激光干涉测量技术.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、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，0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，=0n，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

5、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；,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

6、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,二、测量系统组成,(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

7、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

8、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

9、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

10、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。Ml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

11、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k/2干涉条纹便发生一次明暗交替变化，k为倍频系数，图中k6。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；

12、(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/8屈的阶梯，使光束的左右两半边产生/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/2

13、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/2然后按图所示胶合成冀形板。当光束两次通过翼形板时，角可按下式计算：,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。,翼形板结构图,阶梯板移相光路图,(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

14、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，

15、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,自然光,光是横波，电矢量的振动在垂直于传播方向的平面内,偏振光的获得是光学应用的基础,偏振光学与器件,线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解,圆偏振光,椭圆偏振光,偏振片的起偏,偏振片,偏振片的起偏,从自然光获得偏振光,自然光I,线偏振光 I,偏振化方向(透振方向),起偏的原理:利用某种形式的不对称性,如（1）物质的

16、二向色性，（2）散射，（3）反射和折射，（4）双折射.,我们研发各种偏振片和延迟器件,光,光,当方解石晶体旋转时，o光不动，e光围绕o光旋转,双折射,纸面,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。,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,寻常光(o光)、非常光(e光),o,e,入射光束,晶体,观察屏,A,B,C,D,o,e,o,e,晶体的双折射,产生双折射现象的根本原因是晶体光学性质的各向异性.,利用双折射获得线偏振光,1.尼可尔棱镜,前一半,2、渥拉斯

17、顿棱镜（偏光分束镜）,方解石 no ne,后一半,注意：光在两块方解石 中都是垂直光轴传播。,折射角小于入射角,折射角大于入射角,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

18、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/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/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/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14干涉条纹的变化，即表示目标镜的移动

19、距离为/8,实现了干涉条纹的四倍频计数，相应的测量长度为L=K/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

20、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,双频激光干涉仪光路图,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：,激光干涉测长应用举例（2）,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

21、光波束（驾束）制导,制导原理：,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。,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。,激光驾束制导优点：,系统小巧、轻便、适用于单兵使用；,缺点：技术难度大。,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

22、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

23、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。,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

24、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

25、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。,乘驾激光束的“灵巧炸弹”,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

26、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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、。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

32、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

33、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5

34、0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

35、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

36、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

37、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

38、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问题，许多方面仍不能令人满意。,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

39、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104kgcm2。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

40、，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

41、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

42、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

43、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

44、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2A2B 2C 2D 2A所围绕的区

45、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

46、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,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,Laser,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

47、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

48、光窃听系统,同轴型激光窃听系统,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。,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

49、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，

50、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