第六章激光探測技術

第六章激光探測技術第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度為太陽光的50億倍。它的原理早在1916年已被著名的物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到1958年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準備和生產(chǎn)實踐迫切需要的背景下應運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。

6.1概述第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日激光的產(chǎn)生：原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1，在兩能級間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的受激發(fā)射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。一個原子從高能階降到低能階時，會放出一個光子，原子在高能階時受到一個光子的撞擊，就會受激而放出另外一個相同的光子，變成兩個光子，如果受激放光的過程持續(xù)產(chǎn)生，則所發(fā)出來的光子便會越來越多。利用「共振腔」，把由光放大器所產(chǎn)生的光線用反射鏡局限在一個特定的范圍內(nèi)，讓光線可以來回反射；透過共振腔的作用，能讓光線行進的方向完全相同，能量足夠大時就會有光子射出，從而產(chǎn)生激光。。6.1概述第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日激光的特點：1、定向發(fā)光：普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝置，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡，使輻射光匯集起來向一個方向射出。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個月球。6.1概述第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日2、亮度極高：在激光發(fā)明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度，能超過氙燈的幾百億倍。因為激光的亮度極高，所以能夠照亮遠距離的物體。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約為0.02勒克斯（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑明顯可見。若用功率最強的探照燈照射月球，產(chǎn)生的照度只有約一萬億分之一勒克斯，人眼根本無法察覺。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度自然極高。

6.1概述第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日3、顏色極純：光的顏色由光的波長（或頻率）決定。一定的波長對應一定的顏色。太陽光的波長分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對應的顏色從紅色到紫色共7種顏色。發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源，單色光源的光波波長雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氪燈只發(fā)射紅光，單色性很好，被譽為單色性之冠，波長分布的范圍仍有0.00001納米，因此氪燈發(fā)出的紅光，若仔細辨認仍包含有幾十種紅色。激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到2×10^-9納米，是氪燈發(fā)射的紅光波長分布范圍的萬分之二。激光器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。6.1概述第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日4、相干性好：激光的頻率、振動方向、相位高度一致，使激光光波在空間重疊時，重疊區(qū)的光強分布會出現(xiàn)穩(wěn)定的強弱相間現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源發(fā)出的光，其頻率、振動方向、相位不一致，稱為非相干光。5、閃光時間可以極短：由于技術上的原因，普通光源的閃光時間不可能很短，照相用的閃光燈，閃光時間是千分之一秒左右。脈沖激光的閃光時間很短，可達到6飛秒（1飛秒=10-15秒）。閃光時間極短的光源在生產(chǎn)、科研和軍事方面都有重要的用途。

。6.1概述第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日6、能量密度極大：光子的能量是用E=hf來計算的，其中h為普朗克常量，f為頻率。由此可知，頻率越高，能量越高。激光頻率范圍3.846*10^(14)Hz到7.895*10^(14)Hz.由此看來，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因為它的作用范圍很小，一般只有一個點），短時間里聚集起大量的能量，用做武器也就可以理解了。

6.1概述第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日電磁波電磁波譜可大致分為：（1）無線電波：波長從幾千米到0.3米左右，一般電視和無線電廣播的波段就是用這種波；（2）微波：波長從0.3米到10-3米，這些波多用在雷達或其它通訊系統(tǒng)；（3）紅外線：波長從10-3米到7.8×10-7米；（4）可見光：這是人們所能感光的極狹窄的一個波段。波長從780―380nm。光是原子或分子內(nèi)的電子運動狀態(tài)改變時所發(fā)出的電磁波。由于它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分；6.1概述第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日（5）紫外線――波長從3×10-7米到6×10-10米。這些波產(chǎn)生的原因和光波類似，常常在放電時發(fā)出。由于它的能量和一般化學反應所牽涉的能量大小相當，因此紫外光的化學效應最強；（6）倫琴射線――這部分電磁波譜，波長從2×10-9米到6×10-12米。倫琴射線（X射線）是電原子的內(nèi)層電子由一個能態(tài)跳至另一個能態(tài)時或電子在原子核電場內(nèi)減速時所發(fā)出的；（7）γ射線――是波長從10-10～10-14米的電磁波。這種不可見的電磁波是從原子核內(nèi)發(fā)出來的，放射性物質(zhì)或原子核反應中常有這種輻射伴隨著發(fā)出。γ射線的穿透力很強，對生物的破壞力很大。6.1概述第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日激光技術應用：1、激光加工；2、激光在醫(yī)學中的應用：激光美容等；3、激光在計算機方面的應用；4、激光傳感器（lasertransducer）利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等；5、激光雷達、激光武器等。。。。。6.1概述第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日一、激光探測技術在軍事上的應用引信：觸發(fā)引信（機械引信）；

近炸引信（電子引信）；執(zhí)行引信。近炸引信定義：通過目標出現(xiàn)時周圍空間物理場特性的變化感覺目標的存在，并在預定的位置適時起爆戰(zhàn)斗部的一種引信。6.1概述第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日近炸引信：按其借以傳遞目標信息的物理場的來源可分為主動式、半主動式和被動式三類；根據(jù)對目標的探測方式不同有無線電近炸、磁近炸、紅外近炸、激光近炸、電容近炸、毫米波近炸等。

6.1概述第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日近炸引信發(fā)展：1、無線電引信利用無線電波獲取目標信息的近炸引信。習慣上把無線電引信以外的近炸引信，統(tǒng)稱為非無線電引信。起源于20世紀年代，1943年裝備部隊，是應用最為廣泛的一種近炸引信，它在戰(zhàn)術導彈和戰(zhàn)略導彈中均被廣泛用。它不僅可以檢測到目標的存在，還可以獲得引信與戰(zhàn)斗部最佳配合所需的目標方位、距離（高度）、速度等信息。6.1概述第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日按工作波長分，有米波（波長為1-10米）和微波（波長為1毫米-1米）無線電引信。按工作體制分，有多普勒式、調(diào)頻式、脈沖式、比相式和編碼式等無線電引信。按無線電波輻射物理場源分，有主動式、半主動式和被動式無線電引信。半主動式無線電引信的輻射源由使用方設置在引信以外的地面上、飛機上或軍艦上。被動式無線電引信的輻射源即為目標本身。兩者的敏感裝置只有接收系統(tǒng)。主動式無線電引信的敏感裝置既含有發(fā)射系統(tǒng)也包括接收系統(tǒng)它對目標探測定位的方式與雷達類似，俗稱雷達引信。

6.1概述第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日優(yōu)點（與機械引信相比）它不僅可以檢測到目標的存在，還可以獲得引信與戰(zhàn)斗部最佳配合所需的目標方位、距離（高度）、速度等信息。缺點：1、潑長較長，角度分辨率低，作用距離盡，探測識別能力明顯不足，對目標、環(huán)境等不能進行有效識別；2、潑束發(fā)散角大，易被對方接收和破解等等。3、隨著干擾措施的加強，抗干擾能力減弱，為了提高抗干擾，付出的代價越來越大。6.1概述第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日2、非無線電及多模復合近炸引信無線電引信以外的其它近炸引信，如磁近炸、紅外近炸、激光近炸、電容近炸、毫米波近炸等。近炸引信發(fā)展趨勢：由單模向多模發(fā)展，如紅外/毫米波、激光/紅外成像、雙色紅外等等。而毫米波與紅外復合制導將是最有前途的制導體制之一。毫米波和紅外成像制導在使用和性能上互相補充，將兩者結合取長補短，可取得很好的作戰(zhàn)效果。而雙色紅外/毫米波雙模三波段復合制導的反坦克武器，由于毫米波頻帶寬和復合系統(tǒng)使用三波段工作，使敵方很難干擾，且目標的偽裝和隱身也難以奏效。6.1概述第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日激光探測近炸引信：利用激光獲取目標信息的近炸引信。發(fā)展：激光技術起源于20世紀60年代；發(fā)展較快，（由電磁波譜可以看出，激光是無線電波、毫米波、紅外線等電磁波向光波頻段的發(fā)展，許多成熟技術可移植；及激光本身技術的優(yōu)越性等）；20世紀70年代初應用于引信設計；70年代末開始裝備部隊；80年代至今，大規(guī)模裝備部隊。在我國的發(fā)展：發(fā)展較慢（關鍵器件的國產(chǎn)化、實用化及成本較高等）。6.1概述第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日激光近炸引信的優(yōu)點：為無線電探測技術提供了必要的補充：發(fā)射波束窄，發(fā)射信號不易被敵方接收；接收視場有限，使地方干擾機瞄準困難；發(fā)射峰值功率較大、方向性好，探測距離遠；工作于光波波段，波長極小，使其角度和距離分辨率極高；發(fā)射波束旁瓣小，對地、海雜波的干擾抵抗能力較強。6.1概述第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日激光近炸引信的缺點：穿透大氣能力不夠，煙塵、云霧、雨雪等對激光的吸收和散射要比微波和毫米波大得多，對天氣和環(huán)境非常敏感。但主動激光探測要比被動光學探測系統(tǒng)得氣候適應能力強:可通過距離或速度的選通等來拒絕已經(jīng)被確認為雜亂波的回波信號。6.1概述第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日激光近炸引信的特殊要求：1、近程、超近程探測（0.X米至幾十米）（激光雷達、激光測距機為幾千米至幾十千米）；2、只要求單點定距（不要求大范圍測距）；3、體積小、功耗低（主要約束條件）；4、高過載環(huán)境（幾千克到幾十千克）（只有半導體激光器由于其自身結構和工藝上的特點才能適應）；5、彈目之間存在高速運動（必須考慮相對運動速度產(chǎn)生的誤差）。6.1概述第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日激光探測技術的發(fā)展及應用前景1、反武裝直升機激光近炸引信技術；2、激光成像引信（比紅外成像更準確）；3、遠距離定高母彈開倉引信；4、激光引信測高與引爆一體化技術；5、迫彈通用多選擇激光近炸引信；6、高定距精度云爆彈激光近炸引信；。。。。。。6.1概述第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日6.2激光引信探測與識別的作用體制常用方法：一、幾何截斷定距機制二、距離選通定距機制三、脈沖鑒相定距機制四、脈沖激光測距定距機制五、微隨機碼定距機制6.2激光引信探測與識別的作用體制第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日一、幾何截斷定距體制幾何截斷定距體制又稱三角定距法，在各種導彈特別是反坦克導彈、反武裝直升機導彈和各種打擊空中目標的導彈激光近炸引信中應用非常廣泛。在原理上：是激光特點與近炸引信特定要求相結合的產(chǎn)物；從系統(tǒng)設計角度：與激光測距、激光雷達技術、無線電近炸引信技術相似。6.2激光引信探測與識別的作用體制第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日（一）幾何截斷定距體制作用原理6.2激光引信探測與識別的作用體制第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日（二）幾何截斷定距體制特點幾何截斷定距體制的產(chǎn)生是基于激光和近炸引信，特點：1、激光工作于電磁波的光波段，波長極小，故其發(fā)射和接收視場的集合參數(shù)可以比較容易地使用光學元件精確控制；2、近炸引信一般只要求對超近程目標進行探測。6.2激光引信探測與識別的作用體制第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日幾何截斷定距體制優(yōu)點：1、定距精度高全向探測激光近炸引信作用半徑為3-9m，精度可達0.5m;前向探測激光近炸引信作用距離在1m以下，精度可達0.1m;2、全向探測激光近炸引信，可提供360度周向探測范圍，處理電路無需大的改動。適用：非常適用對空目標近炸引信：空-空導彈、地-空導彈等；同時適用要求作用距離極近、精度要求非常高的地面目標近炸引信。6.2激光引信探測與識別的作用體制第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日幾何截斷定距體制缺點：1、定距精度受目標特性變化和作用距離影響較大；2、作用距離不能現(xiàn)場裝定。不適用：要求作用距離稍遠、目標反射特性變化較大或要求作用距離可現(xiàn)場裝定等的激光炸引信。6.2激光引信探測與識別的作用體制第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日二、距離選通定距機制距離選通定距機制是脈沖激測距技術與無線電引信技術相結合的產(chǎn)物。它測定激光脈沖從彈上發(fā)射器到目標往返飛行時間的方法確定彈目距離。原理和發(fā)射技術都與脈沖激光測距機類似，但測定時間間隔的方法區(qū)別較大：脈沖測距機采用選通門+晶體振蕩器+計數(shù)器的方法，適合在較大范圍內(nèi)連續(xù)變化的距離，并且在無需調(diào)整的情況下，對任一未知目標距離進行探測。這種方法對近炸引信的超近距離精確測量，需要晶體振蕩器和計數(shù)器具有較高的頻率（150MHz），代價較大。6.2激光引信探測與識別的作用體制第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日（一）距離選通定距體制作用原理6.2激光引信探測與識別的作用體制第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日（二）距離選通定距體制特點距離選通定距體制激光近炸引信，實際采用的是由脈沖無線電近炸引信借鑒而來的距離選通門法。特點：1、近炸引信屬近距離測量，使用距離選通門法通常不會出現(xiàn)距離模糊現(xiàn)象；2、近炸引信通常只要求對作用目標“定距”，即只對目標是否已進入作用區(qū)域感興趣，對于目標處于作用區(qū)域的具體的距離信息不感興趣，因此，只要求對單一距離進行測定。6.2激光引信探測與識別的作用體制第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日距離選通定距機制優(yōu)點：1、定距精度高（采用回波脈沖的相位信息判斷距離）在激光近炸引信中，目標是否進入預定距離一般采取兩種方法判斷，一是回波脈沖信號的強度，二是回波脈沖與參考脈沖的相位延遲信息。前者不易控，后者易控。2、系統(tǒng)虛警率低距離選通門如同一個品質(zhì)很高時空過濾器：從時間看，只有夾在距離門之間極短的時間段內(nèi)的信號能夠通過；從空間看，只有由距離門確定的預定距離內(nèi)的回波信號可以通過。6.2激光引信探測與識別的作用體制第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日三、脈沖鑒相定距體制脈沖鑒相定距體制是由距離選通體制改進和發(fā)展而來的一種系統(tǒng)綜合性能更好的激光近炸引信定距方法。（一）脈沖鑒相定距機制作用原理激光脈沖電源激勵脈沖半導體激光器發(fā)射光脈沖，經(jīng)光學系統(tǒng)準直，照射到目標表面，一部分反射光有接收光學系統(tǒng)接收后聚焦到探測器光敏面上，輸出電脈沖信號，經(jīng)放大、整形等處理后送到脈沖鑒相器。6.2激光引信探測與識別的作用體制第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日另外，激光脈沖電源激勵脈沖半導體激光器的同時，激勵信號經(jīng)延遲器適當?shù)难舆t后，送到脈沖鑒相器，作為基準脈沖與回波脈沖進行前沿相位比較，兩脈沖前沿重合，即表示目標在預定距離上時，給出起爆信號。6.2激光引信探測與識別的作用體制第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日（二）脈沖鑒相定距體制特點脈沖鑒相法使用脈沖前沿鑒相器代替原來的距離門，結合精密脈沖延時技術，在定距精度和靈活性上，都比距離門選通體制有較大的提高：1、定距精度更高（內(nèi)部延時可控）；2、易于實現(xiàn)作用距離現(xiàn)場裝定（鑒相器結構簡單、使用靈活）；3、具有更好的抗干擾能特性和更低的虛警率力等。6.2激光引信探測與識別的作用體制第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日脈沖鑒相定距體制適用范圍：非常適用要求作用距離分檔可調(diào)的迫彈激光近炸引信、對距離要求很高的云爆彈激光近炸引信和取代幾何截斷體制應用于要求精確定距的作用距離極近的反坦克彈藥近炸引信中。6.2激光引信探測與識別的作用體制第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日四、脈沖激光測距機定距體制（一）原理與用于雷達、火控等脈沖激光