激光后向散射對告警設(shè)備干擾的分析

鄔家成

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，激光設(shè)備的大量使用使得有源干擾激光器存在干擾激光告警設(shè)備的可能性，這將導(dǎo)致激光告警設(shè)備虛警，如果這兩者處于一個(gè)系統(tǒng)，可以通過匿影［1］的方法濾除干擾，如果兩者屬于不同的系統(tǒng)，告警設(shè)備的虛警將嚴(yán)重影響光電對抗裝備的效能發(fā)揮.因此，必須避免我方有源干擾激光器對我方激光告警設(shè)備的影響.在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中，激光告警設(shè)備受激光在大氣中傳輸后向散射的影響是主要的.為避免激光告警設(shè)備虛警，了解激光在大氣中傳輸時(shí)后向散射光對告警設(shè)備的影響有很重要的意義，本文以1.06um激光為例，對此進(jìn)行了分析.

1 理論模型

目前戰(zhàn)場軍用激光主要是1.06um的Nd：YAG激光，當(dāng)1.06um的激光束在大氣中傳輸時(shí)，大氣分子對其傳輸?shù)挠绊懛浅Ｎ⑷?，后向散射主要來源于大氣氣溶膠粒子的散射［2］，因此我們只考慮大氣氣溶膠粒子的散射作用.設(shè)大氣氣溶膠的分布函數(shù)為N′(r)，其中粒子半徑r的范圍為r1到r2，激光器的輸出功率密度為w(t)，輸出光斑的直徑為D，發(fā)散角為β.如圖1所示，假設(shè)激光器為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為激光器的正東方向，探測器在X軸上，距激光器為d，激光器、探測器和空中目標(biāo)所決定的平面垂直于地面.激光以仰角α向空中目標(biāo)發(fā)射，目標(biāo)距地面L，空中目標(biāo)到激光器的直線距離為Y.

圖1 大氣氣溶膠粒子后向散射模型

由米氏散射理論，可以得到氣溶膠粒子的散射強(qiáng)度和衰減效率因子［3］.

式（1）中R為散射微元到探測器的距離，λ為入射激光波長，θ為后向散射角.輻值函數(shù)s1(θ)和s2(θ)，米氏散射系數(shù)an和bn，散射角函數(shù) πn(cosθ)和τn(cosθ)的計(jì)算式分別為［4］：

其中x=2πr/λ為散射粒子尺度參數(shù)，Jn(x)和Hn(x)分別為第一階和第二階球貝塞爾函數(shù)，為n次1階的連帶勒讓德多項(xiàng)式.

對于大氣散射光，在能見度大于5km時(shí)，可以不考慮多散射效應(yīng)［3］，運(yùn)用式（1）和式（2）可以得到平均單個(gè)氣溶膠粒子向探測器θ方向散射的光強(qiáng)度為

當(dāng)激光源的輸出功率為δ函數(shù)時(shí)，探測器在t時(shí)刻接受到的后向散射輻照度為［5］：

當(dāng)脈沖激光源的輸出功率w(t)，可以得到探測器接受到的輻照度為［6］：

2 數(shù)值計(jì)算

在能見度為20km，濕度為75%的都市郊區(qū)低空中，大氣氣溶膠半徑r的范圍為0.1～0.2um，對于1.06um激光而言，其折射率m為1.56，大氣氣溶膠的分布函數(shù)為N'(r)=0.3129r-4.為了計(jì)算方便起見，假設(shè)激光器輸出功率為：

其中，能量Q為焦耳量級，假設(shè)Q為2J，脈沖寬度Δt為10ns，輸出光斑直徑D為2cm，發(fā)散角β為2mrad，仰角α為 π 6rad，L為10km.當(dāng)探測器在X軸正向，將上述參數(shù)代入輻照度的函數(shù)關(guān)系式：IS(R,d,t)=w(t)?h(R,d,t)中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了探測器與激光器的距離分別為50m、100m、150m、200m、250m時(shí)輻照度和距離的關(guān)系，如圖2所示：

圖2 輻照度與距離的關(guān)系

如果探測器在X軸負(fù)向，將上述參數(shù)代入輻照度的函數(shù)關(guān)系式：IS(R,d,t)=w(t)?h(R,d,t)中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了探測器與激光器的距離分別為50m、100m、150m、200m、250m時(shí)輻照度和距離的關(guān)系，如圖3所示：

圖3 輻照度與距離的關(guān)系

如果探測器在與X軸垂直的方向，將上述參數(shù)代入輻照度的函數(shù)關(guān)系式：IS(R,d,t)=w(t)?h(R,d,t)中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了探測器與激光器的距離分別為50m、100m、150m、200m、250m時(shí)輻照度和距離的關(guān)系，如圖4所示：

圖4 輻照度與距離的關(guān)系

3 討論

激光告警器的靈敏度為 2×10-4（W/cm2），當(dāng)激光告警器的探測器接收到的信號大于探測閾值時(shí)，激光告警器就會告警.從反映輻照度與距離關(guān)系的圖2、3、4可以看出，探測器探測到的輻照度會隨距離的增大逐漸變小.為了避免激光告警器虛警，探測器所接受到的輻照度要小于2×10-4（W/cm2）.當(dāng)探測器所接受到的輻照度為2×10-4（W/cm2）時(shí)，圖2中探測器與激光器距離為120m，圖3中探測器與激光器距離為105m，圖4中探測器與激光器距離為95m，幾種情況下探測器與激光器的距離都小于等于120m.同理可計(jì)算，當(dāng)探測器在激光器的其他方向時(shí)，要使探測器所接受到的輻照度為2×10-4（W/cm2），探測器與激光器的距離也應(yīng)不大于120m.

4 結(jié)論

在分析散射信號特征的基礎(chǔ)上，通過上述參數(shù)和條件下的數(shù)值計(jì)算，針對有源干擾激光器對激光告警設(shè)備干擾隨距離變化的關(guān)系進(jìn)行了討論.結(jié)果表明，只要探測器與激光器的距離大于120m，探測器所接受到的輻照度就小于2×10-4（W/cm2），激光告警器就不會出現(xiàn)虛警.

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［1］安化海，張亞梅.艦載激光告警中的匿影技術(shù)［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2001（1）：1-4.

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［6］王之江.光學(xué)技術(shù)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.