利用激光的高方向性.ppt

利用激光的高方向性，控制和导引武器准确到达目标，是激光制导。激光制导武器，主要包括激光制导导弹、激光制导炸弹和激光制导炮弹，就如同给这些武器安上了激光“眼睛”，使它们抗电磁干扰能力极强，命中率极高。也就是说，利用激光为导弹、炸弹或炮弹瞄准，可以指哪打哪，百发百中。,穷追不舍的神射手-激光制导武器,激光雷达是在激光测距向多功能发展的情况下出现的。它不仅可以精确测距，而且可以起精确测速、精确跟踪、警戒防撞、控制飞船会合等乍用。雷达，这个号称国防干里眼的名称，原意为无线电定位的英文“radar”的译音。它经历了无线电雷达，超高频雷达，微波雷达等发展阶段。为了适应现代战争高精度定位的需要，有人曾提出过研制频率更高的光雷达方案，但因普通光亮度和单色性较差的限制，使之发展迟缓。直到1960年激光问世后，才打开了光雷达的发展局面。 激光的波长比微被短得多，而频率比微被却高得。实践表明；波长越短，所需的发射天线直径越小。比如，从地球照射到月球上一平方公里的区域，激光发射天线的直径30厘米就够了，丽微波天线的直径约需几公里，目前还造不出这么大的可转动天线，因此地球到月球的测距只有激光问世后才得以实现。实践还表明：频率越高，分辨力(在一定距离上,分辨前后左右相邻目标的能力)越高，识别能力越强。比如，微波一般只能发现高大的建筑物和山丘，而激光雷达则能识别电线杆、空中电线、烟囱等小障碍物。要控制飞船在空中的交会与停靠，必须精确地测定它们之间相互位置和速度，才能使它们一个追踪一个的逐步靠拢和会合。此时使用地面无线电雷达很因难，使用微波雷达时精度又常常达不到。但若用一台平均功率几十瓦的空间船载激光雷达，则可精确地探测到相距一万多公里远的两个飞船的距离。 激光束本来发散就很小，经发射望远镜后光束发散角可小到干分之一度，而微波雷达最小也有几十分之一度。波束发散小，不仅光能集中射的远，而且可进一步提高分辨能力。比如，波束发散为1度的机载微波雷达，从1500米的上空照射到地面形成直径约26米的圆，此圆内的地形起伏很难分辨；但使用激光雷达在同样高度时，地面光斑直径仅十几厘米，因此能分辨出地形的细节。,激光分辨力高，加上它单色性好，脉冲宽度比微波小得多，所以利于抗干扰。比如，探测地面或低空目标时，微波回波信号常被地面反射波所掩没，由于干扰就出现无法探测的区域(雷达技术上叫盲区)。而使用激光时则可排除背景或地面杂散回波的干扰和噪声影响，因而它能对超低空目标进行观测，常应用于导弹发射初始段尤其对巡航导弹的跟踪。再比如洲际导弹，只要它释放出大量干扰物或干扰机充当假目标。或者利用小型核爆炸制造一个人为的反射微波电离层时，就足以使微波雷达失灵或瘫痪，而这些对激光雷达干扰的影响则不大，它可照常工作。 在现代战争中，配用微波雷达和配用激光雷达的反导系统的情况则大不一样。一般超远程雷达提供的预警时间(从发现到命中目标所需时间)约15分钟，即使超视距雷达(能探测地平线以下、直线视距以外的各种目标)也不过30分钟。而在实战中仅对目标粗跟踪和精密跟踪就约需十几分钟，这样剩给,引导拦击导弹的时间就不多了。目前洲际导弹的核弹头已发展到分导式多弹头(一个母弹内装若干备有动力和制导系统的子弹头)。它的子弹能机动飞行，各自寻找和攻击不同的目标。激光雷达的反导系统，由于光速比最快的栏截导弹还决几十万倍，因而可赢得很多的预警时间，使反导系统有足够的时间对分导式多弹头逐个歼灭。 分辨力强、观测和跟踪精度高是激光雷达的最大优点。当然，它也有局限性，比如，正由于激光方向性强、波束发散小，大面积搜索和监视时就容易丢失目标。所以它不适于用作搜索雷达。另外，由于波长短，大气成分对激光散射和吸收较微波严重，尤其在雨、云、雾天其作用距离短，甚至难以正常工作。总之，微波雷达和激光雷达可有所长，应互相补充。,激光雷达的工作原理,激光雷达工作原理和微波雷达差不多，它是先向可能来犯的目标方向发射激光探测信号，光波碰到目标后被反射回来成为回波。由于回波经历的时间等参数变化恰好反映了接近目标的情况和运动状态的变化，所以通过测量回波信号的到达时间、频率变化、波束所指方向等就可以确定目标的距离、方位和速度等。测速可有两种方法：一种是测量目标在通过一段巳知距离前后，激光反射信号的时间差，从而可计算出目标运动速度；另一种是测量由运动目标上反射回来的激光信号的频率变化的大小，间接推算出被测目标的运动速度。 光学多普勒效应足指发射的光波，如果遇到活动目标则反射信号的频率要发生变化。二者之差叫多普劲频率f 式中：为发射光波长。为目标运动方向与发射光束方向的夹角。 为目标与雷达的相对运动速度。,只要知道多普勒频率大小，就可以推算出目标对雷达的相对径向速度。因为激光的频率高，故可用于测量高速和低速。由于频率测定精度极高，所以激光测速精度也高。比如，用氦氖激光观测每秒一厘米的慢速运动目标，由于光频变化量(多普勒频率)与波长成反比，可以得到30千赫的频率变化量；而若用波长3厘米的微波，只能得到0.7赫的频率变化量，显然，数值太小很难测量。对于每秒仅干分之几厘米的超低速运动目标，微波雷达就无能为力了，而激光雷达却能精确测定。目前，多利用气体激光的频率精度进行激光多普勒测速。,激光自动跟踪雷达,对现代战争层有意义的是激光自动跟踪雷达，下图是它的组成方柜图。它包括激光发射、接收、信息处理和数字显示等部分。,采用四棱镜的脉冲激光跟踪系统,四棱锥的尖顶削平，形成一个中心平面和四个对称侧面，中心面垂直并正对反射式接收望远镜的光轴。当目标位于望远镜光轴上(正前方)时，回波光束恰好落在中心平面上，进而传至测距系统，此时四个侧面则感受不到回波光束。当目标偏离光轴时，说明目标不再在正前方，回波光束即偏射到棱镜相应的侧面，并反射到对应的光电探测器l、2、3、4中的一面上。此时产生误差信号输出，该误差信号正好反映了目标偏离光轴的方位变化。比如光电探测器1或3上有信号输出，就表示目标偏上或偏下；若2或4上有信号输出，就表示目标偏右成偏左。不同光电探测器的误差信号进入自动跟踪控制署时，就产生一个方位差值指令电信号推动伺服系统，使望远镜光轴重新对准目标。这样就实现了自动跟踪。从雷达座上的经纬刻度就能读出目标的方位角和仰角。当然，除了四棱锥外还可用别的器件获得误差信号。,连续波激光跟踪精度比脉冲激光跟踪精度更高。它特别适于对火箭、导弹和飞机的精密自动跟踪。这是一种较理想的空防雷达系统，也是光武器不可缺少的配套系统。它的光电探测器常采用析象管(如图所示)，并放在接收望远镜的焦点上。析象管是利用物体的二次电子发射放大光电流的一种特殊光电倍增管。它有一个向外延伸的部分，上面装有双向偏转系统，能使从管子阴极表面发射的光电子束作水平和垂直方向的扫描，构成图中的一个十字花瓣图象。管子阴极前面有个小圆孔，当电子束扫到小孔中时，管子的阳极便输山一个电流脉冲；电子束连续扫描，阳极则输出一系列脉冲。望远镜的光轴对准目标时，阳极输出的脉冲序列是对称的；若目标偏离光轴，阳极输出脉冲序列就不对称，不对称的程度恰好反映了目标方位变化的大小。非对称脉冲序列进入自动跟踪控制器后，即产生目标方位偏差信号。通过伺服系统可使望远镜光轴重新对准目标。不管目标怎样运动雷达始终盯住它(即跟踪)。,采用析象管的连续激光雷达自动跟踪系统,激光雷达的研制,在激光雷达故研制工作中，要精心设计和认真解决下列几个问题。 (1)发射和接收的稳定性。 (2)微弱信号的深测。 (3)抗干扰(尽管激光雷达抗干扰性能较好，但也会受干扰)。 (4)系统内部和外部噪音的抑制和减小。 (5)增大作用距离。 雷达用的激光器，一般都要求：高功率、单模式、寿命长和频率的高度稳定性等。雷达的结构设计一定要合理，机动灵活。 激光雷达按军事应用的不同分为激光跟踪雷达、激光制导雷达、激光显象雷达、多普勒激光测速雷达、障碍回避雷达、气象雷达等。其结构有地面固定的，也有车载、机载和船载的；还有单站的、多站的和相控阵制的。按探测方式不同，又有简单直接探测和复杂的外差探测之分。总之，它的种类繁多，发展很快。,激光雷达的发展趋势，一是小型、机动、通用化、积木化和商品化；二是为了提高雷达精度和功能而采用光学相关技术。CO2激光就有不少优点，它功率高、效率高、光束质量好，波形可用多种方法调剂。由于它的光束宽度接近衍射极限，所以时间和空间相干性好，从而对配套的光学系统的准直性要求也不高。另外，这种红外激光透过雾、战场烟雾等能力强，对人眼较安全。它也便于采用高灵敏度的外差探测技术提高分辨目标的能力和探测精度。适于雷达的CO2激光器有： 1.低气压放电CO2激光器，这种激光器连续或脉冲工作均可， 适于外差法深测。已应用于多普勒相干成象雷达。 2.波导CO2激光器 这种激光器能连续或脉冲工作，连续波振幅和频率能调制。它特别适于多普勒目标指示和目标三维成像。脉冲工作时，脉冲重复串可以快到100KHz：以上，也可以慢到lKHz以下。 3.TEA脉冲coz激光器 这种激光器的脉冲重复率低于lKHz，峰值功率特别高，可采用相干或非相干探测，最适于测距。 CO2激光雷达现已应用于测距、火控、制导、导航、地形限踪和障碍回避等方面。,激光制导武器与激光武器是有区别的。激光制导武器进行攻击的方式，是依靠炸弹、炮弹和导弹的爆炸威力，激光只是用来进行制导。它不像激光武器那样用纯激光束来进行攻击。 激光制导技术具有投掷精度高、捕获目标灵活、导引头价格便宜、抗干扰性能好等特点。那么，激光是如何制导的呢？ 我们先了解一下什么是激光目标指示器。激光目标指示器是为激光制导武器指示目标的装置，又叫激光目标照射器，可装在飞机、直升机、无人驾驶飞机和舰船上。在陆军中，则有步兵观察员和炮兵前进观察员用的便携式目标指示器。 激光制导武器的战斗使用取决于系统的类型、目标性质和作战条件。还有就是区分任务和职能。对地面战术目标攻击时，指示目标可由直升机或地面便携式目标指示器进行，摧毁目标则由直升机或部队发射的导弹或末端制导炮弹来完成。,目标指示器在美国陆军武器系统中占有特殊的地位。除地面观察员使用的目标指示器外，美国还研制了地面激光定位目标指示器和轻便激光目标指示器。地面固定目标激光指示器作用距离远，可用来保护对方火器射程以外的阵地，由炮兵观察员使用，经改进后也可安装在战斗车辆上。但这种目标指示器易受对方火力的影响。作战时，如需对不同距离出现的大量目标实施突击则应设置数量较多的目标指示器，并与炮兵火力侦察中心取得必要的联系。 美国在80年代初期研制了一种便携式激光目标指示器，其体积和重量相当于一枝冲锋枪，供炮兵观察员使用。此外，美国积极研制装有激光目标指示器和制导系统的战术无人驾驶飞行器。早在1973年，在美国佛罗里达州空军基地进行了袖珍无人驾驶的飞行器飞行试验。这种飞行器整个翅膀长度3.6米重40公斤，能装载大约总重13.6公斤的两个电视摄像机和一个激光目标指示器。巡航速度每小时95公里，最大速度可以达到每小时135公里。,激光制导武器的奥秘,激光目标指示器,目标指示用于对其精确定位，这在军事上无疑也是十分重要的。如果无法在一定距离以外对要打击目标进行精确定位，那么，就只能有两种替代办法：要么与目标足够靠近，以确保能准确地击中它；要么就采用某种“铺地毯”式的饱和轰炸，或大范围内进行炮击。很显然，过于接近目标将是非常危险的，并会导致高的伤亡率；盲目轰炸或炮击则需消耗大量武器弹药，而对摧毁预定目标却未必有效。因而要求发展智能化炸弹或炮弹，以便对特定目标精确定位，激光目标指示器就是这类装置中的重要组成部分。 在智能化炸弹系统中，来自目标指示器的已编码激光直指靶标，由目标反射的激光脉冲向各个方向上散射，并被安装在导弹头部的目标搜索器探测，引导导弹准确地击中并摧毁目标。可见，这种导弹并非由来自指示器的激光束引导，因而不是驾束式制导。这里，激光束的编码是非常重要的，只有目标搜索器才能识码，光束编码的另一个优点是可以同时识别或指示同一区域的几个不同目标，它们各自具有不同编码，以防相互干扰。,激光目标照射器是激光半主动寻的式制导系统的重要组成部分 只有激光束照射到目标上，才能产生目标反射激光能量，寻的器上的纯被动传感器才有可能“寻找”目标。 机载激光目标的一部分安装在飞机内，一部分安装在机翼下的吊舱所示，其中点内。系统的原理性方框图如图划线以上表示飞机内部分，点划线以下表示吊舱内部分。 在吊舱内，电视或红外摄象管2将采集的信号送往电处理器及偏离测量装置3。后者给出目标方向相对吊舱视线方向的角偏差，即目标俯仰偏差和方位偏差。这两个信号馈给伺服回路4以控制方位校正并稳定瞄准线使吊舱视线指向前置指示目标。由伺服回路控制4的机电装置5包括一个光学和意义上的万向节，万向节产生的信号S5和S6表示吊舱视线方向相对于吊舱三边的俯仰和方位方向。插入光路中的二色反射镜6使来自照射器7的激光束能够沿着摄象机2接收光的方向传播。摄象机2 输出的视频信号送往飞机中的显示监控器8供驾驶员观察相应图象。,下面，我们看看激光制导武器是如何实施攻击的。 自激光制导武器诞生以来，激光制导方式已经发展为两大类，即寻的制导和波束式自动制导。激光寻的制导是当瞄准目标后，由目标指示器发射出激光照射目标，随即发射激光制导武器。制导武器在飞行过程中，装在头部的激光寻的器接收由目标反射回来的激光信号，经过光学系统将光信号转换为电信号，然后经过处理，得出引导信号，使武器导向目标。 激光寻的制导又分为激光半主动式自动制导、激光全主动自动制导。 激光半主动式自动制导是武器本身不装激光目标指示器，只装有激光寻的器；由地面或由飞行器携带的激光目标照射器发射激光束，对攻击目标进行激光照射，而被制导的武器上的激光寻的器自动跟踪从目标反射回来的激光信号，顺藤摸瓜，最终将目标击毁。,激光制导武器的奥秘,半主动式激光制导,构造：,A）激光照射器,B）导弹发射器,C）装有“寻的器”的导弹,1-滤光器；,2-透镜；,3-光敏元件；,4-放大器,5-计算器；,6-自动驾驶仪；,7-舵面伺服仪,电源,半主动式激 光制导过程,是目前较成熟的一种激光制导方式 ，多用于对付地面目标。如激光制 导炸弹、炮弹、空地导弹等。,全主动式制导,激光照射器与目标寻的器均装在导弹弹体上。 作战时，激光照射器向目标照射激光，目标寻的 器接收目标反射来的激光信号，将导弹导向目标。,激光制导,激光波束（驾束）制导,制导原理：,装置：,A-激光照射器；,B-导弹发射器；,C-尾部带有激光接 收器的制导导弹。,利用激光控制炸弹、炮弹、导弹，使这之“长上眼睛”，盯住目标，穷追不舍，直到将它消灭。,激光驾束制导 优点：,系统小巧、轻便、 适用于单兵使用；,缺点： 技术难度大。,激光器向目标照射激光 导弹发射器发射导弹， 导弹尾部激光接收器接 收激光束信号，依接收 的信号强弱使导弹保特 在激光束中，直至命中 目标。,激光全主动式自动制导是把激光目标照射器和激光寻的器装在同一件武器上，目标照射器不断地向目标发射激光束，寻的器自动接收从目标反射回来激光信号，并通过自动控制系统，引导武器准确地奔向目标。主动式制导的抗干扰能力强，因为激光束的能量很小，足以保障引导导弹而敌人又很难发现。 当武器偏离目标时，武器上的光电探测器便会迅速感觉出来，得出武器与波束的偏离角度，然后发出修正信号，引导武器飞向目标。激光制导武器有许多与众不同的地方。 一是精度高。激光制导炸弹的命中精度只有3-6米，而常规的炸弹命中精度为300米左右，精度提高了近百倍，比用计算机控制投放的普通炸弹命中率还要高50倍。 二是抗干扰能力强。由于激光有极强的方向性，而且频率极高，不仅通常的电磁波无法干扰、破坏，就是天空中电磁杂波、地球两极上空极光的闪烁等，对激光制导也不起作用。,三是价格便宜。使用一枚价值为15000-20000美元的激光制导导弹，就能击落价值上百万美元的现代化轰炸机，甚至可以击沉数亿美元的价值大型驱逐舰，前者的价值仅是后者的1/67-1/7500。 激光制导兵器也有先天不足的短处，激光本身容易受雨、雾、雪、烟、云及霾、气溶胶等恶劣气候的影响，不能在任何气候条件下使用，因此，有时需要其他制导方式的协助和配合。 为了克服激光制导兵器的弱点，军事技术专家们正在研究新的技术，重点发展对烟、雾、尘埃的穿透能力强，对人眼安全，更适合于战场使用的长波激光制导。 激光方向性精度高的特性，在现代军事上有独特的用途 从本世纪年代末开始，激光的高方向性，已在现代战争中发挥了巨大作用。,激光制导炸弹是由普通航空炸弹“嫁接”上激光导引头和控制部件，经过认真的改装而成的。可见激光制导炸弹是乘驾激光束飞行的“灵巧炸弹”。在所有激光制导武器中，最先应用于战场的就是激光制导炸弹，它可以从高空进行投掷，从而有效地减少了载弹飞机可能遭到的敌低空防空兵器的打击。 激光制导炸弹中最早的一代是“铺路”型，也叫“宝石路”，它是在美国研制生产的。1961年，也就是世界上第一台激光器出现的第二年，美国在“红石”兵工厂开始研究制造方案，1964年制成试验样弹。在60年代的越南战争中，美军就曾用重900公斤的MK-84通用型“铺路 ”激光制导炸弹，进行了作战试验和鉴定。1967年，在轰炸越南北方军事重要目标过程，成为命中精度最高的炸弹。美军为了摧毁靠近河内的清化大桥中，曾先后出动6000架次飞机，投弹数千吨，损失了18架飞机，但仍未能伤着该桥的筋骨。后来，美军将刚研制出来不久的激光制导武器派上了用场。,乘驾激光束的“灵巧炸弹”,激光引信和引爆,一、激光引信 引信，它是引爆弹丸的一种专门装置，对各种弹丸都必不可少。控制弹丸碰上目标爆炸的引信叫碰炸引信。弹丸在接近日标到一定程度时爆炸的叫近炸引信。在实弹射击或投掷时，由于多种因素的影响，刚好碰上目标的几率一般很小，比如用炮弹打飞机直接碰上的几率还不到1。但随着弹丸威力的不断提高，并非一定要碰上，像空-空导弹，若威力圈直径1公里，只要敌机进入此威力圈，导弹爆炸后靠爆轰波和弹片同样可以摧毁它。又比如，航空炸弹，若控制它在高地一定高度爆炸，杀伤效果反比碰地炸更好。因此，现代导弹、火箭弹、炮弹、炸弹、水雷等越来越多地采用近炸引信，以提高杀伤效果。当然，由于在弹和目标相互接近和交会的各种状态中，存在一个位起爆杀伤效果最好的最佳位置和时刻。因此存在所谓构“最佳炸点或炸高”的控制问题。谁来掌握这个“火候”呢?这就是引信。所以最佳炸点或炸高的控制是引信独有的问题。,引信工作原理是利用目标与背景之间明显的对比性来鉴别目标的存在。它不断接收来自目标的信号（目标自身转射或被它反射），当信号强度达到一定程度(距离远强度弱，距离近强度大，因此强度大小反映弹和目标的交会状态），该信号就接通引信的起爆电路，进而引发弹丸爆炸。引信装置若是接收无线电信号就叫无线电引信；若是接收红外线或激光，就分别叫红外线引信和激光引信；此外还有声引信、磁引信等。 实际上，引信和制导有许多共同点，所不同的是接收信号若用作制导信息就是制导，若用作引爆弹丸就是引信。因此，引信也有所谓主动式、半主动式之分。另外还有被动式引信，响尾蛇导弹的红外线引信就是典型实例。若红外信号来自敌机尾喷口的红外辐射，则弹丸采取尾追攻击方式。不过激光引信目前多为主动或半主动工作方式。,无线电近炸引信目前应用较多，但它的电波信号很容易被对方察觉和截获，像半导体收音机大小的干扰机就足以使引信早炸(不该炸时提前炸)或瞎火(该炸时又不炸)。此外，它的保密抗干扰能力也差，致使定位精度较低，影响最佳炸点成炸高的精确控制。早炸，在红外引信中亦较难处理，因为凡自身温度高于绝对零度(-273)的物体，都产生程度不同的红外线辐射，烟、火光、阳光等都会有较强的红外线成分。响尾蛇导弹若正对太阳发射 (敌机常诱使你这样发射)，早炸几率很高就是这个道理。尤其地面比空中和海面上背景复杂，所以很少看到地面采用红外线引信。但激光却由于它的单色性和方向性好而保密抗干扰；同时方向性好又使引信定位精度大大提高；高亮度提高了引信灵敏度；并且便于和激光雷达等协同作战。随着激光技术的发展，结构简单、轻小的半导体激光器为激光引信的工程实施提供了方便。比如，室温下单异质结砷化镓激光器的激发阈值己降至15安培以下，配套的晶体闸流管、硅光电探测器等均有很大发展。地对空和空对地以及地对地激光引信各国正在研制。当然，激光引信也不适于全天侯作战，它受气象条件影响大。,激光引信目前大多采用主动式，下图为其原理框图。激光发射装置与接收装置均置于弹九头部。发射部分由激光器和发射装置组成，激光朝着目标发射后，碰到目标而被漫反射(大多数目标表面相对镜面较粗糙，属漫反射体)，其中的一部分就沿原路返回，进入激光接收系统，光电器件将光信号转变为电信号。由于信号一般很微弱，所以必须由电子线路放大，并进行波形整形和真伪识别等等，才能获得有用信号。当弹充接近目标到最佳炸点时，信号强度就达到一定程度，从而使执行机构执行起爆任务。保险和自炸机构是引信独有的。在发射前的整个勤务处理及刚发射后一定距离内，由保险机构断开起爆电路以保证安全。当弹丸飞离发射阵地一定距离后，保险自动解脱，使引信处于临爆状态。自炸机构是一旦末捕获或丢失目标以及引信失灵后，引爆弹丸自毁，以免弹丸落入敌人手中。,主动式激光引信方框图,激光引信若设计不合理或考虑不周，同样会影响抗干扰。尽管激光的抗干扰能力较强，而这个问题对引信性能却极端重要。其影响因素主要有两方面：外来干扰信号和引信系织内部的随机噪音信号。为了确保引信可靠作用和提高抗干扰能力，可从下列三方面采取措施。 (1)窄视场发射，激光发放免最好控制在1度以下。砷化镓激光发散角在所有激光中最大，约15-20度。必须精心设计发射望远镜。 (2)接收部分采用窄通带滤光片性能要稳定以减少引信作用距离的散布。光电器件更应严格筛选，光谱响应要灵敏，噪声要低，在贮存、运输和使用中性能必须稳定。 (3)在电子线路上采取系列专门措施。引信发展动向之一是“积木化”，如同积木玩具，有若干标准件，不同要求挑选相应的标维件装配即可。由于积木化具有多变性，能适应各种战术技术要求而灵活机动。激光引信和激光制导结合是近JL年提出的一种新颖设计思想。它能使结构简化、零部件充分利用、成本降低。,二、激光遥控引燃引烃 电视机若带有遥控开关，那么它的开启与关闭、换台、调音量等就可以通过遥控解决，只要手握类似袖珍收音机大小的遥控器，坐在几米以外就可以随心所欲地控制调节。激光遥控引燃引爆与此类似，比如公路桥梁上设防的地雷，可以在几千米以外，通过不可见的激光束在最佳时刻非常可靠地遥控起爆，对人员的安全不存在任何危险。如果给激光束“打上”特殊的记号，即编上密码时，起爆装置就只接受这种密码的指令，其他一概“拒之门外”。那么遥控起爆就可以说是绝对可靠。这种就叫激光编码遥控引燃引爆。 (一)激光遥控引隙引爆的优点 当然，遥控引燃引爆也可以通过无线电信号。但与之相比较，由于激光束方向性好、亮度高、单色住好，激光相对无线电遥控引爆就有如下优点： (1)抗干扰能力强元线电信号分行空间范围大，易被对方发现干扰。激光束相反，发散很小，抗干扰能力强，因此作用可靠。,(2)激光发射一般都采用望远系统，而望远系统通过合理设计同时又可用于对敌情的观察，利于掌握最佳引爆时机，充分发挥爆炸的威力。 (3)假如两种引爆装置体积重量相同，那么激光遥控距离可远些，使人员更易隐蔽、更安全。 (二)激光遥控的引燃引爆装置 激光编码遥控引燃引瀑装置主要由激光编码发射部分、接收解码和给出引爆指令三部分组成。 激光的发射通常是利用望远系统，远离爆炸现场。激光器可以是固体钕激光，也可以是砷化镓半导体激光。它们都可发射不可见的近红外激光，不易暴露，隐蔽性好。激光编码简单易行的办法是在单位时间内规定激光脉冲发射的个数、一定的脉冲宽度和脉冲间隔。比如一秒钟内发射5个脉冲，脉冲宽度为50毫秒，脉冲间隔为150毫秒，那么接收部分只接收具有这种特征的遥控激光信号。这种信号即编过码的信号，而每秒5个脉冲，50毫秒脉宽、150毫秒脉冲间隔即“密码”。当然，此密码视需要可以随时变更，以防被对方发现干扰。,接收装置远离发射地，但离设防的雷区要近，中间通过隐蔽的导线同所埋设的地雷一一相连，以便传送引爆指令。激光编码信号由光学系统接收，通过光电器件将光信号转换成电信号。光电器件对激光波长是有选择性的，假如发射的是砷化镓激光，一定要选用对波长0.84-0.91微米激光响应最敏感的光电器件；若是钕激光，那么就要选用对波长1.06微米激光响应最敏感的光电器件，当然，这里有个匹配关系。反过来这出可以对发射来的激光是不是我方的信号进行判断识别。若是我方的信号，让它进人解码电路，经过放大、整形、计数等进一步识别解码。 根据上述的编码方案，解码具体可以这样进行。打个比方说：电路中设置三道“门”，电信号若每秒5个脉冲第一道门就可打开，让它通过若信号脉宽不长不短恰好50毫秒，那么第二道门也可打开，若脉冲间隔刚好150毫秒，则第三道门也打开。可以看出，三种编码若有一种不对，信号都通不过去，这叫三级保险。它可以大大提高引燃引爆的稳定可靠。编码和解码的方案形式很多，这不过是其中的一种。,经过解码和识别，接收部分判断确是我方的指令信号，通过高压发生器立即产生一个引爆地雷所需的引爆电信号，经导线传给每个地雷上的电雷管，从而引发地雷爆炸。上述这些过程实际上在一瞬间就全部完成。 (三)激光编码遥控引爆的应用 (1)现代战争中防御部队对预设的雷区远程及时准确可靠的遥控引爆。工兵开山炸石等施工中远程安全可靠爆破等。 (2)军事演习和训练中模拟爆炸燃烧，遥控炸点的远程显示与观测等，这可以大大节省人力物力而形象逼真。 不过，由于激光自身的特点和受气象条件影响大的限制，它还不适于光路上有遮挡物的场合。另外在遇到阴雨或灰尘烟雾很大的时候，其遥控距离大大减小，效果变差。,三、激光直接起爆 不论是激光引信，还是激光遥控引燃引爆，在它们的接收系统中都要有个光电转换过程。然后靠电信号经电雷管引发而起爆战斗部中的主装药，而电雷管随着无线电技术的飞跃发展，却遇到越来越大的问题。 (1)电雷管对静电非常敏感，而人身上的静电可达 干伏以上。尤其穿戴人造纤维服装时静电更为严重。除人身外，环境静电场亦会引发电雷管爆炸。所以电雷管工人操作时绝对禁止穿戴人造纤维衣帽。 (2)电雷管对自然界的雷电、广播电波、无线电雷达等发射的射频电场同样很敏感，很危险。因此在电雷管研制、生产、勤务处理和使用中，事故屡次发生，因电雷管引发而整个弹丸爆炸的教训更惨痛。上面说的都是早作炸或意料不到的突然爆炸，而长期贮存变质又容易瞎火。 针对电雷管存在的问题，60年代国际上出现了不要电雷管和起爆药的“爆炸线起爆器”，英文缩写EWD”，它用爆炸线直接起爆弹丸战斗部中的主装药。这样安全可靠性就可大大改善，被称为现代火工品的一项新突破。但改善并不等于彻底解决了问题，许多方面仍不能令人满意。,70年代，随着激光性能的不断送高，国外又提出了用激光直接引爆的爆炸装置，英文缩写为“LEED”，比EWD 更安全可靠。这是因为，不论静电场、还是射频场对激光束毫无影响，由于激光的许多独特性能，不仅作用可靠，而且弹上结构简单轻小，占空间少，主装药可以增加而提高弹丸威力。美国加利福尼亚工艺研究院曾测定了22种药剂(起爆药、点火药、延期药、烟火剂、猛炸药和推进刘)对激光的敏感度(简称激光感度，定义为药剂起爆所须的临界激光能量)，发现猛炸药中的泰安对激光最敏感，而猛炸药是许多弹丸的主装药，其次点火药和延期药等也比较额感。这就从实验肯定了该方案实现的可能性。接着美国匹加丁尼兵工厂等通过大量试验，证明猛炸药确实容易直接被光能起爆，只不过要求光能必须是一个强脉冲，比如，光束聚焦10-2毫米平方的面积上，希望温升为1200，压力达104kgcm2。显然，高能檄光完全可以满足此要求。从而肯定丁实现的现实性。,激光直接起爆目前比较现实的一种方案是传统的电雷管由激光雷管取代。所谓激光雷管就是指装有光学透镜和起爆药的一种光雷管。透镜将射来的激光束聚焦，其焦点落在起爆药上，因焦点处高温、高压的作用而使起爆药爆炸，进而引发主装药瀑作。这种透镜以采用半球型的较好，因为它聚焦效果好，光能损失小，使雷管结构简单，敏感度提高。激光射束与其雷管之间常用光导纤维相连。 激光直接起爆的技术关键是增大药剂表面对激光能的吸收率，减小反射变，提高药剂的敏感度。经试验，激光的敏感氏起爆药比炸药、烟火剂等要高几个数量级。 激光直接起爆是一个合有多种作用的复杂过程，包括热效应，光压冲击波作用，光化学反应等。目前大多数人认为，当激光功率密度小于106瓦cm2时，以热效应为主，伴有,其他效应；当大于108瓦cm2时，以冲击波作用为主，伴有其他效应。 激光直接起爆，同前基本都采用脉冲激光短射。具体的有：红宝石激光、YAG激光和钕玻璃激光器等。YAG激光直接起爆装置国外已应用于大型导弹、鱼雷和宇航方面。,激光警卫,夜色降临，海面上有一无形的，视而不见，触 而不觉的哨兵-红外激光探测器监视着海面， 当有不速之客到来，光线挡断，光电探测器 探测不到激光而进行声光报警,Laser,激光封锁报警嚣,一、激光封锁报警原理 对于边境要塞、关卡路口、弹药库、保密室、保险柜等要害地区和部位的封锁可以采用多种方法，但以看不见、摸不着的激光射束封锁更好。因为它保密、抗干扰性好，激光射束细而直，方向性好，一般很难发现它。脉冲激光通过编码能有效地识别和排除干扰。整个装置的体积可以缩小到照相机那样大小，重量不到一公斤。封锁的距离从几米到几十公里以上，通常都是在敌人闯人必经的位置上，设置一道或几道不可见的红外激光封锁线。闯入者一旦遮挡了光线，设在值班室的报警显示装置就会立即以声响和灯光图案报警，提醒守卫者注意并采取措施。所以大家称它为激光封锁报警器。 激光封锁报管器的工作原理如下图的方框图所示。它基本分为现场和值班室两大部分。,砷化镓半导体激光在室温下是波长0.84微米的不可见近红外激光，脉冲辐射。它可以产生高峰值功率，能量转换效率也比较高。整个激光器可以做得很小，又能用干电池作激发电源，所以用的场所最多。它的光束虽然发放较大，但可以用光学发射望远镜或透镜将发散角压缩准直后经发射装置再射出去，以便传的较远。 激光射束穿过被封锁的区域，仔像一道无形的线一样，由激光接收装置接收，再经光电转换如硅光电二极管将光信号转换为电信号。它由一根较长的传输线从现场传至值班室。 光电转换来的电信号一般很弱，推不动警报器动作，所以要由电子放大处理电路进行放大处理和真伪识别，然后再输送给报警显示装置。 报警除了以声响和灯光图象显示报警外，有的还可把闯人人数、次数，是进还是出显示出来。最新式的还配有夜视和电视录相装置，连闯入者的动作、面容、形象都一清二楚。,二、激光封锁报警的实施方案 关于用激光束封锁报警的实施方案多种多样，现将常用的几种介绍如下。 (1)激光发射和接收可以分开如图中的方框图那样。它们也可以合为一体，在合为一体时光要来回定一趟才行，如下图 (a)所示，否则收不到信号。要求光束能够沿原路返回，就要安装一直角全反射棱镜，这种棱镜的结构可以使射来的光沿原路返回。至于射来的光是否垂直入射无关紧要。但若采用反射镑反光，不垂直人射时，就不能保证反射光沿原路返回。 (2)如果需要封锁的距离很长，比如国境线，可以来用中继转接的办法。下图(b)所示的激光射束先传至中继1站，中继1站接收到光束后，将光信号转换为电信号并放大到足够强度。然后控制站上的激光器发射同样波长的激光束。对光束的调制编码最好变一下，然后传至中继2站。依次类推，直到终端接收器为止。变化编码的目的是为清楚区分闯入者遮断光束的大体区间范围。采用中继转接可以弥补光能长距离传播时的各种衰减。,3)当需要显示遮断光线是出还是进时，必须用两条以上的光线同时封锁，如下图(c)所示。若光路1先被遮断，即闯入；若光线2先被遮断，即闯出。,(4)若要求围绕某一区域进行封锁时，可以设置所谓的“光子围墙”，如上图(d)和要求封锁2A2B 2C 2D 2A所围绕的区域。围墙最好是直线形，比如三角形、正方形、矩形等，这里是2A 2D 2C 2D 2A所围的矩形，这样折转光路用的设备较少。当围墙需要多处改变光路时，可以采用平面反射镜或棱镜折转。图中A、B、C、D分别表示四个不同位置和方向的闯入。每一方向位置有相应的激光器1、接收器2、报警系统3与之相对应。比如A方向位置的闻人，则相应的激光器1A、接收器2A、报警系统3A与之对应将首先发出警报等，这样是为了便于区分闯入者究竟是从哪个方向闻人的，便于尽快采取有力措施。 不同目标，如树叶、飞鸟、人、卡车等的闯入，可根据它们各自的体积大小不同，运动速度不同，所以遮断光束持续的时间也不同，就可以对它们区分。但一定要在电子放大线路中加上一个处理识别环节才成。例如，激光器每秒钟发射20个激光脉冲，人步行遮断光束的持续时间若为0.5s，那么接收器只对中断l5个脉冲的信号才响应。而其他目标遮断光束的脉冲个数一般总大于或小于人遮断的光脉冲个数15。,4）激光侦察,“室内讲话，墙外有耳”,激光窃听技术,当窗玻璃不很厚，在密室内谈话时，产生的声波会引起窗玻璃的微微振动。不同谈话产生的声波不同，引起的振动也不同。窗玻璃不同的振动能调制射到它上面的激光束，使之反射光束载上了谈话内容的信息。若在被窗玻璃反射回来的光束的光路中放上一个合适的光信息接收器，便能探测到迭加在反射光束上的谈话内容。激光窃听器经常是设置在窗外，采用不可见的红外激光就可“听”到谈话的内容。一般它不需要在被窃听的密室内装什么东西，因而非常秘密，被窃听者很难察觉和发现。 激光窃听器常设置在被窃听的屋外对着窗子的位置上。它有两种主要构型；离轴型和同轴型。不管那种构型，都必须要有向窗玻璃连续发射激光束的激光器和接收被窗玻璃反射回来的光束的接收器。,离轴型中的激光器和接收器既可以靠拢，也可以分开。谈话声引起窗玻璃的振动使反射光束得到位相调制。接收器通过探测反射光束的振幅变化而实现窃听。它的优点是容易调整，但灵敏度较低。,离轴型激光窃听系统,同轴型激光窃听系统,同轴型灵敏度较高，但调整较困难。工作时，调整激光器使发射的激光束与窗玻璃垂直，在光路上与光束成45角放置一块半透半反射镜(它使发射光束透过而射在窗玻璃上，又把从窗玻璃上反射回来的光束反射到接收器)，接收器光轴与发射光束垂直。由于发射光束与反射光束符合相干条件而相干，其干涉图样被半透半反射镜反射用在接收器的光电二极管土。当窗玻璃振动位移为发射光的半个波长时，干涉图样的中心斑点出现一次明、暗变化。,早期采用的氦氖激光器的光强由于易受低频和高频噪声的调制影响，因而降低了窃听时的有效性。砷化镓半导体激光器特别适合作激光窃听光源。这是因为它轻小，价廉，可用于电池供电，室温下能连续工作。特别是光束易于调制，可以用外差法等降低噪声，提高窃听效果。 上面所说的窗玻璃通常叫作窃听靶，实际上一切能被声音调制的东西，如塑料窗板、像框玻璃等都可以作靶。 离轴型激光窃听系统的接收器很简单。在光电探测器的输出端接上一个声频放大器即可。若在放大器上加个调频滤波器，则可以大大减小和降低噪声信号，获得较好的窃听效果。,激光陀螺,、陀螺和飞行器 陀螺不停旋转时，转速越高越稳定。它的轴线始终垂直地面，这种特性对飞机、导弹、飞船等飞行器以及船、舰等运动体的导航有特别重要的意义。因为飞行器高速运动时，由于多种因素影响，航向经常会偏离正确方向。为了把航向偏离修正回来，就必须经常监测它们的飞行姿态，通过控制系统修正其偏差，使它们重新回到正确航向。以导弹为例，当它朝共一目标飞行时，由于气流等影响，常使飞行姿态发生变化，产生航向偏差。偏差内容可归纳为俯仰、偏航和侧滚：俯仰即指弹头向下或司上倾斜；偏航即指在水平面内向左或向右偏转；侧滚则是弹体绕弹轴滚转。如果置弹丸于OXYZ直角坐标系的原点O处，这三种变化分别相当于弹丸绕Z轴、Y轴、X轴转一定角度。因此常用转动角或转动角速度表示相应的变化，陀螺的任务就是及时监测出这些变化，并将这些变化引起的偏差信号送给飞行器内的自动驾驶仪，分,别控制弹丸的副翼、垂直舵、水平舵等的动作，使各误差信号消失。此时导弹才会重又回到正确的航向和飞行姿态。显然，陀螺对飞行技术必不可少，而且陀螺监测飞行器偏航的角度或角速度的精度大小直接影响到飞行航向的准确度。飞行速度越高，要求陀螺监测航向的精度就越高。现代飞机、导弹、火箭、卫星和飞船速度越来越高，与此相适应的激光陀螺也就发展起来了。,导弹俯仰、偏航和侧滚坐标示意图,二、激光陀螺是怎样工作的,飞行器上一般的陀螺最基本的构件就是一个高速旋转(每秒上万转)的“飞轮”。在高速旋转时，飞轮的自转轴线能恒指向空间某一方向，并具有极高的稳定性。如果飞行器稍稍偏离正确航向时，陀螺就会马上感受出来，并能控制飞行器，对它进行修正，使之按要求航向飞行。 激光陀螺没有高速飞轮，结构新颖(如图)，它的“心脏”是一个闭合的三角环形激光系统。激光器多采用气体激光器，很少用固体器件。这是因为气体激光单色性较好(光谱纯)，而固体的较差；固体器件表面和其内部反向散射的影响也较大。气体多采用氦氖激光，因为它单色性最好，又易得到连续输出、高增益和好的频牢稳定性，可靠寿命又长。目前大多在一整块优质石英玻璃中做一个三角形的空腔作为激光传导跃这样作容易获得较好的刚性并易于形成稳定振荡。三角形的三个顶点配置有反射镜；图中下面的那一块反射镜为半透半反射器，它们用光胶方法与石英块粘接。管内,抽真空后充以氨氖气体，目的在于尽可能做到高密封性。其所以作成三角闭合环形腔，是因为它结构简单、零件最少。气体激光管两端均可以输出激光，分别沿顺时针和反时针方向行进，并构成闭合回路(图中箭号所示)，两路光通过半透半反射器(合光器)射入一种基于外差探测原理的光电探测器上。随后再转变为电信号进入示被器和记录器。激光器、探测系统与飞行器固接为一体，当飞行器航向正确时，环形激光器不转，显然两路光走的路程相等；当飞行器偏离要求航向旋转一定角度时，环形激光器也随着旋转同样角度，这样，两路光将分别多走和少走一段路程而产生了光程差L。若设S为闭合三角形面积，c为光速，为飞行器旋转角速度，用简单的几何关系不难导出：,显然可用测定两路光的光程差L得到偏航旋转角速度(光速c为常数，面积S已知)。但一般L值很小，若表现在干涉条纹上(两路光符合相干条件)的变化一般只有几分之一个条纹，测量精度不可能很高。为此，可将很小的光程差从转换成较大的频率差值，这是因为光频率高达1013-1015赫，微小的光程交化即可导致领率的很大变化。若设m为干涉级(m=1、2、3)， 分别为激光波长和频率，则L为 L=m=mc/ 或 =mc/L 微小的光程差L将引起光频率改变 ，即 =L/L =4S/L =L/4S,理论上讲，陀螺在不转动时，两路光的光程、频率、振 幅均相等；当陀螺转动时，由于产生了光程差而频率不再相等，这时将产生与转动角速度成比例的差频输出。也就是说，通过测量光频的变化，就可以获得精确的航向偏转角速度值。关于的测量，目前多用外差探测方法。 上面只讨论了一个转动方向当在三个互相垂直的平面内构成三个环形激光器时，就能对三个转动方向进行角度测量。环形激光器宜以单纵模式运转，因为多模将使差频输出中渗杂其他频率成分，形成噪言和干扰，影响了监测精度。另外还要求激光频率高度稳定，因为即使很小的频率漂移，都将给飞行器旋转角速度Q的测量计算带来很大的误差。,三、激光陀螺的特点 陀螺分为；机电陀螺、气浮陀螺、液浮陀螺、振动式陀螺、射流陀螺、静电陀螺等多种；其中机电陀螺目前应用较广。机电陀螺由于只采用了一般的滚珠轴承，没有采取特殊措施，所以它无法承受高加速度的冲击。利用气体压力来支承转子的叫气浮陀螺。它的优点是可以在高温、高加速度环境下使用，精度也较高，但加工复杂成本高。液浮陀螺与气浮陀螺类似。振动式有的又叫振梁式陀螺。它与其他陀螺的原则区别在于它的输出信号带有振动特 性，它们大多数没有旋转部分，因此适合于在高加速度环境下工作。利用射流技术测量角速度的叫射流陀螺。它的优点是能抗高加速度过载，抗辐射、耐高温，简单可靠，缺点是反应迟钝、气源必须净化等。,激光陀螺的优点 (1)由于没有一股的高速转动“飞轮”，所以工作可靠性高、结构简单、牢固结实，能承受几千g以上的高加速度，比一般陀螺承受能力高50倍以上，这对适应飞行器发射瞬间的高加速度冲击作用特别有意义。另外，正因为不要转子、轴承等，所以对高角速度相当灵敏，能够测量高转速，这对宇宙导航很有意义。它可以满足用在飞船上的陀螺对高精度的要求。 (2)能测的角速度范围大，可测到12000秒，而机电陀螺最大仅可测到400秒。 (3)由于反应快，从接通到工作仅需30秒钟，只要一打开开关就能瞬时投入工作，而使用机电陀螺时，由于必须加热，热稳定及平台校淮等过程，一姬需要10-30分钟准备时间。,(4)工作不受环境(比如重力加速度等)影响，因而不必对地球重力场变化作附加修正等。激光陀螺的平均无故障时间可达17000小时，而一船的陀螺仅5000小时。激光陀螺承受速度变化的能力比一般的陀螺高l0倍。 (5)在现代飞行技术中，陀螺常配以电子计算机。将陀螺监测到的数据馈入计算机计算处理后，产生控制指令信号。激光陀螺可以直接以数字方式输出，很容易同电子计算机配合，适应现代飞行技术的需要。 (6)结构简单，成本低，适于批量生产。据统计，精度相同的激光陀螺约4万美元，液浮陀螺78万美元。,光纤陀螺原理,光纤陀螺原理图,光纤陀螺是基于Sagnac 效应，用光纤构成环状光路，组成光纤Sagnac 干涉仪。如下图所示，来自光源的光束被分束器BS1分成两束光，分别从光纤圈的两端耦合进光纤敏感线圈，沿顺、逆时针方向传播。从光纤圈两端出来的两束光，再经过合束器BS1而叠加产生干涉。当光纤圈处于静止状态时，从光纤圈两端出来的两束光，光程差为零。当光纤圈以角速率旋转时由于Sagnac效应，顺、逆时针方向传播的两束光产生光程差L可表示为：,引起的相应的相位差为,CW表示顺时针方向； CCW表示逆时针方向； R光纤圈半径； L一光纤长度； A光纤光路所包含的面积，AR； N光纤圈匝数； A光的波长； C光在介质中传播速度。,上式就是光纤陀螺的基本公式，通过检测相位差（即干涉光强）就可以获得角速率的信息，其中4LR/c项就是陀螺的标度因数。 为了对Sagnac效应的大小有一个比较直观的认识，我们看一个例子。假定，光纤圈面积A100cm2，旋转角速率103E（E为地球自转速率l50h)，即0.0150h，在包围此面积的单匝光纤环上，得到的光程差仅为L=1015cm。与氢原子直径108cm相比较，可发现单匝光纤环的Sagnac效应是很小的。显然，要提高干涉仪的灵敏度就必须大大增加光纤匝数，也就是说增加光纤的几何参数LR。通常LR取值在10一100m2之间。 可绕、低损耗的细径光纤，为绕制多匝光纤圈提供了可能性，是实现小型、高灵敏