海上激光斜程传输的大气透过率研究

海上激光斜程传输的大气透过率研究
第30卷第3期
2010年6月
应用激光
APPLIEDLAsER
V o1.30,No.3
June2o10
海上激光斜程传输的大气透过率研究*
.
刘延武.,王红星
(山东工商学院信息与电子工程学院,山东烟台264005;.海军航空212程学院电子信息工程系,山东烟台264001)
提要为了确定激光器的发射功率,研究了海上激光斜程传输的大气透过率.通过对海上激光大气衰减的分析,推导并计算
了1.O6m激光斜程传输的大气透过率,绘出了10.6m激光大气透过率与能见度及传输距离的关系图.最后得出了一些关
于1.O6m和10.6m激光海上斜程大气传输的数据和结论.这对激光武器的研究有一定参考价值.
关键词激光;大气透过率;大气衰减;激光武器
中图分类号:TN2文献标识码:Adoi:10.3788/AL20103003.0223 ResearchonLaserAtmosphericTransmittanceintheSlantPathontheSea
LiuY anwu.WangHongxing (SchoolofInformationandElectronicEngineering,ShandongInstituteofBusinessandTech nology,Y antai,
Shandong264005,China;.DepartmentofElectronicEngineering,NavalAeronauticaland AstronauticalUniversity,Y antai,Shandong264001,China) AbstractInordertOdeterminelasertransmitpower,laseratmospherictransmittanceinthesla
ntpathontheseaisre—
searched.First,laseratmosphericattenuationontheseawasanalyzed.Then1.O6"mlaseratm ospherictransmittanceformula intheslantpathwasapproximativelyconcluded.1.O6"mlaseratmospherictransmittanceon theseawascalculated.Andthen
10.6umlaseratmospherictransmittancecurvewasdescribed.Thecurveischangedbyvisibili tyandpropagationdistance.Fi—
nally,somedataandconclusionsabout1.06"mlaserand10.6/xmlaseratmosphericpropagati onintheslantpathonthesea
werepresented.Ithassomeextentreferencevalueforresearchonlaserweapon. Keywordslaser;atmospherictransmittance;atmosphericattenuation;laserweapon
O引言
激光武器以光速攻击目标的独特性能将使战场
发生革命性变化,它将是21世纪夺取制空权,制海权
和控制空间的重要新概念武器口].激光武器攻击反
舰导弹主要经历激光大气传输和激光与导弹的相互
作用两个阶段.其中激光大气透过率的计算显得尤
为重要.决定要发射多大的激光能量,为指挥机构提
供决策依据.因此,海上激光斜程传输大气透过率的
研究对舰载激光武器的研究具有重要的意义.
常用的大气透过率计算途径有两种],一是利
用LOWTRAN7,MoDTRAN和FASCODE等专
用软件进行精确计算;二是利用经验公式进行粗略
估算.虽然利用专用软件可以计算出较高精度的大
气透过率,但此类软件使用复杂,难以在红外系统仿
真软件中直接调用其计算结果.与之相比,采用经
验公式计算大气透过率具有使用简单,灵活且易于
编程实现的优点,更适合在自制仿真软件中使用.
本文通过分析海上激光大气传输的特性,推导并计
算激光海上斜程大气传输的大气透过率,得出一些
有益的数据和结论.
l海上激光斜程传输的大气衰减
激光大气传输产生的效应可分为两大类,第一
类是线性光学效应,包括大气折射,大气分子和大气
气溶胶的吸收与散射,大气湍流等,其效应的大小与
激光强度无关;第二类是非线性光学效应,主要有受
激拉曼(Raman)散射,热晕和大气击穿等,其效应的
大小与激光强度密切相关口"].
激光通过大气传输时由于气体分子和大气气溶
胶的吸收和散射作用所引起的能量损失称为大气衰
减.在线性光学范围内,光强(v,)随传输距离Z
基金项目:国家自然科学基金项目(项目编号:60773053);山东省教育厅科技计划项目(项目编号:J08LJ69)
收稿日期:2010—02-02
---——
223.——
的变化遵从着名的比尔(Beer)定律
_『(y,z)一Jo()exp[一(a+s)](1)
式中,.(v)为z一0参考面上光强,,S分别为
吸收系数和散射系数,其和(a+S)称为消光系数,
为频率.若有气溶胶粒子,式中还应加上气溶胶的
消光系数.大气分子对激光的吸收是由分子吸收光
谱特性决定的.
当功率为的激光在大气中传输时,因为吸
收和散射而衰减.由于吸收和散射对辐射衰减的相
对值都与通过的距离dx成正比,因此有
D
一一
Ea(a)-I-y()]dx一一()dx(2)
』
式中,a(z)是吸收系数;),()是散射系数;/1()
是衰减系数.
将上式积分得
P()一P柚exp[--/1()](3)
式中,P.是oZ"一0处辐射功率;P()是辐射在
大气中传输.32距离后的功率.
由此可得大气透过率
D/～,
r()一--expE--~(a)x]一()?r())
A0
式中,Z"a()和r()分别是大气吸收和散射所
产生的透过率.
大量实验表明大气透过率与波长有着密切关
系,这是因为大气对辐射的吸收和散射均与波长有关.激光在大气中传输时,存在透射率较高的波段, 称为大气窗口.其中可见光波段,1/,m附近,3～
5t*rn和8～12/~m是激光大气传输中常用的几个大气窗口.
为获得高能量的激光和最大限度地减小激光传
输的衰减,选择合适的激光波长尤为重要,1.O6m
激光和10.6g.m激光是目前激光器常用的.它们正好处于大气窗口范围,它们的透过率较其它波长要高.因此,主要分析计算1.06Fm激光和10.6tzm
激光海上斜程传输的大气透过率.
2海上激光斜程传输的大气透过率
2.1海上1.O6m激光斜程传输的大气透过率计算1.06tzITI激光的传输特性与多种因素有关,其
中包括温度,气压,水汽含量,能见度,气溶胶类型,
路径长度及仰角,高度等.理论和实验都表明:光辐
射的衰减因子主要是大气气溶胶的吸收和散射,诸如水汽,CO.等分子的吸收和大气分子的散射在大
多数的情况下仅占总衰减的1左右,完全可以忽
一
224一
略不计.大气气溶胶光学厚度取决于大气气溶胶粒子的尺度分布,复折射指数和浓度及其高度分布等物理特征.由于这些特征具有明显的时空变化,并
且难于现场测量,因而通常的做法是依据一些观测结果总结成一定的模型.常用的与地面有关的模型有如下几种:乡村气溶胶,城市气溶胶,海洋气溶胶
和沙漠气溶胶.对于1064nm波长的激光,斜程传
输的大气透过率可以用以下简单的公式进行计算[5 丁一exp{一see0?K/[1--exp(--0.835H)])(5)
该式适用于从海平面传输到高度H(或相反传
输)的情况.其中K为一常数,取决于大气气溶胶
类型,在海洋气溶胶中K一4.543km,VM为能见度, 0为天顶角.以水平传输距离5km和8km为例,计
算出了大气透过率,见表1和表2.
表11064nm激光的大气透过率(%)=5km
Tab.11064nmlaseratmospherictransmittance(%)x=5km 0.40
0.30
0.20
0.10
0.05
0.03
0.01
表21064nm激光的大气透过率(%)x=8kin
Tab.21064nmlaseratmospherictransmittance(%)x----8km 0.40
0.30
0.20
O.1O
0.05
O.O3
O.O1
2.2海上10.6肚m激光斜程传输的大气透过率曲线对10.6m激光波长来说,主要的衰减因子是
分子吸收和气溶胶衰减.在晴朗天气下.分子吸收3185863
●●●●●●●
8754333
5555555
528363O
●●●●●●●
9865444
4444444
O627O75
●●●●●●●
4219988
3332222
8642642
●●●●●●●9876555
}}l
9406443
●●●●●●●3332222
0OOO0O0
3849196
●■●●●●●2O97766
4433333
5172529
■●●●●●●2198776
3322222
OOOO8OO
9754764
●●●●●●●7654333
1l111l1
68141O9
●●●●●●●
7665554
OOOOO3O
6543322
●●●●●●●OOOOOOO
OOOOOOO
占优势.随着天气条件变坏,气溶胶衰减的贡献愈
来愈大.海上大气的大气消光系数与波长,能见度
等有关,海上大气的大气消光系数与波长的关系,远不如大气分子消光系数反比于照射光波长四次方的关系那么密切.在可见和红外波段,海上大气的大
气消光系数约比大气分子消光系数大2个数量级, 这表明海上大气消光系数主要是气溶胶消光系数的贡献,而大气分子消光系数的作用可以忽略.
大气中气溶胶的分布随着高度的增加,一般按
指数规律下降
N(H)一N(0)exp(一)(6)
式中,N(H)和～(O)分别表示H高度处和海
平面处的气溶胶数密度;H.是气溶胶标高,其数值
与能见度有关.
假设气溶胶微粒尺寸的分布不随高度变化,则
气溶胶衰减系数与其浓度成正比,其随高度变化有
如下关系
(H)一(0)exp(一)(7)
由式(6),(7)联合得
一
茜]鲁(8)
rG—
w_
~l--exp(--
exp(一)(9)
式中,r为激光在高度H处传输距离R时的透
过率;r为激光在海上水平方向传输距离R的大气
透过率;表示衰减系数.
通过编程计算,得到各种不同情况下激光的大
气透过率.10.6m激光大气透过率与能见度及传
输距离的关系如图1所示.
恃辘躁离,km
图110.6m激光的大气透过率与能见度及传输距离的关系Fig.1Atmospherictransmittancecurveof10.6"mwhich ischangedbyvisibilityandpropagationdistance
2.3结果分析
由表1,表2和图1分析可得:
(1)能见度一定时,随仰角的变化,大气透过率
的变化不太明显;
(2)仰角一定时,随能见度的变大,大气透过率
明显提高;
(3)当仰角和能见度不变时,随着传输距离的增
大,大气透过率显着下降;
(4)特别是当能见度较小时,激光透过率更低,
此时不适合使用激光武器对抗红外成像制导武器.
能见度较高的天气下,激光大气透过率高,激光
武器能发挥其优势.但是在能见度较低的天气下使
用激光武器时,为了发挥激光武器自身的优势,可以
通过缩短打击距离和提高激光器发射的能量等手段
实现.但是,高能量激光的大气传输会引起非线性
光学效应.目前,在解决非线性光学效应问题上已
经取得了很多成果].其中,利用光学相位共轭技
术可以补偿大气湍流,热晕等因素给激光传输造成
的波前畸变,使得激光大气传输更有实用价值.
3结论
通过分析海上激光大气传输的特性,研究了激光
海上斜程传输的大气透过率,得出一些有益的数据和
结论.随着激光武器技术难点的解决,必将导致作战
模式的变化.激光武器与舰载火力系统相辅相成,构
成一个先进的有机整体.在21世纪,激光武器必将
成为海军舰载防空武器系统的重要组成部分.
参考文献
Eli何友金,刘延武,陆斌,等.光电对抗EM].北京:海潮出版社,2000:154—179.
[2]魏山城,韩雪云.激光在大气中传输时吸收损耗的计算EJ].应用激光,2007,27(3):231—233.
[3]吕百达.强激光的传输与控制EM].北京:国防工业出版社,1999:236～273.
[4]孙晓泉,吕跃广.激光对抗原理与技术[M].北京:解放
军出版社,2000:7-93.
[5]宋正方.1.o6m激光的斜程大气衰减I-J].激光技术, 1997,21(6):343—345.
[6]武琳,应家驹,耿彪.大气湍流对激光传输的影响[J].激光与红外,2008,58(10):974977.
E7]ROBERTMeneghini,TOSHIOIguchi.Ground-to—space opticalpowertransferI-J].SHE,1999,2120:108—117. [8]任国光.高能激光武器的现状与发展趋势[J].激光与光电子学进展,2008,45(9):62—68.
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