非致命激光武器雨中傳輸衰減系統設計研究

劉 霞,單 寧,王治晶

(1.西安工程大學機電工程學院,陜西 西安 710048;2.武警工程大學裝備工程學院,陜西 西安 710086)

1 引 言

激光具有單色性好、方向性強、亮度高等優點,已廣泛應用于軍事領域[1-6]。非致命激光武器與常規的傳統武器相比,具有速度快、精度高、無慣性、不怕電磁干擾、無放射性危害、殺傷性可控等特點,且不會直接導致人員死亡、裝備毀滅和生態環境的破壞,在反恐處突領域具有廣闊應用前景,其主要是通過發射固定功率的激光束來使人眩目、眩暈、暫時失明或產生疼痛感,從而失去抵抗能力。由于非致命激光武器屬于軟殺傷武器,不能對作用目標造成永久損傷,故對激光能量控制要求極為嚴格[7-9]。但是,實際應用中,激光在空氣中傳輸時,空氣中的介質如雨、霧和粉塵等均會引起激光能量的衰減[10-12]。當傳輸距離較遠時,激光能量衰減程度較大,將嚴重影響非致命激光武器的作戰效果,甚至達不到制止目標的效果。因此,為了精確分析激光在雨中的衰減,更好地發揮非致命激光武器的實際作用效果,需研究激光在雨霧天氣中的衰減特性。針對此問題,本文建立了激光在雨中傳輸的衰減模型,分析研究了激光在雨中的透過率,搭建了激光在雨中傳輸的衰減實驗平臺,實驗研究了激光透過率與降雨強度和傳輸距離的關系。

2 激光雨中傳輸衰減模型

激光光束在雨中傳輸時,一部分能量被雨滴散射偏離原來傳播方向,還有一部分能量會被雨滴吸收轉化為熱能,造成激光能量衰減,其衰減系數為:

(1)

式中,D為雨滴直徑；Qe為衰減效率因子,隨雨滴尺寸增大趨于恒值2；N(D)為雨滴譜分布,即雨滴形狀與尺寸大小的分布關系。

由于我國處于亞溫帶地區,故可采用Weibull模型來描述N(D),有:

(2)

式中,D0為圓球形雨滴直徑；J為降雨強度(單位:mm/h)。

通常雨滴直徑在0.06～4 mm,此時雨滴尺寸較大,Qe可取值為2,則激光在不同降雨強度條件下的衰減系數可表示為:

β=0.365J0.63

(3)

由此可得近紅外區以及可見光波段的激光在雨中傳輸時的透過率為:

T=e-0.365J0.63L

(4)

式中,L為傳輸距離(單位km)。

將式(4)采用Matlab進行仿真研究,激光在雨中傳輸時透過率與降雨強度和傳輸距離之間的關系如圖1所示。由圖1可知,當傳輸距離為110 m,降雨強度達到80 mm/h時,激光透過率僅余50%,且隨著傳輸距離的增加,激光透過率明顯降低。在150 m距離上激光透過率約為40%；當傳輸距離到達200 m時,激光透過率僅為30%左右。由此可知,激光在雨中傳輸時其透過率在很大程度上取決于降雨強度和傳輸距離。

3 實驗系統原理

激光在雨中傳輸會受到雨粒子的散射和吸收作用,因此在傳播方向上的能量就會受到衰減。為驗證理論模型的正確性,也為非致命激光武器研制過程中嚴格控制激光能量衰減,確保其作戰效能達到最優,建立激光在雨中衰減實驗裝置,實驗原理如圖2所示。功率可調激光器通過USB轉換線與計算機相連,打開激光功率控制軟件,調節激光器按給定功率發射出一束激光,經多組激光全反射鏡反射后照射在激光功率計上,并實時顯示出照射過來的激光功率。在激光傳輸的路徑上方安裝一組水槍,通過調節水管流量大小模擬降雨情況,在降雨區放置一雨量傳感器實時感知降雨強度,其探測到的降雨強度值通過數據采集卡在計算機屏幕上實時顯示。多組激光全反射鏡的作用主要是為了調節激光傳輸距離,如需增大傳輸距離可適當增加反射鏡的數量。

圖2 實驗系統原理

4 實驗結果

按照實驗系統原理布置好實驗平臺,如圖3所示。固定好激光器,安裝好激光全反射鏡,將激光功率計放置在激光光束傳播路徑上,因為激光光束直徑很小,所以設置功率計時要將功率計探頭剛好對準激光束,確保能夠將激光束全部收集到。連接激光功率計與激光探頭,啟動功率計按下F鍵進入菜單條對參數進行設置,并做好記錄。

圖3 激光雨中傳輸衰減實驗系統

本實驗中,采用DC50/150-532激光器,為Nd∶YAG倍頻激光器,功率可調,輸出波長為532 nm,產生連續型激光光束,激光器電流保持在19A,設置功率計待測激光波長為532 nm、量程為0～1 W,同時應帶好防護眼鏡避免損傷。實驗環境為室內溫度22℃,將激光傳輸距離設置為20 m,調節水槍改變降雨強度大小,使降雨強度在5 mm/h到50 mm/h區間內均勻變化,當激光輸出功率為分別為10 mW、20 mW和40 mW時,測得激光在雨中傳輸時降雨強度對激光透過率的影響趨勢如圖4所示。調節水槍使降雨強度為60 mm/h,設置一組全反射透鏡之間的距離為20 m,分別采用1到6組透鏡,則激光傳輸的距離為60 m到260 m,當激光輸出功率為分別為10 mW、20 mW和40 mW時,測得激光在雨中傳輸時距離對激光透過率的影響趨勢如圖5所示。

圖4 降雨強度對激光透過率的影響趨勢

圖5 傳輸距離對激光透過率的影響趨勢

5 結 論

非致命激光武器攻擊速度快,靈活性高,可以實現精確打擊,不會直接導致人員死亡、裝備毀滅和生態環境的破壞,在反恐處突領域具有廣闊應用前景。但是,激光傳輸時會受到雨霧等天氣環境影響,嚴重影響非致命激光武器的作戰效果。為了精確分析激光在雨中的衰減,提高非致命激光武器的實際應用效果,本文建立了激光在雨中傳輸的衰減模型,分析研究了激光在雨中的透過率,搭建了激光在雨中傳輸的衰減實驗平臺,實驗研究了激光透過率與降雨強度和傳輸距離的關系。由圖1、圖4和圖5可以看出,實驗結果與仿真結果結論吻合,說明所建立的衰減模型基本符合實際情況；激光在雨中傳輸衰減很大程度上取決于降雨強度和傳輸距離,雨量越大,傳輸距離越遠,衰減越迅速,當雨量為60 mm/h,激光傳輸200 m距離時,透過率已不到40%,衰減非常嚴重；本文搭建的激光雨中傳輸衰減系統可以用于研究非致命激光武器雨中傳輸衰減,結構簡單,操作方便,成本低,實現容易,具有一定的靈活性,易于擴展功能。

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