舰载激光测距仪观测能力预报模型研究*

钱贵鑫 李进军 由大德 佘 博

(1.海军大连舰艇学院 大连 116018)(2.海军工程大学 武汉 430033)



舰载激光测距仪观测能力预报模型研究*

钱贵鑫1李进军1由大德1佘 博2

(1.海军大连舰艇学院 大连 116018)(2.海军工程大学 武汉 430033)

结合激光测距仪的工作原理,对舰载激光测距仪在不同条件下的观测能力进行模型构建。结合舰船平台利用能见度进行相应数值模型运算,解算出最大测程与能见度的关系曲线,并结合数据进行对比分析,从而把握舰载激光测距仪观测能力规律。模型的构建提出将有效解决舰船作战过程中遇到的观测威力预报问题,为作战方案的制定提供科学决策,并对舰船作战训练具有重要意义。

激光测距仪; 观测能力

Class Number TP391.7

1 引言

随着国际形势的发展变化,海军战略地位的上升,海军舰载武器装备在短期内得到了迅猛的发展和提高。武器装备性能上的提升成功的解决了以前打不到、打不准的问题。激光测距仪作为在舰船上广泛使用的光电观测设备,其在观测性能上也得到较大提高。伴随着舰载观测装备性能的提升,对其在不同作战环境下观测装备的威力预报研究日趋迫切。

针对当前这一问题,开展舰载激光测距仪观测能力预报模型的研究,可以有效解决舰船作战过程中观测威力预报,为作战方案的制定提供科学决策,对平时舰船作战训练具有重要意义。

2 激光测距技术

由于脉冲激光测距技术具有结构简单、测程远和功耗小等优点,激光测距机(图1为脉冲激光测距仪基本组成框图)在各型装备上得到了广泛的应用[1～4]。本文主要以这一类型激光测距仪作为主要研究对象,并结合舰船平台构建相应模型,对其主要性能参数最大测程的分析,最终实现观测能力预报模型的研究。

3 模型的构建

激光作用距离的普遍方程为[5～6]

(1)

式中Pr为接收到的回波信号功率;Pe为激光光源的发射信号功率;TA1为激光光源到目标的大气透过率;TA2为目标到接收机的大气透过率;ηe为发射光学系统的光学效率;ηr为接收机光学效率;K为激光光束轮廓参数;θ为光束束宽;r1为发射机到目标的距离;r2为目标到接收机的距离;Γ为目标激光的截面;D为接收机的接收系统有效孔径。

图1 脉冲式激光测距仪的基本组成框图

在实际应用中,一般都是单站系统,也就是说激光发射和激光接收在同一位置上,因而可以进一步把式(1)简化成大目标和小目标两种情况。

小目标是指目标的张角小于激光光束角,此时有:

(2)

式中,r1=r2;TA1=TA2=TA;Ae为目标面积;Ar为接收光学系统面积;ρ为目标半球反射率;a为目标表面法线方向与测距光束的夹角。

大目标是指目标的张角大于激光束发散角,如果此时认为目标在照射区内的光强为均匀分布,则有:

(3)

由于激光束是在稠密大气中传播,所以将会受到大气衰减的影响。激光束在大气中的衰减由大气中的分子、水蒸气及气溶胶粒子的散射和吸收造成。

针对大气透过率与大气衰减系数相关,大气衰减系数的确定方法有三种:经验公式确定法、经验值确定法和透过率软件确定法。而大气透过率也可由这三种方法求出。

3.1 经验公式确定法

其中气溶胶的散射是引起衰减的主要原因,工程上利用气象学中的大气能见度RV,在水平路径R上的大气光谱透过率t为(Bougner定理)[7]:

(4)

(5)

式中:λ0为测试能见距离的光波长,一般采用0.55μm;a为与能见度有关的的指数系数。

3.2 经验值确定法

大气衰减系数常采用经验值2.7与大气能见度之比的方法确定,如下式:

(6)

T=e-σr

(7)

式中σ为用经验值确定的大气衰减系数。

3.3 透过率软件确定方法

当前计算大气透过率的软件可采用PcModWin。该软件是计算可见光和红外光透过率、阳光与背景辐射的专用软件,通过设置相应的气象参数,分别计算出不同能见度或距离下的透过率。

综合三种方法,选用经验公式的方法进行模型的进一步构建。

在测距方程(2)、(3)中,当Pr取临界稳定测距状态时的回波功率即最小功率Prmin的时候即为该环境下的激光测距机的最大测程Rmax。将式(4)带入式(2)、式(3)可得最大测程计算公式如下:

(8)

(9)

针对舰载平台,由于舰船相应部门在实际测量气象条件时,会给出当时的气象条件,这其中就包含有能见度RV。将测得的能见度带入经验公式计算法中,从而实现一阶超越方程的最大测程解算。实现威力预报。

舰船指挥和操作人员可以得到的观测装备威力预报,依据作战条件,利用预估得到的观测器材观测能力,实现相应的作战方案制定的科学性,保证在作战过程中能够有效、及时地观测目标和毁伤效果等,从而实现作战能力的提升。

4 模型数值计算

下面以小目标为例,利用数值算法进行数值模拟计算。

4.1 直接计算方法

为了便于测距能力计算,对方程中的参数,参照常见测距仪指标和目标特性进行设定。

激光发射功率Pe设为x1(MW);激光测距仪最小接收功率为x2(W);激光束波长取x3(μm);光束发散角θ为x4(rad);发射光学系统透过率ηe和接收光学系统ηr都为x5;接收光学系统口径Ae为x6(mm);

目标特性:目标有效反射面积Ar为x7(m)2;目标表面法线与测距光路夹角为x8(°);目标反射系数ρ为x9。在以后的计算中,均采用上述指标。

针对式(8)带入上述参数,利用牛顿迭代法解一阶超越方程。结合不同能见度,求出激光测距机的最大测距距离。

4.2 激光测距机的不同能见度测程曲线

利用文中的直接计算法,可以方便的研究计算不同波长、不同激光测距机对不同表面积、反射率的目标在不同能见度条件下的最大测程,可以定量的分析各个相关参数对最大测程的影响。

图2 不同波长测距仪测程曲线

图3 不同发射功率测距仪测程曲线

图2给出的是1.062μm、1.54μm、1.7μm三种波长的测距仪在不同能见度下的最大测程曲线。图3给出的是波长在1.062μm,峰值功率分别是1.5MW、15MW、150MW的测距仪在不同能见度下的最大测程曲线。由图2、图3可知,在相同条件下:

1) 随着能见度的增加,同一激光测距仪的最大测程逐渐趋于平缓状态,能见度在20km时对最大测程的影响较大;

2) 高峰值功率的测距仪在能见度越高时,最大测程的提升越多;

3) 波长为1.54μm和1.7μm的测距仪最大测程指标明显优于1.062μm的测距仪。

5 结语

本文通过激光测距仪工作原理,由激光在空气中作用距离的普遍方程推出的激光测距仪的最大测程,定量计算出激光测距仪的最大测程,结合舰船相应部门提供的气象参数和相应的测距仪参数等,可快速方便地完成不同能见度下最大测程的计算。该方法可以有效解决对岸作战观测能力预报的问题,为作战方案的制定提供科学决策,对舰船相应战斗力的提高具有十分重要的意义。

[1] 高稚允,高岳,张开华.军用光电系统[M].北京:北京理工大学出版社,2008:52-64.

[2] 孙华燕,张廷华,韩意.军事激光技术[M].国防工业出版社,2012:56-66.

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[4] 韩志强.激光测距机关键技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2006.

[5] 周立伟,刘玉岩.目标探测与识别[M].北京:北京理工大学出版社,2014:195-203.

[6] 王小鹏,梁燕熙,纪明.军用光电技术与系统概论[M].北京:国防工业出版社,2011:217-228.

[7] 邢向楠,崔岩梅,张富根,等.能见度测量技术现状及发展趋势综述[J].计测技术,2010(30):15-20.

Ship-based Laser Rangefinder Observing Capabilities Forecasting Model

QIAN Guixin1LI Jinjun1YOU Dade1SHE Bo2

(1. Dalian Naval Academy, Dalian 116018)(2. Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Combined with laser rangefinder working principle, shipboard laser rangefinder observing capabilities under different conditions model is constructed. By using the corresponding numerical simulation visibility operations which combine with the ship platform, it can give the relation curve with the maximum range of visibility. Construction of the model put forward can effectively solving the combat ship’s observing capabilities forecasting problems and provide scientific decision-making for the development of operational plans. It has important implications for the usual combat ship’s training.

laser rangfinder, observing capabilities

2015年2月11日,

2015年3月22日

钱贵鑫,男,硕士研究生,研究方向:武器系统应用工程。

TP391.7

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.039