激光測距儀觀測距離影響因素研究

錢貴鑫，李進軍，由大德，佘博

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

0 引言

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

1 激光測距儀技術原理

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

圖1 激光測距儀原理框圖

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功率;Ps為激光光源的發(fā)射功率;T1為激光光源到目標的大氣透射率;T2為目標到接收機的大氣透射率;β為激光束大氣中傳輸衰減系數(shù);Se為目標反射器的面積;Sd為探測器等效接受面積;γ為目標的反射率;θi為激光束發(fā)散角;θr為目標的反射角;r為探測距離［4-5］。

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

式中:Prmin激光測距儀最小接收功率。

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

1)影響射擊觀測的設備參數(shù)

光電觀測設備是精密度非常高的觀測器材，其光學元件對設備的性能參數(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、光學效率、光束發(fā)散角和接收系統(tǒng)面積等。

2)影響射擊觀測的戰(zhàn)場條件

艦炮對岸射擊任務目標種類多樣，不同目標影響效果不同。針對激光測程主要的影響因素為目標面積、目標的反射率和目標的反射角。

3)影響射擊觀測的自然條件

對于光學觀測，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 激光測距影響因素及規(guī)律分析

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

而在實際運算過程中，大氣衰減系數(shù)的數(shù)值不易求解，但大氣透過率與衰減系數(shù)存在一定的相關性，因此可以利用大氣透過率來進行解算。

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

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

將式(3)，(4)代入式(2)中可得基于能見度的測距公式:

2.1 激光測距儀影響因素分析

1)激光測距儀發(fā)射功率

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

圖2 不同激光測距儀發(fā)射功率下的測程曲線

2)激光測距儀最小接收功率

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

圖3 不同激光測距儀最小接收功率下測程曲線

對于最大發(fā)射功率和最小接收功率變化，相同數(shù)量級的情況下，最小接收功率的，其對最大測程的影響要更多。對于最大發(fā)射功率出現(xiàn)的拐點，最小接收功率中也存在這一拐點，但是拐點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程隨著能見度增大變化速率要更快。在出現(xiàn)拐點后，最小接收功率較高的，測程隨著能見度變化趨勢為，慢慢減弱并逐漸趨于平緩。

3)發(fā)射和接收光學效率

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

圖4 不同光學發(fā)射效率激光測距儀測程曲線

4)接收機光學系統(tǒng)有效孔徑

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

2.2 目標特性參數(shù)

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

圖5 不同接收系統(tǒng)有效孔徑測距儀測程曲線

圖6 不同目標反射面積測距儀測程曲線

2.3 大氣參數(shù)

大氣參數(shù)主要影響因素是大氣透過率，通過經(jīng)驗公式法確定大氣衰減系數(shù)，即用不同能見度，求出大氣透過率。結合圖7激光測距儀不同能見度下測程曲線可以得出，隨著能見度的增加即大氣透過率增大，同一激光測距儀的最大測程逐漸趨于平緩狀態(tài)，能見度在小于20 km時對最大測程的影響較大。

圖7 激光測距儀不同能見度下測程曲線

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

3 結束語

本文激光測距儀主要性能指標測距能力進行研究，結合測距原理對測距過程中的各影響因素進行研究。從激光測距儀、目標特性和大氣參數(shù)三個方面對影響因素進行分析。通過對各影響因素和影響效果進行分析，把握影響因素對測程的影響規(guī)律，從而為激光測距儀的測距性能指標的提升提供科學的理論指導。

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