子装置提供所需的电仄电平。中央处理机由微处理机和存储器组成, 该装置在两次测距中使用时, 可以擦制测距机子系统的排列程序并进行距离变化率计算。
3.光学系统
测距机有三个光学系统, 发射光学系统、接收光学系统和光学瞄准具。耍求这三个光学系统的轴线相互对淮。
未来发展
为满足军事应用, 要求激光测距机具备良好的全天候测距性能和尺寸小、重量轻等优点这些耍求将是研究激光测距机未来发展的课题。在满足这些要求方而, 脉冲式激光测距机大有潜力可挖。最近的研究工作已使驱动激光器的高压卑源的体积诚小了。通过几种技术可以诚小光学系统的尺寸, 如把发射和接收光学系统组合成一个单孔径。用反射光学系统来代替折射系统可使重最进一步诚轻。在接收机中使用啼锡汞探测器不仅可以改进测距性能, 而且它的灵敏度比啼铅锡探测器高个数量级。啼镜汞探测器其有较低的电容量, 从而放宽了对前置放大器的某些设计限制。
另外还可以对探测器冷却系统加以改进, 使用冷却发动机米代替高爪气体瓶是很适宜的, 因为高压气体对于某些应用不适用。研制窄带脉冲式激光器和在接收机中采用外差探测法可以进一步提高测距机的灵敏度和性能, 或者提洪与道接探测系统相同的灵敏度和性能, 但是发射的激光功率大大降低了。
脉冲式外差激光测距机的另一个优点是可在回一种高效率、带过压保护的激光测距机距离计电源另外还可以对探测器冷却系统加以改进, 使用冷却发动机米代替高爪气体瓶是很适宜的, 因为高压气体瓶对于某些应用不适用。
研制窄带脉冲式激光器和在接收机中采用外差探测法可以进一步提高测距机的灵敏度和性能, 或者提洪与道接探测系统相同的灵敏度和性能, 但是发射的激光功率大大降低了。脉冲式外差激光测距机的另一个优点是可在回波信号中,利用多普勒测速仪测量目标的速度。
其它类型的二氧化碳测距机也在发展之中,可以预料,二氧化碳测距机将会得到越来越广泛的应用。
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