基于激光制導武器仿真環境的精確激光衰減模型研究

王治晶等

摘 要：對于作為目標/環境模型的主要組成部分的1.064μm激光在實驗室環境中的衰減模型的研究有著重要的意義，本文主要分析了1.064μm激光在仿真環境中的衰減特性，并在此基礎上對反射衰減性質在二維定位反射鏡鏡面渡膜中的表現進行了思考，并對平面鏡激光反射的衰減建立了相關精確模型；根據對激光在漫反射屏表面涂層（近似認為其為平面 Lambert 反射體）中反射特點的分析，在此基礎上建立了一個激光衰減模型，并在對涂層實際激光反射衰減特性的考慮過程中對這個模型進行了精確處理，建立了一個激光衰減的精確模型，在仿真環境的實驗基礎上可知這種模型是有效而正確的。

關鍵詞：激光制導；仿真環境；激光衰減模型

對激光在上述的仿真系統中要重視對激光光斑位置和激光能量的實時控制，對前者的實時控制主要可利用真實環境或實驗室仿真環境中激光衰減模型等來實現，本文就是在實驗室仿真環境中能量控制的精確模型建立方面做了進行了努力。

1 實驗室環境下對光程的分析

在圖一這個系統中，激光衰減的過程如下：控制能量在目標激光控制器中的衰減，穿過仿真環境中大氣射出激光的衰減，激光照射到鏡面反射衰減（激光照射到二維定位反射鏡系統的平面反射鏡中心），接著又是穿過仿真環境大氣激光衰減，然后是漫反射衰減和大氣衰減（激光照射到涂有漫反射材料的平面漫反射屏上）最后是導引頭接收到激光。

2 實驗室仿真環境大氣衰減

選擇晴朗天氣在實驗室仿真環境中進行相關的激光實驗，其能見度為23Km，采用水平傳輸的方式進行，并選擇中緯度夏季的海拔為0Km的近地面來進行。

2.1 實驗方法一：Bouguer-Lambert 定理的利用

2.2 實驗方法二： LOWTRAN 7 的利用

在這里本文利用了美國空軍地球實驗室的 LOWTRAN 模型來進行相關的計算，在這里選取夏季的中緯度的晴天天氣，地面海拔為0Km的近地面來進行，能見度為23Km無氣溶膠，水平（等壓）的路徑，H1 初始高度為 0Km， 0.016851Km為路徑長度，9300cm-1為頻率下限，9500cm-1為頻率上限，5cm-1為頻率間隔，在1.064 ? m激光對應頻率為 9398cm-1的情況下，其計算結果為：

綜合以上兩種實驗方法可知，在實驗室仿真環境中大氣衰減小于0.2%，所以在這種情況下，仿真環境中的大氣衰減的影響可以忽略不計。

3 平面鏡鏡面反射衰減

在普通鏡面的利用過程中有個無法克服的缺點，就是如果光入射角度不同，就會產生不同的發射效果，在這種情況下，發射率會隨著鏡面與入射光角度的變大而降低，隨著夾角越來越大，反射率會在其超過某一限度之后而降低為0，也就是說入射光會被全部吞噬，這種現象就是所謂的Brewster 定律。據此可知在能量衰減的計算中相關人員必須關注平面鏡自身渡膜和入射角的影響因素。

測量儀器：在平面鏡鏡面反射衰減的測量中，筆者使用了智能化的P&E2000 激光參數測量儀（中國計量科學研究院研制），不同的探測頭在與其合作的過程中能夠實現對連續激光功率、脈沖重復率、激光能量、平均功率的測量，并根據探測頭的參數來決定量程的長短和適用光譜的選擇。

測試方法：具體的測試方法：在測試的過程中使用了目標激光器、1.064?m

探測頭、P&E2000 激光參數測量儀等設備。測試步驟如下：第一步是激光器打開，然后對頻率和激光輸出進行設置，等到輸出能量穩定之后再進行測試。安置探測頭，對激光反射前的能力進行測量和記錄，然后對兩軸臺外環軸按測試規定進行調整，這時便出現了激光的射入角，然后再在B處安置探測頭，測量并記錄激光反射后的能量。

4 漫反射衰減

盡管Lambert 反射特性存在于任何的反射體中，但是并不是所有的具有Lambert 反射特性的物體都能夠被稱之為 Lambert 反射體的物體，只有具有了較好漫反射特性時才能被如此稱呼。而且漫反射特性在漫反射體中的不同會因為噴涂工藝（涂料的混合均勻度和顆粒分布）的差異而受到影響。本測試中就利用平面漫反射屏來對漫反射特性在目標的特性進行模擬。

4.1 使漫反射屏近似為 Lambert 反射體

Lambert 定律：在理想的狀態下，漫反射面是遵循Lambert 定律的，在這種情況下 總是與入射光各個方向的漫射光的發光強度成正比。

仿真系統分析：在這類測試中漫反射屏的不同決定了反射點處法線，筆者在這里將法線認為是近似地垂直于屏的，在導引頭整流罩中心位置選定觀察點，對于如何處理反射點則有兩種選擇：一種是為了簡化整個模型，取能量中心點即是將點選作為目標光斑；另一種是將目標光斑以面來對待，運用積分處理單位面積上的反射，在這種情況下必須對光斑的能量分布有一個預先掌握。在這兩種選擇中前者比較簡單，我們選擇前者。

首先是對屏幕坐標系中點的坐標位置進行觀察。并用 表示回轉中心與導引頭前部整流罩中心之間的距離設（單位：m），將t時刻相對于三軸臺零位狀態的內框和外框設為 和 。

4.2 漫反射屏的實際衰減

通過上述可知，對涂層的漫反射特性進行檢測就成了精確描述漫反射屏的反射特性的重要途徑。

測試方法：測試的過程中使用了目標激光器、1.064?m探測頭、P&E2000 激光參數測量儀等設備。和反射鏡反射率測試中不同的是，為獲得同一激光入射角下的多個衰減值，激光的入射方向固定之后要多次改變探測頭的位置，并依此類推變化多個入射角，然后得到多組數據。

測試結果：通過對比數椐，可以得出如下結論：首先將公式 4 乘以不同的系數 ρ的Lambert 計算值與不同激光入射角的情況下的測量值進行對比，可以得出 為漫反射屏的半球反射率；其次鏡面和近似的 Lambert 反射特性是漫反射屏的性質，所以對反射系數進行更精確的測試就需照射漫反射屏的激光要以多種角度照入。漫反射屏鏡面反射率的測試結果如圖3所示：

5 結語

綜上所述可知，漫反射衰減為：漫反射衰減=鏡面反射+ 反射特性。

本文對基于激光制導武器仿真環境的精確激光衰減模型進行了研究，通過理論分析和實驗結果檢驗建立了一套相對精確的激光衰減模型，并在測試實驗中證明了模型的有效性。

參考文獻：

[1]王仕成. 張金生.高智杰.王偉，激光制導武器仿真實驗室環境中的精確激光衰減模型[J]系統仿真學報.2004.16（2）238-237.