.jpeg?w=1000&h=667)
В последние годы вооруженные конфликты вспыхнули по всему миру, и размер рынка военных лазерных дальномеров достиг совокупного годового темпа роста 3,8%. Среди них лазерные дальномеры DPSS с эрбиевым стеклом в качестве активной среды заняли лидирующие позиции в таких областях, как прицеливание военного оружия, продвинутое отслеживание, автономные транспортные средства и наблюдение, благодаря своим преимуществам, включая превосходную способность проникновения в окружающую среду по сравнению с видимым светом (например, 905 нм) и дальнобойность. Однако они также сталкиваются с общими проблемами и ограничениями лазерных систем: суровые погодные условия могут значительно повлиять на их производительность. В данной статье систематически рассматривается, как суровые погодные условия влияют на лазерные дальномеры и предлагаются соответствующие решения.
I. Определение экстремальных условий и ключевые проблемы
-
Условия пыли в угольных шахтах
В условиях шахтной войны или картографирования подземных военных объектов большое количество взвешенной пыли значительно ослабляет лазерные сигналы. Хотя диапазон SWIR (коротковолновое инфракрасное излучение, 1,5–2,5 мкм) имеет определенные преимущества проникновения, он все же страдает от эффектов рассеяния Ми и поглощения при высоких концентрациях пыли, что приводит к усилению затухания сигнала и увеличению ошибок измерения расстояния. -
Сильное солнечное освещение, высокая отражательная способность в городах и высокие уровни влажности
- Сильное солнечное освещение: в сценариях с интенсивным солнечным излучением, таких как пустыни или снежные поля, уровень фонового шума крайне высок, что приводит к резкому падению отношения сигнал/шум (SNR).
- Высокая отражательная способность в городах: стеклянные фасады и металлические поверхности могут вызывать многопутевые отражения, мешая распознаванию эха.
- Условия с высокой влажностью: поглощение водяного пара усиливается на определенных длинах волн; в диапазоне SWIR, в частности, затухание становится значительным, если не избегать пиков поглощения воды (примерно 1,4 мкм и 1,9 мкм).
- Рассеяние в окружающей среде и многопутевые помехи
В джунглях, городских улицах или многообъектных сценариях лазерные лучи могут генерировать многопутевые сигналы из-за множественного рассеяния или отражений, что может вызвать ложные эхо-сигналы и путаницу в расчетах расстояния, а в тяжелых случаях даже привести к ошибочному определению положения целей.
III. Решения
-
Модели затухания
Исследования показали, что модель затухания окружающей среды, основанная на теории рассеяния Ми, может предсказать тенденции затухания диапазона SWIR при различных концентрациях пыли, влажности и условиях фонового света:
Pr = Pt⋅e−(αdust + αwater + αbg)⋅R
где Pr — это принимаемая мощность; коэффициенты α представляют собой факторы затухания пыли, водяного пара и фонового света на лазер, соответственно; а R — это расстояние до цели. Эта модель может служить основой для оптимизации параметров системы и адаптивного управления усилением.
-
Узкополосная фильтрация и выбор спектра
- Ультраузкополосные интерференционные фильтры (ширина полосы ≤ 1 нм) с центральной длиной волны, соответствующей длине волны излучения лазера, могут эффективно подавлять фоновый шум.
- Выбор длин волн в диапазоне SWIR, которые далеки от пиков атмосферного поглощения (например, 1535 нм, 1550 нм), может снизить влияние влажности, обеспечивая при этом безопасность для глаз (Класс 1).
-
Пространственная фильтрация и оптимизация оптической конфигурации
- Снижение угла обзора приемника (FOV), чтобы уменьшить долю фонового излучения, попадающего на детектор.
- Использование асферических линз или дифракционных оптических элементов для снижения бокового света в оптической системе.
- Для многопутевых помех можно использовать коаксиальные конструкции передатчиков и приемников или физическую изоляцию оптических путей передачи и приема, чтобы уменьшить нецелевые эхо-сигналы.
-
Мультидиапазонная фузия и многоканальный LIDAR
- Комбинирование SWIR + NIR (ближний инфракрасный) или SWIR + MWIR (средневолновой инфракрасный) многодиапазонной лазерной дальномерии для достижения избыточного измерения, используя различия в рассеянии и поглощении окружающей среды в разных диапазонах.
- Многоканальный LIDAR, в сочетании с анализом формы волны и фильтрацией по временным окнам, может значительно снизить помехи от ложных эхо-сигналов и повысить вероятность эффективного измерения расстояния.
Заключение
Лазерные дальномеры DPSS с эрбиевым стеклом, обладая отличными комплексными характеристиками, стали важным техническим оборудованием для точного измерения на дальние расстояния в экстремальных условиях. В данной статье систематически обобщаются множественные воздействия различных сложных условий на производительность оборудования и предлагаются целевые решения на основе передовых технологий, включая модели затухания, фильтрационные технологии, пространственную оптическую оптимизацию и мультидиапазонную фузию. Эти решения могут значительно повысить надежность и точность таких дальномеров в сложных военных сценариях, не только удовлетворяя потребности будущих операций в любых погодных условиях и на любой местности, но и предоставляя технические рекомендации для проектирования систем дальномерии следующего поколения с высокой производительностью.