合作目标对激光测距能力的影响分析
合作目标对激光测距能力的影响分析
金 雁
激光测距机是激光技术在军事上获得广泛应用的一种装备,它体积小、使用方便、作用距离远、测量精度高、抗干扰能力强,能迅速、准确地给出目标的距离数据。激光测距机配合各种战术武器使用,可使首发命中率高达80%以上,大大提高武器系统的攻击力和准确性,目前已广泛应用于多型光电跟踪、警戒及搜索装备。
测距能力即最大测程是激光测距机的一项重要指标,其大小取决于环境条件(如大气能见度、目标特性、目标反射系数等)和测距机本身的特性(如输出功率、束散角、接收机探测灵敏度等)。目前对测距能力的影响因素研究主要集中在大气能见度、目标大小及测距机本身特性等方面,而目标特性对测距能力的影响研究较少。本文基于激光测距目标特性,就合作目标对激光测距能力的影响进行了分析。
2 测距能力理论模型
激光测距能力主要与探测器探测灵敏度及探测器接收到的激光能量有关。当探测器接收到的激光等效噪声功率大于探测器等效噪声功率时,则该测距距离可以实现,反之,探测器接收到的激光等效噪声功率小于探测器等效噪声功率,则该测距距离无法实现。
2.1 探测器等效噪声功率理论模型
对于激光测距机而言,目标的激光回波是十分微弱的,为提高对目标回波的接收灵敏度通常采用雪崩光电二极管(APD管)作为光电探测器。对于典型的InGaAs雪崩光电二级管。
2.2 探测器接收到的激光等效噪声功率理论模型
假定:激光在大气中的传播是遵守几何光学规律的;大气是均匀的、各向同性的;目标对入射光的反射或者是漫反射的,或者是镜反射的;激光光束内的能量分布是近似均匀的或至少是轴对称的;接收系统与发射系统紧密结合在一起,且光轴是彼此
平行的。
2.2.1 漫反射目标
当目标表面是粗糙的不规则表面(即目标表面的不平整度超过入射激光光波的波长)时,我们就认为它是漫反射目标。漫反射目标粗糙表面对入射激光的反射并不是各向均匀的,入射方向上的反射最强,与入射光线的夹角增加时反射逐步减弱,当此角达到π/2时反射光强度几乎下降到零。由于反射光强的具体角分布情况随目标表面的不同而不同,但用余弦分布代替均匀分布更接近实际。此外,激光光束能量分布也是非均匀的,可以认为光束内的能量分布是轴对称的高斯分布。
2.2.2 合作目标
对于理想朗伯体目标,散射空间是半球空间,而对于理想合作目标,由于反射后不改变光束性质,反射后能量集中并按入射方向返回。
2.3 信噪比理论模型
测距能力指标与探测概率、虚警率指标是密不可分的,为保证激光测距机满足一定的虚警率及探测概率,接收激光功率应满足一定的信噪比要求。在白噪声条件下,噪声电流in 为符合正态分布的零均值随机变量。
3 合作目标对激光测距测程影响分析
3.1 不同大气能见度条件下合作目标对测距能力影响分析
进行数值模拟计算的激光测距机相关参数如表1所示。不同能见度条件下,针对漫反射目标不同测距距离探测器接收功率及探测器等效噪声功率的关系。当探测器接收到的激光功率大于探测器等效噪声功率时,该测距距离可以实现。当大气能见度大于15km 时,激光测距机最大测程才可达到15km。但由于环境及气象条件的限制,激光测距机工作时能见度很难保证在15km 以上,在此条件下很难满足较大测程要求。
不同能见 度 条 件 下,针对合作目标不同测距距离,探 测器 接 收功率及探测 器 等 效 噪 声 功率的关系当配置合作目 标时,能见度为 5km 时,激光 测距机最大测距距离可以达到15km 以上。并且随大气能 见度的 提 高,最大测距 距 离 可 以 达 到50km 以上。因此配置合作目标的条件下,可明显提高激光测 距能 力,并且使激 光 测 距 机 对 环境及大气 条件要 求 明显降低,可 使 激 光 测 距 机在较恶劣条 件 下 工 作。此 外,在 相 同 环 境 条 件下若达到相同 最大 测程指标,配 置 合 作 目 标 可有效降低激光 测距 机发射功率,进 一 步 为 提 高人员安全提供保障。
3.2 不同激光发射束散角条件下合作目标对测距能力影响分析
在能见度为5km,不同激光发射束散角条件下,对于漫反射目标及合作目标,不同测距距离激光测距机探测器接收功率激光发射束散角越小,配置合作目标与不配置合作目标条件下,激光测距能力差别越明显。当测距距离为10km,激光发射束散角为0.5mrad时,配置合作目标条件下探测器接收功率约为未配置合作目标条件下的103 倍。
3.3 配置合作目标条件下激光发射功率理论计算由以上分析可知,在相同测程要求时,配置合
作目标可减小激光器发射功率。激光器发射功率的减小一方面可减小激光测距机重量、体积,另一方面可进一步确保使用时人员安全。根据表1所示的测距机参数,利用式(6)可以得到不同能见度不同激光发射功率条件下对合作目标进行测距,探测器接收等效噪声功率。
当大气能见度大于3km,激光器发射能量小于10mJ时,激光测距机可实现最大测程15km。根据激光危害类型确定方法,激光输出能量为10mJ时,可确保激光测距机激光器属于3A 类激光器,并且在忽略大气衰减的情况下,测距机发射的激光在测量距离大于100m 条件下不会对被测目标上人员的眼睛造成损伤。因此,配置合作目标可有效降低激光测距机的激光发射功率,从而有效减小测距机重量、体积,保证人眼安全。
4 结 论
本文基于激光测距目标特性,就不同大气能见度条件下,不同激光发射束散角条件下合作目标对激光测距能力的影响进行了分析。分析结果表明,配置合作目标可有效提高测距能力,使激光测距机对环境及大气条件要求明显降低,可使激光测距机在较恶劣条件下工作;激光发射束散角越小,配置合作目标与不配置合作目标条件下,激光测距能力差别越明显;此外,配置合作目标可有效降低激光发射功率,进一步为提高人眼安全提供保障。
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