Transcript 激光的应用
穷追不舍的神射手--激光制导武器 利用激光的高方向性，控制和导引武器准 确到达目标，是激光制导。激光制导武器，主 要包括激光制导导弹、激光制导炸弹和激光制 导炮弹，就如同给这些武器安上了激光“眼 睛”，使它们抗电磁干扰能力极强，命中率极 高。也就是说，利用激光为导弹、炸弹或炮弹 瞄准，可以指哪打哪，百发百中。 激光雷达是在激光测距向多功能发展的情况下出现的。 它不仅可以精确测距，而且可以起精确测速、精确跟踪、警 戒防撞、控制飞船会合等乍用。雷达，这个号称国防干里眼 的名称，原意为无线电定位的英文“radar”的译音。它经历 了无线电雷达，超高频雷达，微波雷达等发展阶段。为了适 应现代战争高精度定位的需要，有人曾提出过研制频率更高 的光雷达方案，但因普通光亮度和单色性较差的限制，使之 发展迟缓。直到1960年激光问世后，才打开了光雷达的发展 局面。 激光的波长比微被短得多，而频率比微被却高得。实践表 明；波长越短，所需的发射天线直径越小。比如，从地球照 射到月球上一平方公里的区域，激光发射天线的直径30厘米 就够了，丽微波天线的直径约需几公里，目前还造不出这么 大的可转动天线，因此地球到月球的测距只有激光问世后才 得以实现。实践还表明：频率越高，分辨力(在一定距离上 ‹#› 分辨前后左右相邻目标的能力)越高，识别能力越强。比如， 微波一般只能发现高大的建筑物和山丘，而激光雷达则能识 别电线杆、空中电线、烟囱等小障碍物。要控制飞船在空中 的交会与停靠，必须精确地测定它们之间相互位置和速度， 才能使它们一个追踪一个的逐步靠拢和会合。此时使用地面 无线电雷达很因难，使用微波雷达时精度又常常达不到。但 若用一台平均功率几十瓦的空间船载激光雷达，则可精确地 探测到相距一万多公里远的两个飞船的距离。 激光束本来发散就很小，经发射望远镜后光束发散角可 小到干分之一度，而微波雷达最小也有几十分之一度。波束 发散小，不仅光能集中射的远，而且可进一步提高分辨能力。 比如，波束发散为1度的机载微波雷达，从1500米的上空照 射到地面形成直径约26米的圆，此圆内的地形起伏很难分辨； 但使用激光雷达在同样高度时，地面光斑直径仅十几厘米， 因此能分辨出地形的细节。 ‹#› 激光分辨力高，加上它单色性好，脉冲宽度比微波小得 多，所以利于抗干扰。比如，探测地面或低空目标时，微波 回波信号常被地面反射波所掩没，由于干扰就出现无法探测 的区域(雷达技术上叫盲区)。而使用激光时则可排除背景或 地面杂散回波的干扰和噪声影响，因而它能对超低空目标进 行观测，常应用于导弹发射初始段尤其对巡航导弹的跟踪。 再比如洲际导弹，只要它释放出大量干扰物或干扰机充当假 目标。或者利用小型核爆炸制造一个人为的反射微波电离层 时，就足以使微波雷达失灵或瘫痪，而这些对激光雷达干扰 的影响则不大，它可照常工作。 在现代战争中，配用微波雷达和配用激光雷达的反导系统 的情况则大不一样。一般超远程雷达提供的预警时间(从发现 到命中目标所需时间)约15分钟，即使超视距雷达(能探测地 平线以下、直线视距以外的各种目标)也不过30分钟。而在实 战中仅对目标粗跟踪和精密跟踪就约需十几分钟，这样剩给 ‹#› 引导拦击导弹的时间就不多了。目前洲际导弹的核弹头已 发展到分导式多弹头(一个母弹内装若干备有动力和制导 系统的子弹头)。它的子弹能机动飞行，各自寻找和攻击 不同的目标。激光雷达的反导系统，由于光速比最快的栏 截导弹还决几十万倍，因而可赢得很多的预警时间，使反 导系统有足够的时间对分导式多弹头逐个歼灭。 分辨力强、观测和跟踪精度高是激光雷达的最大优点。 当然，它也有局限性，比如，正由于激光方向性强、波束 发散小，大面积搜索和监视时就容易丢失目标。所以它不 适于用作搜索雷达。另外，由于波长短，大气成分对激光 散射和吸收较微波严重，尤其在雨、云、雾天其作用距离 短，甚至难以正常工作。总之，微波雷达和激光雷达可有 所长，应互相补充。 ‹#› 激光雷达的工作原理 激光雷达工作原理和微波雷达差不多，它是先向可能来 犯的目标方向发射激光探测信号，光波碰到目标后被反射回来 成为回波。由于回波经历的时间等参数变化恰好反映了接近目 标的情况和运动状态的变化，所以通过测量回波信号的到达时 间、频率变化、波束所指方向等就可以确定目标的距离、方位 和速度等。测速可有两种方法：一种是测量目标在通过一段巳 知距离前后，激光反射信号的时间差，从而可计算出目标运动 速度；另一种是测量由运动目标上反射回来的激光信号的频率 变化的大小，间接推算出被测目标的运动速度。 光学多普勒效应足指发射的光波，如果遇到活动目标则反 射信号的频率要发生变化。二者之差叫多普劲频率f f 2V cos( ) / 式中：λ为发射光波长。θ为目标运动方向与发射光束方向的 夹角。 V 为目标与雷达的相对运动速度。 ‹#› 只要知道多普勒频率大小，就可以推算出目标对雷达 的相对径向速度。因为激光的频率高，故可用于测量高速和 低速。由于频率测定精度极高，所以激光测速精度也高。比 如，用氦氖激光观测每秒一厘米的慢速运动目标，由于光频 变化量(多普勒频率)与波长成反比，可以得到30千赫的频率 变化量；而若用波长3厘米的微波，只能得到0.7赫的频率变 化量，显然，数值太小很难测量。对于每秒仅干分之几厘米 的超低速运动目标，微波雷达就无能为力了，而激光雷达却 能精确测定。目前，多利用气体激光的频率精度进行激光多 普勒测速。 ‹#› 激光自动跟踪雷达 对现代战争层有意义的是激光自动跟踪雷达，下图是它的 组成方柜图。它包括激光发射、接收、信息处理和数字显示等 部分。 ‹#› 采用四棱镜的脉冲激光跟踪系统 ‹#› 四棱锥的尖顶削平，形成一个中心平面和四个对称侧面， 中心面垂直并正对反射式接收望远镜的光轴。当目标位于望 远镜光轴上(正前方)时，回波光束恰好落在中心平面上，进 而传至测距系统，此时四个侧面则感受不到回波光束。当目 标偏离光轴时，说明目标不再在正前方，回波光束即偏射到 棱镜相应的侧面，并反射到对应的光电探测器l、2、3、4中 的一面上。此时产生误差信号输出，该误差信号正好反映了 目标偏离光轴的方位变化。比如光电探测器1或3上有信号输 出，就表示目标偏上或偏下；若2或4上有信号输出，就表示 目标偏右成偏左。不同光电探测器的误差信号进入自动跟踪 控制署时，就产生一个方位差值指令电信号推动伺服系统， 使望远镜光轴重新对准目标。这样就实现了自动跟踪。从雷 达座上的经纬刻度就能读出目标的方位角和仰角。当然，除 了四棱锥外还可用别的器件获得误差信号。 ‹#› 连续波激光跟踪精度比脉冲激光跟踪精度更高。它特别适 于对火箭、导弹和飞机的精密自动跟踪。这是一种较理想的空 防雷达系统，也是光武器不可缺少的配套系统。它的光电探测 器常采用析象管(如图所示)，并放在接收望远镜的焦点上。析 象管是利用物体的二次电子发射放大光电流的一种特殊光电倍 增管。它有一个向外延伸的部分，上面装有双向偏转系统，能 使从管子阴极表面发射的光电子束作水平和垂直方向的扫描， 构成图中的一个十字花瓣图象。管子阴极前面有个小圆孔，当 电子束扫到小孔中时，管子的阳极便输山一个电流脉冲；电子 束连续扫描，阳极则输出一系列脉冲。望远镜的光轴对准目标 时，阳极输出的脉冲序列是对称的；若目标偏离光轴，阳极输 出脉冲序列就不对称，不对称的程度恰好反映了目标方位变化 的大小。非对称脉冲序列进入自动跟踪控制器后，即产生目标 方位偏差信号。通过伺服系统可使望远镜光轴重新对准目标。 不管目标怎样运动雷达始终盯住它(即跟踪)。 ‹#› 采用析象管的连续激光雷达自动跟踪系统 ‹#› 激光雷达的研制 在激光雷达故研制工作中，要精心设计和认真解决下列几 个问题。 (1)发射和接收的稳定性。 · (2)微弱信号的深测。 (3)抗干扰(尽管激光雷达抗干扰性能较好，但也会受干扰)。 (4)系统内部和外部噪音的抑制和减小。 (5)增大作用距离。 雷达用的激光器，一般都要求：高功率、单模式、寿命长 和频率的高度稳定性等。雷达的结构设计一定要合理，机动灵 活。 激光雷达按军事应用的不同分为激光跟踪雷达、激光制导 雷达、激光显象雷达、多普勒激光测速雷达、障碍回避雷达、 气象雷达等。其结构有地面固定的，也有车载、机载和船载的； 还有单站的、多站的和相控阵制的。按探测方式不同，又有简 单直接探测和复杂的外差探测之分。总之，它的种类繁多，发 展很快。 ‹#› 激光雷达的发展趋势，一是小型、机动、通用化、积木化 和商品化；二是为了提高雷达精度和功能而采用光学相关技术。 CO2激光就有不少优点，它功率高、效率高、光束质量好，波形 可用多种方法调剂。由于它的光束宽度接近衍射极限，所以时 间和空间相干性好，从而对配套的光学系统的准直性要求也不 高。另外，这种红外激光透过雾、战场烟雾等能力强，对人眼 较安全。它也便于采用高灵敏度的外差探测技术提高分辨目标 的能力和探测精度。适于雷达的CO2激光器有： 1.低气压放电CO2激光器，这种激光器连续或脉冲工作均可， 适于外差法深测。已应用于多普勒相干成象雷达。 2.波导CO2激光器 这种激光器能连续或脉冲工作，连续波振 幅和频率能调制。它特别适于多普勒目标指示和目标三维成像。 脉冲工作时，脉冲重复串可以快到100KHz：以上，也可以慢到 lKHz以下。 3.TEA脉冲coz激光器 这种激光器的脉冲重复率低于lKHz， 峰值功率特别高，可采用相干或非相干探测，最适于测距。 CO2激光雷达现已应用于测距、火控、制导、导航、地形限 踪和障碍回避等方面。 ‹#› 激光制导武器与激光武器是有区别的。激光制导武器进行 攻击的方式，是依靠炸弹、炮弹和导弹的爆炸威力，激光只是 用来进行制导。它不像激光武器那样用纯激光束来进行攻击。 激光制导技术具有投掷精度高、捕获目标灵活、导引头价格便 宜、抗干扰性能好等特点。那么，激光是如何制导的呢？ 我们先了解一下什么是激光目标指示器。激光目标指示器 是为激光制导武器指示目标的装置，又叫激光目标照射器，可 装在飞机、直升机、无人驾驶飞机和舰船上。在陆军中，则有 步兵观察员和炮兵前进观察员用的便携式目标指示器。 激光制导武器的战斗使用取决于系统的类型、目标性质 和作战条件。还有就是区分任务和职能。对地面战术目标攻击 时，指示目标可由直升机或地面便携式目标指示器进行，摧毁 目标则由直升机或部队发射的导弹或末端制导炮弹来完成。 ‹#› 激光制导武器的奥秘 目标指示器在美国陆军武器系统中占有特殊的地位。除 地面观察员使用的目标指示器外，美国还研制了地面激光定 位目标指示器和轻便激光目标指示器。地面固定目标激光指 示器作用距离远，可用来保护对方火器射程以外的阵地，由 炮兵观察员使用，经改进后也可安装在战斗车辆上。但这种 目标指示器易受对方火力的影响。作战时，如需对不同距离 出现的大量目标实施突击则应设置数量较多的目标指示器， 并与炮兵火力侦察中心取得必要的联系。 美国在80年代初期研制了一种便携式激光目标指示器， 其体积和重量相当于一枝冲锋枪，供炮兵观察员使用。此外， 美国积极研制装有激光目标指示器和制导系统的战术无人驾 驶飞行器。早在1973年，在美国佛罗里达州空军基地进行了 袖珍无人驾驶的飞行器飞行试验。这种飞行器整个翅膀长度 3.6米重40公斤，能装载大约总重13.6公斤的两个电视摄像 机和一个激光目标指示器。巡航速度每小时95公里，最大 ‹#› 速度可以达到每小时135公里。 激光目标指示器 目标指示用于对其精确定位，这在军事上无疑也是十分重 要的。如果无法在一定距离以外对要打击目标进行精确定位， 那么，就只能有两种替代办法：要么与目标足够靠近，以确保 能准确地击中它；要么就采用某种“铺地毯”式的饱和轰炸， 或大范围内进行炮击。很显然，过于接近目标将是非常危险的， 并会导致高的伤亡率；盲目轰炸或炮击则需消耗大量武器弹药， 而对摧毁预定目标却未必有效。因而要求发展智能化炸弹或炮 弹，以便对特定目标精确定位，激光目标指示器就是这类装置 中的重要组成部分。 在智能化炸弹系统中，来自目标指示器的已编码激光直 指靶标，由目标反射的激光脉冲向各个方向上散射，并被安装 在导弹头部的目标搜索器探测，引导导弹准确地击中并摧毁目 标。可见，这种导弹并非由来自指示器的激光束引导，因而不 是驾束式制导。这里，激光束的编码是非常重要的，只有目标 搜索器才能识码，光束编码的另一个优点是可以同时识别或指 示同一区域的几个不同目标，它们各自具有不同编码，以防相 互干扰。 ‹#› 激光目标照射器是激光半主动寻的式制导系统的重要组 成部分 只有激光束照射到目标上，才能产生目标反射激光能 量，寻的器上的纯被动传感器才有可能“寻找”目标。 机载激光目标的一部分安装在飞机内，一部分安装在机 翼下的吊舱所示，其中点内。系统的原理性方框图如图划线 以上表示飞机内部分，点划线以下表示吊舱内部分。 在吊舱内，电视或红外摄象管2将采集的信号送往电处理 器及偏离测量装置3。后者给出目标方向相对吊舱视线方向的 角偏差，即目标俯仰偏差和方位偏差。这两个信号馈给伺服 回路4以控制方位校正并稳定瞄准线使吊舱视线指向前置指示 目标。由伺服回路控制4的机电装置5包括一个光学和意义上 的万向节，万向节产生的信号S5和S6表示吊舱视线方向相对 于吊舱三边的俯仰和方位方向。插入光路中的二色反射镜6使 来自照射器7的激光束能够沿着摄象机2接收光的方向传播。 摄象机2 输出的视频信号送往飞机中的显示监控器8供驾驶员 观察相应图象。 ‹#› ‹#› 激光制导武器的奥秘 下面，我们看看激光制导武器是如何实施攻击的。 自激光制导武器诞生以来，激光制导方式已经发展为两 大类，即寻的制导和波束式自动制导。激光寻的制导是当瞄 准目标后，由目标指示器发射出激光照射目标，随即发射激 光制导武器。制导武器在飞行过程中，装在头部的激光寻的 器接收由目标反射回来的激光信号，经过光学系统将光信号 转换为电信号，然后经过处理，得出引导信号，使武器导向 目标。 激光寻的制导又分为激光半主动式自动制导、激光全主 动自动制导。 激光半主动式自动制导是武器本身不装激光目标指示器， 只装有激光寻的器；由地面或由飞行器携带的激光目标照射 器发射激光束，对攻击目标进行激光照射，而被制导的武器 上的激光寻的器自动跟踪从目标反射回来的激光信号，顺藤 摸瓜，最终将目标击毁。 ‹#› ‹#› 半主动式激光制导 构造：A）激光照射器 B）导弹发射器 C）装有“寻的器”的导弹 1 2 3 4 5 6 7 8 导引头 控制仑 弹体 1--滤光器； 2--透镜； 3--光敏元件；4--放大器 5--计算器； ８－电源 6--自动驾驶仪； 7--舵面伺服仪 ‹#› 1 2 3 4 5 6 7 8 导引头 控制仑 弹体 四象限器 1--滤光器；2--透镜；3--光敏远件；4--放大器 5--计算器； 6--自动驾驶仪；7--舵面伺服仪。 ‹#› 发出纠偏信号，改变导弹飞行 方向，指向目标。 导弹保特原飞行方向 发出纠偏信号，改变导弹飞行 方向，指向目标。 半主动式激 光制导过程 ‹#› 是目前较成熟的一种激光制导方式 ，多用于对付地面目标。如激光制 导炸弹、炮弹、空地导弹等。 全主动式制导 激光照射器与目标寻的器均装在导弹弹体上。 作战时，激光照射器向目标照射激光，目标寻的 器接收目标反射来的激光信号，将导弹导向目标。 ‹#› 激光制导 激光波束（驾束）制导 利用激光控制炸弹、炮弹、 导弹，使这之“长上眼睛”， 盯住目标，穷追不舍，直到将 它消灭。 C A B ‹#› 装置：A--激光照射器； B--导弹发射器； C--尾部带有激光接 收器的制导导弹。 制导原理： 激光器向目标照射激光 导弹发射器发射导弹， 导弹尾部激光接收器接 收激光束信号，依接收 的信号强弱使导弹保特 在激光束中，直至命中 目标。 激光驾束制导 优点： 系统小巧、轻便、 适用于单兵使用； B ‹#› 缺点： 技术难度大。 激光全主动式自动制导是把激光目标照射器和激光寻的 器装在同一件武器上，目标照射器不断地向目标发射激光束， 寻的器自动接收从目标反射回来激光信号，并通过自动控制系 统，引导武器准确地奔向目标。主动式制导的抗干扰能力强， 因为激光束的能量很小，足以保障引导导弹而敌人又很难发现。 当武器偏离目标时，武器上的光电探测器便会迅速感觉出 来，得出武器与波束的偏离角度，然后发出修正信号，引导武 器飞向目标。激光制导武器有许多与众不同的地方。 一是精度高。激光制导炸弹的命中精度只有3-6米，而常规 的炸弹命中精度为300米左右，精度提高了近百倍，比用计算 机控制投放的普通炸弹命中率还要高50倍。 二是抗干扰能力强。由于激光有极强的方向性，而且频 率极高，不仅通常的电磁波无法干扰、破坏，就是天空中电磁 杂波、地球两极上空极光的闪烁等，对激光制导也不起作用。 ‹#› 三是价格便宜。使用一枚价值为15000-20000美元的激 光制导导弹，就能击落价值上百万美元的现代化轰炸机，甚 至可以击沉数亿美元的价值大型驱逐舰，前者的价值仅是后 者的1/67-1/7500。 激光制导兵器也有先天不足的短处，激光本身容易受雨、 雾、雪、烟、云及霾、气溶胶等恶劣气候的影响，不能在任 何气候条件下使用，因此，有时需要其他制导方式的协助和 配合。 为了克服激光制导兵器的弱点，军事技术专家们正在研 究新的技术，重点发展对烟、雾、尘埃的穿透能力强，对人 眼安全，更适合于战场使用的长波激光制导。 激光方向性精度高的特性，在现代军事上有独特的用途 从本世纪年代末开始，激光的高方向性，已在现代战争中发 挥了巨大作用。 ‹#› 乘驾激光束的“灵巧炸弹” 激光制导炸弹是由普通航空炸弹“嫁接”上激光导引头 和控制部件，经过认真的改装而成的。可见激光制导炸弹是 乘驾激光束飞行的“灵巧炸弹”。在所有激光制导武器中， 最先应用于战场的就是激光制导炸弹，它可以从高空进行投 掷，从而有效地减少了载弹飞机可能遭到的敌低空防空兵器 的打击。 激光制导炸弹中最早的一代是“铺路”型，也叫“宝石 路”，它是在美国研制生产的。1961年，也就是世界上第一 台激光器出现的第二年，美国在“红石”兵工厂开始研究制 造方案，1964年制成试验样弹。在60年代的越南战争中，美 军就曾用重900公斤的MK-84通用型“铺路 ”激光制导炸弹， 进行了作战试验和鉴定。1967年，在轰炸越南北方军事重要 目标过程，成为命中精度最高的炸弹。美军为了摧毁靠近河 内的清化大桥中，曾先后出动6000架次飞机，投弹数千吨， 损失了18架飞机，但仍未能伤着该桥的筋骨。后来，美军将 刚研制出来不久的激光制导武器派上了用场。 ‹#› 激光引信和引爆 一、激光引信 引信，它是引爆弹丸的一种专门装置，对各种弹丸都必 不可少。控制弹丸碰上目标爆炸的引信叫碰炸引信。弹丸在 接近日标到一定程度时爆炸的叫近炸引信。在实弹射击或投 掷时，由于多种因素的影响，刚好碰上目标的几率一般很小， 比如用炮弹打飞机直接碰上的几率还不到1％。但随着弹丸 威力的不断提高，并非一定要碰上，像空-空导弹，若威力 圈直径1公里，只要敌机进入此威力圈，导弹爆炸后靠爆轰 波和弹片同样可以摧毁它。又比如，航空炸弹，若控制它在 高地一定高度爆炸，杀伤效果反比碰地炸更好。因此，现代 导弹、火箭弹、炮弹、炸弹、水雷等越来越多地采用近炸引 信，以提高杀伤效果。当然，由于在弹和目标相互接近和交 会的各种状态中，存在一个位起爆杀伤效果最好的最佳位置 和时刻。因此存在所谓构“最佳炸点或炸高”的控制问题。 谁来掌握这个“火候”呢?这就是引信。所以最佳炸点或炸 高的控制是引信独有的问题。 ‹#› 引信工作原理是利用目标与背景之间明显的对比性来鉴别 目标的存在。它不断接收来自目标的信号（目标自身转射或 被它反射），当信号强度达到一定程度(距离远强度弱，距离 近强度大，因此强度大小反映弹和目标的交会状态），该信 号就接通引信的起爆电路，进而引发弹丸爆炸。引信装置若 是接收无线电信号就叫无线电引信；若是接收红外线或激光， 就分别叫红外线引信和激光引信；此外还有声引信、磁引信 等。 实际上，引信和制导有许多共同点，所不同的是接收信号 若用作制导信息就是制导，若用作引爆弹丸就是引信。因此， 引信也有所谓主动式、半主动式之分。另外还有被动式引信， 响尾蛇导弹的红外线引信就是典型实例。若红外信号来自敌 机尾喷口的红外辐射，则弹丸采取尾追攻击方式。不过激光 引信目前多为主动或半主动工作方式。 ‹#› 无线电近炸引信目前应用较多，但它的电波信号很容易被 对方察觉和截获，像半导体收音机大小的干扰机就足以使引信 早炸(不该炸时提前炸)或瞎火(该炸时又不炸)。此外，它的保 密抗干扰能力也差，致使定位精度较低，影响最佳炸点成炸高 的精确控制。早炸，在红外引信中亦较难处理，因为凡自身温 度高于绝对零度(-273℃)的物体，都产生程度不同的红外线辐 射，烟、火光、阳光等都会有较强的红外线成分。响尾蛇导弹 若正对太阳发射 (敌机常诱使你这样发射)，早炸几率很高就 是这个道理。尤其地面比空中和海面上背景复杂，所以很少看 到地面采用红外线引信。但激光却由于它的单色性和方向性好 而保密抗干扰；同时方向性好又使引信定位精度大大提高；高 亮度提高了引信灵敏度；并且便于和激光雷达等协同作战。随 着激光技术的发展，结构简单、轻小的半导体激光器为激光引 信的工程实施提供了方便。比如，室温下单异质结砷化镓激光 器的激发阈值己降至15安培以下，配套的晶体闸流管、硅光电 探测器等均有很大发展。地对空和空对地以及地对地激光引信 各国正在研制。当然，激光引信也不适于全天侯作战，它受气 ‹#› 象条件影响大。 激光引信目前大多采用主动式，下图为其原理框图。 激光发射装置与接收装置均置于弹九头部。发射部分由激光 器和发射装置组成，激光朝着目标发射后，碰到目标而被漫 反射(大多数目标表面相对镜面较粗糙，属漫反射体)，其中 的一部分就沿原路返回，进入激光接收系统，光电器件将光 信号转变为电信号。由于信号一般很微弱，所以必须由电子 线路放大，并进行波形整形和真伪识别等等，才能获得有用 信号。当弹充接近目标到最佳炸点时，信号强度就达到一定 程度，从而使执行机构执行起爆任务。保险和自炸机构是引 信独有的。在发射前的整个勤务处理及刚发射后一定距离内， 由保险机构断开起爆电路以保证安全。当弹丸飞离发射阵地 一定距离后，保险自动解脱，使引信处于临爆状态。自炸机 构是一旦末捕获或丢失目标以及引信失灵后，引爆弹丸自毁， 以免弹丸落入敌人手中。 ‹#› 主动式激光引信方框图 ‹#› 激光引信若设计不合理或考虑不周，同样会影响抗干扰。 尽管激光的抗干扰能力较强，而这个问题对引信性能却极端 重要。其影响因素主要有两方面：外来干扰信号和引信系织 内部的随机噪音信号。为了确保引信可靠作用和提高抗干扰 能力，可从下列三方面采取措施。 (1)窄视场发射，激光发放免最好控制在1度以下。砷化 镓激光发散角在所有激光中最大，约15-20度。必须精心设计 发射望远镜。 (2)接收部分采用窄通带滤光片性能要稳定以减少引信作 用距离的散布。光电器件更应严格筛选，光谱响应要灵敏， 噪声要低，在贮存、运输和使用中性能必须稳定。 (3)在电子线路上采取·系列专门措施。引信发展动向之 一是“积木化”，如同积木玩具，有若干标准件，不同要求 挑选相应的标维件装配即可。由于积木化具有多变性，能适 应各种战术技术要求而灵活机动。激光引信和激光制导结合 是近JL年提出的一种新颖设计思想。它能使结构简化、零部 件充分利用、成本降低。 ‹#› 二、激光遥控引燃引烃 电视机若带有遥控开关，那么它的开启与关闭、换台、 调音量等就可以通过遥控解决，只要手握类似袖珍收音机大小 的遥控器，坐在几米以外就可以随心所欲地控制调节。激光遥 控引燃引爆与此类似，比如公路桥梁上设防的地雷，可以在几 千米以外，通过不可见的激光束在最佳时刻非常可靠地遥控起 爆，对人员的安全不存在任何危险。如果给激光束“打上”特 殊的记号，即编上密码时，起爆装置就只接受这种密码的指令， 其他一概“拒之门外”。那么遥控起爆就可以说是绝对可靠。 这种就叫激光编码遥控引燃引爆。 (一)激光遥控引隙引爆的优点 当然，遥控引燃引爆也可以通过无线电信号。但与之相比 较，由于激光束方向性好、亮度高、单色住好，激光相对无线 电遥控引爆就有如下优点： (1)抗干扰能力强元线电信号分行空间范围大，易被对方 发现干扰。激光束相反，发散很小，抗干扰能力强，因此作用 可靠。 ‹#› (2)激光发射一般都采用望远系统，而望远系统通过合理设计 同时又可用于对敌情的观察，利于掌握最佳引爆时机，充分发 挥爆炸的威力。 (3)假如两种引爆装置体积重量相同，那么激光遥控距离可远 些，使人员更易隐蔽、更安全。 (二)激光遥控的引燃引爆装置 激光编码遥控引燃引瀑装置主要由激光编码发射部分、接 收解码和给出引爆指令三部分组成。 激光的发射通常是利用望远系统，远离爆炸现场。激光器 可以是固体钕激光，也可以是砷化镓半导体激光。它们都可发 射不可见的近红外激光，不易暴露，隐蔽性好。激光编码简单 易行的办法是在单位时间内规定激光脉冲发射的个数、一定的 脉冲宽度和脉冲间隔。比如一秒钟内发射5个脉冲，脉冲宽度 为50毫秒，脉冲间隔为150毫秒，那么接收部分只接收具有这 种特征的遥控激光信号。这种信号即编过码的信号，而每秒5 个脉冲，50毫秒脉宽、150毫秒脉冲间隔即“密码”。当然， 此密码视需要可以随时变更，以防被对方发现干扰。 ‹#› 接收装置远离发射地，但离设防的雷区要近，中间通过 隐蔽的导线同所埋设的地雷一一相连，以便传送引爆指令。 激光编码信号由光学系统接收，通过光电器件将光信号转换 成电信号。光电器件对激光波长是有选择性的，假如发射的 是砷化镓激光，一定要选用对波长0.84-0.91微米激光响应最 敏感的光电器件；若是钕激光，那么就要选用对波长1.06微 米激光响应最敏感的光电器件，当然，这里有个匹配关系。 反过来这出可以对发射来的激光是不是我方的信号进行判断 识别。若是我方的信号，让它进人解码电路，经过放大、整 形、计数等进一步识别解码。 根据上述的编码方案，解码具体可以这样进行。打个比 方说：电路中设置三道“门”，电信号若每秒5个脉冲第一道 门就可打开，让它通过若信号脉宽不长不短恰好50毫秒，那 么第二道门也可打开，若脉冲间隔刚好150毫秒，则第三道门 也打开。可以看出，三种编码若有一种不对，信号都通不过 去，这叫三级保险。它可以大大提高引燃引爆的稳定可靠。 编码和解码的方案形式很多，这不过是其中的一种。 ‹#› 经过解码和识别，接收部分判断确是我方的指令信号， 通过高压发生器立即产生一个引爆地雷所需的引爆电信号， 经导线传给每个地雷上的电雷管，从而引发地雷爆炸。上述 这些过程实际上在一瞬间就全部完成。 (三)激光编码遥控引爆的应用 (1)现代战争中防御部队对预设的雷区远程及时准确可靠 的遥控引爆。工兵开山炸石等施工中远程安全可靠爆破等。 (2)军事演习和训练中模拟爆炸燃烧，遥控炸点的远程显 示与观测等，这可以大大节省人力物力而形象逼真。 不过，由于激光自身的特点和受气象条件影响大的限制， 它还不适于光路上有遮挡物的场合。另外在遇到阴雨或灰尘 烟雾很大的时候，其遥控距离大大减小，效果变差。 ‹#› 三、激光直接起爆 不论是激光引信，还是激光遥控引燃引爆，在它们的接收系 统中都要有个光电转换过程。然后靠电信号经电雷管引发而起 爆战斗部中的主装药，而电雷管随着无线电技术的飞跃发展， 却遇到越来越大的问题。 (1)电雷管对静电非常敏感，而人身上的静电可达 干伏以上。尤其穿戴人造纤维服装时静电更为严重。除人身外， 环境静电场亦会引发电雷管爆炸。所以电雷管工人操作时绝对 禁止穿戴人造纤维衣帽。 (2)电雷管对自然界的雷电、广播电波、无线电雷达等发射 的射频电场同样很敏感，很危险。因此在电雷管研制、生产、 勤务处理和使用中，事故屡次发生，因电雷管引发而整个弹丸 爆炸的教训更惨痛。上面说的都是早作炸或意料不到的突然爆 炸，而长期贮存变质又容易瞎火。 针对电雷管存在的问题，60年代国际上出现了不要电雷管 和起爆药的“爆炸线起爆器”，英文缩写EWD”，它用爆炸线直接 起爆弹丸战斗部中的主装药。这样安全可靠性就可大大改善， 被称为现代火工品的一项新突破。但改善并不等于彻底解决了 ‹#› 70年代，随着激光性能的不断送高，国外又提出了用激光 直接引爆的爆炸装置，英文缩写为“LEED”，比EWD 更安全可靠。这是因为，不论静电场、还是射频场对激光束毫 无影响，由于激光的许多独特性能，不仅作用可靠，而且弹上 结构简单轻小，占空间少，主装药可以增加而提高弹丸威力。 美国加利福尼亚工艺研究院曾测定了22种药剂(起爆药、点火 药、延期药、烟火剂、猛炸药和推进刘)对激光的敏感度(简称 激光感度，定义为药剂起爆所须的临界激光能量)，发现猛炸 药中的泰安对激光最敏感，而猛炸药是许多弹丸的主装药，其 次点火药和延期药等也比较额感。这就从实验肯定了该方案实 现的可能性。接着美国匹加丁尼兵工厂等通过大量试验，证明 猛炸药确实容易直接被光能起爆，只不过要求光能必须是一个 强脉冲，比如，光束聚焦10-2毫米平方的面积上，希望温升为 1200℃，压力达104kg／cm2。显然，高能檄光完全可以满足此 要求。从而肯定丁实现的现实性。 ‹#› 激光直接起爆目前比较现实的一种方案是传统的电雷管 由激光雷管取代。所谓激光雷管就是指装有光学透镜和起爆 药的一种光雷管。透镜将射来的激光束聚焦，其焦点落在起 爆药上，因焦点处高温、高压的作用而使起爆药爆炸，进而 引发主装药瀑作。这种透镜以采用半球型的较好，因为它聚 焦效果好，光能损失小，使雷管结构简单，敏感度提高。激 光射束与其雷管之间常用光导纤维相连。 激光直接起爆的技术关键是增大药剂表面对激光能的吸 收率，减小反射变，提高药剂的敏感度。经试验，激光的敏 感氏起爆药比炸药、烟火剂等要高几个数量级。 激光直接起爆是一个合有多种作用的复杂过程，包括热 效应，光压冲击波作用，光化学反应等。目前大多数人认为， 当激光功率密度小于106瓦／cm2时，以热效应为主，伴有 ‹#› 其他效应；当大于108瓦／cm2时，以冲击波作用为主，伴有 其他效应。 激光直接起爆，同前基本都采用脉冲激光短射。具体的 有：红宝石激光、YAG激光和钕玻璃激光器等。YAG激光直接 起爆装置国外已应用于大型导弹、鱼雷和宇航方面。 ‹#› 激光警卫 Laser 光电探测器 Laser 夜色降临，海面上有一无形的，视而不见，触 而不觉的哨兵--红外激光探测器监视着海面， 当有不速之客到来，光线挡断，光电探测器 探测不到激光而进行声光报警 ‹#› 激光封锁报警嚣 一、激光封锁报警原理 对于边境要塞、关卡路口、弹药库、保密室、保险柜等 要害地区和部位的封锁可以采用多种方法，但以看不见、摸 不着的激光射束封锁更好。因为它保密、抗干扰性好，激光 射束细而直，方向性好，一般很难发现它。脉冲激光通过编 码能有效地识别和排除干扰。整个装置的体积可以缩小到照 相机那样大小，重量不到一公斤。封锁的距离从几米到几十 公里以上，通常都是在敌人闯人必经的位置上，设置一道或 几道不可见的红外激光封锁线。闯入者一旦遮挡了光线，设 在值班室的报警显示装置就会立即以声响和灯光图案报警， 提醒守卫者注意并采取措施。所以大家称它为激光封锁报警 器。 激光封锁报管器的工作原理如下图的方框图所示。它基 本分为现场和值班室两大部分。 ‹#› ‹#› 砷化镓半导体激光在室温下是波长0.84微米的不可见近红 外激光，脉冲辐射。它可以产生高峰值功率，能量转换效率 也比较高。整个激光器可以做得很小，又能用干电池作激发 电源，所以用的场所最多。它的光束虽然发放较大，但可以 用光学发射望远镜或透镜将发散角压缩准直后经发射装置再 射出去，以便传的较远。 激光射束穿过被封锁的区域，仔像一道无形的线一样， 由激光接收装置接收，再经光电转换如硅光电二极管将光信 号转换为电信号。它由一根较长的传输线从现场传至值班室。 光电转换来的电信号一般很弱，推不动警报器动作，所 以要由电子放大处理电路进行放大处理和真伪识别，然后再 输送给报警显示装置。 报警除了以声响和灯光图象显示报警外，有的还可把闯人 人数、次数，是进还是出显示出来。最新式的还配有夜视和 电视录相装置，连闯入者的动作、面容、形象都一清二楚。 ‹#› 二、激光封锁报警的实施方案 关于用激光束封锁报警的实施方案多种多样，现将常用的 几种介绍如下。 (1)激光发射和接收可以分开如图中的方框图那样。它们 也可以合为一体，在合为一体时光要来回定一趟才行，如下图 (a)所示，否则收不到信号。要求光束能够沿原路返回，就要 安装一直角全反射棱镜，这种棱镜的结构可以使射来的光沿原 路返回。至于射来的光是否垂直入射无关紧要。但若采用反射 镑反光，不垂直人射时，就不能保证反射光沿原路返回。 (2)如果需要封锁的距离很长，比如国境线，可以来用中继转 接的办法。下图(b)所示的激光射束先传至中继1站，中继1站 接收到光束后，将光信号转换为电信号并放大到足够强度。然 后控制站上的激光器发射同样波长的激光束。对光束的调制编 码最好变一下，然后传至中继2站。依次类推，直到终端接收 器为止。变化编码的目的是为清楚区分闯入者遮断光束的大体 区间范围。采用中继转接可以弥补光能长距离传播时的各种衰 减。 ‹#› 3)当需要显示遮断光线是出还是进时，必须用两条以上的 光线同时封锁，如下图(c)所示。若光路1先被遮断，即闯 入；若光线2先被遮断，即闯出。 ‹#› ‹#› (4)若要求围绕某一区域进行封锁时，可以设置所谓的“光子 围墙”，如上图(d)和要求封锁2A→2B → 2C → 2D → 2A所围 绕的区域。围墙最好是直线形，比如三角形、正方形、矩形等， 这里是2A → 2D → 2C → 2D → 2A所围的矩形，这样折转光 路用的设备较少。当围墙需要多处改变光路时，可以采用平面 反射镜或棱镜折转。图中A、B、C、D分别表示四个不同位置和 方向的闯入。每一方向位置有相应的激光器1、接收器2、报警 系统3与之相对应。比如A方向位置的闻人，则相应的激光器1A、 接收器2A、报警系统3A与之对应将首先发出警报等，这样是为 了便于区分闯入者究竟是从哪个方向闻人的，便于尽快采取有 力措施。 不同目标，如树叶、飞鸟、人、卡车等的闯入，可根据它 们各自的体积大小不同，运动速度不同，所以遮断光束持续的 时间也不同，就可以对它们区分。但一定要在电子放大线路中 加上一个处理识别环节才成。例如，激光器每秒钟发射20个激 光脉冲，人步行遮断光束的持续时间若为0.5s，那么接收器只 对中断l5个脉冲的信号才响应。而其他目标遮断光束的脉冲个 ‹#› 数一般总大于或小于人遮断的光脉冲个数15。 4）激光侦察 “室内讲话，墙外有耳” ‹#› 激光窃听技术 当窗玻璃不很厚，在密室内谈话时，产生的声波会引 起窗玻璃的微微振动。不同谈话产生的声波不同，引起的 振动也不同。窗玻璃不同的振动能调制射到它上面的激光 束，使之反射光束载上了谈话内容的信息。若在被窗玻璃 反射回来的光束的光路中放上一个合适的光信息接收器， 便能探测到迭加在反射光束上的谈话内容。激光窃听器经 常是设置在窗外，采用不可见的红外激光就可“听”到谈 话的内容。一般它不需要在被窃听的密室内装什么东西， 因而非常秘密，被窃听者很难察觉和发现。 激光窃听器常设置在被窃听的屋外对着窗子的位置上。 它有两种主要构型；离轴型和同轴型。不管那种构型，都 必须要有向窗玻璃连续发射激光束的激光器和接收被窗玻 璃反射回来的光束的接收器。 ‹#› 离轴型中的激光器和接收器既可以靠拢，也可以分开。 谈话声引起窗玻璃的振动使反射光束得到位相调制。接 收器通过探测反射光束的振幅变化而实现窃听。它的优 点是容易调整，但灵敏度较低。 离轴型激光窃听系统 ‹#› 同轴型灵敏度较高，但调整较困难。工作时，调整 激光器使发射的激光束与窗玻璃垂直，在光路上与光束成 45°角放置一块半透半反射镜(它使发射光束透过而射在 窗玻璃上，又把从窗玻璃上反射回来的光束反射到接收 器)，接收器光轴与发射光束垂直。由于发射光束与反射 光束符合相干条件而相干，其干涉图样被半透半反射镜反 射用在接收器的光电二极管土。当窗玻璃振动位移为发射 光的半个波长时，干涉图样的中心斑点出现一次明、暗变 化。 同轴型激光窃听系统 ‹#› 早期采用的氦氖激光器的光强由于易受低频和高频噪声的 调制影响，因而降低了窃听时的有效性。砷化镓半导体激光器 特别适合作激光窃听光源。这是因为它轻小，价廉，可用于电 池供电，室温下能连续工作。特别是光束易于调制，可以用外 差法等降低噪声，提高窃听效果。 上面所说的窗玻璃通常叫作窃听靶，实际上一切能被声音 调制的东西，如塑料窗板、像框玻璃等都可以作靶。 离轴型激光窃听系统的接收器很简单。在光电探测器的输 出端接上一个声频放大器即可。若在放大器上加个调频滤波器， 则可以大大减小和降低噪声信号，获得较好的窃听效果。 ‹#› 激光陀螺 —、陀螺和飞行器 陀螺不停旋转时，转速越高越稳定。它的轴线始终垂直 地面，这种特性对飞机、导弹、飞船等飞行器以及船、舰等 运动体的导航有特别重要的意义。因为飞行器高速运动时， 由于多种因素影响，航向经常会偏离正确方向。为了把航向 偏离修正回来，就必须经常监测它们的飞行姿态，通过控制 系统修正其偏差，使它们重新回到正确航向。以导弹为例， 当它朝共一目标飞行时，由于气流等影响，常使飞行姿态发 生变化，产生航向偏差。偏差内容可归纳为俯仰、偏航和侧 滚：俯仰即指弹头向下或司上倾斜；偏航即指在水平面内向 左或向右偏转；侧滚则是弹体绕弹轴滚转。如果置弹丸于 OXYZ直角坐标系的原点O处，这三种变化分别相当于弹丸绕Z 轴、Y轴、X轴转一定角度。因此常用转动角或转动角速度Ω 表示相应的变化，陀螺的任务就是及时监测出这些变化，并 将这些变化引起的偏差信号送给飞行器内的自动驾驶仪，分 ‹#› 别控制弹丸的副翼、垂直舵、水平舵等的动作，使各误差 信号消失。此时导弹才会重又回到正确的航向和飞行姿态。 显然，陀螺对飞行技术必不可少，而且陀螺监测飞行器偏 航的角度或角速度的精度大小直接影响到飞行航向的准确 度。飞行速度越高，要求陀螺监测航向的精度就越高。现 代飞机、导弹、火箭、卫星和飞船速度越来越高，与此相 适应的激光陀螺也就发展起来了。 ‹#› 导弹俯仰、偏航和侧滚坐标示意图 二、激光陀螺是怎样工作的 飞行器上一般的陀螺最基本的构件就是一个高速旋转(每 秒上万转)的“飞轮”。在高速旋转时，飞轮的自转轴线能 恒指向空间某一方向，并具有极高的稳定性。如果飞行器稍 稍偏离正确航向时，陀螺就会马上感受出来，并能控制飞行 器，对它进行修正，使之按要求航向飞行。 激光陀螺没有高速飞轮，结构新颖(如图)，它的“心脏” 是一个闭合的三角环形激光系统。激光器多采用气体激光器， 很少用固体器件。这是因为气体激光单色性较好(光谱纯)， 而固体的较差；固体器件表面和其内部反向散射的影响也较 大。气体多采用氦氖激光，因为它单色性最好，又易得到连 续输出、高增益和好的频牢稳定性，可靠寿命又长。目前大 多在一整块优质石英玻璃中做一个三角形的空腔作为激光传 导跃这样作容易获得较好的刚性并易于形成稳定振荡。三角 形的三个顶点配置有反射镜；图中下面的那一块反射镜为半 透半反射器，它们用光胶方法与石英块粘接。管内 ‹#› ‹#› 抽真空后充以氨氖气体，目的在于尽可能做到高密封性。 其所以作成三角闭合环形腔，是因为它结构简单、零件最 少。气体激光管两端均可以输出激光，分别沿顺时针和反 时针方向行进，并构成闭合回路(图中箭号所示)，两路光 通过半透半反射器(合光器)射入一种基于外差探测原理的 光电探测器上。随后再转变为电信号进入示被器和记录器。 激光器、探测系统与飞行器固接为一体，当飞行器航向正 确时，环形激光器不转，显然两路光走的路程相等；当飞 行器偏离要求航向旋转一定角度时，环形激光器也随着旋 转同样角度，这样，两路光将分别多走和少走一段路程而 产生了光程差△L。若设S为闭合三角形面积，c为光速，Ω 为飞行器旋转角速度，用简单的几何关系不难导出： ‹#› 显然可用测定两路光的光程差△L得到偏航旋转角速度Ω(光 速c为常数，面积S已知)。但一般△L值很小，若表现在干涉 条纹上(两路光符合相干条件)的变化一般只有几分之一个条 纹，测量精度不可能很高。为此，可将很小的光程差从转换 成较大的频率差值，这是因为光频率ƒ高达1013-1015赫，微 小的光程交化即可导致领率的很大变化。若设m为干涉级 (m=1、2、3……)，λ，ƒ 分别为激光波长和频率，则L为 L=mλ=mc/ƒ 或 ƒ=mc/L 微小的光程差△L将引起光频率ƒ改变△ƒ ，即 △ƒ=ƒ△L/L △ƒ=4SΩ/Lλ Ω=Lλ△ƒ/4S ‹#› 理论上讲，陀螺在不转动时，两路光的光程、频率、振 幅均相等；当陀螺转动时，由于产生了光程差而频率不再相等， 这时将产生与转动角速度Ω成比例的差频△ƒ输出。也就是说， 通过测量光频的变化△ƒ，就可以获得精确的航向偏转角速度Ω 值。关于△ƒ的测量，目前多用外差探测方法。 上面只讨论了一个转动方向．当在三个互相垂直的平面内构 成三个环形激光器时，就能对三个转动方向进行角度测量。环形 激光器宜以单纵模式运转，因为多模将使差频输出中渗杂其他频 率成分，形成噪言和干扰，影响了监测精度。另外还要求激光频 率高度稳定，因为即使很小的频率漂移，都将给飞行器旋转角速 度Q的测量计算带来很大的误差。 ‹#› 三、激光陀螺的特点 陀螺分为；机电陀螺、气浮陀螺、液浮陀螺、振动式陀 螺、射流陀螺、静电陀螺等多种；其中机电陀螺目前应用较 广。机电陀螺由于只采用了一般的滚珠轴承，没有采取特殊 措施，所以它无法承受高加速度的冲击。利用气体压力来支 承转子的叫气浮陀螺。它的优点是可以在高温、高加速度环 境下使用，精度也较高，但加工复杂成本高。液浮陀螺与气 浮陀螺类似。振动式有的又叫振梁式陀螺。它与其他陀螺的 原则区别在于它的输出信号带有振动特 性，它们大多数没有旋转部分，因此适合于在高加速度环境 下工作。利用射流技术测量角速度的叫射流陀螺。它的优点 是能抗高加速度过载，抗辐射、耐高温，简单可靠，缺点是 反应迟钝、气源必须净化等。 ‹#› 激光陀螺的优点 (1)由于没有一股的高速转动“飞轮”，所以工作可靠 性高、结构简单、牢固结实，能承受几千g以上的高加速度， 比一般陀螺承受能力高50倍以上，这对适应飞行器发射瞬间 的高加速度冲击作用特别有意义。另外，正因为不要转子、 轴承等，所以对高角速度相当灵敏，能够测量高转速，这对 宇宙导航很有意义。它可以满足用在飞船上的陀螺对高精度 的要求。 (2)能测的角速度范围大，可测到12000◦／秒，而机电 陀螺最大仅可测到400◦／秒。 (3)由于反应快，从接通到工作仅需30秒钟，只要一打 开开关就能瞬时投入工作，而使用机电陀螺时，由于必须加 热，热稳定及平台校淮等过程，一姬需要10-30分钟准备时 间。 ‹#› (4)工作不受环境(比如重力加速度等)影响，因而不 必对地球重力场变化作附加修正等。激光陀螺的平均无故 障时间可达17000小时，而一船的陀螺仅5000小时。激光 陀螺承受速度变化的能力比一般的陀螺高l0倍。 (5)在现代飞行技术中，陀螺常配以电子计算机。将 陀螺监测到的数据．馈入计算机计算处理后，产生控制指 令信号。激光陀螺可以直接以数字方式输出，很容易同电 子计算机配合，适应现代飞行技术的需要。 (6)结构简单，成本低，适于批量生产。据统计，精 度相同的激光陀螺约4万美元，液浮陀螺7—8万美元。 ‹#› 光纤陀螺原理 ‹#› 光纤陀螺原理图 光纤陀螺是基于Sagnac 效应，用光纤构成环状光路， 组成光纤Sagnac 干涉仪。如下图所示，来自光源的光束被 分束器BS1分成两束光，分别从光纤圈的两端耦合进光纤敏 感线圈，沿顺、逆时针方向传播。从光纤圈两端出来的两束 光，再经过合束器BS1而叠加产生干涉。当光纤圈处于静止 状态时，从光纤圈两端出来的两束光，光程差为零。当光纤 圈以角速率Ω旋转时由于Sagnac效应，顺、逆时针方向传播 的两束光产生光程差L可表示为： ‹#› 引起的相应的相位差为 CW——表示顺时针方向； CCW——表示逆时针方向； R——光纤圈半径； L—一光纤长度； A——光纤光路所包含的面积，A＝R； N——光纤圈匝数； A——光的波长； C——光在介质中传播速度。 ‹#› 上式就是光纤陀螺的基本公式，通过检测相位差ΔΦ （即干涉光强）就可以获得角速率Ω的信息，其中 4πLR/cλ项就是陀螺的标度因数。 为了对Sagnac效应的大小有一个比较直观的认识，我 们看一个例子。假定，光纤圈面积A＝100cm2 ，旋转角速 率Ω＝10－3ΩE（ΩE为地球自转速率l50／h)，即＝0.0150／ h，在包围此面积的单匝光纤环上，得到的光程差仅为 ΔL=10 －15cm。与氢原子直径10 －8cm相比较，可发现单匝 光纤环的Sagnac效应是很小的。显然，要提高干涉仪的灵 敏度就必须大大增加光纤匝数，也就是说增加光纤的几何 参数LR。通常LR取值在10一100m2之间。 可绕、低损耗的细径光纤，为绕制多匝光纤圈提供了 可能性，是实现小型、高灵敏度光纤陀螺的基础。 ‹#› 光纤陀螺光路系统 光纤陀螺的光路系统如图所示。除光源、探测器（光电 信息转换器件）、偏振器和传感光纤圈外，还包括两个分 束器和装在闭合回路一端的调制器。图中，光源一般选用 半导体激光器LD、发光二极管LED和超辐射发光二极管SLD， 由于SLD的性能介于LD和LED之间，既有较高的输出功率， 又有较大的光谱宽度，是光纤陀螺较为理想的光源。而探 测器则采用PIN光敏二极管。 ‹#› 光纤陀螺结构根据所采用的光学元器件不同有三种实 现方法：小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件 系统。 一是用分立光学元件实现的“最简结构”光纤陀螺仪。 它使用了小型透镜、反射镜和立体分束器，技术要求复杂， 光学系统不稳定。系统还使用了一端单模光纤做空间滤波器， 它与双折射棱镜偏振器一起提供了很强的多模抑制能力。 二是全光纤“最简结构”的陀螺仪结构，它具有陀 螺仪要求的全部功能。分立元件系统中，光从自由空间 送进单模光纤需要精细复杂的调整，否则不仅存在非常 大的功率损失，还会产生一些背向散射光，为此要求光 纤陀螺结构能使光从光源到探测器作连续传播，而全光 纤陀螺仪恰恰具备了这一优点。系统所有组成光学元件 还可以用传感光纤环的延伸长度来制造，而无需截断光 纤。制造难度和周期高于集成光学结构。 ‹#› 三是用集成光学器件实现的“最简结构”光纤陀螺仪。 系统的主要组成部分是Y～波导器件，它可以实现陀螺仪核心 部分所要求的分束器、偏振器、调制器三功能。集成光学实 现方法不仅包括了分立光学方法的各种功能部件，其突出的 优点是这些功能全部是由同一波导来实现的。 随着技术的进步和光纤陀螺元器件的发展，用分立光 学元件实现光纤陀螺仪的方案基本消失，全光纤结构的光 纤陀螺由于采用PZT相位调制器及结构简单、精度低、总体 光损耗降到最低限度，主要在开环低精度、低成本的光纤 陀螺中应用，而采用集成光学器件实现的闭环光纤陀螺， 由于光纤元件集成化，有利于简化总体结构，当集成工艺 成熟后，陀螺的工艺简单、总体重复性好、低成本，是目 前国际国内中高精度光纤陀螺的主要方案。 ‹#› 光纤陀螺的信号检测 保偏开环陀螺方案 光纤陀螺的输出是一个微小的相位差所对应的干涉信号，以一 种典型情况为例来说明，设L＝1000m，D＝0.1m，λ＝1.3μm，若要求 光纤陀螺检测的最小角速度为0.1度／小时，则对应的△φ为 7.81×10-7rad。前面图中所示为典型的开环陀螺系统，图中光源采用 带保偏尾纤的SLD，BS1、BS2为保偏耦合器，P为偏振器，采用线圈式 偏振器，光纤环采用保偏光纤绕制而成。由于保偏光纤中维持一个偏 振模式为主要传输模式，所以保偏方案系统中保持了偏振光的传输。 ‹#› 从信号功率来考虑，图3所示的开环陀螺系统，光学系 统的损耗为2O～30dB左右，系统所用光源一般采用SLD，其 出光纤功率为几十至一百多微瓦，所以当其到达输出端时 的功率仅为100nw～1μw。而光学系统本身所包含的不可避 免的噪声，如光源噪声、部件的偏振噪声、散射干扰等将 直接对光电转换后的信号检测构成影响。这一特点说明了 光纤陀螺信号检测不能用常规的方法来实现，而应用微弱 信号检测的理论与方法来实现. 光纤陀螺信号检测的主要目的是从强噪声中取出弱信 号。对开环系统，则主要是检测出由于光纤环旋转而引进 的相位变化，为获得大动态范围和好的标度因数线性度， 还必须对开环输出信号进行处理或建立闭环系统。光纤陀 螺信号检测理论和方法是随光纤陀螺光学系统的发展而发 展的，基本原理是微弱信号检测技术，一般有两种实现方 法：1)基于正弦波调制原理的检测方法；2)基于方波调制 原理的检测方法 ‹#› 激光测距 一、激光测距的特点 军用激光发展最快、最成熟的要算激光测距。步兵、炮 兵、坦克和飞机对地的测距中已获得了极佳效果。利用激光 像雨点般的那样，一个脉冲接一个脉冲辐射来测量距离，这 种测量方式叫脉冲测距；激光辐射若是连续的、并利用其相 位变化年来进行测距，叫连续波测距。前者结构简单，操作 方便，白天和夜间可测距离分别小于和大于50公里左右。精 度可达1米，因而被广泛采用。若要求测距精度小于1米，如 航测地形变化和海浪起伏等，就要采用后者。它能从空中辨 别地面凸起的公路、树木和机场跑道旁边不易看清的壕沟或 者探测复盖着白雪的地面高低。一般可测距百余公里，如有 合作目标时可测几百-几十万公里。但它的结构复杂，操作 麻烦，成本高。所以除测距精度要求特别高的场合外，一般 都不采用。 ‹#› 普通光学或微波测距精度想达一米相当困难。当目标 很远，尤其处于背着阳光的暗处时，普通光测距难以胜任； 此时若用激光，由于其亮度高，方向性奸，就可很好地解 决。微波波长比激光长千倍以上，因而易被干扰，常因环 境杂波干扰而无法工作。激光由于其频率高、单色性 好，所以能抗干扰。激光频率高还意味着不用巨大的天线 就能发射极窄的光束(如束散角1／20度的红宝石激光，只 需直径7.63cm的天线，而对微波来说，要想得到同样的散 角，天线直径则要在305米以上)，因此激光装置小而轻。 激光脉冲非常窄，因而能精确地测定物体的距离。激光方 向性好(即光束发散小)，在测量地面某一物体时就不受地 面附近其他物体的影响。激光亮度高，射得远，也就测得 远。激光测距的缺点是受气象条件的影响。 ‹#› 二、脉外激光测距原理 原则上凡能辐射脉冲激光的器件都可用于测距，但为了 扩大测量范围，提高测量精度，就要求激光脉冲有足够强度 及方向性和单色性要好，脉冲宽度要窄。较远程的地炮测距 多采用固体YAG或钕玻璃激光配以调Q技术，以获得符合要求 的脉冲低重复频率(每秒10次以下)。它们均为波长1.06微米 的不可见红外激光，其保密性好。YAG激光若用电光晶体调Q 可实现脉冲高重复率，对空中快速目标测距；YAG激光若用 铌酸锶钡等晶体倍频成波长0.53微米的可见绿色激光，可以 进行水中测距。CO2气体激光功率大适于远程测距；而半导 体激光器轻小，功率也小，常用于近程测距。 脉冲激光测距原理与微波测距类似，激光对准目标发射 后，当其碰到目标后就被反射，其中沿原路返回的激光被专 门的接收器接收。测出激光往返的时间(已知光速每秒30万 公里)，便可算出距离。设往返时间为t，光速为C则待测目 标距离L为：L=Ct/2 ‹#› 激光测距 主要构造：激光发射器； 激光接收器； 电源和显示装置。 原理： 激光发射器； Laser 电 源 放大器 ‹#› 光电转 换 器 射向目标 激光接收器； 记时器 参 考 光 来自目标 1 距离显示器 L ct 2 时间t怎么测量?c＝30万公里／秒，若L=15公里，则往返时 间只用0.001秒；这样短的时间普通钟表是无法计量的，此 时必须用特殊办法，即用一种叫时标振荡器的专门装置， 它能产生时间标准频率固定的电脉冲振荡。如振荡频率f＝ 3ⅹ107赫，f即每秒振荡产生的电脉冲个数，那么产生一个 电脉冲经历的时间t1＝1／f，在tl时间内光行进的距离l为 l=Ct1/2=C/(2f) 将f＝3ⅹ107赫和c=3ⅹ108米／秒代入上式，就能算出l＝5 米，即在时标振荡器产生一个电脉冲信号所用时间内光恰 好走了5米，产生第二个脉冲时光走10米、三个脉冲时光走 15米…，只要测出光在往返的时间内时标振荡器共产生了 多少个电脉冲，如2n个，目标距离L=n l。 L=nC/(2f) ‹#› 式中c、f均为已知，测出n，L就知道了。显然这里把时间t 的测量转化成了振荡器产生电脉冲个数n的测量。n用计数 器测定。具体实现是激光一发射，从发射光中取出一部分 作为参考脉冲信号，并将门电路的“门”打开，控制计数 器开始计数，当光从目标返回进入接受器时，将门电路的 “门”关闭，并控制计数器终止计数。计数器所计的时标 电脉冲信号的个数即2n，根据上式，测距仪就会将距离L计 算好并显示出来。 时标振荡器是关键，它对测距精度影响很大。目前多 用石英晶体作振荡器，振荡频率有每秒15兆赫、30兆赫、 75兆赫、150兆赫等，从前面的讨论不难算出与其相对应的 显示器显示约距离将为10米、5来、2米、1米等。例如时标 振荡频率为150兆周，脉冲激光测距精度可以为米数量级， 要误差小于I米，脉冲激光还较困难。 ‹#› 激光侦察 激光侦察是激光技术军事应用的重要内容之一。它是 充分运用激光侦察器材，刺探和窃取敌方的军事情报。 水下侦察是侦察工作上的一大难点。如今，这一任务 可以用空间和空中的卫星、飞机来完成，飞机和卫星可以 自身发射蓝绿色激光，也可将海岸和海岛上发射的蓝绿色 激光反射到海面。这种激光可以穿透300米深的海水，能够 大范围地搜捕敌方的潜艇和水下150米以内的其他军事设施。 蓝绿激光还可以作为水下通信的工具，当然也就可以用 作水下照明、摄影、电视的光源，并且能用来探测水下障 碍物和敌军海军基地及海港的水下地形，探测水雷、敌军 的潜艇位置。 激光还是一种窃取声音的“贼”，可以用它来当间谍， 窃听人们话音。 ‹#› 激光侦察 我们知道，声音在空气等媒介中向外传播过程中形成 声波。当声波撞到固体物质时，又会激发这些物质产生一定 幅度的振动，只不过这种振动大小不同。物体越薄，振动的 幅度越大。日常生活中，经常可以看到声波能够引起窗户上 的玻璃产生振动的情况。人只要一说话，就会发出大小不一、 声调不同的声音。室内开会时或打电话所发出的声波，当然 也会引起办公室、会议室的玻璃窗发生同步振动。 在确定需要窃听的房间后，用激光发射机发射出不可见 的激光照射其窗玻璃，窗户玻璃的振动就会带动激光一起振 动，当激光反射回来时，形成了带有语音振动的激光，即把 声音的信息也一并带了回来。激光接收机就可以接收到载有 声波的反射激光，经过特殊的设备进行处理后，就能把激光 束中夹带着的声音信息分检出来，再把它还原成原来说话的 声音。在对方难以发现的情况下、不用靠近就可以神不知鬼 不觉地得到对方的军事情报，达到窃听的目的。 ‹#› 激光侦测化学毒剂设备，是激光雷达技术与光谱技术的 “杂交品种”。它的探测灵敏度高，能远距离、实时测量化学 毒剂的种类及其浓度随时间和空间连续变化的详细情况，并将 测量结果以图形显示出来。 在种类繁多的毒剂面前，激光侦测系统是怎样准确地完成 任务的呢？该侦测系统一般采用灵敏度很高的外差探测差分吸 收法。其基本原理是这样的：每种毒剂分子都具有特定的吸收 光谱范围，激光发射机同时发射两种不同波长的激光，其中一 种波长的激光可能被待测毒剂分子吸收，而另一波长的激光则 完全不被它吸收。两种不同波长的激光同时通过待测毒剂扩散 的区域，由于大气悬浮粒子的散射，产生不同的散射信号。 接收机接收到这种回波信号后，在探测器中与原来发射的 激光进行对比分析，就可以直接测出毒剂种类、浓度等信息。 美国研制的二氧化碳激光区域侦毒雷达系统，可以安装在固定 的遥测站，专门用于探测沙林、棱曼、糜烂性毒气等化学战剂， 确定其浓度和扩散方向。用差分吸收方式工作时，可以探测、 识别各种汽化物和更小的悬浮粒子。 ‹#›