激光衰减论文

激光衰减论文（精选4篇）

激光衰减论文 篇1

激光在大气传输过程中,受到气溶胶散射和吸收的影响而产生衰减,气溶胶的散射特性随大气温、湿、压、能见度等气象要素的改变而不断变化,因此透过率随时间不断变化,单次测量相对而言意义不是很大,只有对大气衰减变化规律进行长期观测统计研究,才能对大气衰减变化规律有更直观的了解.

在简要介绍激光散射衰减测量原理的基础上,对测量海域的激光大气衰减变化规律进行了初步的分析研究,并对其衰减变化规律给出了定性分析.

1 激光大气散射衰减测量原理

激光通过大气传输,在通过的区域由于大气悬浮粒子的散射,产生后向散射信号.后向散射式激光测试采取直接阈值检测方法来提取激光后向散射回波.通过不同距离产生的回波信号,来计算大气的消光系数,从而计算大气透过率.其原理[1,2]如图1所示.

通常,对于水平或接近水平的大气可以认为是均匀的,后向散射系数β(R)和消光系数α(R)与距离R无关,可视为常数.测量设备接收距离R处的大气后向散射回波功率P(R)满足以下关系式

P(R)=CR-2·βHexp(-2αHR) (1)

式中,βH为大气水平后向散射系数(km-1·sr-1);αH为大气水平消光系数(km-1).

对式(1)两边取对数,并对距离R求导得出

$\frac{\text{d}[1\text{n}({\rm P}(R)R{}^2)]}{\text{d}R}=\frac{1}{\beta {}_{{\rm H}}}\cdot \frac{\text{d}\beta {}_{{\rm H}}}{\text{d}R}-2\alpha {}_{{\rm H}}(2)$

对于均匀大气而言,dβH/βHdR=0,此时对1n(P(R)R2)和R进行最小二乘法线性拟合,其斜率的一半则是1.06 μm激光的水平消光系数αH.

最后,利用测量得到的水平大气消光系数αH(R),由式(3)可以计算出设备与目标范围内1.06 μm激光的大气透过率

τ=exp(-αH·R) (3)

对于水平分布不均匀的大气,此时dβH/βHdR≠0.在这种情况下,采用Clett或Fernald法求解水平大气消光系数,式(4)为Clett方法[3]得出的具体表达式

αH(R)=$\frac{\exp [S(R)-S(R{}_m)]}{\alpha {}_m^{-1}+2{\displaystyle {\int }_0^{R{}_m}\text{e}}\text{x}\text{p}[S(r)-S(R{}_m)]\text{d}r}$

S(R)=ln[P(R)R2] (4)

式中,αH(R)为不同距离R处的水平消光系数;S(R)为距离订正回波信号的常用对数;αm为距离Rm(参考点)处的水平消光系数,其数值由斜率法对距离Rm处回波信号计算得出.利用式(4)可以很好地反演出水平大气非均匀情况下大气消光系数αH(R)的距离分布.

大气透过率

T(r)=exp$\left[-{\displaystyle \underset{0}{\overset{r}{\int }}\alpha }(r^{\prime })\text{d}{r}^{\prime }\right](5)$

2 典型气象条件下激光大气衰减特性分析

为了对激光大气衰减特性有更为直观的了解,便于对比分析,采用斜率法计算得到几种典型气象条件下(大气分布相对比较均匀)的激光大气衰减特性.图2、图3、图4分别给出能见度较好、大雾天和小雨天的测量结果.

对比结果表明,考虑到光学系统设计中几何重叠因子的影响,斜率法对于能见度小于1 km或0.5 km的探测是不适用的.考虑到远距离实测与目视产生的误差和近距离多次散射的影响,雷达方程失效.该方法仅适用于水平大气分布相对均匀的情况.在能见度较好且有微风、小雨、薄雾天气情况下,该方法较为有效.此外,对分布相对不均匀大气,只能采用clett迭代法或Fernald法获得相对较为精确的测量结果.

3 激光大气衰减变化规律统计分析

统计变化规律特征是在长期观测的基础上,利用统计学方法对大气衰减长期变化规律进行的统计性描述.通过该描述可更为直观、形象地给出激光传输的日衰减变化规律、不同季节的交替周期变化规律以及年变化规律等等.文中在测量统计的基础上,对测量海域的激光大气衰减变化规律进行了初步的统计分析研究,图5、图6、图7分别给出了不同季节、不同时间段的激光大气衰减变化规律.

图5为利用能见度仪测得的能见度与透过率测量设备测得的同一时刻的消光系数之间的对比变化规律.(测量条件:2009年,秋季,微风,晴朗天气,大气分布相对比较均匀).时空分布图清晰地给出了连续测量54 h的大气衰减变化规律特征,大气衰减变化呈现明显的规律特征:周而复始的峰—谷—峰—谷交替变化,每天凌晨6:00时、7:00时激光大气衰减最为严重,每天14:00时、15:00时大气衰减影响最小,透过率最大.

图6为利用能见度仪测得的能见度与透过率测量设备测得的同一时刻的消光系数之间的对比变化规律.(测量条件:2010年,春季,微风,晴朗天气,大气分布相对比较均匀)

图7为利用设备测量所得消光系数与能见度仪所得能见度之间的对比,由图7可以看出,在31 h的连续测量中,二者具有很好的一致性.时空分布图可清晰地给出大气衰减变化的规律特征. (测量条件:2010年,夏季,微风,中等能见度,大气分布相对比较均匀)

对比图5、图6、图7可见,大气衰减变化规律与气象条件密切相关,亦与所处地域位于温带季风区有关,因受海洋影响较大,气温比较温和,干湿适宜,春季少雨干燥,夏季温热无酷暑,秋季凉爽多晴天.在有微风的条件下,大气分布相对较为均匀,大气衰减变化呈现规律性日变化特征:谷—峰—谷交替变化,每天凌晨6.00、 7:00时激光大气衰减最为严重,14:00时、15:00时大气衰减影响减至最小,透过率达最大.6月中旬所得的大气衰减日变化特征相对于3月份、9月份来说,衰减变化的昼夜幅度差要小很多,主要是由于6月份大气昼夜温差相对要小一些,而3月份、9月份昼夜温差较大,海面雾气[4](平流雾)对激光传输产生一定的影响,激光大气衰减日变化特征更为明显:凌晨6:00时左右,海面雾气严重,大气能见度较低,激光水平传输大气衰减主要是由雾产生的,激光在雾中传输其衰减相当大,此时透过率达最小;而在下午14:00左右,由于雾气、水汽蒸发大气中的水分子含量下降,激光传输主要受大气中霾粒子的Mie散射影响,其对激光传输的衰减作用减至最弱,此时透过率达到峰值最大.

借助于长期观测下的激光衰减时空变化规律统计,可更为直观、形象的对激光传输的日衰减变化规律、不同季节的交替周期变化规律以及年变化规律等进行描述.

4 结 束 语

在简要介绍激光散射衰减测量原理的基础上,结合实际测量,给出了部分典型气象条件下的激光大气衰减测量结果,并对连续测量条件下的激光大气衰减变化规律进行了初步的统计分析研究.

参考文献

[1]宋正方.应用大气光学基础[M].北京:气象出版社,1990:158-164.

[2]孙景群.激光大气探测[M].北京:科学出版社,1986.

[3]Curcio J A,Knestrick G L.Correlation of atmospherictransmission with backscattering[J].J.Opt.Soc.Amer,1958,48(10):686-689.

[4]杨瑞科,马春林.激光在大气中传输衰减特性研究[J].红外与激光工程,2007,36:415-418.

激光在雾中传输的散射衰减分析 篇2

1 雾的尺度分布及经验公式

雾滴的尺度分布大多数采用的是Gamma分布。

该式体现了半径为r的雾滴在单位范围内的数目。

上式中W为雾含水量, 单位g/m3;V是能见度, 单位km。

2 激光在雾中的散射理论

在Mie散射理论中, 为方便计算, 引入无量纲尺度参数k=2r/, 这里为光波波长, 单位m, r为粒子半径, 单位m。在计算微粒衰减时, Mie散射理论公式主要是对吸收效率因子Qa (k, n) 、散射效率因子Qs (k, n) 和衰减效率因子Qe (k, n) 三个参数的计算。三者关系如下:

相应截面与效率因子关系为:

3 激光在雾中传输时的散射衰减计算

根据朗伯-比尔指数衰减定律, 激光通过介质前后的光功率关系如下:

分别取能见度为V=700m、V=300m、V=100m、V=20m为四种不同典型雾条件, 对透过率在一定传输距离上进行计算, 得到不同能见度的雾条件下透过率T随距离的变化, 如图1。

图1为532nm激光光束在1km的传输距离内, 不同能见度的雾条件下透过率的数值曲线。从图中可以看出, 激光透过率与雾的能见度成正比关系, 与传输距离均成反比关系。能见度的降低导致激光的散射衰减增大, 使同等传输距离下激光透过率降低。在一定透过率要求下, 激光探测系统在不同能见度的雾中的适用探测距离不同。

4 结语

该文以M i e散射光学理论为基础, Gamma分布为雾滴谱模型, 不同传输距离下的透过率为研究对象, 建立532nm激光波束在雾中的传输衰减模型, 分析计算激光在不同能见度的雾条件下的衰减特性。研究表明, 532nm激光在雾中传输时, 散射系数与总的衰减系数近似相等;在同一传输距离下, 激光透过率随能见度的增大而增大;相同能见度条件下, 激光透过率随传输距离的增大而减小。可以由公式推导得到一定透过率要求下, 激光探测系统在不同能见度的雾中的适用探测距离, 对实际试验中, 发射系统功率与接收系统精度要求有重要参考意义, 利于激光探测系统参数的选取。对激光探测系统在雾天气条件下的应用提供了一定的理论基础。

摘要：激光在雾中传输会造成能量衰减, 这是激光被雾滴粒子散射、吸收的结果;这样一来, 激光探测系统工作在雾天气时, 其准确性将受到影响。在Mie散射理论基础上, 以gamma分布作为雾滴谱, 建立532nm激光在雾中的传输衰减模型, 理论推导计算不同能见度的雾条件下激光透过率随传输距离的变化。

关键词：激光,雾滴粒子,Mie散射理论,衰减模型

参考文献

[1]Roberto Nebuloni.Empirical relationships between extinction coefficient andvisibility in fog[J].Applied Optics, 2005, 44 (18) :3795-3803.

[2]Urachada Ketprom, Sermsak Jaruwatanadilok, Yasuo Kuga, etal.Channel modeling for optical wireless communication throughdense fog[J].Jou rnal Of Optical Networki, 2005, 4 (6) :291-299.

激光衰减论文 篇3

激光制导武器的基本工作原理是,发射激光束照射目标,弹体的接收装置接收照射的激光信号或目标反射的激光信号进行计算,得出弹体偏离照射或反射激光束的程度,对飞行轨迹进行不断调整,最终准确命中目标。而激光制导武器的实际效果与激光的大气传输特性息息相关。例如陆航作战中,激光精确制导主要应用的1.06μm激光,就会受到天气、作战环境、攻击目标等多种影响,其中最主要的衰减因子就是大气中气溶胶的吸收和散射。当在雨、雾、霾等特殊天气作战时,空气中悬浮的不同气溶胶粒子会使激光制导的准确度受到不同程度的影响。由此可见,作战环境对直升机激光制导攻击的有效性有极大影响。

目前的陆航直升机模拟训练中缺乏环境对直升机影响模型。战场天气环境建模影响条件多,数据计算量大,建模复杂,不同天气对直升机激光制导的消光系数也各不相同,准确计算激光大气衰减的公式都需要对气溶胶粒径大小进行精确的统计和计算,数据采集不易,计算过程缓慢。直升机作战仿真中,环境对激光制导的影响计算结果对实时性要求高,因此此类计算方式并不适用。因此文中旨在分析了大气对激光辐射衰减规律的基础上,结合直升机作战的战场背景与一些常用模型和经验公式,建立不同天气对直升机1.06μm激光半主动制导武器影响的工程模型,为陆航模拟训练系统中1.06μm激光照射武器在不同环境条件下的消光系数提供贴近实战的模型数据前提下,保证了直升机作战仿真训练中制导精度的运算速度。

1 1.06μm激光大气衰减

1.1 1.06μm激光大气衰减特性

当激光在大气中传播时,由于大气中存在的气体分子和微粒会使部分能量散射,部分辐射能量被吸收。其中大气对激光引起的吸收衰减主要有大气分子吸收和大气气溶胶吸收。相应的大气吸收衰减系数由两项组成[1],有下式

式中,αm(λ)为大气分子吸收引起的衰减系数;αn(λ)为气溶胶吸收引起的衰减系数。大量实验表明,由于大气中的一些分子对辐射有选择性吸收,大气对辐射的吸收和散射均与波长有着密切的关系。在各吸收带之间的某个区域可能存在相对其他区域辐射投射率较高的大气窗口,1.06μm激光就属于此范畴,所以对于1.06μm激光波长来说,几乎不存在分子吸收,分子散射的数量级也比气溶胶衰减小。对于1.06μm激光来说,主要的衰减就是气溶胶的散射和吸收。大气气溶胶衰减系数是由微粒吸收决定[2],有下式

式中,N(r)为气溶胶粒径数密度谱分布;n’’为所研究气溶胶的虚构的折射率;r为气溶胶粒径;λ为激光波长;是给定微粒的吸收截面。由此可得1.06μm激光大气消光系数为

式中,N(r)为气溶胶粒径数密度谱分布;n为气溶胶折射率;r为气溶胶粒径;λ为激光波长。由上式可知,计算某一地区激光大气传输衰减系数,关键在于得到该种情况下较为准确的气溶胶粒径密度谱分布。

1.2 1.06μm激光透射率及斜程修正

对于均匀介质,其消光作用可用郎伯-比尔定律描述

式中,τ为透过率;I为透过光强度;Io为射入光强度;C为气溶胶浓度;Ke为消光系数;L为光程。大气吸收衰减系数α(λ)见式(1)。

上式中讨论的是激光在大气水平传输的情况。实际使用中直升机激光制导是空对地传输,由于不同高度的压强、温度、大气分子结构各异,需要进行斜程修正,此时的1.06μm激光透过率描述为[3]

式中,θ为天顶角。见图1(激光入射线与地面法线之间的夹角,单位为rad)。H为传输高度(单位为km),K为区域常数。不同区域的K值见表1。

1.3 不同气溶胶类型对1.06μm激光大气衰减的影响分析

选取气溶胶类型为水平能见度为23 km和5 km的乡村气溶胶,水平能见度为23 km的海洋型气溶胶以及5 km的城市型气溶胶六种模式大气,传输路径为斜程,观察者位于地面,传输距离为5 km,天顶角为55°,且不考虑天气影响,观测不同气溶胶类型对1.06μm激光大气透过率的影响见图2[4]。

从图2可以看出,纬度和季节对透过率的影响并不明显,而同一种气溶胶类型下,水平能见度对透过率有着较大影响。再者,在水平能见度一致的不同气溶胶类型情况下,透过率变化较小。

接下来分别选取乡村、城市和海洋三种气溶胶类型,采用中纬度夏季地区,传输路径为斜程,传输距离为5 km,天顶角为55°,如图3所示。

可以看出,不管是在何种气溶胶类型条件下,透过率都是随着能见度的减小而减小,三种气溶胶类型下的透过率变化趋势基本一致。所以在建模中可以不考虑城市、乡村、海洋等作战地域改变对激光武器造成影响的差别。

2 不同气象条件对激光传输衰减的影响

雨、雾和霾是常见的直升机作战需要面对的气象环境,其形成原理不同,它们在空气中的气溶胶粒子形状也存在巨大差异,比如雾粒子的半径就仅为雨滴的千分之一左右,由此造成的激光衰减也有巨大差异,对直升机制导精度的影响也随之改变,所以要分别讨论。

2.1 霾对激光的衰减模型

霾是大气中最常见的自然现象。常用的预测霾衰减系数的经验模型公式为[5]

上式对于从晴朗到雾霾天气均可用。式中,Vb为大气能见度(单位为km);α为波长修正因子,且与能见度有关;在不同能见度情况下,α的取值为

平均能见度一般取值10~12 km,能见度特别良好一般取值23 km。

预测公式仅反映了大气衰减随大气能见度和波长变化的关系,没有反映大气环境、大气粒子尺度分布、粒子成分的变化引起折射率的变化等因素。而基于Mie散射理论的计算则把这些因素都列为了考虑范围。其中,求解单个球形粒子总截面(TCS)Qt,j(D)(消光截面)计算公式为

式中,D为粒子直径;an,bn为Mie散射系数,是复折射率、波长、粒子半径的函数。对于定尺寸分布的气溶胶粒子,在单位距离所引起的激光衰减为

式中,r为粒子半径;n(r)为粒子的尺度分布。

目前对于霾、云雾粒子使用较普遍且适用性最大的尺度分布是Deirmendjan模型(也叫广义伽马分布或指数分布),其形式为[7]

式中,c、d、α、β是正的常数。Deirmendjan模型最适合于大陆、海洋的霾,也适合于平流层气溶胶。这几种情况下的模型参数如表2。

选取海上、陆地、城市和农村上空的对流层大气中的霾以及平流层大气中的霾,对1.06μm激光的衰减进行分析计算。首先应用经验公式(5)~式(7)计算,再根据Mie理论式(8)~式(10)并依据能见度与衰减系数之间的关系,计算得到1.06μm激光随能见度的关系。但这样的计算过于复杂、耗时,不适用于直升机作战实时仿真的需要,将文献[8]的运算结果运用描点法等距选取数据采样,通过Matlab计算进行多项式拟合,通过调试对比确定四次指数方程最为接近实际,得出霾对激光衰减随可见度变化的工程化的数学模型为

此为霾天能见度与消光系数之间的经验关系。仿真结果见图4。

2.2 雾对激光的衰减模型

雾滴半径通常在1~60μm之间,根据形成雾的地域和机理,又可以把雾分为平流雾(多为海雾,平均直径20μm)和辐射雾(多为内陆雾,平均直径小于20μm)两大类。由于雾滴形状为很好的球体,其衰减规律亦完全适用Mie理论。但由于雾中能见度的确定目前还没有较为准确的方法,先多用含水量W来描述能见度,从而反演消光系数[9]如下

式中,W为含水量(单位为g/m3);C为不同波长对应的常数。文献[10]通过实测不同距离范围内的常数C值,得到经验常数C的均值为

将C代入到式(12)和式(13)中,得到基于能见度的1.06μm激光在雾中衰减的经验公式为

此为雾天能见度与消光系数之间的经验关系。仿真结果见图5。

但是文献[9]收集的数据量较小,取得的平均值还不够精准。在应用中需要做进一步的处理。

2.3 雨对激光的衰减模型

雨对激光衰减的大小与波长关系不大,雨滴的尺寸分布、散射和吸收截面决定了其对激光信号衰减的影响程度。其中,雨滴的尺寸分布是指在不同的降雨率下,不同尺寸的雨滴在空间中的分布状态。由于雨滴半径分布的随机性较大、测量困难,实际应用中通常只用降雨强度J(单位为mm/h)来估算衰减系数的大小。常见的经验公式如下[10]

仿真结果如图6。

从图6可以看出,当降雨量小于60 mm/h时,两种经验公式具有较好的一致性,但随着降雨量的增大,两者的计算结果出现较大差别。文献[11]的研究结果指出,雨滴半径较小的情况下散射现象明显大于大雨粒子。当降雨量增大的时候,小雨粒子比例随之降低,当到达一定值时,衰减系数随之减小,所以式(17)的仿真结果比较吻合事实情况。目前对雷暴雨的消光系数计算还没有准确的模型计算,但直升机不能在雷暴雨环境中进行任务,所以不影响计算结果。

3 应用实例

陆航XX战术仿真系统中直升机空对地攻击应用实例:红方为直升机模拟器,蓝方为坦克CGF(computer generated forces,计算机生成兵力),环境条件为内陆乡村,气象条件为可见度V为8 km的雾。直升机对坦克发射1.06μm激光半主动制导空对地导弹,然后进入悬停状态对打击坦克目标实施本机照射。已知该型导弹在晴朗天气下的有效打击距离为X(单位为km),消光系数为0.8。丛明煜在文献[12]中提出了一种简化的模型来估算1.06μm激光半主动制导武器导引头捕获距离的简单模型,模型包括三个部分:大气环境传输子模型、目标子模型、目标获取子模型,将1.06μm激光的大气传输衰减现象简化处理并推导出计算方程为

式中,A为导引头探测器接收口径面积;Id为激光照射能量密度;T为导引头探测器灵敏度值;Rs为目标到导引头的距离;Rd为目标到激光照射器的距离;Td为激光照射器光学系统衰减系数;Tr为导引头光学系统衰减系数;θL为与目标物法线的夹角;ρt为目标反射系数,τs、τd分别为两个路径上的衰减系数,因为制导方式为本机照射,所以τs=τd。将晴朗天气下的有效打击距离X,消光系数0.8代入式(20),计算出K,雾天气下的可见度8 km代入式(17)得到消光系数为0.335,代入式(20)中最终计算出在雾天中直升机1.06μm激光半主动制导空对地导弹的有效打击距离为0.418 75 X(km)。经对比,较为符合实际演习数据,计算结果能够满足工程应用要求。

4 结论

目前国内外都在积极进行大气环境对精确制导武器的影响研究,但目前我国的相关研究尚处于起步阶段,大气环境对激光制导有效距离的影响受到多种参数变量的影响,在仿真环境中真实准确地建立大气衰减影响模型还存在一定难度。但文中通过建立简化的模型,提高运算速度,实现了将环境对激光制导的影响模型加入到系统建模中,提高了作战训练仿真的逼真度,使直升机作战模拟训练更加符合实际训练情况。

参考文献

[1]徐娟.大气的光散射特性及大气对散射光偏振态的影响[D].南京:南京信息工程大学,2005.

[2]时建群.激光大气传输吸收衰减效应研究[J].河南师范大学学报,2008,36(3):57.

[3]宋正方.1.06μm激光的斜程大气衰减[J].激光技术,1997,21(6):343-345.

[4]刘伟超.1.06μm激光大气透过特性的数值计算研究[J].激光与红外,2011,41(5):522-524.

[5]杨瑞科.激光在大气中传输衰减特性研究[J].红外与激光工程,2007,36(Z):416-418.

[6]ISHIMARU A.Wave propagation and scattering in ran-dom media[M].Academic Press,New York,1978.

[7]E J麦卡特尼.大气光学分子和粒子散射[M].潘乃先,译.北京:科学出版社,1998,122-134.

[8]杨瑞科.激光在大气中传输衰减特性研究[J].红外与激光工程,2007,36(Z):417.

[9]高文静.海面水雾对激光传输的影响分析[J].激光技术,2011,35(5):645-646.

[10]戴永江.激光雷达原理[M].北京:国防工业出版社,2002:31-48.

[11]柯熙政,杨利红,马冬冬.激光在雨中的传输衰减[J].红外与激光工程,2008,37(6):1021-1024.

激光衰减论文 篇4

为适应未来战争的需要,世界各军事大国都竞相开展研制激光寻的制导武器。现行以外场试验为主的鉴定手段,均不同程度遇到了试验用弹量与经费、鉴定结论置信度相互制约等问题。如何研究和评价激光半主动制导武器的性能和作战效能也是一个很重要的课题。半实物仿真系统构筑丰富的物理信号试验环境和各种边界条件来检测被试装备的参数和性能,集合运用了数学模型和物理模型的优点,可以对随机变量和无法预测的作战环境的进行评估,这种方法既克服了计算机仿真低可信度的缺点,也克服了实弹打靶试验的风险和代价昂贵的缺点。在激光半主动制导武器目标半实物仿真系统中,激光能量模拟是系统重要模拟内容之一,因为光斑能量在远距离时,将影响制导武器的探测概率,这是导引头能否正常工作的前提;在中近距离,接收信噪比将影响视轴的跟踪精度。激光能量模拟主要考虑能量模拟范围、能量变化速率和能量控制精度。由于激光制导武器与目标距离的不同、导引头视轴与目标角度的变化、大气散射衰减以及大气湍流闪烁影响、目标平均反射率的差异等因素,都将导致到达导引头入瞳处的能量密度呈现较大的变化,波长越短,大气散射引起的衰减越大;能见度越低,大气散射引起的衰减越严重。如图1为不同能见度(20 km、8 km、2 km)下接收能量随距离变化的仿真结果。

图中可见,导弹在相同距离且不同能见度情况下,接收的入瞳能量密度不同,能见度越高接收能量也就越大。以Rv=2 km为例由于附加大气散射衰减,所以系统需要宽范围,动态范围接近50 d B;激光制导武器在全程飞行过程中,到达探测器的激光能量随着距离的接近非线性连续递增,当导引头距离目标较远时,能量密度变化率不快,但是到近距离处能量密度变化率很快,所以需要较快能量调节能力;对于激光目标模拟系统,还需要较高的控制精度,能量密度控制精度受到激光光源稳定度,能量变化单元线性等因素综合制约。

1 激光连续调光方案选择

1.1 常用的连续调光实现方法

机械式调节光阑法:该方法就是通过可变光阑方式,实现对光束的空间衰减,此方法的特点是体积小、速率较快、功耗小、技术相对比较成熟,但是缺点为动态范围小、线性度不好,不易实现级联工作,不适合本模拟系统应用;

光电技术调光法:光电调光包括法拉第旋光、电光晶体调光和液晶调光,这三种方法所具有的共同特点是:动态范围较小,需要级联工作,调光非线性严重,需要闭环补偿以提高精度,该方式不适合大范围、高精度调光;

采用吸收式渐变衰减片实现连续调光:吸收式渐变衰减可实现大范围、连续调光,通过控制旋转角度可实现光能的连续变化,该方法原理简单,但是在大动态范围条件下,其衰减的线性度对于镀膜要求较高,往往需要多级级联,而多级衰减片级联存在多次反射,容易产生散斑,另外光束宽影响光功率分布不均匀,不适合本模拟系统应用。

晶体吸收法特点:光强调节范围宽:因为光功率衰减与材料的厚度成指数递减规律,所以通过合理选择材料的系数和材料厚度差,可实现宽范围的光强调节,而且不过分增加系统的体积和重量;无级连续调节:通过精密控制轴向的连续运动,可实现光强的连续调节(单调递减或递增),不出现突变;调节线性好:光强的调节精度一方面取决于材料的均匀性,另一方面取决于丝杠的控制精度。只要这两方面选取合理,光强调节线性较好。故本文选用此方法进行激光能量调节。

1.2 实验室大气衰减

光在大气中传输基本定理是Bouguer-Lambert定理,单色光在大气中的透射率有如下关系:

式中:γ(λ)是波长为λ单色光的衰减系数,L为光程长度,I(λ)为经过光程L后的光强,I0(λ)为初始光强。衰减系数可用下式表示

式中:σ是散射系数,k是吸收系数,m表示分子,a表示气溶胶。

根据文献[6]的表16-5并且假设晴朗天气、能见度为23 km、中纬度夏季的近地面,则1 064 nm激光衰减系数为:γ(1064nm)=10-6+.820×10-4+1.08×10-2+.783×10-2,进而可得到透射率τ1(064nm)。

1.3 衰减器原理

衰减器由两个楔角严格相同的大小棱镜构成,激光光束准直垂直穿过大小棱镜,相当于通过一个平板光学单元,所以它不改变光束的方向。如果选择特殊的光学材料,使其对1.06μm激光在单位长度内产生一定的衰减,如果大棱镜沿轴向连续、精密运动,则激光束的光程产生连续变化。根据朗伯定律:光束穿过厚度为L的物质后光强I满足下式:

式中:I0为穿过物质前的光强,α为吸光系数,与材料的选择有关。可见光强随着通过物质的光程L成指数关系变化。激光光束能量的衰减倍数取决于光束经过的晶体长度。改变光束穿过物质的厚度,使其对激光的功率产生不同的吸收衰减,进而可连续改变出射光强,有效的在实验室环境模拟战场环境中激光能量密度变化。

大小直角棱镜材料:AB2。能量连续调节原理如图2所示。装置由固定台1、小直角棱镜2、大直角棱镜3、平移台4、步进电机5、光栅尺6、控制系统7组成。1 064 nm激光束经过光纤耦合垂直入射到补偿小棱镜,该小棱镜固定不动,其安装方向与大棱镜径向相反,保持小棱镜与大棱镜斜边在同一直线上,因为与大棱镜楔角一致,所以保证整个光束直径内通过的路径长度一致,保证了对光束衰减的空间一致性。

激光能量连续调节还要注意光束需要准直垂直入射到晶体,因为光束不准直导致光程不同,从而影响能量调节精度;两个晶体需要有四个面镀增透膜,防止光反射引起的损失;因为光功率衰减与材料的厚度成指数递减规律,所以通过合理选择材料的系数和材料厚度差,而且不过分增加系统的体积和重量,较小的晶体厚度可实现较大的调节范围;能量控制范围与棱镜的长度相关,棱镜越长范围越大;通过精密控制轴向的连续运动,可实现光强的连续调节(单调递减或递增),不出现突变;光强的调节精度一方面取决于材料的均匀性,另一方面取决于丝杠的运动控制精度。只要这两方面选取合理,光强调节线性较好,所以步进电机采取细分和光栅尺闭环处理,也是为了消除电机失步和抖动。同时必须最大限度的提高各分系统的稳定性,将随机误差控制在最低范围内。

2 激光能量连续衰减电控单元的实现

能量衰减器的硬件组成如图3,激光能量连续衰减电控框图如图4所示。首先从总控单元获取导引头运动参数(距离、速度、方向等信息)和环境参数(能见度、目标反射率、大气湍流参数等),进而解算出导引头所处的能量密度,解算出位移平台所需速度和位移。通过步进电机细分驱动,驱动精密丝杠,带动大棱镜进行水平移动,水平位移每移动1 mm,衰减率变化0.55 d B,而小棱镜固定基台上。细分驱动的步进电机可控制平移的位置和速度,这样能量衰减的定量控制就取决于横向平移的控制精度。采用闭环控制方式,用光栅尺修正位移从而得到要求的光强。系统使用了2块ATMEGA16作为核心控制器,这样既扩展了资源又实现了两块芯片的程序并行执行,保证了电机的控制与光栅反馈信号检测同时进行。该系统工作时,上位机发出位移、方向、初速度信号给精密一维位移平台控制器,通过ATMEGA16 U1来控制位移平台作直线变速往返运动。U1发出起动命令,电机转动后光栅尺产生的位置脉冲信号传送回控制箱内的ATMEGA16 U2,把此位置信号和上位机给出的信号值比较,经判别分析,控制器发出后续换相脉冲,构成闭环系统,减小伺服机构的各种干扰,提高光能控制精度。

3 实验数据与处理

采用了波长为1 064 nm YAG激光器在无遮挡的条件下进行了试验,位移平台速度:2 mm/s,共测试了两组数据,以下是部分数据处理结果。

由实验数据看出闭环工作状态下基本实现了预期,平台水平移动1 mm,能量变化0.55 d B。由图5、图6可知随着平台的移动,接收光斑能量也同时改变,开始时衰减较大,随着位移增加衰减逐渐变缓慢。从总控获得状态信息,即可计算出位移平台所需速度和加速度。

4 结论

本文设计的能量衰减器稳定性高,可靠性高,成本低。若大棱镜全程长100 mm可衰减55 d B,故能实现宽范围能量连续调节;位移平台最高速度40 mm/s,所以能量变化速率最高可达22d B/s,实现高动态;通过改善位移平台控制精度并使棱镜材料均匀,优化选取棱镜长度、材料、位移平台和光栅尺,即可提高光强调节精度,并根据实际环境需要更改位移平台和控制器,适用于模拟多种制导情况的能量变化。

参考文献

[1]杨树谦.精确制导武器和技术[J].红外与激光工程,1999,28(6):1-3.YANG Shu-qian.Precision guided weapons and technology[J].Infrared and Laser,1999,28(6):1-3.

[2]关英姿,康为民.精密无级减光器的设计与实现[J].光电工程,2003,30(4):56-58.GUAN Ying-zi,KANG Wei-min.Precision Stepless Light Design and Implementation[J].Opto-Electronic Engineering,2003,30(4):56-58.

[3]贾宏进,秦石乔.激光半主动制导目标指示器模拟器的研制[D].长沙:国防科学技术大学,2003.JIA Hong-jin,QIN Shi-qiao.Semi-active laser-guided target indicator simulator[D].Changsha:National Defense Science and Technology University,2003.

[4]康立新,关英姿,韩四宁.PLC在精密无级减光器中的应用[J].机械与电子,2002(6):17-19.KANG Li-xin,GUAN Ying-zi,HAN Si-ning.PLC Application in precision stepless Dimmer[J].Mechanical and Electronic,2002(6):17-19.

[5]唐同斌.一种可控的激光目标模拟方法[C]//2004年学术交流会论文集,2004:147-151.TANG Tong-bin.Controllable Simulation of laser target[C]//COMMUNICATIONS TECHNOLOGY,2004:147-151.