非致命激光武器雨中傳輸衰減系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉 霞,單 寧,王治晶

(1.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048;2.武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院,陜西 西安 710086)

1 引 言

激光具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[1-6]。非致命激光武器與常規(guī)的傳統(tǒng)武器相比,具有速度快、精度高、無(wú)慣性、不怕電磁干擾、無(wú)放射性危害、殺傷性可控等特點(diǎn),且不會(huì)直接導(dǎo)致人員死亡、裝備毀滅和生態(tài)環(huán)境的破壞,在反恐處突領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景,其主要是通過(guò)發(fā)射固定功率的激光束來(lái)使人眩目、眩暈、暫時(shí)失明或產(chǎn)生疼痛感,從而失去抵抗能力。由于非致命激光武器屬于軟殺傷武器,不能對(duì)作用目標(biāo)造成永久損傷,故對(duì)激光能量控制要求極為嚴(yán)格[7-9]。但是,實(shí)際應(yīng)用中,激光在空氣中傳輸時(shí),空氣中的介質(zhì)如雨、霧和粉塵等均會(huì)引起激光能量的衰減[10-12]。當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí),激光能量衰減程度較大,將嚴(yán)重影響非致命激光武器的作戰(zhàn)效果,甚至達(dá)不到制止目標(biāo)的效果。因此,為了精確分析激光在雨中的衰減,更好地發(fā)揮非致命激光武器的實(shí)際作用效果,需研究激光在雨霧天氣中的衰減特性。針對(duì)此問(wèn)題,本文建立了激光在雨中傳輸?shù)乃p模型,分析研究了激光在雨中的透過(guò)率,搭建了激光在雨中傳輸?shù)乃p實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)研究了激光透過(guò)率與降雨強(qiáng)度和傳輸距離的關(guān)系。

2 激光雨中傳輸衰減模型

激光光束在雨中傳輸時(shí),一部分能量被雨滴散射偏離原來(lái)傳播方向,還有一部分能量會(huì)被雨滴吸收轉(zhuǎn)化為熱能,造成激光能量衰減,其衰減系數(shù)為:

(1)

式中,D為雨滴直徑；Qe為衰減效率因子,隨雨滴尺寸增大趨于恒值2；N(D)為雨滴譜分布,即雨滴形狀與尺寸大小的分布關(guān)系。

由于我國(guó)處于亞溫帶地區(qū),故可采用Weibull模型來(lái)描述N(D),有:

(2)

式中,D0為圓球形雨滴直徑；J為降雨強(qiáng)度(單位:mm/h)。

通常雨滴直徑在0.06～4 mm,此時(shí)雨滴尺寸較大,Qe可取值為2,則激光在不同降雨強(qiáng)度條件下的衰減系數(shù)可表示為:

β=0.365J0.63

(3)

由此可得近紅外區(qū)以及可見(jiàn)光波段的激光在雨中傳輸時(shí)的透過(guò)率為:

T=e-0.365J0.63L

(4)

式中,L為傳輸距離(單位km)。

將式(4)采用Matlab進(jìn)行仿真研究,激光在雨中傳輸時(shí)透過(guò)率與降雨強(qiáng)度和傳輸距離之間的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知,當(dāng)傳輸距離為110 m,降雨強(qiáng)度達(dá)到80 mm/h時(shí),激光透過(guò)率僅余50%,且隨著傳輸距離的增加,激光透過(guò)率明顯降低。在150 m距離上激光透過(guò)率約為40%；當(dāng)傳輸距離到達(dá)200 m時(shí),激光透過(guò)率僅為30%左右。由此可知,激光在雨中傳輸時(shí)其透過(guò)率在很大程度上取決于降雨強(qiáng)度和傳輸距離。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

激光在雨中傳輸會(huì)受到雨粒子的散射和吸收作用,因此在傳播方向上的能量就會(huì)受到衰減。為驗(yàn)證理論模型的正確性,也為非致命激光武器研制過(guò)程中嚴(yán)格控制激光能量衰減,確保其作戰(zhàn)效能達(dá)到最優(yōu),建立激光在雨中衰減實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。功率可調(diào)激光器通過(guò)USB轉(zhuǎn)換線(xiàn)與計(jì)算機(jī)相連,打開(kāi)激光功率控制軟件,調(diào)節(jié)激光器按給定功率發(fā)射出一束激光,經(jīng)多組激光全反射鏡反射后照射在激光功率計(jì)上,并實(shí)時(shí)顯示出照射過(guò)來(lái)的激光功率。在激光傳輸?shù)穆窂缴戏桨惭b一組水槍,通過(guò)調(diào)節(jié)水管流量大小模擬降雨情況,在降雨區(qū)放置一雨量傳感器實(shí)時(shí)感知降雨強(qiáng)度,其探測(cè)到的降雨強(qiáng)度值通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示。多組激光全反射鏡的作用主要是為了調(diào)節(jié)激光傳輸距離,如需增大傳輸距離可適當(dāng)增加反射鏡的數(shù)量。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理布置好實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖3所示。固定好激光器,安裝好激光全反射鏡,將激光功率計(jì)放置在激光光束傳播路徑上,因?yàn)榧す夤馐睆胶苄?所以設(shè)置功率計(jì)時(shí)要將功率計(jì)探頭剛好對(duì)準(zhǔn)激光束,確保能夠?qū)⒓す馐渴占?。連接激光功率計(jì)與激光探頭,啟動(dòng)功率計(jì)按下F鍵進(jìn)入菜單條對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,并做好記錄。

圖3 激光雨中傳輸衰減實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)中,采用DC50/150-532激光器,為Nd∶YAG倍頻激光器,功率可調(diào),輸出波長(zhǎng)為532 nm,產(chǎn)生連續(xù)型激光光束,激光器電流保持在19A,設(shè)置功率計(jì)待測(cè)激光波長(zhǎng)為532 nm、量程為0～1 W,同時(shí)應(yīng)帶好防護(hù)眼鏡避免損傷。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為室內(nèi)溫度22℃,將激光傳輸距離設(shè)置為20 m,調(diào)節(jié)水槍改變降雨強(qiáng)度大小,使降雨強(qiáng)度在5 mm/h到50 mm/h區(qū)間內(nèi)均勻變化,當(dāng)激光輸出功率為分別為10 mW、20 mW和40 mW時(shí),測(cè)得激光在雨中傳輸時(shí)降雨強(qiáng)度對(duì)激光透過(guò)率的影響趨勢(shì)如圖4所示。調(diào)節(jié)水槍使降雨強(qiáng)度為60 mm/h,設(shè)置一組全反射透鏡之間的距離為20 m,分別采用1到6組透鏡,則激光傳輸?shù)木嚯x為60 m到260 m,當(dāng)激光輸出功率為分別為10 mW、20 mW和40 mW時(shí),測(cè)得激光在雨中傳輸時(shí)距離對(duì)激光透過(guò)率的影響趨勢(shì)如圖5所示。

圖4 降雨強(qiáng)度對(duì)激光透過(guò)率的影響趨勢(shì)

圖5 傳輸距離對(duì)激光透過(guò)率的影響趨勢(shì)

5 結(jié) 論

非致命激光武器攻擊速度快,靈活性高,可以實(shí)現(xiàn)精確打擊,不會(huì)直接導(dǎo)致人員死亡、裝備毀滅和生態(tài)環(huán)境的破壞,在反恐處突領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。但是,激光傳輸時(shí)會(huì)受到雨霧等天氣環(huán)境影響,嚴(yán)重影響非致命激光武器的作戰(zhàn)效果。為了精確分析激光在雨中的衰減,提高非致命激光武器的實(shí)際應(yīng)用效果,本文建立了激光在雨中傳輸?shù)乃p模型,分析研究了激光在雨中的透過(guò)率,搭建了激光在雨中傳輸?shù)乃p實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)研究了激光透過(guò)率與降雨強(qiáng)度和傳輸距離的關(guān)系。由圖1、圖4和圖5可以看出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果結(jié)論吻合,說(shuō)明所建立的衰減模型基本符合實(shí)際情況；激光在雨中傳輸衰減很大程度上取決于降雨強(qiáng)度和傳輸距離,雨量越大,傳輸距離越遠(yuǎn),衰減越迅速,當(dāng)雨量為60 mm/h,激光傳輸200 m距離時(shí),透過(guò)率已不到40%,衰減非常嚴(yán)重；本文搭建的激光雨中傳輸衰減系統(tǒng)可以用于研究非致命激光武器雨中傳輸衰減,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,成本低,實(shí)現(xiàn)容易,具有一定的靈活性,易于擴(kuò)展功能。

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