軍用脈沖激光測(cè)距儀的發(fā)展和應(yīng)用

　　　　一、軍用脈沖激光測(cè)距儀的特點(diǎn)及通用性能

　　戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略用脈沖激光測(cè)距儀主要包括紅寶石、Nd∶YAG、CO2、喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃等脈沖激光測(cè)距儀。

　　1.紅寶石脈沖激光測(cè)距儀

　　0.69μm的紅寶石脈沖激光測(cè)距儀是第一代軍用激光測(cè)距儀，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊。因工作波長(zhǎng)屬近紅外綠光，極易暴露目標(biāo)，加上對(duì)人眼極不安全，目前除少數(shù)應(yīng)用外已被淘汰。

　　2.Nd∶YAG脈沖激光測(cè)距儀

　　Nd∶YAG脈沖激光測(cè)距儀的主要優(yōu)點(diǎn)是隱蔽性、電效率和脈沖重復(fù)工作頻率大大優(yōu)于紅寶石激光測(cè)距儀，因而從60年代后期開始廣泛裝備部隊(duì)。

　　主要缺點(diǎn)：

　?、俟ぷ鞑ㄩL(zhǎng)為1.06μm，相對(duì)說來較短，在大氣中的衰減較大，不完全適合自然霧和戰(zhàn)場(chǎng)煙幕等環(huán)境條件；

　?、?.06μm波長(zhǎng)被發(fā)射后經(jīng)人眼聚焦進(jìn)入視網(wǎng)膜，在很短的距離上若不加防護(hù)觀察，可以使人眼永久致盲；

　?、?.06μm波長(zhǎng)不與8~12μm熱成像系統(tǒng)兼容。

　　而Nd∶YAG脈沖激光測(cè)距儀目前仍具有無法取代的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，加上裝備量已擴(kuò)大到陸、海、空三軍，目前仍在以下幾方面廣泛應(yīng)用。

　　(1)戰(zhàn)場(chǎng)指揮員、步兵偵察員、炮兵前沿指揮觀測(cè)員以及艦隊(duì)基地指揮員、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)員用手持瞄準(zhǔn)觀察和測(cè)距。

　　(2)現(xiàn)代作戰(zhàn)坦克和裝甲車采用Nd∶YAG脈沖激光測(cè)距儀作為火控系統(tǒng)的總體部件，以改善主要作戰(zhàn)武器的精度。

　　(3)廣泛用于對(duì)空防御系統(tǒng)，提高對(duì)抗高速飛機(jī)和機(jī)動(dòng)性大的武裝直升機(jī)的跟蹤精度。

　　(4)Nd∶YAG激光測(cè)距儀―目標(biāo)指示器是國外應(yīng)用最早的激光武器。目前，這種武器系統(tǒng)仍然是激光制導(dǎo)炸彈、導(dǎo)彈和火炮的唯一遠(yuǎn)距離精確制導(dǎo)武器，并為雙功能激光測(cè)距―目標(biāo)指示器采用人眼安全的喇曼頻移Nd∶YAG激光器實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)打下了基礎(chǔ)。

　　3.CO2脈沖激光測(cè)距儀

　　CO2脈沖激光測(cè)距儀是70年代末和80年代中期主要針對(duì)1.06μm的Nd∶YAG激光測(cè)距儀的缺點(diǎn)發(fā)展起來的新一代人眼安全激光測(cè)距儀。

　　其主要優(yōu)點(diǎn)有：

　?、俅髿獯┩改芰?yōu)于Nd∶YAG激光波長(zhǎng)，能在較低能見度和戰(zhàn)場(chǎng)煙幕等大氣條件下工作；

　　②能與8~12μm波段內(nèi)的典型熱成像系統(tǒng)兼容并可共用接收光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器，能有效實(shí)現(xiàn)熱成像儀能探測(cè)到的絕大多數(shù)目標(biāo)；

　?、勰軐?shí)現(xiàn)對(duì)人眼安全。

　　主要缺點(diǎn)是：

　?、?0.6μm的CO2激光波長(zhǎng)極易被水分子(H2O)吸收衰減，在大氣中含水蒸汽密度大的睛天和潮濕條件下，限制了它的最大測(cè)距能力，特別是雨天和目標(biāo)被雪覆蓋時(shí)，目標(biāo)呈現(xiàn)多鏡面對(duì)稱反射，對(duì)CO2激光波長(zhǎng)測(cè)距不利；

　?、?0.6μm的CO2激光波長(zhǎng)對(duì)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的反射系數(shù)低于1.54、1.06和0.69μm的激光波長(zhǎng)。

　　4.喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃脈沖激光測(cè)距儀

　　喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃脈沖激光測(cè)距儀也和CO2一樣發(fā)展于70年代末和80年代中期，主要優(yōu)點(diǎn)是：

　　①大氣穿透能力高于1.06μm的Nd∶YAG激光波長(zhǎng)而低于CO2激光波長(zhǎng)；

　?、趯?duì)目標(biāo)的反射系數(shù)和在睛天、高溫度條件下測(cè)距時(shí)，其性能高于CO2激光波長(zhǎng)并與Nd∶YAG激光波長(zhǎng)相當(dāng)；

　?、蹖?duì)人眼的安全性高于CO2激光波長(zhǎng)。缺點(diǎn)是由于1.54μm波長(zhǎng)屬中紅外波段，不能與8~12μm的熱成像系統(tǒng)兼容，加上轉(zhuǎn)換效率低、脈沖能量小和重復(fù)工作頻率低(喇曼頻移Nd∶YAG除外)等限制了它們的應(yīng)用。

　　此外，Er∶玻璃材料制作困難，而且光探測(cè)器InGaAs-APD目標(biāo)仍存在某些技術(shù)問題有待解決。其中：

　　(1)喇曼頻移Nd∶YAG激光器它采用Nd∶YAG激光器并在高壓甲烷氣體中受激喇曼散射(SRS)，把1.06μm波長(zhǎng)頻移到1.54μm。因此，激光器與Nd∶YAG一樣結(jié)構(gòu)緊湊，但價(jià)格高而結(jié)構(gòu)復(fù)雜。頻移波長(zhǎng)1.54μm經(jīng)測(cè)距儀發(fā)射后進(jìn)入人眼視網(wǎng)膜以前被人眼的液體部位吸收和耗散掉了，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人眼安全。這類激光測(cè)距儀在軍用上為步兵和炮兵前沿偵察、對(duì)空防御和坦克火控提供人眼安全及較廉價(jià)的激光測(cè)距儀器。

　　(2)Er∶玻璃激光器它采用摻入鉺元素的玻璃激光棒并用閃光燈泵浦，直接產(chǎn)生1.54μ的激光輸出，而不是用SRS方法頻移產(chǎn)生1.54μm。因此，激光器的重復(fù)工作頻率和輸出能量都很低且壽命短，不利于高重復(fù)頻率對(duì)空防御應(yīng)用，一般僅用于對(duì)地面目標(biāo)測(cè)距，如手持式、坦克等。

　　二、軍用脈沖激光測(cè)距儀的應(yīng)用

　　脈沖激光測(cè)距儀作為軍用裝備器材，發(fā)展于60年代初。經(jīng)過30多年的開發(fā)、研制和裝備，目前國外已完成了“手持式、腳架式、潛望式、坦克、裝甲、水面艦載、潛艇潛望、高炮、機(jī)載、機(jī)場(chǎng)測(cè)云、導(dǎo)彈和火箭發(fā)射、人造衛(wèi)星、航天器載”等約十三大類400多個(gè)品種和型號(hào)，其中裝備量最大的是以Nd∶YAG為器件的固體脈沖激光測(cè)距儀，其次是喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃以及CO2脈沖激光測(cè)距儀。

　　1.輕型便攜式脈沖激光測(cè)距儀

　　輕型便攜式脈沖激光測(cè)距儀包括步兵和炮兵偵察用的手持式以及前沿偵察和前沿對(duì)空控制(FAC)雙用途的激光測(cè)距儀―目標(biāo)指示器。對(duì)上述用途的系統(tǒng)，要求機(jī)動(dòng)靈活、重復(fù)輕、體積小、用電池組作電源、可靠性和維修性高以及單一產(chǎn)品的成本低等。主要技術(shù)性能：最大測(cè)程4~10km，測(cè)距精度±10m，重復(fù)頻率為單次，束散角1~2mrad。值得關(guān)注的的是，由于上述激光測(cè)距儀及其系統(tǒng)常與其他友軍密切配合作戰(zhàn)且不帶裝甲部隊(duì)大范圍訓(xùn)練以及無合作目標(biāo)、操作手不帶防護(hù)目鏡等，人眼安全極為重要。因此，這類脈沖激光測(cè)距儀已逐漸由裝備Nd∶YAG激光測(cè)距儀改為喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃1.54μm的人眼安全激光測(cè)距儀。

　　在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，由以前單一的步兵、炮兵獨(dú)立作戰(zhàn)發(fā)展到有步兵、炮兵和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)組成的特種部隊(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)，武器系統(tǒng)也由單一的地炮、高炮逐漸采用多功能綜合高技術(shù)。因此激光測(cè)距儀也由單一測(cè)距功能的便攜式、手持式發(fā)展到激光測(cè)距、紅外瞄準(zhǔn)的晝夜觀測(cè)儀以及激光測(cè)距、目標(biāo)指示、紅外瞄準(zhǔn)的激光紅外目標(biāo)指示器等。如美國光電公司采用Er∶玻璃激光器的小型激光紅外觀測(cè)儀(MELIOS)是當(dāng)代較先進(jìn)激光測(cè)距儀的代表。

　　2.地面車載脈沖激光測(cè)距儀

　　地面車載脈沖激光測(cè)距儀包括坦克、步兵戰(zhàn)車(IFV)、火控、對(duì)空防御、火炮或?qū)椫茖?dǎo)火控以及目前發(fā)展的地面車載激光測(cè)距儀―目標(biāo)指示器等。其主要技術(shù)性能：最大測(cè)程4~10km，測(cè)距精度±5~10m，目標(biāo)分辨約20m，重復(fù)頻率0.1~1Hz，束散角0.4~1mrad。

　　激光測(cè)距儀在坦克火控系統(tǒng)中的應(yīng)用是提供彈道軌跡的超仰角修正信息和因逆風(fēng)或目標(biāo)移動(dòng)引起的方位角校正信息以及距離信息。步兵戰(zhàn)車主要是使用激光測(cè)距儀去測(cè)量目標(biāo)是否在反坦克導(dǎo)彈的距離內(nèi)，其次用于槍炮火控和對(duì)目標(biāo)的分選。為了做到激光測(cè)距儀完全有效地對(duì)任何能探測(cè)到的目標(biāo)測(cè)距以及通過火控系統(tǒng)全天候被動(dòng)探測(cè)、識(shí)別和分選，這些系統(tǒng)還應(yīng)包括：瞄準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)、電視攝像機(jī)和紅外熱成像儀(FLIR)等。這是目前非常迫切需要的但不可能通過任何單一功能和單一波長(zhǎng)激光測(cè)距儀能完全滿足的系統(tǒng)。

　　據(jù)外刊報(bào)道，美國休斯公司采用喇曼頻移Nd∶YAG激光測(cè)距、電視攝像和紅外成像組成的坦克、裝甲車激光測(cè)距儀系統(tǒng)是目前最新型的設(shè)備。但是這種系統(tǒng)若采用1.06μm的Nd∶YAG激光測(cè)距，盡管在測(cè)距儀上裝上衰減濾光片，對(duì)合作目標(biāo)測(cè)距訓(xùn)練時(shí)已基本達(dá)到人眼安全要求，而經(jīng)論證后的坦克和步兵作戰(zhàn)的操作人員及指揮、作戰(zhàn)人員應(yīng)采取人眼安全措施，或者采用人眼安全的1.54μm激光波長(zhǎng)測(cè)距，從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)人眼安全的要求。

　　3.對(duì)空火炮和導(dǎo)彈防御脈沖激光測(cè)距儀

　　對(duì)空防御的脈沖激光測(cè)距儀以及采用了自保護(hù)措施的步兵戰(zhàn)車對(duì)空防御脈沖激光測(cè)距儀均應(yīng)按火控系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)的要求工作，在距離和距離速率以內(nèi)對(duì)空中高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)提供穩(wěn)定的跟蹤信息和距離信息，以對(duì)抗武裝直升機(jī)、隱身飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈的威脅。這就要求激光測(cè)距儀提供比較高的數(shù)據(jù)率(高的激光脈沖速率)和相當(dāng)高的距離精度，如最大測(cè)程為4~20km，測(cè)距精度為±2.5~5m，重復(fù)頻率為6~20Hz，束散角為0.5~2.5mrad等。然而，若其交戰(zhàn)距離相當(dāng)遠(yuǎn)(約達(dá)20km以上)，這么遠(yuǎn)的距離實(shí)際對(duì)抗出現(xiàn)在不模糊的大氣條件下，僅要求激光測(cè)距儀的靈敏度比坦克測(cè)距儀稍高一些；若在某些高濕度季節(jié)或某些高溫度氣象區(qū)域內(nèi)，由于很強(qiáng)的H2O分子吸收，限制了長(zhǎng)波長(zhǎng)(如10.6μm的CO2)脈沖激光測(cè)距儀最大測(cè)距能力的發(fā)揮，此時(shí)，應(yīng)采用1.06μm的Nd∶YAG脈沖激光測(cè)距儀，或者采用喇曼頻移Nd∶YAG及Er∶玻璃(1.54μm)的脈沖激光測(cè)距儀，如美國休斯公司采用喇曼頻移Nd∶YAG和Er∶玻璃的光電跟蹤探測(cè)激光測(cè)距儀是目前先進(jìn)系統(tǒng)的典型示例。

　　4.機(jī)載脈沖激光測(cè)距儀

　　機(jī)載脈沖激光測(cè)距儀可以用來裝備武裝直升機(jī)的導(dǎo)彈指令制導(dǎo)和裝備固定翼飛機(jī)，用于封鎖支援的光電飛行器等目標(biāo)以及攔截飛機(jī)和導(dǎo)彈的攻擊。這些典型應(yīng)用一般采用1.06μm的Nd∶YAG激光測(cè)距儀并具有激光測(cè)距和目標(biāo)指示的能力，或者采用1.54μm波長(zhǎng)的人眼安全喇曼頻移Nd∶YAG脈沖激光測(cè)距儀_目標(biāo)指示器等，以保護(hù)機(jī)載系統(tǒng)完成作戰(zhàn)任務(wù)或主動(dòng)攻擊空中的光電目標(biāo)。機(jī)載脈沖激光測(cè)距儀的主要技術(shù)性能：測(cè)程遠(yuǎn)(用于武裝直升機(jī)為4~10km，用于固定翼飛機(jī)為10~20kM)、測(cè)距精度高(用于武裝直升機(jī)為±5~10m，用于固定翼飛機(jī)為±1~10m)、重復(fù)頻率高(用于武裝直升機(jī)為4Hz，用于固定翼飛機(jī)為5~20Hz)、束散角小(用于武裝直升機(jī)為0.4~1mrad，用于固定翼飛機(jī)為0.1~0.5mrad)，同時(shí)機(jī)載設(shè)備應(yīng)體積小、重量輕并要與航空指示器共用。因此，激光器必須使用高效循環(huán)液體作冷卻器，以適應(yīng)高的運(yùn)轉(zhuǎn)速率要求，否則要采用氣體或混合氣體升壓冷卻。目前，美國研制的“利登”激光系統(tǒng)(LANTIRN)則采用喇曼頻移Nd∶YAG激光目標(biāo)指示器測(cè)距儀，是現(xiàn)代激光測(cè)距儀多功能化并擴(kuò)大機(jī)載應(yīng)用的典型示例。

　　5.艦載脈沖激光測(cè)距儀

　　艦載脈沖激光測(cè)距儀的發(fā)展在輕型便攜式、車載和對(duì)空防御激光測(cè)距儀之后，它包括水面艦載和潛艇潛望兩大類。

　　水面艦載脈沖激光測(cè)距儀在技術(shù)性能指標(biāo)方面與車載火控和對(duì)空防御激光測(cè)距儀相同，在環(huán)境使用方面要適應(yīng)艦載?？?、海面以及海上鹽霧的荷刻要求，而在體積、重量、電效率、維護(hù)保養(yǎng)能力和成本等方面的要求又不苛刻。因此，目前大量用來裝備常規(guī)火控和對(duì)空防御的海軍艦只，如掩護(hù)(無聲雷達(dá))艦載飛機(jī)回收和與紅外熱成像、電視等組成跟蹤系統(tǒng)，全天候監(jiān)視和跟蹤空中目標(biāo)等獨(dú)特的艦上應(yīng)用正在出現(xiàn)，其應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。

　　潛艇潛望脈沖激光測(cè)距儀目前采用兩種組合方式，第一種將激光測(cè)距儀、圖像增強(qiáng)器和熱成像儀裝于其潛望鏡中，而距離顯示器、觸發(fā)按鈕等分別裝于操作手上方或附近。其優(yōu)點(diǎn)是傳輸光路中激光損耗小，但光束飄移，不易捕獲目標(biāo)；第二種將上面三部分均裝在潛望鏡底部，整個(gè)系統(tǒng)的安裝，調(diào)試、拆卸均很方便，但采用這種方法的激光束要通過12m長(zhǎng)的潛望鏡管和15~20塊透鏡，能量損耗較大。主要技術(shù)性能是：測(cè)距范圍300~6000m，測(cè)距精度±5~10m，重復(fù)頻率1~5Hz，束散角1~1.5mrad。

　　6.太空載脈沖激光測(cè)距儀

　　太空載脈沖激光測(cè)距儀屬超長(zhǎng)距離戰(zhàn)略用激光測(cè)距儀。該類激光測(cè)距儀的特點(diǎn)是，光束在真空中傳播且具有衍射極限特性，最大測(cè)程大于1000km，激光脈沖能量在0.1~10J之間，測(cè)距精度為±5~10m，重復(fù)頻率為10~100Hz，束散角小于20marad，并且要與有源跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)完成跟蹤和測(cè)距。而這類激光測(cè)距儀通常裝在人造衛(wèi)星或者飛船上，由地面火箭向太空預(yù)定軌道發(fā)射。因此，對(duì)這類脈沖激光測(cè)距儀的要求是：重量輕(因?yàn)榘l(fā)射費(fèi)用主要由發(fā)射重量決定)、效率高(因?yàn)槌跏脊β侍丶?jí)及太空中很難用電源推動(dòng)冷卻系統(tǒng))、可靠性高(因?yàn)樘罩虚L(zhǎng)期無人維護(hù))、維修性嚴(yán)格(因?yàn)樘罩袠O難操作和維修)以及窗口小(因?yàn)榇翱诘拇笮∮砂l(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)射費(fèi)用決定)等。

　　根據(jù)太空載脈沖激光測(cè)距儀的應(yīng)用環(huán)境、功能和技術(shù)性能特性，采用小于1μm的短波長(zhǎng)激光器，如半導(dǎo)體激光器、倍頻Nd∶YAG激光器和紫外波長(zhǎng)等比較合適。若采用半導(dǎo)體激光器，其體積小、功耗低、重復(fù)頻率較高，但峰值功率(能量)小，在太空應(yīng)用時(shí)其測(cè)距儀的最大測(cè)程可達(dá)500km；若采用0.53μm的倍頻Nd∶YAG激光器，可以用作增強(qiáng)CCD有源成像器的照射光源，并且光束在太空中傳播時(shí)，其最大測(cè)程可以大于1000km；若采用小于0.3μm的紫外波長(zhǎng)測(cè)距，可以獲取極低的地球背景信號(hào)，對(duì)太空測(cè)距具有極大的潛力和吸引力。

　　7.云高脈沖激光測(cè)距儀

　　利用脈沖激光測(cè)距儀來測(cè)量云層垂直高度的儀器稱為云高激光測(cè)距儀。這類激光測(cè)距儀主要用來測(cè)量機(jī)場(chǎng)的云層高度，也可用來測(cè)量衛(wèi)星發(fā)射點(diǎn)的云層高度，為飛機(jī)的起降或衛(wèi)星發(fā)射提供安全的氣象數(shù)據(jù)。由大塊或大片云層組成的目標(biāo)雖然很大，變化多端，但反射系數(shù)很小，對(duì)最大測(cè)程為2~3km的高度應(yīng)采用5~40mJ的激光發(fā)射能量來測(cè)距，其束散角為1~5mrad，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它類脈沖激光測(cè)距儀，這是其主要特點(diǎn)。這類脈沖激光測(cè)距儀若加以很好的隱蔽，可以為前沿軍事基地、機(jī)場(chǎng)或軍用衛(wèi)星發(fā)射點(diǎn)(近距離)的安全提供可靠的氣象數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)不可缺少的儀器；若使用它為大型國際機(jī)場(chǎng)、小型商業(yè)民用機(jī)場(chǎng)和民用通信衛(wèi)星發(fā)射點(diǎn)(近距離)提供飛機(jī)起降或衛(wèi)星發(fā)射的安全氣象數(shù)據(jù)，將對(duì)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和提高國際信譽(yù)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但測(cè)距儀的激光束通過高空和自由太空傳播，將會(huì)對(duì)高空作業(yè)人員和飛機(jī)上的人員帶來極大的危害，因此必須優(yōu)先采用人眼安全的喇曼頻移Nd∶YAG或Er∶玻璃脈沖激光測(cè)距儀。