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1、激光探测作用距离的大气气溶胶影响数值仿真摘要：大气气溶胶的吸收和散射是影响激光武器系统性能的重要因素之一。为定量评估大气气溶胶对1.06m激光制导波段的影响，采用大气辐射传输模型对其影响进行数值仿真计算，实现了对其影响评估的数字化。为了进一步提高大气影响评估的直观性，设计了考虑大气透过特性的激光制导波段探测作用距离计算模型，并进行激光探测作用距离的大气气溶胶影响数值仿真。仿真结果表明，大气透过特性数值仿真的准确度基本吻合国际公认理论分析值，可为激光制导波段大气影响的实验室仿真和验证提供理论依据。 关键词： 激光；大气透过特性；探测作用距离；数值仿真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 引言在激光制导武器使用中，影响其导引头探测作用距离的主要因素之一是大气衰减1。当激光束往返通过大气时，来自大气的烟、尘埃、盐粒、水滴等微粒对激光束产生散射、吸收等，使能量减弱。减弱的程度除与波长有关外,主要与当时的气象状态有关。激光在大气中的传输特性通常用大气透过率来表述。以往研究中，激光制导波段大气透过特性研究基本上应用既定统计标准值。而实际大气与标准大气在时空尺度上具有一定差异，且其动态和静态物理特性对武器系统性能及作战效能是具有明显影响的。近年来的局部战争表明，不
6、良天气条件下，大气中的微小颗粒可使采用可见光及近红外制导方式的制导武器作用距离降低20%70%。而对波长较长的中远红外制导方式，则可使其作用距离下降60%70%。由此可见，武器系统设计和作战使用中正确认识和应用大气是当前所必需考虑的重要问题2-3。而国内学者在激光制导武器的大气定量影响评估方面的研究还不多见。本文采用了大气辐射传输模型，就1.06m激光制导波段的大气气溶胶影响传输特性进行了数值计算研究，实现对其影响评估的数字化。在此基础上，为了进一步提高大气影响评估的直观性，设计了考虑大气透过特性的激光制导波段探测作用距离计算模型，并进行激光探测作用距离的大气气溶胶影响数值仿真，最后对仿真结果
7、进行了分析。与传统方法的研究相比，文中着眼点主要是综合利用了大气辐射传输模型和激光制导波段探测作用距离模型，成功地将大气气溶胶数值仿真结果应用到激光制导波段探测作用距离仿真预测研究中。研究结果对于优化武器系统设计、提高武器系统环境适应性能及其作战能力，都是非常必要的4-5。2激光在大气中的传输计算激光在大气中的传输规律可根据beer-lambert定理表示，即 （1）式中：为任意点处的激光强度；为初始位置的激光强度；为大气环境对激光的衰减系数；为激光在大气中的传输距离。由此可见，确定出大气环境对激光的衰减系数就能进一步计算出激光在传输一段距离后的强度，从而确定激光的最大传输距离。目前，研究激光
8、大气辐射传输的方法主要分三种：计算机模拟仿真，实验室模拟计算以及实地测量分析，最后一种成本太高且不易操作，因此前两者是比较常用的分析激光大气传输的方法。计算机模拟仿真主要是利用大气辐射传输模型进行计算，目前常用的几种模型有LOWTRAN、MODTRAN、FASCODE等。考虑到本文主要利用MODTRAN模型进行特征研究，在此主要将其原理作一介绍。MODTRAN模型主要用于计算大气透过率、辐亮度和大气背景辐射6。模型中包括了1976年美国标准大气作为高度函数的温度，压力密度以及水汽，臭氧，甲烷，一氧化碳和一氧化二氮等30多种气体混合比的六种参考模型大气，还包括具有代表性的大气，气溶胶，云雨等模型
9、，并且用户还能建立接口，将实测资料输入模型进行计算。模型光谱分辨率为2cm-1，可计算波段 0cm1到50000cm1。在计算透过率上，MODTRAN利用3个与温度有关的参数：吸收系数、线密度和平间隔内和间隔外的邻近谱线进行分别建模。间隔内的谱线采用Voigt线型积分得到。采用Curtis -Godson近似将多层的分层路径近似为等价的均匀路径。由于MODTRAN的1-1分辨率可提供同样的光谱精度，故采用Voigt线形和线参数对温度和压力的显式表达，从而可以更好地适用于完全处于30km高度以上的路径。但对于高度大于60km以上的路径，由于许多分子开始处于非局地热力平衡状态，因此模型不再适用。模
10、型计算中需输入所计算区域的地理经纬度、海拔高度、太阳天顶角、方位角、地球半径和所求波谱段范围等。另外，由于还需考虑到辐射流方向上的单次或多次散射，可根据不同计算需求，对几何路径进行选择。目前路径选择主要水平、斜程和斜程至空间三种。水平路径上压强不变，需输入起始高度和路径。斜程路径上压强是变化的，输入的参数为起始和终止高度以及天顶角的数值，或者起始高度，天顶角和斜程传输距离，或起始和终止高度和斜程传输距离。斜程至空间路径上主要是输入起始的高度和天顶角的大小。实验室模拟计算主要是在实验室当中进行人造云雾烟等，模拟室外的气象条件，然后测量激光在通过不同的条件时的衰减情况，掌握激光的传输规律。鉴于本文
11、主要是针对计算机模拟仿真开展激光大气传输特征分析，因此对实验室模拟不作过多介绍。3大气气溶胶对激光大气透过特性的影响目标与大气环境的光学特性是激光制导武器导引头探测器设计、仿真及试验的重要光学参考量。鉴于激光制导工作波段主要是1.06m，而已有研究表明7，1.06m 波段大气辐射衰减主要是大气气溶胶的吸收和散射。因此，文中利用MODTRAN大气辐射传输模型，主要针对气溶胶影响下的1.06m波段的激光大气透过特性进行了计算分析8。由于对具有明显时空特征的气溶胶粒子尺度、复折射指数、浓度及其高度分布等物理特征难于现场测量，因此，通常都是以依据试验观测结果总结而成的各类特征模型，如乡村气溶胶、城市气
12、溶胶、海洋气溶胶等来描述其影响的，因此，文中的计算分析就主要针对23km乡村、23km海洋、5km城市和5km乡村四类气溶胶类型进行。计算中设定传输路径为斜程，目标物位于地面，天顶角为55度，传输距离为5km，且不考虑云雨影响。图1分别给出了热带大气、中纬度夏季和冬季大气、亚北极夏季和冬季大气，以及标准大气不同气溶胶类型下，1.06m波段大气透过率演变。图1 六类大气条件，不同气溶胶类型下1.06m的激光大气透过率演变可以看到，不同季节和纬度大气，相同气溶胶类型条件下，1.06m波段大气透过率随着纬度和季节的变化并不明显，从热带到中纬度再到亚北极地区，从夏季到冬季，大气透过率只有很小变化。这说
13、明虽然不同季节和纬度会造成大气透过率的不同，但影响并不明显。在此基础上，以中纬度夏季大气为例，通过分析不同气溶胶类型下激光大气的透过特性可以知道，气象视距一致的不同气溶胶类型中，1.06m波段的大气透过率只有较小变化，如23km乡村和海洋气溶胶类型下，大气透过率分别为0.83和0.75，仅改变了8%左右；而5km乡村和城市气溶胶类型下，大气透过率则分别为0.45和0.41，也仅改变了5%左右。而同一大气种，23km和5km乡村气溶胶类型下，大气透过率从0.81下降到0.54左右，改变了约35%左右。由此可以说，即使气溶胶类型不同，但只要其造成的气象视距一致，1.06m波段的大气透过特性差异并不
14、明显。但即使是同一气溶胶类型，只要其造成的气象视距存在明显差异，那么该波段大气透过特性就存在明显不同。为分析不同高度层上气溶胶对激光透过特性的影响，仍以中纬度夏季大气为例，图2给出了23km乡村气溶胶类型下，不同高度（以天顶角来描述），不同传输距离中的激光大气透过特性演变。可以看出，不同高度气溶胶含量的不同对激光大气透过特性的影响主要体现在两方面，一是当角度一定，即高度一定时，激光大气透过率随着传输距离的增加而减小，且随着角度的加大，即高度的越低而减小的更明显。二是当传输相同距离时，天顶角越大，即高度越低时，激光大气透过率越小。图2 不同高度层上1.06m的激光大气透过特性4激光制导波段探测作
15、用距离模型激光制导武器发动攻击的时候,飞机上发射激光指示信号，照射在被攻击的目标物上，经过目标物S的漫反射向四周传播，距离R处的激光导引头接收到经过目标物漫反射后的激光指示信号，以跟踪被攻击目标9-10。从目标到导引头之间的路径透过率为。设激光器发射功率为P，目标距离为R，激光束在目标处的光束截面积为，目标被照表面与光束截面夹角为，则该表面的照度为 （2）设目标表面的反射率为，则它被照射的单位面积所反射的光功率为 (3)接收物镜入瞳面积对目标被照面积中心所张立体角为，假定目标能均匀地漫反射，则它每单位面积向单位立体角内反射的功率为，考虑到发射和接收光学系统的透过率，大气透过率为，则接收到的激光
16、回波功率为 (4)式中，S是被照射且视场内的目标面积如果激光束完全照射在目标上，则 (5)而此时，故有 (6)因为最大探测距离与系统可探测的最小功率对应，故 (7)若激光束有一部分射到目标之外，则，此时可由激光束的发散角表示。若平面发散角对应的立体角为，则， (8)可见，当激光束全部投射到目标表面时，最大可测距离取决于目标的反射率，激光器发射的功率，接收物入瞳面积，大气和光学系统的透射率以及系统的最小可探测功率。而当激光束并非完全投射到目标表面时，系统的最大可测距离除了与上述因素有关之外，还与目标被光束照射的面积，光束投射角以及激光器输出光束的发散度密切相关。若定义“目标截面”为。式中是自目标
17、反射的激光束发散立体角，则在光束有部分照射在目标之外时，对漫反射目标有。此时最大探测距离的计算公式可写为 （9）5大气气溶胶对激光制导波段探测作用距离的影响利用激光制导波段探测作用距离模型，以及之前计算得到的不同大气，不同气溶胶类型下的1.06m波段的大气透过率，本节主要进行了大气气溶胶影响下的激光制导波段探测作用距离数值预测分析。计算中由于重点考虑大气气溶胶对透过特性的影响，因此，其余相关参数均取为缺省值，即，。表1给出了不同大气，不同气溶胶类型下的1.06m波段的大气透过特性下的探测作用距离数值预测。可以看出，中纬度夏季大气与冬季大气、亚北极夏季大气相比，23km乡村气溶胶类型下的探测作用
18、距离随季节变化为3.6%，随纬度变化为2.4%，而23km海洋、5Km城市和5km乡村气溶胶类型下的作用距离随季节变化则分别为9.9%、12.5%和8.6%。这表明，气象视距一致的同一气溶胶类型下，该波段探测作用距离随大气季节和纬度的变化并不十分显著。但气象视距不一致的同一气溶胶类型下，该波段的探测作用距离则均出现较大变化。以23km和5km的乡村气溶胶为例分析发现，五种大气中该波段探测作用距离的变化分别为61.7%、57.8%、55.8%、57.6%和55.9%，探测作用距离的降幅还是十分显著的。由此进一步证实，能见度是造成1.06m激光大气透过特性变化的主要气象条件，大气透过率的变化则直接
19、影响到其探测作用距离，从而影响到其作战效能。表1 五种大气不同气溶胶类型下，1.06m波段的探测作用距离（单位:km）23km乡村23km海洋5km城市5km乡村热带大气8.173.33.4中纬度夏季大气8.37.13.23.5中纬度冬季大气8.67.83.63.8亚北极夏季大气8.57.73.53.6亚北极冬季大气8.47.73.53.7表2则是最佳发射角度，即天顶角55度时，不同气溶胶类型下1.06m波段的探测作用距离随能见度的演变。与之前分析的基本一致，即该波段探测作用距离随能见度的变化趋势与大气透过率的基本一致。随着能见度的恶化，其作用距离逐渐减小，当能见度达到2km时，作用距离仅为1
20、km左右。此外，不同气溶胶类型下该波段的探测作用距离表现为乡村的好于城市的，城市的好于海洋的，且均是冬季的好于夏季的。表2 不同气溶胶类型下，1.06m波段的探测作用距离随能见度的演变（单位:km）8765432冬季乡村5.44.94.53.82.92.21.3夏季乡村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 结论目前,世界各国都在积极开展大气环境对精确制导武器的影响研究,尤其是美国和俄罗斯开始较早,技术比较领先,研究领域也较广泛。鉴于大气环境影响数值仿真在武器控制系统设计、制导系统仿真、武器总体设
21、计及任务规划系统的研制过程中，具有非常重要的使用价值，而且对武器系统的使用、评估等方面也具有非常重要的应用价值。因此。我们有必要加紧这方面的研究,这对提高我军现代化高精尖制导武器的制导精度和作战效能具有不可估量的意义。本文在分析不同大气、各类气溶胶类型下1.06m波段的激光大气透过特性基础上，开展了该波段激光探测作用距离的大气气溶胶影响的数值预测研究，初步得到如下结论：1）大气气溶胶对1.06m波段的激光传输影响明显。不同类型气溶胶条件下，其透过率是乡村大于城市，城市大于海洋；而同一类型气溶胶条件下，大气透过率则随着能见度的降低而减小，且在水平能见度小于10km时，大气透过率的降幅比较明显。2
22、）基于不同大气、各类气溶胶类型下1.06m波段的激光大气透过特性，利用激光制导武器探测作用距离模型，定量地解算分析了激光制导武器探测作用距离的大气气溶胶影响，计算方法和分析结果对于激光制导武器大气环境影响论证和试验训练分析评估等有重要参考意义。参考文献：1 陈前荣, 王国玉, 陈永光等. 激光制导武器探测作用距离影响因素分析评估 J. 电子对抗, 2007, 6: 3440.2 肖业伦, 金长江. 大气扰动中的飞行原理 M. 北京: 国防工业出版社, 1993.3 徐明友, 丁松滨. 飞行动力学 M. 北京: 科学出版社, 2003.4 王恒霖, 曹建国, 等. 仿真系统的设计与应用 M. 北
23、京: 科学出版社, 2003.5 刘卫华, 王行仁, 李宁. 综合自然环境建模与仿真 J. 系统仿真学报, 2004, 16(12): 2631-2635.6 Berk A., Bernstein L. S., Robertson D. C., MODTRAN: a moderate resolution model for LOWTRAN 7, Air Force Geophysics Laboratory, Hanscom AFB, MA 01731-5000, 19897 杨洋, 赵远, 等. 1.06m激光的大气传输特性 J. 红外与激光工程, 1999, 28(1).8 吴北婴等. 大气辐射传输实用算法M. 北京: 气象出版社, 1998.9 陈前荣，王国玉，陈永光, 等. 激光制导武器探测作用距离影响因素分析评估J. 电子对抗, 2007, 6.10 汪浩升，李东文. 激光制导航空炸弹攻击区仿真计算 J. 火力与指挥控制，1997, 3.
