光電子學綜述ppt-軍事激光技術 47頁

1、 【制作人】 xxx 【制作時間】 2015.11.71 軍事激光技術綜述2目 錄1激光在軍事技術領域的應用概述2激光測距技術3激光雷達4激光制導技術3激光在軍事技術領域的應用概述1.激光的特點 單色性好 相干性好 方向性好 亮度高2.應用激光技術的軍事領域 目前激光主要用于偵測、導航、制導、通信、模、顯示、信 息處理和光電對抗等方面。3.軍事激光設備 激光測距儀、激光雷達、激光瞄準具、激光制導彈、激光 陀螺、激光致盲武器等。4激光在軍事技術領域的應用概述激光測距儀激光雷達激光制導彈5 激光測距技術1.1激光測距技術的簡單介紹 激光由于亮度高、單色性和方向性好亮度高、單色性和方向性好，是人們早

2、就渴望得到的理想測距光源，在激光出現(xiàn)后不到一年的時間里就被用于測距，激光測距是激光最早，應用最成熟的領域。發(fā)展歷程：1961年，第一套激光測距系統(tǒng)出現(xiàn)；1969年，激光測距開始應用到軍事上； 目前，各國已有幾百個型號的激光測距裝備投入使用，測距精度已發(fā)展到第四代，即毫米級、亞毫米級，激光器的種類醫(yī)進展到人眼安全固體激光器和二氧化碳激光器。 20世紀80年代，我國開始了常規(guī)兵器領域激光測距儀的研制，研制的艦載火炮激光測距儀，安裝在光電跟蹤儀上，主要用于測量低空或超低空飛行目標，對掠海導彈的激光測量距離達到7km，對殲擊機的最遠測量距離超過20km。6 激光測距技術1.2激光測距的基本原理 激光測

3、距與雷達測距在原理上是完全相同的。在測距點向被測的目標發(fā)射一束短而強的激光脈沖，光脈沖發(fā)射到目標上后其中一部分激光反射回測距點被接收器所接收，假定光脈沖在發(fā)射點與目標間來回一次的時間間隔為t，那么被測目標的距離是： ctR21 當不考慮大氣中光速的微小變化時，測距精度 主要由測時精度 確定，即： Rttc21R主要利用激光方向性好的特點。7 激光測距技術1.3脈沖式激光測距儀的原理與組成1-1脈沖式激光測距儀的基本組成方框圖80101激光發(fā)射裝置 發(fā)射峰值功率高、光束發(fā)散角小的激光脈沖，使其經發(fā)射光學系統(tǒng)進一步準直后，射向被測目標。0202接收裝置接收裝置是接收從被測目標反射回來的微弱脈沖信號

4、，經接收光學系統(tǒng)聚焦或縮小光束截面后，照在光電探測器的光敏面上，使光信號變?yōu)殡娦盘柌⒔浄糯笃鞣糯?，推動信息處理裝置里的計數(shù)顯示部分工作。0303信息處理裝置測量脈沖從測距儀到被測目標往返一次的時間t，并顯示出準確的距離。 激光測距技術9 激光測距技術1.4激光測距機的關鍵技術 激光器要有高重復率、高輸出功率，要考慮諸如轉換效率、輸出功率、光速發(fā)散度等因素。不同平臺的應用還需要權衡激光器體積、重量、制冷、壽命、維護等因素。目前軍用脈沖激光測距儀主要采用紅寶石、Nd:YAG、二氧化碳、喇曼頻移Nd:YAG和Er:玻璃等脈沖激光器。 紅寶石脈沖激光器測距儀是第一代軍用激光測距儀，但由于工作波長屬于紅

5、光，極易暴露，加上對人眼極不安全，目前除小數(shù)應用已淘汰；Nd:YAG脈沖激光器測距儀是第二代軍用測距儀，隱秘性強，效率高于紅寶石激光測距儀，但對人眼有傷害，目前仍有較廣泛的應用；二氧化碳激光器為第三代激光器測距儀，主要優(yōu)點是穿透能力強，兼容性強，對人眼安全；目前雙包層光纖激光器（工作波長1微米）取得重大進展，效率極高，可適應地基、空基、天基等平臺。激光器10 激光測距技術1.4激光測距機的關鍵技術 微弱信號檢測技術 微弱信號檢測技術是采用電子學、信息論、計算機及物理學的方法，分析噪聲產生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特點及相關性，檢測被噪聲淹沒的微弱信號。常見的有相關檢測技術、匹配濾波技術、小波

6、變換、統(tǒng)計檢測技術等。時刻鑒別技術飛行時間間隔測量技術虛警抑制技術 激光測距機在接受回波信號時，不可避免地會引入背景雜散光等干擾，它們的存在使得測距機接收信號的信噪比惡化，產生虛警，常見的抑制技術有，距離選通技術、背景輻射自動補償、信號累積技術。11激光測距技術1.5激光測距技術的最新進展及發(fā)展趨勢【多脈沖體制激光測距技術】 現(xiàn)有的激光測距大多采用單脈沖激光測距體制，測距能力的提高主要依賴提高激光功率、減少激光發(fā)散角，增大接收口徑等。而多脈沖激光測距時可發(fā)射一個激光脈沖串。12激光測距技術1.5激光測距技術的最新進展及發(fā)展趨勢【混沌激光測距技術】 激光測距技術中提高測距精度和測距距離是很重要的

7、一個方面，激光器的不穩(wěn)定性是一個普遍現(xiàn)象，二混沌是激光器不穩(wěn)定性的一個重要特例，可以利用混沌激光來實現(xiàn)多目標的遠距離和高精度測距。 混沌激光測距是利用混沌激光的類噪聲特性，其相關曲線類似于函數(shù)的線型，最大測程與精度與混沌激光的自相關特性密切相關。HWPI,HWP2一半波片；PBSI，PBS2一偏振相關分束器；01一光隔離器；PDL，PD2一光電探測器；A一放大器；DL一可變電延遲線?；煦缂す鉁y距示意圖13激光測距技術1.5激光測距技術的最新進展及發(fā)展趨勢【混沌激光測距技術工作原理】 圖中外部反射鏡(Minor)將一部分激光反射并注人到半導體激光器(LD)有源區(qū)中，實現(xiàn)光反饋。 LD和反射鏡構成

8、一個非線性動力學系統(tǒng)，其輸出狀態(tài)由反饋光的強度和相位決定。反饋光的強度可通過旋轉半波片相對于偏振相關分朿器的角度來調節(jié)，反饋光相位的控制由壓電陶瓷晶體改變反射鏡的位置來實現(xiàn)。 產生的混沌激光被分為兩朿，分別作為探測光和參考光，前者直接射向目標并被反射回來。參考光與反射回來的探測光由兩個型號相同的探測器接收，其波形和頻譜分別由實時示波器和頻譜分析儀檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)結果輸人計算機進行運算，可得到兩者的互相關曲線。 通過半波片和偏振相關分束器調節(jié)探測光和參考光的功率比，可獲得最佳探測光功率?；煦绻饪梢詫崿F(xiàn)與距離無關的遠距離測量，精度可達到毫米量級。14激光雷達2.1激光雷達概述 激光雷達是利用激

9、光光波探測目標位置的光電設備。激光雷達可用來進行通常由微波雷達系統(tǒng)進行的一些測量，其中包括測距、角跟蹤、目標速度測量及活動目標指示。 國際國際導彈技術控制法明確指出：“激光雷達系統(tǒng)將激光用于回波測距、定向，并通過位置、徑向速度及物體反射特性識別目標，體現(xiàn)了特殊的發(fā)射、掃描、接收和信號處理技術“。151254火控激光雷達：包括防空武器火控，地面作戰(zhàn)武器火控、空地攻擊武器火控等。靶場測量激光雷達:用于測量導彈發(fā)射初始階段彈道和低空目標飛行軌跡測量。32.2軍用激光雷達分類激光雷達激光引導雷達：包括航天器交會，對接和巡航導彈地形和障礙物回避。跟蹤識別激光雷達：包括導彈制導，空中偵察，敵我目標識別，機

10、載遠程預警等。大氣測量激光雷達：包括測量大氣的能見度、測量云層的高度、測量風速等。16激光雷達2.3激光雷達的組成激光雷達組成框圖17激光雷達2.3激光雷達的組成【1.激光發(fā)射器】激光是雷達的信息載體，通過它探測目標的特征信息，激光器是激光發(fā)射源，根據(jù)不同雷達的用途采用不同的激光源?！?.光學系統(tǒng)】發(fā)射光學系統(tǒng)又稱發(fā)射望遠鏡，作用是將來自激光器的激光束發(fā)射角壓縮，使遠處的激光能量密度增大。接收光學系統(tǒng)又稱接收望遠鏡其作用接收來自目標反射的激光信號，并將其反射到激光探測器的光敏面上?！?.光電探測器】將光信號轉換成電信號。18激光雷達2.3激光雷達的組成【4.信息處理系統(tǒng)】主要功能是對光電探測器

11、探測到的信號進行處理，并提取出包括目標距離、角脫靶量、速度和圖像在內的目標信息參數(shù)?！?.跟蹤瞄準系統(tǒng)】簡稱跟瞄系統(tǒng)，包括放置激光收發(fā)系統(tǒng)的跟蹤架、伺服系統(tǒng)和其他輔助的捕獲、跟蹤設備?！?.角度傳感器】由角碼盤和解碼、讀出電路組成。角碼盤與跟蹤架的轉軸剛性連接，分別與方位軸和俯仰軸相連的兩個角度傳感器給出跟蹤架方位和俯仰的精確角位置。19激光雷達2.4激光雷達的工作基本原理【1.激光測距原理】脈沖激光測距原理在測距地點向被測目標發(fā)射一束短而強的激光脈沖設光脈沖在發(fā)射點與目標間來回一次所經歷的時間間隔為t，則被測目標的距離為：ct21R相位激光測距原理用連續(xù)調制的激光光束照射被測目標，通過測量被

12、調制的激光在激光測距機與目標之間往返傳播的相位變化，間接求出飛行時間間隔，進而求出待測距離，即：NfcfcL24222ctf為調制頻率； 為相位差；N為飛行時間間隔內激光傳播的整周期數(shù)。20激光雷達2.4激光雷達的工作基本原理【2.激光測速原理】通過目標相鄰兩次測量的距離差除以重復頻率得到目標對測量站的距離變化速率，再由所測量得到的角度變化率求出目標速度，即：tRv多普勒測速法通過測量運動物體引起的對入射激光頻率的偏移量（多普勒效應）來計算目標的運動速度，即：VffRosf2頻率為 的單色光作用到以速度v運動的散射物體上，被物體散射的光波頻率 會產生附加的頻率偏移 ，稱作多普勒頻移。fofsf

13、21激光雷達2.4激光雷達的工作基本原理【3.激光測角原理】四象限跟蹤測角四象限跟蹤測角四象限跟蹤測角的基本原理如下圖所示： 四象限管作為接收元件，激光回波信號經過光學系統(tǒng)在四象限管上形成圓形光斑，圓形光斑在四象限管上的位置反映了系統(tǒng)的跟蹤情況。當系統(tǒng)的瞄準軸對準目標時，光斑中心和四象限管的中心重合，此時四個象限接收到的光能量相等當瞄準軸偏離目標時，光斑中心也偏離四象限管的中心，此時四個象限收到的能量是不相同的，跟蹤頭將根據(jù)四個象限能量的大小經和差運算，給出方位、高低的誤差電壓驅動轉臺的伺服機構，來實現(xiàn)自動跟蹤。22激光雷達【3.激光測角原理】成像跟蹤角測量成像跟蹤角測量 對探測區(qū)域一定范圍內

14、進行掃描，建立成像視場內每一點的強度、距離等信息。經過圖像處理，找出目標及其位置，從而實現(xiàn)對目標的距離、角度等參數(shù)的測量?！?.激光成像原理】掃描成像掃描成像 采用高重復頻率激光脈沖對目標逐點掃描照射，在接收每個脈沖回波信號的同時對跟蹤架機械軸角傳感器進行采樣，然后通過計算機繪出以方位角為橫坐標、俯仰角為縱坐標的每點信號強弱的目標圖像。如果采用的是單元探測器，則采用二維掃描成像；如果是采用陣列多元探測器，則采用一維掃描成像。2.4激光雷達的工作基本原理23激光雷達【4.激光成像原理】凝視成像凝視成像 激光凝視成像原理與普通數(shù)碼相機相同，只是照射物體的光源不同，前者采用的是脈沖激光，后者采用的是

15、自然光或閃光燈。采用激光的優(yōu)點是可采用窄帶濾光片濾去大量非激光的白光，還可采用距離門技術減少后向散射，極大地提高信噪比。2.4激光雷達的工作基本原理三維成像三維成像 三維成像除空間二維成像外，還增加距離參與成像，因為每個像元都含有距離信息量。例如，采用具有時間分辨的多元陣列探測器，每個像元都能測量對應目標相應部位的距離，經過信號處理后，獲得具有三維空間信息的立體圖像。241234高功率高波束質量的輻射源技術： 為達到較遠的探測距離，輻射源需具備高的發(fā)射功率和高的波束質量。目標參量精確測量與實時成像技術： 是激光雷達成像雷達的關鍵所在。高靈敏度探測技術與器件： 靈敏度取決于所采用的探測技術和探測

16、器件的靈敏度。高速圖像處理和實時目標識別技術： 是完成目標發(fā)現(xiàn)及跟蹤、目標分類及識別、瞄準點選擇和作戰(zhàn)效果評估等的關鍵技術。激光雷達2.4成像激光雷達的關鍵技術25激光雷達【1.相空陣激光雷達】光學相控陣的基本原理2.5新體制成像激光雷達光學相控陣移相掃描原理圖26激光雷達【1.相空陣激光雷達】光學相控陣的基本原理 通過調節(jié)從各個相控單元(光學移相器)輻射出的光波之間的相位關系，使其在設定方向上彼此同相，產生相互加強的干涉，干涉的結果是在該方向上產生一束高強度光束，而在其他方向上從各相控單元射出的光波都不滿足彼此同相的條件，干涉的結果彼此相抵消，因此，輻射強度接近于零。組成相控陣的各相控單元在

17、計算機的控制下，可使一束或多束高強度光束的指向按設計的程序實現(xiàn)隨機空域掃描。2.5新體制成像激光雷達 圖中光學相控陣是由M個相控單元組成的一維陣列，其作用相當于一個理想薄透鏡，相位的變化與坐標成正比。當人射光波通過一個具有線性相位方程 的光學相控陣時，光束將偏轉 角度，其中 ，是入射光的波長， 是待定的偏轉角，分別控制每個相控單元的相位調整相位波前，從而控制入射光束的偏轉和形狀。 xxs/sin2ss27激光雷達【1.相空陣激光雷達】相控陣光學雷達的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢2.5新體制成像激光雷達2004年美國雷聲公司完成了相控陣激光雷達概念設計，其作用距離為4km，距離分辨力為20cm，體積僅約160

18、0 ，質量約為2kg，總功耗小于10w.cm3澳大利亞有研究人員提出一種方案，接收/發(fā)射均采用相控陣天線，利用1.064微米激光進行實驗，可應用于空間激光雷達系統(tǒng)。采用相控陣激光雷達技術是美國第四代戰(zhàn)機（F-35）綜合光電系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點。從研制相控陣激光雷達的進展來說，目前國外正從概念設計轉向應用，而國內在某些技術上還存在差距，技術上實現(xiàn)有一定難度，因此我國研制這種雷達還需要一個較長的周期。28激光雷達【2.合成孔徑激光雷達（SAL）】SAL的基本原理2.5新體制成像激光雷達SAL原理示意圖29激光雷達【2.合成孔徑激光雷達（SAL）】SAL的基本原理 在合成孔徑成像系統(tǒng)中，一般激光發(fā)射器與

19、接收裝置是安裝在同一個平臺上的。在平臺的運動過程中，在一個位置對目標進行照射，并對回波信號進行采樣，接收裝置接收來自目標的散射光的強度和相位信息，然后在下一個位置，如此下去直到平臺平移完整個合成孔徑長度。通過對數(shù)據(jù)進行綜合處理，就可以得到高分辨力的目標圖像，原理示意圖如圖所示。 其分辨力分為距離分辨力和方位分辨力。 距離分辨力為 方位分辨力為 2.5新體制成像激光雷達B2c2oDD為發(fā)射天線的直徑。C為光速，B為雷達信號帶寬。30激光雷達【2.合成孔徑激光雷達（SAL）】SAL的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢2.5新體制成像激光雷達2002年美國實現(xiàn)實驗室尺度縮小裝置的合成孔徑激光成像。2006年雷聲公司和諾

20、格公司分別研制成功機載合成孔徑激光成像雷達樣機，目前已向應用拓展。我國自2008年開始合成合成孔徑激光雷達的研究，目前已取得階段性進展突破進展，已實現(xiàn)了實驗室尺度縮小合成孔徑激光成像雷達裝置的二維目標同時距離向和方向位的成像，實現(xiàn)了SAL的光學、光電子學和計算機處理的過程貫通，是世界上第三個成功的試驗報導。31激光制導技術3.1激光制導技術概述 制導就是控制和引導火箭等，按照預定的彈道或根據(jù)目標與導彈等運動信息確定的飛行路線準確到達目標的過程。 激光制導就是利用目標反射的激光來探測、跟蹤目標并控制導彈等武器飛向目標的制導技術。利用激光控制炸彈、炮彈、導彈，使之“長上眼睛”，盯住目標，窮追不舍，

21、直到將它消滅。32激光制導技術3.1激光制導技術概述激光的物理特點單色性好方向性強能量集中制導精度高目標分辨力強抗干擾能力強體積小質量輕激光制導的優(yōu)點但激光光束易受云、霧和煙塵的影響，不能全天候使用。33激光制導技術3.1激光制導技術概述激光制導的分類使用34激光制導技術3.2激光尋的制導技術激光尋的制導的方式： 主動式、半主動式激光主動尋的制導 主要采用的是半主動式，即導引頭（安裝在彈上，用于自動跟蹤目標并測量彈的飛行誤差）與激光照射器是分開放置的，前者隨彈飛行，后者置于彈外。激光半主動尋的制導系統(tǒng)構成圖35激光制導技術3.2激光尋的制導技術1. 制導規(guī)律制導規(guī)律指制導過程中調節(jié)武器飛行參數(shù)

22、所遵循的某種規(guī)律。1.1 速度追蹤制導速度追蹤制導規(guī)律要求制導武器的速度矢量指向目標。 首先在導引頭上建立速度矢量的測量基準，然后通過探測激光斑位置測出。這種速度追蹤導引頭一般通過萬向支架與彈相連，并有風標機構，這樣在飛行過程中，風標機構使導引頭軸線順向彈的運動速度方向，此準線就成了測量誤差角的基準線。 由于易受大氣運動影響，這種制導規(guī)律適合于攻擊慢速、大目標的武器系統(tǒng)。0-c36激光制導技術3.2激光尋的制導技術1. 制導規(guī)律制導規(guī)律指制導過程中調節(jié)武器飛行參數(shù)所遵循的某種規(guī)律。1.2 比例導航制導 比例導航制導要求彈的橫向加速度與目標視線角速度成正比例，即彈上速度矢量的旋轉角度與視線角速度

23、成比例。 這種導引頭首先要跟蹤目標（激光光斑），并測出視線角速度。這通常是通過將陀螺機構裝載在導引頭上來實現(xiàn)的。Kc37激光制導技術3.2激光尋的制導技術2. 激光導引頭激光導引頭通常是位標式導引頭。在半主動尋的制導中，激光導引頭起著關鍵的作用。主要任務： 1、 探測目標反射的激光能量 2 、按制導規(guī)律測定某參量并送入控制系統(tǒng)。構成： 光學系統(tǒng)、激光探測器、電子部件和機械部件38激光制導技術3.2激光尋的制導技術2. 激光導引頭2.1 激光導引頭光學元件2.2 激光探測器系統(tǒng) 構成導引頭的光學系統(tǒng)起著收集和匯聚激光能量的作用。光學系統(tǒng)可以是純透射式的，也可以是折反式的。 導引頭用象限元件來測定

24、目標相對于光軸的偏移量大小和偏移量方位。目前工程上通常使用的象限元件以四象限元件居多。2.3 激光引導頭中的電子部件 電子部件是用來對四項探測器的輸出進行放大和比較處理，并送入自動駕駛儀或直接送給控制系統(tǒng)的電子元件，常包含對數(shù)放大器，用來消除距離因素的影響，擴大導引頭所能適應的動態(tài)范圍。2.3 激光引導頭中的機械部件主要起支撐光學部件、探測器、電子部件及連接彈體的作用。39激光制導技術3.2激光尋的制導技術3. 激光目標指示器 激光目標指示器是激光制導系統(tǒng)中的重要組成部分，主要任務是為激光導引頭指示目標。 組成：激光器（包括電源）、瞄準和發(fā)射光學系統(tǒng)、跟蹤裝置目標指示器的組成結構40激光制導技

25、術3.2激光尋的制導技術3. 激光目標指示器3.1 激光器3.2 瞄準和發(fā)射光學系統(tǒng) 為激光半主動尋的制導提供能源。 瞄準系統(tǒng)是用于初始捕獲目標的，可以是獨立的一套光學瞄準具，也可以是與火控系統(tǒng)相組合的瞄準系統(tǒng)。 發(fā)射光學系統(tǒng)的作用是壓窄激光束，與激光測距器中的激光發(fā)射天線作用相類似。3.3 跟蹤裝置 激光本身難以識別和跟蹤目標，需要采用跟蹤裝置以確保激光目標指示器精確照射到目標。 常用跟蹤手段有可見光手動跟蹤、電視自動跟蹤、紅外自動跟蹤和前視紅外自動跟蹤等。41激光制導技術3.2激光尋的制導技術3. 激光目標指示器3.4 激光目標指示器主要性能指標3.5 機載系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題 脈沖峰值功率、脈沖寬度、重復頻率、束散角、激光光斑的均勻性 裝在運動物體上（如車輛）、尤其是那些機動性很強的運動物體（如戰(zhàn)斗機）上的激光目標指示器，其瞄準線的穩(wěn)定性是研制設計跟蹤系統(tǒng)時必須解決的問題。 常采用單獨的穩(wěn)定回路來抑制載機姿勢變化對瞄準線的影響。穩(wěn)定和跟蹤回路框圖42激光制導技術3.3激光駕束制導技術1. 駕束制導原理 駕束制導規(guī)律是“三點法”制導率，即在武器制導飛行過程中，激光照射器、彈、目標三點始終在一條直線上。激光駕束制導系統(tǒng)的構成示意圖43激光制導技術3.3激光駕束制導技術2. 駕束制導基本工作過程 其基本工作過程是激光照射器(或激