高中物理激光的应用

激光雷达的工作原理
激光雷达工作原理和微波雷达差不多，它是先向可能来犯的 目标方向发射激光探测信号，光波碰到目标后被反射回来成为 回波。由于回波经历的时间等参数变化恰好反映了接近目标的 情况和运动状态的变化，所以通过测量回波信号的到达时间、 频率变化、波束所指方向等就可以确定目标的距离、方位和速 度等。测速可有两种方法：一种是测量目标在通过一段巳知距 离前后，激光反射信号的时间差，从而可计算出目标运动速度； 另一种是测量由运动目标上反射回来的激光信号的频率变化的
f 2V cos( ) /
大小，间接推算出被测目标的运动速度。 光学多普勒效应足指发射的光波，如果遇到活动目标则反射
信号的频率要发生变化。二者之差叫多普劲频率f
式中：λ 为发射光波长。θ 为目标运动方向与发射光束方向的夹
角。 为V目标与雷达的相对运动速度。
只要知道多普勒频率大小，就可以推算出目标对雷达的相 对径向速度。因为激光的频率高，故可用于测量高速和低速。 由于频率测定精度极高，所以激光测速精度也高。比如，用 氦氖激光观测每秒一厘米的慢速运动目标，由于光频变化量 (多普勒频率)与波长成反比，可以得到30千赫的频率变化量； 而若用波长3厘米的微波，只能得到0.7赫的频率变化量，显 然，数值太小很难测量。对于每秒仅干分之几厘米的超低速 运动目标，微波雷达就无能为力了，而激光雷达却能精确测 定。目前，多利用气体激光的频率精度进行激光多普勒测速。
激光雷达是在激光测距向多功能发展的情况下出现的。它 不仅可以精确测距，而且可以起精确测速、精确跟踪、警戒 防撞、控制飞船会合等乍用。雷达，这个号称国防干里眼的 名称，原意为无线电定位的英文“radar”的译音。它经历了 无线电雷达，超高频雷达，微波雷达Leabharlann Baidu发展阶段。为了适应 现代战争高精度定位的需要，有人曾提出过研制频率更高的 光雷达方案，但因普通光亮度和单色性较差的限制，使之发 展迟缓。直到1960年激光问世后，才打开了光雷达的发展局 面。
穷追不舍的神射手--激光制导武器
利用激光的高方向性，控制和导引武器准确到达目标，是激光制导。 激光制导武器，主要包括激光制导导弹、激光制导炸弹和激光制导炮弹， 就如同给这些武器安上了激光“眼睛”，使它们抗电磁干扰能力极强， 命中率极高。也就是说，利用激光为导弹、炸弹或炮弹瞄准，可以指哪 打哪，百发百中。
分辨前后左右相邻目标的能力)越高，识别能力越强。比如， 微波一般只能发现高大的建筑物和山丘，而激光雷达则能识 别电线杆、空中电线、烟囱等小障碍物。要控制飞船在空中 的交会与停靠，必须精确地测定它们之间相互位置和速度， 才能使它们一个追踪一个的逐步靠拢和会合。此时使用地面 无线电雷达很因难，使用微波雷达时精度又常常达不到。但 若用一台平均功率几十瓦的空间船载激光雷达，则可精确地 探测到相距一万多公里远的两个飞船的距离。
分辨力强、观测和跟踪精度高是激光雷达的最大优点。 当然，它也有局限性，比如，正由于激光方向性强、波束 发散小，大面积搜索和监视时就容易丢失目标。所以它不 适于用作搜索雷达。另外，由于波长短，大气成分对激光 散射和吸收较微波严重，尤其在雨、云、雾天其作用距离 短，甚至难以正常工作。总之，微波雷达和激光雷达可有 所长，应互相补充。
激光的波长比微被短得多，而频率比微被却高得。实践表 明；波长越短，所需的发射天线直径越小。比如，从地球照 射到月球上一平方公里的区域，激光发射天线的直径30厘米 就够了，丽微波天线的直径约需几公里，目前还造不出这么 大的可转动天线，因此地球到月球的测距只有激光问世后才 得以实现。实践还表明：频率越高，分辨力(在一定距离上
激光分辨力高，加上它单色性好，脉冲宽度比微波小得多， 所以利于抗干扰。比如，探测地面或低空目标时，微波回波 信号常被地面反射波所掩没，由于干扰就出现无法探测的区 域(雷达技术上叫盲区)。而使用激光时则可排除背景或地面杂 散回波的干扰和噪声影响，因而它能对超低空目标进行观测， 常应用于导弹发射初始段尤其对巡航导弹的跟踪。再比如洲 际导弹，只要它释放出大量干扰物或干扰机充当假目标。或 者利用小型核爆炸制造一个人为的反射微波电离层时，就足 以使微波雷达失灵或瘫痪，而这些对激光雷达干扰的影响则 不大，它可照常工作。
在现代战争中，配用微波雷达和配用激光雷达的反导系统的 情况则大不一样。一般超远程雷达提供的预警时间(从发现到 命中目标所需时间)约15分钟，即使超视距雷达(能探测地平 线以下、直线视距以外的各种目标)也不过30分钟。而在实战 中仅对目标粗跟踪和精密跟踪就约需十几分钟，这样剩给
引导拦击导弹的时间就不多了。目前洲际导弹的核弹头已 发展到分导式多弹头(一个母弹内装若干备有动力和制导系 统的子弹头)。它的子弹能机动飞行，各自寻找和攻击不同 的目标。激光雷达的反导系统，由于光速比最快的栏截导 弹还决几十万倍，因而可赢得很多的预警时间，使反导系 统有足够的时间对分导式多弹头逐个歼灭。
激光自动跟踪雷达
对现代战争层有意义的是激光自动跟踪雷达，下图是它的组 成方柜图。它包括激光发射、接收、信息处理和数字显示等部 分。
采用四棱镜的脉冲激光跟踪系统
四棱锥的尖顶削平，形成一个中心平面和四个对称侧面， 中心面垂直并正对反射式接收望远镜的光轴。当目标位于望 远镜光轴上(正前方)时，回波光束恰好落在中心平面上，进 而传至测距系统，此时四个侧面则感受不到回波光束。当目 标偏离光轴时，说明目标不再在正前方，回波光束即偏射到 棱镜相应的侧面，并反射到对应的光电探测器l、2、3、4中 的一面上。此时产生误差信号输出，该误差信号正好反映了 目标偏离光轴的方位变化。比如光电探测器1或3上有信号输 出，就表示目标偏上或偏下；若2或4上有信号输出，就表示 目标偏右成偏左。不同光电探测器的误差信号进入自动跟踪 控制署时，就产生一个方位差值指令电信号推动伺服系统， 使望远镜光轴重新对准目标。这样就实现了自动跟踪。从雷 达座上的经纬刻度就能读出目标的方位角和仰角。当然，除 了四棱锥外还可用别的器件获得误差信号。
激光束本来发散就很小，经发射望远镜后光束发散角可小 到干分之一度，而微波雷达最小也有几十分之一度。波束发 散小，不仅光能集中射的远，而且可进一步提高分辨能力。 比如，波束发散为1度的机载微波雷达，从1500米的上空照 射到地面形成直径约26米的圆，此圆内的地形起伏很难分辨； 但使用激光雷达在同样高度时，地面光斑直径仅十几厘米， 因此能分辨出地形的细节。