激光测距仪观测距离影响因素研究

2015-12-02钱贵鑫李进军由大德佘博

计测技术 2015年1期

钱贵鑫，李进军，由大德，佘博

(1.海军大连舰艇学院，辽宁大连116018;2.海军工程大学，湖北武汉430033)

0 引言

最大测距能力是激光测距仪重要的性能指标，在实际使用过程中，最大测距会受到多方面因素影响。针对测距过程中影响因素众多的特点，本文从激光测距仪工作原理出发，对影响激光测距仪测距的因素进行研究，分析各影响因素的影响规律，从而为激光测距仪测距性能的研究提供理论支持。

1 激光测距仪技术原理

激光测距技术［1-3］是激光在军事上最早和最成熟的应用。当前主要采用的是脉冲激光测距技术，其测距工作原理为通过计算激光发射功率经介质传输的衰减、目标表面截获和反射的光功率、到达接收视场的光功率以及接收光学系统接收到的光功率，就可以得到光电探测器的光功率及接收功率。其测距工作原理如图1所示。

图1 激光测距仪原理框图

激光在大气中传输距离普遍方程式如下:

式中:Pr为接收到得回波信号功率;Ps为激光光源的发射功率;T1为激光光源到目标的大气透射率;T2为目标到接收机的大气透射率;β为激光束大气中传输衰减系数;Se为目标反射器的面积;Sd为探测器等效接受面积;γ为目标的反射率;θi为激光束发散角;θr为目标的反射角;r为探测距离［4-5］。

激光测距仪主要性能参数指标为最大激光测距距离rmax，因此将公式(1)进行解算为

式中:Prmin激光测距仪最小接收功率。

由公式(2)分析得到影响激光测距仪最大测距能力的影响因素主要包括设备本身性能参数、战场条件和自然条件。

1)影响射击观测的设备参数

光电观测设备是精密度非常高的观测器材，其光学元件对设备的性能参数的影响较大。影响因素主要包括为最大输出功率、最小接收功率、光学效率、光束发散角和接收系统面积等。

2)影响射击观测的战场条件

舰炮对岸射击任务目标种类多样，不同目标影响效果不同。针对激光测程主要的影响因素为目标面积、目标的反射率和目标的反射角。

3)影响射击观测的自然条件

对于光学观测，大气中存在霾、雾、云、雨、雪等天气观象，都可能成为辐射传输的主要障碍。影响因素主要包括为激光在大气传输中的衰减系数。

2 激光测距影响因素及规律分析

由公式(2)可知，激光测距的测程与脉冲激光的功率、激光束的发散角、目标的反射特性、接收系统灵敏度以及大气衰减系数等有关。

而在实际运算过程中，大气衰减系数的数值不易求解，但大气透过率与衰减系数存在一定的相关性，因此可以利用大气透过率来进行解算。

工程上利用气象学中的大气能见度RV，在水平路径r上的大气光谱透过率t为(Bougner定理)［4-5］:

式中:λ0为测试能见距离的光波长，一般采用0.55 μm;λ为激光测距仪波长;a为与能见度有关的的指数系数。

将式(3)，(4)代入式(2)中可得基于能见度的测距公式:

2.1 激光测距仪影响因素分析

1)激光测距仪发射功率

选用不同的激光测距仪进行比对，其最大发射功率分别为0.5，5，15 MW和50 MW。由图2可见，随着激光测距仪最大发射功率的提升，激光测距能力也得到了提高。对于低能见度情况下，最大测程的差别体现的不明显，但是在能见度越大的情况下，最大测程的差别体现较大。能见度在25～30 km时，不同发射功率都有能见度相对测程的一个拐点，变化趋势在拐点后，慢慢降低并逐渐趋于平缓。

图2 不同激光测距仪发射功率下的测程曲线

2)激光测距仪最小接收功率

当Pr取临界稳定测距状态时的回波功率即最小功率Prmin的时候，即为该环境下的激光测距仪的最大测程rmax。选用不同激光测距仪最小接收功率分别为2×10-6，2×10-7，2×10-8W和2×10-9W进行比对。由图3可见，随着激光测距仪最小接收功率的降低，激光测距能力也得到提高。对于低能见度情况下，最大测程的差别体现的不明显，但是在能见度越大的情况下，最大测程的差别体现较大。

图3 不同激光测距仪最小接收功率下测程曲线

对于最大发射功率和最小接收功率变化，相同数量级的情况下，最小接收功率的，其对最大测程的影响要更多。对于最大发射功率出现的拐点，最小接收功率中也存在这一拐点，但是拐点位置随着最小接收功率的降低而逐渐增大。最小接收功率越小的最大测程随着能见度增大变化速率要更快。在出现拐点后，最小接收功率较高的，测程随着能见度变化趋势为，慢慢减弱并逐渐趋于平缓。

3)发射和接收光学效率

选用不同发射光学效率的激光测距仪进行比对，其发射光学效率分别为0.1，0.3，0.6和0.9。由图4可见，在相同能见度条件下，低发射光学效率下的激光测距仪的测程能力大幅下降，高光学发射效率下的测距仪的测程能力的提升不够明显;随着能见度的增加，高发射光学效率的提升要比低光学发射效率的提升空间大。接收光学效率与其规律相同。

图4 不同光学发射效率激光测距仪测程曲线

4)接收机光学系统有效孔径

选用不同的接收机光学系统进行比对，其有效孔径分别为0.05，0.1，0.15 m和0.2 m。由图5可见，在相同能见度条件下，随着接收系统有效孔径的提高，激光测距能力也随之提高，但测距能力的提高程度随着孔径的提高而减弱。在能见度较高的情况下，有效孔径的提高对激光测距能力的影响较大，在低能见度情况下，有效接收孔径越大其激光测距仪最大测程越明显。因此有效提升接收系统孔径，对低能见度下激光测距仪最大测程具有较大意义。

2.2 目标特性参数

选用不同目标反射面积分别为0.01，0.1，1 m2和10 m2进行比对。由图6可知，随着目标反射面积增大，在相同能见度条件下，激光测距能力也得到了提高。对于低能见度情况下，最大测程的差别体现的较明显，但是在能见度越大的情况下，最大测程的差别体现较小。能见度在25～30 km时，不同目标反射面积都有能见度相对测程的一个拐点，变化趋势在拐点后，慢慢降低并逐渐趋于平缓。

图5 不同接收系统有效孔径测距仪测程曲线

图6 不同目标反射面积测距仪测程曲线

2.3 大气参数

大气参数主要影响因素是大气透过率，通过经验公式法确定大气衰减系数，即用不同能见度，求出大气透过率。结合图7激光测距仪不同能见度下测程曲线可以得出，随着能见度的增加即大气透过率增大，同一激光测距仪的最大测程逐渐趋于平缓状态，能见度在小于20 km时对最大测程的影响较大。

图7 激光测距仪不同能见度下测程曲线

总结分析以上各影响因素，在相同能见度条件下:激光测距仪的发射功率、最小接收功率、发射和接收光学效率、接收机光学孔径、光学发射效率与激光测距仪测程成正比，但是这些参数的改变对测距仪的提升效果并不相同，其中某些参数的提升会受制于零部件生产制造的难度高，成本增加，因此在实际使用中可以通过优化计算，寻找相对更经济的方法最终实现测距仪测距能力的提升;目标的有效反射面积的提高对激光测距仪测程的提升不明显;随着能见度的增加，激光测距仪的测程逐渐趋于平缓，逐渐呈现出一种饱和状态，在一定能见度条件下，对测程的影响较大。