《激光探测技术》PPT课件.ppt

6.1概述激光：激光的最初中文名叫做“镭射”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation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”。激光的英文全名已完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。,第六章激光探测技术,激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的50亿倍。它的原理早在1916年已被著名的物理学家爱因斯坦发现，但要直到1958年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。,6.1概述,激光的产生：原子或分子等微观粒子具有高能级E2和低能级E1，在两能级间存在着自发发射跃迁、受激发射跃迁和受激吸收跃迁等三种过程。受激发射跃迁所产生的受激发射光，与入射光具有相同的频率、相位、传播方向和偏振方向。一个原子从高能阶降到低能阶时，会放出一个光子，原子在高能阶时受到一个光子的撞击，就会受激而放出另外一个相同的光子，变成两个光子，如果受激放光的过程持续产生，则所发出来的光子便会越来越多。利用共振腔，把由光放大器所产生的光线用反射镜局限在一个特定的范围内，让光线可以来回反射；透过共振腔的作用，能让光线行进的方向完全相同，能量足够大时就会有光子射出，从而产生激光。,6.1概述,激光的特点：1、定向发光：普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。,6.1概述,2、亮度极高：在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。,6.1概述,3、颜色极纯：光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色。发射单种颜色光的光源称为单色光源，单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氪灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氪灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到210-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。,6.1概述,4、相干性好：激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光。5、闪光时间可以极短：由于技术上的原因，普通光源的闪光时间不可能很短，照相用的闪光灯，闪光时间是千分之一秒左右。脉冲激光的闪光时间很短，可达到6飞秒（1飞秒=10-15秒）。闪光时间极短的光源在生产、科研和军事方面都有重要的用途。,6.1概述,6、能量密度极大：光子的能量是用E=hf来计算的，其中h为普朗克常量，f为频率。由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846*10(14)Hz到7.895*10(14)Hz.由此看来，激光能量并不算很大，但是它的能量密度很大（因为它的作用范围很小，一般只有一个点），短时间里聚集起大量的能量，用做武器也就可以理解了。,6.1概述,电磁波电磁波谱可大致分为：（1）无线电波：波长从几千米到0.3米左右，一般电视和无线电广播的波段就是用这种波；（2）微波：波长从0.3米到10-3米，这些波多用在雷达或其它通讯系统；（3）红外线：波长从10-3米到7.810-7米；（4）可见光：这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从780380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波。由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分；,6.1概述,（5）紫外线波长从310-7米到610-10米。这些波产生的原因和光波类似，常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当，因此紫外光的化学效应最强；（6）伦琴射线这部分电磁波谱，波长从210-9米到610-12米。伦琴射线（X射线）是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的；（7）射线是波长从10-1010-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的，放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。射线的穿透力很强，对生物的破坏力很大。,6.1概述,激光技术应用：1、激光加工；2、激光在医学中的应用：激光美容等；3、激光在计算机方面的应用；4、激光传感器（lasertransducer）利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等；5、激光雷达、激光武器等。,6.1概述,一、激光探测技术在军事上的应用引信：触发引信（机械引信）；近炸引信（电子引信）；执行引信。近炸引信定义：通过目标出现时周围空间物理场特性的变化感觉目标的存在，并在预定的位置适时起爆战斗部的一种引信。,6.1概述,近炸引信：按其借以传递目标信息的物理场的来源可分为主动式、半主动式和被动式三类；根据对目标的探测方式不同有无线电近炸、磁近炸、红外近炸、激光近炸、电容近炸、毫米波近炸等。,6.1概述,近炸引信发展：1、无线电引信利用无线电波获取目标信息的近炸引信。习惯上把无线电引信以外的近炸引信，统称为非无线电引信。起源于20世纪年代，1943年装备部队，是应用最为广泛的一种近炸引信，它在战术导弹和战略导弹中均被广泛用。它不仅可以检测到目标的存在，还可以获得引信与战斗部最佳配合所需的目标方位、距离（高度）、速度等信息。,6.1概述,按工作波长分，有米波（波长为1-10米）和微波（波长为1毫米-1米）无线电引信。按工作体制分，有多普勒式、调频式、脉冲式、比相式和编码式等无线电引信。按无线电波辐射物理场源分，有主动式、半主动式和被动式无线电引信。半主动式无线电引信的辐射源由使用方设置在引信以外的地面上、飞机上或军舰上。被动式无线电引信的辐射源即为目标本身。两者的敏感装置只有接收系统。主动式无线电引信的敏感装置既含有发射系统也包括接收系统它对目标探测定位的方式与雷达类似，俗称雷达引信。,6.1概述,优点（与机械引信相比）它不仅可以检测到目标的存在，还可以获得引信与战斗部最佳配合所需的目标方位、距离（高度）、速度等信息。缺点：1、泼长较长，角度分辨率低，作用距离尽，探测识别能力明显不足，对目标、环境等不能进行有效识别；2、泼束发散角大，易被对方接收和破解等等。3、随着干扰措施的加强，抗干扰能力减弱，为了提高抗干扰，付出的代价越来越大。,6.1概述,2、非无线电及多模复合近炸引信无线电引信以外的其它近炸引信，如磁近炸、红外近炸、激光近炸、电容近炸、毫米波近炸等。近炸引信发展趋势：由单模向多模发展，如红外/毫米波、激光/红外成像、双色红外等等。而毫米波与红外复合制导将是最有前途的制导体制之一。毫米波和红外成像制导在使用和性能上互相补充，将两者结合取长补短，可取得很好的作战效果。而双色红外/毫米波双模三波段复合制导的反坦克武器，由于毫米波频带宽和复合系统使用三波段工作，使敌方很难干扰，且目标的伪装和隐身也难以奏效。,6.1概述,激光探测近炸引信：利用激光获取目标信息的近炸引信。发展：激光技术起源于20世纪60年代；发展较快，（由电磁波谱可以看出，激光是无线电波、毫米波、红外线等电磁波向光波频段的发展，许多成熟技术可移植；及激光本身技术的优越性等）；20世纪70年代初应用于引信设计；70年代末开始装备部队；80年代至今，大规模装备部队。在我国的发展：发展较慢（关键器件的国产化、实用化及成本较高等）。,6.1概述,激光近炸引信的优点：为无线电探测技术提供了必要的补充：发射波束窄，发射信号不易被敌方接收；接收视场有限，使地方干扰机瞄准困难；发射峰值功率较大、方向性好，探测距离远；工作于光波波段，波长极小，使其角度和距离分辨率极高；发射波束旁瓣小，对地、海杂波的干扰抵抗能力较强。,6.1概述,激光近炸引信的缺点：穿透大气能力不够，烟尘、云雾、雨雪等对激光的吸收和散射要比微波和毫米波大得多，对天气和环境非常敏感。但主动激光探测要比被动光学探测系统得气候适应能力强:可通过距离或速度的选通等来拒绝已经被确认为杂乱波的回波信号。,6.1概述,激光近炸引信的特殊要求：1、近程、超近程探测（0.X米至几十米）（激光雷达、激光测距机为几千米至几十千米）；2、只要求单点定距（不要求大范围测距）；3、体积小、功耗低（主要约束条件）；4、高过载环境（几千克到几十千克）（只有半导体激光器由于其自身结构和工艺上的特点才能适应）；5、弹目之间存在高速运动（必须考虑相对运动速度产生的误差）。,6.1概述,激光探测技术的发展及应用前景1、反武装直升机激光近炸引信技术；2、激光成像引信（比红外成像更准确）；3、远距离定高母弹开仓引信；4、激光引信测高与引爆一体化技术；5、迫弹通用多选择激光近炸引信；6、高定距精度云爆弹激光近炸引信；。,6.1概述,6.2激光引信探测与识别的作用体制常用方法：一、几何截断定距机制二、距离选通定距机制三、脉冲鉴相定距机制四、脉冲激光测距定距机制五、微随机码定距机制,6.2激光引信探测与识别的作用体制,一、几何截断定距体制几何截断定距体制又称三角定距法，在各种导弹特别是反坦克导弹、反武装直升机导弹和各种打击空中目标的导弹激光近炸引信中应用非常广泛。在原理上：是激光特点与近炸引信特定要求相结合的产物；从系统设计角度：与激光测距、激光雷达技术、无线电近炸引信技术相似。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,（一）几何截断定距体制作用原理,6.2激光引信探测与识别的作用体制,（二）几何截断定距体制特点几何截断定距体制的产生是基于激光和近炸引信，特点：1、激光工作于电磁波的光波段，波长极小，故其发射和接收视场的集合参数可以比较容易地使用光学元件精确控制；2、近炸引信一般只要求对超近程目标进行探测。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,几何截断定距体制优点：1、定距精度高全向探测激光近炸引信作用半径为3-9m，精度可达0.5m;前向探测激光近炸引信作用距离在1m以下，精度可达0.1m;2、全向探测激光近炸引信，可提供360度周向探测范围，处理电路无需大的改动。适用：非常适用对空目标近炸引信：空-空导弹、地-空导弹等；同时适用要求作用距离极近、精度要求非常高的地面目标近炸引信。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,几何截断定距体制缺点：1、定距精度受目标特性变化和作用距离影响较大；2、作用距离不能现场装定。不适用：要求作用距离稍远、目标反射特性变化较大或要求作用距离可现场装定等的激光炸引信。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,二、距离选通定距机制距离选通定距机制是脉冲激测距技术与无线电引信技术相结合的产物。它测定激光脉冲从弹上发射器到目标往返飞行时间的方法确定弹目距离。原理和发射技术都与脉冲激光测距机类似，但测定时间间隔的方法区别较大：脉冲测距机采用选通门+晶体振荡器+计数器的方法，适合在较大范围内连续变化的距离，并且在无需调整的情况下，对任一未知目标距离进行探测。这种方法对近炸引信的超近距离精确测量，需要晶体振荡器和计数器具有较高的频率（150MHz），代价较大。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,（一）距离选通定距体制作用原理,6.2激光引信探测与识别的作用体制,（二）距离选通定距体制特点距离选通定距体制激光近炸引信，实际采用的是由脉冲无线电近炸引信借鉴而来的距离选通门法。特点：1、近炸引信属近距离测量，使用距离选通门法通常不会出现距离模糊现象；2、近炸引信通常只要求对作用目标“定距”，即只对目标是否已进入作用区域感兴趣，对于目标处于作用区域的具体的距离信息不感兴趣，因此，只要求对单一距离进行测定。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,距离选通定距机制优点：1、定距精度高（采用回波脉冲的相位信息判断距离）在激光近炸引信中，目标是否进入预定距离一般采取两种方法判断，一是回波脉冲信号的强度，二是回波脉冲与参考脉冲的相位延迟信息。前者不易控，后者易控。2、系统虚警率低距离选通门如同一个品质很高时空过滤器：从时间看，只有夹在距离门之间极短的时间段内的信号能够通过；从空间看，只有由距离门确定的预定距离内的回波信号可以通过。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,三、脉冲鉴相定距体制脉冲鉴相定距体制是由距离选通体制改进和发展而来的一种系统综合性能更好的激光近炸引信定距方法。（一）脉冲鉴相定距机制作用原理激光脉冲电源激励脉冲半导体激光器发射光脉冲，经光学系统准直，照射到目标表面，一部分反射光有接收光学系统接收后聚焦到探测器光敏面上，输出电脉冲信号，经放大、整形等处理后送到脉冲鉴相器。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,另外，激光脉冲电源激励脉冲半导体激光器的同时，激励信号经延迟器适当的延迟后，送到脉冲鉴相器，作为基准脉冲与回波脉冲进行前沿相位比较，两脉冲前沿重合，即表示目标在预定距离上时，给出起爆信号。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,（二）脉冲鉴相定距体制特点脉冲鉴相法使用脉冲前沿鉴相器代替原来的距离门，结合精密脉冲延时技术，在定距精度和灵活性上，都比距离门选通体制有较大的提高：1、定距精度更高（内部延时可控）；2、易于实现作用距离现场装定（鉴相器结构简单、使用灵活）；3、具有更好的抗干扰能特性和更低的虚警率力等。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,脉冲鉴相定距体制适用范围：非常适用要求作用距离分档可调的迫弹激光近炸引信、对距离要求很高的云爆弹激光近炸引信和取代几何截断体制应用于要求精确定距的作用距离极近的反坦克弹药近炸引信中。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,四、脉冲激光测距机定距体制（一）原理与用于雷达、火控等脉冲激光测距机原理完全一样：激光脉冲发射器向目标发射一个激光脉冲，同时向门控电路输入一个由发射脉冲采样得到的光电脉冲，开启门控开关，由时钟晶振向计数器填充脉冲开始计时；当目标反射回波信号脉冲经放大、整形，送到控制门并关闭门控开关，计数器停止计数。由计数器所填脉冲数与晶振周期即可得到距离信息。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,（一）距离选通定距体制作用原理,6.2激光引信探测与识别的作用体制,（二）脉冲激光测距机定距体制特点脉冲激光测距机定距体制是专门对激光测距技术在子母弹母弹开仓远距离作用引信中的应用前景提出的。适合于引信作用距离较远、精度要求不高的场合。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,五、伪随机编码定距体制原理：利用伪躁声码技术，对远距离移动的目标如飞船、卫星，进行远距离测量时，其原理是利用相关函数的峰值进行搜索，当相关函数的峰值最大时，回码和本地码完全重合，这样就能测定它的距离。特点是不易被干扰，尤其是人为干扰。,6.2激光引信探测与识别的作用体制,伪随机编码定距体制,6.2激光引信探测与识别的作用体制,伪随机编码定距体制,6.2激光引信探测与识别的作用体制,实例1：半主动激光炸点控制应用于穿甲弹,第六章激光探测技术,激光近炸引信的作用原理,第六章激光探测技术,实例2：激光近炸引信在常规武器应用,第六章激光探测技术,