Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________

Bộ khoa học & công nghệ Bộ quốc phòng

Trung tâm KHKT & CNQS
Viện điện tử -viễn thông
Chơng trình KC.01

Nghiên cứu thiết kế chế tạo
máy đo xa laser rắn
Bớc sóng 1,54m tần lặp cao

Mã số: KC.01-25 Báo cáO tổng kết KH&KT đề ti
Chủ nhiệm đề ti: PGS.TS. Hồ Quang Quý
H nội, 11-2005

Bản quyền 2005 thuộc Viện ĐT-VT, Trung tâm KHKT-CNQS

Báo cáO tổng kết KH&KT đề ti
Chủ nhiệm đề ti: PGS.TS. Hồ Quang Quý

Bản thảo viết xong 11/2005

Ti liệu ny đợc chuẩn bị trên cơ sở Kết quả nghiên cứu thực hiện
Đề ti cấp Nh nớc, mã số KC.01-25. Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________

Lời mở đầu
Từ khi Laser ra đời, các thiết bị đo xa đã đợc thiết kế chế tạo trên ba
nguyên lý: so pha, dịch tần v xung. Các máy đo xa sử dụng so pha v dịch tần
có độ chính xác cao (đến cỡ mm), tuy nhiên cự ly đo ngắn vì sử dụng các laser
công suất thấp nên chỉ sử dụng trong các công nghệ xây dựng nhỏ, chế tạo
máy, đóng tu, máy bay. Các laser đo xa xung ngắn cỡ ns, công suất lớn nh
laser YAG Neodym, thuỷ tinh Neodym, đợc sử dụng đo cự ly di. Tuy nhiên
cho đến nay các máy đo xa kiểu ny có độ chính xác không cao (5m), vì
chúng phụ thuộc vo công nghệ điện tử, khi thiết kế các mạch khuyếch đại,
mạch đếm xung v mạch tạo xung chuẩn. Tuy nhiên, sai số ny vẫn có thể
chấp nhận đợc khi xác định cự ly hng km. Ngoi các máy đo xa laser ngắn
công suất lớn có thể phát với tần số lặp cao (đến 40 Hz thậm chí cao hơn) cho
một khả năng bám sát mục tiêu di động ở cự ly lớn. Nhiều nớc đã chế tạo
máy đo xa laser tần số lặp cao với mục đích bám v xác định vị trí của các vật
bay - kiểm tra đờng bay của tên lửa, đạn pháo v,v . Đặc biệt trong quân sự,
các laser tần lặp cao v đo xa laser tần lặp cao sử dụng trong việc bám v xác
định mục tiêu v điều khiển vũ khí tấn công mục tiêu đã phát triển mạnh v

tập trung nhiều sức lực v kiến thức để cố gắng khôi phục các thiết bị đo xa
laser tần lặp cao sẵn có.
Phân viện VLKT thuộc viện KTQS trớc đây v nay viện ĐT-VT
Trung tâm KHKT & CNQS đã triển khai nhiều đề ti nghiên cứu cấp BQP về
chế tạo máy đo xa laser, khôi phục sửa chữa các thiết bị đo xa v điều khiển
laser cho Không Quân v
thu đợc một số kết quả nhất định. Ngay từ những
năm 80 của thế kỷ trớc (thế kỷ 20), chúng tôi đã bắt tay vo nghiên cứu sửa
chữa các đi đo xa OH v H trên máy bay SU22M v SU27. Từ những
nghiên cứu đó chúng tôi bắt tay vo xây dựng dây chuyền sửa chữa OH.
Hiện nay dây chuyền lm việc hiệu quả. Tuy nhiên, điều muốn nói l dây
Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________

chuyền ny chỉ tập trung sửa chữa nhỏ, còn ở mức độ đại tu không thể thực
hiện đợc, vì phải nhập ngoại các linh kiện lớn, đặc chủng. Trên cở sở nghiên
cứu máy đo xa laser OH, chúng tôi đã nghiên cứu sửa chữa đi đo xa H
trên máy bay SU27 với tần lặp 10 Hz. Vì điều kiện kinh phí v vật t quan
trọng phải nhập ngoại, nên trong quá trình sửa chữa chúng tôi cũng chỉ tập
trung phát hiện các hỏng hóc, tìm hiểu nguyên nhân để khôi phục một số máy
nếu có thể v chủ yếu tập trung tăng cờng chất lm lạnh v thực hiện thay thế
từng cụm linh kiện để nâng cao công suất phát, bảo đảm tần số phát. Cũng
trong những năm 80 đến nay, chúng tôi đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo máy đo
xa laser sử dụng YAG: Nd dới dạng mẫu v sau đó chế tạo máy kích thớc
nhỏ cho pháo binh. Các nghiên cứu trên chỉ tập trung vo máy laser đơn xung
vì lý do kinh phí v nhiều lý do vật t, công nghệ khác.
Hiện nay trong quân đội đang có nhu cầu ứng dụng đo xa laser tần lặp
cao trong tổ hợp quan sát v điều khiển bám tự động cho pháo phòng không.
Bộ đội biên phòng, Tổng cục Hải quan cũng đang có nhu cầu cung cấp tổ hợp

phải lm lạnh bằng chất lỏng. Việc lm lạnh rất phức tạp, phải đảm bảo ổn
định với các chất lm lạnh v chất hấp thụ phổ đèn bơm phi hiệu dụng phải
phù hợp với độ dẫn nhiệt cao. Sau những kinh nghiệm sửa chữa máy đo xa
laser trớc đây cho thấy công nghệ quang học sử dụng cho máy đo xa laser
cũng quan trọng không kém . Để có đợc sự phù hợp giữa đầu phát v đầu thu
v kính ngắm công nghệ vi tinh chỉnh rất cần thiết, nó đòi hỏi đầu t lớn về
thiết bị v tay nghề của kỹ s.
Các đặc thù riêng ny đã lm cho giá thnh của máy đo xa laser tần
lặp cao nâng lên rất nhiều so với máy đo xa laser đơn xung.
Tuy nhiên kết quả nghiên cứu sau một thời gian di v có sự đầu t
của Nh nớc, nên một số cơ sở nghiên cứu nh: Trung tâm KHKT & CNQS ,
Viện CNQG, Bộ công an v Viện Vật lý thuộc Viện KHCN Việt Nam đã có
Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________

một số thiết bị đo đạc, chuẩn chỉnh, v các máy móc phục vụ gia công quang
cơ chính xác, nên việc nghiên cứu chế tạo đo xa laser tần lặp cao ở nớc ta đã
có cơ sở bớc đầu để phát triển.
Máy đo xa laser (laser rangefinder- LRF) l thiết bị đo khoảng cách
đến mục tiêu bằng cách đo thời gian cần thiết để chùm ánh sáng đi lại một
vòng từ máy đến mục tiêu. Laser YAG: Nd đợc sử dụng rộng rãi cho máy đo
xa laser trong quân sự v thay thế laser Ruby từ năm1960. Máy đo xa laser
ny đợc trang bị trong các tổ hợp vũ khí trang bị để tăng độ chính xác.
Các laser Raman- shifted Nd: YAG, OPO-Nd: YAG v thuỷ tinh Er (
Er: Glass) đợc phát triển trong những năm từ 1970 đến giữa những năm 80
nh những laser không ảnh hởng đến mắt ngời quan sát thay thế cho laser
Nd: YAG.
Có thể rút ra mấy điểm chính sau đây lm nên xuất phát của đề ti
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần số

1. Thông qua tổng quan, nghiên cứu các t liệu khoa học, kỹ thuật
v công nghệ cũng nh các công trình nghiên cứu của các nh khoa học trong
v ngoi nớc thu thập đợc từ nhiều nguồn, nhóm đề ti đã xuất phát nghiên
cứu cơ bản bằng lý thuyết các vấn đề liên quan đa ra những định hớng về
giải pháp công nghệ, kỹ thuật cho việc thiết kế chế tạo.
2. Kết hợp khảo sát một số mẫu thiết bị đo xa laser đơn lẻ với tính
năng thấp hơn, đánh giá khả năng các vật liệu, linh kiện trong v ngoi nớc
để tính toán, thiết kế mẫu cho máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp
10Hz.
3. Liên kết cùng với các cơ sở nghiên cứu khoa học công nghệ v
các cơ sở chế tạo mẫu thử nghiệm trong nớc để thiết kế v chế tạo một số chi
tiết quang- cơ-điện đơn giản thay thế cho việc mua hon ton ở nớc ngoi.
Tích hợp các khối đã chế tạo thnh mẫu trên cơ sở các tính toán tối u.
Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________

4. Quan hệ với các cơ sở đo tạo để triển khai nghiên cứu v chuyển
giao kiến thức khoa học v công nghệ về laser nói chung v đo xa laser nói
riêng cho cán bộ nghiên cứu v giảng dạy trẻ.
5. Quan hệ với các cơ sở nghiên cứu quang học, quang-cơ v quang
tử ở nớc ngoi để tham quan v học hỏi kinh nghiệm phục vụ cho nhiệm vụ
của đề ti.

Về nội dung v kết quả của đề ti đợc trình by ngay sau đây.

Ton cảnh đo xa laser tần lặp 10Hz trình by trong hình 1 v một số bộ
phận chính trình by trong hình 2.
Hình 2. Các bộ phận chính của đo xa laser ESLRF Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________
nội dung chính

Sau đây l tóm lợc kết quả nghiên cứu của đề ti

thuộc thế hệ cũ đã đến thời kỳ thay thế v không thể sửa chữa. Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________ 1. Một số đo xa laser có mặt tại Việt Nam

TT Ký hiệu Nớc SX Loại laser Bớc sóng
{nm}
Cự ly đo
{km}
Tần số
[Hz]
1
OH


TT Ký hiệu Hãng
sản xuất
(Nớc SX)
Bớc
sóng
(àm)
Tần
số
lặp
(Hz)
Mục đích (đối
tợng sử dụng)
Nguồn
phát
Cự
ly
(Km)
Năng
lợng
( mJ )
Độ
rông
xung
(ns)
1 ESLR-
1000
ADI Ltd.(úc) 1,54 - Trinh sát Thuỷ tinh
Erbium
12 8 -


Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________
Danh mục đo xa laser tần số thấp (tiếp theo)

TT Ký hiệu Hãng
Sản xuất
( Nớc SX)
Bớc
sóng
(àm)
Tần
số lặp
(Hz)
Mục đích
(Đối tợng
sử dụng)
Nguồn phát Cự ly
đo
cực đại
(Km)
Năng


20 - -
14 RLD - E Fotona
( Sloven)
1,54 1/5 Thiết giáp Thuỷ tinh
Erbium
10 8 -
15 M1 AESLR

Hughes
( Mỹ)
1,54 1 Bộ binh Nd:YAG
(Raman)
0,8 - -
16 APR- 1 Kazan
(Nga)
1,06 1/3 Phòng
không
Nd:YAG 20 15 6
17 LLSALR- E Litton
(mỹ)
1,54 1 Tăng thiết
giáp
Thuỷ tinh
Erbium
7 10 25
18 CVTTSAFV Litton
(mỹ)
1,58 1 Phòng
không Thiết
giáp

đích
( Đối
tợng
sử
dụng)
Nguồn
phát
Khoảng
cách đo
cực đại
( km)
Năng
lợng
(mJ)
Độ
Rộng
Xung
(ns)
19 RLD- E Fotona
(Sloven)
1,54 1/5 Thiết
giáp
Thuỷ tinh
Erbium
10 8
-
20 M1 AESLR Hughes
( Mỹ)
1,54 1 Bộ binh Nd:YAG
( Raman)

_______________________________________________________________________

3.Danh mục đo xa laser tần số cao 10Hz

TT
Ký
hiệu
Hãng
sản xuất
( Nớc SX)
Bớc
sóng
(àm)
Tần
số
lặp
( Hz)
Mục
đích
( Đối
tợng
sử dụng)
Nguồn
phát
Cự ly
đo
cực đại
( km)
Năng
lợng

1,54 2-20 Không
quân
Nd:YAG
( Raman)
40 - -
6 HRLR EL- OP
( Ixraen)
1,06 20 Phòng
không
Nd:YAG 15 - -
7 HRLR-
ES
EL- OP
( Ixraen)
1,57 20 Phòng
không
Nd:YAG
OPO
20 - -
8 LR- 40 Eloptro
(Nam Phi)
1,54 20 Bám
máy bay
Nd:YAG
(Rama)
40 20 16
9 AALR Ericsson
( T. Điển)
1,06 10 Không
quân


4. Danh mục đo xa laser 1540nm
TT Ký hiệu Hãng Sản
xuất
( N SX)
Bớc
sóng
(àm)
Tần
số
lặp
(Hz)
Mục
đích
( đối
tợng sử
dụng)
Nguồn
phát
Cự ly
đo
cực đại
(km)
Năng

lợng
(mJ)
Độ
rộng
xung

( Rama)
20 6 6
6 HRLR- ES EL-OP
(Ixraen)
1,57 20 Phòng
không
Nd:YAG
OPO
20 - -
7 LH- 40 EL-OP
(Ixraen)
1,54 1/3 P. không
T. giáp
Nd:YAG
(Raman)
20 - -
8 LR-40 Eloptro
(Nam phi)
1,54 20 Bám
MB&XT
Nd:YAG
(Raman
40 20 16
9 ESLR Ericsson
(T.điển)
1,54 25 Không
quân
Nd:YAG
(Raman
15 - -

Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________

5. Danh mục đo xa laser tần số cao đo trên 10 km

TT Ký hiệu Hãng
SX
( Nớc SX)
Bớc
sóng
(àm)
Tần
số lặp
(Hz)
Mục
đích( đối
tợng sử
dụng)
Nguồn
phát
Cự ly
đo
cực đại
(km)
Năng
lợng
(mJ)
Độ
rộng

không
Nd:YAG 15 - -
6 HRLR-ES EL- OP
(Ixraen)
1,57 20 Phòng
không
Nd:YAG
OPO
20 - -
7 LR-40 Eloptro
(Nam phi)
1,54 20 Bám
MB&XT
Nd:YAG
(Raman)
40 20 16
8 AALR Ericsson
(Thuỵ điển)
1,06 10 Không
quân
Nd:YAG
(Raman)
20 - -
9 ESLR Ericsson
(Thuỵ điển)
1,54 25 Không
quân
Nd:YAG
(Raman)
15 - -

TT Ký hiệu Hãng SX
(Nớc SX)
Bớc
sóng
(àm)
Tần
Số
lặp
(Hz)
Mục
đích
( đối tợng
sử dụng)
Nguồn
phát
Cự ly
đo
cực đại
(km)
Năng
lợng
(mJ)
Độ
rộng
xung
(ns)
1 THS 304-
06
CILAS
(Pháp )

( Raman )
20 35 -

Đo xa laser loại ny chỉ sản xuất đa vo sử dụng cho Không quân, Hải
quân với tầm hoạt động lớn v mang tầm chiến lợc. Qua bảng thống kê trên
ta thấy loại ny rất hiếm cả về số nớc sản xuất (5 nớc) v về chủng loại.

Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________
7.Các thông số kỹ thuật v công nghệ
của một số đo xa laser bớc sóng 1,54 (Eye- Safe)

T
T
Ký mã hiệu Trọng
lợng
(KG)
Kích thớc
(mm
3


Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________ II. Báo cáo về các tham số tính toán tối u cho laser tần lặp cao v máy đo
xa laser (Có văn bản kèm theo nh một phần hồ sơ đề ti)
Nội dung của sản phẩm ny đợc trình by riêng trong báo cáo:Báo
cáo về các tham số tính toán tối u cho laser tần lặp cao v máy đo laser.
Sau đây l một số tham số chính đã tính toán cho ESLRF
2.1. Nhiệm vụ các bộ phận trong sơ đồ thiết kế
1.1. Anten phát có nhiệm vụ tạo chùm tia song song v hớng tới mục
tiêu.
1.2. OPO có nhiệm vụ biến đổi bớc sóng laser từ 1,06àm sóng 1,54 àm.
1.3. Laser YAG:Nd Phát chùm tia laser bớc sóng 1,06àm với tần số
10Hz.
1.4. Tinh thể Cr
+4
nằm trong buồng cộng hởng laser có nhiệm vụ biến
điệu, rát ngắn xung xuống còn 10ns.

năng lợng: :~15mJ .
2.3. Laser YAG:Nd: độ rộng xung: 10ns, năng lợng >120mJ,
tần lặp 10Hz.
2.4. Diều khiển tần số: thay đổi các tần số: 0,1;1; 3; 5; 10Hz.
2.5. Bộxử lí tín hiệu: sai số phép đo khoảng cách: 5m, tốc độ xử lí <
20ns, > 40Hz.
2.6. Nguồn nuôi tổng hợp: 5V DC, 12V DC, 220V AC, xung mồi 1,5 KV.
2.7. Bình lm lạnh: nhiệt độ < 30C, tốc độ nớc chảy: 50cm/s.
2.8. Các đầu thu có độ nhạy ở bớc sóng 1,54 v 1,06 àm với công suất
ngỡng nhạy 15nW.

Đề ti KC.01-25 Báo cáo tổng kết Khoa học v Kỹ thuật
Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bớc sóng 1,54m tần lặp cao
_______________________________________________________________________

2.3. Giải trình chi tiết
2.
3.1. Laser YAG:Nd:
Laser YAG: Nd ding để phát chùm tia laser bớc sóng 1,06àm với tần
số 10Hz. Laser YAG:Nd có các bộ phận chính sau:
2.3.1.1. Thanh hoạt chất:
Thanh hoạt chất có dạng thanh hình trụ, trong suốt đối với bức xạ laser
=1,06àm. Hoạt chất l tinh thể Nd: YAG -Neodymium doped Yttrium
Aluminum Garnet (Y
3
Al
5
O
12
). Thanh hoạt chất đợc sử dụng có các đặc trng