艦載激光測距儀觀測能力預報模型研究*

錢貴鑫 李進軍 由大德 佘 博

(1.海軍大連艦艇學院 大連 116018)(2.海軍工程大學 武漢 430033)

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艦載激光測距儀觀測能力預報模型研究*

錢貴鑫1李進軍1由大德1佘 博2

(1.海軍大連艦艇學院 大連 116018)(2.海軍工程大學 武漢 430033)

結合激光測距儀的工作原理,對艦載激光測距儀在不同條件下的觀測能力進行模型構建。結合艦船平臺利用能見度進行相應數值模型運算,解算出最大測程與能見度的關系曲線,并結合數據進行對比分析,從而把握艦載激光測距儀觀測能力規律。模型的構建提出將有效解決艦船作戰過程中遇到的觀測威力預報問題,為作戰方案的制定提供科學決策,并對艦船作戰訓練具有重要意義。

激光測距儀; 觀測能力

Class Number TP391.7

1 引言

隨著國際形勢的發展變化,海軍戰略地位的上升,海軍艦載武器裝備在短期內得到了迅猛的發展和提高。武器裝備性能上的提升成功的解決了以前打不到、打不準的問題。激光測距儀作為在艦船上廣泛使用的光電觀測設備,其在觀測性能上也得到較大提高。伴隨著艦載觀測裝備性能的提升,對其在不同作戰環境下觀測裝備的威力預報研究日趨迫切。

針對當前這一問題,開展艦載激光測距儀觀測能力預報模型的研究,可以有效解決艦船作戰過程中觀測威力預報,為作戰方案的制定提供科學決策,對平時艦船作戰訓練具有重要意義。

2 激光測距技術

由于脈沖激光測距技術具有結構簡單、測程遠和功耗小等優點,激光測距機(圖1為脈沖激光測距儀基本組成框圖)在各型裝備上得到了廣泛的應用[1～4]。本文主要以這一類型激光測距儀作為主要研究對象,并結合艦船平臺構建相應模型,對其主要性能參數最大測程的分析,最終實現觀測能力預報模型的研究。

3 模型的構建

激光作用距離的普遍方程為[5～6]

(1)

式中Pr為接收到的回波信號功率;Pe為激光光源的發射信號功率;TA1為激光光源到目標的大氣透過率;TA2為目標到接收機的大氣透過率;ηe為發射光學系統的光學效率;ηr為接收機光學效率;K為激光光束輪廓參數;θ為光束束寬;r1為發射機到目標的距離;r2為目標到接收機的距離;Γ為目標激光的截面;D為接收機的接收系統有效孔徑。

圖1 脈沖式激光測距儀的基本組成框圖

在實際應用中,一般都是單站系統,也就是說激光發射和激光接收在同一位置上,因而可以進一步把式(1)簡化成大目標和小目標兩種情況。

小目標是指目標的張角小于激光光束角,此時有:

(2)

式中,r1=r2;TA1=TA2=TA;Ae為目標面積;Ar為接收光學系統面積;ρ為目標半球反射率;a為目標表面法線方向與測距光束的夾角。

大目標是指目標的張角大于激光束發散角,如果此時認為目標在照射區內的光強為均勻分布,則有:

(3)

由于激光束是在稠密大氣中傳播,所以將會受到大氣衰減的影響。激光束在大氣中的衰減由大氣中的分子、水蒸氣及氣溶膠粒子的散射和吸收造成。

針對大氣透過率與大氣衰減系數相關,大氣衰減系數的確定方法有三種:經驗公式確定法、經驗值確定法和透過率軟件確定法。而大氣透過率也可由這三種方法求出。

3.1 經驗公式確定法

其中氣溶膠的散射是引起衰減的主要原因,工程上利用氣象學中的大氣能見度RV,在水平路徑R上的大氣光譜透過率t為(Bougner定理)[7]:

(4)

(5)

式中:λ0為測試能見距離的光波長,一般采用0.55μm;a為與能見度有關的的指數系數。

3.2 經驗值確定法

大氣衰減系數常采用經驗值2.7與大氣能見度之比的方法確定,如下式:

(6)

T=e-σr

(7)

式中σ為用經驗值確定的大氣衰減系數。

3.3 透過率軟件確定方法

當前計算大氣透過率的軟件可采用PcModWin。該軟件是計算可見光和紅外光透過率、陽光與背景輻射的專用軟件,通過設置相應的氣象參數,分別計算出不同能見度或距離下的透過率。

綜合三種方法,選用經驗公式的方法進行模型的進一步構建。

在測距方程(2)、(3)中,當Pr取臨界穩定測距狀態時的回波功率即最小功率Prmin的時候即為該環境下的激光測距機的最大測程Rmax。將式(4)帶入式(2)、式(3)可得最大測程計算公式如下:

(8)

(9)

針對艦載平臺,由于艦船相應部門在實際測量氣象條件時,會給出當時的氣象條件,這其中就包含有能見度RV。將測得的能見度帶入經驗公式計算法中,從而實現一階超越方程的最大測程解算。實現威力預報。

艦船指揮和操作人員可以得到的觀測裝備威力預報,依據作戰條件,利用預估得到的觀測器材觀測能力,實現相應的作戰方案制定的科學性,保證在作戰過程中能夠有效、及時地觀測目標和毀傷效果等,從而實現作戰能力的提升。

4 模型數值計算

下面以小目標為例,利用數值算法進行數值模擬計算。

4.1 直接計算方法

為了便于測距能力計算,對方程中的參數,參照常見測距儀指標和目標特性進行設定。

激光發射功率Pe設為x1(MW);激光測距儀最小接收功率為x2(W);激光束波長取x3(μm);光束發散角θ為x4(rad);發射光學系統透過率ηe和接收光學系統ηr都為x5;接收光學系統口徑Ae為x6(mm);

目標特性:目標有效反射面積Ar為x7(m)2;目標表面法線與測距光路夾角為x8(°);目標反射系數ρ為x9。在以后的計算中,均采用上述指標。

針對式(8)帶入上述參數,利用牛頓迭代法解一階超越方程。結合不同能見度,求出激光測距機的最大測距距離。

4.2 激光測距機的不同能見度測程曲線

利用文中的直接計算法,可以方便的研究計算不同波長、不同激光測距機對不同表面積、反射率的目標在不同能見度條件下的最大測程,可以定量的分析各個相關參數對最大測程的影響。

圖2 不同波長測距儀測程曲線

圖3 不同發射功率測距儀測程曲線

圖2給出的是1.062μm、1.54μm、1.7μm三種波長的測距儀在不同能見度下的最大測程曲線。圖3給出的是波長在1.062μm,峰值功率分別是1.5MW、15MW、150MW的測距儀在不同能見度下的最大測程曲線。由圖2、圖3可知,在相同條件下:

1) 隨著能見度的增加,同一激光測距儀的最大測程逐漸趨于平緩狀態,能見度在20km時對最大測程的影響較大;

2) 高峰值功率的測距儀在能見度越高時,最大測程的提升越多;

3) 波長為1.54μm和1.7μm的測距儀最大測程指標明顯優于1.062μm的測距儀。

5 結語

本文通過激光測距儀工作原理,由激光在空氣中作用距離的普遍方程推出的激光測距儀的最大測程,定量計算出激光測距儀的最大測程,結合艦船相應部門提供的氣象參數和相應的測距儀參數等,可快速方便地完成不同能見度下最大測程的計算。該方法可以有效解決對岸作戰觀測能力預報的問題,為作戰方案的制定提供科學決策,對艦船相應戰斗力的提高具有十分重要的意義。

[1] 高稚允,高岳,張開華.軍用光電系統[M].北京:北京理工大學出版社,2008:52-64.

[2] 孫華燕,張廷華,韓意.軍事激光技術[M].國防工業出版社,2012:56-66.

[3] 蔣冰莉,王江安,宗思光.艦用探測大氣能見度激光雷達樣機的試驗研究[J].激光與紅外,2005(35):548-550.

[4] 韓志強.激光測距機關鍵技術研究[D].西安:西安電子科技大學,2006.

[5] 周立偉,劉玉巖.目標探測與識別[M].北京:北京理工大學出版社,2014:195-203.

[6] 王小鵬,梁燕熙,紀明.軍用光電技術與系統概論[M].北京:國防工業出版社,2011:217-228.

[7] 邢向楠,崔巖梅,張富根,等.能見度測量技術現狀及發展趨勢綜述[J].計測技術,2010(30):15-20.

Ship-based Laser Rangefinder Observing Capabilities Forecasting Model

QIAN Guixin1LI Jinjun1YOU Dade1SHE Bo2

(1. Dalian Naval Academy, Dalian 116018)(2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Combined with laser rangefinder working principle, shipboard laser rangefinder observing capabilities under different conditions model is constructed. By using the corresponding numerical simulation visibility operations which combine with the ship platform, it can give the relation curve with the maximum range of visibility. Construction of the model put forward can effectively solving the combat ship’s observing capabilities forecasting problems and provide scientific decision-making for the development of operational plans. It has important implications for the usual combat ship’s training.

laser rangfinder, observing capabilities

2015年2月11日,

2015年3月22日

錢貴鑫,男,碩士研究生,研究方向:武器系統應用工程。

TP391.7

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.039