激光指示器作用距離建模

摘 要:為了準(zhǔn)確計(jì)算激光指示器的有效作用距離，本文基于單基地雷達(dá)的作用距離方程，建立了含光功率的激光指示器作用距離估算模型。介紹了一種采用CCD作為探測(cè)器的光功率檢測(cè)方法，并采用數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)準(zhǔn)確的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞:激光指示器 作用距離 雷達(dá)方程

中圖分類號(hào):TN206文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)03(a)-0011-01

1 引言

激光指示器作為輕武器的輔助瞄準(zhǔn)設(shè)備已有很長(zhǎng)時(shí)間的歷史，其性能可靠，精確，被執(zhí)法部門(mén)和軍事部門(mén)廣泛采用，作用距離影響著激光指示器的作戰(zhàn)能力和潛在威力。因此對(duì)其準(zhǔn)確的測(cè)量有著重要的意義。

傳統(tǒng)檢測(cè)方法是在距離激光指示器激光出射口50m的距離處放置一個(gè)靶標(biāo)，看是否能看到靶標(biāo)上的激光光斑作為檢測(cè)其作用距離標(biāo)準(zhǔn)。這種檢測(cè)方法檢測(cè)精度低，受人為因素影響較大，本文采用CCD檢測(cè)方法可對(duì)其進(jìn)行定量的測(cè)量。

2 雷達(dá)方程

設(shè)雷達(dá)輻射功率為Pt，輻射雷達(dá)天線的增益為Gt，則距雷達(dá)天線R遠(yuǎn)的目標(biāo)處的功率密度S為

(1)

目標(biāo)受到雷達(dá)發(fā)射電磁波的照射，將產(chǎn)生目標(biāo)散射回波。若假定目標(biāo)可將接收到的功率無(wú)損耗地輻射出來(lái)，則可得到目標(biāo)散射功率P2為

(2)

若不計(jì)傳播衰減，計(jì)入各種衰減損耗時(shí)，則以功率形式表示的最基本的雷達(dá)方程為:

(3)

其中L為衰減系數(shù)。

3 激光指示器作用距離建模及檢測(cè)方法

3.1 作用距離建模

激光指示器激光出射口徑D=4mm，束散角為2，則在距離激光器出射口R處光斑的面積為:

(4)

由光照度公式，得光斑在距激光指示器出射口R處的光通量為:

(5)

激光指示器的輻通亮為:

(6)

激光指示器的波長(zhǎng)為nm，由光譜光效函數(shù)得出波長(zhǎng)為635nm的光譜光效率值=0.6代入(6)式得:

(7)

半導(dǎo)體激光在發(fā)射及傳輸過(guò)程中其實(shí)質(zhì)是一種電磁波，因此，半導(dǎo)體激光的功率可借鑒雷達(dá)方程來(lái)表述。但與雷達(dá)方程不同的是，激光指示器發(fā)出的激光只經(jīng)歷由出射口到目標(biāo)一個(gè)路程。則由(3)式，距激光指示器出射口R處的功率值可寫(xiě)為:

(8)

若把式中看作激光在大氣中傳播時(shí)的各種能量損耗，記為，根據(jù)大氣傳輸透過(guò)率與作用距離函數(shù)關(guān)系，稱激光單程水平大氣傳輸率:

(9)

這里用激光單程水平大氣傳輸率代替，則(8)式可寫(xiě)為:

(10)

其中V為能見(jiàn)度，冪指數(shù)q與散射粒子的尺寸分布有關(guān)，其一般值在高能見(jiàn)度時(shí)為1.6，中等條件時(shí)為1.3，而在低能見(jiàn)度(<6Km)時(shí)為。根據(jù)激光指示器使用環(huán)境可知，背景照度≤50Lux，故取能見(jiàn)度V=5km，可以得出冪指數(shù)q=1.585×51/3=1.000336≈1。距激光指示器為R處激光的輻射通量與距激光指示器為R處的功率值相等，即:

(10)

因此得出激光指示器作用距離R與激光器在R處功率Pt之間的關(guān)系式:

(11)

其中，D:激光出射口徑為4mm，已知;R:作用距離，未知;:激光的光束發(fā)散角，已知;:激光的波長(zhǎng)，，已知;Pt:出射口處激光的功率值，可測(cè)。

3.2 光功率檢測(cè)方法

采用CCD檢測(cè)方法可同時(shí)對(duì)激光束散角、光功率同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。系統(tǒng)主要由激光指示器、衰減片、功率計(jì)以及CCD攝像系統(tǒng)組成。

測(cè)的激光指示器光功率與CCD測(cè)得的平均灰度值關(guān)系，如表1所示。

由表中數(shù)據(jù)利用Matlab軟件進(jìn)行最小二乘法直線擬合得出光功率與平均灰度之間的關(guān)系式:

G=117.43Pt+19.92(12)

式中Pt的單位為μw，G為CCD測(cè)得的激光光斑的平均灰度值。

將(12)式代入(11)式得作用距離與平均灰度之間的關(guān)系:

(13)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的激光指示器，將光波大氣傳輸透過(guò)率其引其作用距離建模中，使建模更加符合實(shí)際和準(zhǔn)確。并采用CCD檢測(cè)方法對(duì)光功率進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)求解方程即可定量求得作用距離。

參考文獻(xiàn)

[1]毛翔等.新穎亮相:一體式激光指示器[J].武器分析，2009.

[2]楊曉杰，何永強(qiáng)等.簡(jiǎn)易估計(jì)激光探測(cè)系統(tǒng)作用距離[J].光電工程，2009，9.

[3]崔毅.照度閾值在RVR計(jì)算中的應(yīng)用[J]，大氣水文海洋儀器，2007.

[4]王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社，2001.

①作者簡(jiǎn)介:劉永超(1986，08—)，男，碩士，單位:長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，研究方向:測(cè)控技術(shù)及儀器。