華創(chuàng)錄，王春艷，王曉曼，劉智

（1.長春理工大學光電工程學院，長春 130022，2.長春理工大學電子信息工程學院，長春 130022）

外場激光導引性能分析

華創(chuàng)錄1，王春艷1，王曉曼2，劉智2

（1.長春理工大學光電工程學院，長春 130022，2.長春理工大學電子信息工程學院，長春 130022）

外場激光導引性能的測試分析是激光半主動制導武器科研試驗中的重要環(huán)節(jié)，通過對激光半主動制導試驗中從激光照射器-大氣-目標-大氣-導彈的光學傳遞鏈的分析和對激光大氣傳輸特性和目標激光散射特性的研究，建立了從照射器到目標和從目標到探測器兩個環(huán)節(jié)的照射激光能量傳遞模型，通過理論計算和外場試驗實測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對導引頭入瞳處接收能量的計算分析，為外場激光導引性能分析提供了依據(jù)，具有較高的實用價值。

激光大氣傳輸特性；目標反射特性；激光能量

激光半主動制導具有制導精度高、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便等優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用于武器裝備中。其工作過程是由地面或空中的激光照射器向被攻擊目標發(fā)射激光脈沖信號，該信號經(jīng)大氣傳輸至目標，由目標反射后再經(jīng)大氣傳輸至導彈，最后由激光導引頭接收激光脈沖，從而形成制導信號。激光信號經(jīng)激光器發(fā)射、大氣傳輸、目標反射、大氣傳輸，到達導引頭入瞳處的功率密度需大于某一閾值，才能使導引頭正常工作，此功率密度閾值就是導引頭的靈敏閾，它是制導武器最重要的技術(shù)指標之一。在激光半主動制導武器科研試驗中，需對導引頭接收到的散射能量大小進行測試，以判斷經(jīng)散射后到達導引頭的激光能量能否滿足導引頭探測靈敏閾要求，為外場激光導引性能評估提供技術(shù)支撐。

1 激光大氣傳輸特性

大氣衰減包括分子與氣溶膠的吸收和散射，大氣吸收與散射是造成光束能量衰減的主要因素。大氣透過率與距離的遠近、光波的波長以及大氣中各種成分的濃度都有關(guān)系。激光在大氣中的能量衰減主要由吸收、散射、湍流、色散、折射等引起，對1.06μm的激光而言，大氣散射是其能量衰減的主要因素［1］。

大氣散射系數(shù)μ可由公式（1）計算：

式中，μ為大氣散射系數(shù)，單位為km-1；V為波長為0.55μm的光波沿水平路徑或近于水平路徑傳輸后，大氣透過率為2%時的可見距離（用km表示），即能見度，單位為km；λ為激光的波長，單位為μm；p為經(jīng)驗參數(shù)，其數(shù)值為0.7～1.6，相當于能見度由最壞變到最好的情況；k為粒子散射標高的倒數(shù)（k= 0.83km-1）；R為大氣斜路或水平傳輸距離（用km表示）；q為激光傳輸方向與水平方向的夾角［2］。

由上面的散射系數(shù)公式，可進一步推導出激光在大氣中水平、垂直、斜路傳輸時大氣透過率的計算公式，令

圖1給出了能見度V=10km，λ=1.064μm的激光沿不同方向（θ1=15°、θ2=45°、θ3=75°）傳輸時，大氣透過率T與傳輸距離R之間的關(guān)系。

圖1 （1.064μm激光）大氣透過率與傳輸距離之間的關(guān)系示意圖

2 目標反射特性

目標反射特性與目標表面材料、涂層、粗糙度等因素直接相關(guān)，根據(jù)輻射學理論，反射系數(shù)定義為反射功率與入射功率之比，或是反射通量與入射通量之比［3］。如圖2所示。

當取極限值時，從表面反射的微分通量可寫成

式中，Lr為反射輻射亮度（W/m2）；dAs為目標模型表面的微分單元面積（cm2）；θr為反射角。則入射通量可寫成

式中,i代表入射量。按反射系數(shù)定義，反射系數(shù)ρ可用下式表示

由公式（6）可知，應(yīng)對入射立體角和反射立體角加以說明，否則ρ的數(shù)值不能確定。也就是說實際應(yīng)用中對入射立體角、反射立體角以及入射角、反射角應(yīng)有定量規(guī)定，這樣反射系數(shù)才有意義。

圖2 目標表面反射的微分通量

目標反射系數(shù)的測量一般有兩種方法，分別是直接測量法和比較測量法，在此不再詳述。經(jīng)查閱相關(guān)資料，可知典型目標的反射系數(shù)如表1［4］：

表1 典型目標的反射系數(shù)

3 激光能量傳遞鏈路建模

探測器光敏面處接收到由照射器照在靶板表面的漫反射能量，可分為兩個階段。第一階段是從照射器發(fā)出的激光能量到達靶板，第二階段是入射到靶板的能量漫反射到探測器。

3.1 照射器到靶板傳輸過程

從照射器發(fā)出的激光能量照向靶板，靶板與地面垂直法線有夾角β。激光傳輸方向與目標靶法線夾角為θ，如圖3。

圖3 照射器發(fā)射激光到靶板傳輸過程示意圖

大氣傳輸光能量符合Lambert-Beer定律，能量總是以幾何級數(shù)減少［5］，激光在大氣中傳輸一定距離后的能量可表示：

式中，Wp為出射能量；W1為傳輸一定距離后的能量；T大氣為照射器到目標靶的大氣透過率。由上節(jié)可知：T大氣=exp（-μR），μ為大氣氣衰減系數(shù)，可以用與能見度有關(guān)的經(jīng)驗公式表示，其形式為：

其中關(guān)于p的取值有如下約定：

3.2 靶板到探測器傳輸過程

由于漫反射靶板的反射特性接近于朗伯體，因此可將靶板當作朗伯體考慮，則探測器光敏面處接收的靶板漫反射的能量為：

式中，W2為探測器接收的光能量；W1為入射到靶板的光能量；ρ為靶板漫反射系數(shù)；R為傳輸距離；T大氣為探測器到目標靶的大氣透過率；T接收為接收探測器的透過率；θ為照射器和靶板中心法線的夾角；φ為靶板中心法線和探測器的夾角［6］。

4 外場激光導引性能計算分析

在外場激光導引性能測試中，選取典型測試剖面：在目標靶側(cè)前方地面上架設(shè)激光目標指示器為導彈導引頭提供目標指示，直升機在目標靶前方空中負責導彈發(fā)射，在目標靶側(cè)前方地面上布設(shè)激光能量編碼測量設(shè)備用來監(jiān)測經(jīng)目標靶反射回的散射激光功率，如圖4所示：

圖4 外場激光導引性能測試剖面圖

激光目標指示器輸出能量大小為60mJ，波長為1.064μm，脈寬為20ns，激光束散角為0.3mrad，激光目標指示器距目標靶距離為2km，激光目標指示器與目標靶法線夾角為30°，激光目標指示器和目標靶、激光能量編碼測量設(shè)備在同一水平面內(nèi)，目標靶與地面夾角10°，目標靶反射系數(shù)為0.3，目標靶尺寸為2.3m×2.3m，激光能量編碼測量設(shè)備距離目標3km，激光能量編碼測量設(shè)備與目標靶法線夾角為20°，直升機發(fā)射平臺高度為100m，距離目標靶距離為5km，大氣能見度為10km。

4.1 激光能量傳遞鏈計算

先計算大氣透過率，已知大氣能見度10km，由公式（9）有p=1.3，激光傳輸路徑與水平面夾角接近0°，由公式（1）和（2），可以計算出，從照射器到目標的大氣透過率

同理可求的探測器到目標的大氣透過率T大氣（探測器到目標）=0.61。

由公式（7）、（10）可以計算出入射到靶板的光能量為

已知探測系統(tǒng)透過率為0.9，光學孔徑直徑為D光學口徑=130mm=0.013m，則由公式（9）、（11）可以計算出探測器光敏面處接收的靶板漫反射的激光能量為：

轉(zhuǎn)換成相應(yīng)功率為：

用激光能量編碼測量設(shè)備進行實際測量，測得接收功率平均值為P實測=7.2×10-7W，可見由于外場環(huán)境復雜，會造成激光的隨機多次反射，并且太陽光中也含有部分1.064μm波長成分，這些均會對測試結(jié)果造成干擾。

4.2 外場激光導引性能分析

現(xiàn)在以實測結(jié)果為基準反推導引頭入瞳處接收到的激光能量值。通過外彈道數(shù)據(jù)可知，導彈在導引飛行時距目標約為3km，飛行高度為110m，則此時導彈導引頭與目標靶法向夾角約為10°，則由實測數(shù)據(jù)可推算出導引頭接收到的反射能量為：P=7.5× 10-7W，大于導引頭工作閾值4.5×10-7W，滿足導引頭正常工作需求。

隨著導彈與目標靶的距離的減少，導彈與目標靶法向的夾角也逐漸變小，由公式（9）可知，這些均會導致導引頭接收到的能量逐漸增大，所以，只要導引頭在3km處接收的反射能量值大于導引頭設(shè)定工作閾值，那么隨著導彈與目標距離的減小，導引頭接收到的反射能量值會越來越大，只要此過程中激光照射器沒有丟失脈沖現(xiàn)象，保證導引頭始終能接收到穩(wěn)定的能量信號，再通過對光斑位置信號的處理形成有效的制導控制指令，控制導彈飛行直至命中目標［7］。

因此，在激光半主動制導科研試驗中，通過外場激光能量編碼測量設(shè)備實現(xiàn)外場激光脈沖能量和編碼的精確測量，通過對激光脈沖能量大小和編碼的分析，借助激光光學傳遞鏈可以實現(xiàn)外場激光導引性能的評判。

5 結(jié)論

隨著激光半主動制導武器的廣泛應(yīng)用，外場激光導引性能的評估成為該型武器裝備科研試驗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文提出了一種基于激光照射器-大氣-目標-大氣-導彈光學傳遞鏈的激光能量傳遞模型，通過外場試驗實測數(shù)據(jù)可完成導引頭入瞳處接收能量的計算分析，為外場激光導引性能分析提供了依據(jù)，具有較高的實用價值和經(jīng)濟價值。

［1］王江，林蔚，王鵬，等.激光半主動制導武器半實物仿真系統(tǒng)能量鏈研究［J］.紅外與激光工程，2011，40（7）：1230-1233.

［2］袁宏學，王小兵，吳穎霞.目標激光散射場測試技術(shù)及工程研制［R］.華陰：中國華陰兵器試驗中心，2004.

［3］陳龍，吳偉勝，張亞峰.激光半主動制導武器試驗條件分析［C］.第十一屆全國光學測試學術(shù)研討會，青島，2006.

［4］閆煒.典型軍事目標激光散射特性的建模仿真［D］.南京：南京理工大學，2005.

［5］叢明煜，邵成勛，王學孝.1.06μm激光半主動制導的目標與大氣環(huán)境模型［J］.紅外與激光工程，2000，29（4）：71-77.

［6］華創(chuàng)錄.外場激光導引性能測試系統(tǒng)研究［D］.長春：長春理工大學，2016.

［7］賈選軍.激光半主動制導參數(shù)優(yōu)化的研究［D］.南京：南京理工大學，2004.

Analysis of Laser Guidance Performance in External Field

HUA Chuanglu1，WANG Chunyan1，WANG Xiaoman2，LIU Zhi2
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

The analysis of laser guidance performance is an important link in the research of laser semi-active guided weapons.Based on the analysis of the optical transmission chain from laser target indicator-atmosphere-target-atmosphere-missile in laser semi-active guidance experiment and the study of the characteristics of the laser atmospheric transmission and the target laser scattering，the laser energy transfer model is established from the laser target indicator to the target and from the target to the detector.The calculation and analysis of the received energy at the entrance pupil of the seeker are carried out by the theoretical calculation and the measured data of the external field experiment，which provides the basis for the external field laser guidance performance analysis，and has high practical value and economic value.

characteristics of laser atmospheric transmission；target reflection characteristics；laser energy

TN249

A

1672-9870（2017）01-0060-04

2016-12-19

華創(chuàng)錄（1976-），男，碩士，工程師，E-mail：bighua2004@126.com

王春艷（1971-），女，教授，E-mail：wcy@cust.edu.cn