舰载多模复合远程激光测距机的设计
舰载多模复合远程激光测距机的设计
作者:薛慧
舰载雷达在海面和较低的空域进行探测时,总是受到海杂波的严重影响,使测量精度大大降低。 且伴随芍新代反舰导弹的发展,它除了具有射程 远、精度高、威力大等基本特征外,同时还具备了 隐身、对敌欺骗等手段,这使得舰载雷达的探测能 力大大降低。而脉冲激光测距仪机利用激光脉冲测 距,不受屯磁波干扰,单色性、方向性好,具有测 程远、体积小、抗干扰能力强、隐蔽性好等特点。
本文设计的激光测距机用于舰载,当微波雷达 受到干扰或欺骗时,辅助雷达测距,目标为反舰导 弹。相比千地面对空探测,舰载激光测距机的实现更复杂。如表1所示,由千目标掠海飞行,海面水气对激光哀减严噩,相比于地对空探测,大气透过 率是地对空探测的1/8: 导弹的横截面积小,约为 飞机横截面积的1/33,根据距离方程,其它条件不变,要想达到同样的探测距离,所需的激光器发射功率为陆地地对空探测的280倍。区别于目前市场上的便携式激光测距机,用千海面探测掠海导弹的 激光测距机需要的发射功率大,体积大,作用距离 远,设计难度高。
2主要战术指标
(I)目标:弹径0.34m, 长3.8m, IO米飞行高度;
(2)作用距离:20 km
(3)装在方式:舰载
(4)重复频率:10 Hz
(5)激光测距机体积:截面直径<0.5m
3 激光测距机系统组成方案
激光测距机包括激光器、探测器、发射光学系统、接收光学系统、信号处理等部分,系统如图1 所示。当测距机对准目标后,启动信号处理系统,控制脉冲发生电路产生电流脉冲,驱动激光器产生 一个脉冲,经扩束镜使其发射角变小后射向目标。扩束镜锁增透膜,99%的光能透过去,但仍然有一小部分光反射回来,利用这极小部分闲散光经两块反射镜的反射进入接收望远镜,作为发射的参考 信号,用来标定激光发出的时间。参考信号进入接 收望远镜后,经过滤光片到达探测器,经放大整形 后送入信号处理系统,使其开始计时。而射向目标 的激光脉冲,经目标反射后,一部分光从原路反射 回来,进入接收望远镜,它同样经过滤光片、探测 器、放大整形电路进入信号处理系统,作为停止脉 冲使计数器停止计时,由此便可以得到激光往返的 时间I,距离R=ct/2,c为光速,所得数据经过信息 处理即可在液晶屏幕上显示出来。
其中激光器和探测器是激光测距的核心部件, 其它部件的作用主要是使激光器发射的光束更准确地指向目标及目标反射的光束更好地被探测器接收,并对测撇结果进行处理。
3.1激光器
激光器是测距系统的光源,也是测距系统的关键。如表2所示的20km激光大气透过率,10.6µm CO 2 激光器受水汽影响严重,不适合在海面使用;.Sxµm激光透过率最高,且人眼安全,是现在及 未来激光测距机的发展趋势,但由于本系统要求作 用距离较远,条件苛刻,需要大功率的激光器,l. Sx µm激光器不能满足要求; 1.06 4µ111 Nd:Y AG激光 器,能输出高功率,满足使用要求。
闪光灯泵浦的激光器是实现大能蜇输出的主要手段,通过脉冲侃灯泵浦可实现IOO mJ~SJ的能谥输出。 通过半导休激光器泵浦振荡级也能实现百
mJ的能呈输出,但是它需要使用很多个半导体激光 器来泵浦,因此整个激光器的成木非常高,目前除了一些科研部门以外很少有通过半导体激光器泵浦实现大能诫输出的产品。半导体激光泵浦的锁模 激光器,脉宽达到ps量级,但成本高,环境适应性差,峰值功率提高的同时探测器的带宽也会增加,不适合舰载测距用。所以我们的激光器系统优先考虑用闪光灯泵浦的大能量激光器。
目前国内外6-lOns脉宽的调Q激光器较成熟, 根据激光器脉冲能量和脉宽的要求,选择Ekspla公 司的NL313 , 脉冲能蜇1.6J, 脉宽6ns , 重频10Hz束散角<lmrad, 价格6万多欧元。
3.2 探测器
提高探测器的接收灵敏度比提高发射功率更 有效,它不会增加测距机的体积、质豐和功耗。雪崩光电二极管{APO)具有体积小、可靠性高和动态范围大等优点,响应时间短,对微弱信号有相当禹的灵敏度,是最佳选择。表4是美国SILlCO SENSOR公司的 1064nmSi APO的光屯特性。探测器的光敏面越大,噪声等效功率(NEP)越大,上升时间相应增加,AdS00-10 的光敏面直径O. Snun, 满足系统视场要求。若激光器脉宽 611s , 得到探测器带宽B为3 1.5 MHz, 探测概率99.99%时,探测器最小可探测功率 0.83 nW。
3.3 发射光学系统
发射光学系统用丁压缩激光器束散角,目前市场上产品按照扩束倍数分为固定型扩束镜和可调 型扩束镜两类。可调型扩束镜通过调整扩束镜片间 距离,可以消除束散角的影响从而获得经扩束的准 直性良好的激光束。本系统 选用的扩束镜采用倒置伽利略型,扩束倍数2 X~gX 可调,筒长 162~ 169 mm, 透过率大于82%,优点是结构尺寸小,镜筒 间没有会聚光,避免了激光束的高能量集中,可变的扩束倍数使系统在面对不同距离不同目标时可 以灵活应对。系统中激光器束散角lmrad,经过扩束镜压缩后小千0.4mrad,这取决千目标大小和伺服系统的精度。
3.4 接收光学系统
由于采用了 APD作为探测器,不必要求入射 光均匀照射 。同时,因为光敏面很小(0.5亳米),所 以相应的接收光学系统只需要单个聚光镜。本系统综合考虑测程、体积和能益要求,口径取J SQ TTU11 接收视场在能覆盖目标的情况下,应尽可能地小。 反舰导弹弹长3.8 111, 距离20km时对应视场角为0.2mrad, 当目标距离5km时,对应视场角约l 1mad。 根据激光器束散角和探测器的大小综合考虑,接收视场取J.S1111·ad, 根据公式,d/2=.f'tgm, 得接 收光学系统的焦距333 mm, F/2.22。由于激光单色性好,所以在接收光学系统中加入滤光片,滤除激 光波长以外的背尿光,提尚信噪比,提高剌距能力。 本系统选用南京波长光电科技有限公司代理的激 光型下涉滤光片,中心波长1064nm, 半宽 5 11111, 直径25mm。接收光学系统透过率大千80%。
4 瞄准系统
由于雷达的引导粕度远远高千激光束的束宽, 所以引入瞄准系统,瞄准系统可以是可见光系统,也可以是红外系统,本系统中采用红外系统。由雷 达发现目标,告诉红外系统,红外系统与激光测距 机共轴,将目标对准红外焦平而中心,引导激光测 距机发射脉冲进行测距。
如雷达测角精度士0.3° X0.3 ° , 瞄准系统的 视场角要求