煙塵對脈沖激光的衰減特性研究

孫小龍 張祥金

摘 要：脈沖激光在穿過煙塵介質時發出的脈沖光束會與煙塵微粒發生相互作用，影響激光測距系統的工作可靠性。文章對脈沖激光在煙塵環境下的傳輸特性展開研究，得到了傳輸過程中一定脈長激光能量透過率與煙塵質量濃度的數值關系模型，為戰場煙塵環境下如何提高激光引信定距系統的工作性能提供了理論參考。

關鍵詞：激光定距系統；散射與吸收；能量衰減；能見度

引言

隨著科學技術的不斷發展，高新科技越來越多的應用于現代戰爭中，一方面，如今的戰場已經不再是冷兵器的天下，傳統的作戰方式也已經跟不上現在戰場信息化的腳步；另一方面，隨著武器越來越多的融合進高新前沿科技，未來的戰場也對彈藥和引信提出了更高的要求[1]。

傳統的近炸引信使用無線電探測技術進行目標的探測識別，而如今的戰場環境，硝煙彌漫不說，各種電磁軍事產品來往穿梭于戰場，使得近炸引信中傳統的無線電探測受到的干擾與日俱增。激光技術應用于引信產品中具有眾多優點包括單色性和方向性好，便于實現引信定位精度的提高；保密且抗干擾性能強，不易被敵方偵查攔截；距離截止特性好，能夠有效抑制目標距離之外的回波信號的干擾；而亮度高的特性大大提高了引信系統的靈敏度。激光引信可靠性高、安全、成本低，正在不斷發展，并越來越多的應用于各種導彈系統中，包括迫擊炮彈、破甲彈、反坦克導彈、空空導彈、反艦導彈等等[2]。

然而，激光測距實際應用仍存在一些問題。激光在通過煙塵環境傳輸的過程中，煙塵粒子會對激光光束造成吸收和散射等復雜效應，使得激光傳輸過程中能量衰減，最終造成激光引信的不可靠工作甚至是失效，更嚴重的可能產生誤炸等危險事件[3]。了解與掌握激光煙塵傳輸規律，不僅具有重要的學術價值，而且在國防上也都具有重要的應用前景[4]。

1 能量衰減的數值計算

激光在傳輸過程中，能量的衰減特性與激光波長和氣候條件有關[5，6]。在煙塵條件下傳播時，激光的衰減率計算與煙塵粒子的折射率系數密切相關。大氣中漂浮著的煙塵粒子其折射率與大氣折射率明顯不同，所以在光束通過煙塵介質時，會發生傳輸上的不連續即發生散射和吸收。散射雖然不會是能量消失，但是經過粒子的散射后，在原來的傳播方向上，激光能量會衰減，吸收損耗則隨波長而發生變化。

我們用三個系數來表征激光在煙塵環境中的能量衰減[7]：消光系數、散射系數、吸收系數。光在煙塵介質中傳輸時，光的能量衰減即為煙塵粒子對光的散射和吸收，所以消光系數等于散射系數和吸收系數之和，用表達式可以表征為：

（1）

從通量密度I0的入射波中消失的能量為？仔r2？滋extI0，消光截面為？仔r2？滋ext，作為散射能量重新出現的能量為？仔r2？滋scaI0，散射截面為？仔r2？滋sca，被煙塵粒子吸收的能量為？仔r2？滋absI0，吸收截面為？仔r2？滋abs。一次散射反照率？棕0是作為散射輻射重新出現的能量與入射波消失的能量的比值，非對稱因子g是散射輻射的散射角的余弦的平均值。

（2）

（3）

（4）

（5）

取折射率指數實部和虛部分別為1.520和0.008，波長為1.06μm，編寫程序對消光系數、散射系數和吸收系數進行數值計算，得到圖1。

從圖1可以看出，當煙塵粒子半徑小于0.1μm時，消光系數、散射系數及吸收系數均遠小于1，此時激光傳輸通道能見度高，粒子尺寸較小，對激光能量的衰減作用很弱；當粒子半徑變大至0.1μm以上時，粒子對激光光束的衰減主要是散射造成的，而且隨著粒子尺寸的增大，這種影響關系呈指數上升，吸收基本上為零，粒子對激光能量的吸收隨尺寸增加呈現緩慢上升的態勢，直到吸收系數接近1而趨于穩定。粒子的散射作用在整個過程中占據主導地位，隨著粒子半徑的增大，散射系數的曲線斜率減小，散射過渡到Mie散射，消光系數和散射系數迅速增大，消光系數最大值接近4.3，然后再以阻尼振蕩的形式慢慢收斂到2。這說明小粒子對激光的消光作用和散射作用較弱，當粒子尺寸增大到一定程度，大粒子從入射光中消去的能量正好二倍于它的橫截面所能攔截的能量，這似乎不合常理，但是事實卻正是如此。在散射系數曲線中當尺度參數為4.3時，散射系數達到最大值，此時粒子半徑為0.7μm，接近激光波長，這表明當粒子的半徑和波長相近時，粒子的散射影響最為顯著。當對不同折射率指數進行數值仿真計算發現，消光系數的最大值隨折射率變化，當折射率增大時，最大值也隨之稍有增大且最大值對應的尺度參數較小。圖中的高頻小振幅“波紋”，對研究偶極子共振具有理論意義，但在研究大氣粒子散射上沒有多大作用。

2 仿真分析

在Zemax的非序列模型中，模擬激光器對大氣煙塵中不同直徑的煙塵顆粒的傳輸特性進行研究。

仿真條件：假設激光器發射激光的波長是532nm，激光器平均功率為30w，輸出的光線為gauss光束，產生的遠場光斑是圓形光斑，并且模擬50000條激光光線，研究離激光器1m處的探測器能量。得到激光的峰值輻照度為20788w/cm平方，光斑中部能量較集中，與實際較為符合。

在激光傳輸中，離激光器100mm的中心放置煙塵顆粒，直徑為10μm。激光光束穿過煙塵到達探測器時的非相干光照圖如圖2。

圖2 非相干光照圖

結論：激光穿過單個煙塵顆粒，傳輸過程中一部分激光被顆粒散射或吸收，導致模擬的激光光束到達探測器時能量發生衰減，衰減的能量隨煙塵粒子尺寸不同略有變化，總體呈正相關，即隨著煙塵粒子直徑增大，傳輸中激光衰減的能量增加。

3 實驗研究及結果分析

針對激光引信在戰場煙塵環境下的傳輸特性，煙塵粒子粒徑大小在0.1μm～10μm范圍內，質量濃度方面參照相關統計數據，北京2000年PM2.5全年平均為101μg/m3，2004年珠三角地區PM2.5全年平均為104μg/m3，2001年至2009年，全國PM10年平均值在90μg/m3～125μg/m3范圍內，PM2.5濃度與PM10濃度比值約為0.5～0.8，以此推算最近大氣環境下PM10的濃度在100μg/m3左右[8]，而戰場煙塵濃度相對城市來說更高，實驗過程中取10μg/m3～10mg/m3范圍質量濃度進行多組實驗。

激光光束在通過不同能見度的煙塵環境時，透過率不同，煙塵濃度、照射路徑長度等都會對透過率造成影響。參考一些對能見度與煙塵濃度的研究，可以發現對一定粒子大小的煙塵，其質量濃度與能見度存在一定的關系。

能見度Vm與煙塵PM10質量濃度C的關系為：

（6）

另外，設一束波長為λ的激光光束照射到路徑長度為R的煙塵介質時，入射能量為P1，經粒子衰減后出射能量為P2，那么激光傳輸的透過率為激光出射能量與入射能量的比值：

（7）

其中？子為透過率，uext為消光系數，R為煙塵路徑長度。根據相關統計，532nm波長激光在大氣環境下煙塵質量濃度與消光系數存在這樣的對應關系[9]：

表1 能見度與消光系數關系

兩者的關系可用大氣能見度方程 表示，

其中指數q常用下列公式取值： 。戰場

環境復雜，一般能見度都不會太好，所以q的取值主要在0.585VM1/3和1.3之間。

那么結合公式（6）和（7），我們可以得到在PM10監測環境下，激光能量的透過率與煙塵質量濃度之間關系的理論模型：

（8）

實驗及結果分析，如圖3所示。

圖3 實驗條件

實驗結果數據記錄，如表2所示。

將實驗測得的數據繪圖與前面的理論計算進行對比，如圖4所示。

圖4 理論計算與實驗結果對比圖

通過上面的實驗數據與理論計算的對比可以看出，該理論模型與實際情況較為符合。通過實驗驗證的理論模型具有重要的意義，為戰場條件下脈沖激光引信穿過煙塵復雜環境時激光測距系統工作性能的研究提供了理論指導，作戰時只需要根據戰場實際大氣環境情況提供煙塵質量濃度以及通道距離，即可計算一定波長的脈沖激光穿過煙塵環境的衰減情況，預估引信作戰性能，為惡劣氣象條件下的作戰提供了數據參考。

參考文獻

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[2]呂嵩，馬輝，程彥杰，等.大氣散射對激光制導武器對抗影響研究[J].船舶電子工程，2014，8：30-35.

[3]郭婧，張合，王曉鋒.降雨衰減對激光引信精確定距的影響[J].南京理工大學學報（自然科學版），2012，3：470-475.

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[9]吳登喜，王石語，鄭永超.大氣湍流對遠紅外激光主動探測影響的試驗[J].紅外與激光工程，2009，6：986-P990.

作者簡介：孫小龍（1988，2-），男，漢族，山東臨沂人，南京理工大學機械工程學院在讀碩士，專業：兵器工程。