煙塵對(duì)脈沖激光的衰減特性研究

孫小龍 張祥金

摘 要：脈沖激光在穿過煙塵介質(zhì)時(shí)發(fā)出的脈沖光束會(huì)與煙塵微粒發(fā)生相互作用，影響激光測距系統(tǒng)的工作可靠性。文章對(duì)脈沖激光在煙塵環(huán)境下的傳輸特性展開研究，得到了傳輸過程中一定脈長激光能量透過率與煙塵質(zhì)量濃度的數(shù)值關(guān)系模型，為戰(zhàn)場煙塵環(huán)境下如何提高激光引信定距系統(tǒng)的工作性能提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：激光定距系統(tǒng)；散射與吸收；能量衰減；能見度

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高新科技越來越多的應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，一方面，如今的戰(zhàn)場已經(jīng)不再是冷兵器的天下，傳統(tǒng)的作戰(zhàn)方式也已經(jīng)跟不上現(xiàn)在戰(zhàn)場信息化的腳步；另一方面，隨著武器越來越多的融合進(jìn)高新前沿科技，未來的戰(zhàn)場也對(duì)彈藥和引信提出了更高的要求[1]。

傳統(tǒng)的近炸引信使用無線電探測技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)的探測識(shí)別，而如今的戰(zhàn)場環(huán)境，硝煙彌漫不說，各種電磁軍事產(chǎn)品來往穿梭于戰(zhàn)場，使得近炸引信中傳統(tǒng)的無線電探測受到的干擾與日俱增。激光技術(shù)應(yīng)用于引信產(chǎn)品中具有眾多優(yōu)點(diǎn)包括單色性和方向性好，便于實(shí)現(xiàn)引信定位精度的提高；保密且抗干擾性能強(qiáng)，不易被敵方偵查攔截；距離截止特性好，能夠有效抑制目標(biāo)距離之外的回波信號(hào)的干擾；而亮度高的特性大大提高了引信系統(tǒng)的靈敏度。激光引信可靠性高、安全、成本低，正在不斷發(fā)展，并越來越多的應(yīng)用于各種導(dǎo)彈系統(tǒng)中，包括迫擊炮彈、破甲彈、反坦克導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈等等[2]。

然而，激光測距實(shí)際應(yīng)用仍存在一些問題。激光在通過煙塵環(huán)境傳輸?shù)倪^程中，煙塵粒子會(huì)對(duì)激光光束造成吸收和散射等復(fù)雜效應(yīng)，使得激光傳輸過程中能量衰減，最終造成激光引信的不可靠工作甚至是失效，更嚴(yán)重的可能產(chǎn)生誤炸等危險(xiǎn)事件[3]。了解與掌握激光煙塵傳輸規(guī)律，不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且在國防上也都具有重要的應(yīng)用前景[4]。

1 能量衰減的數(shù)值計(jì)算

激光在傳輸過程中，能量的衰減特性與激光波長和氣候條件有關(guān)[5，6]。在煙塵條件下傳播時(shí)，激光的衰減率計(jì)算與煙塵粒子的折射率系數(shù)密切相關(guān)。大氣中漂浮著的煙塵粒子其折射率與大氣折射率明顯不同，所以在光束通過煙塵介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生傳輸上的不連續(xù)即發(fā)生散射和吸收。散射雖然不會(huì)是能量消失，但是經(jīng)過粒子的散射后，在原來的傳播方向上，激光能量會(huì)衰減，吸收損耗則隨波長而發(fā)生變化。

我們用三個(gè)系數(shù)來表征激光在煙塵環(huán)境中的能量衰減[7]：消光系數(shù)、散射系數(shù)、吸收系數(shù)。光在煙塵介質(zhì)中傳輸時(shí)，光的能量衰減即為煙塵粒子對(duì)光的散射和吸收，所以消光系數(shù)等于散射系數(shù)和吸收系數(shù)之和，用表達(dá)式可以表征為：

（1）

從通量密度I0的入射波中消失的能量為？仔r2？滋extI0，消光截面為？仔r2？滋ext，作為散射能量重新出現(xiàn)的能量為？仔r2？滋scaI0，散射截面為？仔r2？滋sca，被煙塵粒子吸收的能量為？仔r2？滋absI0，吸收截面為？仔r2？滋abs。一次散射反照率？棕0是作為散射輻射重新出現(xiàn)的能量與入射波消失的能量的比值，非對(duì)稱因子g是散射輻射的散射角的余弦的平均值。

（2）

（3）

（4）

（5）

取折射率指數(shù)實(shí)部和虛部分別為1.520和0.008，波長為1.06μm，編寫程序?qū)ο庀禂?shù)、散射系數(shù)和吸收系數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到圖1。

從圖1可以看出，當(dāng)煙塵粒子半徑小于0.1μm時(shí)，消光系數(shù)、散射系數(shù)及吸收系數(shù)均遠(yuǎn)小于1，此時(shí)激光傳輸通道能見度高，粒子尺寸較小，對(duì)激光能量的衰減作用很弱；當(dāng)粒子半徑變大至0.1μm以上時(shí)，粒子對(duì)激光光束的衰減主要是散射造成的，而且隨著粒子尺寸的增大，這種影響關(guān)系呈指數(shù)上升，吸收基本上為零，粒子對(duì)激光能量的吸收隨尺寸增加呈現(xiàn)緩慢上升的態(tài)勢，直到吸收系數(shù)接近1而趨于穩(wěn)定。粒子的散射作用在整個(gè)過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著粒子半徑的增大，散射系數(shù)的曲線斜率減小，散射過渡到Mie散射，消光系數(shù)和散射系數(shù)迅速增大，消光系數(shù)最大值接近4.3，然后再以阻尼振蕩的形式慢慢收斂到2。這說明小粒子對(duì)激光的消光作用和散射作用較弱，當(dāng)粒子尺寸增大到一定程度，大粒子從入射光中消去的能量正好二倍于它的橫截面所能攔截的能量，這似乎不合常理，但是事實(shí)卻正是如此。在散射系數(shù)曲線中當(dāng)尺度參數(shù)為4.3時(shí)，散射系數(shù)達(dá)到最大值，此時(shí)粒子半徑為0.7μm，接近激光波長，這表明當(dāng)粒子的半徑和波長相近時(shí)，粒子的散射影響最為顯著。當(dāng)對(duì)不同折射率指數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，消光系數(shù)的最大值隨折射率變化，當(dāng)折射率增大時(shí)，最大值也隨之稍有增大且最大值對(duì)應(yīng)的尺度參數(shù)較小。圖中的高頻小振幅“波紋”，對(duì)研究偶極子共振具有理論意義，但在研究大氣粒子散射上沒有多大作用。

2 仿真分析

在Zemax的非序列模型中，模擬激光器對(duì)大氣煙塵中不同直徑的煙塵顆粒的傳輸特性進(jìn)行研究。

仿真條件：假設(shè)激光器發(fā)射激光的波長是532nm，激光器平均功率為30w，輸出的光線為gauss光束，產(chǎn)生的遠(yuǎn)場光斑是圓形光斑，并且模擬50000條激光光線，研究離激光器1m處的探測器能量。得到激光的峰值輻照度為20788w/cm平方，光斑中部能量較集中，與實(shí)際較為符合。

在激光傳輸中，離激光器100mm的中心放置煙塵顆粒，直徑為10μm。激光光束穿過煙塵到達(dá)探測器時(shí)的非相干光照?qǐng)D如圖2。

圖2 非相干光照?qǐng)D

結(jié)論：激光穿過單個(gè)煙塵顆粒，傳輸過程中一部分激光被顆粒散射或吸收，導(dǎo)致模擬的激光光束到達(dá)探測器時(shí)能量發(fā)生衰減，衰減的能量隨煙塵粒子尺寸不同略有變化，總體呈正相關(guān)，即隨著煙塵粒子直徑增大，傳輸中激光衰減的能量增加。

3 實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

針對(duì)激光引信在戰(zhàn)場煙塵環(huán)境下的傳輸特性，煙塵粒子粒徑大小在0.1μm～10μm范圍內(nèi)，質(zhì)量濃度方面參照相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，北京2000年P(guān)M2.5全年平均為101μg/m3，2004年珠三角地區(qū)PM2.5全年平均為104μg/m3，2001年至2009年，全國PM10年平均值在90μg/m3～125μg/m3范圍內(nèi)，PM2.5濃度與PM10濃度比值約為0.5～0.8，以此推算最近大氣環(huán)境下PM10的濃度在100μg/m3左右[8]，而戰(zhàn)場煙塵濃度相對(duì)城市來說更高，實(shí)驗(yàn)過程中取10μg/m3～10mg/m3范圍質(zhì)量濃度進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)。

激光光束在通過不同能見度的煙塵環(huán)境時(shí)，透過率不同，煙塵濃度、照射路徑長度等都會(huì)對(duì)透過率造成影響。參考一些對(duì)能見度與煙塵濃度的研究，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)一定粒子大小的煙塵，其質(zhì)量濃度與能見度存在一定的關(guān)系。

能見度Vm與煙塵PM10質(zhì)量濃度C的關(guān)系為：

（6）

另外，設(shè)一束波長為λ的激光光束照射到路徑長度為R的煙塵介質(zhì)時(shí)，入射能量為P1，經(jīng)粒子衰減后出射能量為P2，那么激光傳輸?shù)耐高^率為激光出射能量與入射能量的比值：

（7）

其中？子為透過率，uext為消光系數(shù)，R為煙塵路徑長度。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，532nm波長激光在大氣環(huán)境下煙塵質(zhì)量濃度與消光系數(shù)存在這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]：

表1 能見度與消光系數(shù)關(guān)系

兩者的關(guān)系可用大氣能見度方程 表示，

其中指數(shù)q常用下列公式取值： 。戰(zhàn)場

環(huán)境復(fù)雜，一般能見度都不會(huì)太好，所以q的取值主要在0.585VM1/3和1.3之間。

那么結(jié)合公式（6）和（7），我們可以得到在PM10監(jiān)測環(huán)境下，激光能量的透過率與煙塵質(zhì)量濃度之間關(guān)系的理論模型：

（8）

實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)記錄，如表2所示。

將實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)繪圖與前面的理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

通過上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的對(duì)比可以看出，該理論模型與實(shí)際情況較為符合。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論模型具有重要的意義，為戰(zhàn)場條件下脈沖激光引信穿過煙塵復(fù)雜環(huán)境時(shí)激光測距系統(tǒng)工作性能的研究提供了理論指導(dǎo)，作戰(zhàn)時(shí)只需要根據(jù)戰(zhàn)場實(shí)際大氣環(huán)境情況提供煙塵質(zhì)量濃度以及通道距離，即可計(jì)算一定波長的脈沖激光穿過煙塵環(huán)境的衰減情況，預(yù)估引信作戰(zhàn)性能，為惡劣氣象條件下的作戰(zhàn)提供了數(shù)據(jù)參考。

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作者簡介：孫小龍（1988，2-），男，漢族，山東臨沂人，南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在讀碩士，專業(yè)：兵器工程。