大氣對艦載激光武器效能影響的研究

何奇毅,宗思光

(海軍工程大學電子工程學院,湖北武漢 430033)

隨著激光武器的研發以及激光功率的不斷提高,艦載激光武器得到了各國海軍的廣泛關注,它利用高能激光的強大能量對目標進行毀傷,它具有靈活、快速、精確和抗電磁干擾等優點[1]。艦載激光武器對防空反導目標的毀傷效果主要是由激光發射功率、大氣傳輸特性、激光武器系統精度以及目標特性決定[2],其中,激光發射功率參數和激光武器系統精度參數在武器系統研發時已基本確定,目標特性由實際戰場環境決定,因此,大氣傳輸特性是影響艦載激光武器作戰效能的唯一可變因素,開展大氣傳輸特性的研究對艦載激光武器的發展與應用具有重要的意義,研究并建立不同大氣環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展。

本文分析了艦載激光武器的優缺點,介紹了大氣吸收、散射、湍流以及熱暈等因素對激光傳輸的影響,最后利用激光系統仿真軟件對大氣傳輸湍流模型進行了數值計算,驗證了大氣湍流模型的有效性。

1 艦載激光武器的作戰特點

1.1 艦載激光武器系統的優勢

激光武器系統主要由高能激光器、紅外跟蹤裝置、光束控制系統以及火控系統等四部分組成。與常規武器相比,激光武器具有命中精度高、反應迅速、抗電磁干擾能力強、效費比高等特點,可執行硬軟毀傷、探測、輔助制導等任務[3]。另外,在國家利益的驅使下各國領土領海交界處非傳統安全作戰時有發生,面對小型水面船只的騷擾挑釁,利用傳統艦炮武器還擊不僅需要消耗大量的彈藥,也容易造成事態的惡化,此時利用低功率的艦載激光武器對目標實施“軟打擊”,可以有效并隱蔽地處理這類目標。基于以上特點,艦載激光武器在防空反導領域具有巨大的優勢,能有效提高水面艦艇攔截危險目標的能力。圖1為艦載激光武器發射裝置。

圖1 艦載激光武器發射裝置

1.2 艦載激光武器的作戰局限性

艦載激光武器既有常規武器不具備的優勢,也有其特定的不足之處,在作戰中還不能完全取代傳統武器,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,平臺抖動會使激光束保持在目標固定點上的難度增大,因此光束控制系統必須:

①跟蹤目標運動,保持對目標點瞄準;

②控制激光束的抖動和漂移,以保持激光束在瞄準點上;

③在整個駐留時間內盡量保持靶上光斑最小。

艦載激光武器若要實現作戰功能,就必須具有一個高精度、穩定的光束控制系統,以隔離載體的搖擺運動和振動,實現對機動目標的精密跟蹤[4]。

2)激光在大氣中傳輸時受到各種線性和非線性光學效應的影響,大氣對激光吸收和散射的物理機制、激光在湍流大氣中的物理過程都與激光能量無關,到靶激光能量與初始激光能量呈線性關系,因此稱大氣對激光的吸收與散射效應以及大氣湍流引起的湍流效應為線性光學效應。當發射激光能量足夠大時,激光傳輸加熱空氣足以使其密度發生改變,導致大氣介質的光學性質發生改變,從而影響激光的傳輸,這種由于自身加熱空氣造成的效應稱為熱暈效應,到靶激光能量與初始激光能量呈非線性關系,因此熱暈屬于非線性光學效應。表1為主要的大氣光學效應產生機理。

表1 主要大氣光學效應及其產生機理

2 大氣光學特性對激光傳輸效能的影響

大氣對激光武器系統的主要影響可以歸結為3種大氣現象:吸收、散射和湍流效應。這3種現象都有不同程度的波長依賴性,對激光的傳播有直接危害。此外,吸收現象還能對高能激光傳輸產生非線性熱暈效應。

激光武器的有效作用距離主要由照射到目標上的激光功率密度、照射時間以及目標的破壞閾值決定,其中,激光功率密度由激光武器輸出功率、光束質量以及激光大氣傳輸等因素決定,計算公式為[5]

q=aD2Pη/λ2β2L2

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

通過上述公式可以看出,在激光武器輸出功率以及光束質量基本確定的情況下,目標距離一定時,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,作戰時需要將光斑聚焦在目標上一段時間,大氣光學效應對激光能量的衰減會對光斑聚焦效果造成嚴重影響;其次,由于激光束功率密度高,很容易產生非線性熱暈效應,從而影響激光武器的到靶功率密度。

2.1 大氣吸收、散射對激光傳輸效能的影響

在近海面大氣環境中存在高濃度水汽和氣溶膠粒子,濕度較大,大氣對激光的吸收、散射現象嚴重,使到達目標的激光功率降低。激光通過近海面大氣傳播時,其能量逐漸減少,主要包括大氣中分子和氣溶膠對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變為其他形式的能量,大氣分子、氣溶膠粒子的不均勻性會使激光產生散射,從而使部分能量被散射而偏離原來的傳播方向。大氣的吸收和散射效應與海拔高度有關,海拔越低水蒸氣的濃度越大,水蒸氣吸收的能量也越多,因此海面大氣對激光的吸收和散射導致激光衰減的現象更嚴重。

在線性光學范圍內,光強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,ν為頻率,α和s分別為吸收系數和散射系數,其和(α+s)稱為消光系數。

2.2 大氣湍流對激光傳輸效能的影響

當激光在湍流大氣中傳輸時,大氣湍流造成的折射率的起伏導致了激光波陣面的畸變,破壞了激光的相干性,相干性的退化嚴重削弱了激光的光學質量,湍流大氣對激光的影響包括:激光束在垂直于傳輸方向的截面上發生漂移和擴展,聚焦光束的焦點位置在傳播方向上發生改變[6]。

湍流大氣對激光傳輸最直觀的影響是光強分布，即光斑形狀的改變,大氣湍流對激光相干性的破壞表現在一系列物理量的改變上,從效果上看,降低了光學質量,大氣湍流在影響光波相位的同時,也引起振幅的變化,振幅變化導致光強起伏,這就是通常所說的閃爍現象。

對大氣湍流影響的校正技術是相位校正技術,例如自適應光學系統,其目的是使激光束不受大氣的影響，按照設定的方式傳播到目標處。隨著光電技術的發展,自適應光學技術日益成熟,在激光大氣傳輸的相位校正方面獲得了很大的進展,相位校正的效率和大氣湍流特性密切相關[7]。

2.3 熱暈效應對激光傳輸效能的影響

當強激光穿過空氣時,激光能量被吸收并加熱空氣,密度降低,導致局部空氣折射率的減小,使得空氣類似于一個負透鏡的作用,激光偏離預定的方向傳輸,稱為熱暈效應,熱暈效應是一種非線性效應,當到靶功率密度達到最大值后,增加發射激光功率,會降低到靶功率密度。熱暈效應可以用熱畸變數來描述,即

式中,z為R方向的距離,R是光束總的傾斜路徑長;nT=dn/dT=(n0-1)/T;α(z)為吸收系數;Vwind(z)為垂直于光束方向的有效風速;P為激光功率;k為波數;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。

當ND>25時,熱暈效應將成為一個十分嚴重的問題,熱暈效應隨激光功率的增加、大氣吸收的增強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、散射和湍流效應會加強,導致熱暈效應對激光傳輸的影響加大。某些波長的激光位于大氣窗口很少被大氣吸收,熱暈效應不明顯,例如,Nd:YAG固體激光器波長1.064 μm,熱暈效應對其影響較小,因此為了減小熱暈效應對激光大氣傳輸的影響可以選擇合適波長的激光[8]。

3 基于激光系統仿真軟件EasyLaser的激光傳輸數值計算

3.1 EasyLaser軟件的基本功能

激光系統仿真軟件EasyLaser能夠對激光系統進行模擬仿真,具備對光束的光學元件間傳輸、大氣傳輸(如大氣中湍流效應、熱暈效應以及消光效應對光束的影響)、自適應光學校正等復雜過程的建模與仿真能力,可提供參數設置、輔助設計和運行[9]。EasyLaser軟件的研發填補了一直以來國內缺乏對激光系統進行模擬仿真的空缺,利用軟件搭建大氣湍流效應的仿真光路模型,能進行自適應光學系統對大氣湍流效應校正效果的研究。

3.2 大氣傳輸數值計算

為了分析大氣湍流效應對光束傳輸的影響,驗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” 組件發出的光束,經過光路通道中一系列光學元件間傳輸一定距離后,通過“望遠鏡”組件發射,在大氣中以仰角45°斜向上傳輸,入射到“測量靶”組件中,通過積分靶對其到靶光斑特征進行測量。平面波光源波長為0.532 μm,光路通道中光束口徑為0.15 m,望遠鏡發射系統口徑為0.85 m(只考慮其縮束和調焦功能,不考慮其遮攔),調焦至10 km處,中等湍流大氣模式,并以地面湍流強度進行標度,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%。平頂光束瞬態幀光斑半徑理論計算公式為:

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,β為光束質量因子,D為望遠鏡發射系統口徑,r0為光路通道中光束口徑。

圖2 純湍流條件下的光路搭建

通過計算得出不同D/r0時,即不同的望遠鏡發射系統口徑與光路通道中光束口徑比值時,大氣湍流條件下激光到靶半徑的分布結果如圖3所示,該結果驗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量大大降低,可采用自適應光學技術補償大氣湍流的畸變,選擇合適波長的激光能減少大氣的吸收和衰減,從而提高大氣環境下激光傳輸效率,受限于研究條件,大氣湍流對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比結果

4 結束語

研究大氣傳輸特性對艦載激光武器效能的影響,對增強激光傳輸可靠性、提高激光系統研發效率、發展靈活、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,分析了大氣傳輸的光學特性,最后結合近年來激光系統仿真軟件的開發與研究,對激光仿真軟件EasyLaser進行了介紹,計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量可采用自適應光學技術,該技術主要是校正大氣湍流對激光造成的畸變,用于激光大氣傳輸的相位補償,提高靶斑能量集中度。艦載激光武器的獨特優勢使其成為未來戰爭中不可忽視的一股力量,各軍事強國已廣泛開展對艦載激光武器的研究,大氣光學效應對高能激光傳輸的影響嚴重限制了激光武器系統的效能,發展激光武器必須重視大氣光學性質對其傳輸效能的影響,相關研究必將再上一個臺階。