中国指挥与控制学会会刊 
随着激光武器的研发以及激光功率的不断提高,舰载激光武器得到了各国海军的广泛关注,它利用高能激光的强大能量对目标进行毁伤,它具有灵活、快速、精确和抗电磁干扰等优点[1]。舰载激光武器对防空反导目标的毁伤效果主要是由激光发射功率、大气传输特性、激光武器系统精度以及目标特性决定[2],其中,激光发射功率参数和激光武器系统精度参数在武器系统研发时已基本确定,目标特性由实际战场环境决定,因此,大气传输特性是影响舰载激光武器作战效能的唯一可变因素,开展大气传输特性的研究对舰载激光武器的发展与应用具有重要的意义,研究并建立不同大气环境下的激光传输特性模型,有利于舰载激光武器的研究与发展。
本文分析了舰载激光武器的优缺点,介绍了大气吸收、散射、湍流以及热晕等因素对激光传输的影响,最后利用激光系统仿真软件对大气传输湍流模型进行了数值计算,验证了大气湍流模型的有效性。
1 舰载激光武器的作战特点
1.1 舰载激光武器系统的优势
激光武器系统主要由高能激光器、红外跟踪装置、光束控制系统以及火控系统等四部分组成。与常规武器相比,激光武器具有命中精度高、反应迅速、抗电磁干扰能力强、效费比高等特点,可执行硬软毁伤、探测、辅助制导等任务[3]。另外,在国家利益的驱使下各国领土领海交界处非传统安全作战时有发生,面对小型水面船只的骚扰挑衅,利用传统舰炮武器还击不仅需要消耗大量的弹药,也容易造成事态的恶化,此时利用低功率的舰载激光武器对目标实施“软打击”,可以有效并隐蔽地处理这类目标。基于以上特点,舰载激光武器在防空反导领域具有巨大的优势,能有效提高水面舰艇拦截危险目标的能力。图1 为舰载激光武器发射装置。
1.2 舰载激光武器的作战局限性
舰载激光武器既有常规武器不具备的优势,也有其特定的不足之处,在作战中还不能完全取代传统武器,它具有以下局限性。
1)舰船处在周期性摇摆中,使舰载激光武器很难锁定目标,平台抖动会使激光束保持在目标固定点上的难度增大,因此光束控制系统必须:
①跟踪目标运动,保持对目标点瞄准;
②控制激光束的抖动和漂移,以保持激光束在瞄准点上;
③在整个驻留时间内尽量保持靶上光斑最小。
舰载激光武器若要实现作战功能,就必须具有一个高精度、稳定的光束控制系统,以隔离载体的摇摆运动和振动,实现对机动目标的精密跟踪[4]。
2)激光在大气中传输时受到各种线性和非线性光学效应的影响,大气对激光吸收和散射的物理机制、激光在湍流大气中的物理过程都与激光能量无关,到靶激光能量与初始激光能量呈线性关系,因此称大气对激光的吸收与散射效应以及大气湍流引起的湍流效应为线性光学效应。当发射激光能量足够大时,激光传输加热空气足以使其密度发生改变,导致大气介质的光学性质发生改变,从而影响激光的传输,这种由于自身加热空气造成的效应称为热晕效应,到靶激光能量与初始激光能量呈非线性关系,因此热晕属于非线性光学效应。表1 为主要的大气光学效应产生机理。
表1 主要大气光学效应及其产生机理 |
| 线性 效应 | 大气 吸收 | 大气分子和气溶胶对激光选择性吸收 |
| 大气 散射 | 电磁波同大气分子或气溶胶相互作用使入射能量重新分布 | |
| 湍流 | 大气折射率起伏 | |
| 非线性 效应 | 热晕 | 空气吸收激光能量而使其温度上升导致的透镜效应使高能激光系统的性能下降 |
2 大气光学特性对激光传输效能的影响
大气对激光武器系统的主要影响可以归结为3种大气现象:吸收、散射和湍流效应。这3种现象都有不同程度的波长依赖性,对激光的传播有直接危害。此外,吸收现象还能对高能激光传输产生非线性热晕效应。
激光武器的有效作用距离主要由照射到目标上的激光功率密度、照射时间以及目标的破坏阈值决定,其中,激光功率密度由激光武器输出功率、光束质量以及激光大气传输等因素决定,计算公式为[5]
q=aD2Pη/λ2β2L2
式中,q为到靶激光功率密度;λ为激光的波长;β为光束质量因子;η为大气透射率;D为发射主镜的直径;L为目标距离;P为激光束的功率(发射望远镜处的);α为常数。
通过上述公式可以看出,在激光武器输出功率以及光束质量基本确定的情况下,目标距离一定时,到靶激光功率密度受大气透射率的影响最大。大气透射率主要受两方面因素的影响,首先,作战时需要将光斑聚焦在目标上一段时间,大气光学效应对激光能量的衰减会对光斑聚焦效果造成严重影响;其次,由于激光束功率密度高,很容易产生非线性热晕效应,从而影响激光武器的到靶功率密度。
2.1 大气吸收、散射对激光传输效能的影响
在近海面大气环境中存在高浓度水汽和气溶胶粒子,湿度较大,大气对激光的吸收、散射现象严重,使到达目标的激光功率降低。激光通过近海面大气传播时,其能量逐渐减少,主要包括大气中分子和气溶胶对激光的选择性吸收引起的衰减以及大气中分子和悬浮微粒对激光的散射引起的衰减。
大气的吸收作用使部分被吸收的能量转变为其他形式的能量,大气分子、气溶胶粒子的不均匀性会使激光产生散射,从而使部分能量被散射而偏离原来的传播方向。大气的吸收和散射效应与海拔高度有关,海拔越低水蒸气的浓度越大,水蒸气吸收的能量也越多,因此海面大气对激光的吸收和散射导致激光衰减的现象更严重。
在线性光学范围内,光强I(ν,z)随传输距离z的变化遵从比尔(Beer)定律:
I(ν,z)=I0(ν)exp[-(α+s)z]
式中,I0(ν)为z=0参考面上的光强,ν为频率,α和s分别为吸收系数和散射系数,其和(α+s)称为消光系数。
2.2 大气湍流对激光传输效能的影响
当激光在湍流大气中传输时,大气湍流造成的折射率的起伏导致了激光波阵面的畸变,破坏了激光的相干性,相干性的退化严重削弱了激光的光学质量,湍流大气对激光的影响包括:激光束在垂直于传输方向的截面上发生漂移和扩展,聚焦光束的焦点位置在传播方向上发生改变[6]。
湍流大气对激光传输最直观的影响是光强分布,即光斑形状的改变,大气湍流对激光相干性的破坏表现在一系列物理量的改变上,从效果上看,降低了光学质量,大气湍流在影响光波相位的同时,也引起振幅的变化,振幅变化导致光强起伏,这就是通常所说的闪烁现象。
对大气湍流影响的校正技术是相位校正技术,例如自适应光学系统,其目的是使激光束不受大气的影响,按照设定的方式传播到目标处。随着光电技术的发展,自适应光学技术日益成熟,在激光大气传输的相位校正方面获得了很大的进展,相位校正的效率和大气湍流特性密切相关[7]。
2.3 热晕效应对激光传输效能的影响
当强激光穿过空气时,激光能量被吸收并加热空气,密度降低,导致局部空气折射率的减小,使得空气类似于一个负透镜的作用,激光偏离预定的方向传输,称为热晕效应,热晕效应是一种非线性效应,当到靶功率密度达到最大值后,增加发射激光功率,会降低到靶功率密度。热晕效应可以用热畸变数来描述,即
$N_{D}=-\frac{4 \sqrt{2} k p}{\rho_{0} C_{P}} \int_{\text {path }} \frac{\alpha(z) T(z) n_{T}(z)}{V_{\text {wind }}(z) D(z)} d z$
式中,z为R方向的距离,R是光束总的倾斜路径长;nT=dn/dT=(n0-1)/T;α(z)为吸收系数;Vwind(z)为垂直于光束方向的有效风速;P为激光功率;k为波数;D(z)为光束直径;斜体T为温度,而T(z)则是z处的透射系数。
当ND>25时,热晕效应将成为一个十分严重的问题,热晕效应随激光功率的增加、大气吸收的增强以及光斑尺寸的减小而更加显著。近海面水蒸气含量较高,大气吸收、散射和湍流效应会加强,导致热晕效应对激光传输的影响加大。某些波长的激光位于大气窗口很少被大气吸收,热晕效应不明显,例如,Nd:YAG固体激光器波长1.064 μm,热晕效应对其影响较小,因此为了减小热晕效应对激光大气传输的影响可以选择合适波长的激光[8]。
3 基于激光系统仿真软件EasyLaser的激光传输数值计算
3.1 EasyLaser软件的基本功能
激光系统仿真软件EasyLaser能够对激光系统进行模拟仿真,具备对光束的光学元件间传输、大气传输(如大气中湍流效应、热晕效应以及消光效应对光束的影响)、自适应光学校正等复杂过程的建模与仿真能力,可提供参数设置、辅助设计和运行[9]。EasyLaser软件的研发填补了一直以来国内缺乏对激光系统进行模拟仿真的空缺,利用软件搭建大气湍流效应的仿真光路模型,能进行自适应光学系统对大气湍流效应校正效果的研究。
3.2 大气传输数值计算
为了分析大气湍流效应对光束传输的影响,验证大气传输湍流模型的有效性,搭建如图2 所示的仿真模型,“平面波光源” 组件发出的光束,经过光路通道中一系列光学元件间传输一定距离后,通过“望远镜”组件发射,在大气中以仰角45°斜向上传输,入射到“测量靶”组件中,通过积分靶对其到靶光斑特征进行测量。平面波光源波长为0.532 μm,光路通道中光束口径为0.15 m,望远镜发射系统口径为0.85 m(只考虑其缩束和调焦功能,不考虑其遮拦),调焦至10 km处,中等湍流大气模式,并以地面湍流强度进行标度,光束在大气中45°斜向上传输10 km,全程传输效率90%(分光镜BS1反射率)×92.3%(外大气)=83.1%。平顶光束瞬态帧光斑半径理论计算公式为:
= ·{β2+0.182(D/r0)2},
D/r0<3;
= ·{β2+[(D/r0)2-1.18(D/r0)5/3]},
D/r0>3。
其中,R为到靶光斑半径,λ为平面波光源波长,β为光束质量因子,D为望远镜发射系统口径,r0为光路通道中光束口径。
通过计算得出不同D/r0时,即不同的望远镜发射系统口径与光路通道中光束口径比值时,大气湍流条件下激光到靶半径的分布结果如图3 所示,该结果验证了大气湍流模型的有效性,大气湍流造成激光武器光束质量大大降低,可采用自适应光学技术补偿大气湍流的畸变,选择合适波长的激光能减少大气的吸收和衰减,从而提高大气环境下激光传输效率,受限于研究条件,大气湍流对于激光的传播影响还需深入研究。
4 结束语
研究大气传输特性对舰载激光武器效能的影响,对增强激光传输可靠性、提高激光系统研发效率、发展灵活、快速、精确的高能激光武器具有重要意义。本文介绍了舰载激光武器的特点,分析了大气传输的光学特性,最后结合近年来激光系统仿真软件的开发与研究,对激光仿真软件EasyLaser进行了介绍,计算了纯大气湍流下的仿真模型。
目前,为了改善激光器输出激光的光束质量可采用自适应光学技术,该技术主要是校正大气湍流对激光造成的畸变,用于激光大气传输的相位补偿,提高靶斑能量集中度。舰载激光武器的独特优势使其成为未来战争中不可忽视的一股力量,各军事强国已广泛开展对舰载激光武器的研究,大气光学效应对高能激光传输的影响严重限制了激光武器系统的效能,发展激光武器必须重视大气光学性质对其传输效能的影响,相关研究必将再上一个台阶。