軍用脈沖激光測距儀的發(fā)展和應用

　　　　一、軍用脈沖激光測距儀的特點(diǎn)及通用性能

　　戰術(shù)和戰略用脈沖激光測距儀主要包括紅寶石、Nd∶YAG、CO2、喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃等脈沖激光測距儀。

　　1.紅寶石脈沖激光測距儀

　　0.69μm的紅寶石脈沖激光測距儀是第一代軍用激光測距儀，其結構簡(jiǎn)單，緊湊。因工作波長(cháng)屬近紅外綠光，極易暴露目標，加上對人眼極不安全，目前除少數應用外已被淘汰。

　　2.Nd∶YAG脈沖激光測距儀

　　Nd∶YAG脈沖激光測距儀的主要優(yōu)點(diǎn)是隱蔽性、電效率和脈沖重復工作頻率大大優(yōu)于紅寶石激光測距儀，因而從60年代后期開(kāi)始廣泛裝備部隊。

　　主要缺點(diǎn)：

　?、俟ぷ鞑ㄩL(cháng)為1.06μm，相對說(shuō)來(lái)較短，在大氣中的衰減較大，不完全適合自然霧和戰場(chǎng)煙幕等環(huán)境條件；

　?、?.06μm波長(cháng)被發(fā)射后經(jīng)人眼聚焦進(jìn)入視網(wǎng)膜，在很短的距離上若不加防護觀(guān)察，可以使人眼永久致盲；

　?、?.06μm波長(cháng)不與8~12μm熱成像系統兼容。

　　而Nd∶YAG脈沖激光測距儀目前仍具有無(wú)法取代的獨特優(yōu)點(diǎn)，加上裝備量已擴大到陸、海、空三軍，目前仍在以下幾方面廣泛應用。

　　(1)戰場(chǎng)指揮員、步兵偵察員、炮兵前沿指揮觀(guān)測員以及艦隊基地指揮員、海軍陸戰隊員用手持瞄準觀(guān)察和測距。

　　(2)現代作戰坦克和裝甲車(chē)采用Nd∶YAG脈沖激光測距儀作為火控系統的總體部件，以改善主要作戰武器的精度。

　　(3)廣泛用于對空防御系統，提高對抗高速飛機和機動(dòng)性大的武裝直升機的跟蹤精度。

　　(4)Nd∶YAG激光測距儀―目標指示器是國外應用最早的激光武器。目前，這種武器系統仍然是激光制導炸彈、導彈和火炮的唯一遠距離精確制導武器，并為雙功能激光測距―目標指示器采用人眼安全的喇曼頻移Nd∶YAG激光器實(shí)現精確制導打下了基礎。

　　3.CO2脈沖激光測距儀

　　CO2脈沖激光測距儀是70年代末和80年代中期主要針對1.06μm的Nd∶YAG激光測距儀的缺點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的新一代人眼安全激光測距儀。

　　其主要優(yōu)點(diǎn)有：

　?、俅髿獯┩改芰?yōu)于Nd∶YAG激光波長(cháng)，能在較低能見(jiàn)度和戰場(chǎng)煙幕等大氣條件下工作；

　?、谀芘c8~12μm波段內的典型熱成像系統兼容并可共用接收光學(xué)系統和探測器，能有效實(shí)現熱成像儀能探測到的絕大多數目標；

　?、勰軐?shí)現對人眼安全。

　　主要缺點(diǎn)是：

　?、?0.6μm的CO2激光波長(cháng)極易被水分子(H2O)吸收衰減，在大氣中含水蒸汽密度大的睛天和潮濕條件下，限制了它的最大測距能力，特別是雨天和目標被雪覆蓋時(shí)，目標呈現多鏡面對稱(chēng)反射，對CO2激光波長(cháng)測距不利；

　?、?0.6μm的CO2激光波長(cháng)對戰術(shù)目標的反射系數低于1.54、1.06和0.69μm的激光波長(cháng)。

　　4.喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃脈沖激光測距儀

　　喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃脈沖激光測距儀也和CO2一樣發(fā)展于70年代末和80年代中期，主要優(yōu)點(diǎn)是：

　?、俅髿獯┩改芰Ω哂?.06μm的Nd∶YAG激光波長(cháng)而低于CO2激光波長(cháng)；

　?、趯δ繕说姆瓷湎禂岛驮诰μ?、高溫度條件下測距時(shí)，其性能高于CO2激光波長(cháng)并與Nd∶YAG激光波長(cháng)相當；

　?、蹖θ搜鄣陌踩愿哂贑O2激光波長(cháng)。缺點(diǎn)是由于1.54μm波長(cháng)屬中紅外波段，不能與8~12μm的熱成像系統兼容，加上轉換效率低、脈沖能量小和重復工作頻率低(喇曼頻移Nd∶YAG除外)等限制了它們的應用。

　　此外，Er∶玻璃材料制作困難，而且光探測器InGaAs-APD目標仍存在某些技術(shù)問(wèn)題有待解決。其中：

　　(1)喇曼頻移Nd∶YAG激光器它采用Nd∶YAG激光器并在高壓甲烷氣體中受激喇曼散射(SRS)，把1.06μm波長(cháng)頻移到1.54μm。因此，激光器與Nd∶YAG一樣結構緊湊，但價(jià)格高而結構復雜。頻移波長(cháng)1.54μm經(jīng)測距儀發(fā)射后進(jìn)入人眼視網(wǎng)膜以前被人眼的液體部位吸收和耗散掉了，實(shí)現了對人眼安全。這類(lèi)激光測距儀在軍用上為步兵和炮兵前沿偵察、對空防御和坦克火控提供人眼安全及較廉價(jià)的激光測距儀器。

　　(2)Er∶玻璃激光器它采用摻入鉺元素的玻璃激光棒并用閃光燈泵浦，直接產(chǎn)生1.54μ的激光輸出，而不是用SRS方法頻移產(chǎn)生1.54μm。因此，激光器的重復工作頻率和輸出能量都很低且壽命短，不利于高重復頻率對空防御應用，一般僅用于對地面目標測距，如手持式、坦克等。

　　二、軍用脈沖激光測距儀的應用

　　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(guò)30多年的開(kāi)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(chǎng)測云、導彈和火箭發(fā)射、人造衛星、航天器載”等約十三大類(lèi)400多個(gè)品種和型號，其中裝備量最大的是以Nd∶YAG為器件的固體脈沖激光測距儀，其次是喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃以及CO2脈沖激光測距儀。

　　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制(FAC)雙用途的激光測距儀―目標指示器。對上述用途的系統，要求機動(dòng)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。主要技術(shù)性能：最大測程4~10km，測距精度±10m，重復頻率為單次，束散角1~2mrad。值得關(guān)注的的是，由于上述激光測距儀及其系統常與其他友軍密切配合作戰且不帶裝甲部隊大范圍訓練以及無(wú)合作目標、操作手不帶防護目鏡等，人眼安全極為重要。因此，這類(lèi)脈沖激光測距儀已逐漸由裝備N(xiāo)d∶YAG激光測距儀改為喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃1.54μm的人眼安全激光測距儀。

　　在現代戰爭中，由以前單一的步兵、炮兵獨立作戰發(fā)展到有步兵、炮兵和海軍陸戰隊組成的特種部隊聯(lián)合作戰，武器系統也由單一的地炮、高炮逐漸采用多功能綜合高技術(shù)。因此激光測距儀也由單一測距功能的便攜式、手持式發(fā)展到激光測距、紅外瞄準的晝夜觀(guān)測儀以及激光測距、目標指示、紅外瞄準的激光紅外目標指示器等。如美國光電公司采用Er∶玻璃激光器的小型激光紅外觀(guān)測儀(MELIOS)是當代較先進(jìn)激光測距儀的代表。

　　2.地面車(chē)載脈沖激光測距儀

　　地面車(chē)載脈沖激光測距儀包括坦克、步兵戰車(chē)(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(chē)載激光測距儀―目標指示器等。其主要技術(shù)性能：最大測程4~10km，測距精度±5~10m，目標分辨約20m，重復頻率0.1~1Hz，束散角0.4~1mrad。

　　激光測距儀在坦克火控系統中的應用是提供彈道軌跡的超仰角修正信息和因逆風(fēng)或目標移動(dòng)引起的方位角校正信息以及距離信息。步兵戰車(chē)主要是使用激光測距儀去測量目標是否在反坦克導彈的距離內，其次用于槍炮火控和對目標的分選。為了做到激光測距儀完全有效地對任何能探測到的目標測距以及通過(guò)火控系統全天候被動(dòng)探測、識別和分選，這些系統還應包括：瞄準光學(xué)系統、電視攝像機和紅外熱成像儀(FLIR)等。這是目前非常迫切需要的但不可能通過(guò)任何單一功能和單一波長(cháng)激光測距儀能完全滿(mǎn)足的系統。

　　據外刊報道，美國休斯公司采用喇曼頻移Nd∶YAG激光測距、電視攝像和紅外成像組成的坦克、裝甲車(chē)激光測距儀系統是目前最新型的設備。但是這種系統若采用1.06μm的Nd∶YAG激光測距，盡管在測距儀上裝上衰減濾光片，對合作目標測距訓練時(shí)已基本達到人眼安全要求，而經(jīng)論證后的坦克和步兵作戰的操作人員及指揮、作戰人員應采取人眼安全措施，或者采用人眼安全的1.54μm激光波長(cháng)測距，從根本上實(shí)現對人眼安全的要求。

　　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車(chē)對空防御脈沖激光測距儀均應按火控系統和作戰系統的要求工作，在距離和距離速率以?xún)葘罩懈咚贆C動(dòng)目標提供穩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。這就要求激光測距儀提供比較高的數據率(高的激光脈沖速率)和相當高的距離精度，如最大測程為4~20km，測距精度為±2.5~5m，重復頻率為6~20Hz，束散角為0.5~2.5mrad等。然而，若其交戰距離相當遠(約達20km以上)，這么遠的距離實(shí)際對抗出現在不模糊的大氣條件下，僅要求激光測距儀的靈敏度比坦克測距儀稍高一些；若在某些高濕度季節或某些高溫度氣象區域內，由于很強的H2O分子吸收，限制了長(cháng)波長(cháng)(如10.6μm的CO2)脈沖激光測距儀最大測距能力的發(fā)揮，此時(shí)，應采用1.06μm的Nd∶YAG脈沖激光測距儀，或者采用喇曼頻移Nd∶YAG及Er∶玻璃(1.54μm)的脈沖激光測距儀，如美國休斯公司采用喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃的光電跟蹤探測激光測距儀是目前先進(jìn)系統的典型示例。

　　4.機載脈沖激光測距儀

　　機載脈沖激光測距儀可以用來(lái)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1.06μm的Nd∶YAG激光測距儀并具有激光測距和目標指示的能力，或者采用1.54μm波長(cháng)的人眼安全喇曼頻移Nd∶YAG脈沖激光測距儀_目標指示器等，以保護機載系統完成作戰任務(wù)或主動(dòng)攻擊空中的光電目標。機載脈沖激光測距儀的主要技術(shù)性能：測程遠(用于武裝直升機為4~10km，用于固定翼飛機為10~20kM)、測距精度高(用于武裝直升機為±5~10m，用于固定翼飛機為±1~10m)、重復頻率高(用于武裝直升機為4Hz，用于固定翼飛機為5~20Hz)、束散角小(用于武裝直升機為0.4~1mrad，用于固定翼飛機為0.1~0.5mrad)，同時(shí)機載設備應體積小、重量輕并要與航空指示器共用。因此，激光器必須使用高效循環(huán)液體作冷卻器，以適應高的運轉速率要求，否則要采用氣體或混合氣體升壓冷卻。目前，美國研制的“利登”激光系統(LANTIRN)則采用喇曼頻移Nd∶YAG激光目標指示器測距儀，是現代激光測距儀多功能化并擴大機載應用的典型示例。

　　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(chē)載和對空防御激光測距儀之后，它包括水面艦載和潛艇潛望兩大類(lèi)。

　　水面艦載脈沖激光測距儀在技術(shù)性能指標方面與車(chē)載火控和對空防御激光測距儀相同，在環(huán)境使用方面要適應艦載?？?、海面以及海上鹽霧的荷刻要求，而在體積、重量、電效率、維護保養能力和成本等方面的要求又不苛刻。因此，目前大量用來(lái)裝備常規火控和對空防御的海軍艦只，如掩護(無(wú)聲雷達)艦載飛機回收和與紅外熱成像、電視等組成跟蹤系統，全天候監視和跟蹤空中目標等獨特的艦上應用正在出現，其應用前景相當廣泛。

　　潛艇潛望脈沖激光測距儀目前采用兩種組合方式，第一種將激光測距儀、圖像增強器和熱成像儀裝于其潛望鏡中，而距離顯示器、觸發(fā)按鈕等分別裝于操作手上方或附近。其優(yōu)點(diǎn)是傳輸光路中激光損耗小，但光束飄移，不易捕獲目標；第二種將上面三部分均裝在潛望鏡底部，整個(gè)系統的安裝，調試、拆卸均很方便，但采用這種方法的激光束要通過(guò)12m長(cháng)的潛望鏡管和15~20塊透鏡，能量損耗較大。主要技術(shù)性能是：測距范圍300~6000m，測距精度±5~10m，重復頻率1~5Hz，束散角1~1.5mrad。

　　6.太空載脈沖激光測距儀

　　太空載脈沖激光測距儀屬超長(cháng)距離戰略用激光測距儀。該類(lèi)激光測距儀的特點(diǎn)是，光束在真空中傳播且具有衍射極限特性，最大測程大于1000km，激光脈沖能量在0.1~10J之間，測距精度為±5~10m，重復頻率為10~100Hz，束散角小于20marad，并且要與有源跟蹤系統自動(dòng)完成跟蹤和測距。而這類(lèi)激光測距儀通常裝在人造衛星或者飛船上，由地面火箭向太空預定軌道發(fā)射。因此，對這類(lèi)脈沖激光測距儀的要求是：重量輕(因為發(fā)射費用主要由發(fā)射重量決定)、效率高(因為初始功率特級及太空中很難用電源推動(dòng)冷卻系統)、可靠性高(因為太空中長(cháng)期無(wú)人維護)、維修性嚴格(因為太空中極難操作和維修)以及窗口小(因為窗口的大小由發(fā)動(dòng)機的發(fā)射費用決定)等。

　　根據太空載脈沖激光測距儀的應用環(huán)境、功能和技術(shù)性能特性，采用小于1μm的短波長(cháng)激光器，如半導體激光器、倍頻Nd∶YAG激光器和紫外波長(cháng)等比較合適。若采用半導體激光器，其體積小、功耗低、重復頻率較高，但峰值功率(能量)小，在太空應用時(shí)其測距儀的最大測程可達500km；若采用0.53μm的倍頻Nd∶YAG激光器，可以用作增強CCD有源成像器的照射光源，并且光束在太空中傳播時(shí)，其最大測程可以大于1000km；若采用小于0.3μm的紫外波長(cháng)測距，可以獲取極低的地球背景信號，對太空測距具有極大的潛力和吸引力。

　　7.云高脈沖激光測距儀

　　利用脈沖激光測距儀來(lái)測量云層垂直高度的儀器稱(chēng)為云高激光測距儀。這類(lèi)激光測距儀主要用來(lái)測量機場(chǎng)的云層高度，也可用來(lái)測量衛星發(fā)射點(diǎn)的云層高度，為飛機的起降或衛星發(fā)射提供安全的氣象數據。由大塊或大片云層組成的目標雖然很大，變化多端，但反射系數很小，對最大測程為2~3km的高度應采用5~40mJ的激光發(fā)射能量來(lái)測距，其束散角為1~5mrad，遠遠大于其它類(lèi)脈沖激光測距儀，這是其主要特點(diǎn)。這類(lèi)脈沖激光測距儀若加以很好的隱蔽，可以為前沿軍事基地、機場(chǎng)或軍用衛星發(fā)射點(diǎn)(近距離)的安全提供可靠的氣象數據，是現代戰爭不可缺少的儀器；若使用它為大型國際機場(chǎng)、小型商業(yè)民用機場(chǎng)和民用通信衛星發(fā)射點(diǎn)(近距離)提供飛機起降或衛星發(fā)射的安全氣象數據，將對國民經(jīng)濟建設和提高國際信譽(yù)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。但測距儀的激光束通過(guò)高空和自由太空傳播，將會(huì )對高空作業(yè)人員和飛機上的人員帶來(lái)極大的危害，因此必須優(yōu)先采用人眼安全的喇曼頻移Nd∶YAG或Er∶玻璃脈沖激光測距儀。