大气环境对激光制导武器的影响.doc

大气环境对激光制导武器的影响第2期2009年6月气象水文海洋仪器Meteorol0gical,HydrologicalandMarineInstrumentsNo.2Jun.2009大气环境对激光制导武器的影响韩小冬,高太长,刘西川,吴维h.(1.解放军理工大学气象学院,南京211101;2.解放军94923部队气象台,福建354301;3.中国白城兵器试验中心,白城137001)摘要:文章简要介绍了激光制导武器的原理和分类,从大气环境对激光制导武器目标指示系统性能的影响出发,分析了大气环境对激光的吸收,散射,折射现象以及大气气溶胶,降雨,大气湍流,霾,云雾等对激光大气传输的影响,对提高激光制导武器的制导精度和大气环境的适应性具有重要意义.关键词:大气环境;激光;制导武器中图分类号:P42文献标识码:A文章编号:1006009X(2009)02-0026-05Theinfluenceonlaser-guidedweaponsduetoatmosphericcircumstanceHanXiaodong,GaoTaichang,LiXichuan,WuWei?.(1.InstituteofMeteorology,PLAUniv.ofSci.&Tech.,Nanjing211101;2.No.94923ArmyofPLAMeteorologicalObservatory,Fujian354301;3.BaichengOrdnanceTestCenter0fChina,Baicheng137OO1)Abstract:Theprincipleandclassificationoflaser-guidedweaponsaredescribedbriefly,fromtheinfluencetotargetdesignatingsystemonlaser-guidedweaponsduetoatmosphericcircumstance.Thispaperanalysesthephenomenonofabsorption,scattering,reflectionduetoatmosphericandinfluenceoftransmitbyaerosols,rain,atmosphericturbulence,haze,cloudsfogandSOon.Thisstudyissignificantforthelaser-guidedweaponstoimprovetheprecisionandtheadaptationofenvironment.Keywords:atmosphericcircumstance;laser;guidedweapons0引言自上世纪70年代越南战争开始,到本世纪的美伊战争,精确制导武器在现代化战争中的地位越来越突显,战绩更是举世惊人,被誉为是未来兵器之"星".现代化战争,部队在强调精确打击效果,快速作战节奏,灵活的机动性以及全方位防御等作战能力的现代军事行动中,对大气环境的依赖程度不仅没有降低,反而提出了许多更新,更高的要求.战场复杂的气象水文环境极大地影响,制约着精确制导武器作战效能的发挥.目前,世界各国研制的大多数精确制导武器对战场大气环境的适应性都不是特别理想,不能完全实现全天候作战的需要,有的制导武器甚至必须有大气环境参数的输入,才能较好地发挥作战效能.光学制导武器作为精确制导武器家族中的重要成员,受到世界各国的青睐,各国都在积极研制新型光学制导武器,特别是以激光制导为主的光学制导武器.但由于战场大气环境的复杂性和不稳定性,给激光制导武器的作战性能带来了很大收稿日期:20090505.作者简介:韩小冬(1983一),男,大学,助理工程师.研究方向:大气探测理论与技术.第2期韩一J,冬,等:大气环境对激光制导武器的影响?27?的影响,为了能较大限度地发挥激光制导武器的作战效能,必须充分了解战场大气环境对制导武器作战性能的影响,在作战中避开不利因素,提高作战效率.本文通过分析大气环境对激光的吸收,散射和折射作用以及气溶胶粒子,云雾等对激光传输的影响,揭示大气环境对激光制导武器作战性能的影响,为提高激光制导武器的制导精度和大气环境的适应性提供理论基础.1激光制导武器的原理及分类激光是由激光器所发射的光,是处于激发状态的原子(或离子,分子)受激辐射产生的,它可以是可见光也可以是红外或紫外光1.与普通光相比,激光具有相干性好,方向性强,亮度高和单色性好等优点,被广泛应用于医学,工程探测,气象探测,军事等领域.在军事领域里,激光被广泛应用于新型武器装备的研制.激光制导武器就是利用激光作为跟踪和传输信息手段,信息经过导引头接收,再经过弹载计算机计算后,得出导弹(或炸弹)偏离目标的角误差量,而后形成制导指令,使弹上控制系统适时修正导弹的飞行弹道,直至准确命中目标.激光制导武器,按照其采用的制导方式不同,通常可粗略分为激光驾柬制导和激光寻的制导两大类2.按照激光源所在位置的不同,激光制导又可分为激光主动式寻的制导和激光半主动式寻的制导.随着激光制导技术的不断发展,目前的激光制导武器都在向"发射后不管"的主动式激光制导方向发展,由导弹智能化自动探测,自动识别目标,主动寻的,直到命中目标,或者与电视,红外,毫米波等制导方式实现复合制导,达到可以实施全天时,隐形化作战,不断拓展作战半径_3.阵算处理装置I目标指示器寻的器l图1激光寻的制导原理图2大气对激光制导武器目标指示系统的影响激光制导武器是采用激光束代替导线传输制导指令的光学制导武器.在良好的战场能见度条件下,激光制导武器的瞄准系统可以在较远的距离上发现目标.因此,激光目标指示器可以靠后配置,大大降低被敌发现的概率;当战场环境中出现有云雾,气溶胶,霾等不良气象条件时,引起能见度急剧下降,攻击目标物与背景问的视亮度,对比度和热对比度都可能会被大大减小,使得激光制导武器的瞄准系统发现目标的距离被大大缩短,甚至无法辨别到攻击目标物,从而使激光制导武器无法进行目标攻击而失去作战性能.3大气环境对激光的吸收,散射和折射大气质量的80集中在对流层,天气过程也主要发生在该层,平流层大气密度较小,而且很稳定,对激光传输的影响较小.因此,大气环境对激光传输的影响主要在对流层4.激光在大气中传输时,存在相对透明的"窗口",辐射,透射率较其他区域高,1m附近,35/zm和814m是激光大气传输中常用的几个大气窗口L5,其中1.06m和10.6/,m波长在制导武器中应用较多,波长相对较短,频率较高,晴空大气对该波段激光传输的影响较小,当大气环境存在云雾,霾,气溶胶粒子,降水等,战场大气对该波段激光的吸收,散射,折射现象,严重削弱了激光的能量,制导武器的作战效能受到很大影响,大大降低其作战效能.3.1吸收激光在大气传输的过程中,能量被损耗的比率是激光制导武器的一个关键所在,激光与大气相互作用会产生各种效应,这些效应将使激光的能量和相干性大大下降,从而严重影响激光的传输效率.根据激光测距方程可知制导信号到达激光导引头整流罩的功率密度P为6:DPoXrXk×po×cos0门,一7rXR;式中:P0为激光指示器的发射功率,k为激光光斑的利用率,p0为目标反射率,为航弹和目标的连线与目标法线的夹角,R为激光导引头到目标的距离.当大气环境较好时,r等于激光制导信号在传输路径上的大气透过率r.但实际大气?28?气象水文海洋仪器环境中的情况一般是复杂多变的,而且云,雾,气溶胶等出现的随机性和多变性,致使r减小的很快,激光束在从激光目标指示器到达被攻击目标再到导引头的过程中,由于大气中的吸收作用,使到达目标物的激光束受到严重的衰减,激光束再经目标物反射到制导武器导引头接收系统中的激光能量更加微弱,从而使激光制导武器的制导能力严重下降.3.2散射激光是一种特殊的光,当激光穿越大气时,气体分子以及气溶胶粒子由电子和带正电的质子组成,当电磁波照射到气体分子和气溶胶粒子后,正负电荷中心产生偏移而构成电偶极子或多极子,并在电磁波激发下作受迫振动,向各方向发射次生电磁波,即散射辐射,它的波长和原始波相同,并且和原始波有固定的相位关系.由于这种散射作用,激光制导武器的激光束在穿越大气时,发生散射现象而受到严重衰减,使激光束的能量受到削弱,降低激光的传输距离,从而降低激光制导武器的作用距离.3.3折射由于大气的温度,湿度和气压都是随高度的变化而改变的,使大气介质出现水平和垂直分布的分层现象,一般情况下,大气折射率在水平方向上的变化比垂直方向少13个数量级,所以一般只考虑折射率随高度的变化.激光在大气中斜程传输时,由于大气折射的影响,传播路径发生弯曲,往往造成测高,测距,定位等方面的误差,使制导武器瞄准点与沿着瞄准方向发射的激光束之间产生一定误差,严重影响制导武器系统的瞄准精度.4大气气溶胶对激光传输的影响大气中存在各种成分的气溶胶,特别是当火山喷发,沙尘暴天气时.当只考虑气溶胶粒子对1.06m激光的散射时,其散射透射率可通过公式(2)计算:一019一rexpiL1(2)L式中,L为传输距离,R为0.55/Lm激光的能见距离.由图2可知,气溶胶对电磁波传输的影响是不容忽视的.尤其在5km以下范围内,气溶胶含量较大.激光制导武器在作战过程中,目标区域自然的或作战活动引起的烟,尘能强烈散射激光能量,可能会使激光寻的头找不到激光目标指示器的指示点,从而丢失目标.利用烟幕技术对重要军事目标物进行遮蔽,防止敌人精确制导武器的攻击,一直是各国军事研究的重点和热点,目前已经有烟幕技术被用于对抗精确制导武器的战例.由于气溶胶的成分,性质的复杂,在大气中的分布规律不易确定.因此,深入研究气溶胶粒子对激光制导武器的影响具有重要的军事意义.鼍摈蝴蒜疆嚣嫠辫图2气溶胶对1?06I'm激光的散射/透射率:5降雨对激光传输的影响雨滴对波传播的影响主要取决于雨的尺度分布,密度,散射和吸收截面,以及对频率的依赖关系.雨滴的尺度分布取决于雨强P,P通常以mm/h来表示,在大多数情况下雨滴为球状9.1.06m和10.6m激光的波长相对较短,频率一般都在1THz以上.通常情况下,电磁波的频率越高,降雨强度越大,雨对激光的衰减越严重.对于小于5GHz的频率,其衰减的影响可以忽略;对于10GHz以上的频率,其衰减的影响是重要的,它将使电磁波的传播距离大大缩短1.由于电磁波的衰减为沿雨的路径上积分,所以其衰减量与雨强的空间分布密切相关.从微观上考虑,降水粒子的直径一般比云滴大得多,通常在100m以上,故雨对激光束的最大探测距离的影响与激光束的波长关系不大.雨对激光的衰减系数与降水强度有密切关系,MahaAchour_】在考虑了降雨率,温度和相对湿度等因素的基础上建立了降雨对1.06/tm激光的衰减模型,给出了雨的散射系数与能见度的关系式:一面17(3)第2期韩小冬,等:大气环境对激光制导武器的影响?29?式中是雨的散射系数,盛H'是相对湿度的吸收系数.该模型适于低纬度,低空对流层(<l1km).6大气湍流对激光传输的影响大气湍流是大气分子团相对于大气整体平均运动的一种不规则运动,其轨迹非常复杂.大气湍流以不同尺度的涡旋出现,这些涡旋也称之为湍块.湍块的尺度与高度有关,一般而言,近地层大气中的湍块尺度较小,高空大气中的较大Ll.在近地层大气中,湍块尺度从几十厘米到几百米,尺度小于几十厘米和大于几百米的湍块也并不罕见.不同的大气湍块不仅具有各自的运动速度和运动方向,还具有各自的温度和密度,因而具有各自的光学折射率.大气湍块处于不断的生,消过程之中,从而使大气质点的速度,温度,密度和光学折射率在时间和空间上均产生随机起伏.激光束在通过大气介质时,由于大气湍流的作用使大气密度出现随机起伏,从而导致激光强度,传播方向,相位和频率等在空间和时间上都呈现起伏,这就是激光的大气湍流效应.主要包括以下3种情况114j:(1)强度起伏,又称闪烁.它是由光波振幅的随机变化所引起的,通常用对数光强的起伏来表征.对数光强方差和湍流强度随路径的分布有关.对数光强方差有和湍流强度相对应的日变化,一般在夜间较小,白天较大.(2)相位起伏:能引起激光光斑的漂移,还破坏了激光空间的相干性,使相干检测的效率下降.(3)光束扩展:能引起光束散角加大,因而在光学系统接收器的焦点上,激光光束所形成的光斑,比没有湍流时要大,这种现象叫做散焦.文献14等对1.06/zm激光在大气中的传输进行了数值模拟,研究发现:湍流内尺度对激光大气水平传输过程中的光强闪烁效应具有重要的作用,同时闪烁指数还随着传输激光的波长和大气结构常数等的变化而变化.由于激光的大气湍流效应,致使激光制导武器的导引头接收的目标物信息受到严重影响,从而使激光制导武器的命中率下降.7霾对激光传输的影响霾是由大量极细微的干尘粒或盐粒等均匀地浮游在空气中,使水平能见距离小于10km的空气普遍混浊现象.背景暗淡时略带淡蓝色,背景明亮是微带浊黄色或桔红色1.如果已知霾的特征一浓度,尺度分布和复折射指数,它对激光束的衰减系数就可用Mie散射理论进行计算.但实际大气中霾的特征有很大的变异性,若按照某种固定的模型进行估计,必然会对预计的实际大气的衰减带来一定偏差】引.实际应用中常采用P.W.Kruseetal1等得到的经验模式来估计霾对激光的衰减系数:一f1(kKin)(4)一f-l,'M,为大气能见度(km),为波长,a为修正因子,视能见度不同取不同的值:当M>6km时,a一0.585V.;当取平均能见度情况,口一1.3;能见度特别良好,a1.6.8云,雾对激光传输的影响云,雾是战场大气环境中最常见的,变化比较复杂的天气现象,也是影响激光制导武器作战性能的重要因素.由于云,雾的存在,能见度急剧下降,对激光的传输产生吸收和散射,使光学制导武器的性能受到严重影响,甚至无法投入作战.8.1雾对激光的衰减雾是悬浮在贴地面空气中的大量水滴和冰晶微粒而使能见度下降到1km以下的天气现象1,由于雾具有较好的遮蔽效果,对能见度的影响较大,严重影响到激光制导武器的作战性能.雾对激光的衰减主要是吸收和散射作用.雾滴半径通常在180m之间,通常雾滴可以看作是很好的球型粒子,与激光的波长相比,一般满足z一21rr/A>1,因而雾对激光的衰减完全适用Mie散射理论.文献20等利用雾的含水量和能见度导出的gamma雾滴谱分布模型及平流雾和辐射雾的含水量与能见度的经验关系,对10.6m波长的雾衰减特性进行了研究和分析,对分析雾对激光制导武器的影响具有重要的参考价值.8.2云对激光的衰减云对激光的衰减特征与雾有类似之处,尤其是低云.但云的分类较多,不同种类的云升展的高度,形状,含水量等都有很大差异,而且云的地域差异性也较大,如果使用同一种方法或同一种理论研究云对激光的衰减问题难度很大.在一次散射理论基础上,CarrierL2妇等曾对8种云计算了波长为0.488m,0.694/_tm,1.06m,4.0m和10.6/.tm的衰减系数,通过实验发现:云对激光的衰减是相当严重的,而且变化非常大,衰减可从?3O?气象水文海洋仪器Jun.20095Odb/km左右变化到2000db/km;5种波长中以10.6btrn的衰减系数最小,其余4个波长上没有明显的波长依赖关系,红外波长的衰减略大于可见波长,这大约是由于存在液态水吸收的缘故;少数云的10.6/zm衰减与可见光差不多,甚至还大一些.由于云形成和出现的不确定性,随机性,多样性,使得激光制导武器在天空有云的环境下作战,其性能受到很大影响,不同种类,不同高度,成因不同的云对激光制导武器的影响又有很大差别,因此,研究不同种类的云对激光的衰减问题,对提高激光制导武器的性能有重要价值.9结论综合以上分析,在分析不同天气条件对激光制导武器的影响时,要视具体情况而定,考虑主要影响因素,忽略次要因素.激光束在低层大气水平传输时,云雾,霾,气溶胶等对激光的散射和吸收是主要影响因素;当激光束斜程传输时,大气的分层现象和高空大气湍流对制导武器的激光束影响占主要地位,而且斜程发射的天顶角不同,相对于大气每层的入射角不同,折射因素造成的影响也不同,对此相关文献已有具体分析.当大气环境出现降雨时,应视降雨的不同,具体分析影响激光束传输的主要因素.目前,世界各国都在积极开展大气环境对精确制导武器的影响研究,尤其是美国和俄罗斯开始较早,技术比较领先,研究领域也较广泛.我国也在加紧这方面的研究,此项工作具有重要的军事价值,对提高我军现代化高精尖制导武器的制导精度和作战效能具有不可估量的意义.参考文献:1冷长庚.固体激光M.北京:科学出版社,1981.2赵江,徐锦,徐世录.激光制导武器J.飞航导弹,2006(6):2627.3姚秀娟,彭晓乐,张永科.几种精确制导技术简述J.激光与红外,2006,36(5):338-39.4樊文军.大气环境对光,电波传输的影响与地地导弹作战气象保障C.第十一届航空与航天气象学术交流会会议论文集,2001:1-4.5刘启涛,李迎春,马永成.利用LOWTRAN7研究1.06m激光大气传输特性J,.装备指挥技术学院,2007,18(6):9698.6童忠诚,龚忠清,杨希伟,等.烟雾干扰光学制导武器的有效性分析J.红外技术,2007,29(3):125127.7HuangJ.ModificationtoelectricwavespreadingintropospherewhichislocatedandmeasuredbywirelesselectricwaveJ.ElectricWaveandAntenna,1993(3):1028.8丛明煜,邵成勋,王学孝.1.06m激光半主动制导的目标与大气环境模型J.红外与激光工程,2008,29(4):7176.9王丽黎,柯熙政,席晓莉.激光在雨中传输的分析与计算J.光散射,2005,17(2):149151.1oChenCC.Attenuationofelectromagneticradiationbyhaze,fog,clouds,andrainJ.AReportPreparedforUnitedStatesAirForceProjectRand,1975,4:57.11MahaA.Simulatingatmosphericfree-spaceppticalpropagation:rainfallattenuationEJ.OpticalWirelessCommunications,2002,4635:192201.12周秀骥,陶善昌,姚克亚.高等大气物理学M.北京:气象出版社,1991.13张文涛,朱保华.大气湍流对激光信号传输影响的研究J.电子科技大学,2007,36(4):784786.14于继平,齐文宗,郭春风,等.激光大气传输特性的数值模拟J.激光与红外,2008,38(6):523525.15林哗.大气探测学教程M.北京:气象出版社,1993.16许祖兵.激光大气传输特性分析研究D.硕士学位论文,2006(6):3334.17KrusePW.ElementsofinfraredtechnologyJ.Wiler,NewYork,1962.18代梦艳.天然雾对电磁波干扰的研究进展及其军事应用口.激光与红外,2006,36(2):8587.19代梦艳,吴文健,胡碧茹.雾的光电遮蔽性能探析口.光电技术应用,2005,20(5):2224.2O赵振维,吴振森,沈广德,等.雾对1.06m红外辐射的衰减特性研究J.红外与毫米波,2002,21(2):9597.21CarrierLW,CatoGA,EssenKJ.Thebackscatteringandextinctionofvisibleandinfraredradiationbyselect-edmajorcloudModelsJ.App1.Optics,1967,6.