军事激光技术综述和应用

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1、军事激光技术综述和应用 1 军事激光技术综述 2 目录 3 激光在军事技术领域的应用概述 1 激光的特点 单色性好 相干性好 方向性好 亮度高 2 应用激光技术的军事领域目前激光主要用于侦测 导航 制导 通信 模 显示 信息处理和光电对抗等方面 3 军事激光设备激光测距仪 激光雷达 激光瞄准具 激光制导弹 激光陀螺 激光致盲武器等 4 激光在军事技术领域的应用概述 激光测距仪 激光雷达 激光制导弹 5 激光测距技术 激光由于亮度高 单色性和方向性好 是人们早就渴望得到的理想测距光源 在激光出现后不到一年的时间里就被用于测距 激光测距是激光最早 应用最成熟的领域 发展历程 1961年 第一套激光

2、测距系统出现 1969年 激光测距开始应用到军事上 目前 各国已有几百个型号的激光测距装备投入使用 测距精度已发展到第四代 即毫米级 亚毫米级 激光器的种类医进展到人眼安全固体激光器和二氧化碳激光器 20世纪80年代 我国开始了常规兵器领域激光测距仪的研制 研制的舰载火炮激光测距仪 安装在光电跟踪仪上 主要用于测量低空或超低空飞行目标 对掠海导弹的激光测量距离达到7km 对歼击机的最远测量距离超过20km 6 激光测距技术 激光测距与雷达测距在原理上是完全相同的 在测距点向被测的目标发射一束短而强的激光脉冲 光脉冲发射到目标上后其中一部分激光反射回测距点被接收器所接收 假定光脉冲在发射点与目标

3、间来回一次的时间间隔为t 那么被测目标的距离是 当不考虑大气中光速的微小变化时 测距精度主要由测时精度确定 即 主要利用激光方向性好的特点 7 激光测距技术 1 1脉冲式激光测距仪的基本组成方框图 8 01 激光发射装置 发射峰值功率高 光束发散角小的激光脉冲 使其经发射光学系统进一步准直后 射向被测目标 02 接收装置 接收装置是接收从被测目标反射回来的微弱脉冲信号 经接收光学系统聚焦或缩小光束截面后 照在光电探测器的光敏面上 使光信号变为电信号并经放大器放大 推动信息处理装置里的计数显示部分工作 03 信息处理装置 测量脉冲从测距仪到被测目标往返一次的时间t 并显示出准确的距离 激光测距技

4、术 9 激光测距技术 激光器要有高重复率 高输出功率 要考虑诸如转换效率 输出功率 光速发散度等因素 不同平台的应用还需要权衡激光器体积 重量 制冷 寿命 维护等因素 目前军用脉冲激光测距仪主要采用红宝石 Nd YAG 二氧化碳 喇曼频移Nd YAG和Er 玻璃等脉冲激光器 红宝石脉冲激光器测距仪是第一代军用激光测距仪 但由于工作波长属于红光 极易暴露 加上对人眼极不安全 目前除小数应用已淘汰 Nd YAG脉冲激光器测距仪是第二代军用测距仪 隐秘性强 效率高于红宝石激光测距仪 但对人眼有伤害 目前仍有较广泛的应用 二氧化碳激光器为第三代激光器测距仪 主要优点是穿透能力强 兼容性强 对人眼安全

5、目前双包层光纤激光器 工作波长1微米 取得重大进展 效率极高 可适应地基 空基 天基等平台 激光器 10 激光测距技术 微弱信号检测技术 微弱信号检测技术是采用电子学 信息论 计算机及物理学的方法 分析噪声产生的原因和规律 研究被测信号的特点及相关性 检测被噪声淹没的微弱信号 常见的有相关检测技术 匹配滤波技术 小波变换 统计检测技术等 时刻鉴别技术 飞行时间间隔测量技术 虚警抑制技术 激光测距机在接受回波信号时 不可避免地会引入背景杂散光等干扰 它们的存在使得测距机接收信号的信噪比恶化 产生虚警 常见的抑制技术有 距离选通技术 背景辐射自动补偿 信号累积技术 11 激光测距技术 多脉冲体制激

6、光测距技术 现有的激光测距大多采用单脉冲激光测距体制 测距能力的提高主要依赖提高激光功率 减少激光发散角 增大接收口径等 而多脉冲激光测距时可发射一个激光脉冲串 12 激光测距技术 混沌激光测距技术 激光测距技术中提高测距精度和测距距离是很重要的一个方面 激光器的不稳定性是一个普遍现象 二混沌是激光器不稳定性的一个重要特例 可以利用混沌激光来实现多目标的远距离和高精度测距 混沌激光测距是利用混沌激光的类噪声特性 其相关曲线类似于 函数的线型 最大测程与精度与混沌激光的自相关特性密切相关 HWPI HWP2一半波片 PBSI PBS2一偏振相关分束器 01一光隔离器 PDL PD2一光电探测器

7、A一放大器 DL一可变电延迟线 混沌激光测距示意图 13 激光测距技术 混沌激光测距技术工作原理 图中外部反射镜 Minor 将一部分激光反射并注人到半导体激光器 LD 有源区中 实现光反馈 LD和反射镜构成一个非线性动力学系统 其输出状态由反馈光的强度和相位决定 反馈光的强度可通过旋转半波片相对于偏振相关分朿器的角度来调节 反馈光相位的控制由压电陶瓷晶体改变反射镜的位置来实现 产生的混沌激光被分为两朿 分别作为探测光和参考光 前者直接射向目标并被反射回来 参考光与反射回来的探测光由两个型号相同的探测器接收 其波形和频谱分别由实时示波器和频谱分析仪检测 将检测到的数据结果输人计算机进行运算 可

8、得到两者的互相关曲线 通过半波片和偏振相关分束器调节探测光和参考光的功率比 可获得最佳探测光功率 混沌光可以实现与距离无关的远距离测量 精度可达到毫米量级 14 激光雷达 激光雷达是利用激光光波探测目标位置的光电设备 激光雷达可用来进行通常由微波雷达系统进行的一些测量 其中包括测距 角跟踪 目标速度测量及活动目标指示 国际国际导弹技术控制法明确指出 激光雷达系统将激光用于回波测距 定向 并通过位置 径向速度及物体反射特性识别目标 体现了特殊的发射 扫描 接收和信号处理技术 15 1 2 5 4 火控激光雷达 包括防空武器火控 地面作战武器火控 空地攻击武器火控等 靶场测量激光雷达 用于测量导弹

9、发射初始阶段弹道和低空目标飞行轨迹测量 3 激光雷达 激光引导雷达 包括航天器交会 对接和巡航导弹地形和障碍物回避 跟踪识别激光雷达 包括导弹制导 空中侦察 敌我目标识别 机载远程预警等 大气测量激光雷达 包括测量大气的能见度 测量云层的高度 测量风速等 16 激光雷达 激光雷达组成框图 17 激光雷达 1 激光发射器 激光是雷达的信息载体 通过它探测目标的特征信息 激光器是激光发射源 根据不同雷达的用途采用不同的激光源 2 光学系统 发射光学系统又称发射望远镜 作用是将来自激光器的激光束发射角压缩 使远处的激光能量密度增大 接收光学系统又称接收望远镜其作用接收来自目标反射的激光信号 并将其反

10、射到激光探测器的光敏面上 3 光电探测器 将光信号转换成电信号 18 激光雷达 4 信息处理系统 主要功能是对光电探测器探测到的信号进行处理 并提取出包括目标距离 角脱靶量 速度和图像在内的目标信息参数 5 跟踪瞄准系统 简称跟瞄系统 包括放置激光收发系统的跟踪架 伺服系统和其他辅助的捕获 跟踪设备 6 角度传感器 由角码盘和解码 读出电路组成 角码盘与跟踪架的转轴刚性连接 分别与方位轴和俯仰轴相连的两个角度传感器给出跟踪架方位和俯仰的精确角位置 19 激光雷达 1 激光测距原理 脉冲激光测距原理在测距地点向被测目标发射一束短而强的激光脉冲设光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为t

11、则被测目标的距离为 相位激光测距原理用连续调制的激光光束照射被测目标 通过测量被调制的激光在激光测距机与目标之间往返传播的相位变化 间接求出飞行时间间隔 进而求出待测距离 即 f为调制频率 为相位差 N为飞行时间间隔内激光传播的整周期数 20 激光雷达 2 激光测速原理 通过目标相邻两次测量的距离差除以重复频率得到目标对测量站的距离变化速率 再由所测量得到的角度变化率求出目标速度 即 多普勒测速法通过测量运动物体引起的对入射激光频率的偏移量 多普勒效应 来计算目标的运动速度 即 频率为的单色光作用到以速度v运动的散射物体上 被物体散射的光波频率会产生附加的频率偏移 称作多普勒频移 21 激光雷

12、达 3 激光测角原理 四象限跟踪测角四象限跟踪测角的基本原理如下图所示 四象限管作为接收元件 激光回波信号经过光学系统在四象限管上形成圆形光斑 圆形光斑在四象限管上的位置反映了系统的跟踪情况 当系统的瞄准轴对准目标时 光斑中心和四象限管的中心重合 此时四个象限接收到的光能量相等当瞄准轴偏离目标时 光斑中心也偏离四象限管的中心 此时四个象限收到的能量是不相同的 跟踪头将根据四个象限能量的大小经和差运算 给出方位 高低的误差电压驱动转台的伺服机构 来实现自动跟踪 22 激光雷达 3 激光测角原理 成像跟踪角测量对探测区域一定范围内进行扫描 建立成像视场内每一点的强度 距离等信息 经过图像处理 找出

13、目标及其位置 从而实现对目标的距离 角度等参数的测量 4 激光成像原理 扫描成像采用高重复频率激光脉冲对目标逐点扫描照射 在接收每个脉冲回波信号的同时对跟踪架机械轴角传感器进行采样 然后通过计算机绘出以方位角为横坐标 俯仰角为纵坐标的每点信号强弱的目标图像 如果采用的是单元探测器 则采用二维扫描成像 如果是采用阵列多元探测器 则采用一维扫描成像 23 激光雷达 4 激光成像原理 凝视成像激光凝视成像原理与普通数码相机相同 只是照射物体的光源不同 前者采用的是脉冲激光 后者采用的是自然光或闪光灯 采用激光的优点是可采用窄带滤光片滤去大量非激光的白光 还可采用距离门技术减少后向散射 极大地提高信噪

14、比 三维成像三维成像除空间二维成像外 还增加距离参与成像 因为每个像元都含有距离信息量 例如 采用具有时间分辨的多元阵列探测器 每个像元都能测量对应目标相应部位的距离 经过信号处理后 获得具有三维空间信息的立体图像 24 1 2 3 4 高功率高波束质量的辐射源技术 为达到较远的探测距离 辐射源需具备高的发射功率和高的波束质量 目标参量精确测量与实时成像技术 是激光雷达成像雷达的关键所在 高灵敏度探测技术与器件 灵敏度取决于所采用的探测技术和探测器件的灵敏度 高速图像处理和实时目标识别技术 是完成目标发现及跟踪 目标分类及识别 瞄准点选择和作战效果评估等的关键技术 激光雷达 25 激光雷达 1

15、 相空阵激光雷达 光学相控阵的基本原理 光学相控阵移相扫描原理图 26 激光雷达 1 相空阵激光雷达 光学相控阵的基本原理通过调节从各个相控单元 光学移相器 辐射出的光波之间的相位关系 使其在设定方向上彼此同相 产生相互加强的干涉 干涉的结果是在该方向上产生一束高强度光束 而在其他方向上从各相控单元射出的光波都不满足彼此同相的条件 干涉的结果彼此相抵消 因此 辐射强度接近于零 组成相控阵的各相控单元在计算机的控制下 可使一束或多束高强度光束的指向按设计的程序实现随机空域扫描 图中光学相控阵是由M个相控单元组成的一维阵列 其作用相当于一个理想薄透镜 相位的变化与坐标成正比 当人射光波通过一个具有

16、线性相位方程的光学相控阵时 光束将偏转角度 其中 是入射光的波长 是待定的偏转角 分别控制每个相控单元的相位调整相位波前 从而控制入射光束的偏转和形状 27 激光雷达 1 相空阵激光雷达 相控阵光学雷达的发展现状及趋势 2004年美国雷声公司完成了相控阵激光雷达概念设计 其作用距离为4km 距离分辨力为20cm 体积仅约1600 质量约为2kg 总功耗小于10w 澳大利亚有研究人员提出一种方案 接收 发射均采用相控阵天线 利用1 064微米激光进行实验 可应用于空间激光雷达系统 采用相控阵激光雷达技术是美国第四代战机 F 35 综合光电系统的主要创新点 从研制相控阵激光雷达的进展来说 目前国外正从概念设计转向应用 而国内在某些技术上还存在差距 技术上实现有一定难度 因此我国研制这种雷达还需要一个较长的周期 28 激光雷达 2 合成孔径激光雷达 SAL SAL的基本原理 SAL原理示意图 29 激光雷达 2 合成孔径激光雷达 SAL SAL的基本原理在合成孔径成像系统中 一般激光发射器与接收装置是安装在同一个平台上的 在平台的运动过程中 在一个位置对目标进行照射 并对回波信号进行采样 接