激光测距论文

1、激光测距及在军事上的应用摘 要激光技术这一高新技术，经过半个世纪的发展，从机理原理，实验手段到制造工艺都已逐步成熟，且先进的激光器不断研制成功，并凭借其高亮度、方向性强、单色性好、相干性好的显著特点，在工业、农业、医疗、军事等领域的应用已经是大显神威。而激光武器经过不断地开发和研究，目前已有了重大的进展：低功率激光武器已开始装备部队，高功率激光武器则在技术上已基本成熟，将在未来现代化战争或局部战争中发挥举足轻重的作用。本文简要介绍了脉冲激光测距原理及常见的激光测距仪，并对它们在军事上的应用作了相应的介绍。关键词：激光测距；激光测距仪； 军事应用一、 引言激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的

2、技术。自1960 年第一台激光器-红宝石激光器发明以来，便有人开始进行激光测距的研究。和微波测距等其它方法相比,激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度,测程远,抗干扰能力强,隐蔽性好,因而得到广泛的应用。激光测距的研究还对雷达技术的发展起了很大的促进作用,因而在国民经济和国防建设中具有重要意义。根据所发射激光状态的不同,激光测距分为激光脉冲测距和连续波激光测距,后者根据起止时刻标识的不同又分为相应激光测距和调频激光测距。本文将介绍脉冲测距的最新技术发展。二、 脉冲激光测距原理脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,瞬时功率很大(一般可达兆瓦)的特点,在有合作目标的情况下

3、,脉冲激光测距可以达到极远的测程;在进行几公里的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射索取的反射信号,也可以进行测距。图1 脉冲飞行时间激光测距系统一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常有以下五个部分组成:激光发射单元,一个或两个接收通道,时刻鉴别单元,时间间隔测量单元和处理控制单元。激光发射单元在t0 时刻发射一激光脉冲,其中一小部分功率直接进入接收通道1,经时刻鉴别单元产生起始(START)信号,开始时间间隔测量;其余功率从发射天线向目标发射出去,经距离R 到达目标后被反射;接收通道2 的光电探测器接收到返回脉冲,经放大后到达时刻鉴别单元,产生

4、一终止(STOP)信号,终止时间间隔测量;时间间隔测量单元把所测得的结果t 输出到处理控制单元,最后得到距离R=ct/2。1三、 激光测距在军事上的应用3.1 激光测距光源战术和战略用脉冲激光测距仪主要包括红宝石、NdYAG、CO2、喇曼频移NdYAG 和Er玻璃等脉冲激光测距仪。3.3.1 红宝石脉冲激光测距仪0.69m 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。3.1.2 NdYAG 脉冲激光测距仪NdYAG 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

5、测距仪，因而从60 年代后期开始广泛装备部队；主要缺点：工作波长为1.06m，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； 1.06m 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；1.06m 波长不与812m 热成像系统兼容。而NdYAG 脉冲激测距仪目前仍具有无法取代的独特优点。3.1.3 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1.06m 的NdYAG 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：大气穿透能力优于NdYAG 激光波长，能在较低能见度和战场烟幕等

6、大气条件下工作；能与812m 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；能实现对人眼安全。主要缺点是：10.6m 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；10.6 m 的CO2 激光波长对战术目标的反射系数低于1.54、1.06 和0.69m 的激光波长。3.1.4 喇曼频移NdYAG 和Er玻璃脉冲激光测距仪喇曼频移NdYAG 和Er玻璃脉冲激光测距仪也和CO2 一样发展于70 年代

7、末和80年代中期，主要优点是：大气穿透能力高于1.06m 的NdYAG 激光波长而低于CO2 激光波长；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NdYAG 激光波长相当；对人眼的安全性高于CO2 激光波长。缺点是由于1.54m 波长属中红外波段，不能与812m 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Nd32YAG 除外)等限制了它们的应用。3.2 脉冲激光测距在军事上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

8、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NdYAG 为器件的固体脉冲激光测距仪，其次是喇曼频移NdYAG 和Er玻璃以及CO2 脉冲激光测距仪。3.2.1 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、重量轻、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410km，测距精度±10m，重复频率为单次，束散角12mrad。值得关注的的是，由于上

9、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NdYAG 激光测距仪改为喇曼频移NdYAG 和Er玻璃1.54m 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。3.2.2 地面车载脉冲激光测距仪地面车载脉冲激光测距仪包括

10、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410km，测距精度±510m，目标分辨约20m，重复频率0.11Hz，束散角0.41mrad。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(

11、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NdYAG 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1.06m 的NdYAG 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1.54m 激光波长测距，从根本上实现对人眼安全的要求。3.2.3 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

12、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420km，测距精度为2.55m，重复频率为620Hz，束散角为0.52.5mrad 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10.6m 的C

13、O2)脉冲激光测距仪最大测距能力的发挥，此时，应采用1.06m 的NdYAG 脉冲激光测距仪，或者采用喇曼频移NdYAG 及Er玻璃(1.54m)的脉冲激光测距。3.2.4 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1.06m的NdYAG 激光测距仪并具有激光测距和目标指示的能力，或者采用1.54m 波长的人眼安全喇曼频移NdYAG 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

14、410km，用于固定翼飞机为1020kM)、测距精度高(用于武装直升机为±510m，用于固定翼飞机为±110m)、重复频率高(用于武装直升机为4Hz，用于固定翼飞机为520Hz)、束散角小(用于武装直升机为0.41mrad，用于固定翼飞机为0.10.5mrad)，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。3.2.5 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

15、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4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5。四、 结束语激光武器不但反应速度快，而且杀伤命中率特别高，几乎是100%，因为激光武器以光束攻击目标，可以不考虑射击提前量，而且目标的机动性也不会影响激光器的性能。所以，激光武器的杀伤率就非常高，一旦锁住目标，就能将其摧毁或破坏。另一个重要优点是单发成本相当低，每发仅1000 3000 美元。因此，用激光武器来对付在全世界扩散的“ 廉价低空飞行器“ 大有好处。使用战区高空防御武器或其它昂贵的反导系统来对付