激光测距机及发展趋势
激光测距机及发展趋势
作者：于彦梅
1 激光测距仪机原理
激光测距机是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的一种距离测量仪。利用激光脉冲的称为脉冲激光测距机，利用连续波激光束的称为连续波激光测距机。脉冲激光测距机利用脉冲法测距，具有测程远，体积小的特点，多用在军事上对各种战场目标测距，因此通常战术应用的军用激光测距机主要是指脉冲激光测距机。
激光测距机一般由激光发射机、激光接收机和电源三大部分组成。激光发射机由脉冲激光器、发射光学系统、取样器以及瞄准光学系统组成，其作用是将高峰值功率的激光脉冲射向目标。激光接收机由接收光学系统、光电探测器和放大器、接收电路和计数显示器组成，其作用是接收从目标漫反射回来的激光脉冲回波并计算和显示目标距离。激光电源由高压电源和低压电源组成，其作用是提供电能。
激光测距机的工作原理是利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由此运算目标的距离。其工作过程是：首先瞄准目标，然后接通激光电源，起动激光器，通过发射光学系统，向瞄准的目标发射激光脉冲信号。同时，采样器采集发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，起动计数器，钟频振荡器向计数器有效地输入钟频脉冲，由目标反射回来的激光回波经过大气传输，进入接收光学系统，作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计算器的关门信号，计数器停止计数。计数器从开门到关门期间，所进入的钟频脉冲个数，经过运算得到目标距离，在显示器上显示出来。
2 国外概况
激光测距机是激光器在军事上最早应用的项目。世界上第一台激光测距机诞生在美国休斯飞机公司，称为柯利达 I 型，之后该公司相继研制成几种实验型军用激光测距机在部队进行试验和鉴定，结果证明激光测距机可作为一种新的测距仪代替原装备的光学测距机。1971年美国陆军首先装备了AN/GVS-3 型红宝石激光测距机，供炮兵前方观察员或观察所使用。此后，各种型号的侦察用激光测距机相继装备各国的军队。
经过 ,- 年的发展，军用激光测距机已更新了两代，研制发展了三代。第一代激光测距机采用发射0.6943μm红外红宝石激光器和光电倍增管探测器，是最早问世的激光测距机，2- 世纪 $- 年代初期少量装备部队，如美国的AN/GVS-3,、日本的70式，因其隐蔽性差、效率低、体积大、重量重、耗电多，很快便被第二代激光测距机取代。第二代激光测距机采用发射1.06μm近红外钕激光器 3 主要是Nd：YAG( 激光器，少数为钕玻璃激光器 7 和硅光电二极管或硅雪崩光电二级管探测器。第二代比第一代隐蔽性好、效率高、轻小、耗电少，因此第二代激光测距机的小型化研制进展迅速。1977年美国研制成功称之为AN/GVS-5型的第一个手持使用的小型Nd：YAG( 激光测距机，该机的外形结构首次采用了适宜手持使用的双目望远镜式结构，大小与一具标准的7X50军用双目望远镜相当，总重量仅 2:;。该机在设计上采用组件结构，在技术上首次成功采用轻小、成本低、不耗电的BDN被动染料片Q 开关和工作电压为$%"& 的低压硅雪崩光电二级管探测器，用大规模集成电路实现接收电路的固体组件化。此后，应用Nd：YAG 的研制成果，很多国家都相继研制成类似于Nd：YAG的各种型号的手持激光测距机装备部队，如挪威研制和英国改进生产的 -./ 型被确定为北约部队的正式装备仪器。由于这些低成本、小型手持激光测距机的研制成功，从20 世纪70年代末到80年代中，Nd：YAG 激光测距机进入了大批生产装备和广泛应用阶段，成为军用激光市场上军方最大的采购项目，如1977-1987年，美国军方采购了8000 台AN*GVS-5型激光测距机装备美陆军和出口。第三代激光测距机，即人眼安全的激光测距机。目前已研制成工作波长为10.6μm和 1.54μm的三种不同类型的各种型号的人眼安全激光测距机的预研样机和工程样机，预计在90 年代进入生产和应用阶段。
3 影响
激光测距技术是现代军事侦察技术和距离探测设备的重要技术。现有激光测距设备的改进，未来武器系统的发展及其命中精度的提高均赖于激光测距技术的发展。
激光测距技术以其测程远，精度高等特点被用于各种测距机，对提高防空、海上作战，中近程精确打击及陆上武器的攻击的命中精度方面起关键作用。对提高侦察系统能力起更加突出的作用。激光测距技术在激光侦察设备中的应用，极大地减小了测距机的体积和重量并使激光测距精度得到很大提高。激光测距机与其他测距仪相比具有测距精度高、测距速度快 9 测距时间1-2s 、轻小灵活、测量距离数字显示、操作简单、训练容易等优点。
激光测距机至今已积累了30年的研制经验和20年的使用经验，是目前技术最成熟的一种军用激光仪器。根据各国军方的不同要求，各种型号和用途的激光测距机已大批生产，大量装备各国的军队并成为世界军火市场上重要的一种军用光电出口仪器。激光测距机的应用范围已遍及大小国家的军队和兵种，主要用于侦察和火控。在侦察应用中，激光测距机供炮兵前进观察员或观察所、步兵侦察员或侦察小分队以及特种部队完成侦测目标、侦测地形、确定自身位置及校射火力的任务。由于激光测距技术的广泛应用和不断完善，极大地提高了测距机的测距精度，从而提高各种武器的命中精度，有效地?；ち烁髦址⑸淦教?。
军用激光测距仪装备陆军以来，经过多年的研制和装备实践，目前技术发展已经历了两代，正进入第三代。第三代军用激光测距仪是对人眼安全的固体激光测距仪和气体co2 激光测距仪。如美国“斯米尔”人眼安全激光测距机。<=! 激光测距机发射人眼安全的 3"5 6!7波长的激光。主要优点有：在烟雾中的传输性能好；与8-12μm热像仪工作在同一波长，因而兼容性好；敌方探测困难。适合与热像仪配用。
目前，坦克和小型激光测距仪增多采用脉冲 >?’ 激光器，并用声光调制和线性调制频压缩脉冲技术，而接收机采用外差探测，将大大提高探测灵敏度。在很多战术应用中，要求能测
!"@7 以上的远程激光测距机。几种激光测距机的对比研究表明：探测灵敏度高的外差探测激光测距机比直接探测激光测距机测量距离远，例如法国的 >A<34# 型外差探测脉冲 <=! 激光测距机，其最大测距为 3"@7。随着新材料、新技术的不断开发，超大规模电子计算机及软件的发展，在电子战日益激烈的现代战争中，脉冲激光测距技术的优越性将显得特别突出。激光测距机主要的关键技术是提高最大可测距离。最大可测距离是表征激光测距机整机性能的重要参数。目前远程激光测距机还处于探索研究阶段，离实用阶段还有较远的距离。
4 发展趋势
目前研制的人眼安全激光测距机有三种：
（1）CO2激光测距机 CO2激光测距机发射人眼安全的10.6μm波长的激光。主要优点有：在烟雾中的传输性能好；与 8-12μm热像仪工作在同一波长，因而兼容性好；敌方探测困难。缺点有：水蒸气对 #$! 激光的吸收大；目标反射率较低；目前还要用致冷的探测器探测；成本、体积和重量目前还不能与CO2激光测距机相比。后两个缺点使目前的 CO2激光测距机难以手持使用，但与热像仪工作在同一波长的优点，使CO2激光测距机特别适合与热像仪配用。CO2激光测距机的发展方向是减小体积和重量、降低成本、与热像仪合一。
（2）饵玻璃激光测距机 饵玻璃激光测距机发射1.54μm波长的激光。主要优点有：
1.54μm波长的激光对人眼的安全性最高；可以使用普通光学材料的透镜、棱镜、窗口、分束镜等，但普通的偏振镜、1 开关和镀膜不能用。主要缺点有高阈值、低效率；一般不能以较高重复频率工作；目前还没有适用的被动染料 1 开关，因而带来了转镜 1 开关的很多缺点。这种类型的激光测距机因其结构简单、成本低，适宜手持使用。发展方向是降低阈值，提高效率，研制适用的被动染料 1 开关。
（3）喇曼测距机利用喇曼频移技术将Nd：YAG激光器 1.06μm波长的激光下频移为眼睛安全的1.54μm波长的激光。主要优点有：可利用现有的Nd：YAG激光器，被动染料 1 开关以及光学元件；输出的喇曼频移激光脉冲的宽度比Nd：YAG 泵浦激光脉冲的窄。主要缺点有：伴随着受激喇曼散射会产生其他的非线性效应，降低喇曼转换效率；要考虑高压喇曼气体介质的泄漏问题和喇曼盒在聚焦光学系统中光学窗的损坏问题；在Nd：YAG激光器的谐振腔中要增加喇曼盒、反射镜、透镜等光学元件，结构较复杂。这种激光测距机能以较高的重复频率工作。发展方向是提高喇曼转换效率，用固体曼介质代替现用的气体喇曼介质，用半导体激光器代替Nd：YAG泵浦激光器中的闪光灯。
2）小型化和固体组件化
研究用半导体激光器代替现用的闪光灯泵浦技术，以提高激光器的效率，实现激光器的小型化和固体组件化。同时还研究用相位共轭技术提高激光束的质量，减少束散角和激光器的尺寸。
3）与其他光电仪器集成化
为提高激光测距机对多目标的测距能力，要求激光测距机与直接观察的光学仪器、电视跟踪器、前视红外成像系统、红外搜索和跟踪装置、激光目标指示器和激光跟踪器等光电仪器集成，研究有关集成的技术和最佳的集成方案是激光测距机发展的重要方面。
4）研制远程激光测距机
在很多战术应用中，要求能测20Km以上的远程激光测距机。几种激光测距机的对比研究表明：探测灵敏度高的外差探测激光测距机比直接探测激光测距机测量距离远。理论研究表明：外差探测倍频CO2激光测距机 + 波长为4.64μm, 的外差探测 CO2同位素13C16O2激光测距机 + 波长11.2μm, 测量距离超过其他激光测距机，但技术远不成熟。目前远程激光测距机还处于探索研究阶段，离实用阶段还有较远的距离。
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