Báo cáo khoa học : Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bước sóng 1,54 tần lặp cao

Một trong những hướng được ưu tiên trong nghiên cứu khoa học vμ công tác thiết kế lμ tập trung vμo các máy định vị laser có khả năng phát hiện, nhận biết vμ bám các mục tiêu trên không ở

Bộ khoa học & công nghệ Bộ quốc phòng

Trung tâm KHKT & CNQS

Viện điện tử -viễn thông

Chương trình KC.01

Nghiên cứu thiết kế chế tạo

máy đo xa laser rắn Bước sóng 1,54μm tần lặp cao

Mã số: KC.01-25

Báo cáO tổng kết KH&KT đề tμi

Chủ nhiệm đề tμi: PGS.TS Hồ Quang Quý

Hμ nội, 11-2005

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

Đơn xin sao chép toμn bộ hoặc từng phần của tμi liệu nμy phải gửi

đến Viện ĐT-VT trừ trường hợp sử dụng với mục đích nghiên cứu

Bộ khoa học & công nghệ Bộ quốc phòng

Trung tâm KHKT & CNQS

Viện điện tử -viễn thông

17 Hoμng Sâm, Nghĩa Đô, Cầu Giấy, Hμ Nội

Chương trình KC.01

Nghiên cứu thiết kế chế tạo

máy đo xa laser rắn Bước sóng 1,54μm tần lặp cao

Mã số: KC.01-25

Báo cáO tổng kết KH&KT đề tμi

Chủ nhiệm đề tμi: PGS.TS Hồ Quang Quý

Bản thảo viết xong 11/2005

Tμi liệu nμy được chuẩn bị trên cơ sở Kết quả nghiên cứu thực hiện

Đề tμi cấp Nhμ nước, mã số KC.01-25

định mục tiêu vμ điều khiển vũ khí tấn công mục tiêu đã phát triển mạnh vμ

đưa vμo áp dụng rộng rãi vμ chiếm một vị trí rất quan trọng trong chiến lược bảo vệ vμ tấn công ở quy mô toμn cầu Các cuộc chiến tranh ở Nam Tư, I Rắc

vμ Afganixtan đã chứng tỏ tác dụng của đo xa laser tần lặp cao Hiện nay công nghệ chế tạo vẫn đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới Một trong những hướng được ưu tiên trong nghiên cứu khoa học vμ công tác thiết kế lμ tập trung vμo các máy định vị laser có khả năng phát hiện, nhận biết vμ bám các mục tiêu trên không ở những cự ly lớn (trên 1000 km) vμ thu được những hình ảnh thực (ba chiều) của chúng Điều nμy lμm cho các máy định vị laser trở thμnh những phương tiện có triển vọng sử dụng trong các hệ thống vũ khí mới (vũ

khí laser, siêu cao tần vμ một số hệ thống tên lửa chiến lược) Hiện nay công nghệ chế tạo máy đo xa laser vẫn được quan tâm nhiều nhằm mục đích nâng cao công suất phát, tần số phát vμ độ chính xác

Những năm gần đây chúng ta cũng bắt đầu lμm quen với một số hệ thống, thiết bị quang điện tử, trong đó có các máy đo xa laser, máy điều khiển tên lửa bằng laser Một số thiết bị đo xa laser tần lặp 10 Hz đã được trang bị vμ

đưa vμo sử dụng Tuy nhiên, thời hạn sử dụng đã hết vμ các thiết bị nμy xuống cấp nhanh chóng Một số thiết bị nμy đã được đưa vμo sửa chữa từng bộ phận, song vì thiếu vật chất cơ sở vμ một số lý do khó khăn trong đối ngoại vμ hợp tác nên các thiết bị nμy không được sửa chữa một cách toμn vẹn Ngoμi ra trong thời gian gần đây nhiều đề tμi nghiên cứu sử dụng đo xa laset tần lặp cao cho pháo binh phòng không vμ xây dựng trường bắn với hệ theo dõi vật bay tốc độ cao đã gặp phải khó khăn về thủ tục mua từ nước ngoμi Đặc biệt sau cuộc chiến tranh I Rắc thì các thiết bị quang lượng tử, trong đó có thiết bị đo

xa laser tần lặp cao bị cấm vận một cách toμn bộ

Bản thân chúng ta cũng bắt đầu nghiên cứu chế tạo máy đo xa laser vμ tập trung nhiều sức lực vμ kiến thức để cố gắng khôi phục các thiết bị đo xa laser tần lặp cao sẵn có

Phân viện VLKT thuộc viện KTQS trước đây vμ nay viện ĐT-VT Trung tâm KHKT & CNQS đã triển khai nhiều đề tμi nghiên cứu cấp BQP về chế tạo máy đo xa laser, khôi phục sửa chữa các thiết bị đo xa vμ điều khiển laser cho Không Quân vμ thu được một số kết quả nhất định Ngay từ những năm 80 của thế kỷ trước (thế kỷ 20), chúng tôi đã bắt tay vμo nghiên cứu sửa chữa các đμi đo xa ФOH vμ КЛЁH trên máy bay SU22M vμ SU27 Từ những nghiên cứu đó chúng tôi bắt tay vμo xây dựng dây chuyền sửa chữa ФOH Hiện nay dây chuyền lμm việc hiệu quả Tuy nhiên, điều muốn nói lμ dây

chuyền nμy chỉ tập trung sửa chữa nhỏ, còn ở mức độ đại tu không thể thực hiện được, vì phải nhập ngoại các linh kiện lớn, đặc chủng Trên cở sở nghiên cứu máy đo xa laser ФOH, chúng tôi đã nghiên cứu sửa chữa đμi đo xa КЛЁH trên máy bay SU27 với tần lặp 10 Hz Vì điều kiện kinh phí vμ vật tư 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 vμ chủ yếu tập trung tăng cường chất lμm lạnh vμ 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 dưới dạng mẫu vμ sau đó chế tạo máy kích thước nhỏ cho pháo binh Các nghiên cứu trên chỉ tập trung vμo máy laser đơn xung vì lý do kinh phí vμ nhiều lý do vật tư, 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 vμ 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 quan sát bờ biển, có thể quan sát được khoảng cách, tốc độ của các tμu thuyền trên biển ban ngμy cũng như ban đêm Để có được các tổ hợp trên, cần phải nhập đo xa laser tần lặp cao >10Hz từ nước ngoμi Tuy nhiên việc nhập ngoại

đo xa laser từ nước ngoμi hiện nay gặp rất nhiều khó khăn: thứ nhất, không thể nhập hμng loạt vì đây lμ thiết bị cấm; thứ hai, nếu có mua được đơn chiếc bằng các con đường khác nhau thì chúng ta không chủ động về mặt chất lượng,

đồng thời không có bảo hμnh Điều nμy đã xảy ra trong thực tế khi mua máy

đo xa laser từ Ixraen Các Công ty chμo hμng vμ bán sản phẩm với các thông

số khác nhau, nên sau khi mua về không thể sử dụng đúng mục đích vμ sau một thời gian sử dụng đã xảy ra hỏng hóc mμ không thế thay thế hoặc sửa chữa

Để khắc phục tình trạng nμy, Bộ KHCN cũng như Bộ quốc phòng đã

có chủ trương tạo điều kiện cho các chuyên gia trong nước nghiên cứu chế tạo

đo xa laser

Trong giai đoạn trước, Viện công nghệ quốc gia đã hoμn thμnh đề tμi Nhμ nước “Đo xa laser tần lặp 3 Hz” Tuy nhiên sản phẩm chỉ dừng lại ở dạng mẫu, do đó không thể đưa vμo sử dụng, đặc biệt trong quân sự Ngoμi ra với tần lặp 3Hz chưa đáp ứng nhu cầu sử dụng trong quân sự hiện nay

Việc chế tạo các thiết bị đo xa laser tần lặp cao cần có một sự đầu tư nghiên cứu sâu hơn về khoa học công nghệ vμ lực lượng con người vμ thời gian, vì chúng có đặc thù riêng

Theo công nghệ tiên tiến hiện nay, laser tần lặp cao có hoạt chất đặc biệt, dạng pha tạp để phổ hấp thụ hiệu dụng lớn hoặc kết cấu nhiều lớp mỏng

để dễ thoát nhiệt Với các hoạt chất nμy thì chỉ cần lμm lạnh bằng thổi không khí, nên kích thước nhỏ gọn Với các hoạt chất cổ điển như hiện nay thì cần phải lμm lạnh bằng chất lỏng Việc lμm lạnh rất phức tạp, phải đảm bảo ổn

định với các chất lμm lạnh vμ 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 trước đây cho thấy công nghệ quang học sử dụng cho máy đo xa laser cũng quan trọng không kém Để có được sự phù hợp giữa đầu phát vμ đầu thu

vμ kính ngắm công nghệ vi tinh chỉnh rất cần thiết, nó đòi hỏi đầu tư lớn về thiết bị vμ tay nghề của kỹ sư

Các đặc thù riêng nμy đã lμm cho giá thμnh 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 dμi vμ có sự đầu tư của Nhμ nước, nên một số cơ sở nghiên cứu như: Trung tâm KHKT & CNQS , Viện CNQG, Bộ công an vμ Viện Vật lý thuộc Viện KHCN Việt Nam đã có

một số thiết bị đo đạc, chuẩn chỉnh, vμ các máy móc phục vụ gia công quang cơ chính xác, nên việc nghiên cứu chế tạo đo xa laser tần lặp cao ở nước ta đã

có cơ sở bước đầu để phát triển

Máy đo xa laser (laser rangefinder- LRF) lμ 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 được sử dụng rộng rãi cho máy đo

xa laser trong quân sự vμ thay thế laser Ruby từ năm1960 Máy đo xa laser nμy được trang bị trong các tổ hợp vũ khí trang bị để tăng độ chính xác

Các laser Raman- shifted Nd: YAG, OPO-Nd: YAG vμ thuỷ tinh Er ( Er: Glass) được phát triển trong những năm từ 1970 đến giữa những năm 80 như những laser không ảnh hưởng đến mắt người quan sát thay thế cho laser Nd: YAG

Có thể rút ra mấy điểm chính sau đây lμm nên xuất phát của đề tμi

“Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bước sóng 1,54μm tần số lặp cao”, mã số KC.01.25

1 Nước ngoai đã nghiên cứu chế tạo, sản xuất vμ đưa vμo sử dụng trong quân sự nhiều loại đo xa laser có bước sóng 1,06μm vμ 1,54μm với tần

số lặp cao trên 10Hz

2 Cho đến nay trong nước chỉ mới tập trung vμo công việc sửa chữa một

số đo xa laser vμ bước đầu nghiên cứu chế tạo đo xa laser bước sóng 1,06μm, tần lặp thấp, đến 3Hz

3 Có nhu cầu sử dụng đo xa laser tần lặp cao trên 10Hz trong nước, nhất lμ quân đội

4 Một số cơ sở nghiên cứu có điều kiện nghiên cứu vμ chế tạo đo xa laser tần lặp cao, có bước sóng khác nhau, có thể bước đầu đi vμo nghiên cứu phát triển

Đề tμi: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo xa laser rắn bước sóng 1,54μm tần số lặp cao’’, mã số KC.01.25, triển khai từ tháng 1/2004 đến

tháng 12/2005 đã hoμn thμnh theo mục tiêu, phương pháp tiếp cận vμ nội dung đã đặt ra

Về mục tiêu:

1 Nghiên cứu chế tạo mẫu máy đo khoảng cách bằng laser bước sóng

1,54μm tần lặp cao có thể di chuyển được bằng xe cơ giới

2 Tiến tới nghiên cứu hoμn thiện công nghệ, thu gọn kích thước vμ đưa

ra ứng dụng ngoμi hiện trường

3 Đμo tạo cán bộ chuyên môn kỹ thuật vμ ứng dụng thiết bị đo xa

laser

Về phương pháp tiếp cận:

1 Thông qua tổng quan, nghiên cứu các tư liệu khoa học, kỹ thuật

vμ công nghệ cũng như các công trình nghiên cứu của các nhμ khoa học trong

vμ ngoμi nước thu thập được từ nhiều nguồn, nhóm đề tμi đã xuất phát nghiên cứu cơ bản bằng lý thuyết các vấn đề liên quan đưa ra những định hướng 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 vμ ngoμi nước

để tính toán, thiết kế mẫu cho máy đo xa laser rắn bước sóng 1,54μm tần lặp 10Hz

3 Liên kết cùng với các cơ sở nghiên cứu khoa học công nghệ vμ các cơ sở chế tạo mẫu thử nghiệm trong nước để thiết kế vμ chế tạo một số chi tiết quang- cơ-điện đơn giản thay thế cho việc mua hoμn toμn ở nước ngoμi Tích hợp các khối đã chế tạo thμnh mẫu trên cơ sở các tính toán tối ưu

4 Quan hệ với các cơ sở đμo tạo để triển khai nghiên cứu vμ chuyển giao kiến thức khoa học vμ công nghệ về laser nói chung vμ đo xa laser nói riêng cho cán bộ nghiên cứu vμ giảng dạy trẻ

5 Quan hệ với các cơ sở nghiên cứu quang học, quang-cơ vμ quang

tử ở nước ngoμi để tham quan vμ học hỏi kinh nghiệm phục vụ cho nhiệm vụ của đề tμi

Về nội dung vμ kết quả của đề tμi được trình bμy ngay sau đây

Toμn cảnh đo xa laser tần lặp 10Hz trình bμy trong hình 1 vμ một số bộ phận chính trình bμy trong hình 2

Hình 1 Toμn cảnh máy đo xa laser ESLRF

Mắt kiểm tra,

đặt cự li đo tối thiể

Mắt quan sát

vμ ngắm mục tiê

Mμn hình chỉ thị số liệu

Các núm điều khiển chế độ hiển thị

Các núm điều khiển chế độ lμm việc

H×nh 2. C¸c bé phËn chÝnh cña ®o xa laser ESLRF

nội dung chính Sau đây lμ tóm l−ợc kết quả nghiên cứu của đề tμi

Phần A

các kết quả nghiên cứu thực hiện theo hợp đồng

I Báo cáo phân tích các thông tin về máy đo xa laser trong quân sự

Nghiên cứu tìm hiểu thông tin về máy đo xa laser trong quân sự lμ một vấn đề quan trọng vμ đặt ra như một sản phẩm của đề tμi Đây lμ nội dung nghiên cứu của nhánh KC-01/04 Các kết quả nghiên cứu đã trình bμy trong 02 Xemina khoa học vμ tổng hợp thμnh 02 chuyên đề riêng:

1) Tình hình nghiên cứu vμ ứng dụng đo xa laser trong nước;

2) Tình hình nghiên cứu phát triển vμ ứng dụng đo xa laser trong quân sự

trên thế giới

Nội dung của hai chuyên đề nμy được trình bμy trong Báo cáo kèm theo

của đề tμi: “Tình hình nghiên cứu, ứng dụng đo xa laser trong quân sự

Các bảng tổng kết các thiết bị đo xa laser trong vμ ngoμi nước sau đây

sẽ cho ta thấy rằng: Đo xa laser trong quân sự được quan tâm nghiên cứu vμ phát triển mạnh mẽ ở trên thế giới Trong khi đó trong nước ta vẫn sử dụng các

đo laser của Liên xô (trước đây) hay Nga (hiện nay) Các máy đo xa nμy lμ thuộc thế hệ cũ đã đến thời kỳ thay thế vμ không thể sửa chữa

1 Mét sè ®o xa laser cã mÆt t¹i ViÖt Nam

TT Ký hiÖu N−íc SX Lo¹i laser B−íc sãng

{nm}

Cù ly ®o {km}

TÇn sè [Hz]

2 Danh mục đo xa laser tần số thấp

sản xuất (Nước SX)

Bước sóng (àm)

Tần

số lặp (Hz)

Mục đích (đối tượng sử dụng)

Nguồn phát

Cự

ly (Km)

Năng lượng ( mJ )

Độ rông xung (ns)

1,06 1/2 Trạm quan sát Nd: YAG 10 15 -

Danh mục đo xa laser tần số thấp (tiếp theo)

TT Ký hiệu Hãng

Sản xuất ( Nước SX)

Bước sóng (àm)

Tần

số lặp (Hz)

Mục đích (Đối tượng

sử dụng)

Nguồn phát Cự ly

đo cực đại (Km)

Năng

lượng (mJ)

Độ rộng xung (Ns)

9 CEYEC

Type82

CATIC (Trung Quốc)

Nd:YAG KTP- OPO

Danh mục đo xa laser tần số thấp (tiếp theo)

TT Ký

hiệu

Hãng sản xuất (Nước SX)

Bước sóng (àm)

Tần

số lặp (Hz)

Mục

đích ( Đối tượng

sử dụng)

Nguồn phát

Khoảng cách đo cực đại ( km)

Năng lượng (mJ)

Độ Rộng Xung (ns)

Thuỷ tinh Erbium

Nd:YAG KTP- OPO

Các máy đo xa laser loại nμy thường được sử dụng cho lực lượng bộ binh,

pháo binh vμ tăng thiết giáp

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

TT

Ký

hiệu

Hãng sản xuất ( Nước SX)

Bước sóng (àm)

Tần

số lặp ( Hz)

Mục

đích ( Đối tượng

sử dụng)

Nguồn phát

Cự ly

đo cực đại ( km)

Năng lượng (mJ)

Độ rộng xung ( ns)

1,54 2-20 Không

quân

Nd:YAG ( Raman)

1,57 20 Phòng

không

Nd:YAG OPO

15 - -

12 HHRR-

ELR

Hughes ( Mỹ)

1,54 20 Lục quân

Hải quân

Nd:YAG ( Rama)

20 35 -

Các máy đo xa laser loại nμy sử dụng cho Không quân, Hải quân với tầm hoạt

động lớn vμ mang tính chiến lược

4 Danh mục đo xa laser 1540nm

xuất ( N SX)

Bước sóng (àm)

Tần

số lặp (Hz)

Mục

đích ( đối tượng sử dụng)

Nguồn phát

Cự ly đo cực đại (km)

Năng

lượng (mJ)

Độ rộng xung (ns)

9 - -

Các máy đo xa laser loại nμy sử dụng cho tất cả các quân binh chủng

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

SX ( Nước SX)

Bước sóng (àm)

Tần

số lặp (Hz)

Mục

đích( đối tượng sử dụng)

Nguồn phát

Cự ly

đo cực đại (km)

Năng lượng (mJ)

Độ rộng xung (ns)

Nd:YAG 10 - -

4 THS

304-06

CILAS (Pháp )

1,54 2-20 Không

quân

Nd:YAG ( Raman)

10 8 -

11

HHRR-ELR

Hughes (Mỹ)

1,54 20 Lục quân

Hải quân

Nd:YAG (Raman)

20 35 -

Các máy đo xa laser loại nμy sử dụng cho Không quân, Hải quân với

tầm hoạt động lớn vμ mang tầm chiến lược

6 Danh mục đo xa laser tần số cao bước sóng 1540nm đo trên 10 km

TT Ký hiệu Hãng SX

(Nước SX)

Bước sóng (àm)

Tần

Số lặp (Hz)

Mục đích ( đối tượng

sử dụng)

Nguồn phát

Cự ly

đo cực đại (km)

Năng lượng (mJ)

Độ rộng xung (ns)

1 THS

304-06

CILAS (Pháp )

Nd: YAG ( Raman )

1,54 20 Lục quân

HảI quân

Nd: YAG ( Raman )

20 35 -

Đo xa laser loại nμy chỉ sản xuất đưa vμo sử dụng cho Không quân, Hải

quân với tầm hoạt động lớn vμ mang tầm chiến lược Qua bảng thống kê trên

ta thấy loại nμy rất hiếm cả về số nước sản xuất (5 nước) vμ về chủng loại

Trường thu (mrad)

Hệ số kđ

của têlêscôp

Nguồn nuôi

V dc

Yếu tố thu (độ nhạy) nw/dB)

II Báo cáo về các tham số tính toán tối ưu cho laser tần lặp cao vμ máy đo

xa laser (Có văn bản kèm theo như một phần hồ sơ đề tμi)

Nội dung của sản phẩm nμy được trình bμy riêng trong báo cáo:“Báo

cáo về các tham số tính toán tối ưu cho laser tần lặp cao vμ máy đo laser Sau đây lμ 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 vμ hướng tới mục

tiêu

1.2 OPO có nhiệm vụ biến đổi bước sóng laser từ 1,06àm sóng 1,54 àm

1.3 Laser YAG:Nd Phát chùm tia laser bước sóng 1,06àm với tần số

10Hz

1.4 Tinh thể Cr +4 nằm trong buồng cộng hưởng laser có nhiệm vụ biến

điệu, rát ngắn xung xuống còn 10ns

1.5 Photodiode 8C443, tiền khuyếch đại vμo mạch thu có nhiệm vụ thu

chùm tia laser 1,06àm ở đầu cuối của laser, khuyếch đại tín hiệu thu được lμm xung Start

1.6 Anten thu có nhiệm vụ hội thụ tín hiệu laser tán xạ từ mục tiêu vμo

vùng nhạy của photodiode D154- 03- 02

1.7 PhotodiodeD D154- 03- 02 , gắn với mạch tiền khuyếch đại vμ mạch

thu có nhiệm vụ thu tín hiệu laser, khuyếch đại tín hiệu thu được lμm xung Stop

1.8 Mạch khuyếch đại, so sánh, đếm, tính khoảng cách, có nhiệm vụ

khuyếch đại xung điện từ hai photodiode, tạo xung đếm chuẩn, ghi lại thời

điểm Start vμ Stop, tính khoảng cách đến mục tiêu

1.9 Điều khiển tần số có nhiệm vụ đặt tần số lμm việc của máy (0,1 Hz ữ

10Hz), đưa các tín hiệu điều khiển đến bộ nguồn tổng hợp vμ mạch khuyếch

đại, mạch tính khoảng cách

1.10 Bộ nguồn tổng hợp có nhiệm vụ cấp nguồn DC 5V, DC 12V cho

photodiode mạch tiền khuyếch đại, mạch khuyếch đại vμ cấp nguồn 220V AC

vμ 1,5 KV cho đèn bơm laser, 220V AC cho máy bơm lμm lạnh

1.11 Kính ngắm có nhiệm vụ hướng anten thu vμo mục tiêu

1.12 Mμn hiển thị có nhiệm vụ lưu trữ số liệu vμ đưa ra mμng hình tinh

thể lỏng các số liệu về khoảng cách, ngμy tháng đã đo

1.13 Bình lμm lạnh có nhiệm vụ bảo đảm cho hoạt chất có nhiệt độ

luôn luôn nhỏ hơn 30º

2.2 Yêu cầu chỉ tiêu kỹ thuật chính của các bộ phận

2.1 Anten thu & phát: Hệ số khuyếch đại ≥7*, góc mở ≥7º

2.2 OPO: Bước sóng ra: 1,54 àm, độ rộng xung: ~ 10 ns,

năng lượng: :~15mJ

2.3 Laser YAG:Nd: độ rộng xung: 10ns, năng lượng >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 <

2.3 Giải trình chi tiết

2. 3.1 Laser YAG:Nd:

Laser YAG: Nd ding để phát chùm tia laser bước 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

λ =1,06àm Hoạt chất lμ tinh thể Nd³: YAG -Neodymium doped Yttrium

Aluminum Garnet (Y3Al5O12) Thanh hoạt chất được sử dụng có các đặc trưng

2.3.1.2 Đèn kích:

Đèn kích lμ đèn flash chứa khí xenon Đèn kích bức xạ cho một vùng phổ rộng, từ cuối vùng cực tím của vật liệu lμm vỏ (thạch anh) 160-381 nm cho đến cuối vùng hồng ngoại gần Hệ số biến đổi năng lượng điện thμnh năng lượng ánh sáng trong vùng 200nm-1100nm lμ khoảng 50%

2.3.1.3 Buồng bơm năng lượng:

uồng bơm năng lượng được thiết kế vμ gia công tại hãng DongJun laser

Co , Ltd -Trung Quốc với kích thước được trnh bμy trên các bản vẽ

2 3.1.4 Bộ biến điện độ phẩm chất:

Bộ biến điện dược sử dụng lμ bộ biến điện thụ động bằng tinh thể Cr+4 : YAG Cr+4 :YAG có hệ số hấp thụ lớn ở vùng hồng ngoại, ngưỡng phá huỷ cao ( > 500MW/ cm² ), có dải phổ hấp thụ rộng chịu nhiệt vμ có độ dẫn nhiệt tốt Bằng Cr +4: YAG có thể thu được các xung laser có độ rộng nhỏ đạt đến cỡ 5ns vμ bộ biến điện thụ động nμy có thể lμm việc với tần số lặp đến 10 KHz Trong đầu phát laser sử dụng bộ Cr+4: YAG với các đặc trưng kỹ thuật sau:

2.3.1.5 Gương laser:

Trong đầu phát laser sử dụng hai gương một gương phản xạ toμn phần (đối với bước sóng λ = 1.06àm) vμ một gương có hệ số phản xạ 23 % thường gọi lμ gương ra

2.3.1.6 Nguồn nuôi đầu phát laser:

Nguồn nuôi đầu phát laser bao gồm các khối chính sau:

- Khối tạo cao áp

- Khối Simmer

- Khối điều khiển mạch tạo cao áp vμ mạch Simmer

- Tụ cao áp tích năng lượng nuôi đèn kích

- Bộ điều khiển mồi đèn kích

- IGBT

2.3.2 Thay đổi bước sóng từ 1,06 sang 1,54 àm (OPO)

OPO lμm nhiệm vụ biến đổi bước sóng bức xạ laser từ 1,06àm sóng 1,54àm

Có nhiều phương pháp thay đổi bước sóng từ 1,06àm sóng 1,54àm, ở đây chúng tôi quan tâm nghiên cứu về ba phương pháp cụ thể sau:

- Phương pháp 1: Sử dụng OPO với tinh thể LiNbO3 ;

- Phương pháp 2: Sử dụng tế bμo tán xạ Raman cưỡng bức trên tinh thể Ba (NO3 )2

- Phương pháp 3: Tế bμo tán xạ Raman cưỡng bức môi trường CH4

áp suất cao

Ba phương án trên, thì phương án thứ nhất khả thi hơn vì chúng ta đã có ít nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực nμy vμ ở phòng thí nghiệm đã có OPO tinh thể nμy

2.3.3 Anten phát

Anten phát được sử dụng lμ Galilean telescope với thấu kính ở đầu vμo

lμ thấu kính phân kỳ còn hệ thấu kính ở đầu ra lμ hệ thấu kính hội tụ Garilean telescope có ưu điểm lμ có cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ vμ giá thμnh thấp, Anten phát đảm bảo thu hẹp góc mở của chùm tia laser từ 10’ xuống còn 2’

2.3.7 Đầu thu bức xạ laser

Đầu thu bức xạ laser sử dụng photodiode D154- 03- 02 gắn với mạch tiền khuyếch đại có nhiệm vụ thu vμ khuyếch đại tín hiệu bức xạ laser phản xạ lại

từ mục tiêu Photodiode nμy đã được lắp ráp theo chế độ HYBRID nên đã loại trừ được nhiễu điện- quang, nhiễu nhiệt cảm ứng vμ nhiễu nguồn

2.3.8 Photodiode 8C443

Photodiode 8C443 lắp với bộ tiền khuyếch đại có nhiệm vụ thu xung bức xạ laser có bước sóng 1,06àm do laser phát ra để lμm xung Start vμ thu xung vμo từ anten thu để lμm xung Stop trong trường hợp kiểm tra chế độ lμm việc của đo xa laser

2.3.9 Photodiode D154- 03- 02

Photodiode D154 -03- 02 lắp với bộ tiền khuyếch đại có nhiệm vụ thu xung bức xạ laser bước sóng 1,54àm từ anten thu để lμm xung Stop trong trường hợp lắp OPO vμo đầu laser phát

2.3.10 Mạch khuyếch đại, so sánh, đếm, tính cự ly

Mạch nμy có nhiệm vụ khuyếch đại xung thu được, tạo tần số chuẩn vμ

tính toán khoảng cách đến mục tiêu

2.3.11 Bộ nguồn tổng hợp

Bộ nguồn tổng hợp có tác dụng biến đổi điện áp 220 VAC thμnh các điện

áp thay đổi từ 0 đến 1200 VAC cấp cho đèn bơm, xung cao áp 1,5 KV mồi đèn bơm, 5V DC,12VDC cấp cho các mạch điều khiển, photodiode, mạch khuyếch

đại, mạch đếm

2.3.12 Bộ phận hiển thị

Bộ phận hiển thị lμ một mμn tinh thể lỏng LCD, có vμ mạch hiển thị có gắn với mạch điều khiển vμ phần mềm để ghi số liệu đo vμ lưu giữ trong bộ nhớ

2.3.13.Bộ phận lμm lạnh

Bộ phận lμm lạnh được sử dụng để lμm lạnh cho hoạt chất Để laser lμm việc ở tần số 10 Hz, khối lượng nước vμ tốc độ chảy của dòng nước cần tính toán cụ thể tuỳ theo thể tích của hoạt chất, điện áp cấp vμo, công suất phát của laser

III Sơ đồ thiết kế tổng thể

Sản phẩm thứ ba lμ các sơ đồ thiết kế chi tiết vμ tổng thể của mẫu ESLRF Các bản thiết kế nguyên lý, toμn cảnh các chi tiết cấu thμnh vμ bản thiết kế chi tiết của các bộ phận chủ yếu như: OPO, anten thu vμ kính ngắm, anten phát, laser tần số lặp 10 Hz, bộ hiển thị, bộ nguồn nuôi tổng hợp đã được lập thμnh một bản kèm theo đề tμi

IV Giáo trình giảng dạy đại học vμ sau đại học

Sản phẩm thứ tư của đè tμi lμ soạn thảo các giáo trình giảng dạy đại học,

kỹ thuật viên vμ trên đại học

1 Giáo trình “ Nhập môn về laser rắn vμ đo xa laser giới thiệu về vật lý

vμ công nghệ laser rắn vμ máy đo xa laser Các cán bộ phụ trách kỹ thuật vμ kỹ thuật viên trong các đơn vị quân đội có thể tham khảo vμ cập nhật kiến thức để

có thể sử dụng vμ sửa chữa đo xa laser được trang bị trong quân đội Giáo trình nμy chưa được xuất bản ( đang ở dạng lưu hμnh nội bộ )

2 Giáo trình “ Laser có bước sóng thay đổi vμ ứng dụng” giới thiệu về vật

lý vμ công nghệ của nhiều loại laser bước sóng thay đổi hiện nay, đã được biên soạn vμ xuất bản năm 2005 tại Nhμ xuất bản Đại học Quốc gia Hμ Nội Giáo trình nμy dã được sử dụng giảng dạy cho học viên cao học vμ nghiên cứư sinh chuyên ngμnh quang lượng tử

3 Giáo trình Laser rắn, công nghệ vμ ứng dụng , giới thiệu về vật lý,

công nghệ chế tạo laser rắn vμ ứng dụng của chúng trong quân sự vμ dân sự Giáo trình nμy đã được biên soạn vμ xuất bản năm 2006 tại nhμ xuất bản Đại học Quốc gia Hμ Nội Giáo trình nμy được sử dụng để giảng dạy cho học viên cao học vμ nghiên cứu sinh trong các năm gần đây

V Các đồ án tốt nghiệp cử nhân, thạc sĩ, tiến sĩ

vμ nâng cao kiến thức cho cán bộ

Trong hai năm thực hiện đề tμi, một số sinh viên, học viên cao học,

nghiên cứu sinh vμ cán bộ trẻ trong đơn vị tham gia Các kết quả nghiên cứu của các thμnh viên đã tổng hợp thμnh đồ án, luận văn vμ luận án tốt nghiệp của mình

1 Nguyễn Ngọc Đông, sinh viên Viện VLKT, Trường ĐH Bách khoa Hμ Nội, hoμn thμnh đồ án tốt nghiệp vμ bảo vệ xuất sắc năm 2005

“Nghiên cứu đặc trưng mode vμ đặc trưng năng lượng của YAG: Nd ”

Nội dung chủ yếu tâp chung nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc buồng cộng hưởng lên chế độ phát đơn mode, đa mode của laser rắn vμ đặ trưng năng lượng phát - điện áp bơm Kết quả áp dụng cho việc tạo đơn mode cho laser rắn sử dụng trong đề tμi vμ điều khiển tuyến tính năng lượng chùm tia laser bằng điện áp nuôi

2 Nguyễn Anh Tuấn, sinh viên Viện VLKT, Trường ĐH Bách khoa Hμ Nội, hoμn thμnh đồ án tốt nghiệp vμ bảo vệ năm 2005

“ Nghiên cứu phân bố trường xa của laser bán dẫn”

Nội dung chủ yếu tập trung khảo sát phân bố năng lượng của chùm tia laser nói chung vμ laser bán dẫn nói riêng trên tiết diện ngang Kết quả nμy áp dụng cho việc nghiên cứu thiết kế hệ quang học phát cho laser YAG: Nd vμ sử dụng laser diode bán dẫn bơm cho laser rắn trong tương lai

3 Nguyễn Đôn Hμ - Luận văn Thạc sĩ - ĐH Vinh ( 2004 ) ,

Nghiên cứu ảnh hưởng của một vμI tham số nhiệt đến tần số phátcủa laser rắn , đã bảo vệ xuất sắc Nội dung tập trung nghiên cứu ảnh hưởng

của các nguồn nhiệt sinh ra trong quá trình phát của laser lên cấu trúc chùm tia laser, công suất laser vμ tính toán đuea ra thông số tối ưu cho quá trình lμm lạnh Kết quả áp dụng cho việc thiết kế chế tạo bộ lμm lạnh cho laser tần lặp 10 Hz

4 Phan Đức Nghĩa - Luận văn Thạc sĩ - ĐH Vinh (2004),

5 “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ vμ góc hợp pha lên máy phát thông số sử dụng tinh thể LiNbO3”,đã bảo vệ xuất sắc Nội dung tập trung

nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ môI trường xung quanh lên bước sóng phát của OPO Kết quả áp dụng khẳng định sự ổn định về bước sóng của OPO khi sử

dụng trong môi trường khắc nghiệt, thay đổi lớn về nhiệt độ

6 Trần Thị Hồng Phúc – Luận văn Thạc sĩ - ĐH Vinh ( 2005),

“ Khảo sát quá trình hình thμnh Soliton trong sợi quang”, đã bảo vệ xuất

sắc

7 Nguyễn Văn Hoá - Luận án Tiến sĩ,

“ Khảo sát đặc trưng lưỡng ổn định trong một số giao thoa kế phi tuyến”, bảo vệ (2007) Trong luận án có phần nêu lên úng dụng của thiết bị

lưỡng ổn định quang học để tạo ra chùm tia laser có phânbố năng lượng đều trên tiết diện ngang Kết quả nμy có thể áp dụng cho việc thiết kế hệ anten

phát

8 Trần Thá Bình - ĐHQG Hμ Nội (2006),

“ Xử lý tin vμ một số ứng dụng laser trong quân sự”, sẽ bảo vệ 2006 Nội

dung tập trung chủ yếu vμo vấn đề sử lý tín hiệu quang - điện trong thiết bị quân sự có sử dụng laser Một phần nghiên cứu về hệ điều khiển quét tia laser

tự động bằng phần mềm máy tính

9 Nguyễn Mạnh Thắng – báo cáo thực tập Viện ĐT – VT (2005)

“ Thiết kế chế tạo OPO trên coe sở tinh thể LiNbO 3 ”, chuẩn bị bảo

vệ Nội dung nghiên cứu về tính toán thiết kế OPO vμ tối ưu các tham số nâng cao hiệu suất phát

Tham quan học tập nước ngoμi

10 Sáu (06 ) lượt cán bộ tham quan vμ học hỏi tại Công ty Quang - Điện công nghệ cao Sơn Đông, Công ty Sinocera Photonics, Phòng thí nghiệm Công nghệ laser, Viện Quang học vμ Cơ khí chính xác, Công ty thiết bị viễn thông, Thượng Hải trung Quốc

11 Ba ( 03 ) lượt cán bộ tham quan vμ học hỏi tại Tổ hợp Quang học vμ cơ khí chính xác Belomo, Viện các vật liệu bán dẫn, Tổ hợp nghiên cứu sản xuất AGAT, Hãng Peleng, Trường ĐH Vô tuyến điện vμ Công nghệ thông tin, Belarus

Một số nội dung khoa học vμ công nmghệ thu được trong các chuyến tham quanvμ học tập ở nước ngoμi

- Tìm hiểu thi trường chế tạo laser vμ đo xa laser vμ đặt mua một số thiết

bị linh kiện cần thiết;

- Tìm hiểu khả năng hợp tác lâu dμi trong nghiên cứu chế tạo thiết bị

quang học vμ điện tử;

- Tìm hiểu về khả năng hợp tác chế tạo OPO vμ các thiết bị quang phi

tuyến khác

- Tìm hiểu về phương pháp lắp ráp tinh chỉnh đồng trục các hệ quang

trong đo xa laser;

- Tìm hiểu về nghiên cứu chế tạo laser YAG: Nd vμ các công nghệ biến

điệu, gia công chùm tia

- Tìm hiểu về công nghệ thu vμ xử lý nhiễu đầu thu

- Tìm hiểu về khả năng chế tạo các gương quang học đặc chủng

VI Các báo cáo khoa học đăng trên các Tạp chí vμ Hội nghị

Đã hoμn thμnh 12 báo cáo đăng trong các tạp chí vμ tham dự Hội nghị Quốc gia vμ quốc tế:

1 Eye-safe laser rangefinder: Actuality and Depelopment - ICT.rda 04

1 Study of the LiNbO 3 - OPO generating at 1,54àm pumped by 1,06àm laser , ICT.rda’04 vμ Hội nghị VLLT toμn quốc lần thứ 29 - Tp HCM

2 Creating Free Spatial Soliton from Gausian beam by Ker Medium, Proc Of 29th National Conference of Theoretical Phyics

3 Close Michelson Interferometer Semi- embedded by nonlinear medium for laser beam space- redistributing, Commun In Phys., Vol.15, No 1,

6 Khảo sát trường nhiệt của laser YAG: Nd tần số 10 Hz, Tạp chí nghiên

VII Hồ sơ nghiệm thu các đề tμi nhánh

Nội dung các đề tμi đã được phân thμnh 05 nhánh theo đăng ký trong RD Các đề tμi nhánh đã ký kết , thực hiện vμ nghiệm thu Các văn bản đề tμi nhánh

đã hoμn thiện lμ một phần của hồ sơ đề tμi chính

1 Nghiên cứu thiết kế tổng thể vμ lắp ráp hiệu chỉnh đo xa laser

- KC.01.25/ 01, Chỉ trì TS Phạm Vũ Thịnh

2 Nghiên cứu chế tạo máy phát thông số quang học phát bức xạ bước sóng 1.54àm sử dụng tinh thể LiNbO 3

- KC.01.25/ 02, Chủ trì KS Nguyễn Trọng Tuấn

3 Nghiên cứu thiết kế chế tạo khối thu vμ xử lý số liệu của máy đo xa laser tần lặp cao trên cơ sở photodiode InGaAs APD vμ các công nghệ mới

VIII Mẫu máy đo xa laser bước sóng1.54 μm tần lặp cao

Mẫu máy đo xa laser đã được nghiên cứu thiết kế vμ chế tạo Nội dung

cụ thể được trình bμy trong phần B

Phần B

Tổng kết kết quả thiết kế chế tạo

mẫu đo xa laser

I Nguyên lý hoạt động

1.1 Nguyên lý đo

Nguyên lý hoạt động của máy đo xa laser dựa trên nguyên lý tính khoảng thời gian đi lại của xung laser từ máy phát đến mục tiêu vμ quay lại máy thu

Tại thời điểm tStart, xung ánh sáng laser phát ra từ máy phát vμ chiếu tới mục tiêu Sau khi tán xạ trên mục tiêu, một phần ánh sáng truyền trở lại đầu thu Đầu thu sẽ ghi lại xung phản xạ tại thời điểm tStop Khoảng thời gian giữa hai thời điểm xung đi vμ xung về , Δt sẽ đ−ợc ghi lại vμ đ−a vμo tính khoảng cách D từ máy phát đến mục tiêu bởi công thức sau (hình 3):

2

2

2 2

Nếu gọi chu kỳ dao động của bộ dao động chuẩn lμ t, số đếm của bộ

đếm cho các mục tiêu lμ n1,n2 … thì công thức (2) ta có các giá trị Δt cho từng mục tiêu lμ :

của hệ thống ta có thể liệt kê ra các nguyên nhân cơ bản gây ra sai số phép đo như sau:

1) Độ ổn định vμ chất lượng của máy phát;

2) Độ nhạy yếu tố thu;

3) Hệ số khuyếch đại của các mạch điện;

4) Dải tần lμm việc của bộ so sánh ;

5) Dải tần lμm việc của bộ đếm;

6) Dải tần lμm việc của dao động chuẩn;

7) Khả năng chống nhiễu của máy thu;

8) Độ trễ sườn sau của tín hiệu thu được;

9) Tốc độ xử lý, chỉ thị số liệu sau bộ đếm

Sau đây lμ một ví dụ đặc trưng cần quan tâm trong tính toán xây dựng thiết kế hệ thống:

Xuất phát từ công thức (4) ta thấy rằng để có phép đo có cự ly sai số

< ±5m thì độ chính xác của thời gian tương ứng Δt cần có lμ:

±5[m] = ± t 8 t 3 , 33 10 8[ ]s

2

10 3

±

= Δ

⇒

ì

ì Δ

(5)

Hay nói cách khác đi lμ để có độ chính xác < ±5m thì toμn bộ phép đo của máy đo đòi hỏi thời gian với độ sai lệch lμ ± 33,3 ns Tương tự để có độ chính xác < ±1m thì độ chính xác của phép đo thời gian ±6,66 ns

Theo tính toán ở công thức (5) ta thấy rằng, để có sai số trong phép

đo < ±5m thì sai số tính tương đương về mặt thời gian giữa xung start vμ xung

stop (từ mục tiêu) lμ ±33,3 ns Đây lμ cơ sở để chúng ta tính toán đ−ợc tần số lμm việc của IC đếm chuyên dụng tối thiểu lμ 33 MHz theo công thức

f = 30 10 ( )

10 3 , 33

Bên cạnh đó để loại trừ đi các sai số về mặt tín hiệu vμ tăng tốc độ xử

lý tín hiệu thì tần số lμm việc tối thiểu của IC đếm lμ 90 MHz đây lμ mấu chốt của công nghệ trong việc giải quyết bμi toán tính khoảng cách Muốn có độ chính xác phép đo cự ly ±1m ta phải sử dụng bộ đếm có tần số ít nhất lμ 150 MHz vμ giải quyết loại bỏ hoμn toμn các sai số khác trong thời gian hoạt động