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及通用性能

　　戰(zhàn)術和戰(zhàn)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，其結構簡單，緊湊。因工作波長屬近紅外綠光，極易暴露目標，加上對人眼極不安全，目前除少數(shù)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年代后期開始廣泛裝備部隊。

　　主要缺點：

　?、俟ぷ鞑ㄩL為1.06μm，相對說來較短，在大氣中的衰減較大，不完全適合自然霧和戰(zhàn)場煙幕等環(huán)境條件；

　　②1.06μm波長被發(fā)射后經(jīng)人眼聚焦進入視網(wǎng)膜，在很短的距離上若不加防護觀察，可以使人眼永久致盲；

　　③1.06μm波長不與8~12μm熱成像系統(tǒng)兼容。

　　而Nd∶YAG脈沖激光測距儀目前仍具有無法取代的獨特優(yōu)點，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(zhàn)場指揮員、步兵偵察員、炮兵前沿指揮觀測員以及艦隊基地指揮員、海軍陸戰(zhàn)隊員用手持瞄準觀察和測距。

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

　　(3)廣泛用于對空防御系統(tǒng)，提高對抗高速飛機和機動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(tǒng)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激光器實現(xiàn)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激光測距儀的缺點發(fā)展起來的新一代人眼安全激光測距儀。

　　其主要優(yōu)點有：

　　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；

　?、谀芘c8~12μm波段內(nèi)的典型熱成像系統(tǒng)兼容并可共用接收光學系統(tǒng)和探測器，能有效實現(xiàn)熱成像儀能探測到的絕大多數(shù)目標；

　?、勰軐崿F(xiàn)對人眼安全。

　　主要缺點是：

　　①10.6μm的CO2激光波長極易被水分子(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，目標呈現(xiàn)多鏡面對稱反射，對CO2激光波長測距不利；

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

　　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)點是：

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

　?、趯δ繕说姆瓷湎禂?shù)和在睛天、高溫度條件下測距時，其性能高于CO2激光波長并與Nd∶YAG激光波長相當；

　?、蹖θ搜鄣陌踩愿哂贑O2激光波長。缺點是由于1.54μm波長屬中紅外波段，不能與8~12μm的熱成像系統(tǒng)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問題有待解決。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波長頻移到1.54μm。因此，激光器與Nd∶YAG一樣結構緊湊，但價格高而結構復雜。頻移波長1.54μm經(jīng)測距儀發(fā)射后進入人眼視網(wǎng)膜以前被人眼的液體部位吸收和耗散掉了，實現(xiàn)了對人眼安全。這類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(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。主要技術性能：最大測程4~10km，測距精度±10m，重復頻率為單次，束散角1~2mrad。值得關注的的是，由于上述激光測距儀及其系統(tǒng)常與其他友軍密切配合作戰(zhàn)且不帶裝甲部隊大范圍訓練以及無合作目標、操作手不帶防護目鏡等，人眼安全極為重要。因此，這類脈沖激光測距儀已逐漸由裝備Nd∶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(xiàn)代戰(zhàn)爭中，由以前單一的步兵、炮兵獨立作戰(zhàn)發(fā)展到有步兵、炮兵和海軍陸戰(zhàn)隊組成的特種部隊聯(lián)合作戰(zhàn)，武器系統(tǒng)也由單一的地炮、高炮逐漸采用多功能綜合高技術。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測儀(MELIOS)是當代較先進激光測距儀的代表。

　　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(tǒng)中的應用是提供彈道軌跡的超仰角修正信息和因逆風或目標移動引起的方位角校正信息以及距離信息。步兵戰(zhàn)車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(nèi)，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火控系統(tǒng)全天候被動探測、識別和分選，這些系統(tǒng)還應包括：瞄準光學系統(tǒng)、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任何單一功能和單一波長激光測距儀能完全滿足的系統(tǒng)。

　　據(jù)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、裝甲車激光測距儀系統(tǒng)是目前最新型的設備。但是這種系統(tǒng)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(zhàn)的操作人員及指揮、作戰(zhàn)人員應采取人眼安全措施，或者采用人眼安全的1.54μm激光波長測距，從根本上實現(xiàn)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(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。這就要求激光測距儀提供比較高的數(shù)據(jù)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(zhàn)距離相當遠(約達20km以上)，這么遠的距離實際對抗出現(xiàn)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(jié)或某些高溫度氣象區(qū)域內(nèi)，由于很強的H2O分子吸收，限制了長波長(如10.6μm的CO2)脈沖激光測距儀最大測距能力的發(fā)揮，此時，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系統(tǒng)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(tǒng)完成作戰(zhàn)任務或主動攻擊空中的光電目標。機載脈沖激光測距儀的主要技術性能：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(tǒng)(LANTIRN)則采用喇曼頻移Nd∶YAG激光目標指示器測距儀，是現(xiàn)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。

　　水面艦載脈沖激光測距儀在技術性能指標方面與車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(yǎng)能力和成本等方面的要求又不苛刻。因此，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(無聲雷達)艦載飛機回收和與紅外熱成像、電視等組成跟蹤系統(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。

　　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，整個系統(tǒng)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12m長的潛望鏡管和15~20塊透鏡，能量損耗較大。主要技術性能是：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距離戰(zhàn)略用激光測距儀。該類激光測距儀的特點是，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(tǒng)自動完成跟蹤和測距。而這類激光測距儀通常裝在人造衛(wèi)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冷卻系統(tǒng))、可靠性高(因為太空中長期無人維護)、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)動機的發(fā)射費用決定)等。

　　根據(jù)太空載脈沖激光測距儀的應用環(huán)境、功能和技術性能特性，采用小于1μm的短波長激光器，如半導體激光器、倍頻Nd∶YAG激光器和紫外波長等比較合適。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，其最大測程可以大于1000km；若采用小于0.3μm的紫外波長測距，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測量云層垂直高度的儀器稱為云高激光測距儀。這類激光測距儀主要用來測量機場的云層高度，也可用來測量衛(wèi)星發(fā)射點的云層高度，為飛機的起降或衛(wèi)星發(fā)射提供安全的氣象數(shù)據(jù)。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(shù)很小，對最大測程為2~3km的高度應采用5~40mJ的激光發(fā)射能量來測距，其束散角為1~5mrad，遠遠大于其它類脈沖激光測距儀，這是其主要特點。這類脈沖激光測距儀若加以很好的隱蔽，可以為前沿軍事基地、機場或軍用衛(wèi)星發(fā)射點(近距離)的安全提供可靠的氣象數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭不可缺少的儀器；若使用它為大型國際機場、小型商業(yè)民用機場和民用通信衛(wèi)星發(fā)射點(近距離)提供飛機起降或衛(wèi)星發(fā)射的安全氣象數(shù)據(jù)，將對國民經(jīng)濟建設和提高國際信譽產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。但測距儀的激光束通過高空和自由太空傳播，將會對高空作業(yè)人員和飛機上的人員帶來極大的危害，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。