高重复频率脉冲激光测距机
高重复频率脉冲激光测距机
作者:霍长征
一、引言
脉冲激光测距仪机是激光技术最早、最成熟的应用领域。激光测距也是最早装备国内外各种兵种的军用仪器。随着激光测距技术的日趋成熟和发展,激光测距机的应用也延伸到其它科学领域,不仅成为不可缺少的军用光测仪器,而且在国民经济将各部门也广泛地应用。如:民航、地质、探矿、江河湖泊的航道测量、体育大赛测量等方面。
为适应现代化战争的需要,加速国防现代化建设。西方各国不断的采用先进的技术,进行武器装备更新。激光测距机有其固有的高重复频率、高精度、高亮度、高灵敏度的特点,我军和外军的需求量也大大增加。根据外刊报道,世界上一些主要的技术先进国家的陆海空军都已普遍的装备了各种型号的激光测距机,其中以导弹靶场、步兵、炮兵、坦克装备为最多。还有一些的对空测距、飞机的空对地测距、海军的舰载火炮测距、水下测距也都应用上激光测距机。其中美国、陆海空航天各兵种是最早装备激光测距及的国家,其技术之先进,品种数量之多都为世界之最。美国各兵种用的激光测距机已有100余种型号,发过也有50余种型号的测距机服役于不对。其它国家如苏联、挪威、日本、英国、瑞典南非等国家的军队也都不同程度的装备了不同种类的激光测距机。
我国的激光测距机发展也很迅速,已装备到坦克、火炮、飞机、舰船及国防科工委、海军、空军各靶场。激光测距机的质量不断提高,中磊和数量也不断增加。常州二电仪生产的地重复频率小型激光测距机已装备到坦克上,蚌埠无线电一厂生产的钕玻璃小型激光测距机已装备到炮兵,机电部209所生产的手持小型激光测距机已提供我军指挥员使用,中国科学院成都光电所研制生产的远程测距机已装在“778”大型光电经纬仪上,在西昌微型发射中心承担着重要的光测任务。我所研制的三态高重复频率脉冲激光测距机已安装在“112高速光电经纬仪”上,1986年经国防科工委及空军有关部门的严格验收后,装备到空军某靶场使用。解决了该靶场长期无法解决的高速运动目标初始段弹道轨迹测量任务。
二、高重复频率脉冲激光测距机的原理及组成部分
高重复频率脉冲激光测距机的原理是测量激光束从激光器发射点到被测目标往返一次的时间,然后由距离计数器显示出被测目标的距离。
激光测距机工作时,由距离计数器内的标准频率振荡器,产生高重复频率脉冲序列,计数器电路在激光发射的同时,开始计算脉冲序列的脉冲数,直到激光束从被测目标返回激光接收器为止。这样由计数器记录的脉冲数正比于被测距离。
当距离计数器的钟频选定后,所测距离绝对所测的序列脉冲数的数量。如距离计数器的钟频为300兆赫,测距机记录脉冲数为1000个,由此可知测距机的测程为5000米。当激光束的半脉宽和前沿一定时(一般半脉宽在10-20毫微秒,前沿10毫微米左右)激光测距机精度由距离计数器的钟频频率决定。我们研制的高重复频率脉冲激光测距机的战术智慧测距精度为1米,测距机计数器的钟频要达到150兆赫,则测距机精度为1米。
高重复频率脉冲激光测距机构成主要有如下几个部分:济钢发射器是测距机的核心部分。因为测距机要再100次/秒重复频率下工作,激光器的工作物质要选用导热性能高、热稳定性好的优质Nd+3:YAG晶体,Nd+3:YAG棒直径6毫米,长度为85毫米,棒的两端面镀有1.064微米的增透膜,每个端面的剩余反射率小于0.01%。激光器的泵浦源选用产铈石英玻璃管疝灯,掺铈石英玻璃管光谱透过率0.36微米壹仟为37%,0.36μm以后大于92%,可以将Nd+3:YAG棒吸收光谱不需要的紫外光滤掉,并将部分紫外光转换为Nd+3:YAG吸收光谱有贡献的可见光。这样既可防止Nd+3:YAG棒长期使用不产生“色心”效应,也增加了Nd+3:YAG棒的转换效率。疝灯的外径7.5毫米,内径5.5毫米,电极间距85毫米,疝气充气压490托。聚光腔选用铜质相交圆腔,反射面镀银后抛光,为适应测距机高重复频率运转,腔体内部加工成网状沟槽,通循环水冷却。激光器调Q开关用浸液指数匹配KD*P普克尔盒,因为激光的工作物质为Nd+3:YAG,棒产生的激光为无规光,而KD*PQ开关为纵向调制,必须为偏振光方可调至,所以我们用腔内偏振片作为起偏器,将无规光调制成偏振光,且偏振度很高,纵向调制效果更佳。KD*P晶体装好梁殿吉后置于充满指数匹配液的密封绝缘普克尔盒内,引出两个电极。指数匹配液有很高的绝缘性,1.064微米透过率92%以上,它既可防止KD*P晶体的端面潮解,又可起到通光面的增透作用。普克尔盒的窗口用Kg玻璃加工成平行度小于6秒的平板,一个面镀有1.064微米的增透膜,增加普克尔盒的透过率,减少激光腔内的插入损耗。及光电园采用谐振充电,取样调压方式,输出电压可从800伏至1200伏连续可调,贮能母电容为100微法,并有断水保护和连弧保护装置,确保激光器安全运转。
主波接收用2DUL型光电二极管,击穿电压为20伏,暗电流250毫安培,光电流大于4毫安培。利用激光器后腔片部分透射激光信号为测距机的开门信号。经光电二极管将激光信号转变为电信号,经整形放大后输入给距离计数器开门,计数器开始计数。
接收器是一个开普勒式望远镜,物镜为一非球面镜,有效口径80毫米,焦距126.77毫米。目镜有效口径31.7毫米,焦距31.7毫米。物镜、目镜的通光面均镀1.064微米增透膜。在接收物镜和目镜的焦平面撒花姑娘放置口径为1.7的小孔光栏,即视场光栏,用来挡住接收视场以外的杂散光,从而减少了光电倍增管的背景噪声。
窄带干涉滤光片置子接收望远镜后、光电倍增管前,其中心波长1.064微米,带宽40埃,i.064微米透过率大于70 ,滤掉了其他波长的杂散光。在通带内, 激光信号衰减不大, 因此,有利于提高光电倍增管输出的信噪比。
光电接收器用GDB一238型光电倍增管。它一般有11个打拿极, 增益很大, 其放大系数为10 ~1O。。光电倍增管的增益随着外加电压的增加而迅速增加,外加电压可在800伏至1300伏呈线性变化。这样可使测距机随测程增加, 光电倍增管电压也自动随着增加, 有利于解决动态连续测距时信号幅度变化太大的问题。保证测距机近程到远程的正常渊距。
前置放大器将接收由望远镜接收到目标后反射回来的微弱光信号, 经窄带干涉滤光片, 由光电倍增管变为电信号输出并放大。没有放大之前的信号脉冲幅度在十至几十毫伏,这远远低于距离计数器的门限电乎。这样在光电倍增管及窄带干涉滤光片之后必须用前置放大器将其微弱的脉冲信号放大,为了保证距离计数器稳定工作, 将放大的脉冲信号通过正彤电路整形,然后输入给距离计数器。前置放大器的带宽1.4兆赫至60兆赫,噪声 O微伏,增益系数70至300llJ调。整形后的信号脉冲幅度为7伏,前沿6毫微秒,半脉冲宽度7O毫微秒。整形后的信号输出计数器,作为测距机的开门与关门信号。
距离计数器由时标、时标主门、门控(包括引导主波、回波波门)、计数、记忆, 复位、驱动、溢出保持 自较等电路组成。测距机 十数器为ECL—TTL 150~g赫高速集成电路距离计数器。计数器的时标频率为149.844兆赫, 最大计数容量24567±1个字,共十五位。连续可测距离为200米至20000米。输出信息为二进制和十进制两种显示。计数器开始工作时为复位状态, 激光主波信号通过门控电路产生门控信号, 使计数器处于开门状态, 时标通过主门进^计数电路进行计数。激光回波整形信号使门控产生关门信号,计数器停止计数。通过记忆电路取出所测距离信息,通过驱动路绘出测距机的距离信息, 由距离计数器显示电路显示出二进制和十进制所测斜距数字。计数器还带有自校电路和控制光电倍增管电压的自动增益电源的距离信息电路。
三、高重复频率脉冲激光
测距机战术指标及用途激光测距机t 重复频率内时统(供调正激光器和自检用)有1次/秒、5次/秒、10次/秒、20次/秒、40次/秒、100次/秒。外时统(供靶场实测用)40次/秒、100次/秒。这样高重复频率的激光测距机应用在高速电影经纬仪上在国内尚属首次。同时为匹配整个电影经纬仪跟踪速度快(角速度90度/秒, 角加速度90度/秒 ),眼踪精度低(40分),要求测距机激光器的发散角为12毫弧度。这在国内现有同类型光电经纬仪上也是少见的。测距机激光器的发射功率为I5兆瓦,保证了电影经纬仪测程200米至20000米的要求。测距机激光器的激光束半脉冲宽度8毫微秒,保证了测距机的测距精度±I米。测距机的有效回波率, 静态测距为98% , 动态测距为90%(在能见度20公里, 仰角大于1 5度的情况下),测距机的同步精度为10 秒至10秒。测距机具有自动增益能力,测距机激光器输出能量可随着测量距离的变化前自动且规律地变化。距离计数器的分辨率为1米,二进制输出, 十进制显示。
高重复频率脉冲澈光测距机是‘112小型高速电影经纬仪’上的配套仪器。‘112小型高速电影经纬仪’有中国科学院沈阳自动化所研制的电视自动和半自动跟踪系-统, 有中国科学院西安光机所研制的高速摄影系统。电影经纬仪为高速运动目标(如弹道导弹、运载火箭等)初始段单台定轨测量提供了重要光测设备。空间运动目标的定位, 必须分别测得同一点的方位角、俯仰角、斜距值才能实现精确定位。
斜距值是用我所研制的高重复频率脉冲激光测距机测得的。‘1l2小型高速电影经纬仪’已为空军某靶场服役多年, 多次完成靶场的重要光测任务。 一参加研制工作人员 罗治江、朱仁根、沈万杰、蒋步生、范思亮、吕殿双、翟爱民、何兰芬、范爱媛等同志。
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