第3章 激光测量 2013510

1激光在精密测量中的应用激光干涉测量激光衍射测量激光测距激光干涉测量技术

干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一门技术。20世纪60年代以来，由于激光的出现使干涉测量技术得到长足发展。干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵敏度和精度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、萨格奈克(Sagnac)干涉仪、菲索干涉仪等；70年代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速，如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信息，其原理是将光分成两路，干涉条纹是两路光光程差相同点联成的轨迹。而光程差△是干涉仪两支光路光程之差，可用下式表示

式中，nj、ni分别为干涉仪两支光路的介质折射率：li，lj分别为干涉仪两支光路的几何路程差。若把被测件放入干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差将随着被测件的位置与形状而变，干涉条纹也随之变化，测量出干涉条纹的变化量，便可直接获得l或n，还可间接获得l或n有关的各种被测信息。激光干涉测量长度和位移

激光干涉仪是一种所谓“增量法”测长的仪器，它是把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当目标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差即发生变化，干涉条纹也将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收，当被测对象移动一定距离时，条纹亮暗交替变化一次．光电探测器输出信号将变化一个周期，记录下信号变化的周期数，便确定了被测长度。以迈克尔逊干涉仪为例，设在测量开始时，一束激光经分光器B被分成两束，它们经参考反射镜M1和目标反射镜M2后沿原路返回，并在分光点O处重新相遇，两束光的光程差式中n为空气的折射率，Lm为目标反射镜M2到分光点O的距离。Lc为参考反射镜M1到分光点O的距离。

测量结束时。目标反射镜M2移过被测长度L后，处于M2’的位置。此时两光束的光程差

迈克尔逊干涉仪测长示意图在测量开始和结束这段时间里，光程差的变化量

光程差每变化一个波长，干涉条纹就明暗交替变化一次，则测量过程中与d△相对应的干涉条纹变化次数

式中，λ0为激光光波中心波长

测得干涉条纹的变化次数K之后，即可由上式求得被测长度L。在实际测量中，采用干涉条纹计数法，测量开始时使计数器置零，测量结束时计数器的示值即为与被测长度L相对应的条纹数K。可把上式改写为式中，λ=λ0／n，λ是激光光波在空气中的波长。激光干涉测长仪的主要结构激光光源：它一般是采用单模的He-Ne(同位素)气体激光器，输出的是波长为0.6328微米的红光。为提高光源的单色性，对激光器要采取稳频措施；迈克尔逊干涉仪：由它来产生干涉条纹；（核心部件）可移动平台：它携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测物体一起沿入射光方向平移。由于它的平移，使干涉仪中的干涉条纹移动；光电计数器：其作用是对干涉条纹的移动进行计数；显示和记录装置：其作用是显示和记录光电计数器中记下的干涉条纹移动的个数或与之对应的长度；光电显微镜：作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终止信号；7迈克尔逊干涉仪的基本误差分析如果我们不考虑计数N的误差，则由于波长的不稳定所造成的测长L的相对误差为(前者是干涉测长系统的设计问题，后者是波长的相对误差)如果我们要求在一米长的范围内由于波长不稳定所引起的测量误差小于0.1m，则要求激光波长的稳定度为上述要求也是对激光频率稳定度的要求。实际上，除频率不稳定引起的误差外，还有条纹计数误差、对准误差等等一系列的测量误差。因此，对激光频率的稳定性的要求就更高些。在本书第四章中曾指出，一般环境条件影响引起的频率相对变化约为10-7，所以要获得：的频率稳定度，必须采取一定的稳频措施

激光干涉测量仪的主要部分有：激光干涉仪系统、干涉条纹计数和处理测量结果的电子系统及机械系统。

(一)干涉仪系统干涉仪系统主要包括光源、分束器和反射器。

1.激光干涉仪常用光源因为He-Ne激光器输出激光的频率和功率稳定性高，它以连续方式运转，在可见光和红外光区域里可产生多种波长的激光谱线，所以，He-Ne激光器特别适合作相干光源；

2.干涉仪将一束光分为两束或几束的方法

(1)分波阵面法激光器发出的光经准直扩束后，得到一平而光波的波阵面。利用有微小夹角的两反射镜Ml和M2(菲涅尔双面镜)的反射，将光波的波阵面分为两部分，然后使二者在屏幕P相遇，在屏上出现明暗相间的干涉条纹，如下图(a)所示。

(2)分振幅法把一束光分成两束以上的光束，它们全具有原来波的波前，但振幅减小了。如迈克尔逊干涉仪。常用的分光器有：平行平板分光器和立方体分光器．如下图(b)所示二、测量系统组成(a)分波阵面法；(b)分振幅法既分振幅又分偏振(c)分偏振法(3)分偏振法在偏振干涉仪系统中需要采用偏振分光器，它由一对玻璃棱镜相胶合而成，在其中一块棱镜的胶合面上交替蒸镀氟化镁和硫化锌膜层。入射光以布儒斯特角进入介质层，经多次透射和反射得到高偏振度的S分量反射光和P分量透射光。偏振分光器也可由晶轴正交的偏光棱镜组成，如渥拉斯顿棱镜。

3.干涉仪中常用的反射器

(1)平面反射器

偏转将产生附加的光程差，在采用多次反射以提高测量精度的系统或长光程干涉仪中，此项误差不可忽略；

(2)角锥棱镜反射器

如下图(a)所示，它具有抗偏摆和俯仰的性能，可以消除偏转带来的误差，是干涉仪中常用的器件。

(3)直角棱镜反射器

如下图(b)所示，它的三个角分别为45◦、45◦

、90◦

，光入射在斜面上。它只有两个反射面，加工起来比较容易，并只对一个方向的偏转敏感。对于垂直人射面的平面偏振光不受干扰。

(4)“猫眼”反射器如下图(c)所示，它由一个透镜L和一个凹面反射镜M组成、反射镜放在透镜的主焦点上，从左边来的入射光束聚焦在反射镜上，反射镜又把光束反射到透镜，并沿与入射光平行的方向射出(与反射镜的曲率无关)。若反别镜的曲率中心C’和透镜的中心C重合，那么当透镜和反射镜一起绕C点旋转时，光程保持不变：“猫眼“反射器的优点是容易加工和不影响偏振光的传输。在光程不长的情况下也可考虑用平面反射镜代替凹面反射镜，这样更容易加工和调整。4．典型的光路布局

在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即测量光束与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件变化对两条光路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同应用需要，要考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等因素。下面介绍几种从不同角度考虑的典型光路布局。

(1)使用角锥棱镜反射器这是一种常用的光路布局，如下图(a)所示，图中角锥棱镜可使入射光和反射光在空间分离一定距离，所以，这种光路可避免反射光束返回激光器。激光器是一个光学谐振腔．若有光束返回激光器将引起激光输出频率和振幅的不稳定。角锥棱镜还具有抗偏摆和俯仰的性能，可以消除测量镜偏转带来的误差。图(a)所示光路的缺点是这种成对使用的角锥棱镜要求配对加工，而且加工精度要求高。故常采用一个作为可动反射镜。参考光路中用平面反射镜B作固定反射镜。使用一个角锥棱镜作可动反射器还可采用其他几种光路。图(b)中，镜Ml和M3上都镀有半反半透膜，M1用作分光器，参考光束经M1反射后在镜M3与测量光束迭加，产生干涉。Ml和M3还能做成一体，如图(c)所示。只用一个角锥棱镜反射器作动镜还可以组成图(d)所示的双光束干涉仪，它也是一种较理想的光路布局，基本上不受镜座多余自由度的影响，而且光程增加一倍。

(2)整体式布局这是一种将多个光学元件结合在一起，构成一坚固的组合结构的布局。如右图所示，立方体分光器上蒸镀了其他元件。整个系统对外界的抗干扰性较好，抗动镜多余自由度能力强，测量灵敏度提高一倍。但这种布局调整起来不方便，对光的吸收较严重。1.立方体分光器;2.移动反射镜(3)光学倍频布局

为提高干涉仪的灵敏度，可使用光学倍频(也称光程差放大器)的棱镜系统，如下图所示。角锥棱镜Ml每移动kλ/2干涉条纹便发生一次明暗交替变化，k为倍频系数，图中k＝6。利用光学倍频的干涉系统能用简单的脉冲计数做精密测量，而无需进行条纹细分，这种技术还可使干涉仪结构紧凑，减小温度、空气及机械干扰的影响。

(4)零光程差的结构布局在干涉仪中，为使初始光程差不随环境条件的变化而变化，常采用参考臂Lc和测量臂Lm相等，并使两臂布置在仪器同一侧的结构形式。此时，干涉仪的初始光程差Lm-Lc=0，即所谓的零光程差结构形式，如图所示。这种结构布局可以提高干涉仪的测量精度。(a)测量时测量光路光程增加；(b)测量时测量光路减小(二)干涉条纹计数与测量结果处理系统

1．移相器

激光干涉仅采用光电子计数时，为了判别可动目标反射镜的前进和后退，仪器必须能够进行可逆计数。另外，为了提高仪器分辨力，还要对干涉条纹进行细分。为达到这些目的，干涉仪必须有两个位相差为90◦的电信号输出，一个按光程的正弦变化，一个按余弦变化。所以，移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有以下几种。(1)阶梯板移相下图是阶梯板移相光路图。在反射镜MI的半边蒸镀一层厚度为d的透明介质，使其造成λ/8的阶梯，使光束的左右两半边产生λ/4的初程差。当两光电接收器Dl和D2同时对准狭缝中心时，便能获得相移为π/2的信号输出。采用阶梯板移相容易受大气扰动引起波阵面畸变的影响。阶梯板移相光路图

(2)金属膜移相利用金属膜表面反射和透射时都产生附加位相差的原理，在分光器的分光面上镀上金属膜做成金属膜分幅移相器，如图所示。它的移相程度取决于镀层的厚度及其组成。在图中，光路2中产生干涉的两束光均经过金属移相膜的一次透射和一次反射，光电接收器接收的是位相相同的两束激光所形成的干涉条纹。而在光路1中产生干涉的两束光，一束是经过金属移相膜的两次反射，另一路则经过两次透射。若金属移相膜使反射光束和透射光束产生45◦位相差，则光电接收器接收的是位相差为90◦两束光的干涉信号。这样，两个光电接收器接收的信号位相差为90◦

。这种移相方法的优点是两光束受振动和大气扰动的影响相同，元件少，结构紧凑。其缺点是两相干光束的光强不同，影响条纹对比度，改善办法是在光束强的反射器前放一块吸收滤光片，使两束光强接近一致以提高对比度。金属膜移相光路图机械法移相原理图光路2中产生干涉的两束光均经过金属移相膜的一次透射和一次反射，光电接收器接收的是位相相同的两束激光所形成的干涉条纹。而在光路1中产生干涉的两束光，一束是经过金属移相膜的两次反射，另一路则经过两次透射金属移相膜使反射光束和透射光束产生45◦位相差，则光电接收器接收的是位相差为90◦两束光的干涉信号

(3)分偏振法移相输入光束是与垂直入射面成45◦角的平面偏振光，由分光器和活动反射器反射后，信号光束的输出还是45◦的平面偏振光，因此，它的垂直和水平分量位相相同。在参考光路中加入1/4波片后使参考光变成圆偏振光，它的垂直和水平分量位相差为90◦，光束会合后用一个渥拉斯顿棱镜使垂直分量和水平分量分开，给出两个干涉条纹，它们的（？）位相差为90◦

2.干涉条统计数及判向原理干涉仪在实际测量位移时，由于测量反射镜在测量过程中可能需要正、反两方向的移动，或由于外界振动、导轨误差等干扰使反射镜在正向移动中，偶然有反向移动，所以，干涉仪中需设计方向判别部分，将计数脉冲分为加和减两种脉冲，当测量镜正向移动时所产生的脉冲为正脉冲，而反向移动时所产生的脉冲为减脉冲。将这两种脉冲送人可逆计数器进行可逆计算就可以获得真正的位移值。如果测量系统中没有判向能力，光电接收器接收的信号是测量镜正、反两方向移动的总和，并不代表真正的位移值。图(a)和图(b)为判向计数原理和电路波形图。通过移相获得两路相差π/2的干涉条纹的光强信号。该信号由两个光电探测器接收，便可获得与干涉信号相对应的两路相差π/2的正弦信号和余弦信号，经放大、整形、倒向及微分等处理，可以获得四个相位依次相差π/2的脉冲信号。若将脉冲排列的相位顺序在反射镜正向移动时定为1、2、3、4，反向移动时定为1、4、3、2．由此，后续的逻辑电路便可以根据脉冲1后面的相位是2还是4判断脉冲的方向，并送入加脉冲的“门”或减脉冲的“门”，这样便实现了判向的目的。同时，经判向电路后，将一个周期的干涉信号变成四个脉冲输出信号，使一个计数脉冲代表1／4干涉条纹的变化，即表示目标镜的移动距离为λ/8,实现了干涉条纹的四倍频计数，相应的测量长度为L=Kλ/8

判向计数原理1.干涉条纹；2.移相系统；3.光电接收系统；4.放大器；5.倒相；6.微分电路；7.可逆计数器；8.计算机；9.显示器正向移动时定为1、2、3、4，反向1、4、3、2余弦滞后2023/2/426干涉条纹计数与判向干涉条纹移相系统光电接收器放大器倒相器(sin)微分电路微分电路(sin)(-sin)光电接收器放大器倒相器(cos)微分电路微分电路(-cos)(cos)可逆计数器计算机条纹移动判向计数原理框图sin

cos00(sin)(-sin)(cos)(-cos)(sin)(-sin)(cos)(-cos)(-cos)(cos)(-cos)(cos)(cos)超前(cos)滞后123434干涉条纹计数判向电路波形当cos信号超前时（设为正向）：脉冲信号的顺序为1、3、2、4，当cos信号滞后时（应为反向）：脉冲信号的顺序为1、4、2、3

方向判别电路的原理。先在干涉系统中应用移相方法（详见后述）将干涉条纹分为两组且彼此位相偏移π/2，分别经光电转换后，输出的两组光电信号也彼此有π/2的位移偏移，这两组光电信号分别经放大、整形、倒相，变成四个位相依次差π/2的矩形脉冲，再经斯密特电路把波形变换成尖脉冲。当工作台正向移动时，脉冲的排列为1、3、2、4、1；反向移动时，脉冲排列次序为1、4、2、3、1，如图所示。在逻辑电路上可根据脉冲1的后面是1或4来判别正向加脉冲或反向减脉冲，并分别逆入加脉冲的“门”或减脉冲的“门”中去，从而可得到总的加脉冲或减脉冲信号。

判向电路除提高了仪器的抗干扰能力外，还把一个周期的干涉条纹变化（即亮暗变化一次）变成四个脉冲输出信号。因此在测长时，当条纹变一条时，可逆计数器显示4个脉冲数，这等于把条纹4细分了，常称四倍频计数。此时每一脉冲代表λ/8的移动量，所测得的长度辩向电路原理29激光衍射测量31用激光衍射法测量金属细丝直径一般的钢丝直径常用测微仪以接触法进行测量，这种方法受测量力的影响很大，即使在测量力较小的情况下，其相对测量误差也是较大的，而且容易引起细丝的弯曲变形。此外，如测力过小，也由于测量不稳定而无法保证测量精度。近年来由于激光技术的发展，为测量细丝直径提供了新的测量原理和方法。

激光测直径32夫琅和费衍射原理当光源和衍射场(即屏幕P)都距衍射物(小孔、狭缝等)无限远时的衍射称为夫琅和费衍射(或平行光衍射)，实际上只要光源、屏幕离衍射物有足够大的距离部可认为是夫琅和费衍射。33激光衍射测量原理光的衍射现象，按衍射物和观察衍射条纹的屏幕(即衍射场)之间的位置关系一般分为两种类型：菲涅耳衍射和夫琅和费衍射。单缝衍射测量：

单缝衍射测量的原理：单缝夫琅和费衍射。条纹的光强可表示为：

图6-9衍射测量原理图单缝衍射测量的基本公式:,当被测物体尺寸改变δ时，相当于狭缝尺寸改变δ，衍射条纹的位置也随之改变,可得3435

式中K＝1，2…正整数。正负号表示亮暗条纹对称地分布在中央亮条纹的两侧，＝0给出了中央亮条纹P0的中心位置。图为衍射条纹的光强分布图。由图可见，随着衍射角的增加，亮条纹的光强将迅速降低，暗点位置是等距分布的。如采用激光作为光源，由于能量高度集中，条纹可以更加清晰，衍射级次也更高(即能见到的衍射条纹数目多)。36由前知，夫琅和费衍射要求光源和衍射场位于无穷远处，但实际上只要这些距离足够大便可认为符合夫琅和费衍射的条件了。为此，如图所示，设被测细丝为

d，相当于狭缝。我们采用激光作为光源，由于其发散角很小，可认为是平行光，所以可免除透镜L1；并将衍射屏幕放置离细丝较远处(譬如l＞500mm)，这样又可免除透镜L2。于衍射场P处即可获得一组明暗相间的衍射条纹，只要测得衍射条纹距屏幕中心的距离Sk，便可求得细丝直径。由于l»a(即d)，此时角很小，故可取:3738间隙测量法

其基于单缝衍射的原理。作尺寸的比较测量,如图6-11(a)。作工件形状的轮廓测量，如图6-11(b)。作为应变传感器使用，如图6-11(c)。用间隙测量法测量位移,即测量狭缝宽度b的改变量=b’-b,可采用绝对法,求出变化前后的两个缝宽b和b’，然后相减。也可以用增量法。后者所用公式为图6-11间隙测量法的应用39反射衍射测量法

反射衍射是利用被测物的边缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的。图6-12反射衍射法原理图40圆孔衍射测量图（6-10）表示了圆孔的夫琅和费衍射原理，接收屏上衍射条纹的光强分布为中心亮斑(即第一暗环)的直径为图6-10圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图41爱里斑测量法?基于圆孔夫朗和费衍射的测量方法称作爱里斑测量法。原理：用爱里斑中归一化光强的大小的测量来确定被测孔的直径。图6-15是用爱里斑测量人造纤维或玻璃纤维加工中的喷丝头孔径的原理图。图6-15喷丝头孔径的爱里斑测量原理示意图激光测距原理：主要构造：激光发射器；电源和显示装置。激光接收器；记时器电源放大器光电转换器距离显示器Laser激光发射器；激光接收器；射向目标来自目标参考光

激光测距的基本公式为：

c——大气中的光速

t——为光波往返所需时间由于光速极快，对于一个不太大的D来说，t是一个很小的量，例：设D=15km，c=3×105km/sec

则t=5×10-5sec

由测距公式可知，如何精确测量出时间t的值是测距的关键。由于测量时间t的方法不同，产生了两种测距方法：脉冲测距和相位测距。44测距方法分类脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法测距精度大多为米的量级相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测量精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用

因为令N=1

例：设fT=150MHz=1.5×108Hz，C=3×108m一、问题的提出在测量中，如果存在一个脉冲的误差，则其测距误差即为1m，这对远距离测量也许是允许的，但对近距离测量（如50m等），则误差太大。如要求测距误差为1cm，则要求时钟脉冲的频率应为fT=15GHz，这将带来三个问题：多周期脉冲激光测距

·过高的时钟脉冲不易获得；

·高频电子元器件价格昂贵，稳定性较差；

·对电路的性能要求很高。二、多周期测距原理

固定延时多周期脉冲激光测距

当测量距离很小时，则由“发射→接收→再发射……”过程中所形成的振荡回路的频率就很高。例：当S=1.5m时，测量一次（光脉冲往返一次）所需时间

所以其振荡回路的频率为如此高的振荡频率对驱动放大电路响应速度要求太高。解决方法：在仪器接收到回波脉冲信号时，不马上触发下一个激光脉冲，而是增加一个固定的延时t0=m0/fT（m0为延时的时钟脉冲数）后，才触发下一个激光脉冲。

这样，可有效降低振荡回路的频率。具体按以下程序实施：

1．发射系统发出光脉冲；

2．从发射时刻开始，计数器开始计数；

3．光脉冲从目标返回被接收系统收到回波信号后，不关闭计数器，而是经一固定延时t0后，再去触发激光发出下一个光脉冲，同时计数计又开始计数。以形成周期振荡信号；

4．经N个周期后，关闭计数器；

5．将N个周期测量的总时间t减去N个周期延时的时间Nt0的值取平均值，就可得到光脉冲往返一次所需的时间。

6．将该时间代入测距公式后可得所测距离。固定延时再发射形成：再接收再延时发射接收

设时钟脉冲频率为fT，测距仪距目标距离为S，光脉冲经过N个周期后所走的总路程为L，式中m：计数计的总计数脉冲数；

m0：延时t0内计数器的计数值。例：设固定延时t0=200nS，N=150，fT=100MHz，则可算出延时脉冲个数为：51在工程建设中进行测量时．常用30m或50m的卷尺(钢皮尺)一“链”复一“链”地进行测量，如图所示，其结果是整“链”数与卷尺长度的乘积再加上最后不足一整“链”，过程可用下式表达

式中D——待测距离；

Ls——测尺长度；

N——零或正整数，即整链数；

ΔL——不足整尺的距离尾数。

D＝NLs+ΔL相位式测距仪采用了与上述相似的方法来测量距离，不过它所采用的测尺不是卷尺，而是“光尺”，这把“光尺”是通过对光的强度进行调制实现的。

相位测距原理52相位测距的测尺相位测距是对发射的激光强度进行余弦型调制，光波每传播一个调制周期，相位就变化2，相应的传播距离为=cT。所以距离d、光波往返相位差和光波调制波长之间的关系为应当注意到：此处的并不是光的波长，而是余弦型调制造成的光强变化对应的强度“光波”的“波长”，该调制波长实际上是被测距离的度量单位，因此把该波长的一半

称作“测尺”，被测距离可以用该测尺表示为相位测距原理

通过检测被调制的连续激光往返后和初始信号的相位差可使测距精度大大提高。连续激光经过调制后成为调制光，设调制频率为fυ，如图9-11所示。激光往返一周的时间t可以用调制波的整数周期数及不足一个周期的小数周数来表示。相位激光测距

图9-11fυ——调制频率（Hz）

N——光波往返全程中的整周期数

Δ

φ——不是一个周期的位相值

L定义为测距仪的电尺长度：等于调制波长的二分之一。则相位测距方程为：结论：因为L为已知的，所以只需测得N和ΔN即可求D。二、相位测距的多值性

在测距方程中deltaN是可以通过仪器测得的，但不能测得N值，因此，以上方程存在多值解，即存在测距的多值性。但若我们预先知道所测距离在一个电尺长度L之内，即令N=0，此时，测距结果将是唯一的。其测距方程变为：例：设光调制频率为fυ=150×103Hz（高频调制）

则电尺长度当被测距离小于1000m时，测距值是唯一的。即在1000m以内的测距时N=0（不足一个电尺长度）三、相位测距精度

将两边微分后，取有限微量，其中为相对测相精度（一般1/1000可比较容易做到的）例如，对上例而言，即此时测距精度可达1m。从上式可以看出ΔD与调制频率fυ成反比，即欲提高仪器的测距精度(即使ΔD减少)，则须提高调制频率fv.而由电尺长度公式可知,此时可测距离减少。因此在测相精度受限的情况下，存在以下矛盾：·若想得到大的测量距离→则测距精度不高

·若想得到高的测量精度→（电尺长度短），则测量距离受限制。如何解决这个矛盾呢？59相位测量和多测尺测距当被测距离大于一个波长时，相位超过，因此可以表示为式中是不足2的相位移的尾数，N为相位移的整数部分。任何测量交变信号相位移的比相方法都不能确定出相位移的整周期数，因而当距离d大于测尺长Ls时，就需要更长的测尺来测定距离，但是长的测尺在相位差的测量精度一定的条件下距离的分辨率也会减小，因此既要保证测量精度又要扩大测量的范围就需要设置多个测尺，用大的测尺提高测量的范围，用小的测尺提高测量精度60如果被测距离较长，则可以选用一个较低的测尺频率即测尺长度较长（大于待测距离）。但由于测尺长度越大，带来的测距误差也会越大。例如仪器的测相误差为0.1％，当测尺长度Ls＝10m时，会引起1cm的距离误差；而当L＝1000m时，所引起的误差就可达1m。当被测距离大于基本测尺长度L时，可再选一个或几个辅助测尺Lsb(又叫粗测测尺)。例如选用两把测尺，其中Lsb=10米，Lsa＝1000m，用它们分别测量某一段长度为386.57m的距离时，用Lsb测量时可得到不足10m的尾数6.57m，用Lsa测量可得不足1000m的尾数386m，将两者组合起来就可得386.57m，即6.57……Lsb读数，386

……Lsa读数，386．57m……两尺组合起来的总读数61四、双频率相位激光测距

即设置若干个测量频率进行测量，现以两个频率为例加以说明。设测量主频为ƒ1，辅助频率为ƒ2=kƒ1（k为<1的系数，如0.9=k）显然，此时在仪器中存在2个电尺长度，他们分别为：

此时，L2>L1

“游标”原理：设两频率的光波从仪器发出时的初位相相同，则只有当D=10L1或10L1的整数倍时，两者位相才相等。即两个调制频率的相位差第二次等于0时，两个频率的电尺长度L1和L2的末端经过若干次后又刚好重合。且在一个周期内，相位差与被测距离成正比。（图9-12）图9-12

因此，只要测量距离不大于10L1（N≤10），就可根据（Δφ1-Δφ2）的值来确定N和距离D。采用两个频率测距时的测距方程：

上两式相减，并以L2代入得：

式中：为可测距离的放大倍数，为新的电尺长度。对上例：，即将电尺长度放大了10倍，或者说在仪器测相精度不变的条件下，可测距离扩大了10倍，即Dmax=10L1。66相位测距与脉冲测距的区别：调制方式不同，脉冲测距调制激光器产生巨脉冲，相位测距调制激光器产生强度成余弦变化的连续波信号处理方式不同，脉冲测距用开关电路高频脉冲计数，测量内外光路产生的两个脉冲之间相距的时间，相位测距比较主振信号与返回信号之间相位差，来计算光线从测距仪到被测点传播往返的时间激光测距的特点军用激光发展最快、最成熟的要算激光测距。步兵、炮兵、坦克和飞机对地的测距中已获得了极佳效果。利用激光像雨点般的那样，一个脉冲接一个脉冲辐射来测量距离，这种测量方式叫脉冲测距；激光辐射若是连续的、并利用其相位变化来进行测距，叫连续波测距。前者结构简单，操作方便，白天和夜间可测距离分别小于和大于50公里左右。精度可达1米，因而被广泛采用。若要求测距精度小于1米，如航测地形变化和海浪起伏等，就要采用后者。它能从空中辨别地面凸起的公路、树木和机场跑道旁边不易看清的壕沟或者探测复盖着白雪的地面高低。一般可测距百余公里，如有合作目标时可测几百-几十万公里。但它的结构复杂，操作麻烦，成本高。所以除测距精度要求特别高的场合外，一般都不采用。

普通光学或微波测距精度想达一米相当困难。当目标很远，尤其处于背着阳光的暗处时，普通光测距难以胜任；此时若用激光，由于其亮度高，方向性好，就可很好地解决。微波波长比激光长千倍以上，因而易被干扰，常因环境杂波干扰而无法工作。激光由于其频率高、单色性好，所以能抗干扰。激光频率高还意味着不用巨大的天线就能发射极窄的光束(如束散角1／20度的红宝石激光，只需直径7.63cm的天线，而对微波来说，要想得到同样的散角，天线直径则要在305米以上)，因此激光装置小而轻。激光脉冲非常窄，因而能精确地测定物体的距离。激光方向性好(即光束发散小)，在测量地面某一物体时就不受地面附近其他物体的影响。激光亮度高，射得远，也就测得远。激光测距的缺点是受气象条件的影响。69激光测距的特点激光测距仪与其它测距仪(如光电测距仪等)相比，具备的特点：探测距离远测距精度高抗干扰性强保密性好体积小重量轻70测距仪对光脉冲的要求光脉冲应具有足够的强度光脉冲的方向性要好光脉冲的单色性要好光脉冲的宽度要窄用于激光测距的激光器：红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器、半导体激光器激光陀螺

—、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，当它朝某一目标飞行时，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Ω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

1913年，萨格奈克（Sagnac）论证了运用无运动部件的光学系统同样能够检测相对惯性空间的旋转。他采用了一个环形干涉仪，并证实在两个反向传播光路中，旋转产生一个相位差。

2Sagnac效应

理想条件下，环形光路系统中的Sagnac效应如图1所示。一束光经分束器M进入同一光学回路中，分成完全相同的两束光CCW和CCCW，分别沿顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)相向传播，当回路绕垂直于自身的轴转动时，将使两束光产生相位差，该相位差的大小与光回路的旋转速率成比例。

图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转

2Sagnac效应图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转如(a)所示，无旋转条件下，两束光传输时间相等，为如(b)所示，旋转条件下，2Sagnac效应图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转传输时间差传输光程差传输相位差2Sagnac效应图1理想环形光路系统中的Sagnac效应(a)系统静止；(b)系统旋转传输相位差2Sagnac效应如何检测相位差？利用光的干涉：振动频率相同、方向相同、相位差恒定

通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速率。问题：旋转角速率产生的光程差太小，很难被检测。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，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。管内抽真空后充以氦氖气体，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，Ω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Ω(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，可将很小的光程差重转换成较大的频率差值，这是因为光频率ƒ高达1013-1015赫，微小的光程交化即可导致频率的很大变化。若设m为干涉级(m=1、2、3……)，λ，ƒ

分别为激光波长和频率，则L为

L=mλ=mc/ƒ

或

ƒ=mc/L微小的光程差△L将引起光频率ƒ改变△ƒ

，即

△ƒ=ƒ△L/L△ƒ=4SΩ/Lλ

Ω=Lλ△ƒ/4SLecture13--LaserGyro82Sagnac干涉仪Sagnac干涉

---激光陀螺测量的基础发现---法国物理学家Sagnac于1913年SM2M1M3Sagnac干涉仪光路结构abQ如果干涉仪相对惯性空间静止,光路A和B的光程ω当干涉仪以角速度ω相对惯性空间旋转,则Lecture13--LaserGyro83M2M1M3SQabω2.2光程差光程差的计算:分束点的切向速度:vv

在分束点处的光路A和B上的投影:当光束a

传播一周回到分束点,它走过了更多的光程:注意到Lecture13--LaserGyro842.2*光程差的计算由上述两个方程求解La

和ta,得到类似地，对于光束b,有因此,当两束光回到分束点时的光程差:因为光速c

远远大于Lω，所以可做近似：具体推导：Lecture13--LaserGyro862.3Michelson干涉仪试验光程差和输入角速度成正比-----上述公式对任何形状的闭合光路都成立.Michelson的干涉仪实验(1925)：矩形面积:A=600×300m2激光的波长λ=0.7μm测量地球的自转角速度，光程差为：ΔL=0.175μm，orλ/4干涉条纹移动了1/4个明暗条纹周期间距.起决定作用的实际上是相位差Lecture13--LaserGyro87LM4M4M1M3M2ω谐振频率假设激光谐振腔的光路长度为L,等于q

倍的波长λ

激光的频率:因此当谐振腔以角速度ω

绕着谐振腔平面的法线方向旋转，则频率差：Lecture13--LaserGyro883.4谐振频率差频率差：

频差正比于输入角速度LM4M4M1M3M2ω

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Ω成比例的差频△ƒ输出。也就是说，通过测量光频的变化△ƒ，就可以获得精确的航向偏转角速度Ω值。关于△ƒ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，一般需要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7—8万美元。光纤陀螺基本原理1光纤陀螺的发展

2光学基础知识

3Sagnac效应

4光纤陀螺（FOG）原理

5光纤陀螺指标

1光纤陀螺的发展与动态

四个里程碑：一、1913年法国物理学家Sagnac在物理实验中发现了旋转角速率对光的干涉现象的影响，这就启发人们，利用光的干涉现象来测量旋转角速率。二、1960年，美国科学家梅曼发明了激光器，产生了单色相干光，解决了光源的问题。三、1966年，英籍华人科学家高锟提出了只要解决玻璃纯度和成分，就能获得光传输损耗极低的玻璃光纤的学说。四、1976年，美国犹他大学两位教授利用Sagnac效应研制出世界上第一个光纤陀螺原理样机。

二十多年来，世界各发达国家的许多科研机构和著名大学都投入了很多的经费来研究光纤陀螺。随着光纤陀螺主要光器件（保偏光纤，Y型电—光调制波导，光源等）技术及半导体工业的飞速发展，光纤陀螺的发展已经有了突破性进展,，高精度光纤陀螺已达到低于0.0001o/h的精度，有取代传统的机械陀螺仪的趋势。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块精密加工出光路，成本低。

1光纤陀螺的发展与动态

目前，光纤陀螺已经发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，其原理、工艺及其关键技术与传统的机电式仪表有很大的差别，我国已经将光纤陀螺列为惯性技术领域重点发展的关键技术之一。

1光纤陀螺的发展与动态3光纤陀螺基本原理及特点光纤陀螺实现原理

光纤陀螺本质上就是一个环形干涉仪，通过采用多匝光纤线圈来增强相对惯性空间的旋转引起的Sagnac效应。其实现如图2所示。图2光纤陀螺实现原理图3光纤陀螺基本原理及特点光纤陀螺实物图3光纤陀螺基本原理及特点光纤陀螺实物图3光纤陀螺基本原理及特点光纤陀螺优点

与传统机电陀螺相比，光纤陀螺无运动部件和磨损部件，为全固态仪表，成本低，寿命长，重量轻，体积小，动态范围大，精度应用覆盖面广，抗电磁干扰，无加速度引起的漂移，结构设计灵活，生产工艺简单，应用范围广。与激光陀螺相比，光纤陀螺无需几千伏的点火电压，无克服“自锁”用的机械抖动装置，无超高精度的光学加工，不必非常严格的气体密封，装配工艺简便，功耗低，可靠性高。总之，光纤陀螺是一种结构简单，潜在成本低，潜在精度最高的新型全固态惯性器件。4光纤陀螺研制及应用状况光纤陀螺应用级别划分级别零偏稳定性(度/小时)标度因数稳定性速率级10~10000.1~1%战术级0.1~1010~1000ppm惯性级0.01<5ppm战略级0.001<1ppm4光纤陀螺研制及应用状况光纤陀螺应用级别划分

速率级光纤陀螺已经产业化，主要应用于机器人、地下建造隧道、管道路径勘测装置和汽车导航等对精度要求不高的场合。日本、法国等国家研制、生产的这种精度的陀螺仪，已大批量应用到民用领域。战术级光纤陀螺具有寿命长、可靠性高和成本低等优点，主要用于战术导弹、近程/中程导弹和商用飞机的姿态对准参考系统中。惯性级、战略级光纤陀螺主要是用于空间定位和潜艇导航，其开发和研制正逐步走向成熟，美国有关公司和研究机构是研制、生产该级别光纤陀螺的佼佼者，如Honeywell、Northrop等公司。4光纤陀螺研制及应用状况光纤陀螺应用领域l

战略导弹系统和潜艇导航应用；l

卫星定向和跟踪；l

天体观测望远镜的稳定和调向；l

各种运载火箭应用；l

舰船、巡航导弹和军、民用飞机的惯性导航；l

光学罗盘及高精度寻北系统；l

战术武器制导与控制系统；l

陆地导航系统(+GPS)；l

姿态／航向基准系统；

l

汽车导航仪、天线／摄像机的稳定、石油钻井定向、机器人控制、各种极限作业的控制装置等工业和民用领域。激光的战略应用全主动式制导

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。ACBC

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。AAAA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。B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，杀伤效果反比碰上炸更好。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、轻小的工程实施提供了方便。比如，室温下半导体激光器为激光引信的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，激光发散最好控制在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、激光遥控引燃引爆

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104kg／cm2。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