舰载激光武器系统建模与仿真技术_栾胜利

毁伤阈值
（13）
当目标吸收的激光能量密度大于毁伤阈值，即 E > E0 ，认为目标被击毁。在进行目标毁伤效果判断 仿真时，还应考虑作战的天气环境和目标运动特性的 影响，对式（9）进行改进；激光光斑照射在目标上的 面积跟目标形状，激光入射角有关。
程，考虑目标机动及扰动，我舰艇航行平动、舰艏摆
动、纵横摇摆运动及升沉运动，激光炮运动等带来的
跟瞄误差，输出激光炮指向角和瞄准误差。该模型可
参考以往的舰炮火控模型，这里不再叙述。
1.2 激光能量在海上大气传输仿真模型
1.2.1 激光光束初始参数
初始激光功率密度 P0 的计算公式如下：
P0 = P0* K s
真主要考虑发射瞄准精度，初始激光功率密度，经大
气传输后到达目标的激光功率密度，可分为舰载激光
武器火控分系统及激光炮仿真、光学补偿仿真、能量
传输仿真和毁伤效果仿真几个模块，本文重点介绍能
量传输射流仿真和毁伤效果仿真模型。
1.1 火控分系统及激光炮仿真模型
火控分系统及激光炮仿真主要模拟火控系统完成
目标分配、数据解算和控制舰载激光炮瞄准射击的过
高能强激光武器作为一种新概念武器，由于其反 应迅速、火力转移快、抗饱和能力强、精度高、效费 比高和抗电磁波干扰等诸多优点，受到各国的重视。 20 世纪 80 年代以来，美英等发达国家研制了多种战 术激光反导武器，并进行了一系列试验，掌握了相当 成熟的技术。我国在高能强激光武器方面，通过多年 技术发展和积累，已经具备了研制激光武器的一定能 力，但舰载激光武器系统的总体设计和激光武器火控 技术还处于起步阶段，因此需要积极开展舰载激光武 器系统仿真建模技术研究，为舰载激光武器系统、激 光火控系统和新型舰船防空反导火控系统的方案论 证、关键技术演示验证和系统设计开发提供技术支持。
舰载激光武器主要是应用于现有舰载舰炮防御系 统中[1]，对掠海飞行的超高音速高机动反舰导弹、巡 航导弹、反辐射导弹和无人机等目标，进行硬打击和 软破坏等，协同完成舰艇及其编队近程防空反导的任 务。舰载激光武器系统由激光炮和火控分系统组成， 其主要功能包括：信息接收，跟踪处理，跟踪控制， 激光器产生高能激光、光束质量控制、光束聚焦发射 控制，威胁判断、毁伤效果评估，人机交互、系统状 态显示、辅助指挥决策。激光武器以光束输送强辐射
−
x2
⎩
0
, d t <| r1 − r2 | , | r1 − r2 |< d t < m ax(r1 , r2 )
, m ax(r1 , r2 ) < d < r1 + r2 , r1 + r2 < d
（12）
其中，
x
=
1 2
(dt
+
(r12
−
r22 ) /
dt ) 。
外制导；毁伤阈值经验数数组
相关。
1）海上大气透过率
当功率为 Pλ 的激光在大气中传输时，由于吸收和 散射引起的辐射衰减的相对值都与通过的距离 dR 成
正比，则
dPλ / Pλ = - µ(λ)dR
（3）
式中，µ(λ) 为衰减系数，包括吸收系数和散射系
rc
=
⎡ λ2 cosε ⎤3/5
0.185
⎢ ⎢⎣
∫0R
Cn2
wenku.baidu.com
(h)dh
⎥ ⎥⎦
流折射率的结构常数 Cn2 (h) 的大小，代表了不同高度 h ，相距单位距离的两点之间的平均大气湍流的强弱
其中， β 为光束质量因子，λ 为激光波长， D 为 （量纲 m-2/3 ）。
发射镜出口直径；以 θ理想 为角半径的中央亮斑半径内 光强占总强度的 84%，称为衍射极限角。
相干距离 rc 是指激光通过大气传输时，其横截面 上两点间相位保持相干的最长距离。暂不考虑热晕影
数，晴好天气时有 µ(λ) = 0.1km -1 。
将上式积分得
Pλ ( R ) = Pλ 0 exp[-µ (λ ) R ]
（4）
其中，Pλ0 为 R = 0 处的辐射功率，Pλ (R) 为激光在大气
中传输 R 距离后的功率。由此可得大气透过率
exp[-µ(λ)R] 。
2）大气湍流效应[3]
实际中的大气始终处于一种湍流状态，即大气的
型防空反导火控系统仿真认证中。
关键词：舰载激光武器；仿真；模型；激光能量大气传输；毁伤效果
中图分类号：N945.12; TJ953
文献标识码：A
Modeling and Simulation for Shipborne Energy Laser Weapon System
LUAN Sheng-li1, HAN Jian-xing2, JIANG Chong-jian2 (1. Navy Armament Department, Beijing 101005, China; 2. Jiangsu Automation Research Institute of CSIC, Lianyungang 222006, China) Abstract: According to the application and develop demand for simulation of shipborne high energy laser weapons, this paper analysis the formwork, the function and the campaign-process and sums up a series for simulation model of shipborne high energy laser weapons,the model including laser beam propagation in the atmosphere and damage effect; then, presented a design for simulation software. The key points such as software function, software configuration and software flow chart have also been put forward. Finally, the simulate result is given; the simulation software can be used for simulate attestation of shipborne high energy laser weapons system and new shipborne air-defense and anti-missile fire contrl system. Key words: shipborne laser weapons; simulation; models; laser beam propagation in the atmosphere; damage effect
增益发生器
激光炮
共孔径跟 偏轴跟踪
踪器
器
火控设备 捷联式惯性测量装置 火控分系统
搜索雷达 情报指挥
图 1 舰载激光武器系统基本组成及作战过程
1.2.2 激光光斑半径
其中， r 为统计湍流特性的两点间距离。大气湍
在距离为 R 的目标上光斑半径 r 为： r = βθ理想R = 1.22βλR / D
（2）
收稿日期：2008-02-18
修回日期：2008-05-29
作者简介：栾胜利（1964-），山东荣成人，高级工程师，
研究方向为舰艇指挥控制系统。
韩建兴（1978-），男，工程师，
蒋充剑（1977-），男，工程师。
能破坏目标，高能激光器产生强激光，发射望远镜把
激光束发射到远场，并会聚到目标上；目标毁伤程度
1.2.3 激光大气传输特性
响，针对 1km-10km 作战距离，计算相干距离的公式
激光在大气中传输时会受两类大气影响：第一类 为
为线性光学效应，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，效应大小与激光强
度无关；第二类为非线性光学效应，主要是受激拉曼
散射、热晕和大气击穿等，效应大小与激光强度密切
⎧
π m in(r1 , r2 ) m in(r1 , r2 )
S
=
⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪
1 2
a
1 2
cos(
x (
r1
) r12
+
x r1
)
r1 2
+
1 2
1 2
(
a
cos(
dt
− r1
x
) r12
2π − a cos( dt − r1
− d t r12 − x ) r12 ) − d t
x2 r12
摘 要：针对舰载激光武器系统仿真技术发展要求和应用方向，通过对舰载激光武器系统组成、功能和作战过程
的分析，归纳整理出一套较完整的舰载激光武器仿真模型，其中对激光能量传输仿真模型和毁伤效果仿真模型进
行详细描述；并提出仿真软件设计方案，包括软件功能组成、软件结构、软件运行流程等仿真软件设计要点；最
后介绍了软件的仿真输出结果。文中设计的仿真软件可支持舰载激光武器系统的设计开发，也可以应用到舰船新
取决于有多少入射能量可以耦合到目标中，除了激光
的发射功率及发射时间外，还受气象条件、目标特性
以及拦截时目标与激光武器的相对几何关系影响[2]。
舰载激光武器系统组成及作战过程见图 1。
1 舰载激光武器系统仿真模型
舰载激光武器仿真的目的是模拟激光武器作战过
程和对目标毁伤效果，为武器系统的设计研制和效能
评估提供支持。按照激光武器的组成和工作过程，仿
（8）
其中， αP = 1.9144615 。 1.2.5 功率密度和能量衰减效应
1）在海洋大气条件下，经传输后的激光在目标上
的功率密度为
Pλ
(R)
=
Pλ 0
exp[−
µ(λ
)R]
=
0.84
exp[− µ(λ)R]P
π .r'2
其中， P 为高能激光的功率。
（9）
2）能量积累时间的衰减效应
设定能量衰减时间常数为τ ，激光持续照射聚集
E
* 0
[
2
]
[
4
]
;则毁伤阈值
1.4.2 目标对激光的吸收
E0
=
E
* 0
[
A
]
[T
M
]
（15）
目标靶面对激光的吸收系数为 ξ ，假设能量积累 1.4.4 毁伤效果判断
后，在等效半径为 r1 的靶标上是均匀的，则式（10） 变为
1.4.3
E (R, t)
=
1 π r12
(
E(R,t) τ
+
ξ
Pλ
(R)S)
（6）
其中 R 为目标距离， ε 为目标高低角。
由于大气湍流引起的光束质量由 β 综合下降为
β ′ = β 2 + 0.62(D/rc )5/3 将式（7）代替 β 代入式（2）。
（7）
1.2.4 激光炮跟瞄误差的影响[4]
假设激光炮对目标的跟踪瞄准误差近似为高斯分
布，瞄准误差均值 µx = µ y = 0 ；均方差σx = σ y = σ 。 则带有跟踪偏差的光斑等效半径为
P = (1+ b * hb )* Pλ (R)
（11）
其中， P 为补偿后功率密度， Pλ (R) 为补偿前功率密
度，b 为是否补偿标志，取 0 或 1， hb 为补偿百分比，
满足 0 < hb < 0.8 。 1.4 毁伤效果仿真模型 1.4.1 激光光斑上靶面积
由于激光武器瞄准误差引起激光光斑中心与目标 靶中心的距离为 dt ，激光光斑与靶标等效半径分别为 r1 、 r2 ，则上靶面积：
（1）
62
栾胜利，等：舰载激光武器系统建模与仿真技术
第 30 卷
其中， P0* 为发射功率，是系统初始参数， Ks 为激光发射系统透过率。
目标
粗跟踪
目标搜索
瞄准攻击
精密跟踪
目标飞行方向
强激光
测 量 控 制 装
置
压 力 恢 复 子 系 统
流 体 供 给 子 系 统
发射望远镜 跟踪 指向
光学子系统 转台
折射率随空间和时间作无规则的变化。但在给定的小 区域内，可近似看成是均匀的。这样，大气折射率发
布 满 足 Kolmogorov 推 出 的 大 气 折 射 率 结 构 函 数
Dn (r) 的“2/3”定律： Dn (r) = Cn2 (h)r2/3
（5）
r ′ = r 2 + (α Pσ R ) 2
在目标上的能量密度 E(R, t) 满足下列关系式[5]：
E (R, t) = E(R, t) τ + Pλ (R) 1.3 光学补偿仿真模型
（10）
第5期
指挥控制与仿真
63
光学补偿是由发射望远镜完成的复杂过程，在仿
真过程中将其简化，只考虑是否补偿和补偿百分比对
到达目标的激光功率密度的影响。简单补偿模型为
第 30 卷 第 5 期 2008 年 10 月
指挥控制与仿真
Command Control & Simulation
Vol.30 No.5 Oct.2008
文章编号：1673-3819(2008)05-0061-04
舰载激光武器系统建模与仿真技术
栾胜利 1，韩建兴 2，蒋充剑 2
（1. 海军装备部，北京 101005；2. 中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006）