军用脉冲激光测距仪的发展和应用

2008-04-21 10:34:42编辑:ssb 关键字:激光测距仪  脉冲  人眼安全  YAG激光器  频移  典型示例  目标指示  闪光灯泵浦

    一、军用脉冲激光测距仪的特点及通用性能

  战术和战略用脉冲激光测距仪主要包括红宝石、Nd∶YAG、CO2、喇曼频移Nd∶YAG和Er∶玻璃等脉冲激光测距仪。

  1.红宝石脉冲激光测距仪

  0.69μm的红宝石脉冲激光测距仪是第一代军用激光测距仪,其结构简单,紧凑。因工作波长属近红外绿光,极易暴露目标,加上对人眼极不安全,目前除少数应用外已被淘汰。

  2.Nd∶YAG脉冲激光测距仪

  Nd∶YAG脉冲激光测距仪的主要优点是隐蔽性、电效率和脉冲重复工作频率大大优于红宝石激光测距仪,因而从60年代后期开始广泛装备部队。

  主要缺点:

  ①工作波长为1.06μm,相对说来较短,在大气中的衰减较大,不完全适合自然雾和战场烟幕等环境条件;

  ②1.06μm波长被发射后经人眼聚焦进入视网膜,在很短的距离上若不加防护观察,可以使人眼永久致盲;

  ③1.06μm波长不与8~12μm热成像系统兼容。

  而Nd∶YAG脉冲激光测距仪目前仍具有无法取代的独特优点,加上装备量已扩大到陆、海、空三军,目前仍在以下几方面广泛应用。

  (1)战场指挥员、步兵侦察员、炮兵前沿指挥观测员以及舰队基地指挥员、海军陆战队员用手持瞄准观察和测距。

  (2)现代作战坦克和装甲车采用Nd∶YAG脉冲激光测距仪作为火控系统的总体部件,以改善主要作战武器的精度。

  (3)广泛用于对空防御系统,提高对抗高速飞机和机动性大的武装直升机的跟踪精度。

  (4)Nd∶YAG激光测距仪―目标指示器是国外应用最早的激光武器。目前,这种武器系统仍然是激光制导炸弹、导弹和火炮的唯一远距离精确制导武器,并为双功能激光测距―目标指示器采用人眼安全的喇曼频移Nd∶YAG激光器实现精确制导打下了基础。

  3.CO2脉冲激光测距仪

  CO2脉冲激光测距仪是70年代末和80年代中期主要针对1.06μm的Nd∶YAG激光测距仪的缺点发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。

  其主要优点有:

  ①大气穿透能力优于Nd∶YAG激光波长,能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作;

  ②能与8~12μm波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器,能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标;

  ③能实现对人眼安全。

  主要缺点是:

  ①10.6μm的CO2激光波长极易被水分子(H2O)吸收衰减,在大气中含水蒸汽密度大的睛天和潮湿条件下,限制了它的最大测距能力,特别是雨天和目标被雪覆盖时,目标呈现多镜面对称反射,对CO2激光波长测距不利;

  ③10.6μm的CO2激光波长对战术目标的反射系数低于1.54、1.06和0.69μm的激光波长。

  4.喇曼频移Nd∶YAG和Er∶玻璃脉冲激光测距仪

  喇曼频移Nd∶YAG和Er∶玻璃脉冲激光测距仪也和CO2一样发展于70年代末和80年代中期,主要优点是:

  ①大气穿透能力高于1.06μm的Nd∶YAG激光波长而低于CO2激光波长;

  ②对目标的反射系数和在睛天、高温度条件下测距时,其性能高于CO2激光波长并与Nd∶YAG激光波长相当;

  ③对人眼的安全性高于CO2激光波长。缺点是由于1.54μm波长属中红外波段,不能与8~12μm的热成像系统兼容,加上转换效率低、脉冲能量小和重复工作频率低(喇曼频移Nd∶YAG除外)等限制了它们的应用。

  此外,Er∶玻璃材料制作困难,而且光探测器InGaAs-APD目标仍存在某些技术问题有待解决。其中:

  (1)喇曼频移Nd∶YAG激光器它采用Nd∶YAG激光器并在高压甲烷气体中受激喇曼散射(SRS),把1.06μm波长频移到1.54μm。因此,激光器与Nd∶YAG一样结构紧凑,但价格高而结构复杂。频移波长1.54μm经测距仪发射后进入人眼视网膜以前被人眼的液体部位吸收和耗散掉了,实现了对人眼安全。这类激光测距仪在军用上为步兵和炮兵前沿侦察、对空防御和坦克火控提供人眼安全及较廉价的激光测距仪器。

  (2)Er∶玻璃激光器它采用掺入铒元素的玻璃激光棒并用闪光灯泵浦,直接产生1.54μ的激光输出,而不是用SRS方法频移产生1.54μm。因此,激光器的重复工作频率和输出能量都很低且寿命短,不利于高重复频率对空防御应用,一般仅用于对地面目标测距,如手持式、坦克等。

  二、军用脉冲激光测距仪的应用

  脉冲激光测距仪作为军用装备器材,发展于60年代初。经过30多年的开发、研制和装备,目前国外已完成了“手持式、脚架式、潜望式、坦克、装甲、水面舰载、潜艇潜望、高炮、机载、机场测云、导弹和火箭发射、人造卫星、航天器载”等约十三大类400多个品种和型号,其中装备量最大的是以Nd∶YAG为器件的固体脉冲激光测距仪,其次是喇曼频移Nd∶YAG和Er∶玻璃以及CO2脉冲激光测距仪。

  1.轻型便携式脉冲激光测距仪

  轻型便携式脉冲激光测距仪包括步兵和炮兵侦察用的手持式以及前沿侦察和前沿对空控制(FAC)双用途的激光测距仪―目标指示器。对上述用途的系统,要求机动灵活、重复轻、体积小、用电池组作电源、可靠性和维修性高以及单一产品的成本低等。主要技术性能:最大测程4~10km,测距精度±10m,重复频率为单次,束散角1~2mrad。值得关注的的是,由于上述激光测距仪及其系统常与其他友军密切配合作战且不带装甲部队大范围训练以及无合作目标、操作手不带防护目镜等,人眼安全极为重要。因此,这类脉冲激光测距仪已逐渐由装备Nd∶YAG激光测距仪改为喇曼频移Nd∶YAG和Er∶玻璃1.54μm的人眼安全激光测距仪。

  在现代战争中,由以前单一的步兵、炮兵独立作战发展到有步兵、炮兵和海军陆战队组成的特种部队联合作战,武器系统也由单一的地炮、高炮逐渐采用多功能综合高技术。因此激光测距仪也由单一测距功能的便携式、手持式发展到激光测距、红外瞄准的昼夜观测仪以及激光测距、目标指示、红外瞄准的激光红外目标指示器等。如美国光电公司采用Er∶玻璃激光器的小型激光红外观测仪(MELIOS)是当代较先进激光测距仪的代表。

  2.地面车载脉冲激光测距仪

  地面车载脉冲激光测距仪包括坦克、步兵战车(IFV)、火控、对空防御、火炮或导弹制导火控以及目前发展的地面车载激光测距仪―目标指示器等。其主要技术性能:最大测程4~10km,测距精度±5~10m,目标分辨约20m,重复频率0.1~1Hz,束散角0.4~1mrad。

  激光测距仪在坦克火控系统中的应用是提供弹道轨迹的超仰角修正信息和因逆风或目标移动引起的方位角校正信息以及距离信息。步兵战车主要是使用激光测距仪去测量目标是否在反坦克导弹的距离内,其次用于枪炮火控和对目标的分选。为了做到激光测距仪完全有效地对任何能探测到的目标测距以及通过火控系统全天候被动探测、识别和分选,这些系统还应包括:瞄准光学系统、电视摄像机和红外热成像仪(FLIR)等。这是目前非常迫切需要的但不可能通过任何单一功能和单一波长激光测距仪能完全满足的系统。

  据外刊报道,美国休斯公司采用喇曼频移Nd∶YAG激光测距、电视摄像和红外成像组成的坦克、装甲车激光测距仪系统是目前最新型的设备。但是这种系统若采用1.06μm的Nd∶YAG激光测距,尽管在测距仪上装上衰减滤光片,对合作目标测距训练时已基本达到人眼安全要求,而经论证后的坦克和步兵作战的操作人员及指挥、作战人员应采取人眼安全措施,或者采用人眼安全的1.54μm激光波长测距,从根本上实现对人眼安全的要求。

  3.对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪

  对空防御的脉冲激光测距仪以及采用了自保护措施的步兵战车对空防御脉冲激光测距仪均应按火控系统和作战系统的要求工作,在距离和距离速率以内对空中高速机动目标提供稳定的跟踪信息和距离信息,以对抗武装直升机、隐身飞机和巡航导弹、反辐射导弹的威胁。这就要求激光测距仪提供比较高的数据率(高的激光脉冲速率)和相当高的距离精度,如最大测程为4~20km,测距精度为±2.5~5m,重复频率为6~20Hz,束散角为0.5~2.5mrad等。然而,若其交战距离相当远(约达20km以上),这么远的距离实际对抗出现在不模糊的大气条件下,仅要求激光测距仪的灵敏度比坦克测距仪稍高一些;若在某些高湿度季节或某些高温度气象区域内,由于很强的H2O分子吸收,限制了长波长(如10.6μm的CO2)脉冲激光测距仪最大测距能力的发挥,此时,应采用1.06μm的Nd∶YAG脉冲激光测距仪,或者采用喇曼频移Nd∶YAG及Er∶玻璃(1.54μm)的脉冲激光测距仪,如美国休斯公司采用喇曼频移Nd∶YAG和Er∶玻璃的光电跟踪探测激光测距仪是目前先进系统的典型示例

  4.机载脉冲激光测距仪

  机载脉冲激光测距仪可以用来装备武装直升机的导弹指令制导和装备固定翼飞机,用于封锁支援的光电飞行器等目标以及拦截飞机和导弹的攻击。这些典型应用一般采用1.06μm的Nd∶YAG激光测距仪并具有激光测距和目标指示的能力,或者采用1.54μm波长的人眼安全喇曼频移Nd∶YAG脉冲激光测距仪_目标指示器等,以保护机载系统完成作战任务或主动攻击空中的光电目标。机载脉冲激光测距仪的主要技术性能:测程远(用于武装直升机为4~10km,用于固定翼飞机为10~20kM)、测距精度高(用于武装直升机为±5~10m,用于固定翼飞机为±1~10m)、重复频率高(用于武装直升机为4Hz,用于固定翼飞机为5~20Hz)、束散角小(用于武装直升机为0.4~1mrad,用于固定翼飞机为0.1~0.5mrad),同时机载设备应体积小、重量轻并要与航空指示器共用。因此,激光器必须使用高效循环液体作冷却器,以适应高的运转速率要求,否则要采用气体或混合气体升压冷却。目前,美国研制的“利登”激光系统(LANTIRN)则采用喇曼频移Nd∶YAG激光目标指示器测距仪,是现代激光测距仪多功能化并扩大机载应用的典型示例。

  5.舰载脉冲激光测距仪

  舰载脉冲激光测距仪的发展在轻型便携式、车载和对空防御激光测距仪之后,它包括水面舰载和潜艇潜望两大类。

  水面舰载脉冲激光测距仪在技术性能指标方面与车载火控和对空防御激光测距仪相同,在环境使用方面要适应舰载海空、海面以及海上盐雾的荷刻要求,而在体积、重量、电效率、维护保养能力和成本等方面的要求又不苛刻。因此,目前大量用来装备常规火控和对空防御的海军舰只,如掩护(无声雷达)舰载飞机回收和与红外热成像、电视等组成跟踪系统,全天候监视和跟踪空中目标等独特的舰上应用正在出现,其应用前景相当广泛。

  潜艇潜望脉冲激光测距仪目前采用两种组合方式,第一种将激光测距仪、图像增强器和热成像仪装于其潜望镜中,而距离显示器、触发按钮等分别装于操作手上方或附近。其优点是传输光路中激光损耗小,但光束飘移,不易捕获目标;第二种将上面三部分均装在潜望镜底部,整个系统的安装,调试、拆卸均很方便,但采用这种方法的激光束要通过12m长的潜望镜管和15~20块透镜,能量损耗较大。主要技术性能是:测距范围300~6000m,测距精度±5~10m,重复频率1~5Hz,束散角1~1.5mrad。

  6.太空载脉冲激光测距仪

  太空载脉冲激光测距仪属超长距离战略用激光测距仪。该类激光测距仪的特点是,光束在真空中传播且具有衍射极限特性,最大测程大于1000km,激光脉冲能量在0.1~10J之间,测距精度为±5~10m,重复频率为10~100Hz,束散角小于20marad,并且要与有源跟踪系统自动完成跟踪和测距。而这类激光测距仪通常装在人造卫星或者飞船上,由地面火箭向太空预定轨道发射。因此,对这类脉冲激光测距仪的要求是:重量轻(因为发射费用主要由发射重量决定)、效率高(因为初始功率特级及太空中很难用电源推动冷却系统)、可靠性高(因为太空中长期无人维护)、维修性严格(因为太空中极难操作和维修)以及窗口小(因为窗口的大小由发动机的发射费用决定)等。

  根据太空载脉冲激光测距仪的应用环境、功能和技术性能特性,采用小于1μm的短波长激光器,如半导体激光器、倍频Nd∶YAG激光器和紫外波长等比较合适。若采用半导体激光器,其体积小、功耗低、重复频率较高,但峰值功率(能量)小,在太空应用时其测距仪的最大测程可达500km;若采用0.53μm的倍频Nd∶YAG激光器,可以用作增强CCD有源成像器的照射光源,并且光束在太空中传播时,其最大测程可以大于1000km;若采用小于0.3μm的紫外波长测距,可以获取极低的地球背景信号,对太空测距具有极大的潜力和吸引力。

  7.云高脉冲激光测距仪

  利用脉冲激光测距仪来测量云层垂直高度的仪器称为云高激光测距仪。这类激光测距仪主要用来测量机场的云层高度,也可用来测量卫星发射点的云层高度,为飞机的起降或卫星发射提供安全的气象数据。由大块或大片云层组成的目标虽然很大,变化多端,但反射系数很小,对最大测程为2~3km的高度应采用5~40mJ的激光发射能量来测距,其束散角为1~5mrad,远远大于其它类脉冲激光测距仪,这是其主要特点。这类脉冲激光测距仪若加以很好的隐蔽,可以为前沿军事基地、机场或军用卫星发射点(近距离)的安全提供可靠的气象数据,是现代战争不可缺少的仪器;若使用它为大型国际机场、小型商业民用机场和民用通信卫星发射点(近距离)提供飞机起降或卫星发射的安全气象数据,将对国民经济建设和提高国际信誉产生巨大的经济效益和社会效益。但测距仪的激光束通过高空和自由太空传播,将会对高空作业人员和飞机上的人员带来极大的危害,因此必须优先采用人眼安全的喇曼频移Nd∶YAG或Er∶玻璃脉冲激光测距仪。

 

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来源: 飞达光学网 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0421/article_804.html
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