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CN102508254B - 方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统 - Google Patents

方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统 Download PDF

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CN102508254B
CN102508254B CN201110364146.0A CN201110364146A CN102508254B CN 102508254 B CN102508254 B CN 102508254B CN 201110364146 A CN201110364146 A CN 201110364146A CN 102508254 B CN102508254 B CN 102508254B
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高明希
蔡红星
张天幕
任玉
胡馨月
谭见瑶
靳美会
宋宛营
刘杨
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Abstract

本发明提供了方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统,结合了啁啾调制激光信号技术,位置灵敏探测技术,高速光电探测技术,快速调焦激光接收技术和ATP高速二维跟踪转台技术。本发明选用的啁啾调制式的激光光源,进行方形光束发射,可以有效的消除地面回波对测量结果的干扰,使其可以测量距地面距离大于0.5米的弹丸发射轨迹。本发明结构设计巧妙,应用于近地高速飞行的弹丸轨迹测量。

Description

方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统
技术领域
本发明涉及一种方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统,属于激光测量技术领域。
背景技术
高速光探测器技术中,由于本征光电二极管(简称PIN)探测器的制作工艺较为简单,而且能够得到非常高的响应速度,因此各种不同响应速度的PIN光电探测器得到极大的发展[刘家洲,李爱珍,张永刚.光通信波段超高速PIN光电探测器的新进展《半导体光电》.2001,22(4):227-232]。
位置灵敏探测系统(PSD)是能够连续检测光点位置的非分割型元件,基本原理是基于横向光电效应。由于PSD具有较高灵敏度、良好的瞬态响应特性以及紧凑的结构和简单的处理电路而备受工程界的青睐,在航空对接、精密对中、振动测量等诸多领域得到了应用。位置灵敏探测器PSD(Position Sensitive Device)属于半导体器件,一般做成PN结构,具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点。其工作原理是基于横向光电效应。作为新型器件,PSD已经被广泛应用在位置坐标的精确测量上,如:兵器制导和跟踪、工业自动控制或位置变化等技术领域上[张晓芳,俞信,蒋诚志,王宝光.位置敏感探测器PSD特性的试验研究《仪器仪表学报》.2003,8:250-252]。
ATP高速二维跟踪转台技术,实质上是地面跟踪转台在天文学方面的应用,是实现空间目标的捕获(Acquisition)、跟踪(Tracking)和瞄准(Pointing)的重要设备。其主要完成大范围、高概率和快速空间捕获和两运动平台间高精度视轴对准和动态跟踪[张涛,梁雁冰,许峰,王晨,冯希.星载ATP平台的建模与仿真.《系统仿真学报》2009,12:3813-3815]。在测量弹丸发射轨迹时,一般采用圆形激光束辐照弹丸目标进行相关信息的测量,回波信息中含地物的杂波信号,该杂波信号对目标信息的测量精度存在干扰问题。
发明内容
为了解决在测量弹丸发射轨迹时的地物干扰问题,本发明提供了一种方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统。
本发明之方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统,其包括啁啾调制器、放大器A、加法器、激光器、激光器驱动器、方形光阑、望远镜A、望远镜B、探测器、放大器B、模数转换器A/D、计算机、ATP高速二维跟踪转台、位置灵敏探测系统(PSD)和显示器;
其中,啁啾调制器、望远镜A、望远镜B、模数转换器A/D、ATP高速二维跟踪转台和位置灵敏探测系统(PSD)分别与计算机连接;啁啾调制器还与放大器A连接;加法器与放大器A、激光器驱动器和激光器连接;激光器在其输出光束的光轴上依次与方形光阑、望远镜A连接;望远镜B与探测器、放大器B、模数转换器A/D顺次连接;计算机与显示器连接;
啁啾调制器、放大器A、加法器、激光器、激光器驱动器、方形光阑、望远镜A、望远镜B、探测器、放大器B、模数转换器A/D和位置灵敏探测系统(PSD)均固定放置在ATP高速二维跟踪转台上,上述所有装置随ATP高速二维跟踪转台一起转动;
啁啾调制器为啁啾调制激光信号发生器,啁啾信号频率为200到800兆赫兹;
放大器A为功率放大器,增益带宽为200-800兆赫兹,放大倍率15倍,噪声系数小于3分贝,接收增益大于15分贝;
方形光阑对激光光束进行方形整形;
望远镜A和望远镜B相同,均为快速调焦激光接收光学系统,镜头采用程控方式由计算机控制,调焦速度200毫秒,光学放大倍率:69倍,焦距:20-720毫米;快速变焦望远镜调整激光发散角,控制激光束直径;
探测器为PIN光电探测器;
放大器B为功率放大器,放大倍数100倍,噪声系数小于0.1分贝;
计算机中存储有管理及运行软件,因此,使得计算机能进行人机交互、信号处理、控制和数据计算;
ATP高速二维跟踪转台,角度分辨率:5毫弧度,响应时间:50毫弧度/秒,承载重量:100千克;
位置灵敏探测系统(PSD),对高速运动的空间目标方位进行探测;
啁啾调制器的信号分为两路,一路进入计算机作为时基信号,同时另一路经放大器A放大,进入加法器与激光器驱动器的信号进行叠加,作为激光器的激励源,激光器产生啁啾调制式的激光信号,该激光信号通过方形光阑整形成方形光束,再通过望远镜A发射出去,望远镜A调整激光发散角,控制激光束直径,辐照待测弹丸目标;
望远镜B接收回波信号,回波信号进入探测器转换为电信号,该电信号经放大器B放大后,通过模数转换器A/D进入计算机;
激光器产生啁啾调制式的激光信号发射出去,啁啾信号的相位被距离调制,回波含有距离信息,探测器采用同时探测空间位置和回波相位信息,其响应送入计算机,通过数据解调算法得出测量目标的坐标和速度;在计算机中将回波信号与时基信号进行混频,再通过数据解调算法从混频信号中得到相位的改变量,得到测量距离:
式中,为光波往返相位差,λ为光波波长;
位置灵敏探测系统(PSD)实时对空间目标进行探测,在目标弹丸飞行过程中的偏移,由位置灵敏探测器(PSD)给出,将信息反馈给计算机,计算机将其方位信号及控制信号送入望远镜A、望远镜B和ATP高速二维跟踪转台,使目标始终在望远镜A和望远镜B的视场内;目标坐标由ATP高速二维跟踪转台偏移量和探测器响应偏移量同时确定出;
采用ATP高速二维跟踪转台进行周期性扫描的方式测定目标的速度,预先在计算机中设置ATP高速二维跟踪转台的扫描范围w和扫描速度v,扫描一次的时间是t=w/v;
通过ATP高速二维跟踪转台的扫描,第一个扫描周期得到目标的距离R1,并记录空间位置;第二个扫描周期得到目标的距离R2,并记录空间位置,则可得到两次测量中目标的转角θ,进而得到两次测量目标运动的直线距离L=(R2)2+(R1)2-2R1R2cosθ,由转角θ与扫描速度v得到目标运动的时间T=θ/v,则可知目标速度V=L/T;
依上述操作步骤,重复多次扫描,得到目标的平均速度;
计算得到测试系统与目标之间的距离R和目标速度V可以通过显示器显示,或者打印出来,并通过记录弹丸飞行距离随时间的变化,实现弹丸发射轨迹的测试。
所述的在计算机中的软件流程,如图2所示。结合硬件介绍软件流程并说明本发明的方形输出激光光束弹丸发射轨迹系统的运行方法的步骤如下:
执行步骤21,开始,初始化;
执行步骤22,在计算机中设置ATP高速二维跟踪转台的扫描范围w和扫描速度v;
执行步骤23,啁啾调制器的信号分为两路,一路进入计算机作为时基信号,同时另一路经放大器A放大,进入加法器与激光器驱动器的信号进行叠加,作为激光器的激励源,激光器产生啁啾调制式的激光信号,该激光信号通过方形光阑整形成方形光束;
执行步骤24,再通过望远镜A发射出去,望远镜A调整激光发散角,控制激光束直径,辐照待测弹丸目标;
执行步骤25,望远镜B接收回波信号,回波信号进入探测器后转换为电信号,该电信号经放大器B放大后通过模数转换器A/D进入计算机;
若在一个周期内,没有接收到回波信号,则返回步骤22;
执行步骤26,激光器产生啁啾调制式的激光信号发射出去,啁啾信号的相位被距离调制,回波含有距离信息,探测器采用同时探测空间位置和回波相位信息,其响应送入计算机,通过数据解调算法得出测量目标的坐标和速度;
在计算机中将回波信号与时基信号进行混频,再通过数据解调算法从混频信号中得到相位的改变量,因为光波在传播过程中每传播λ的距离,相位就变化2π,从而得到距离信息:
Figure BDA0000109233490000041
式中,
Figure BDA0000109233490000042
为光波往返相位差,λ为光波波长;
执行步骤27,记录目标空间位置;
执行步骤28,记录测量的距离结果R;
执行步骤29,位置灵敏探测系统(PSD)实时对空间目标进行探测,在目标弹丸飞行过程中的偏移,由位置灵敏探测器(PSD)给出,将信息反馈给计算机,计算机将其方位信号及控制信号送入望远镜A、望远镜B和ATP高速二维跟踪转台,使目标始终在望远镜A和望远镜B的视场内,目标坐标由ATP高速二维跟踪转台偏移量和探测器响应偏移量同时确定出;
执行步骤30,通过ATP高速二维跟踪转台的扫描,第一个扫描周期得到目标的距离R1,并记录空间位置;第二个扫描周期得到目标的距离R2,并记录空间位置,则可得到两次测量中目标的转角θ,进而得到两次测量目标运动的直线距离L=(R2)2+(R1)2-2R1R2cosθ,由转角θ与扫描速度v得到目标运动的时间T=θ/v,则可知目标速度V=L/T;
依上述操作步骤,重复多次扫描测量,得到目标的平均速度;
执行步骤31,记录测量的速度结果V;
执行步骤32,计算机将计算得到测试系统与弹丸目标之间的距离R和目标速度V输出,通过显示器显示,或者打印出来,并通过记录弹丸飞行距离随时间的变化,实现弹丸发射轨迹的测试;
执行步骤33,结束。
有益效果:本发明提供了方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统,结合了啁啾调制激光信号技术,位置灵敏探测技术(PSD)技术,高速光电探测技术,快速调焦激光接收技术和ATP高速二维跟踪转台技术。本发明选用的啁啾调制式的激光光源,进行方形光束发射,可以有效的消除地面回波对测量结果的干扰,使其可以测量距地面距离大于0.5米的弹丸发射轨迹。本发明结构设计巧妙,应用于近地高速飞行的弹丸轨迹测量。
附图说明
图1是本发明方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统结构示意框图;
图2是本发明方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统的流程图。
具体实施方式
实施例1一种方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统,其特征在于:其包括啁啾调制器1、放大器A2、加法器3、激光器4、激光器驱动器5、方形光阑6、望远镜A7、望远镜B8、探测器9、放大器B10、模数转换器A/D11、计算机12、ATP高速二维跟踪转台13、位置灵敏探测系统(PSD)14和显示器15;
其中,啁啾调制器1、望远镜A7、望远镜B8、模数转换器A/D11、ATP高速二维跟踪转台13和位置灵敏探测系统(PSD)14分别与计算机12连接;啁啾调制器1还与放大器A2连接;加法器3与放大器A2、激光器驱动器5和激光器4连接;激光器4在其输出光束的光轴上依次与方形光阑6、望远镜A7连接;望远镜B8与探测器9、放大器B10、模数转换器A/D11顺次连接;计算机12与显示器15连接;
啁啾调制器1、放大器A2、加法器3、激光器4、激光器驱动器5、方形光阑6、望远镜A7、望远镜B8、探测器9、放大器B10、模数转换器A/D11和位置灵敏探测系统(PSD)14均固定放置在ATP高速二维跟踪转台13上,上述所有装置随ATP高速二维跟踪转台13一起转动;
啁啾调制器1为啁啾调制激光信号发生器,啁啾信号频率为200到800兆赫兹;
放大器A2为功率放大器,增益带宽为200-800兆赫兹,放大倍率15倍,噪声系数小于3分贝,接收增益大于15分贝;
方形光阑6对激光光束进行方形整形;
望远镜A7和望远镜B8相同,均为快速调焦激光接收光学系统,镜头采用程控方式由计算机12控制,调焦速度200毫秒,光学放大倍率:69倍,焦距:20-720毫米;快速变焦望远镜调整激光发散角,控制激光束直径;
探测器9为PIN光电探测器;
放大器B10为功率放大器,放大倍数100倍,噪声系数小于0.1分贝;
计算机12中存储有管理及运行软件,因此,使得计算机12能进行人机交互、信号处理、控制和数据计算;
ATP高速二维跟踪转台13,角度分辨率:5毫弧度,响应时间:50毫弧度/秒,承载重量:100千克;
位置灵敏探测系统(PSD)14,对高速运动的空间目标方位进行探测;
啁啾调制器1的信号分为两路,一路进入计算机12作为时基信号,同时另一路经放大器A2放大,进入加法器3与激光器驱动器5的信号进行叠加,作为激光器4的激励源,激光器4产生啁啾调制式的激光信号,该激光信号通过方形光阑6整形成方形光束,再通过望远镜A7发射出去,望远镜A7调整激光发散角,控制激光束直径,辐照待测弹丸目标;
望远镜B8接收回波信号,回波信号进入探测器9,转换为电信号,该电信号经放大器B10放大后,通过模数转换器A/D11进入计算机12;
激光器4产生啁啾调制式的激光信号发射出去,啁啾信号的相位被距离调制,回波含有距离信息,探测器9采用同时探测空间位置和回波相位信息,其响应送入计算机12,通过数据解调算法得出测量目标的坐标和速度;在计算机12中将回波信号与时基信号进行混频,再通过数据解调算法从混频信号中得到相位的改变量,得到测量距离:
Figure BDA0000109233490000071
式中,
Figure BDA0000109233490000072
为光波往返相位差,λ为光波波长;
位置灵敏探测系统(PSD)14实时对空间目标进行探测,在目标弹丸飞行过程中的偏移,由位置灵敏探测器(PSD)14给出,将信息反馈给计算机12,计算机12将其方位信号及控制信号送入望远镜A7、望远镜B8和ATP高速二维跟踪转台13,使目标始终在望远镜A7和望远镜B8的视场内;目标坐标由ATP高速二维跟踪转台13偏移量和探测器9响应偏移量同时确定出;
采用ATP高速二维跟踪转台13进行周期性扫描的方式测定目标的速度,预先在计算机12中设置ATP高速二维跟踪转台13的扫描范围w和扫描速度v,扫描一次的时间是t=w/v;
通过ATP高速二维跟踪转台13的扫描,第一个扫描周期得到目标的距离R1,并记录空间位置;第二个扫描周期得到目标的距离R2,并记录空间位置,则可得到两次测量中目标的转角θ,进而得到两次测量目标运动的直线距离L=(R2)2+(R1)2-2R1R2cosθ,由转角θ与扫描速度v得到目标运动的时间T=θ/v,则可知目标速度V=L/T;
依上述操作步骤,重复多次扫描,得到目标的平均速度;
计算得到测试系统与目标之间的距离R和目标速度V可以通过显示器15显示,或者打印出来,并通过记录弹丸飞行距离随时间的变化,实现弹丸发射轨迹的测试。
计算机中的软件流程,如图2所示。结合硬件介绍软件流程并说明本发明的方形输出激光光束弹丸发射轨迹系统的运行方法的步骤如下:
执行步骤21,开始,初始化;
执行步骤22,在计算机中设置ATP高速二维跟踪转台13的扫描范围w和扫描速度v;
执行步骤23,啁啾调制器1的信号分为两路,一路进入计算机12作为时基信号,同时另一路经放大器A2放大,进入加法器3与激光器驱动器5的输入信号进行叠加,作为激光器4的激励源,激光器4产生啁啾调制式的激光信号,该激光经方形光阑6整形成方形光束;
执行步骤24,再通过望远镜A7发射出去,望远镜A7调整激光发散角,控制激光束直径,辐照待测弹丸目标;
执行步骤25,望远镜B接收回波信号,回波信号进入探测器9后转换为电信号,该电信号经放大器B10放大后通过模数转换器A/D11进入计算机12;
若在一个周期内,没有接收到回波信号,则返回步骤22;
执行步骤26,激光器4产生啁啾调制式的激光信号发射出去,啁啾信号的相位被距离调制,回波含有距离信息,探测器9采用同时探测空间位置和回波相位信息,其响应送入计算机12,通过数据解调算法得出测量目标的坐标和速度;
在计算机12中将回波信号与时基信号进行混频,再通过数据解调算法从混频信号中得到相位的改变量,因为光波在传播过程中每传播λ的距离,相位就变化2π,得到测量距离:
Figure BDA0000109233490000081
式中,为光波往返相位差,λ为光波波长;
执行步骤27,记录目标空间位置;
执行步骤28,记录测量的距离结果R;
执行步骤29,位置灵敏探测系统(PSD)14实时对空间目标进行探测,在目标弹丸飞行过程中的偏移,由位置灵敏探测器(PSD)14给出,将信息反馈给计算机12,计算机12将其方位信号及控制信号送入望远镜A7、望远镜B8和ATP高速二维跟踪转台13,使目标始终在望远镜A7和望远镜B8的视场内,目标坐标由ATP高速二维跟踪转台13偏移量和探测器9响应偏移量同时确定出;
执行步骤30,通过ATP高速二维跟踪转台13的扫描,第一个扫描周期得到目标的距离R1,并记录空间位置;第二个扫描周期得到目标的距离R2,并记录空间位置,则可得到两次测量中目标的转角θ,进而得到两次测量目标运动的直线距离L=(R2)2+(R1)2-2R1R2cosθ,由转角θ与扫描速度v得到目标运动的时间T=θ/v,则可知目标速度V=L/T;
依上述操作步骤,重复多次扫描测量,得到目标的平均速度;
执行步骤31,记录测量的速度结果V;
执行步骤32,计算机12将计算得到测试系统与弹丸目标之间的距离R和目标速度V输出,通过显示器15显示或者打印出来,并通过记录弹丸飞行距离随时间的变化,实现弹丸发射轨迹的测试;
执行步骤33,结束。

Claims (2)

1.一种方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统,其特征在于,其包括啁啾调制器(1)、放大器A(2)、加法器(3)、激光器(4)、激光器驱动器(5)、方形光阑(6)、望远镜A(7)、望远镜B(8)、探测器(9)、放大器B(10)、模数转换器A/D(11)、计算机(12)、ATP高速二维跟踪转台(13)、位置灵敏探测器(14)和显示器(15);
其中,啁啾调制器(1)、望远镜A(7)、望远镜B(8)、模数转换器A/D(11)、ATP高速二维跟踪转台(13)和位置灵敏探测器(14)分别与计算机(12)连接;啁啾调制器(1)还与放大器A(2)连接;加法器(3)与放大器A(2)、激光器驱动器(5)和激光器(4)连接;激光器(4)在其输出光束的光轴上依次与方形光阑(6)、望远镜A(7)连接;望远镜B(8)与探测器(9)、放大器B(10)、模数转换器A/D(11)顺次连接;计算机(12)与显示器(15)连接;
啁啾调制器(1)、放大器A(2)、加法器(3)、激光器(4)、激光器驱动器(5)、方形光阑(6)、望远镜A(7)、望远镜B(8)、探测器(9)、放大器B(10)、模数转换器A/D(11)和位置灵敏探测器(14)均固定放置在ATP高速二维跟踪转台(13)上,上述所有装置随ATP高速二维跟踪转台(13)一起转动;
啁啾调制器(1)为啁啾调制激光信号发生器;放大器A(2)为功率放大器;方形光阑(6)对激光光束进行方形整形;望远镜A(7)和望远镜B(8)相同,均为快速调焦激光接收光学系统,镜头采用程控方式由计算机(12)控制;探测器(9)为PIN光电探测器;放大器B(10)为功率放大器;计算机(12)中存储有管理及运行软件,因此,使得计算机(12)能进行人机交互、信号处理、控制和数据计算;位置灵敏探测器(14),对高速运动的空间目标方位进行探测;
啁啾调制器(1)的信号分为两路,一路进入计算机(12)作为时基信号,同时另一路经放大器A(2)放大,进入加法器(3)与激光器驱动器(5)的信号进行叠加,作为激光器(4)的激励源,激光器(4)产生啁啾调制式的激光信号,该激光信号通过方形光阑(6)整形成方形光束,再通过望远镜A(7)发射出去,望远镜A(7)调整激光发散角,控制激光束直径,辐照待测弹丸目标; 
望远镜B(8)接收回波信号,回波信号进入探测器(9),转换为电信号,该电信号经放大器B(10)放大后,通过模数转换器A/D(11)进入计算机(12);
激光器(4)产生啁啾调制式的激光信号发射出去,啁啾信号的相位被距离调制,回波含有距离信息,探测器(9)采用同时探测空间位置和回波相位信息,其响应送入计算机(12),通过数据解调算法得出测量目标的坐标和速度;在计算机(12)中将回波信号与时基信号进行混频,再通过数据解调算法从混频信号中得到相位的改变量,得到测量距离:
Figure 635556DEST_PATH_IMAGE001
式中,Δφ为光波往返相位差,λ为光波波长;
位置灵敏探测器(14)实时对空间目标进行探测,在目标弹丸飞行过程中的偏移,由位置灵敏探测器(14)给出,将信息反馈给计算机(12),计算机(12)将其方位信号及控制信号送入望远镜A(7)、望远镜B(8)和ATP高速二维跟踪转台(13),使目标始终在望远镜A(7)和望远镜B(8)的视场内;目标坐标由ATP高速二维跟踪转台(13)偏移量和探测器(9)响应偏移量同时确定出;
采用ATP高速二维跟踪转台(13)进行周期性扫描的方式测定目标的速度,预先在计算机(12)中设置ATP高速二维跟踪转台(13)的扫描范围w和扫描速度v,扫描一次的时间是t=w/v;
通过ATP高速二维跟踪转台(13)的扫描,第一个扫描周期得到目标的距离R1,并记录空间位置;第二个扫描周期得到目标的距离R2,并记录空间位置,则可得到两次测量中目标的转角
Figure 242118DEST_PATH_IMAGE002
,进而得到两次测量目标运动的直线距离
Figure DEST_PATH_IMAGE003
,由转角
Figure 173164DEST_PATH_IMAGE004
Figure 927494DEST_PATH_IMAGE002
与扫描速度v得到目标运动的时间
Figure DEST_PATH_IMAGE005
则可知目标速度V=L/T;
依上述操作步骤,重复多次扫描,得到目标的平均速度;
计算得到测试系统与目标之间的距离R和目标速度V通过显示器(15)显示,或者打印出来,并通过记录弹丸飞行距离随时间的变化,实现弹丸发射轨迹的测试。
2.如权利要求1所述的一种方形输出激光光束弹丸发射轨迹测试系统,其特征在于,所述的啁啾调制器(1)的啁啾信号频率为200到800兆赫兹;放大器A(2)的增益带宽为200-800兆赫兹,放大倍率15倍,噪声系数小于3分贝,接收增益大于15分贝;望远镜A(7)和望远镜B(8)的调焦速度200毫秒,光学放大倍率:69倍,焦距:20-720毫米;放大器B(10)的放大倍数100倍,噪声系数小于0.1分贝;ATP高速二维跟踪转台(13)的角度分辨率:5毫弧度,响应时间:50毫弧度/秒,承载重量:100千克。
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US6054701A (en) * 1997-05-17 2000-04-25 Diehl Stiftung & Co. Target acquisition apparatus
CN101034160A (zh) * 2007-03-29 2007-09-12 中国科学院上海光学精密机械研究所 可获得目标位置信息的相干激光测距仪及其测距方法
CN101236253A (zh) * 2008-03-07 2008-08-06 中国科学院上海光学精密机械研究所 高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法

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