脉冲CO2 激光测距技术

脉冲CO2 激光测距技术及
其在国防领域的应用研究
院系：信息科学与技术系
专业班：光信息科学与技术0803班
姓名
学号：20081182103
指导教师：
2012年5月
脉冲CO2激光测距技术及
其在国防领域的应用研究Pulsed CO2Laser Ranging Technology And Its Application In The Field of
National Defense
摘要
脉冲CO2测距是现代军事侦察和距离探测中的一项重要技术，因其具有测程远、精度高、大气穿透能力强、能实现人眼安全等特点被用于各种测距机，对提高防空、海上作战，中近程精确打击及陆上武器攻击的命中精度方面起关键作用。

脉冲CO2测距技术在很多领域具有非常好的应用前景。

在国防领域上各个发展国家都非常重视对脉冲CO2测距技术的研究工作。

对于如何提高脉冲CO2测距技术的准确性、测距范围和人眼安全是我们研究的主要方向。

而对气体激光器的保护部分又是脉冲CO2测距技术的重要部分，这也是研究的要素之一。

本文首先对脉冲CO2测距技术进行简要的介绍，特点与优势、主要应用领域以及脉冲CO2测距的技术发展。

阐述了开展脉冲CO2测距技术的必要性及重要性，然后介绍了脉冲CO2测距技术的工作原理和系统组成。

由于测距性能在脉冲CO2测距技术系统中重要性，本文用了一章的篇幅着重对测距性能进行分析，并提出脉冲CO2测距技术在国防领域中对人眼安全的要求，对脉冲CO2测距技术中常用的测距性能进行分析比较，最后得出脉冲CO2测距技术在国防领域的广泛应用及其发展前景。

本课题设计的重点也就放在脉冲CO2测距技术的介绍和特点上，以及脉冲CO2测距技术在国防领域的应用上和发展前景。

本人的主要工作是通过资料和自己的了解详细介绍脉冲CO2测距技术及其在国防领域上的应用研究，并畅想其以后的发展前景。

关键词：脉冲CO2测距国防领域测距性能
Abstract
Pulse CO2 ranging is a key technology of the modern military reconnaissance and detection , because of its far measurement process ,high precision ,atmosphere through ability ,can realize the human eye safety features be used for a variety of ranging engine ,it play key role to improve the air defense ,marine combat ,short-range precision strikes and land of the precision weapons against . The technology has very good application in many fields . In the defense area ,so many development countries have attached great importance to its research work . For how to improve the ranging accuracy of CO2Pulse technology, human eye safety and ranging range .To protect the gas laser pulse is part of an important part of the Pulse CO2 ranging technology ,the research of this is also one of the elements of the study .
In this paper, first Pulse CO2 ranging technology, including a brief introduction of the characteristics and advantages, restrictions, main application fields and the technological development of Pulse CO2 ranging technology. In Pulse CO2ranging technology and importance of optical research, and then introduced its system principle and system composition .In part because of pulse laser ranging in Pulse CO2ranging technology system, this paper use a the importance of optical the length of chapter on the ranging performance analysis. Put forward the CO2 ranging technology in defense pulse in the field on the ranging of performance requirements ,the pulse CO2ranging technology used in performance ranging carries on the analysis comparison ,finally draw CO2ranging technology in defense of the field wide application and development prospect .
This topic is on the design emphasis of the pulse CO2ranging technology introduction and features, and its technology in defense of CO2 in the field of application and development prospect . My main job is through the material and his understanding of the detailed introduction pulse CO2ranging technology and its application in the field of research on defense ,and think about the prospects of the development of the future.
Key words：Pulse CO2 ranging defense field the ranging performance
目录
摘要 (3)
Abstract (4)
绪论 (1)
1 脉冲CO2激光测距系统原理与关键技术 (3)
1.1脉冲CO2激光测距系统基本原理 (3)
1.2脉冲CO2激光测距系统组成 (3)
2 脉冲CO2激光测距系统的工作过程和主要部件分析 (5)
2.1脉冲CO2激光测距系统的工作过程 (5)
2.2CO2激光器的结构和输出特性 (5)
2.21CO2激光器的结构 (5)
2.22CO2激光器的输出特性 (6)
2.3CO2激光器的激发过程 (6)
3 2KHZ 重复频率紧凑型TEA CO2激光器 (7)
3.1TEA CO2激光器的结构和特点 (7)
3.2对脉冲放电激励TEA CO2激光器的分析 (8)
4测距仪的光电读数显示和影响测距仪的各项因素 (10)
4.1 测距仪的光电读数显示距离的显示原理及过程 (10)
4.2 测量的精度分析 (10)
4.3光脉冲对测距仪的影响 (11)
5 脉冲CO2激光测距机的优势和缺陷 (12)
5.1 CO2脉冲激光测距机的主要优点 (12)
5.2CO2脉冲激光测距机存在的不足 (12)
6 脉冲CO2激光测距在国防领域的应用 (13)
6.1 战术用脉冲激光测距仪测距性能分析 (13)
6. 2脉冲CO2激光测距对人眼的要求 (13)
6. 3 在国防领域应用的各种脉冲激光测距类型 (14)
6. 4 脉冲CO2激光测距的发展和前景 (16)
结论 (17)
致谢 (19)
参考文献 (20)
绪论
随着激光产业的不断发展,脉冲激光器技术在国防领域的应用已经成为一种趋势，测距是激光在军事及其民用领域中的基本应用之一。

利用激光对目标进行跟踪和定位在军事，航天，航空等许多领域都有着重要的意义。

激光测距系统由于采用了具有高亮度，单色性好，方向性强的激光光源，在较小尺寸的光学天线情况下可以得到方向性很好的窄光束。

目前用于脉冲测距的激光一般采用短脉冲和超短脉冲，出于激光脉冲宽度只有十来纳秒，从而可以有效地提高测量的时间分辨率。

因此，与无线电定位相比，激光测距具有测距精度高，抗干扰能力强等优点。

其中CO2脉冲激光测距在军事领域的应用越来越多。

CO2脉冲激光测距机是70年代末和80年代中期发展起来的新一代人眼安全激光测距机。

脉冲CO2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。

脉冲CO2激光测距因其更能实现人眼安全的优势，在许多应用领域都有很好的应用前景，得到了极大的关注。

近几年来应用范围主要是在国防领域的发展，其技术本身也在不断的完善中。

随着对人眼安全考虑，CO2脉冲激光测距以其独特的优点受到人们的高度重视。

如今CO2脉冲激光测距领域的应用已经很普遍，技术也比较成熟，和现行的激光测距相比，CO2脉冲激光测距具有以下优势：
（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，能有效的对热成像仪探测到的绝大多数目标进行测距；
（3）能实现对人眼安全。

如美国"斯米尔"人眼安全激光测距机，CO2激光测距机发射人眼安全的10.6μm波长的激光；
（4）在烟雾中的传输性能好；
（5）与8～12μm热像仪工作在同一波长，因而兼容性好，敌方探测困难，适合与热像仪配用。

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。

CO2激光器目前它是连续输出功率较高的一种激光器。

现在应用于工业加工，医疗使用，军事武器，环境测量等各个领域。

CO2激光器是一种能量转换效率较高和输出功率较强的气体激光器。

目前准连续输出已有400千瓦。

微秒级脉冲的能量则达到10千焦，经适当聚焦，可以产生1013瓦每平米的功率密度，这些特性使得CO2激光器在众多领域得到广泛应用。

CO2激光器自1966年提出以来，一直受到极大的关注。

由于激光技术中气动技术的引进，为提高激光器的功率和效率开辟了广阔前景。

该激光器系统无化学毒害和污染，制作简便，其发射的波长为10.6um正处于大气窗口，可输出连续波高功率激光等突出特点，在激光武器的发展中占有极其重要的地位。

激光武器作为一种新概念武器，与传统常规武器相比，以其速度快，方向性好，能量密度高，作战耗费比高等优点，成为新世纪武器中的新宠。

目前美、法、徳、俄在利用CO2激光器研制的激光武器，综述目前气动CO2激光武器的现状及发展趋势。

七十年代末国际上开始研究人眼安全激光测距仪。

CO2激光测距仪就是研究最早的一种，它在八十年代得到迅速发展，现在已经比较发展成熟。

CO2激光测距仪克服了Nd:YAG激光测距仪的缺点，具有对大气穿透能力强，能与8～12μm波段的热成像系统兼容，对人眼安全等优点，因而在军事上得到广泛应用。

各国均在部队中大量装备脉冲CO2激光测距仪。

脉冲CO2激光测距仪它在大气中的传输性能非常好，特别是对水雾的穿透能力要比一般的脉冲激光器高出两个数量级。

在阴雨天或者潮湿的条件下，可达到更远的测程，因而非常适合激光制导和激光测距的应用，特别适合装备海军军舰中。

本课题设计的重点也就放在脉冲CO2测距技术的介绍和特点上，以及脉冲CO2测距技术在国防领域的应用上和发展前景。

本人的主要工作是通过资料和自己的了解详细介绍脉冲CO2测距技术及其在国防领域上的应用研究，并畅想其以后的发展前景。

1 脉冲CO2激光测距系统原理与关键技术
1.1 脉冲CO2激光测距系统基本原理
“脉冲CO2激光测距（Pulse CO2 Laser Rangefinder Technology）”激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。

其中脉冲激光测距原理是，用脉冲激光器向目标发射一列很窄的光脉冲（脉冲宽度小于50ns）,光达到目标表面后部分被反射，通过测量光脉冲从发射到返回接收机的时间，就算出测距机与目标之间的距离。

假设所测距离为h,光脉冲往返时间为t，光在空中的传播速度为c,则：h=ct/2 脉冲激光测距机能发出很强的激光。

测距能力很强，即使对非合作目标，最大测距也能达到3000m以上。

其测距精度一般为5米，最高的可达0.15米。

脉冲激光测距机既可在军事上用于对各种非合作目标的测距，也可以在气象上用于测定能见度和云层高度。

以及应用在对卫星的精密距离测量等领域。

1.2 脉冲CO2激光测距系统组成
脉冲CO2激光测距的系统组成和常规测距基本相同，一般一个典型的激光测距系统应具备以下四个模块：激光发射模块；激光接收模块；距离计算与显示模块；激光准直与聚焦模块，脉冲激光测距系统原理框图如下所示。

系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫反射回来，经接收单元接收、放大、整形后到距离计算单元计算完毕后显示目标物距离。

图1-1 脉冲激光测距原理框图
在测距点向被测目标发射一束强窄激光脉冲，光脉冲传输到目标上以后，其中一小部分激光反射回测距点被测距系统光功能接收器所接受。

假定光脉冲在发射点
与目标间来回一次所经历的时间间隔为t，那么被测目标的距离D为：D=ct/2 (1.1),式中：c为激光在大气中的传播速度；D为待测距离；t为激光在待测距离上的往返时间。

如图1-2所示的脉冲激光测距仪。

它主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路组成。

图1-2 激光脉冲测距仪的光学原理图
2 脉冲CO2激光测距系统的工作过程和主要部件分析
2.1 脉冲CO2激光测距系统的工作过程
脉冲CO2激光测距系统的工作过程大致如下：首先接通电源，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量；同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。

该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点。

大部分光脉冲能量射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲能量被接收系统接收，这就是回波信号。

参考信号和回波信号先后由光电探测器转换成为电脉冲，并加以放大和整形。

整形后的参考信号能触发器翻转，控制计数器开始对晶格振荡器发出的时钟脉冲进行计数。

整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。

这样，根据计数器的输出即可计算出待测目标的距离。

2.2 CO2激光器的结构和输出特性
CO2激光器的主要特点是输出功率大，能量转换效率高，输出波长（10.6um），广泛用于激光加工，医疗，大气通信及其他军事应用。

CO2激光器以CO2，N2 ,H e 的混合气体为工作物质，激光跃迁发生在CO2分子的电子基层的两个振动，转动能级之间。

N2 的作用是提高激光上能级的激励效率，有助于激光下能级的抽空。

2.2.1 CO2激光器的结构
图2-1封离式CO2激光器结构示意图
图2-1是一种典型的结构示意图，构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。

2.2.2 CO
激光器的输出特性
2
（1）放电特性
相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。

CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。

实验指出：随着管径增大，最佳放电电流也增大。

例如：管径为20～30um时，最佳放电电流为30～50mA；
管径为50～90um时，最佳放电电流为120～150mA。

（2）温度效应
CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40%，这就是说，将有60%以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。

而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。

并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。

特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。

2.3 CO2激光器的激发过程
CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图（5-2）所示。

CO2激光器中，通过以下三个过程将CO2分子激发到0001能级。

图2-1 与产生激光有关的CO2分子能级图
1.直接电子碰撞
电子与基态（0001）CO2分子碰撞使其激发到激光上能级。

2.级联跃迁
电子与基态CO2分子碰撞使其跃迁到000n能级，基态 CO2分子与高能量CO2分子碰撞后跃迁到激光上能级。

3.共振转移
由于N2分子（V-0）能级和电子碰撞后跃迁到（V-1）的振动能级。

这是一个寿命较长的亚稳态能级，因而可积累较多的N2分子，基态CO2分子与亚稳态N2分子发生非弹性碰撞并跃迁到激发上能级。

在以上三种激发过程中，共振转移的几率最大，作用也最显著。

3 2KHz重复频率紧凑型TEA CO2激光器
3.1 TEA CO2激光器的结构和特点
TEA CO2激光器具有高峰值功率和高重复频率输出的特点。

但因为由真空密封腔系统、谐振腔系统、气体高速循环系统、冷却系统等多部分组成，结构复杂，激光头体积较大。

同时受循环气体风速的影响，小型高重复频率TEA CO2激光器的频率大多在几十到几百赫兹左右，南非 Wouter Kiopper等人曾报道过重复频率为1kHz的稳定运转的TEA CO2激光器，是目前公开报道的重复频率最高的横向激励大气压CO2激光器。

采用大功率风机，提高气体高速循环系统的风速是获得高重复频率TEA CO2激光脉冲输出最直接有效地手段，但这同时又势必会增加激光头的体积，影响到激光器的应用领域。

该激光器外型尺寸小，采用小型风机涡轮增压技术，最高循环风速可达到100m/s以上，并以此为基础，获得单脉冲能量15mJ，输出脉冲宽度为60ns,重复频率为2kHz的稳定激光脉冲输出。

该CO2激光器工作介质为CO2、N
、He 的混合气体，工作气压为100kpa ,激光
2
器采用紫外电晕预电离结构，放电方向与光轴方向垂直。

激光腔外壳材料为不锈钢，其中主要放置主要放电电极、预电离电极、涡轮增压风机以及热交换系统等。

电极采用Ernst紧凑型电极，以获得优良的电场均匀性。

预电离采用石英管紫外电晕预电离，在主放电前，预电离放电后，主电极间部分气体被电离，电极间阻抗下降，主放电辉光放电，均匀稳定。

主放电电极间距10mm,电极宽度10mm ，电极长度120mm，工作气体放电增益体积为12x103mm3。

激光谐振腔为平凹腔，由一个曲率半径为4m 的全反镜和部分透射的平面输出镜构成一个稳定谐振腔。

考虑到腔内的激光输出的增益较低，输出镜采用双面镀膜工艺，腔内测渡对中心波长为10.6um，反射率为60%的膜层，外侧镀对中心波长为10.6um的增透膜。

如下图3-1所示，激光器系统由激光头、高压电源、脉冲形成单元、脉冲触发电路和触发信号源等几部分组成。

图3-1 2kHz 紧凑型TEA CO 2激光器系统框图 当涡轮增压风机开启后，激光头内气流由风机出口高速喷出，流经主电极。

高压电源开启，将脉冲形成单元内存储能电容迅速充至设定电压。

低电平触发信号经触发电路升压至2kV ，触发闸流管导通，当闸流管被触发导通瞬间，预电离电容感应出高压，由于阴极与预电离之间间隙很小，首先放电产生紫外电晕。

在紫外电晕与电力的作用下，主电极间电子迅速增加，当电子密度达到一定程度时，主电极间气体辉光放电，形成均匀激励场。

激光脉冲在谐振腔内震荡输出。

其脉冲重复频率由作为信号源的信号发生器控制，连续可调，最大输出脉冲信号频率为300kHz 。

3.2 对脉冲放电激励的TEA CO 2激光器分析
作为高气压为CO 2激光器，其气体比例及压强存在一个最佳值，当总气压超过最佳值后，会出现气体不易放电或局部区域弧光放电的现象，导致输出激光脉冲能量下降。

根据气体比例实验的结果，该激光器件工作介质由CO 2、N 2 、He 的3种混合
气体组成。

激光器输入能量由储能电容量和充电电压确定。

激光器的输出能量与激励电压呈线性增加的关系，激励电压越高，输出能量越大，曲线并未呈现饱和。

但在激光器的电极结构与工作介质条件一定时，激光器最大注入能量是一定的。

注入能量太低，激励能量不够，注入能量过大，容易导致收缩电弧的形成，破坏放电电场的均匀性，激光输出能量下降。

在18kV 激励电压条件下，主电极间注入能量密度为2.7x10-5J.mm -3,电光转化效率约为4。

脉冲放电激励的TEA CO 2激光器的增益开关效应，腔内迅速建立而形成光脉冲
的输出具有较窄的脉冲宽度，通常这一宽度大约在200ns左右。

而该激光器的腔内气压为100kPa ，较高的气压使得参与激励的气体分子增多，使上下能级粒子反转密度增大，加快了上下能级粒子弛豫速率，缩短了能级寿命，因而激光脉冲宽度仅为60ns。

脉冲放电激励的TEA CO2激光器是通过电子对CO2分子的串级激发实现增益放大的，即先激发到高能级CO2，然后经过多次碰撞在0001能级积聚，当激活介质的增益逐渐增大以致超出损耗时，在腔内迅速建立震荡，输出激光。

这一能量的交换过
程需要一定的时间，通常这一时间需要1~2us ，加之对于含N
2器件而言，因为N
2
分
子激发CO2时其能量转移速率较慢，激光脉冲建立的时间会更长一些，大约3~4us 之间。

相对于2kHz的激光脉冲重复频率间隔时间500us，激光脉冲的建立时间是充裕的。

当处于放电区的工作介质达到足够的清洗速率，激光器则可以获得稳定的高重复频率的脉冲输出。

在激光器脉冲重复频率低于500Hz运转时，激光脉冲输出能量是基本稳定的，而当大于500Hz时，激光脉冲能量呈现一定的下降趋势。

初步分析可能是由于重复频率的增加，增益区粒子温度上升，反转粒子数下降所导致。

此外，长时间气体放电引起的CO2分子分解也会导致能量的下降，因此在激光混合气中适当加入还原性气体比例以延长激光增益介质的寿命，是该类型激光器长效稳定运转的关键。

在紧凑型横向激励大气压CO2激光器中，采用小型风机涡轮增压技术，最高循环风速可达100m/s以上，并以此为基础，获得单脉冲能量15mJ,输出脉冲宽度为60ns，重复频率为2kHz的稳定激光脉冲输出。

4 测距仪的光电读数显示和影响测距仪的各项因素
4.1 测距仪的光电读数显示距离的显示原理及过程
图4-1 光电读数显示
脉冲测距中脉冲在测距上的往返时间极短，所以通常用记录高频振荡的晶体的振动次数进行计时。

图4-1所示为这种设备的原理方框图。

当发射的参考光脉冲进入接收器并转换成电脉冲后，输入图4-1中的“主门”（主门电路），同时将主门打开。

此时由石英晶体振荡器产生的电脉冲经过主门而进入计数器，计数器开始计数，同时数码显示器不断地指示出计数器所记录的电脉冲数。

等到反射光脉冲信号进入接收器并转变成电脉冲输入主门时，主门立即关闭，石英晶体振荡器所产生的电脉冲信号不能再进入计数器，计数器停止计数。

在显示器上显示出的数字就是光脉冲从发出到返回这段时间里振荡器所产生的电脉冲数。

根据公式(1.1)就可以得到距离。

4.2 测量的精度分析
激光脉冲测距仪的测距精度大多为“米”数量级，适用于军事及工程测量中精度要求不太高的某些项目。

远距离的空间测量也都利用激光脉冲法测距，因为对于遥远空间来说，测量误差在“米”数量级，精度已经很高了。

测距仪的分辨力P L取决于计数脉冲的频率，由公式（1.1）可知：
f0=c/2P L ,其中f0为计数脉冲的频率，可知若要求测距仪的分辨力为P L=1m，则要求计数脉冲的频率为150MHz，由于技术脉冲的频率不能无限制提高，脉冲测距仪的分辨力一般较低，通常为数米量级。

公式δL=tδc/2 + cδt/2，光速c的精度δc
取决于大气折射率n的测定，由n值的测量误差而带来的误差为10-6。

所以，对短距离脉冲激光测距仪来说，测距精度主要取决于时间t的测量精度δt。

影响δt的因素很多，如激光的脉宽、反射器和接收系统对脉冲的展宽、测量电路对脉冲信号的响应延迟等。

4.2光脉冲对测距仪的影响
为了扩大测量范围，提高测量精度，测距仪对光脉冲应有以下要求：
（1）光脉冲应有足够的强度
无论怎样改善光束的方向性，它总不可避免地要有一定的发散，再加上空气对光线的吸收和散射，所以目标越远，反射回来的光线就越弱，甚至根本接收不到。

为了测出较远的距离，就要使光源能发射出较高功率密度的光强。

（2）光脉冲的方向性要好
这有两个作用，一方面可把光的能量集中在较小的立体角内，在保证射得更远的同时提高保密性；另一方面可以准确的判断目标的方位。

（3）光脉冲的单色性要好
因为无论是白天还是黑夜，空中总会存在着各种杂散光线，这些光线往往会比反射回来的光信号要强得多。

假如这些杂散光的光信号一起进入接收系统，那就根本无法进行测量了。

因此，加入一个滤光片，只允许光信号中的单色光通过而不让其他频率的杂散光通过。

显然，光脉冲的单色性越好，滤光片的滤光效果也就越好，这样就越能有效地提高接收系统的信噪比，保证测量的精确性。

（4）光脉冲的宽度要窄
所谓光脉冲的宽度，是指闪光从“发生”到“熄灭”之间的时间间隔。

光脉冲的宽度窄一点，可以避免反射回来的光和发射出去的光产生重叠。

另外在测距仪其他因素一定时，激光发散角越大，测距本领就会降低，因此应尽量减小发散角。