1、激光探測作用距離的大氣氣溶膠影響數值仿真摘要：大氣氣溶膠的吸收和散射是影響激光武器系統性能的重要因素之一。為定量評估大氣氣溶膠對1.06m激光制導波段的影響，采用大氣輻射傳輸模型對其影響進行數值仿真計算，實現了對其影響評估的數字化。為了進一步提高大氣影響評估的直觀性，設計了考慮大氣透過特性的激光制導波段探測作用距離計算模型，并進行激光探測作用距離的大氣氣溶膠影響數值仿真。仿真結果表明，大氣透過特性數值仿真的準確度基本吻合國際公認理論分析值，可為激光制導波段大氣影響的實驗室仿真和驗證提供理論依據。 關鍵詞： 激光；大氣透過特性；探測作用距離；數值仿真simulation research on

2、the detection range of laser due to atmospheric circumstanceabstract：the absorption and scattering of aerosol are the key factures to the system performance of laser weapon. in order to make clear the influence of the aerosol on the laser (1.0 6m) sensors ability, the model of radiative transfer in

3、the atmosphere is applied to the numerical analisis. moreover, according to the the analysis of the laser (10. 6m) transmission characteristics of the aerosol, the model for detecting range of laser is designed which may predict the detection performance rangen for laser sensors ability to detect a

4、target. the results show that there are very good agreements between the transmittance analyzed in the theroy and calculated by the model. it is significant for t he laser-guided weapons to improve t he precision and the adaptation of environment.keywords：laser; transmission characteristics of the a

5、tmosphere; detection performance range; computing simulation 1 引言在激光制導武器使用中，影響其導引頭探測作用距離的主要因素之一是大氣衰減1。當激光束往返通過大氣時，來自大氣的煙、塵埃、鹽粒、水滴等微粒對激光束產生散射、吸收等，使能量減弱。減弱的程度除與波長有關外,主要與當時的氣象狀態有關。激光在大氣中的傳輸特性通常用大氣透過率來表述。以往研究中，激光制導波段大氣透過特性研究基本上應用既定統計標準值。而實際大氣與標準大氣在時空尺度上具有一定差異，且其動態和靜態物理特性對武器系統性能及作戰效能是具有明顯影響的。近年來的局部戰爭表明，不

6、良天氣條件下，大氣中的微小顆?？墒共捎每梢姽饧敖t外制導方式的制導武器作用距離降低20%70%。而對波長較長的中遠紅外制導方式，則可使其作用距離下降60%70%。由此可見，武器系統設計和作戰使用中正確認識和應用大氣是當前所必需考慮的重要問題2-3。而國內學者在激光制導武器的大氣定量影響評估方面的研究還不多見。本文采用了大氣輻射傳輸模型，就1.06m激光制導波段的大氣氣溶膠影響傳輸特性進行了數值計算研究，實現對其影響評估的數字化。在此基礎上，為了進一步提高大氣影響評估的直觀性，設計了考慮大氣透過特性的激光制導波段探測作用距離計算模型，并進行激光探測作用距離的大氣氣溶膠影響數值仿真，最后對仿真結果

7、進行了分析。與傳統方法的研究相比，文中著眼點主要是綜合利用了大氣輻射傳輸模型和激光制導波段探測作用距離模型，成功地將大氣氣溶膠數值仿真結果應用到激光制導波段探測作用距離仿真預測研究中。研究結果對于優化武器系統設計、提高武器系統環境適應性能及其作戰能力，都是非常必要的4-5。2激光在大氣中的傳輸計算激光在大氣中的傳輸規律可根據beer-lambert定理表示，即 （1）式中：為任意點處的激光強度；為初始位置的激光強度；為大氣環境對激光的衰減系數；為激光在大氣中的傳輸距離。由此可見，確定出大氣環境對激光的衰減系數就能進一步計算出激光在傳輸一段距離后的強度，從而確定激光的最大傳輸距離。目前，研究激光

8、大氣輻射傳輸的方法主要分三種：計算機模擬仿真，實驗室模擬計算以及實地測量分析，最后一種成本太高且不易操作，因此前兩者是比較常用的分析激光大氣傳輸的方法。計算機模擬仿真主要是利用大氣輻射傳輸模型進行計算，目前常用的幾種模型有lowtran、modtran、fascode等。考慮到本文主要利用modtran模型進行特征研究，在此主要將其原理作一介紹。modtran模型主要用于計算大氣透過率、輻亮度和大氣背景輻射6。模型中包括了1976年美國標準大氣作為高度函數的溫度，壓力密度以及水汽，臭氧，甲烷，一氧化碳和一氧化二氮等30多種氣體混合比的六種參考模型大氣，還包括具有代表性的大氣，氣溶膠，云雨等模型

9、，并且用戶還能建立接口，將實測資料輸入模型進行計算。模型光譜分辨率為2cm-1，可計算波段 0cm1到50000cm1。在計算透過率上，modtran利用3個與溫度有關的參數：吸收系數、線密度和平間隔內和間隔外的鄰近譜線進行分別建模。間隔內的譜線采用voigt線型積分得到。采用curtis -godson近似將多層的分層路徑近似為等價的均勻路徑。由于modtran的1-1分辨率可提供同樣的光譜精度，故采用voigt線形和線參數對溫度和壓力的顯式表達，從而可以更好地適用于完全處于30km高度以上的路徑。但對于高度大于60km以上的路徑，由于許多分子開始處于非局地熱力平衡狀態，因此模型不再適用。模

10、型計算中需輸入所計算區域的地理經緯度、海拔高度、太陽天頂角、方位角、地球半徑和所求波譜段范圍等。另外，由于還需考慮到輻射流方向上的單次或多次散射，可根據不同計算需求，對幾何路徑進行選擇。目前路徑選擇主要水平、斜程和斜程至空間三種。水平路徑上壓強不變，需輸入起始高度和路徑。斜程路徑上壓強是變化的，輸入的參數為起始和終止高度以及天頂角的數值，或者起始高度，天頂角和斜程傳輸距離，或起始和終止高度和斜程傳輸距離。斜程至空間路徑上主要是輸入起始的高度和天頂角的大小。實驗室模擬計算主要是在實驗室當中進行人造云霧煙等，模擬室外的氣象條件，然后測量激光在通過不同的條件時的衰減情況，掌握激光的傳輸規律。鑒于本文

11、主要是針對計算機模擬仿真開展激光大氣傳輸特征分析，因此對實驗室模擬不作過多介紹。3大氣氣溶膠對激光大氣透過特性的影響目標與大氣環境的光學特性是激光制導武器導引頭探測器設計、仿真及試驗的重要光學參考量。鑒于激光制導工作波段主要是1.06m，而已有研究表明7，1.06m 波段大氣輻射衰減主要是大氣氣溶膠的吸收和散射。因此，文中利用modtran大氣輻射傳輸模型，主要針對氣溶膠影響下的1.06m波段的激光大氣透過特性進行了計算分析8。由于對具有明顯時空特征的氣溶膠粒子尺度、復折射指數、濃度及其高度分布等物理特征難于現場測量，因此，通常都是以依據試驗觀測結果總結而成的各類特征模型，如鄉村氣溶膠、城市氣

12、溶膠、海洋氣溶膠等來描述其影響的，因此，文中的計算分析就主要針對23km鄉村、23km海洋、5km城市和5km鄉村四類氣溶膠類型進行。計算中設定傳輸路徑為斜程，目標物位于地面，天頂角為55度，傳輸距離為5km，且不考慮云雨影響。圖1分別給出了熱帶大氣、中緯度夏季和冬季大氣、亞北極夏季和冬季大氣，以及標準大氣不同氣溶膠類型下，1.06m波段大氣透過率演變。圖1 六類大氣條件，不同氣溶膠類型下1.06m的激光大氣透過率演變可以看到，不同季節和緯度大氣，相同氣溶膠類型條件下，1.06m波段大氣透過率隨著緯度和季節的變化并不明顯，從熱帶到中緯度再到亞北極地區，從夏季到冬季，大氣透過率只有很小變化。這說

13、明雖然不同季節和緯度會造成大氣透過率的不同，但影響并不明顯。在此基礎上，以中緯度夏季大氣為例，通過分析不同氣溶膠類型下激光大氣的透過特性可以知道，氣象視距一致的不同氣溶膠類型中，1.06m波段的大氣透過率只有較小變化，如23km鄉村和海洋氣溶膠類型下，大氣透過率分別為0.83和0.75，僅改變了8%左右；而5km鄉村和城市氣溶膠類型下，大氣透過率則分別為0.45和0.41，也僅改變了5%左右。而同一大氣種，23km和5km鄉村氣溶膠類型下，大氣透過率從0.81下降到0.54左右，改變了約35%左右。由此可以說，即使氣溶膠類型不同，但只要其造成的氣象視距一致，1.06m波段的大氣透過特性差異并不

14、明顯。但即使是同一氣溶膠類型，只要其造成的氣象視距存在明顯差異，那么該波段大氣透過特性就存在明顯不同。為分析不同高度層上氣溶膠對激光透過特性的影響，仍以中緯度夏季大氣為例，圖2給出了23km鄉村氣溶膠類型下，不同高度（以天頂角來描述），不同傳輸距離中的激光大氣透過特性演變?？梢钥闯觯煌叨葰馊苣z含量的不同對激光大氣透過特性的影響主要體現在兩方面，一是當角度一定，即高度一定時，激光大氣透過率隨著傳輸距離的增加而減小，且隨著角度的加大，即高度的越低而減小的更明顯。二是當傳輸相同距離時，天頂角越大，即高度越低時，激光大氣透過率越小。圖2 不同高度層上1.06m的激光大氣透過特性4激光制導波段探測作

15、用距離模型激光制導武器發動攻擊的時候,飛機上發射激光指示信號，照射在被攻擊的目標物上，經過目標物s的漫反射向四周傳播，距離r處的激光導引頭接收到經過目標物漫反射后的激光指示信號，以跟蹤被攻擊目標9-10。從目標到導引頭之間的路徑透過率為。設激光器發射功率為p，目標距離為r，激光束在目標處的光束截面積為，目標被照表面與光束截面夾角為，則該表面的照度為 （2）設目標表面的反射率為，則它被照射的單位面積所反射的光功率為 (3)接收物鏡入瞳面積對目標被照面積中心所張立體角為，假定目標能均勻地漫反射，則它每單位面積向單位立體角內反射的功率為，考慮到發射和接收光學系統的透過率，大氣透過率為，則接收到的激光

16、回波功率為 (4)式中，s是被照射且視場內的目標面積如果激光束完全照射在目標上，則 (5)而此時，故有 (6)因為最大探測距離與系統可探測的最小功率對應，故 (7)若激光束有一部分射到目標之外，則，此時可由激光束的發散角表示。若平面發散角對應的立體角為，則， (8)可見，當激光束全部投射到目標表面時，最大可測距離取決于目標的反射率，激光器發射的功率，接收物入瞳面積，大氣和光學系統的透射率以及系統的最小可探測功率。而當激光束并非完全投射到目標表面時，系統的最大可測距離除了與上述因素有關之外，還與目標被光束照射的面積，光束投射角以及激光器輸出光束的發散度密切相關。若定義“目標截面”為。式中是自目標

17、反射的激光束發散立體角，則在光束有部分照射在目標之外時，對漫反射目標有。此時最大探測距離的計算公式可寫為 （9）5大氣氣溶膠對激光制導波段探測作用距離的影響利用激光制導波段探測作用距離模型，以及之前計算得到的不同大氣，不同氣溶膠類型下的1.06m波段的大氣透過率，本節主要進行了大氣氣溶膠影響下的激光制導波段探測作用距離數值預測分析。計算中由于重點考慮大氣氣溶膠對透過特性的影響，因此，其余相關參數均取為缺省值，即，。表1給出了不同大氣，不同氣溶膠類型下的1.06m波段的大氣透過特性下的探測作用距離數值預測?？梢钥闯?，中緯度夏季大氣與冬季大氣、亞北極夏季大氣相比，23km鄉村氣溶膠類型下的探測作用

18、距離隨季節變化為3.6%，隨緯度變化為2.4%，而23km海洋、5km城市和5km鄉村氣溶膠類型下的作用距離隨季節變化則分別為9.9%、12.5%和8.6%。這表明，氣象視距一致的同一氣溶膠類型下，該波段探測作用距離隨大氣季節和緯度的變化并不十分顯著。但氣象視距不一致的同一氣溶膠類型下，該波段的探測作用距離則均出現較大變化。以23km和5km的鄉村氣溶膠為例分析發現，五種大氣中該波段探測作用距離的變化分別為61.7%、57.8%、55.8%、57.6%和55.9%，探測作用距離的降幅還是十分顯著的。由此進一步證實，能見度是造成1.06m激光大氣透過特性變化的主要氣象條件，大氣透過率的變化則直接

19、影響到其探測作用距離，從而影響到其作戰效能。表1 五種大氣不同氣溶膠類型下，1.06m波段的探測作用距離（單位:km）23km鄉村23km海洋5km城市5km鄉村熱帶大氣8.173.33.4中緯度夏季大氣8.37.13.23.5中緯度冬季大氣8.67.83.63.8亞北極夏季大氣8.57.73.53.6亞北極冬季大氣8.47.73.53.7表2則是最佳發射角度，即天頂角55度時，不同氣溶膠類型下1.06m波段的探測作用距離隨能見度的演變。與之前分析的基本一致，即該波段探測作用距離隨能見度的變化趨勢與大氣透過率的基本一致。隨著能見度的惡化，其作用距離逐漸減小，當能見度達到2km時，作用距離僅為1

20、km左右。此外，不同氣溶膠類型下該波段的探測作用距離表現為鄉村的好于城市的，城市的好于海洋的，且均是冬季的好于夏季的。表2 不同氣溶膠類型下，1.06m波段的探測作用距離隨能見度的演變（單位:km）8765432冬季鄉村5.44.94.53.82.92.21.3夏季鄉村5.14.64.13.52.71.91.2夏季城市4.74.33.83.22.41.81.1海洋3.32.92.421.71.20.75 結論目前,世界各國都在積極開展大氣環境對精確制導武器的影響研究,尤其是美國和俄羅斯開始較早,技術比較領先,研究領域也較廣泛。鑒于大氣環境影響數值仿真在武器控制系統設計、制導系統仿真、武器總體設

21、計及任務規劃系統的研制過程中，具有非常重要的使用價值，而且對武器系統的使用、評估等方面也具有非常重要的應用價值。因此。我們有必要加緊這方面的研究,這對提高我軍現代化高精尖制導武器的制導精度和作戰效能具有不可估量的意義。本文在分析不同大氣、各類氣溶膠類型下1.06m波段的激光大氣透過特性基礎上，開展了該波段激光探測作用距離的大氣氣溶膠影響的數值預測研究，初步得到如下結論：1）大氣氣溶膠對1.06m波段的激光傳輸影響明顯。不同類型氣溶膠條件下，其透過率是鄉村大于城市，城市大于海洋；而同一類型氣溶膠條件下，大氣透過率則隨著能見度的降低而減小，且在水平能見度小于10km時，大氣透過率的降幅比較明顯。2）基于不同大氣、各類氣溶膠類型下1.06m波段的激光大氣