远红外激光测距机安全评价
远红外激光测距机安全评价
作者:陈宗礼 徐贵道 钱焕文 王登龙 胡富根 徐碣敏 周淑英 高光煌 张桂素 刘海峰
激光技术的广泛应用, 使激光安全问题受到普遍重视。近年来我们先后对不同型号的激光测距仪机进行了安全测试与评价, 确定测距时瞄准手视觉是否安垒, 确定对眼的安全距离,为科研、生产和使用单位提供了测距机的安全使用依据。本文较详细地叙述输出能量约110mJ, 用于对空活动目标测距的激光测距机安全实验方法、剂量测量、安全距离推茸等问题。
一、测距机性能及测量仪器
澈光测距机由激光发射、接收、瞄准系统及激光电源等部分组成,图l为其光路图,激光器由一级振荡加一级放大构成,激光工作物质为Nd“ {YAG晶体, 发射1.061Xm近红外激光,用铌酸锂电光调Q, 脉冲宽度7n s,激光束散角经天线压缩后约为2mrad, 器件最大输出能量210mJ(功率30MW ),经反射镜、输出窗等元件衰减后,实际输出能量约lOO~160m J,光束初始直径1.6cm。
观察瞄准系统由放大倍率分别为1和6倍的望远系统及其有关反射、折射元件组成, 出瞳直径5ram, 出瞳距离22ram。
试验需测剂量范围为0.2~10 J, 为此,分别采用碳斗能量计(灵敏度2m J/mm), 激光能量计(灵敏度6×10~J/ram), 以及激光能量辐射计, 分别配用分辨率为lO J,l0 J、l0 sJ等探头,所用仪器均经中国计量科学院进行定标。
=、剂量霸量和动物实验
实验安排是剂量测试和动物实验交替进行, 每蛆试验先测剂量, 确定剂量后再进行动物照射, 动物选用青紫兰灰兔, 体重约2kg, 照前检查眼底正常, 并散大瞳孔,瞳孔直径lOmm左右, 照后于l、24h由两人检查兔眼损伤情况, 并选择典型损伤进行眼底彩色照相,部分动物摘出眼球进行病理组织学观察。
1.输出端能量测试
实验期间在测距机输出口测得单脉冲平均输出总能量在重复率2pps时为105mJ,重复率5pps时为1lOre J。
2.瞄; 系统安全试验
进入瞄准系统的激光辐射主要是激光回波和机内漫反射, 为模拟目标最大反射, 在距测距机2.5m处与输出口平面平行放置一块镀锌光亮铁板以及选取距激光出口l ore以外自墙为目标, 将激光能量计(探头分辨率1O z aj)置于观察瞄准系统出瞳处, 测试仪器选取连续触发方式, 每输出l 0个脉冲自动显示一个平均能量值, 连续测10次求其平均值.
为模拟观测人员用测距机跟踪空中目标时接受多次照射条件, 动物实验分两组进行, 第一组为单眼接受重复率脉冲列2pps照射50 j第二组为5Pp s照射905,共用20只兔眼照射5500个脉冲,实验结果表明无论接受2pps照射50s或5pps照射905于照后1、24h内检查均未见兔眼底损伤。
3.不同距离激光辐照量飒4量厦动物实验
将中心标有十字线, 上下可调的靶标置于不同距离实验点, 用测距机瞄准系统瞄准靶标十字中心, 选一适当量程仪器于相应位置进行测量, 因激光束远距离横断面能量分布很不均匀, 激光安全应考虑光束的最强点, 即“热点 , 所以剂量测量和动物实验均在热点进行,测试时, 在测距机2pps和5ppsl作情况下, 在光束截面内移动探测器, 反复进行测量, 找出辐照度最强点, 以该点剂量为所测距离辐照量, 接着使兔眼对准光束最强点位置, 使激光束直射兔眼, 进行束内照射, 实验分三组: 第一组在重复率为2pps时,挡单个脉冲进行单脉冲照射, 在60~350m六个距离上共照射40只兔440个样点}第二组以5pps重复率脉冲列连续照射20s进行重复率照射实验,在100~400m六个距离上用40只兔照射130个脉冲列(13000个脉冲)J第三组在1750m以5pps重复率连续扫描照射90s,用20只兔照射40个脉冲列(共18000个脉冲)。
4.不同距离辐照量测试厦动物实验结果
(1)激光辐照量测试厦免眼损伤发生率激光平均辐照量随距离增加呈指数衰减,距离增加, 照射剂量降低, 兔眼损伤发生率减少, 对单脉冲和重复率照射的结果可见重复率脉冲列照射比单脉冲照射发生率高, 致伤距离远。
(2) 免眼损伤类型及病理表现
1.061Xm激光照射兔眼后, 在视网膜上成象, 烧伤视网膜,根据实验兔眼损伤程度大致可分为四类,分别为团状出血和大、中、小圆形或菊花塑出血斑以及轻度损伤的灰白凝固斑或色素团,大出血为重损伤,造成视网膜全层崩解,断裂、网膜下有大量积血和渗出浓, 有部分血球破裂、溶解}眼底中、小形出血斑为中度损伤,视网膜呈丘状隆起局部视网膜脱离, 视网膜下有积血和渗出液, 视感受器破坏, 内外粒层崩解,出现核破碎,核固缩等,随损伤程度不同,表现不一。轻塑损伤为眼底凝固斑, 损伤病灶为网膜轻度隆起, 网膜下有少量渗出浓及游离色素。
三、致伤厦安全距离推算
1.海平面不同批平距离厦对空俪斜路程的辐照量校正
在对空 目标洲距时, 因地面到空中被测目标斜路程上大气逐渐稀薄, 大气衰减系数随高度不同而变,因此,在对空测距时,为确保空中目标上的人员安全,相应距离上的辐照量应予校正。
2.致伤及安全距离推算
若以损伤发生率l (损伤剂量F )的距离定义为致伤边界, 由前述可知2pps单脉冲照射和5pp s重复率脉冲列照射l 发生率所对应剂量分别为1.06×10 J/cm 和2.72×10J/cm , 如安全系数定义为一个数量级, 则安全距离~_2pp S单脉冲~f5pps脉冲列照射剂量分别为1.06×10 J/cm 和2.72×10 J/cm 。
四、讨 论
发射波长1.06~.m的Nd:YAG激光测距机,主要损伤眼的网膜, 但随着照射剂量的增大亦可伤及角膜和晶状体。本实验用测距机观察系统在激光回波及机内反射测量时, 于发射天线2.5m处放置镀锌铁板测试条件比对空测距时严格, 在测距机输出ll0mJ时测得2Pps、5pps平均辐照量分别为~1.22×10。J/cm 和4.26×10 J/cm , 此值低于有关安全标准1.06P-m波长最大允许辐照量, 用2O只兔眼共接受5500次脉冲照射,单眼总八射量超过单次照射为数十倍至两个量级, 眼底未见损伤,表明在测距时人眼是安全的。
激光辐照量随距离增加而降低、眼损伤发生率随之减少,损伤程度亦随距离增加而减轻,本实验照射青紫兰灰兔8O只,轻度损伤为视网膜凝固斑, 重度损伤为团状 大圆形或菊花形出血斑,大出血使网膜全层崩解,形成持久性视觉障碍, 实验损伤皆发生在350m以内, 在400~1250m重复率脉冲列照射,照射未见损伤激光对眼的损伤与激光能量、波长、脉宽、束散角以及眼的受照部位,屈光状态等许多因素有关, 在野外又受大气条件、作用距离以及墩光横截面能量分布等因素影响, 实验以1损伤发生率的距离定为致伤边界, 由损伤发生率和剂量关系推算出边界处的激光辐照量,并由此给出一个量级的安全系数,按所测辐照量与距离的关系曲线推算出致伤和安全边界,在测距机输出总能量约为110mJ时,推得单脉冲照射安全辐照量为1.06×10 J/cm , 斜程安全距离6Olm,5pps重复率脉冲照射安全辐照量为2.72×10 J/cm ,斜程安全距离932m,按有关安全标准单脉冲最大允许辐照量为5×10 J/cm , 对5pps重复率脉冲列照射乘以0.45的修正系数(2.25×10 J/cm ),这样用最大允许辐照量按动物实验结果推出斜程安全距离分别为746m,977m,这和降低一十量级所推出的结果基本一致, 认为实验可靠。但因动物实验点和测量数据有限,影响因素较多, 特别是目前对如何划定致伤和安全边界尚无统一规定,所以本文提供数据仅供参考。
五、小 结
本实验所用YAG墩光测距机,在输出总能量约为llOm J O~",在观察瞄准系统出瞳处测得重复率2pps和5pps时的墩光回波和机内反射平均辐照量为~1.28×10 J/cm 和4.66×10 J/cm ,此值低于有关激光安全标准1.O6 m Q一开关激光最大允许辐席量,实验用5500十脉冲照射青紫兰灰兔眼, 眼底未见损伤, 认为用该测距机对空测距时. 观察瞄准人员的视觉是安全的。在远距离照射青紫兰灰兔80只, 共3万余次脉冲, 在350m以内兔限网膜出现凝固和出血性损伤, 在00~1250m重复率照射未见损伤根据损伤发生率和照射量的关系, 以及辐照量随距离呈指数衰减的拟合方程推算并考虑野外实验精度, 给出单脉冲对空照射斜程安全距离为~750m, 在750m~b为安全区,5pps重复率照射斜程安全距离为1000m, 在1000m以外为安全区。
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