激光测距及在军事上的应用

激光测距及在军事上的应用光子学中心袁建伟摘要：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 引言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 脉冲激光测距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。

一个典型的脉冲飞行时间激光测距系统通常有以下五个部分组成:激光发射单元,一个或两个接受通道,时刻鉴别单元,时间间隔测量单元和处理控制单元。

激光发射单元在t0时刻发射一激光脉冲,其中一小部分功率直接进入接收通道1,经时刻鉴别单元产生起始(START)信号,开始时间间隔测量;其余功率从发射天线向目标发射出去,经距离R到达目标后被反射;接受通道2的光电探测器接受到返回脉冲,经放大后到达时刻鉴别单元,产生一终止(STOP)信号,终止时间间隔测量;时间间隔测量单元把所测得的结果t输出到处理控制单元,最后得到距离R=ct/2。

3 激光测距在军事上的应用（1）　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。

　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。

　 ２．Ｎｄ∶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；②１．０６μｍ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。

　 ３．ＣＯ２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；③１０．６μｍ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．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。

　 （２）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。

　 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。

值得关注的的是，由于上述激光测距仪及其系统常与其他友军密切配合作战且不带装甲部队大范围训练以及无合作目标、操作手不带防护目镜等，人眼安全极为重要。

因此，这类脉冲激光测距仪已逐渐由装备Ｎｄ∶ＹＡＧ激光测距仪改为喇曼频移Ｎｄ∶ＹＡＧ和Ｅｒ∶玻璃１．５４μｍ的人眼安全激光测距仪。

　 在现代战争中，由以前单一的步兵、炮兵独立作战发展到有步兵、炮兵和海军陆战队组成的特种部队联合作战，武器系统也由单一的地炮、高炮逐渐采用多功能综合高技术。

因此激光测距仪也由单一测距功能的便携式、手持式发展到激光测距、红外瞄准的昼夜观测仪以及激光测距、目标指示、红外瞄准的激光红外目标指示器等。

如美国光电公司采用Ｅｒ∶玻璃激光器的小型激光红外观测仪（ＭＥＬＩＯＳ）是当代较先进激光测距仪的代表。

　 ２．地面车载脉冲激光测距仪　 地面车载脉冲激光测距仪包括坦克、步兵战车（ＩＦＶ）、火控、对空防御、火炮或导弹制　导火控以及目前发展的地面车载激光测距仪—目标指示器等。

其主要技术性能：最大测程　４￣１０ｋｍ，测距精度±５￣１０ｍ，目标分辨约２０ｍ，重复频率０．１￣１Ｈｚ，束散角０．４￣１ｍｒａｄ。

　 激光测距仪在坦克火控系统中的应用是提供弹道轨迹的超仰角修正信息和因逆风或目标移动引起的方位角校正信息以及距离信息。

步兵战车主要是使用激光测距仪去测量目标是否在反坦克导弹的距离内，其次用于枪炮火控和对目标的分选。

为了做到激光测距仪完全有效地对任何能探测到的目标测距以及通过火控系统全天候被动探测、识别和分选，这些系统还应包括：瞄准光学系统、电视摄像机和红外热成像仪（ＦＬＩＲ）等。

这是目前非常迫切需要的但不可能通过任何单一功能和单一波长激光测距仪能完全满足的系统。

　 据外刊报道，美国休斯公司采用喇曼频移Ｎｄ∶ＹＡＧ激光测距、电视摄像和红外成像组成的坦克、装甲车激光测距仪系统是目前最新型的设备。

但是这种系统若采用１．０６μｍ的　Ｎｄ∶ＹＡＧ激光测距，尽管在测距仪上装上衰减滤光片，对合作目标测距训练时已基本达到人眼安全要求，而经论证后的坦克和步兵作战的操作人员及指挥、作战人员应采取人眼安全措施，或者采用人眼安全的１．５４μｍ激光波长测距，从根本上实现对人眼安全的要求。

　３．对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪　 对空防御的脉冲激光测距仪以及采用了自保护措施的步兵战车对空防御脉冲激光测距仪均应按火控系统和作战系统的要求工作，在距离和距离速率以内对空中高速机动目标提供稳定的跟踪信息和距离信息，以对抗武装直升机、隐身飞机和巡航导弹、反辐射导弹的威胁。

这就要求激光测距仪提供比较高的数据率（高的激光脉冲速率）和相当高的距离精度，如最大测程为４￣２０ｋｍ，测距精度为±２．５￣５ｍ，重复频率为６￣２０Ｈｚ，束散角为０．５￣２．５ｍｒａｄ等。

然而，若其交战距离相当远（约达２０ｋｍ以上），这么远的距离实际对抗出现在不模糊的大气条件下，仅要求激光测距仪的灵敏度比坦克测距仪稍高一些；若在某些高湿度季节或某些高温度气象区域内，由于很强的Ｈ２Ｏ分子吸收，限制了长波长（如１０．６μｍ的ＣＯ２）脉冲激光测距仪最大测距能力的发挥，此时，应采用１．０６μｍ的Ｎｄ∶ＹＡＧ脉冲激光测距仪，或者采用喇曼频移Ｎｄ∶ＹＡＧ及Ｅｒ∶玻璃（１．５４μｍ）的脉冲激光测距仪，如美国休斯公司采用喇曼频移Ｎｄ∶ＹＡＧ和Ｅｒ∶玻璃的光电跟踪探测激光测距仪是目前先进系统的典型示例。

　 ４．机载脉冲激光测距仪　 机载脉冲激光测距仪可以用来装备武装直升机的导弹指令制导和装备固定翼飞机，用于封锁支援的光电飞行器等目标以及拦截飞机和导弹的攻击。

这些典型应用一般采用１．０６μｍ的Ｎｄ∶ＹＡＧ激光测距仪并具有激光测距和目标指示的能力，或者采用１．５４μｍ波长的人眼安全喇曼频移Ｎｄ∶ＹＡＧ脉冲激光测距仪＿目标指示器等，以保护机载系统完成作战任务或主动攻击空中的光电目标。

机载脉冲激光测距仪的主要技术性能：测程远（用于武装直升机为４￣１０ｋｍ，用于固定翼飞机为１０￣２０ｋＭ）、测距精度高（用于武装直升机为±５￣１０ｍ，用于固定翼飞机为±１￣１０ｍ）、重复频率高（用于武装直升机为４Ｈｚ，用于固定翼飞机为５￣２０Ｈｚ）、束散角小（用于武装直升机为０．４￣１ｍｒａｄ，用于固定翼飞机为０．１￣０．５ｍｒａｄ），同时机载设备应体积小、重量轻并要与航空指示器共用。

因此，激光器必须使用高效循环液体作冷却器，以适应高的运转速率要求，否则要采用气体或混合气体升压冷却。

目前，美国研制的“利登”激光系统（ＬＡＮＴＩＲＮ）则采用喇曼频移Ｎｄ∶ＹＡＧ激光目标指示器测距仪，是现代激光测距仪多功能化并扩大机载应用的典型示例。

　 ５．舰载脉冲激光测距仪　 舰载脉冲激光测距仪的发展在轻型便携式、车载和对空防御激光测距仪之后，它包括水面舰载和潜艇潜望两大类。

　 水面舰载脉冲激光测距仪在技术性能指标方面与车载火控和对空防御激光测距仪相同，在环境使用方面要适应舰载海空、海面以及海上盐雾的荷刻要求，而在体积、重量、电效率、维护保养能力和成本等方面的要求又不苛刻。

因此，目前大量用来装备常规火控和对空防御的海军舰只，如掩护（无声雷达）舰载飞机回收和与红外热成像、电视等组成跟踪系统，全天候监视和跟踪空中目标等独特的舰上应用正在出现，其应用前景相当广泛。

　 潜艇潜望脉冲激光测距仪目前采用两种组合方式，第一种将激光测距仪、图像增强器和热成像仪装于其潜望镜中，而距离显示器、触发按钮等分别装于操作手上方或附近。