Transcript 激光干涉测量技术
激光干涉测量技术 干涉测量技术是以光波干涉原理为基础进行测量的一 门技术。20世纪60年代以来，由于激光的出现、隔振条件 的改善及电子与计算机技术的成熟，使干涉测量技术得到 长足发展。 干涉测量技术大都是非接触测量，具有很高的测量灵 敏度和精度。干涉测量应用范围十分广泛，可用于位移、 长度、角度、面形、介质折射率的变化及振动等方面的测 量。在测量技术中，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪、马 赫-泽德干涉仪、菲索干涉仪、泰曼-格林干涉仪等；70年 代以后，抗环境干扰的外差干涉仪(交流干涉仪)发展迅速， 如双频激光干涉仪等；近年来，光纤干涉仪的出现使干涉 仪结构更加简单、紧凑，干涉仪性能也更加稳定。 在干涉测量中，干涉仪以干涉条纹来反映被测件的信 息，其原理是将光分成两路，干涉条纹是两路光光程差相 同点联成的轨迹。而光程差△是干涉仪两支光路光程之差， 可用下式表示 式中，nj、ni分别为干涉仪两支光路的介质折射率：li，lj 分别为干涉仪两支光路的几何路程差。若把被测件放入 干涉仪的一支光路中，干涉仪的光程差将随着被测件的 位置与形状而变，干涉条纹也随之变化，测量出干涉条 纹的变化量，便可直接获得l或n，还可间接获得l或n有关 的各种被测信息。 ‹#› 激光干涉测量长度和位移 激光干涉仪是一种所谓“增量法”测长的仪器，它是 把目标反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当目 标反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差即发生变化， 干涉条纹也将发生明暗交替变化。若用光电探测器接收，当 被测对象移动一定距离时，条纹亮暗交替变化一次．光电探 测器输出信号将变化一个周期，记录下信号变化的周期数， 便确定了被测长度。以迈克尔逊干涉仪为例，设在测量开始 时，一束激光经分光器B被分成两束，它们经参考反射镜M1 和目标反射镜M2后沿原路返回，并在分光点O处重新相遇， 两束光的光程差 式中n为空气的折射率，Lm为目标反射镜M2到分光点O的距离。 Lc为参考反射镜M1到分光点O的距离。 测量结束时。目标反射镜M2移过被测长度L后，处于M2’ 的位置。此时两光束的光程差 ‹#› 迈克尔逊干涉仪测长示意图 在测量开始和结束这段时间里，光程差的变化量 光程差每变化一个波长，干涉条纹就明暗交替变化一 次，则测量过程中与d△相对应的干涉条纹变化次数 式中，λ0为激光光波中心波长 ‹#› 测得干涉条纹的变化次数K之后，即可由上式求得被 测长度L。在实际测量中，采用干涉条纹计数法，测量开 始时使计数器置零，测量结束时计数器的示值即为与被测 长度L相对应的条纹数K。可把上式改写为 式中， λ=λ0／n， λ是激光光波在空气中的波长。 激光干涉测长仪的主要结构 • 激光光源：它一般是采用单模的He-Ne(同位素)气体激光器， 输出的是波长为0.6328微米的红光。为提高光源的单色性， 对激光器要采取稳频措施； • 迈克尔逊干涉仪：由它来产生干涉条纹；（核心部件） • 可移动平台：它携带着迈克尔逊干涉仪的一块反射镜和待测 物体一起沿入射光方向平移。由于它的平移，使干涉仪中的 干涉条纹移动； • 光电计数器：其作用是对干涉条纹的移动进行计数； • 显示和记录装置：其作用是显示和记录光电计数器中记下的 干涉条纹移动的个数或与之对应的长度； • 光电显微镜：作用是对准待测物体，分别给出起始信号和终 ‹#›止信号； 二、测量系统组成 激光干涉测量仪的主要部分有：激光干涉仪系统、干涉条 纹计数和处理测量结果的电子系统及机械系统。 (一)干涉仪系统 干涉仪系统主要包括光源、分束器和反射器。 1.激光干涉仪常用光源 因为He-Ne激光器输出激光的频率和功率稳定性高，它以 连续激励的方式运转，在可见光和红外光区域里可产生多种波 长的激光谱线，所以，He-Ne激光器特别适合作相干光源； 2.干涉仪将一束光分为两束或几束的方法 (1)分波阵面法 激光器发出的光经准直扩束后，得到一平而 光波的波阵面。利用有微小夹角的两反射镜Ml和M2(菲涅尔双 面镜)的反射，将光波的波阵面分为两部分，然后使二者在屏幕 P相遇，在屏上出现明暗相间的干涉条纹，如下图(a)所示。 (2)分振幅法 把一束光分成两束以上的光束，它们全具有原 来波的波前，但振幅减小了。如迈克尔逊干涉仪。常用的分光 器有：平行平板分光器和立方体分光器．如下图(b)所示 ‹#› (a)分波阵面法；(b)分振幅法 ‹#› (c)分偏振法 ‹#› (3)分偏振法 在偏振干涉仪系统中需要采用偏振分光 器，它由一对玻璃棱镜相胶合而成，在其中一块棱镜的胶 合面上交替蒸镀氟化镁和硫化锌膜层。入射光以布儒斯特 角进入介质层，经多次透射和反射得到高偏振度的S分量反 射光和P分量透射光。偏振分光器也可由晶轴正交的偏光棱 镜组成，如渥拉斯顿棱镜，如上图(c)所示。 3.干涉仪中常用的反射器 (1)平面反射器 偏转将产生附加的光程差，在采用多 次反射以提高测量精度的系统或长光程干涉仪中，此项误 差不可忽略； (2)角锥棱镜反射器 如下图(a)所示，它具有抗偏摆 和俯仰的性能，可以消除偏转带来的误差，是干涉仪中常 用的器件。 (3)直角棱镜反射器 如下图(b)所示，它的三个角分 别为45◦、45◦ 、90◦ ，光入射在斜面上。它只有两个反射 面，加工起来比较容易，并只对一个方向的偏转敏感。对 于垂直人射面的平面偏振光不受干扰。 ‹#› (4)“猫眼”反射器 如下图(c)所示，它由一个透镜L和一个 凹面反射镜M组成、反射镜放在透镜的主焦点上，从左边来的 入射光束聚焦在反射镜上，反射镜又把光束反射到透镜，并 沿与入射光平行的方向射出(与反射镜的曲率无关)。若反别 镜的曲率中心C’和透镜的中心C重合，那么当透镜和反射镜一 起绕C点旋转时，光程保持不变：“猫眼“反射器的优点是容 易加工和不影响偏振光的传输。在光程不长的情况下也可考 虑用平面反射镜代替凹面反射镜，这样更容易加工和调整。 ‹#› 4．典型的光路布局 在激光干涉仪光路设计中，一般应遵循“共路原则”，即 测量光束与参考光束尽量走同一路径，以避免大气等环境条件 变化对两条光路影响不一致而引起测量误差。同时，根据不同 应用需要，要考虑测量精度、条纹对比度、稳定性及实用性等 因素。下面介绍几种从不同角度考虑的典型光路布局。 (1)使用角锥棱镜反射器 这是一种常用的光路布局，如 下图(a)所示，图中角锥棱镜可使入射光和反射光在空间分离 一定距离，所以，这种光路可避免反射光束返回激光器。激光 器是一个光学谐振腔．若有光束返回激光器将引起激光输出频 率和振幅的不稳定。角锥棱镜还具有抗偏摆和俯仰的件能，可 以消除测量镜偏转带来的误差。图(a)所示光路的缺点是这种 成对使用的角锥棱镜要求配对加工，而且加工精度要求高。故 常采用一个作为可动反射镜。参考光路中用平面反射镜B作固 定反射镜。使用一个角锥棱镜作可动反射器还可采用其他几种 光路。图(b)中，镜Ml和M3上都镀有半反半透膜，M1用作分光 器，参考光束经M1反射后在镜M3与测量光束迭加，产生干涉。 M ‹#›l和M3还能做成一体，如图(c)所示。 ‹#› 只用一个角锥棱镜反射器作动镜还可以组成图(d)所示的 双光束干涉仪，它也是一种较理想的光路布局，基本上不 受镜座多余自由度的影响，而且光程增加一倍。 (2)整体式布局 这是一种将 多个光学元件结合在一起，构 成一坚固的组合结构的布局。 如右图所示，立方体分光器上 蒸镀了其他元件。整个系统对 外界的抗干扰性较好，抗动镜 多余自由度能力强，测量灵敏 度提高一倍。但这种布局调整 起来不方便，对光的吸收较严 重。 1.立方体分光器;2.移动反射镜 ‹#› (3)光学倍频布局 为提高干涉仪的灵敏度，可使用光学倍 频(也称光程差放大器)的棱镜系统，如下图所示。角锥棱镜Ml 每移动kλ/2干涉条纹便发生一次明暗交替变化，k为倍频系数， 图中k＝6。利用光学倍频的干涉系统能用简单的脉冲计数做精 密测量，而无需进行条纹细分，这种技术还可使干涉仪结构紧 凑，减小温度、空气及机械干扰的影响。 ‹#› (4)零光程差的结构布局 在干涉仪中，为使初始光程差 不随环境条件的变化而变化，常采用参考臂Lc和测量臂Lm相 等，并使两臂布置在仪器同一侧的结构形式。此时，干涉仪 的初始光程差Lm-Lc=0，即所谓的零光程差结构形式，如图所 示。这种结构布局可以提高干涉仪的测量精度。 (a)测量时测量光路光程增加；(b)测量时测量光路减小 ‹#› (二)干涉条纹计数与测量结果处理系统 1．移相器 激光干涉仅采用光电子计数时，为了判别可动目标反射 镜的前进和后退，仪器必须能够进行可逆计数。另外，为了 提高仪器分辨力，还要对干涉条纹进行细分。为达到这些目 的，干涉仪必须有两个位相差为90◦的电信号输出，一个按光 程的正弦变化，一个按余弦变化。所以，移相器也是干涉仪 测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有以下几种。 (1)阶梯板利翼形板移相 下图是阶梯板移相光路图。在反射 镜MI的半边蒸镀一层厚度为d的透明介质，使其造成λ/8屈的 阶梯，使光束的左右两半边产生λ/4的初程差。当两光电接收器 Dl和D2同时对准狭缝中心时，便能获得相移为π/2的信号输出。 翼形板移相的原理与阶梯板移相相同，常安放在参考光束一侧。 冀形板由一块加工十分精密的平行玻璃平板截成两块，在它们 的一端磨出所需的倾角θ/2．然后按图所示胶合成冀形板。当 光束两次通过翼形板时， θ角可按下式计算： ‹#› 阶梯板移相光路图 ‹#› 翼形板结构图 采用阶梯板或翼形板移相容易受大气扰动引起波阵面 畸变的影响。 (3)金属膜移相 利用金属膜表面反射和透射时都产生 附加位相差的原理，在分光器的分光面上镀上金属膜做成金 属膜分幅移相器，如图所示。它的移相程度取决于镀层的厚 度及其组成。铝膜可以移相70◦-90◦ 、金银合金膜的稳定性 比铝膜好。在图中，光路2中产生干涉的两束光均经过金属移 相膜的一次透射和一次反射，光电接收器接收的是位相相同 的两束激光所形成的干涉条纹。而在光路1中产生干涉的两束 光，一束是经过金属移相膜的两次反射，另一路则经过两次 透射。若金属移相膜使反射光束和透射光束产生45◦位相差， 则光电接收器接收的是位相差为90◦两束光的干涉信号。这样， 两个光电接收器接收的信号位相差为90◦ 。这种移相方法的 优点是两光束受振动和大气扰动的影响相同，元件少，结构 紧凑。其缺点是两相干光束的光强不同，影响条纹对比度， 改善办法是在光束强的反射器前放一块吸收滤光片，使两束 光强接近一致以提高对比度。 ‹#› 金属膜移相光路图 机械法移相原理图 ‹#› (4)分偏振法移相 右图 是分偏振法移相的光路图。输 入光束是与垂直入射面成45◦ 角的平面偏振光，由分光器和 活动反射器反射后，信号光束 的输出还是45◦的平面偏振光， 因此，它的垂直和水平分量位 相相同。在参考光路中加入 1/4波片后使参考光变成圆偏 振光，它的垂直和水平分量位 相差为90◦光束会合后用一个 渥拉斯顿棱镜使垂直分量和水 平分量分开，给出两个干涉条 纹，它们的位相差为90◦ ‹#› 偏振光学与器件 光是横波，电矢量的振动在垂直于传播方 向的平面内 自然光 没有优势方向 自然光的分解 偏振光的获得是光学应用的基础 ‹#› 偏振光学与器件 向 传播方 E 面 振 动 · 面对光的传播方向看 线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解 y Ey E Ex ‹#› x E x E cos E y E sin 圆偏振光, 椭圆偏振光 右旋椭圆 偏振光 右旋圆 偏振光 y E 传播方向 x y x 0 /2 z 某时刻右旋圆偏振光 E 随 z 的变化 ‹#› 偏振片的起偏 起偏的原理: 利用某种形式的不对称性,如 从自然光获得偏振光 （1）物质的二向色性， （2）散射， • 偏振片 （3）反射和折射， 光轴 非偏振光 线偏振光 （4）双折射…. ··· 电气石晶片 • 偏振片的起偏 P 自然光I´ · ·· 线偏振光 I 偏振化方向 (透振方向) 我们研发各种偏振片和延迟器件 ‹#› 1 I I 2 o光 e光 方解石晶体 折射现象 双 折射现 CaCO 3 纸面 ‹#› 当方解石晶体旋转时， o光不动，e光围绕o光旋转 纸面 双 折 射 ‹#› 光 光 方解石 晶体 晶体的光轴 当光在晶体内沿某个特殊方向传播时不 发生双折射，该方向称为晶体的光轴。 例如，方解石晶体 光轴是一特殊的方向,凡平 行于此方向的直线均为光轴。 • 102° A 光轴 单轴晶体：只有一个光轴的晶体 双轴晶体：有两个光轴的晶体 ‹#› B 晶体的双折射 寻常光(o光)、非常光(e光) 产生双折射现象的根本原 因是晶体光学性质的各向 异性. 观察屏 晶体 入 射 光 束 ‹#› e o A i B o eD C o e 利用双折射获得线偏振光 1. 尼可尔棱镜 A M 68 C N A · · ·· C ‹#› 90 48 68 M e o ·· e N 2、渥拉斯顿棱镜（偏光分束镜 ） 注意：光在两块方解石 方解石 no > ne 中都是垂直光轴传播。 折射角小于入射角 Z 前 一 半 Z ‹#› e光 n o光 n 后 一 半 折射角大于入射角 o光 e光 2.干涉条统计数及判向原理 干涉仪在实际测量位移时，由于测量反射镜在测量过程 中可能需要正、反两方向的移动，或由于外界振动、导轨误 差等干扰使反射镜在正向移动中，偶然有反向移动，所以， 干涉仪中需设计方向判别部分，将计数脉冲分为加和减两种 脉冲，当测量镜正向移动时所产生的脉冲为正脉冲，而反向 移动时所产生的脉冲为减脉冲。将这两种脉冲送人可逆计数 器进行可逆计算就可以获得真正的位移值。如果测量系统中 没有判向能力，光电接收器接收的信号是测量镜正、反两方 向移动的总和，并不代表真正的位移值。 图(a)和图(b)为判向计数原理和电路波形图。通过移相 获得两路相差π/2的干涉条纹的光强信号。该信号由两个光 电探测器接收，便可获得与干涉信号相对应的两路相差π/2 的正弦信号和余弦信号，经放大、整形、倒向及微分等处理， 可以获得四个相位依次相差π/2的脉冲信号。若将脉冲排列 的相位顺序在反射镜正向移动时定为1、2、3、4，反向 ‹#› 移动时定为1、4、3、2．由此，后续的逻辑电路便可以根 据脉冲1后面的相位是2还是4判断脉冲的方向，并送入加脉 冲的“门”或减脉冲的“门”，这样便实现了判向的目的。 同时，经判向电路后，将一个周期的干涉信号变成四个脉 冲输出信号，使一个计数脉冲代表1／4干涉条纹的变化， 即表示目标镜的移动距离为λ/8,实现了干涉条纹的四倍频 计数，相应的测量长度为L=Kλ/8 判向计数原理 1.干涉条纹；2.移相系统；3.光电接收系统；4.放大器；5. 倒相；6.微分电路；7.可逆计数器；8.计算机；9.显示器 ‹#› 激光外差干涉测长技术 直流干涉仪：前置放大器为直流放大器。动镜从静止→运动→ 静止；干涉条纹变化频率从0 →最大值→0；光强转化的直 流信号的频率变化范围也从0开始，需用直流放大器。 缺点：外界环境干扰能力差，只能在恒温防震条件下使用。 外差干涉仪：在干涉仪的信号中引入一定频率的载波，使被测 信号通过这一载波来传递，干涉仪能够采用交流放大，隔绝 外界环境干扰造成的直流电平漂移。 载波信号产生方法：使参与干涉的两束光产生一个频率差，这 样的两束光干涉会产生“光学拍”现象，转化为电信号得到 差频信号。（光外差干涉）。 ‹#› 双频激光外差干涉仪 其中氦氖激光器上沿轴向施加以磁场，由于塞曼效应激光被分裂成有 一定频率差的左旋偏振光f1和右旋偏振光f2 双频激光干涉仪光路图 测量反射镜运动产生的多普勒频移可以表示为 测量镜的位移量可由下式计算 t t L υdt 0 ‹#› 0 2 νD dt 2 t 0 νdt ν D 2 N 2υ 2υ ν c 激光干涉测长应用举例（1） 激光测角的原理与小角度干涉仪类似,都是采用三角正弦原理。如图 所示。被测的转角为： νD1 νD 2 dt L arcsin 0 R 2R t arcsin 激光测角原理示意图 1:偏振分光棱镜组；2: 角锥棱镜组；3, 3‘: 检偏器；4, 4’: 光电接收器；5, 放大器；6: 倍频和计数卡；7: 计算机 ‹#› 激光干涉测长应用举例（2） 激光测气体折射率： nm 0 N 1 2L 图 双频激光干涉仪测量空气折射率 1:偏振分光棱镜；2: 分光器；3: ¼波片；4: 真空室；5: 抽气口；6: 角锥棱镜；7: 检偏器；8: 光电接收器；9: 补偿环 ‹#› ‹#› 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。 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。砷化铵半导体激光器 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。因此常用转动角成转动角速度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 续航出、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。 ‹#› 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。 ‹#› 4）激光侦察 “室内讲话，墙外有耳” ‹#› 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。 ‹#›