烟尘对脉冲激光的衰减特性研究

孙小龙 张祥金

摘 要：脉冲激光在穿过烟尘介质時发出的脉冲光束会与烟尘微粒发生相互作用，影响激光测距系统的工作可靠性。文章对脉冲激光在烟尘环境下的传输特性展开研究，得到了传输过程中一定脉长激光能量透过率与烟尘质量浓度的数值关系模型，为战场烟尘环境下如何提高激光引信定距系统的工作性能提供了理论参考。

关键词：激光定距系统；散射与吸收；能量衰减；能见度

引言

随着科学技术的不断发展，高新科技越来越多的应用于现代战争中，一方面，如今的战场已经不再是冷兵器的天下，传统的作战方式也已经跟不上现在战场信息化的脚步；另一方面，随着武器越来越多的融合进高新前沿科技，未来的战场也对弹药和引信提出了更高的要求[1]。

传统的近炸引信使用无线电探测技术进行目标的探测识别，而如今的战场环境，硝烟弥漫不说，各种电磁军事产品来往穿梭于战场，使得近炸引信中传统的无线电探测受到的干扰与日俱增。激光技术应用于引信产品中具有众多优点包括单色性和方向性好，便于实现引信定位精度的提高；保密且抗干扰性能强，不易被敌方侦查拦截；距离截止特性好，能够有效抑制目标距离之外的回波信号的干扰；而亮度高的特性大大提高了引信系统的灵敏度。激光引信可靠性高、安全、成本低，正在不断发展，并越来越多的应用于各种导弹系统中，包括迫击炮弹、破甲弹、反坦克导弹、空空导弹、反舰导弹等等[2]。

然而，激光测距实际应用仍存在一些问题。激光在通过烟尘环境传输的过程中，烟尘粒子会对激光光束造成吸收和散射等复杂效应，使得激光传输过程中能量衰减，最终造成激光引信的不可靠工作甚至是失效，更严重的可能产生误炸等危险事件[3]。了解与掌握激光烟尘传输规律，不仅具有重要的学术价值，而且在国防上也都具有重要的应用前景[4]。

1 能量衰减的数值计算

激光在传输过程中，能量的衰减特性与激光波长和气候条件有关[5，6]。在烟尘条件下传播时，激光的衰减率计算与烟尘粒子的折射率系数密切相关。大气中漂浮着的烟尘粒子其折射率与大气折射率明显不同，所以在光束通过烟尘介质时，会发生传输上的不连续即发生散射和吸收。散射虽然不会是能量消失，但是经过粒子的散射后，在原来的传播方向上，激光能量会衰减，吸收损耗则随波长而发生变化。

我们用三个系数来表征激光在烟尘环境中的能量衰减[7]：消光系数、散射系数、吸收系数。光在烟尘介质中传输时，光的能量衰减即为烟尘粒子对光的散射和吸收，所以消光系数等于散射系数和吸收系数之和，用表达式可以表征为：

（1）

从通量密度I0的入射波中消失的能量为？仔r2？滋extI0，消光截面为？仔r2？滋ext，作为散射能量重新出现的能量为？仔r2？滋scaI0，散射截面为？仔r2？滋sca，被烟尘粒子吸收的能量为？仔r2？滋absI0，吸收截面为？仔r2？滋abs。一次散射反照率？棕0是作为散射辐射重新出现的能量与入射波消失的能量的比值，非对称因子g是散射辐射的散射角的余弦的平均值。

（2）

（3）

（4）

（5）

取折射率指数实部和虚部分别为1.520和0.008，波长为1.06μm，编写程序对消光系数、散射系数和吸收系数进行数值计算，得到图1。

从图1可以看出，当烟尘粒子半径小于0.1μm时，消光系数、散射系数及吸收系数均远小于1，此时激光传输通道能见度高，粒子尺寸较小，对激光能量的衰减作用很弱；当粒子半径变大至0.1μm以上时，粒子对激光光束的衰减主要是散射造成的，而且随着粒子尺寸的增大，这种影响关系呈指数上升，吸收基本上为零，粒子对激光能量的吸收随尺寸增加呈现缓慢上升的态势，直到吸收系数接近1而趋于稳定。粒子的散射作用在整个过程中占据主导地位，随着粒子半径的增大，散射系数的曲线斜率减小，散射过渡到Mie散射，消光系数和散射系数迅速增大，消光系数最大值接近4.3，然后再以阻尼振荡的形式慢慢收敛到2。这说明小粒子对激光的消光作用和散射作用较弱，当粒子尺寸增大到一定程度，大粒子从入射光中消去的能量正好二倍于它的横截面所能拦截的能量，这似乎不合常理，但是事实却正是如此。在散射系数曲线中当尺度参数为4.3时，散射系数达到最大值，此时粒子半径为0.7μm，接近激光波长，这表明当粒子的半径和波长相近时，粒子的散射影响最为显著。当对不同折射率指数进行数值仿真计算发现，消光系数的最大值随折射率变化，当折射率增大时，最大值也随之稍有增大且最大值对应的尺度参数较小。图中的高频小振幅“波纹”，对研究偶极子共振具有理论意义，但在研究大气粒子散射上没有多大作用。

2 仿真分析

在Zemax的非序列模型中，模拟激光器对大气烟尘中不同直径的烟尘颗粒的传输特性进行研究。

仿真条件：假设激光器发射激光的波长是532nm，激光器平均功率为30w，输出的光线为gauss光束，产生的远场光斑是圆形光斑，并且模拟50000条激光光线，研究离激光器1m处的探测器能量。得到激光的峰值辐照度为20788w/cm平方，光斑中部能量较集中，与实际较为符合。

在激光传输中，离激光器100mm的中心放置烟尘颗粒，直径为10μm。激光光束穿过烟尘到达探测器时的非相干光照图如图2。

图2 非相干光照图

结论：激光穿过单个烟尘颗粒，传输过程中一部分激光被颗粒散射或吸收，导致模拟的激光光束到达探测器时能量发生衰减，衰减的能量随烟尘粒子尺寸不同略有变化，总体呈正相关，即随着烟尘粒子直径增大，传输中激光衰减的能量增加。

3 实验研究及结果分析

针对激光引信在战场烟尘环境下的传输特性，烟尘粒子粒径大小在0.1μm～10μm范围内，质量浓度方面参照相关统计数据，北京2000年PM2.5全年平均为101μg/m3，2004年珠三角地区PM2.5全年平均为104μg/m3，2001年至2009年，全国PM10年平均值在90μg/m3～125μg/m3范围内，PM2.5浓度与PM10浓度比值约为0.5～0.8，以此推算最近大气环境下PM10的浓度在100μg/m3左右[8]，而战场烟尘浓度相对城市来说更高，实验过程中取10μg/m3～10mg/m3范围质量浓度进行多组实验。

激光光束在通过不同能見度的烟尘环境时，透过率不同，烟尘浓度、照射路径长度等都会对透过率造成影响。参考一些对能见度与烟尘浓度的研究，可以发现对一定粒子大小的烟尘，其质量浓度与能见度存在一定的关系。

能见度Vm与烟尘PM10质量浓度C的关系为：

（6）

另外，设一束波长为λ的激光光束照射到路径长度为R的烟尘介质时，入射能量为P1，经粒子衰减后出射能量为P2，那么激光传输的透过率为激光出射能量与入射能量的比值：

（7）

其中？子为透过率，uext为消光系数，R为烟尘路径长度。根据相关统计，532nm波长激光在大气环境下烟尘质量浓度与消光系数存在这样的对应关系[9]：

表1 能见度与消光系数关系

两者的关系可用大气能见度方程 表示，

其中指数q常用下列公式取值： 。战场

环境复杂，一般能见度都不会太好，所以q的取值主要在0.585VM1/3和1.3之间。

那么结合公式（6）和（7），我们可以得到在PM10监测环境下，激光能量的透过率与烟尘质量浓度之间关系的理论模型：

（8）

实验及结果分析，如图3所示。

图3 实验条件

实验结果数据记录，如表2所示。

将实验测得的数据绘图与前面的理论计算进行对比，如图4所示。

图4 理论计算与实验结果对比图

通过上面的实验数据与理论计算的对比可以看出，该理论模型与实际情况较为符合。通过实验验证的理论模型具有重要的意义，为战场条件下脉冲激光引信穿过烟尘复杂环境时激光测距系统工作性能的研究提供了理论指导，作战时只需要根据战场实际大气环境情况提供烟尘质量浓度以及通道距离，即可计算一定波长的脉冲激光穿过烟尘环境的衰减情况，预估引信作战性能，为恶劣气象条件下的作战提供了数据参考。

参考文献

[1]马宝华.网络技术时代的引信[C//].中国兵工学会第十四届引信学术年会论文集，2005.

[2]吕嵩，马辉，程彦杰，等.大气散射对激光制导武器对抗影响研究[J].船舶电子工程，2014，8：30-35.

[3]郭婧，张合，王晓锋.降雨衰减对激光引信精确定距的影响[J].南京理工大学学报（自然科学版），2012，3：470-475.

[4]孙亚楠.浅谈激光大气通信及其军事应用[J].科技创新与应用，2014，25：98-103.

[5]张怀迪.沙尘环境下的激光探测性能研究[J].西安工业大学，2014，4：1-3.

[6]陈旭辉，卫斌，郭军，等.基于大气激光通信的高精度时间传送[J].广西通信技术，2009，2：34-42.

[7]赵英俊，王江安，任席闯.舰载激光通信中大气对激光远场光强分布的影响[J].激光与红外.2009，8：808-812.

[8]高文静，罗振莹，白云塔，等.激光远场效能模拟计算及评估研究[J].激光与红外，20

10，12：1336-1339.

[9]吴登喜，王石语，郑永超.大气湍流对远红外激光主动探测影响的试验[J].红外与激光工程，2009，6：986-P990.

作者简介：孙小龙（1988，2-），男，汉族，山东临沂人，南京理工大学机械工程学院在读硕士，专业：兵器工程。