激光大氣散射離軸探測(cè)建模及仿真

姚 梅，張 樂，劉連偉，陳 潔，郭 豪

(1.解放軍63892部隊(duì)，河南洛陽(yáng) 471003;2.63891部隊(duì)，河南洛陽(yáng) 471003)

激光大氣散射離軸探測(cè)建模及仿真

姚 梅1，張 樂2，劉連偉1，陳 潔1，郭 豪1

(1.解放軍63892部隊(duì)，河南洛陽(yáng) 471003;2.63891部隊(duì)，河南洛陽(yáng) 471003)

基于米氏散射理論，建立了波長(zhǎng)1.064μm激光離軸散射探測(cè)模型。利用編程語(yǔ)言MATLAB設(shè)計(jì)了激光離軸散射探測(cè)仿真軟件，該軟件能夠仿真計(jì)算多種大氣傳輸條件下的散射輻射參量，并繪制相應(yīng)的曲線。對(duì)激光告警散射截獲半徑評(píng)估和制導(dǎo)激光散射光特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果表明，該模型能夠預(yù)測(cè)不同氣象條件下的散射參量，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和工程使用方提供了簡(jiǎn)便、快速的大氣散射仿真工具。

大氣散射;離軸探測(cè);仿真計(jì)算

1 引 言

在激光告警散射探測(cè)、激光制導(dǎo)對(duì)抗、非視線激光通信等方面，由于大氣氣溶膠的散射，散射激光會(huì)成為告警的威脅源或是誤傷己方的“罪魁禍?zhǔn)住?，因使用方式的不同，散射光也扮演不同的角色。文中通過建立波長(zhǎng)1.064μm激光離軸散射探測(cè)模型，利用編程語(yǔ)言MATLAB對(duì)模型進(jìn)行可視化仿真計(jì)算，解決了工程應(yīng)用中因大氣散射光的影響而面臨的激光偵察告警設(shè)備主要戰(zhàn)技指標(biāo)考核與評(píng)估、激光制導(dǎo)設(shè)備作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)構(gòu)建等問題。

2 離軸探測(cè)模型

激光告警威脅源和激光目標(biāo)指示器中應(yīng)用較多的是波長(zhǎng)1.064μm的脈沖激光。1.064μm激光束在大氣中傳播時(shí)，大氣分子對(duì)它的吸收和散射非常微弱，而大氣氣溶膠粒子對(duì)它的吸收和散射效應(yīng)則比較顯著［1］。大氣氣溶膠的散射可認(rèn)為是均勻的球狀粒子對(duì)電磁波的散射，當(dāng)能見度大于5 km時(shí)，通常不考慮多散射效應(yīng)［2］。

大氣氣溶膠對(duì)激光的散射傳輸特性，決定了激光探測(cè)設(shè)備必須以離軸探測(cè)的方式進(jìn)行工作。因此，建立離軸探測(cè)模型顯得尤為重要。離軸探測(cè)示意圖如圖1所示。以被防護(hù)目標(biāo)如坦克、橋梁、導(dǎo)彈發(fā)射架等為原點(diǎn)O，建立三維直角坐標(biāo)系O-XYZ。XOY坐標(biāo)系位于地面，Z軸垂直于面XOY指向天頂。光電探測(cè)設(shè)備部署在距目標(biāo)一定距離處，如D點(diǎn)。激光照射器位于L點(diǎn)，接收機(jī)探測(cè)器視場(chǎng)的邊緣與激光光束主軸分別交于D1、D2點(diǎn)。S是激光傳輸路徑上任意一點(diǎn)，該點(diǎn)在坐標(biāo)系XOY上的投影點(diǎn)為GS，散射光傳輸距離為DS。在坐標(biāo)系O-XYZ中，探測(cè)器和激光照射器坐標(biāo)分別為(XD，YD，ZD)，(XL，YL，Zf);點(diǎn)L在地面的投影點(diǎn)為GL，激光傳輸方向和 Z軸的夾角為 γ，散射角是β。

圖1 激光離軸探測(cè)示意Fig.1 Sketch map of laser off-axis detection

激光作用距離為:

從激光發(fā)射到激光到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間TS為:

在三角形DSO中，根據(jù)余弦定理有:

其中，η為激光傳輸方向LO與離軸方向DO的夾角。將式(2)中DS代入式(3)，得到散射介質(zhì)S點(diǎn)處的激光傳輸距離:

式中，V為光束傳播速度。

入射到散射介質(zhì)點(diǎn)S處的激光輻射照度為:

式中，Zf為飛行高度;SGS為斜程上某一點(diǎn)的高度;θ為光束發(fā)散角;τa為大氣透過率;P0為激光器發(fā)射功率。

激光束能量主要集中在激光束主軸上，在此只需考慮軸上球形粒子的散射［3］。某一時(shí)刻，D點(diǎn)接收的散射光是S點(diǎn)處，由激光光束截面以及間距為dL的光柱所構(gòu)成的微圓柱體內(nèi)，各散射粒子所產(chǎn)生散射光共同貢獻(xiàn)的結(jié)果。因此，激光光束主軸上S點(diǎn)附近，間距為dL的光柱在觀測(cè)方向，散射到D點(diǎn)的輻射照度為:

其中，散射函數(shù)F(β，)的詳細(xì)計(jì)算方法可參見文獻(xiàn)［4］和［5］。

大多數(shù)研究者認(rèn)為在5 km高度以下，粒子濃度隨高度的降低呈指數(shù)規(guī)律。粒徑分布盡管也有變化，但變化很小，可認(rèn)為不變［6］。Nh，N0分別表示在h高度上和地面上的粒子濃度，其關(guān)系可用式(8)表示;HP表示氣溶膠標(biāo)高，也稱特征高度，取值在1 km～1.4 km之間。Elterman［7］對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納，得到了僅由氣溶膠微粒而使能見度變短時(shí)的特征高度HP值，如表1所示。當(dāng)光電探測(cè)設(shè)備位于地面時(shí)，h等于0。

將式(7)、(8)代入式(6)并積分得到到達(dá)探測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)的散射光輻射照度:

式中，δ為散射光入射方向與探測(cè)器視場(chǎng)中心的夾角;n(r)為氣溶膠粒子尺度譜分布;r1，r2為氣溶膠粒子半徑的取值范圍;τLS為直射光的大氣透過率; τDS為散射光的大氣透過率。

表1 能見度與氣溶膠標(biāo)高Tab.1 Surfacemeteorological range Rm and aerosol scale height

3 離軸探測(cè)仿真軟件

利用MATLAB軟件對(duì)離軸探測(cè)模型進(jìn)行可視化編程，設(shè)計(jì)了1.064μm激光大氣散射離軸探測(cè)仿真軟件，主界面如圖2(a)所示，其中圖2(b)、圖2(c)分別是水平和斜程探測(cè)的輸入界面，圖2 (d)、圖2(e)是相應(yīng)輸出結(jié)果。該軟件通過輸入想定或?qū)嶋H大氣傳輸條件下的激光發(fā)射、探測(cè)等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同傳輸距離、不同探測(cè)方向、不同氣溶膠模式、不同大氣能見度條件下的散射光輻射參量仿真及繪制散射光脈沖時(shí)間曲線、離軸距離與散射光輻射照度曲線。

圖2 1.064μm激光大氣散射離軸探測(cè)軟件輸入輸出Fig.2 Input and output of1.064μm laser atmospheric scattering off-axis detection

4 仿真結(jié)果

通過設(shè)定典型傳輸條件下的激光發(fā)射參數(shù)和大氣氣象參數(shù)，對(duì)激光告警散射截獲半徑和制導(dǎo)激光大氣后向散射進(jìn)行仿真計(jì)算。氣溶膠粒子尺度譜采用Junge譜分布，斜程大氣透過率的計(jì)算選用通用大氣輻射傳輸軟件CART［8］。大氣模式選取中緯度夏季，鄉(xiāng)村氣溶膠模式，取波數(shù)9397～9398 cm－1范圍之內(nèi)的平均透過率作為波長(zhǎng)1.064μm激光大氣透過率。

4.1 激光告警散射截獲能力評(píng)估

激光告警散射截獲半徑又稱警戒離軸距離，其最大值可用散射截獲能力描述。假定威脅激光源波長(zhǎng)為1.064μm，發(fā)射能量100 mJ，脈沖寬度10 ns，傳輸距離10 km，對(duì)不同能見度條件下的激光告警散射截獲能力評(píng)估結(jié)果如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，大氣能見度小于15 km時(shí)，散射截獲半徑近似呈線性增加;當(dāng)能見度從15 km變化到20 km時(shí)，會(huì)出現(xiàn)最大值。圖3(b)是散射截獲距離達(dá)到最大值時(shí)的局部放大，當(dāng)能見度大于20 km時(shí)，散射截獲邊界和其最大值相比下降得比較緩慢。這一現(xiàn)象表明，散射截獲邊界與能見度之間不是單一的線性變化關(guān)系;工程應(yīng)用中，如需檢驗(yàn)激光告警設(shè)備的最大散射截獲邊界，最好選擇能見度為15 km到20 km的天氣。

圖3 散射截獲能力與能見度關(guān)系Fig.3 Relationship between atmospheric visibility and themaximum scattering interception range

4.2 制導(dǎo)激光大氣后向散射仿真

如圖1所示，導(dǎo)引頭探測(cè)器視場(chǎng)中心瞄準(zhǔn)被照射目標(biāo)O，距離目標(biāo)2 km，視場(chǎng)為30°，探測(cè)方位100°。地面照射器發(fā)射激光脈沖能量100 mJ，脈沖寬度10 ns，束散角1mrad，照射距離3 km，照射方位80°，照射方向的天頂角90°。大氣能見度20 km，鄉(xiāng)村氣溶膠模式，氣溶膠標(biāo)高1.41 km。改變探測(cè)方向即視場(chǎng)法線與垂直方向的夾角γ，散射光能量密度與功率密度變化如圖4所示。

圖4 散射光功率密度隨探測(cè)方向變化曲線Fig.4 Scattering intensity versus detective orientation

圖5 散射光能量密度隨探測(cè)方向變化曲線Fig.5 Scattering energy density versus detective orientation

圖4顯示，散射光功率密度隨著探測(cè)角度的增大而增加，導(dǎo)引頭越靠近激光照射器，散射光功率密度越大，對(duì)己方的誤傷概率就會(huì)增加。

圖5顯示，散射光能量密度隨探測(cè)角度的增大先逐漸變大，在天頂角為55°～60°時(shí)，達(dá)到最大值，探測(cè)角度繼續(xù)增加，散射光能量密度開始下降。綜合圖4和圖 5，若導(dǎo)引頭探測(cè)器的靈敏度為N fJ/cm2，以目標(biāo)為頂點(diǎn)，彈目連線與指示方向的夾角應(yīng)大于35°，激光制導(dǎo)導(dǎo)彈不會(huì)因大氣散射光的干擾而使制導(dǎo)方向偏離攻擊目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立了基于米氏散射的激光離軸散射探測(cè)模型，設(shè)計(jì)了激光大氣散射離軸探測(cè)軟件。該軟件具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，適用于概略型激光告警探測(cè)、激光半主動(dòng)制導(dǎo)過程中散射光分析、機(jī)載激光指示器系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練、地面激光探測(cè)等領(lǐng)域。

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Model and simulation of off-axis detection of laser in atmospheric scattering

YAO Mei1，ZHANG Le2，LIU Lian-wei1，CHEN Jie1，GUO Hao1
(1.63892 Army Unit，the People’s Liberation Army，Luoyang 471003，China; 2.63891 Army Unit，the People’s Liberation Army，Luoyang 471003，China)

The atmospheric scattering off-axis detection model of 1.064μm laser was established based on Mie scattering theory.The software of atmospheric scattering off-axis detection of 1.064μm laser was developed by MATLAB.Using this software，scattering radiative parameters can be calculated and the corresponding curves can be drawn in various atmospheric propagation modes.Besides，the evaluation of scattering interceptive range for 1.064μm laser warning and the scattering characteristic of guiding laser beams were simulated.The results show that scattering parameters in various atmospheric conditions can be predicted，which provides a convenient and fast tool for system designers and project users.

atmospheric scattering;off-axis detection;simulation and calculation

TN249

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.00 3

1001-5078(2014)04-0366-04

姚 梅(1979－)，女，工程師，主要從事激光大氣傳輸與光電檢測(cè)等方面的研究。E-mail:eoyam900@126.com

2013-08-09