新型“千里眼”——激光雷达

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新型“千里眼”——激光雷达

  无线电技术的发展使“千里眼”、“顺风耳”由幻想变为现实。这里的“千里眼”是指二次大战中发明的雷达。雷达发出脉冲电波,遇到敌机就会反射回来再为雷达接收器所接收,在雷达荧光屏上显出一个亮点。根据这一亮点可以算出敌机的方位、距离、高度。有经验的观察人员可从亮点显示的情况大致判断目标是什么东西。用这种方法能够发现几十公里乃至几千公里以外的飞机,当然可称“千里眼”了。然而仔细想来,从无线电雷达“看”一架飞机,或者一艘战舰,无非只是荧光屏上一个亮点,不是训练有素的人员简直莫名其妙。因此雷达探测距离确实可达千里之遥,要说是“眼”只能算艺术夸张了。

  出现了激光以后,货真价实的“千里眼”才有希望实现。因为激光的波长短,方向集中,从原理上讲完全可以制造出成像雷达来。那时,从荧光屏看到的将是目标的实际形象,而不是一个亮点。当然要把这种成像雷达造出来还有许多技术难题要解决,所以现在还没有这样的千里眼。

  可能有人会问:电视机能不能算千里眼呢?一般来说电视机能让你看到千里外的文艺节目演出、球赛实况等,也可以算千里眼了。其实,电视播送设备的“眼睛”是电视摄像管,它必须离拍摄的景和物很近才能有良好的效果。电视摄像管把摄到的图像变为电波在空中传播,然后才能在电视机上显示出来,如果两地距离超过几十公里还必须用微波中转站传送系统。严格来说并不能算是千里眼的。

  千里“眼”成像雷达虽然一时还做不到,但比它略逊一筹的激光雷达已经造出来了。它和微波雷达相比有不少优点:虽然两者都可用来测距、测角,但激光雷达的光波长短,光束细,精度比微波雷达高10倍以上。激光雷达从1500米的高空探测地面,光束直径仅10多厘米,可以分辨得出地形的高低变化,这也是微波雷达所做不到的。其次,激光雷达比微波雷达轻巧得多。为了在一定距离上保持同样的波束大小,激光雷达只须用直径为几厘米的透镜,而微波雷达要用直径60米以上的天线。远程微波雷达的天线,直径更大,一般要固定安装在雷达站里。而整个激光雷达用卡车就可以装运,甚至几个人就可以抬走。再有,激光雷达可以测量目标的速度等参量,这是一般雷达所做不到的。激光雷达还有良好的抗干扰性能,不受地面电波的干扰,这是军事上很受重视的一个特性。

  激光雷达在发展中还有一些问题要解决,如大气影响激光的传输和因光束太细而带来的搜索目标的困难等。现在常把两种雷达结合起来:用微波雷达作范围较大的搜索,搜索到目标的座标以后,再用激光雷达在小范围内跟踪目标,并精确测定目标的座标及运动速度。

  激光雷达是一专多能的。除了军事上用的雷达以外,还发展了非军用的雷达,它们不一定都称为雷达。有一种叫做测距仪的激光雷达可测量月球到地球之间的距离,绝对误差小于15厘米,相对误差小于4×10-10。若是以这样高的精确度测量1米长的物体,误差还不到4个氢原子大小。氢原子的直

  10径约10米,或者说一万分之一微米。精密测量地球和月球之间的距离及其变化对科学研究十分重要。人们可以通过这样的测量,了解地球和月球的形状及表面地形,从而测算地球上各处重力变化;另外,测量地球某一固定点到月球之间的距离的变化可以算出大陆漂移的具体数据,还可以根据月地距离的变化,了解月球引力和地球上潮汐变化的关系。此外,激光测距仪还能测定人造卫星的位置和人造卫星的轨道。

  激光雷达在宇宙航行中十分有用。宇宙空间没有空气,激光束不会受影响;装在航天器中的雷达要求体积小,重量轻,耗能少,这正好是激光雷达的特长。已经制成能追踪宇宙飞船的激光雷达,因为它的精度高,可以使在轨道上飞行的两个太空飞行器准确地对接合拢。

  1971年,美国发射的阿波罗登月飞船,载了一辆可在月球上行驶的“月球漫游者车”,车上装着一种能直接控制电视摄像机的激光雷达,用来跟踪宇宙航行员,把宇航员的“漫游”情况由电视摄像机摄下后,通过无线电发射设备,将信号送回地面。这种雷达很小,重量只有几千克。

  由于激光雷达光束的分辨率高,不但能识别高楼、大山等庞然大物,而且能发现电线杆、烟囱、电线等细小目标。所以军事上,用激光雷达做成避撞器,装在低空飞行的歼击机和直升飞机上,可以防止发生飞机碰撞事故。

  有的激光对大气成分的变化非常敏感,科学家利用这个特点,发明了探测大气污染的测污雷达。

  人类进行生产活动产生的各种有毒有害物质,如果不加治理,任意向外界排放的话,危害无穷。比如,一氧化碳在大气中的含量只要超过十万分之一,就会使大片庄稼结不出果实。为了能及时测得这些含量极少的污染物,需要灵敏度特别高的监测仪器。

  不同的污染物,因为分子结构不一样,能吸收不同波长的激光,最新的激光测污雷达使用可调波长激光器,灵敏度高、分析速度快,改变激光的波长,测定吸收量,可以分辨出污染物的成分和含量。更方便的是汽车运载的测污雷达,环保工作人员带了它可以探测车辆行驶路线周围几公里之内的大气污染。