錢(qián)貴鑫，李進(jìn)軍，由大德，佘博

(1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連116018;2.海軍工程大學(xué)，湖北武漢430033)

0 引言

最大測(cè)距能力是激光測(cè)距儀重要的性能指標(biāo)，在實(shí)際使用過(guò)程中，最大測(cè)距會(huì)受到多方面因素影響。針對(duì)測(cè)距過(guò)程中影響因素眾多的特點(diǎn)，本文從激光測(cè)距儀工作原理出發(fā)，對(duì)影響激光測(cè)距儀測(cè)距的因素進(jìn)行研究，分析各影響因素的影響規(guī)律，從而為激光測(cè)距儀測(cè)距性能的研究提供理論支持。

1 激光測(cè)距儀技術(shù)原理

激光測(cè)距技術(shù)［1-3］是激光在軍事上最早和最成熟的應(yīng)用。當(dāng)前主要采用的是脈沖激光測(cè)距技術(shù)，其測(cè)距工作原理為通過(guò)計(jì)算激光發(fā)射功率經(jīng)介質(zhì)傳輸?shù)乃p、目標(biāo)表面截獲和反射的光功率、到達(dá)接收視場(chǎng)的光功率以及接收光學(xué)系統(tǒng)接收到的光功率，就可以得到光電探測(cè)器的光功率及接收功率。其測(cè)距工作原理如圖1所示。

圖1 激光測(cè)距儀原理框圖

激光在大氣中傳輸距離普遍方程式如下:

式中:Pr為接收到得回波信號(hào)功率;Ps為激光光源的發(fā)射功率;T1為激光光源到目標(biāo)的大氣透射率;T2為目標(biāo)到接收機(jī)的大氣透射率;β為激光束大氣中傳輸衰減系數(shù);Se為目標(biāo)反射器的面積;Sd為探測(cè)器等效接受面積;γ為目標(biāo)的反射率;θi為激光束發(fā)散角;θr為目標(biāo)的反射角;r為探測(cè)距離［4-5］。

激光測(cè)距儀主要性能參數(shù)指標(biāo)為最大激光測(cè)距距離rmax，因此將公式(1)進(jìn)行解算為

式中:Prmin激光測(cè)距儀最小接收功率。

由公式(2)分析得到影響激光測(cè)距儀最大測(cè)距能力的影響因素主要包括設(shè)備本身性能參數(shù)、戰(zhàn)場(chǎng)條件和自然條件。

1)影響射擊觀測(cè)的設(shè)備參數(shù)

光電觀測(cè)設(shè)備是精密度非常高的觀測(cè)器材，其光學(xué)元件對(duì)設(shè)備的性能參數(shù)的影響較大。影響因素主要包括為最大輸出功率、最小接收功率、光學(xué)效率、光束發(fā)散角和接收系統(tǒng)面積等。

2)影響射擊觀測(cè)的戰(zhàn)場(chǎng)條件

艦炮對(duì)岸射擊任務(wù)目標(biāo)種類(lèi)多樣，不同目標(biāo)影響效果不同。針對(duì)激光測(cè)程主要的影響因素為目標(biāo)面積、目標(biāo)的反射率和目標(biāo)的反射角。

3)影響射擊觀測(cè)的自然條件

對(duì)于光學(xué)觀測(cè)，大氣中存在霾、霧、云、雨、雪等天氣觀象，都可能成為輻射傳輸?shù)闹饕系K。影響因素主要包括為激光在大氣傳輸中的衰減系數(shù)。

2 激光測(cè)距影響因素及規(guī)律分析

由公式(2)可知，激光測(cè)距的測(cè)程與脈沖激光的功率、激光束的發(fā)散角、目標(biāo)的反射特性、接收系統(tǒng)靈敏度以及大氣衰減系數(shù)等有關(guān)。

而在實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中，大氣衰減系數(shù)的數(shù)值不易求解，但大氣透過(guò)率與衰減系數(shù)存在一定的相關(guān)性，因此可以利用大氣透過(guò)率來(lái)進(jìn)行解算。

工程上利用氣象學(xué)中的大氣能見(jiàn)度RV，在水平路徑r上的大氣光譜透過(guò)率t為(Bougner定理)［4-5］:

式中:λ0為測(cè)試能見(jiàn)距離的光波長(zhǎng)，一般采用0.55 μm;λ為激光測(cè)距儀波長(zhǎng);a為與能見(jiàn)度有關(guān)的的指數(shù)系數(shù)。

將式(3)，(4)代入式(2)中可得基于能見(jiàn)度的測(cè)距公式:

2.1 激光測(cè)距儀影響因素分析

1)激光測(cè)距儀發(fā)射功率

選用不同的激光測(cè)距儀進(jìn)行比對(duì)，其最大發(fā)射功率分別為0.5，5，15 MW和50 MW。由圖2可見(jiàn)，隨著激光測(cè)距儀最大發(fā)射功率的提升，激光測(cè)距能力也得到了提高。對(duì)于低能見(jiàn)度情況下，最大測(cè)程的差別體現(xiàn)的不明顯，但是在能見(jiàn)度越大的情況下，最大測(cè)程的差別體現(xiàn)較大。能見(jiàn)度在25～30 km時(shí)，不同發(fā)射功率都有能見(jiàn)度相對(duì)測(cè)程的一個(gè)拐點(diǎn)，變化趨勢(shì)在拐點(diǎn)后，慢慢降低并逐漸趨于平緩。

圖2 不同激光測(cè)距儀發(fā)射功率下的測(cè)程曲線

2)激光測(cè)距儀最小接收功率

當(dāng)Pr取臨界穩(wěn)定測(cè)距狀態(tài)時(shí)的回波功率即最小功率Prmin的時(shí)候，即為該環(huán)境下的激光測(cè)距儀的最大測(cè)程rmax。選用不同激光測(cè)距儀最小接收功率分別為2×10-6，2×10-7，2×10-8W和2×10-9W進(jìn)行比對(duì)。由圖3可見(jiàn)，隨著激光測(cè)距儀最小接收功率的降低，激光測(cè)距能力也得到提高。對(duì)于低能見(jiàn)度情況下，最大測(cè)程的差別體現(xiàn)的不明顯，但是在能見(jiàn)度越大的情況下，最大測(cè)程的差別體現(xiàn)較大。

圖3 不同激光測(cè)距儀最小接收功率下測(cè)程曲線

對(duì)于最大發(fā)射功率和最小接收功率變化，相同數(shù)量級(jí)的情況下，最小接收功率的，其對(duì)最大測(cè)程的影響要更多。對(duì)于最大發(fā)射功率出現(xiàn)的拐點(diǎn)，最小接收功率中也存在這一拐點(diǎn)，但是拐點(diǎn)位置隨著最小接收功率的降低而逐漸增大。最小接收功率越小的最大測(cè)程隨著能見(jiàn)度增大變化速率要更快。在出現(xiàn)拐點(diǎn)后，最小接收功率較高的，測(cè)程隨著能見(jiàn)度變化趨勢(shì)為，慢慢減弱并逐漸趨于平緩。

3)發(fā)射和接收光學(xué)效率

選用不同發(fā)射光學(xué)效率的激光測(cè)距儀進(jìn)行比對(duì)，其發(fā)射光學(xué)效率分別為0.1，0.3，0.6和0.9。由圖4可見(jiàn)，在相同能見(jiàn)度條件下，低發(fā)射光學(xué)效率下的激光測(cè)距儀的測(cè)程能力大幅下降，高光學(xué)發(fā)射效率下的測(cè)距儀的測(cè)程能力的提升不夠明顯;隨著能見(jiàn)度的增加，高發(fā)射光學(xué)效率的提升要比低光學(xué)發(fā)射效率的提升空間大。接收光學(xué)效率與其規(guī)律相同。

圖4 不同光學(xué)發(fā)射效率激光測(cè)距儀測(cè)程曲線

4)接收機(jī)光學(xué)系統(tǒng)有效孔徑

選用不同的接收機(jī)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，其有效孔徑分別為0.05，0.1，0.15 m和0.2 m。由圖5可見(jiàn)，在相同能見(jiàn)度條件下，隨著接收系統(tǒng)有效孔徑的提高，激光測(cè)距能力也隨之提高，但測(cè)距能力的提高程度隨著孔徑的提高而減弱。在能見(jiàn)度較高的情況下，有效孔徑的提高對(duì)激光測(cè)距能力的影響較大，在低能見(jiàn)度情況下，有效接收孔徑越大其激光測(cè)距儀最大測(cè)程越明顯。因此有效提升接收系統(tǒng)孔徑，對(duì)低能見(jiàn)度下激光測(cè)距儀最大測(cè)程具有較大意義。

2.2 目標(biāo)特性參數(shù)

選用不同目標(biāo)反射面積分別為0.01，0.1，1 m2和10 m2進(jìn)行比對(duì)。由圖6可知，隨著目標(biāo)反射面積增大，在相同能見(jiàn)度條件下，激光測(cè)距能力也得到了提高。對(duì)于低能見(jiàn)度情況下，最大測(cè)程的差別體現(xiàn)的較明顯，但是在能見(jiàn)度越大的情況下，最大測(cè)程的差別體現(xiàn)較小。能見(jiàn)度在25～30 km時(shí)，不同目標(biāo)反射面積都有能見(jiàn)度相對(duì)測(cè)程的一個(gè)拐點(diǎn)，變化趨勢(shì)在拐點(diǎn)后，慢慢降低并逐漸趨于平緩。

圖5 不同接收系統(tǒng)有效孔徑測(cè)距儀測(cè)程曲線

圖6 不同目標(biāo)反射面積測(cè)距儀測(cè)程曲線

2.3 大氣參數(shù)

大氣參數(shù)主要影響因素是大氣透過(guò)率，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式法確定大氣衰減系數(shù)，即用不同能見(jiàn)度，求出大氣透過(guò)率。結(jié)合圖7激光測(cè)距儀不同能見(jiàn)度下測(cè)程曲線可以得出，隨著能見(jiàn)度的增加即大氣透過(guò)率增大，同一激光測(cè)距儀的最大測(cè)程逐漸趨于平緩狀態(tài)，能見(jiàn)度在小于20 km時(shí)對(duì)最大測(cè)程的影響較大。

圖7 激光測(cè)距儀不同能見(jiàn)度下測(cè)程曲線

總結(jié)分析以上各影響因素，在相同能見(jiàn)度條件下:激光測(cè)距儀的發(fā)射功率、最小接收功率、發(fā)射和接收光學(xué)效率、接收機(jī)光學(xué)孔徑、光學(xué)發(fā)射效率與激光測(cè)距儀測(cè)程成正比，但是這些參數(shù)的改變對(duì)測(cè)距儀的提升效果并不相同，其中某些參數(shù)的提升會(huì)受制于零部件生產(chǎn)制造的難度高，成本增加，因此在實(shí)際使用中可以通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，尋找相對(duì)更經(jīng)濟(jì)的方法最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距儀測(cè)距能力的提升;目標(biāo)的有效反射面積的提高對(duì)激光測(cè)距儀測(cè)程的提升不明顯;隨著能見(jiàn)度的增加，激光測(cè)距儀的測(cè)程逐漸趨于平緩，逐漸呈現(xiàn)出一種飽和狀態(tài)，在一定能見(jiàn)度條件下，對(duì)測(cè)程的影響較大。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文激光測(cè)距儀主要性能指標(biāo)測(cè)距能力進(jìn)行研究，結(jié)合測(cè)距原理對(duì)測(cè)距過(guò)程中的各影響因素進(jìn)行研究。從激光測(cè)距儀、目標(biāo)特性和大氣參數(shù)三個(gè)方面對(duì)影響因素進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)各影響因素和影響效果進(jìn)行分析，把握影響因素對(duì)測(cè)程的影響規(guī)律，從而為激光測(cè)距儀的測(cè)距性能指標(biāo)的提升提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

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