外場激光導(dǎo)引性能分析

華創(chuàng)錄，王春艷，王曉曼，劉智

（1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春 130022，2.長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

外場激光導(dǎo)引性能分析

華創(chuàng)錄1，王春艷1，王曉曼2，劉智2

（1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春 130022，2.長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

外場激光導(dǎo)引性能的測試分析是激光半主動制導(dǎo)武器科研試驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)，通過對激光半主動制導(dǎo)試驗(yàn)中從激光照射器-大氣-目標(biāo)-大氣-導(dǎo)彈的光學(xué)傳遞鏈的分析和對激光大氣傳輸特性和目標(biāo)激光散射特性的研究，建立了從照射器到目標(biāo)和從目標(biāo)到探測器兩個(gè)環(huán)節(jié)的照射激光能量傳遞模型，通過理論計(jì)算和外場試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對導(dǎo)引頭入瞳處接收能量的計(jì)算分析，為外場激光導(dǎo)引性能分析提供了依據(jù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

激光大氣傳輸特性；目標(biāo)反射特性；激光能量

激光半主動制導(dǎo)具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于武器裝備中。其工作過程是由地面或空中的激光照射器向被攻擊目標(biāo)發(fā)射激光脈沖信號，該信號經(jīng)大氣傳輸至目標(biāo)，由目標(biāo)反射后再經(jīng)大氣傳輸至導(dǎo)彈，最后由激光導(dǎo)引頭接收激光脈沖，從而形成制導(dǎo)信號。激光信號經(jīng)激光器發(fā)射、大氣傳輸、目標(biāo)反射、大氣傳輸，到達(dá)導(dǎo)引頭入瞳處的功率密度需大于某一閾值，才能使導(dǎo)引頭正常工作，此功率密度閾值就是導(dǎo)引頭的靈敏閾，它是制導(dǎo)武器最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。在激光半主動制導(dǎo)武器科研試驗(yàn)中，需對導(dǎo)引頭接收到的散射能量大小進(jìn)行測試，以判斷經(jīng)散射后到達(dá)導(dǎo)引頭的激光能量能否滿足導(dǎo)引頭探測靈敏閾要求，為外場激光導(dǎo)引性能評估提供技術(shù)支撐。

1 激光大氣傳輸特性

大氣衰減包括分子與氣溶膠的吸收和散射，大氣吸收與散射是造成光束能量衰減的主要因素。大氣透過率與距離的遠(yuǎn)近、光波的波長以及大氣中各種成分的濃度都有關(guān)系。激光在大氣中的能量衰減主要由吸收、散射、湍流、色散、折射等引起，對1.06μm的激光而言，大氣散射是其能量衰減的主要因素［1］。

大氣散射系數(shù)μ可由公式（1）計(jì)算：

式中，μ為大氣散射系數(shù)，單位為km-1；V為波長為0.55μm的光波沿水平路徑或近于水平路徑傳輸后，大氣透過率為2%時(shí)的可見距離（用km表示），即能見度，單位為km；λ為激光的波長，單位為μm；p為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其數(shù)值為0.7～1.6，相當(dāng)于能見度由最壞變到最好的情況；k為粒子散射標(biāo)高的倒數(shù)（k= 0.83km-1）；R為大氣斜路或水平傳輸距離（用km表示）；q為激光傳輸方向與水平方向的夾角［2］。

由上面的散射系數(shù)公式，可進(jìn)一步推導(dǎo)出激光在大氣中水平、垂直、斜路傳輸時(shí)大氣透過率的計(jì)算公式，令

圖1給出了能見度V=10km，λ=1.064μm的激光沿不同方向（θ1=15°、θ2=45°、θ3=75°）傳輸時(shí)，大氣透過率T與傳輸距離R之間的關(guān)系。

圖1 （1.064μm激光）大氣透過率與傳輸距離之間的關(guān)系示意圖

2 目標(biāo)反射特性

目標(biāo)反射特性與目標(biāo)表面材料、涂層、粗糙度等因素直接相關(guān)，根據(jù)輻射學(xué)理論，反射系數(shù)定義為反射功率與入射功率之比，或是反射通量與入射通量之比［3］。如圖2所示。

當(dāng)取極限值時(shí)，從表面反射的微分通量可寫成

式中，Lr為反射輻射亮度（W/m2）；dAs為目標(biāo)模型表面的微分單元面積（cm2）；θr為反射角。則入射通量可寫成

式中,i代表入射量。按反射系數(shù)定義，反射系數(shù)ρ可用下式表示

由公式（6）可知，應(yīng)對入射立體角和反射立體角加以說明，否則ρ的數(shù)值不能確定。也就是說實(shí)際應(yīng)用中對入射立體角、反射立體角以及入射角、反射角應(yīng)有定量規(guī)定，這樣反射系數(shù)才有意義。

圖2 目標(biāo)表面反射的微分通量

目標(biāo)反射系數(shù)的測量一般有兩種方法，分別是直接測量法和比較測量法，在此不再詳述。經(jīng)查閱相關(guān)資料，可知典型目標(biāo)的反射系數(shù)如表1［4］：

表1 典型目標(biāo)的反射系數(shù)

3 激光能量傳遞鏈路建模

探測器光敏面處接收到由照射器照在靶板表面的漫反射能量，可分為兩個(gè)階段。第一階段是從照射器發(fā)出的激光能量到達(dá)靶板，第二階段是入射到靶板的能量漫反射到探測器。

3.1 照射器到靶板傳輸過程

從照射器發(fā)出的激光能量照向靶板，靶板與地面垂直法線有夾角β。激光傳輸方向與目標(biāo)靶法線夾角為θ，如圖3。

圖3 照射器發(fā)射激光到靶板傳輸過程示意圖

大氣傳輸光能量符合Lambert-Beer定律，能量總是以幾何級數(shù)減少［5］，激光在大氣中傳輸一定距離后的能量可表示：

式中，Wp為出射能量；W1為傳輸一定距離后的能量；T大氣為照射器到目標(biāo)靶的大氣透過率。由上節(jié)可知：T大氣=exp（-μR），μ為大氣氣衰減系數(shù)，可以用與能見度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式表示，其形式為：

其中關(guān)于p的取值有如下約定：

3.2 靶板到探測器傳輸過程

由于漫反射靶板的反射特性接近于朗伯體，因此可將靶板當(dāng)作朗伯體考慮，則探測器光敏面處接收的靶板漫反射的能量為：

式中，W2為探測器接收的光能量；W1為入射到靶板的光能量；ρ為靶板漫反射系數(shù)；R為傳輸距離；T大氣為探測器到目標(biāo)靶的大氣透過率；T接收為接收探測器的透過率；θ為照射器和靶板中心法線的夾角；φ為靶板中心法線和探測器的夾角［6］。

4 外場激光導(dǎo)引性能計(jì)算分析

在外場激光導(dǎo)引性能測試中，選取典型測試剖面：在目標(biāo)靶側(cè)前方地面上架設(shè)激光目標(biāo)指示器為導(dǎo)彈導(dǎo)引頭提供目標(biāo)指示，直升機(jī)在目標(biāo)靶前方空中負(fù)責(zé)導(dǎo)彈發(fā)射，在目標(biāo)靶側(cè)前方地面上布設(shè)激光能量編碼測量設(shè)備用來監(jiān)測經(jīng)目標(biāo)靶反射回的散射激光功率，如圖4所示：

圖4 外場激光導(dǎo)引性能測試剖面圖

激光目標(biāo)指示器輸出能量大小為60mJ，波長為1.064μm，脈寬為20ns，激光束散角為0.3mrad，激光目標(biāo)指示器距目標(biāo)靶距離為2km，激光目標(biāo)指示器與目標(biāo)靶法線夾角為30°，激光目標(biāo)指示器和目標(biāo)靶、激光能量編碼測量設(shè)備在同一水平面內(nèi)，目標(biāo)靶與地面夾角10°，目標(biāo)靶反射系數(shù)為0.3，目標(biāo)靶尺寸為2.3m×2.3m，激光能量編碼測量設(shè)備距離目標(biāo)3km，激光能量編碼測量設(shè)備與目標(biāo)靶法線夾角為20°，直升機(jī)發(fā)射平臺高度為100m，距離目標(biāo)靶距離為5km，大氣能見度為10km。

4.1 激光能量傳遞鏈計(jì)算

先計(jì)算大氣透過率，已知大氣能見度10km，由公式（9）有p=1.3，激光傳輸路徑與水平面夾角接近0°，由公式（1）和（2），可以計(jì)算出，從照射器到目標(biāo)的大氣透過率

同理可求的探測器到目標(biāo)的大氣透過率T大氣（探測器到目標(biāo)）=0.61。

由公式（7）、（10）可以計(jì)算出入射到靶板的光能量為

已知探測系統(tǒng)透過率為0.9，光學(xué)孔徑直徑為D光學(xué)口徑=130mm=0.013m，則由公式（9）、（11）可以計(jì)算出探測器光敏面處接收的靶板漫反射的激光能量為：

轉(zhuǎn)換成相應(yīng)功率為：

用激光能量編碼測量設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測量，測得接收功率平均值為P實(shí)測=7.2×10-7W，可見由于外場環(huán)境復(fù)雜，會造成激光的隨機(jī)多次反射，并且太陽光中也含有部分1.064μm波長成分，這些均會對測試結(jié)果造成干擾。

4.2 外場激光導(dǎo)引性能分析

現(xiàn)在以實(shí)測結(jié)果為基準(zhǔn)反推導(dǎo)引頭入瞳處接收到的激光能量值。通過外彈道數(shù)據(jù)可知，導(dǎo)彈在導(dǎo)引飛行時(shí)距目標(biāo)約為3km，飛行高度為110m，則此時(shí)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭與目標(biāo)靶法向夾角約為10°，則由實(shí)測數(shù)據(jù)可推算出導(dǎo)引頭接收到的反射能量為：P=7.5× 10-7W，大于導(dǎo)引頭工作閾值4.5×10-7W，滿足導(dǎo)引頭正常工作需求。

隨著導(dǎo)彈與目標(biāo)靶的距離的減少，導(dǎo)彈與目標(biāo)靶法向的夾角也逐漸變小，由公式（9）可知，這些均會導(dǎo)致導(dǎo)引頭接收到的能量逐漸增大，所以，只要導(dǎo)引頭在3km處接收的反射能量值大于導(dǎo)引頭設(shè)定工作閾值，那么隨著導(dǎo)彈與目標(biāo)距離的減小，導(dǎo)引頭接收到的反射能量值會越來越大，只要此過程中激光照射器沒有丟失脈沖現(xiàn)象，保證導(dǎo)引頭始終能接收到穩(wěn)定的能量信號，再通過對光斑位置信號的處理形成有效的制導(dǎo)控制指令，控制導(dǎo)彈飛行直至命中目標(biāo)［7］。

因此，在激光半主動制導(dǎo)科研試驗(yàn)中，通過外場激光能量編碼測量設(shè)備實(shí)現(xiàn)外場激光脈沖能量和編碼的精確測量，通過對激光脈沖能量大小和編碼的分析，借助激光光學(xué)傳遞鏈可以實(shí)現(xiàn)外場激光導(dǎo)引性能的評判。

5 結(jié)論

隨著激光半主動制導(dǎo)武器的廣泛應(yīng)用，外場激光導(dǎo)引性能的評估成為該型武器裝備科研試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文提出了一種基于激光照射器-大氣-目標(biāo)-大氣-導(dǎo)彈光學(xué)傳遞鏈的激光能量傳遞模型，通過外場試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)可完成導(dǎo)引頭入瞳處接收能量的計(jì)算分析，為外場激光導(dǎo)引性能分析提供了依據(jù)，具有較高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］王江，林蔚，王鵬，等.激光半主動制導(dǎo)武器半實(shí)物仿真系統(tǒng)能量鏈研究［J］.紅外與激光工程，2011，40（7）：1230-1233.

［2］袁宏學(xué)，王小兵，吳穎霞.目標(biāo)激光散射場測試技術(shù)及工程研制［R］.華陰：中國華陰兵器試驗(yàn)中心，2004.

［3］陳龍，吳偉勝，張亞峰.激光半主動制導(dǎo)武器試驗(yàn)條件分析［C］.第十一屆全國光學(xué)測試學(xué)術(shù)研討會，青島，2006.

［4］閆煒.典型軍事目標(biāo)激光散射特性的建模仿真［D］.南京：南京理工大學(xué)，2005.

［5］叢明煜，邵成勛，王學(xué)孝.1.06μm激光半主動制導(dǎo)的目標(biāo)與大氣環(huán)境模型［J］.紅外與激光工程，2000，29（4）：71-77.

［6］華創(chuàng)錄.外場激光導(dǎo)引性能測試系統(tǒng)研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2016.

［7］賈選軍.激光半主動制導(dǎo)參數(shù)優(yōu)化的研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2004.

Analysis of Laser Guidance Performance in External Field

HUA Chuanglu1，WANG Chunyan1，WANG Xiaoman2，LIU Zhi2
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The analysis of laser guidance performance is an important link in the research of laser semi-active guided weapons.Based on the analysis of the optical transmission chain from laser target indicator-atmosphere-target-atmosphere-missile in laser semi-active guidance experiment and the study of the characteristics of the laser atmospheric transmission and the target laser scattering，the laser energy transfer model is established from the laser target indicator to the target and from the target to the detector.The calculation and analysis of the received energy at the entrance pupil of the seeker are carried out by the theoretical calculation and the measured data of the external field experiment，which provides the basis for the external field laser guidance performance analysis，and has high practical value and economic value.

characteristics of laser atmospheric transmission；target reflection characteristics；laser energy

TN249

A

1672-9870（2017）01-0060-04

2016-12-19

華創(chuàng)錄（1976-），男，碩士，工程師，E-mail：bighua2004@126.com

王春艷（1971-），女，教授，E-mail：wcy@cust.edu.cn