大氣對(duì)艦載激光武器效能影響的研究

何奇毅,宗思光

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北武漢 430033)

隨著激光武器的研發(fā)以及激光功率的不斷提高,艦載激光武器得到了各國(guó)海軍的廣泛關(guān)注,它利用高能激光的強(qiáng)大能量對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷,它具有靈活、快速、精確和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)[1]。艦載激光武器對(duì)防空反導(dǎo)目標(biāo)的毀傷效果主要是由激光發(fā)射功率、大氣傳輸特性、激光武器系統(tǒng)精度以及目標(biāo)特性決定[2],其中,激光發(fā)射功率參數(shù)和激光武器系統(tǒng)精度參數(shù)在武器系統(tǒng)研發(fā)時(shí)已基本確定,目標(biāo)特性由實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境決定,因此,大氣傳輸特性是影響艦載激光武器作戰(zhàn)效能的唯一可變因素,開(kāi)展大氣傳輸特性的研究對(duì)艦載激光武器的發(fā)展與應(yīng)用具有重要的意義,研究并建立不同大氣環(huán)境下的激光傳輸特性模型,有利于艦載激光武器的研究與發(fā)展。

本文分析了艦載激光武器的優(yōu)缺點(diǎn),介紹了大氣吸收、散射、湍流以及熱暈等因素對(duì)激光傳輸?shù)挠绊?最后利用激光系統(tǒng)仿真軟件對(duì)大氣傳輸湍流模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,驗(yàn)證了大氣湍流模型的有效性。

1 艦載激光武器的作戰(zhàn)特點(diǎn)

1.1 艦載激光武器系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

激光武器系統(tǒng)主要由高能激光器、紅外跟蹤裝置、光束控制系統(tǒng)以及火控系統(tǒng)等四部分組成。與常規(guī)武器相比,激光武器具有命中精度高、反應(yīng)迅速、抗電磁干擾能力強(qiáng)、效費(fèi)比高等特點(diǎn),可執(zhí)行硬軟毀傷、探測(cè)、輔助制導(dǎo)等任務(wù)[3]。另外,在國(guó)家利益的驅(qū)使下各國(guó)領(lǐng)土領(lǐng)海交界處非傳統(tǒng)安全作戰(zhàn)時(shí)有發(fā)生,面對(duì)小型水面船只的騷擾挑釁,利用傳統(tǒng)艦炮武器還擊不僅需要消耗大量的彈藥,也容易造成事態(tài)的惡化,此時(shí)利用低功率的艦載激光武器對(duì)目標(biāo)實(shí)施“軟打擊”,可以有效并隱蔽地處理這類(lèi)目標(biāo)。基于以上特點(diǎn),艦載激光武器在防空反導(dǎo)領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì),能有效提高水面艦艇攔截危險(xiǎn)目標(biāo)的能力。圖1為艦載激光武器發(fā)射裝置。

圖1 艦載激光武器發(fā)射裝置

1.2 艦載激光武器的作戰(zhàn)局限性

艦載激光武器既有常規(guī)武器不具備的優(yōu)勢(shì),也有其特定的不足之處,在作戰(zhàn)中還不能完全取代傳統(tǒng)武器,它具有以下局限性。

1)艦船處在周期性搖擺中,使艦載激光武器很難鎖定目標(biāo),平臺(tái)抖動(dòng)會(huì)使激光束保持在目標(biāo)固定點(diǎn)上的難度增大,因此光束控制系統(tǒng)必須:

①跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng),保持對(duì)目標(biāo)點(diǎn)瞄準(zhǔn);

②控制激光束的抖動(dòng)和漂移,以保持激光束在瞄準(zhǔn)點(diǎn)上;

③在整個(gè)駐留時(shí)間內(nèi)盡量保持靶上光斑最小。

艦載激光武器若要實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)功能,就必須具有一個(gè)高精度、穩(wěn)定的光束控制系統(tǒng),以隔離載體的搖擺運(yùn)動(dòng)和振動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)的精密跟蹤[4]。

2)激光在大氣中傳輸時(shí)受到各種線性和非線性光學(xué)效應(yīng)的影響,大氣對(duì)激光吸收和散射的物理機(jī)制、激光在湍流大氣中的物理過(guò)程都與激光能量無(wú)關(guān),到靶激光能量與初始激光能量呈線性關(guān)系,因此稱(chēng)大氣對(duì)激光的吸收與散射效應(yīng)以及大氣湍流引起的湍流效應(yīng)為線性光學(xué)效應(yīng)。當(dāng)發(fā)射激光能量足夠大時(shí),激光傳輸加熱空氣足以使其密度發(fā)生改變,導(dǎo)致大氣介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,從而影響激光的傳輸,這種由于自身加熱空氣造成的效應(yīng)稱(chēng)為熱暈效應(yīng),到靶激光能量與初始激光能量呈非線性關(guān)系,因此熱暈屬于非線性光學(xué)效應(yīng)。表1為主要的大氣光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理。

表1 主要大氣光學(xué)效應(yīng)及其產(chǎn)生機(jī)理

2 大氣光學(xué)特性對(duì)激光傳輸效能的影響

大氣對(duì)激光武器系統(tǒng)的主要影響可以歸結(jié)為3種大氣現(xiàn)象:吸收、散射和湍流效應(yīng)。這3種現(xiàn)象都有不同程度的波長(zhǎng)依賴性,對(duì)激光的傳播有直接危害。此外,吸收現(xiàn)象還能對(duì)高能激光傳輸產(chǎn)生非線性熱暈效應(yīng)。

激光武器的有效作用距離主要由照射到目標(biāo)上的激光功率密度、照射時(shí)間以及目標(biāo)的破壞閾值決定,其中,激光功率密度由激光武器輸出功率、光束質(zhì)量以及激光大氣傳輸?shù)纫蛩貨Q定,計(jì)算公式為[5]

q=aD2Pη/λ2β2L2

式中，q為到靶激光功率密度;λ為激光的波長(zhǎng);β為光束質(zhì)量因子;η為大氣透射率;D為發(fā)射主鏡的直徑;L為目標(biāo)距離;P為激光束的功率(發(fā)射望遠(yuǎn)鏡處的);α為常數(shù)。

通過(guò)上述公式可以看出,在激光武器輸出功率以及光束質(zhì)量基本確定的情況下,目標(biāo)距離一定時(shí),到靶激光功率密度受大氣透射率的影響最大。大氣透射率主要受兩方面因素的影響,首先,作戰(zhàn)時(shí)需要將光斑聚焦在目標(biāo)上一段時(shí)間,大氣光學(xué)效應(yīng)對(duì)激光能量的衰減會(huì)對(duì)光斑聚焦效果造成嚴(yán)重影響;其次,由于激光束功率密度高,很容易產(chǎn)生非線性熱暈效應(yīng),從而影響激光武器的到靶功率密度。

2.1 大氣吸收、散射對(duì)激光傳輸效能的影響

在近海面大氣環(huán)境中存在高濃度水汽和氣溶膠粒子,濕度較大,大氣對(duì)激光的吸收、散射現(xiàn)象嚴(yán)重,使到達(dá)目標(biāo)的激光功率降低。激光通過(guò)近海面大氣傳播時(shí),其能量逐漸減少,主要包括大氣中分子和氣溶膠對(duì)激光的選擇性吸收引起的衰減以及大氣中分子和懸浮微粒對(duì)激光的散射引起的衰減。

大氣的吸收作用使部分被吸收的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?大氣分子、氣溶膠粒子的不均勻性會(huì)使激光產(chǎn)生散射,從而使部分能量被散射而偏離原來(lái)的傳播方向。大氣的吸收和散射效應(yīng)與海拔高度有關(guān),海拔越低水蒸氣的濃度越大,水蒸氣吸收的能量也越多,因此海面大氣對(duì)激光的吸收和散射導(dǎo)致激光衰減的現(xiàn)象更嚴(yán)重。

在線性光學(xué)范圍內(nèi),光強(qiáng)I(ν,z)隨傳輸距離z的變化遵從比爾(Beer)定律：

I(ν,z)=I0(ν)exp[-(α+s)z]

式中，I0(ν)為z=0參考面上的光強(qiáng),ν為頻率,α和s分別為吸收系數(shù)和散射系數(shù),其和(α+s)稱(chēng)為消光系數(shù)。

2.2 大氣湍流對(duì)激光傳輸效能的影響

當(dāng)激光在湍流大氣中傳輸時(shí),大氣湍流造成的折射率的起伏導(dǎo)致了激光波陣面的畸變,破壞了激光的相干性,相干性的退化嚴(yán)重削弱了激光的光學(xué)質(zhì)量,湍流大氣對(duì)激光的影響包括:激光束在垂直于傳輸方向的截面上發(fā)生漂移和擴(kuò)展,聚焦光束的焦點(diǎn)位置在傳播方向上發(fā)生改變[6]。

湍流大氣對(duì)激光傳輸最直觀的影響是光強(qiáng)分布，即光斑形狀的改變,大氣湍流對(duì)激光相干性的破壞表現(xiàn)在一系列物理量的改變上,從效果上看,降低了光學(xué)質(zhì)量,大氣湍流在影響光波相位的同時(shí),也引起振幅的變化,振幅變化導(dǎo)致光強(qiáng)起伏,這就是通常所說(shuō)的閃爍現(xiàn)象。

對(duì)大氣湍流影響的校正技術(shù)是相位校正技術(shù),例如自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),其目的是使激光束不受大氣的影響，按照設(shè)定的方式傳播到目標(biāo)處。隨著光電技術(shù)的發(fā)展,自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)日益成熟,在激光大氣傳輸?shù)南辔恍Ｕ矫娅@得了很大的進(jìn)展,相位校正的效率和大氣湍流特性密切相關(guān)[7]。

2.3 熱暈效應(yīng)對(duì)激光傳輸效能的影響

當(dāng)強(qiáng)激光穿過(guò)空氣時(shí),激光能量被吸收并加熱空氣,密度降低,導(dǎo)致局部空氣折射率的減小,使得空氣類(lèi)似于一個(gè)負(fù)透鏡的作用,激光偏離預(yù)定的方向傳輸,稱(chēng)為熱暈效應(yīng),熱暈效應(yīng)是一種非線性效應(yīng),當(dāng)?shù)桨泄β拭芏冗_(dá)到最大值后,增加發(fā)射激光功率,會(huì)降低到靶功率密度。熱暈效應(yīng)可以用熱畸變數(shù)來(lái)描述,即

式中,z為R方向的距離,R是光束總的傾斜路徑長(zhǎng);nT=dn/dT=(n0-1)/T;α(z)為吸收系數(shù);Vwind(z)為垂直于光束方向的有效風(fēng)速;P為激光功率;k為波數(shù);D(z)為光束直徑;斜體T為溫度,而T(z)則是z處的透射系數(shù)。

當(dāng)ND>25時(shí),熱暈效應(yīng)將成為一個(gè)十分嚴(yán)重的問(wèn)題,熱暈效應(yīng)隨激光功率的增加、大氣吸收的增強(qiáng)以及光斑尺寸的減小而更加顯著。近海面水蒸氣含量較高,大氣吸收、散射和湍流效應(yīng)會(huì)加強(qiáng),導(dǎo)致熱暈效應(yīng)對(duì)激光傳輸?shù)挠绊懠哟蟆Ｄ承┎ㄩL(zhǎng)的激光位于大氣窗口很少被大氣吸收,熱暈效應(yīng)不明顯,例如,Nd:YAG固體激光器波長(zhǎng)1.064 μm,熱暈效應(yīng)對(duì)其影響較小,因此為了減小熱暈效應(yīng)對(duì)激光大氣傳輸?shù)挠绊懣梢赃x擇合適波長(zhǎng)的激光[8]。

3 基于激光系統(tǒng)仿真軟件EasyLaser的激光傳輸數(shù)值計(jì)算

3.1 EasyLaser軟件的基本功能

激光系統(tǒng)仿真軟件EasyLaser能夠?qū)す庀到y(tǒng)進(jìn)行模擬仿真,具備對(duì)光束的光學(xué)元件間傳輸、大氣傳輸(如大氣中湍流效應(yīng)、熱暈效應(yīng)以及消光效應(yīng)對(duì)光束的影響)、自適應(yīng)光學(xué)校正等復(fù)雜過(guò)程的建模與仿真能力,可提供參數(shù)設(shè)置、輔助設(shè)計(jì)和運(yùn)行[9]。EasyLaser軟件的研發(fā)填補(bǔ)了一直以來(lái)國(guó)內(nèi)缺乏對(duì)激光系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真的空缺,利用軟件搭建大氣湍流效應(yīng)的仿真光路模型,能進(jìn)行自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)大氣湍流效應(yīng)校正效果的研究。

3.2 大氣傳輸數(shù)值計(jì)算

為了分析大氣湍流效應(yīng)對(duì)光束傳輸?shù)挠绊?驗(yàn)證大氣傳輸湍流模型的有效性,搭建如圖2所示的仿真模型,“平面波光源” 組件發(fā)出的光束,經(jīng)過(guò)光路通道中一系列光學(xué)元件間傳輸一定距離后,通過(guò)“望遠(yuǎn)鏡”組件發(fā)射,在大氣中以仰角45°斜向上傳輸,入射到“測(cè)量靶”組件中,通過(guò)積分靶對(duì)其到靶光斑特征進(jìn)行測(cè)量。平面波光源波長(zhǎng)為0.532 μm,光路通道中光束口徑為0.15 m,望遠(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)口徑為0.85 m(只考慮其縮束和調(diào)焦功能,不考慮其遮攔),調(diào)焦至10 km處,中等湍流大氣模式,并以地面湍流強(qiáng)度進(jìn)行標(biāo)度,光束在大氣中45°斜向上傳輸10 km,全程傳輸效率90%(分光鏡BS1反射率)×92.3%(外大氣)=83.1%。平頂光束瞬態(tài)幀光斑半徑理論計(jì)算公式為:

D/r0<3;

D/r0>3。

其中,R為到靶光斑半徑,λ為平面波光源波長(zhǎng),β為光束質(zhì)量因子,D為望遠(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)口徑,r0為光路通道中光束口徑。

圖2 純湍流條件下的光路搭建

通過(guò)計(jì)算得出不同D/r0時(shí),即不同的望遠(yuǎn)鏡發(fā)射系統(tǒng)口徑與光路通道中光束口徑比值時(shí),大氣湍流條件下激光到靶半徑的分布結(jié)果如圖3所示,該結(jié)果驗(yàn)證了大氣湍流模型的有效性,大氣湍流造成激光武器光束質(zhì)量大大降低,可采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)補(bǔ)償大氣湍流的畸變,選擇合適波長(zhǎng)的激光能減少大氣的吸收和衰減,從而提高大氣環(huán)境下激光傳輸效率,受限于研究條件,大氣湍流對(duì)于激光的傳播影響還需深入研究。

圖3 純湍流條件下到靶光斑半徑與理論值對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

研究大氣傳輸特性對(duì)艦載激光武器效能的影響,對(duì)增強(qiáng)激光傳輸可靠性、提高激光系統(tǒng)研發(fā)效率、發(fā)展靈活、快速、精確的高能激光武器具有重要意義。本文介紹了艦載激光武器的特點(diǎn),分析了大氣傳輸?shù)墓鈱W(xué)特性,最后結(jié)合近年來(lái)激光系統(tǒng)仿真軟件的開(kāi)發(fā)與研究,對(duì)激光仿真軟件EasyLaser進(jìn)行了介紹,計(jì)算了純大氣湍流下的仿真模型。

目前,為了改善激光器輸出激光的光束質(zhì)量可采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù),該技術(shù)主要是校正大氣湍流對(duì)激光造成的畸變,用于激光大氣傳輸?shù)南辔谎a(bǔ)償,提高靶斑能量集中度。艦載激光武器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中不可忽視的一股力量,各軍事強(qiáng)國(guó)已廣泛開(kāi)展對(duì)艦載激光武器的研究,大氣光學(xué)效應(yīng)對(duì)高能激光傳輸?shù)挠绊憞?yán)重限制了激光武器系統(tǒng)的效能,發(fā)展激光武器必須重視大氣光學(xué)性質(zhì)對(duì)其傳輸效能的影響,相關(guān)研究必將再上一個(gè)臺(tái)階。