哈工大光电技术基础及应用大作业

《光电技术基础及应用》大作业（2015年春季学期）题目激光测距原理及军事应用姓名崔晓蒙学号1110811005班级1108110班专业机械设计制造及其自动化报告提交日期2015年4月23日哈尔滨工业大学大作业要求1.请根据课堂布置的4道大作业题，任选其一，题目自拟，拒绝雷同和抄袭；2.大作业最好包含自己的心得、体会或意见、建议等；3.大作业统一用该模板撰写，字数不少于5000字，上限不限；4.正文格式：小四号字体，行距为1.25倍行距；5.图表规范，参考文献不少于8篇；6.用A4纸单面打印；左侧装订，1枚钉；7.大作业需同时提交打印稿和2003word电子文档予以存档，电子文档由班长收齐，统一发送至：j_jyq@；8.此页不得删除。

评语：成绩（20分）：教师签名：2015年5月25日《激光测距原理及军事应用》摘要：本文简要介绍了脉冲激光测距原理及常见的激光测距光源，并对它们在军事上的应用作了相应的介绍。

关键词：激光测距，激光光源，军事应用1.概述1960年一种神奇的光诞生了，它就是激光。

激光的英文名称是Laser，取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。

意思是“受激辐射的光放大”。

由于激光在亮度、方向性、单色性以及相干性等方面都有不俗的特点，它一出现就吸引了众多科学工作者的目光，并被迅速地被应用在工业生产方面、国防军工方面、房地产业、各级科研机构、工程、防盗安全等各个行业各个领域：激光焊接、激光切割、激光打孔（包括斜孔、异孔、膏药打孔、水松纸打孔、钢板打孔、包装印刷打孔等）、激光淬火、激光热处理、激光打标、玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。

有关于激光的研究与生产制造也如火如荼地开展了起来。

激光与普通光源所发出的光相比，有显著的区别，形成差别的主要原因在于激光是利用受激辐射原理和激光腔滤波效应。

而这些本质性的成因使激光具有一些独特的特点：1.激光的亮度高。

固体激光器的亮度更可高达1011W／cm2Sr这是因为激光虽然功率有限，但是由于光束极小，于是具有极高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我们所见所有光（包括可见光中的强者：太阳光），这也是激光可用于星际测量的根本原因所在；2.激光的单色性好。

这是因为激光的光谱频率组成单一。

3.激光的方向性好。

激光具有非常小的光束发散角，经过长距离的飞行以后仍然能够保持直线传输；4.激光的相干性好。

我们通常所见到的可见光是非相干光，激光可以做到他们都做不到的事情，比如说切割钢材。

在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用最早的领域（1960年产生，1962年即被应用于地球与月球间距离的测量）。

测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。

激光测距是激光在军事上应用最早和最成熟的技术。

自1960年第一台激光器--红宝石激光器发明以来，便有人开始进行激光测距的研究。

和微波测距等其它方法相比，激光测距具有更好的方向性和更高的测距精度，测程远，抗干扰能力强，隐蔽性好，因而得到广泛的应用。

激光测距的研究还对雷达技术的发展起了很大的促进作用，因而在国民经济和国防建设中具有重要意义。

根据所发射激光状态的不同，激光测距分为激光脉冲测距和连续波激光测距，后者根据起止时刻标识的不同又分为相应激光测距和调频激光测距。

本文将介绍脉冲测距的最新技术发展。

2.相位法激光测距技术原理：当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。

这是因为基于相位法的激光测距仪轻易地就可以克服超声波测距的一大缺陷：误差过大，使测量精度达到毫米级别。

而基于此法的激光测距仪主要的缺点在于电路复杂、作用距离较短（一百米左右，经过众多科学工作者的努力，现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距仪）。

相位法激光测距技术，是采用无线电波段频率的激光，进行幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目标物间距离所产生的相位差测定，根据调制光的波长和频率，换算出激光飞行时间，再依次计算出待测距离。

该方法一般需要在待测物处放置反射镜，将激光原路反射回激光测距仪，由接收模块的鉴波器进行接收处理。

也就是说，该方法是一种有合作目标要求的被动式激光测距技术。

如下图所示：由图所显示的关系，我们可以知道，用正弦信号调制发射信号的幅度，通过检测从目标反射的回波信号与发射信号之间的相移φ，通过计算即可以得到待测距离。

D=ct/2①t=φ/ω②又有ω=2nf③φ=N+Δφ④即D=（N+Δφ）*c/(4nf)⑤其中，D是待测距离，也即测距仪与目标物间距离；C是光速，等于299792458m/s（假设光速未受环境影响）；t是往返测距仪与目标物间距离一次的时间；φ是激光光束往返一次后所形成的相位差；Δφ是激光光束往返一次后所形成的相位差不足半波长的部分；N是相位差中半波长的个数；ω是调制信号的角频率。

由于N的个数在激光飞行之后并不能确定，所以这就导致了基于相位法的激光测距仪只能测定Δφ，相位差中不足半波长的部分。

这就形成了相位法的内伤：最长作用距离固定，由调制光的波长决定。

但是从另一方面看，相位法激光测距仪可以准确地测量半个波长内的相位差，这也成就了相位法激光测距仪最为突出的优点：测量精度高，可达到毫米级别。

3.脉冲法激光测距技术原理：相位法与超声波测速测距所用方法相类似，最大测量距离通常为几百米，能较容易达到毫米的数量级，但是按照该方法设计的测距仪的最大测量距离是受到限制的，不可扩展。

该方法主要在国外应用较广。

而脉冲法激光测距一般采用红外激光，包括近红外激光和中红外激光。

该波段激光有可见和非可见之分。

且基于此技术的测距仪对相干性要求低、速度快、实现结构简单、峰值输出功率高、重复频率高且范围大，所以此项目使用的是脉冲方法设计手持激光测距仪。

脉冲法激光测距的原理是：如上图，激光测距设备对准测量目标——Target，发送光脉冲，光脉冲在经过光学镜头时，一束被透镜前的平面镜反射，进入激光反馈计时模块，经光电转换及放大滤波整流后，电平信号送入时间数字转换芯片的开始计时端；另一束激光脉冲经过透镜压缩发散角后，开始飞行，遇到目标障碍物后发生漫反射，部分激光返回到激光接收处理电路，同样地，经过光电转换及放大滤波整流后，所形成的电平信号送入时间数字转换芯片结束计时端，即完成整个测量过程。

其中，设D为待测距离，T为往返测量点与待测物间距离所用时间，C为激光在空气中传播的速度（假设已设置测量的环境参数），n为测量时大气折射率，那么，易得：D=CT/2n非常简单地，我们把对距离的测量转变为对时间差的测量，所以，在脉冲式激光测距中，需要测量的只是发射与接收激光的时间间隔、受环境因素影响的大气折射率、环境参数及激光传播速度。

这就是脉冲式测距的理论原理。

脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大(一般可达兆瓦)的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程。

在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使用合作目标，只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射索取的反射信号，也可以进行测距。

4.激光测距光源战术和战略用脉冲激光测距仪主要包括红宝石、Nd：YAG、CO2、喇曼频移Nd：YAG和Er玻璃等脉冲激光测距仪。

4.1红宝石脉冲激光测距仪0.69μm的红宝石脉冲激光测距仪是第一代军用激光测距仪，其结构简单，紧凑。

因工作波长属近红外绿光，极易暴露目标，加上对人眼极不安全，目前除少数应用外已被淘汰。

4.1Nd∶YAG脉冲激光测距仪Nd∶YAG脉冲激光测距仪的主要优点是隐蔽性、电效率和脉冲重复工作频率大大优于红宝石激光测距仪，因而从60年代后期开始广泛装备部队；主要缺点：①工作波长为1.06μm，相对说来较短，在大气中的衰减较大，不完全适合自然雾和战场烟幕等环境条件；② 1.06μm波长被发射后经人眼聚焦进入视网膜，在很短的距离上若不加防护观察，可以使人眼永久致盲；③1.06μm波长不与8~12μm热成像系统兼容。

而Nd∶YAG脉冲激测距仪目前仍具有无法取代的独特优点。

4.1CO2脉冲激光测距仪CO2脉冲激光测距仪是70年代末和80年代中期主要针对1.06μm的Nd∶YAG激光测距仪的缺点发展起来的新一代人眼安全激光测距仪。

其主要优点有：①大气穿透能力优于Nd∶YAG激光波长，能在较低能见度和战场烟幕等大气条件下工作；②能与8~12μm波段内的典型热成像系统兼容并可共用接收光学系统和探测器，能有效实现热成像仪能探测到的绝大多数目标；③能实现对人眼安全。

主要缺点是：①10.6μm的CO2激光波长极易被水分子(H2O)吸收衰减，在大气中含水蒸汽密度大的睛天和潮湿条件下，限制了它的最大测距能力，特别是雨天和目标被雪覆盖时，目标呈现多镜面对称反射，对CO2激光波长测距不利；②10.6μm的CO2激光波长对战术目标的反射系数低于1.54、1.06和0.69μm的激光波长。

4.1喇曼频移Nd∶YAG和Er∶玻璃脉冲激光测距仪喇曼频移Nd∶YAG和Er∶玻璃脉冲激光测距仪也和CO2一样发展于70年代末和8年代中期，主要优点是：①大气穿透能力高于1.06μm的Nd∶YAG激光波长而低于CO2激光波长；②对目标的反射系数和在睛天、高温度条件下测距时，其性能高于CO2激光波长并与Nd∶YAG激光波长相当；③对人眼的安全性高于CO2激光波长。

缺点是由于1.54μm波长属中红外波段，不能与8~12μm的热成像系统兼容，加上转换效率低、脉冲能量小和重复工作频率低(喇曼频移Nd∶YAG除外)等限制了它们的应用。

5.脉冲激光测距在军事上的应用脉冲激光测距仪作为军用装备器材，发展于60年代初。

经过30多年的开发、研制和装备，目前国外已完成了“手持式、脚架式、潜望式、坦克、装甲、水面舰载、潜艇潜望、高炮、机载、机场测云、导弹和火箭发射、人造卫星、航天器载”等约十三大类400多个品种和型号，其中装备量最大的是以Nd∶YAG为器件的固体脉冲激光测距仪，其次是喇曼频移Nd∶YAG和Er∶玻璃以及CO2脉冲激光测距仪。

5.1轻型便携式脉冲激光测距仪轻型便携式脉冲激光测距仪包括步兵和炮兵侦察用的手持式以及前沿侦察和前沿对空控制(FAC)双用途的激光测距仪—目标指示器。

对上述用途的系统，要求机动灵活、重复轻、体积小、用电池组作电源、可靠性和维修性高以及单一产品的成本低等。

主要技术性能：最大测程4~10km，测距精度±10m，重复频率为单次，束散角1~2mrad。