脈沖CO2激光測距技術

1、脈沖 CO2 激光測距技術及其在國防領域的應用研究院 系：信息科學與技術系專 業(yè) 班：光信息科學與技術 0803 班姓 名學 號：20081182103指導教師： 2012 年 5 月脈沖 CO2激光測距技術及其在國防領域的應用研究Pulsed CO2 Laser Ranging Technology And Its Application In The Field of National Defense 摘 要脈沖 CO2測距是現(xiàn)代軍事偵察和距離探測中的一項重要技術，因其具有測程遠、精度高、大氣穿透能力強、能實現(xiàn)人眼安全等特點被用于各種測距機，對提高防空、海上作戰(zhàn)，中近程精確打擊及陸上武器攻

2、擊的命中精度方面起關鍵作用。脈沖 CO2測距技術在很多領域具有非常好的應用前景。在國防領域上各個發(fā)展國家都非常重視對脈沖 CO2測距技術的研究工作。對于如何提高脈沖 CO2測距技術的準確性、測距范圍和人眼安全是我們研究的主要方向。而對氣體激光器的保護部分又是脈沖CO2測距技術的重要部分，這也是研究的要素之一。本文首先對脈沖 CO2測距技術進行簡要的介紹，特點與優(yōu)勢、主要應用領域以及脈沖 CO2測距的技術發(fā)展。闡述了開展脈沖 CO2測距技術的必要性及重要性，然后介紹了脈沖 CO2測距技術的工作原理和系統(tǒng)組成。由于測距性能在脈沖 CO2測距技術系統(tǒng)中重要性，本文用了一章的篇幅著重對測距性能進行分析

3、，并提出脈沖CO2測距技術在國防領域中對人眼安全的要求，對脈沖 CO2測距技術中常用的測距性能進行分析比較，最后得出脈沖 CO2測距技術在國防領域的廣泛應用及其發(fā)展前景。本課題設計的重點也就放在脈沖 CO2測距技術的介紹和特點上，以及脈沖 CO2測距技術在國防領域的應用上和發(fā)展前景。本人的主要工作是通過資料和自己的了解詳細介紹脈沖 CO2測距技術及其在國防領域上的應用研究，并暢想其以后的發(fā)展前景。關鍵詞：脈沖 CO2測距 國防領域 測距性能Abstract Pulse CO2 ranging is a key technology of the modern military reconnai

4、ssance and detection , because of its far measurement process ,high precision ,atmosphere through ability ,can realize the human eye safety features be used for a variety of ranging engine ,it play key role to improve the air defense ,marine combat ,short-range precision strikes and land of the prec

5、ision weapons against . The technology has very good application in many fields . In the defense area ,so many development countries have attached great importance to its research work . For how to improve the ranging accuracy of CO2 Pulse technology, human eye safety and ranging range .To protect t

6、he gas laser pulse is part of an important part of the Pulse CO2 ranging technology ,the research of this is also one of the elements of the study .In this paper, first Pulse CO2 ranging technology, including a brief introduction of the characteristics and advantages, restrictions, main application

7、fields and the technological development of Pulse CO2 ranging technology. In Pulse CO2 ranging technology and importance of optical research, and then introduced its system principle and system composition .In part because of pulse laser ranging in Pulse CO2 ranging technology system, this paper use

8、 a the importance of optical the length of chapter on the ranging performance analysis. Put forward the CO2 ranging technology in defense pulse in the field on the ranging of performance requirements ,the pulse CO2 ranging technology used in performance ranging carries on the analysis comparison ,fi

9、nally draw CO2 ranging technology in defense of the field wide application and development prospect . This topic is on the design emphasis of the pulse CO2 ranging technology introduction and features, and its technology in defense of CO2 in the field of application and development prospect . My mai

10、n job is through the material and his understanding of the detailed introduction pulse CO2 ranging technology and its application in the field of research on defense ,and think about the prospects of the development of the future.Key words：Pulse CO2 ranging defense field the ranging performance目 錄摘要

11、IAbstract II緒論11 脈沖 COCO2 2激光測距系統(tǒng)原理與關鍵技術31.1 脈沖 CO2激光測距系統(tǒng)基本原理31.2 脈沖 CO2激光測距系統(tǒng)組成32 脈沖 COCO2 2激光測距系統(tǒng)的工作過程和主要部件分析52.1 脈沖 CO2激光測距系統(tǒng)的工作過程52.2 CO2激光器的結構和輸出特性52.2 1 CO2激光器的結構52.2 2 CO2激光器的輸出特性62.3 CO2激光器的激發(fā)過程63 2KHZ2KHZ 重復頻率緊湊型 TEATEA COCO2 2激光器73.1 TEA CO2激光器的結構和特點73.2 對脈沖放電激勵 TEA CO2激光器的分析 84 測距儀的光電讀數(shù)顯示

12、和影響測距儀的各項因素104.1 測距儀的光電讀數(shù)顯示距離的顯示原理及過程104.2 測量的精度分析104.3 光脈沖對測距儀的影響115 脈沖 COCO2 2 激光測距機的優(yōu)勢和缺陷 125.1 CO2脈沖激光測距機的主要優(yōu)點125.2 CO2脈沖激光測距機存在的不足126 脈沖 COCO2 2激光測距在國防領域的應用136.1 戰(zhàn)術用脈沖激光測距儀測距性能分析136. 2 脈沖 CO2激光測距對人眼的要求136. 3 在國防領域應用的各種脈沖激光測距類型146. 4 脈沖 CO2激光測距的發(fā)展和前景16結論17致謝19參考文獻20 緒 論隨著激光產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,脈沖激光器技術在國防領域的應

13、用已經(jīng)成為一種趨勢，測距是激光在軍事及其民用領域中的基本應用之一。利用激光對目標進行跟蹤和定位在軍事，航天，航空等許多領域都有著重要的意義。激光測距系統(tǒng)由于采用了具有高亮度，單色性好，方向性強的激光光源，在較小尺寸的光學天線情況下可以得到方向性很好的窄光束。目前用于脈沖測距的激光一般采用短脈沖和超短脈沖，出于激光脈沖寬度只有十來納秒，從而可以有效地提高測量的時間分辨率。因此，與無線電定位相比，激光測距具有測距精度高，抗干擾能力強等優(yōu)點。其中CO2脈沖激光測距在軍事領域的應用越來越多。CO2脈沖激光測距機是70年代末和80年代中期發(fā)展起來的新一代人眼安全激光測距機。脈沖CO2激光測距是利用激光脈

14、沖持續(xù)時間極短，能量在時間上相對集中、瞬時功率很大的特點，在有合作目標的情況下，脈沖激光測距可以達到極遠的測程。脈沖CO2激光測距因其更能實現(xiàn)人眼安全的優(yōu)勢，在許多應用領域都有很好的應用前景，得到了極大的關注。近幾年來應用范圍主要是在國防領域的發(fā)展，其技術本身也在不斷的完善中。隨著對人眼安全考慮，CO2脈沖激光測距以其獨特的優(yōu)點受到人們的高度重視。如今CO2脈沖激光測距領域的應用已經(jīng)很普遍，技術也比較成熟，和現(xiàn)行的激光測距相比，CO2脈沖激光測距具有以下優(yōu)勢： （1） 大氣穿透能力優(yōu)于Nd:YAG激光波長，能在較低能見度和戰(zhàn)場煙幕等大氣條件下工作； （2） 能與812m波段的典型熱成像系統(tǒng)兼容

15、并可共用接收光學系統(tǒng)和探測器，能有效的對熱成像儀探測到的絕大多數(shù)目標進行測距； （3） 能實現(xiàn)對人眼安全。如美國斯米爾人眼安全激光測距機，CO2激光測距機發(fā)射人眼安全的10.6m波長的激光； （4） 在煙霧中的傳輸性能好； （5） 與812m熱像儀工作在同一波長，因而兼容性好，敵方探測困難，適合與熱像儀配用。 脈沖激光測距儀作為軍用裝備器材，發(fā)展于60 年代初。經(jīng)過30 多年的開發(fā)、研制和裝備，目前國外已完成了“手持式、腳架式、潛望式、坦克、裝甲、水面艦載、潛艇潛望、高炮、機載、機場測云、導彈和火箭發(fā)射、人造衛(wèi)星、航天器載”等約十三大類400 多個品種和型號，其中裝備量最大的是以 NdYAG

16、為器件的固體脈沖激光測距儀，其次是喇曼頻移 NdYAG 和 Er玻璃以及 CO2脈沖激光測距儀。 CO2激光器目前它是連續(xù)輸出功率較高的一種激光器?，F(xiàn)在應用于工業(yè)加工，醫(yī)療使用，軍事武器，環(huán)境測量等各個領域。CO2激光器是一種能量轉換效率較高和輸出功率較強的氣體激光器。目前準連續(xù)輸出已有400千瓦。微秒級脈沖的能量則達到10千焦，經(jīng)適當聚焦，可以產(chǎn)生1013瓦每平米的功率密度，這些特性使得CO2激光器在眾多領域得到廣泛應用。CO2激光器自1966年提出以來，一直受到極大的關注。由于激光技術中氣動技術的引進，為提高激光器的功率和效率開辟了廣闊前景。該激光器系統(tǒng)無化學毒害和污染，制作簡便，其發(fā)射的

17、波長為10.6um 正處于大氣窗口，可輸出連續(xù)波高功率激光等突出特點，在激光武器的發(fā)展中占有極其重要的地位。激光武器作為一種新概念武器，與傳統(tǒng)常規(guī)武器相比，以其速度快，方向性好，能量密度高，作戰(zhàn)耗費比高等優(yōu)點，成為新世紀武器中的新寵。目前美、法、徳、俄在利用 CO2激光器研制的激光武器，綜述目前氣動 CO2激光武器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 七十年代末國際上開始研究人眼安全激光測距儀。CO2激光測距儀就是研究最早的一種，它在八十年代得到迅速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)比較發(fā)展成熟。CO2激光測距儀克服了 Nd:YAG 激光測距儀的缺點，具有對大氣穿透能力強，能與812m 波段的熱成像系統(tǒng)兼容，對人眼安全等優(yōu)點，因而

18、在軍事上得到廣泛應用。各國均在部隊中大量裝備脈沖 CO2激光測距儀。脈沖 CO2激光測距儀它在大氣中的傳輸性能非常好，特別是對水霧的穿透能力要比一般的脈沖激光器高出兩個數(shù)量級。在陰雨天或者潮濕的條件下，可達到更遠的測程，因而非常適合激光制導和激光測距的應用，特別適合裝備海軍軍艦中。本課題設計的重點也就放在脈沖 CO2測距技術的介紹和特點上，以及脈沖 CO2測距技術在國防領域的應用上和發(fā)展前景。本人的主要工作是通過資料和自己的了解詳細介紹脈沖 CO2測距技術及其在國防領域上的應用研究，并暢想其以后的發(fā)展前景。1 脈沖 CO2激光測距系統(tǒng)原理與關鍵技術1.1 脈沖 CO2激光測距系統(tǒng)基本原理 “脈

19、沖 CO2激光測距（Pulse CO2 Laser Rangefinder Technology） ”激光測距儀一般采用兩種方式來測量距離：脈沖法和相位法。其中脈沖激光測距原理是，用脈沖激光器向目標發(fā)射一列很窄的光脈沖（脈沖寬度小于 50ns）,光達到目標表面后部分被反射，通過測量光脈沖從發(fā)射到返回接收機的時間，就算出測距機與目標之間的距離。 假設所測距離為 h,光脈沖往返時間為 t，光在空中的傳播速度為 c,則：h=ct/2脈沖激光測距機能發(fā)出很強的激光。測距能力很強，即使對非合作目標，最大測距也能達到 3000m 以上。其測距精度一般為 5 米，最高的可達 0.15 米。脈沖激光測距機既可

20、在軍事上用于對各種非合作目標的測距，也可以在氣象上用于測定能見度和云層高度。以及應用在對衛(wèi)星的精密距離測量等領域。1.2 脈沖 CO2激光測距系統(tǒng)組成脈沖 CO2激光測距的系統(tǒng)組成和常規(guī)測距基本相同，一般一個典型的激光測距系統(tǒng)應具備以下四個模塊：激光發(fā)射模塊；激光接收模塊；距離計算與顯示模塊；激光準直與聚焦模塊，脈沖激光測距系統(tǒng)原理框圖如下所示。系統(tǒng)工作時，由發(fā)射單元發(fā)出一束激光，到達待測目標物后漫反射回來，經(jīng)接收單元接收、放大、整形后到距離計算單元計算完畢后顯示目標物距離。 圖 1-1 脈沖激光測距原理框圖在測距點向被測目標發(fā)射一束強窄激光脈沖，光脈沖傳輸?shù)侥繕松弦院?，其中距離計算與單元顯示

21、激發(fā)發(fā)射單元激發(fā)接收單元目 標 物一小部分激光反射回測距點被測距系統(tǒng)光功能接收器所接受。假定光脈沖在發(fā)射點與目標間來回一次所經(jīng)歷的時間間隔為 t，那么被測目標的距離 D 為：D=ct/2 (1.1),式中：c 為激光在大氣中的傳播速度；D 為待測距離；t 為激光在待測距離上的往返時間。 如圖 1-2 所示的脈沖激光測距儀。它主要由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、光電接收系統(tǒng)、門控電路、時鐘脈沖振蕩器以及計數(shù)顯示電路組成。 圖 1-2 激光脈沖測距儀的光學原理圖2 脈沖 CO2激光測距系統(tǒng)的工作過程和主要部件分析 2.1 脈沖 CO2激光測距系統(tǒng)的工作過程脈沖 CO2激光測距系統(tǒng)的工作過程大致如下：首先接通電

22、源，復原電路給出復原信號，使整機復原，準備進行測量；同時觸發(fā)脈沖激光發(fā)生器，產(chǎn)生激光脈沖。該激光脈沖有一小部分能量由參考信號取樣器直接送到接收系統(tǒng)，作為計時的起始點。大部分光脈沖能量射向待測目標，由目標反射回測距儀的光脈沖能量被接收系統(tǒng)接收，這就是回波信號。參考信號和回波信號先后由光電探測器轉換成為電脈沖，并加以放大和整形。整形后的參考信號能觸發(fā)器翻轉，控制計數(shù)器開始對晶格振蕩器發(fā)出的時鐘脈沖進行計數(shù)。整形后的回波信號使觸發(fā)器的輸出翻轉無效，從而使計數(shù)器停止工作。這樣，根據(jù)計數(shù)器的輸出即可計算出待測目標的距離。2.2 CO2激光器的結構和輸出特性 CO2激光器的主要特點是輸出功率大，能量轉換效

23、率高，輸出波長（10.6um） ，廣泛用于激光加工，醫(yī)療，大氣通信及其他軍事應用。 CO2激光器以 CO2，N2 ,He 的混合氣體為工作物質(zhì)，激光躍遷發(fā)生在 CO2分子的電子基層的兩個振動，轉動能級之間。N2 的作用是提高激光上能級的激勵效率，有助于激光下能級的抽空。2.2.1 COCO2 2激光器的結構圖 2-1 封離式 CO2激光器結構示意圖 圖 2-1 是一種典型的結構示意圖，構成 CO2激光器諧振腔的兩個反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。2.2.2 CO2激光器的輸出特性 （1） 放電特性 相應于 CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個最佳

24、值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關。實驗指出：隨著管徑增大，最佳放電電流也增大。例如：管徑為 2030um 時，最佳放電電流為 3050mA； 管徑為 5090um 時，最佳放電電流為 120150mA。 （2） 溫度效應CO2激光器的轉換效率是很高的，但最高也不會超過 40%，這就是說，將有 60%以上的能量轉換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫度的升高，將引起激光上能級的消激發(fā)和激光下能級的熱激發(fā)，這都會使粒子的反轉數(shù)減少。并且，氣體溫度的升高，將使譜線展寬，導致增益系數(shù)下降。特別是，氣體溫度的升高，還將引起CO2分子的分解，降低放電管內(nèi)的 CO2

25、分子濃度。2.3 CO2激光器的激發(fā)過程CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關的 CO2分子能級圖（5-2）所示。CO2激光器中，通過以下三個過程將 CO2分子激發(fā)到 0001 能級。 圖 2-1 與產(chǎn)生激光有關的 CO2分子能級圖1.直接電子碰撞電子與基態(tài)（0001）CO2分子碰撞使其激發(fā)到激光上能級。2.級聯(lián)躍遷電子與基態(tài) CO2分子碰撞使其躍遷到 000n 能級，基態(tài) CO2分子與高能量 CO2分子碰撞后躍遷到激光上能級。3.共振轉移由于 N2分子（V-0）能級和電子碰撞后躍遷到（V-1）的振動能級。這是一個壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)能級，因而可積累較多的 N2分子，基態(tài) CO2分子與亞穩(wěn)態(tài) N2分子發(fā)生非

26、彈性碰撞并躍遷到激發(fā)上能級。在以上三種激發(fā)過程中，共振轉移的幾率最大，作用也最顯著。 3 2KHz 重復頻率緊湊型 TEA CO2激光器 3.1 TEA CO2激光器的結構和特點 TEA CO2激光器具有高峰值功率和高重復頻率輸出的特點。但因為由真空密封腔系統(tǒng)、諧振腔系統(tǒng)、氣體高速循環(huán)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等多部分組成，結構復雜，激光頭體積較大。同時受循環(huán)氣體風速的影響，小型高重復頻率 TEA CO2激光器的頻率大多在幾十到幾百赫茲左右，南非 Wouter Kiopper 等人曾報道過重復頻率為1kHz 的穩(wěn)定運轉的 TEA CO2激光器，是目前公開報道的重復頻率最高的橫向激勵大氣壓 CO2激光器。

27、采用大功率風機，提高氣體高速循環(huán)系統(tǒng)的風速是獲得高重復頻率 TEA CO2激光脈沖輸出最直接有效地手段，但這同時又勢必會增加激光頭的體積，影響到激光器的應用領域。該激光器外型尺寸小，采用小型風機渦輪增壓技術，最高循環(huán)風速可達到 100m/s 以上，并以此為基礎，獲得單脈沖能量 15mJ，輸出脈沖寬度為 60ns,重復頻率為 2kHz 的穩(wěn)定激光脈沖輸出。該 CO2激光器工作介質(zhì)為 CO2、N2 、He 的混合氣體，工作氣壓為 100kpa ,激光器采用紫外電暈預電離結構，放電方向與光軸方向垂直。激光腔外殼材料為不銹鋼，其中主要放置主要放電電極、預電離電極、渦輪增壓風機以及熱交換系統(tǒng)等。電極采用

28、 Ernst 緊湊型電極，以獲得優(yōu)良的電場均勻性。預電離采用石英管紫外電暈預電離，在主放電前，預電離放電后，主電極間部分氣體被電離，電極間阻抗下降，主放電輝光放電，均勻穩(wěn)定。主放電電極間距 10mm,電極寬度 10mm ，電極長度 120mm，工作氣體放電增益體積為 12x103mm3 。激光諧振腔為平凹腔，由一個曲率半徑為 4m 的全反鏡和部分透射的平面輸出鏡構成一個穩(wěn)定諧振腔?？紤]到腔內(nèi)的激光輸出的增益較低，輸出鏡采用雙面鍍膜工藝，腔內(nèi)測渡對中心波長為10.6um， 反射率為 60%的膜層，外側鍍對中心波長為 10.6um 的增透膜。 如下圖 3-1 所示，激光器系統(tǒng)由激光頭、高壓電源、脈

29、沖形成單元、脈沖觸發(fā)電路和觸發(fā)信號源等幾部分組成。圖 3-1 2kHz 緊湊型 TEA CO2激光器系統(tǒng)框圖當渦輪增壓風機開啟后，激光頭內(nèi)氣流由風機出口高速噴出，流經(jīng)主電極。高壓電源開啟，將脈沖形成單元內(nèi)存儲能電容迅速充至設定電壓。低電平觸發(fā)信號經(jīng)觸發(fā)電路升壓至 2kV，觸發(fā)閘流管導通，當閘流管被觸發(fā)導通瞬間，預電離電容感應出高壓，由于陰極與預電離之間間隙很小，首先放電產(chǎn)生紫外電暈。在紫外電暈與電力的作用下，主電極間電子迅速增加，當電子密度達到一定程度時，主電極間氣體輝光放電，形成均勻激勵場。激光脈沖在諧振腔內(nèi)震蕩輸出。其脈沖重復頻率由作為信號源的信號發(fā)生器控制，連續(xù)可調(diào)，最大輸出脈沖信號頻率

30、為 300kHz。3.2 對脈沖放電激勵的 TEA CO2激光器分析 作為高氣壓為 CO2激光器，其氣體比例及壓強存在一個最佳值，當總氣壓超過最佳值后，會出現(xiàn)氣體不易放電或局部區(qū)域弧光放電的現(xiàn)象，導致輸出激光脈沖能量下降。根據(jù)氣體比例實驗的結果，該激光器件工作介質(zhì)由 CO2、N2 、He 的 3 種混合氣體組成。激光器輸入能量由儲能電容量和充電電壓確定。激光器的輸出能量與激勵電壓呈線性增加的關系，激勵電壓越高，輸出能量越大，曲線并未呈現(xiàn)飽和。但在激光器的電極結構與工作介質(zhì)條件一定時，激光器最大注入能量是一定的。注入能量太低，激勵能量不夠，注入能量過大，容易導致收縮電弧的形成，破壞放電電場的均勻

31、性，激光輸出能量下降。在 18kV 激勵電壓條件下，主電極間注入能量密度為 2.7x10-5J.mm-3,電光轉化效率約為 4。觸發(fā)電路脈沖發(fā)生器高壓電源信號源激光頭渦輪風機 脈沖放電激勵的 TEA CO2激光器的增益開關效應，腔內(nèi)迅速建立而形成光脈沖的輸出具有較窄的脈沖寬度，通常這一寬度大約在 200ns 左右。而該激光器的腔內(nèi)氣壓為 100kPa ，較高的氣壓使得參與激勵的氣體分子增多，使上下能級粒子反轉密度增大，加快了上下能級粒子弛豫速率，縮短了能級壽命，因而激光脈沖寬度僅為 60ns。脈沖放電激勵的 TEA CO2激光器是通過電子對 CO2分子的串級激發(fā)實現(xiàn)增益放大的，即先激發(fā)到高能級

32、 CO2，然后經(jīng)過多次碰撞在 0001 能級積聚，當激活介質(zhì)的增益逐漸增大以致超出損耗時，在腔內(nèi)迅速建立震蕩，輸出激光。這一能量的交換過程需要一定的時間，通常這一時間需要 12us ，加之對于含 N2器件而言，因為 N2分子激發(fā) CO2時其能量轉移速率較慢，激光脈沖建立的時間會更長一些，大約34us 之間。相對于 2kHz 的激光脈沖重復頻率間隔時間 500us，激光脈沖的建立時間是充裕的。當處于放電區(qū)的工作介質(zhì)達到足夠的清洗速率，激光器則可以獲得穩(wěn)定的高重復頻率的脈沖輸出。在激光器脈沖重復頻率低于 500Hz 運轉時，激光脈沖輸出能量是基本穩(wěn)定的，而當大于 500Hz 時，激光脈沖能量呈現(xiàn)一

33、定的下降趨勢。初步分析可能是由于重復頻率的增加，增益區(qū)粒子溫度上升，反轉粒子數(shù)下降所導致。此外，長時間氣體放電引起的 CO2分子分解也會導致能量的下降，因此在激光混合氣中適當加入還原性氣體比例以延長激光增益介質(zhì)的壽命，是該類型激光器長效穩(wěn)定運轉的關鍵。 在緊湊型橫向激勵大氣壓 CO2激光器中，采用小型風機渦輪增壓技術，最高循環(huán)風速可達 100m/s 以上，并以此為基礎，獲得單脈沖能量 15mJ,輸出脈沖寬度為60ns，重復頻率為 2kHz 的穩(wěn)定激光脈沖輸出。 4 測距儀的光電讀數(shù)顯示和影響測距儀的各項因素 4.1 測距儀的光電讀數(shù)顯示距離的顯示原理及過程 圖 4-1 光電讀數(shù)顯示脈沖測距中脈

34、沖在測距上的往返時間極短，所以通常用記錄高頻振蕩的晶體的振動次數(shù)進行計時。圖 4-1 所示為這種設備的原理方框圖。當發(fā)射的參考光脈沖進入接收器并轉換成電脈沖后，輸入圖 4-1 中的“主門”（主門電路），同時將主門打開。此時由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的電脈沖經(jīng)過主門而進入計數(shù)器，計數(shù)器開始計數(shù)，同時數(shù)碼顯示器不斷地指示出計數(shù)器所記錄的電脈沖數(shù)。等到反射光脈沖信號進入接收器并轉變成電脈沖輸入主門時，主門立即關閉，石英晶體振蕩器所產(chǎn)生的電脈沖信號不能再進入計數(shù)器，計數(shù)器停止計數(shù)。在顯示器上顯示出的數(shù)字就是光脈沖從發(fā)出到返回這段時間里振蕩器所產(chǎn)生的電脈沖數(shù)。根據(jù)公式(1.1)就可以得到距離。4.2 測量的精

35、度分析激光脈沖測距儀的測距精度大多為“米”數(shù)量級，適用于軍事及工程測量中精度要求不太高的某些項目。遠距離的空間測量也都利用激光脈沖法測距，因為對于遙遠空間來說，測量誤差在“米”數(shù)量級，精度已經(jīng)很高了。測距儀的分辨力 PL取決于計數(shù)脈沖的頻率，由公式（1.1）可知：f0=c/2PL ,其中 f0為計數(shù)脈沖的頻率，可知若要求測距儀的分辨力為 PL=1m，則要求計數(shù)脈沖的頻率為 150MHz，由于技術脈沖的頻率不能無限制提高，脈沖測距儀脈沖信號輸入主門計數(shù)器顯示器晶體振蕩器的分辨力一般較低，通常為數(shù)米量級。公式 L=tc/2 + ct/2，光速 c 的精度c 取決于大氣折射率 n 的測定，由 n 值

36、的測量誤差而帶來的誤差為 10-6。所以，對短距離脈沖激光測距儀來說，測距精度主要取決于時間 t 的測量精度 t。影響t 的因素很多，如激光的脈寬、反射器和接收系統(tǒng)對脈沖的展寬、測量電路對脈沖信號的響應延遲等。4.2 光脈沖對測距儀的影響為了擴大測量范圍，提高測量精度，測距儀對光脈沖應有以下要求： （1） 光脈沖應有足夠的強度 無論怎樣改善光束的方向性，它總不可避免地要有一定的發(fā)散，再加上空氣對光線的吸收和散射，所以目標越遠，反射回來的光線就越弱，甚至根本接收不到。為了測出較遠的距離，就要使光源能發(fā)射出較高功率密度的光強。 （2） 光脈沖的方向性要好 這有兩個作用，一方面可把光的能量集中在較小

37、的立體角內(nèi)，在保證射得更遠的同時提高保密性；另一方面可以準確的判斷目標的方位。 （3） 光脈沖的單色性要好因為無論是白天還是黑夜，空中總會存在著各種雜散光線，這些光線往往會比反射回來的光信號要強得多。假如這些雜散光的光信號一起進入接收系統(tǒng)，那就根本無法進行測量了。因此，加入一個濾光片，只允許光信號中的單色光通過而不讓其他頻率的雜散光通過。顯然，光脈沖的單色性越好，濾光片的濾光效果也就越好，這樣就越能有效地提高接收系統(tǒng)的信噪比，保證測量的精確性。 （4） 光脈沖的寬度要窄所謂光脈沖的寬度，是指閃光從“發(fā)生”到“熄滅”之間的時間間隔。光脈沖的寬度窄一點，可以避免反射回來的光和發(fā)射出去的光產(chǎn)生重疊。

38、另外在測距儀其他因素一定時，激光發(fā)散角越大，測距本領就會降低，因此應盡量減小發(fā)散角。5 脈沖 CO2激光測距機的優(yōu)勢和缺陷 5.1 CO2脈沖激光測距機的主要優(yōu)點（1） 傳輸能力強。CO2脈沖激光測距機的工作波長是 10.59m ,該波長正好位于 814m 的遠紅外線大氣窗口，故其大氣傳輸性能好，透過大氣霧和戰(zhàn)場煙塵的能力強，能見度對其影響很小。（2） 對人眼安全。中小功率的 CO2脈沖激光器的 10.59m 波長遠離眼睛的透射波長，它由角膜吸收，不損傷視網(wǎng)膜，因而不會損傷或致盲受到照射的人眼，在訓練與演習中不受安全性的限制，不必配帶防護鏡和在儀器內(nèi)加裝防護濾光片。（3） 與熱像儀（工作波長）

39、812m 兼容性好。CO2脈沖激光機與熱像儀可以共用光學系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、接收機和電源，從而使組合系統(tǒng)結構緊湊，體積縮小，重量減輕，成本降低。此外，它們在性能上也相容。（4） 效率高。Nd：YAG 效率一般為 13%，最高不超過 5%,而 CO2激光器的效率一般為 1020%，高的可達 25%,從而可減少整機的重量和體積。目前，世界上戰(zhàn)技性能先進的主戰(zhàn)坦克，已裝備了 CO2激光測距機。如美國的 MIA1 MIA2 韓國的88 式，英國的“挑戰(zhàn)者”2 等等，CO2坦克激光測距機的良好性能在海灣戰(zhàn)爭中得到了充分的驗證，可以預測，CO2激光測距機將和 Nd：YAG 激光測距機一起，成為軍用激光測距領域

40、的主要裝備。5.2 CO2脈沖激光測距機存在的不足 CO2激光測距機同樣存在制約其發(fā)展的若干因素，主要包括： （1） 10.6um 的 CO2激光波長極易被水分子吸收衰減，在大氣中含水蒸氣密度大的晴天和潮濕條件下，限制了它的最大測距能力，特別是雨天和目標被冰雪覆蓋時，目標呈現(xiàn)多鏡面對稱反射，對 CO2激光波長測距不利。 （2） 10.6um 的 CO2激光波長的反射率較低，對戰(zhàn)術目標的反射系數(shù)低于1.54、1.06、和 0.69um 的激光波長。6 脈沖 CO2激光測距在國防領域的應用 6.1 戰(zhàn)術用脈沖激光測距儀測距性能分析戰(zhàn)術用直接探測接收器的脈沖激光測距儀，測距波長目前可用 0.53um

41、 ,0.69um ,0.80.85um ,1.06um , 1.54um ,2.8um ,5.3um ,10.6um 等 8 個波段。而多數(shù)應用中 1.06um 的 Nd:YAG、1.54um 的喇曼頻移 NdYAG 和 Er玻璃、10.6um 的 CO2等 3 個波段四大類脈沖激光測距儀。表 6-1 典型軍用脈沖 CO2激光測距系統(tǒng)的性能參數(shù)測距波長（um）激光器類型激發(fā)方式脈沖能量（J）脈沖寬度 （ns） 重復頻率（Hz）不制冷重復頻率（Hz）制冷典型人眼安全分 級探測器類型NEP(nW)10.59氣體電釋放0.0110020100100二級安全制冷InGaAs-APD或 PIN215目前

42、，國內(nèi)文獻中測距方程大都用常用公式計算。脈沖激光測距儀在復雜環(huán)境下采用信噪比（SNR）對不同目標進行測距性能分析，具有以下優(yōu)點:（1） 能用于戰(zhàn)術火控系統(tǒng)；（2） 可在已知虛警率條件下用 SNR 計算測距概率；（3） 在消光比測試中用 SNR 計算靈敏度；脈沖激光測距儀用 SNR 分析和計算。 6.2 脈沖 CO2激光測距對人眼的要求 脈沖激光測距以其測程遠。測距精度高、不需要合作目標等優(yōu)點獲得了廣泛的應用。大地的測量測繪、對遠距離目標的精確打擊，很多都是激光測距技術應用的杰作。隨著科學技術的進步，激光測距技術向人眼安全、精度更高方向發(fā)展。大多數(shù)激光測距機可能對人眼有危害。過去 30 年中，研

43、究人員一直在從事激光破壞機理的研究。國標 GB/T7247-1995 明確規(guī)定激光產(chǎn)品的輻射安全、設備分類，要求及用戶指南；軍標 GJB470A-97 專門規(guī)定了對軍用激光器的要求和防護標準。人眼的前部對于 0.41.4um 波段光具有很高的透明度和折射力。所以，在這一波段的激光能量可以到達視網(wǎng)膜并在能量（或功率）密度達到一定值，會造成人眼暫時的甚至永久性的損傷。美國聯(lián)邦法規(guī)為各種類型激光器所規(guī)定的額定目視危險距離（Nohd）即激光束的能量（或功率）密度達到不會對人眼造成危害的距離是：激光目標指示器，裸視時 1020 公里，借助于光學觀察儀時 4050 公里；軍用激光測距儀的 Nohd 一般為

44、 510 公里。在兩伊戰(zhàn)爭期間曾有關于視網(wǎng)膜灼傷和視網(wǎng)膜出血等激光器對人眼損傷事例的報道。1990 年 8 月美國的一份關于伊拉克生物、化學和激光能力的情報報告指出：“所報道的人眼損傷可能是由工作在可見光或近紅外波段的激光器造成的，最有可能是安裝在坦克上的紅寶石激光測距機”。通過對其的總體評估，激光對人眼的傷害可能是使用坦克上的激光測距機或其它激光系統(tǒng)的結果。這些系統(tǒng)可能是以一種反人員的進攻性方式使用的，其目的顯然是為了使敵方部隊致盲。裝甲兵或炮兵所配置的手持式激光測距機和目標指示器可能被用于使低空飛行飛機（固定翼或旋翼機）中的人員眩暈、迷失方向或致盲的目的。CO2激光器用于人眼安全測距機已于

45、 1990 年擬定在美國 M1A2 型坦克設備,依據(jù) ANSI 標準 TB-MED-279 提供了 10.6um 輻射，1Hz 重復脈沖 10mj/cm2 輸出脈沖強度來保證對人眼的安全性。測距機實測輸出強度在 2.5mj4.5mj/cm2 之間，足以保證對人眼無害。它采用帶冷卻系統(tǒng)的 HgCdTe 紅外探測器，最大測距范圍5700 米。信息產(chǎn)業(yè)部電子 27 所等單位有測程為 10Km ,精度 5m ,重頻 20Hz 的 CO2激光測距機。6.3 在國防領域應用的各種脈沖激光測距類型 （1） 輕型便攜式脈沖激光測距儀 輕型便攜式脈沖激光測距儀包括步兵和炮兵偵察用的手持式以及前沿偵察和前沿對空控

46、制(FAC)雙用途的激光測距儀目標指示器。 對上述用途的系統(tǒng)，要求機動靈活、重復輕、體積小、用電池組作電源、可靠性和維修性高以及單一產(chǎn)品的成本低等。 （2） 地面車載脈沖激光測距儀地面車載脈沖激光測距儀包括坦克、步兵戰(zhàn)車(IFV)、火控、對空防御、火炮或導彈制導火控以及目前發(fā)展的地面車載激光測距儀目標指示器等。其主要技術性能：最大測程410km，測距精度510m，目標分辨約 20m，重復頻率 0.11Hz，束散角 0.41mrad。 （3） 對空火炮和導彈防御脈沖激光測距儀 對空防御的脈沖激光測距儀以及采用了自保護措施的步兵戰(zhàn)車對空防御脈沖激光測距儀均應按火控系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)的要求工作， 在距離

47、和距離速率以內(nèi)對空中高速機動目標提供 穩(wěn)定的跟蹤信息和距離信息， 以對抗武裝直升機、隱身飛機和巡航導彈、反輻射導彈的威脅。 （4） 機載脈沖激光測距儀 機載脈沖激光測距儀可以用來裝備武裝直升機的導彈指令制導和裝備固定翼飛機， 用于封鎖支援的光電飛行器等目標以及攔截飛機和導彈的攻擊。 這些典型應用一般采用 1.06m 的 NdYAG 激光測距儀并具有激光測距和目標指示的能力， 或者采用 1.54m 波長的人眼安 全喇曼頻移 NdYAG 脈沖激光測距儀_目標指示器等，以保護機載系統(tǒng)完成作戰(zhàn)任務或主動 攻擊空中的光電目標。 （5） 艦載脈沖激光測距儀 艦載脈沖激光測距儀的發(fā)展在輕型便攜式、車載和對空

48、防御激光測距儀之后，它包括水面艦載和潛艇潛望兩大類。目前大量用來裝備常規(guī)火控和對空防御的海軍艦只，如掩護艦載飛機回收和與紅外熱成像、電視等組成跟蹤系統(tǒng)，全天 候監(jiān)視和跟蹤空中目標等獨特的艦上應用正在出現(xiàn)，其應用前景相當廣泛。6.4 脈沖 CO2激光測距的發(fā)展和前景激光測距機是激光技術在軍事領域應用的成功典范。由于具有良好的方向性和單色性，所以與微波等其他測距方法相 比 ，激光測距具有方向性好，測距精度高，測程遠，抗干擾能力，強隱蔽性好等優(yōu)點，并因此在軍事領域得到了廣泛應用。而其中脈沖 CO2激光測距的應用領域也是越來越寬廣，比如， 地形測量、 戰(zhàn)術前沿測距、 導彈運行軌道跟蹤以及人造衛(wèi)星、 地

49、球到月亮距離的測量等。 脈沖激光測距法是利用激光脈沖持續(xù)時間非常短， 能量相對集中， 瞬時功率很大 （可達幾兆瓦） 的特點， 在有合作目標的情況下， 脈沖 CO2激光測距可以達到極遠的測程； 如果只是利用被測目標對脈沖激光的漫反射所取得的微弱反射信號， 也是可以測距的。脈沖式測距方法結構簡單，信號易于處理，并且易于實現(xiàn)實時測量，具有測程長的優(yōu)點， 因此發(fā)展?jié)摿艽?因而脈沖激光測距法應用較多。結 論CO2脈沖激光測距機是 20 世紀 80 年代主要針對 1.06um 的 Nd：YAG 激光測距儀的缺點發(fā)展起來的新一代人眼安全激光測距機。脈沖 CO2測距技術是現(xiàn)代軍事偵察技術和距離探測設備中的一

50、項重要技術，因其具有測程遠、精度高、大氣穿透能力強、能實現(xiàn)對人眼安全等特點被用于各種測距機，對提高防空、海上作戰(zhàn)，中近程精確打擊及陸上武器的攻擊的命中精度方面起關鍵作用。脈沖 CO2測距技術在很多領域具有非常好的應用前景。對于如何提高脈沖 CO2測距技術的準確性、測距范圍和人眼安全是我們研究的主要方向。而激光測距的性能又是脈沖 CO2測距技術的重要部分。通過對脈沖 CO2測距技術進行簡要的介紹，特點與優(yōu)勢、主要應用領域以及脈沖 CO2測距的技術發(fā)展。闡述了開展脈沖 CO2測距技術的必要性及重要性，然后介紹了脈沖 CO2測距技術的工作原理和系統(tǒng)組成。由于測距性能在脈沖 CO2測距技術系統(tǒng)中重要性

51、，對測距性能進行分析，提出脈沖 CO2測距技術在國防領域中對測距性能的要求，對脈沖 CO2測距技術中常用的測距性能進行分析比較，最后得出脈沖CO2測距技術在國防領域的廣泛應用及其發(fā)展前景。（1) 在查閱大量文獻的基礎上，綜述了脈沖 CO2激光測距的特點，并和其它測距方式進行了比較；介紹了國內(nèi)外在脈沖 CO2激光測距方面的研究概況及發(fā)展狀態(tài)。（2) 通過對脈沖 CO2激光測距的系統(tǒng)原理和工作過程的分析，了解到脈沖CO2激測距的關鍵技術。（3) 通過國防領域對各種測距提出的要求可看出，脈沖 CO2激測距是使用最安全測距也比較精確的一種測距方式。（4) 通過上網(wǎng)查資料了解課題的國內(nèi)外發(fā)展狀況，了解到

52、脈沖激光測距具有很多的優(yōu)點，且主要應用于軍事方面，通過翻看相關書籍構思設計方案的主要內(nèi)容，在內(nèi)容上我主要闡述了各種不同的脈沖激光測距儀在軍事上的應用，并對其進行了比較，然后通過上網(wǎng)和各種書籍了解到脈沖激光測距的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展前景。本文旨在對脈沖 CO2激光測距技術及其在國防領域應用的研究。通過對脈沖CO2激光測距技術的介紹可以知道：典型的脈沖激光測距系統(tǒng)都是由激光發(fā)射模塊；激光接收模塊；距離計算與顯示模塊；激光準直與聚焦模塊最基本的四部分組成的。通過網(wǎng)上資料的學習進一步了解目前脈沖 CO2激光測距的動態(tài)以及測距過程中存在的缺點和不足。另外，脈沖 CO2激光測距大部分是應用在國防領域，在國

53、防領域的研究中，通過進一步的分析和調(diào)查，讓我了解到各種影響其測距性能的各個因素。由于脈沖 CO2激光測距能確保人眼的安全，因此現(xiàn)在多采用這一類測距方式。但由于脈沖 CO2激光測距還存在一些不足，在實際國防領域應用中對精確度的要求又很高，所以這些都還有待進一步的研究。以后還需要在以下方面做進一步的探討研究： （1） CO2激光測距系統(tǒng)太過于復雜性和成本偏高，使得 CO2激光測距機難以手持使用。因而，CO2激光測距機的發(fā)展方向是減小體積和重量、降低成本、與熱像儀合一。 （2） 10.6um 的 CO2激光波長極易被水分子吸收衰減，在大氣中含水蒸氣密度大的晴天和潮濕條件下，限制了它的最大測距能力，特別是雨天和目標被冰雪覆蓋時，目標呈現(xiàn)多鏡面對稱反射，對 CO2激光波長測距不利。 （3） 10.6um 的 CO2激光波長的反射率較低，對戰(zhàn)術目標的反射系數(shù)低于1.54、1.06、和 0.69um 的激光波長。 （4） 探測 CO2激光需要制冷的 HgCdTe 器件，這些器