基于激光制导武器仿真环境的精确激光衰减模型研究

王治晶等

摘 要：对于作为目标/环境模型的主要组成部分的1.064μm激光在实验室环境中的衰减模型的研究有着重要的意义，本文主要分析了1.064μm激光在仿真环境中的衰减特性，并在此基础上对反射衰减性质在二维定位反射镜镜面渡膜中的表现进行了思考，并对平面镜激光反射的衰减建立了相关精确模型；根据对激光在漫反射屏表面涂层（近似认为其为平面 Lambert 反射体）中反射特点的分析，在此基础上建立了一个激光衰减模型，并在对涂层实际激光反射衰减特性的考虑过程中对这个模型进行了精确处理，建立了一个激光衰减的精确模型，在仿真环境的实验基础上可知这种模型是有效而正确的。

关键词：激光制导；仿真环境；激光衰减模型

对激光在上述的仿真系统中要重视对激光光斑位置和激光能量的实时控制，对前者的实时控制主要可利用真实环境或实验室仿真环境中激光衰减模型等来实现，本文就是在实验室仿真环境中能量控制的精确模型建立方面做了进行了努力。

1 实验室环境下对光程的分析

在图一这个系统中，激光衰减的过程如下：控制能量在目标激光控制器中的衰减，穿过仿真环境中大气射出激光的衰减，激光照射到镜面反射衰减（激光照射到二维定位反射镜系统的平面反射镜中心），接着又是穿过仿真环境大气激光衰减，然后是漫反射衰减和大气衰减（激光照射到涂有漫反射材料的平面漫反射屏上）最后是导引头接收到激光。

2 实验室仿真环境大气衰减

选择晴朗天气在实验室仿真环境中进行相关的激光实验，其能见度为23Km，采用水平传输的方式进行，并选择中纬度夏季的海拔为0Km的近地面来进行。

2.1 实验方法一：Bouguer-Lambert 定理的利用

2.2 实验方法二： LOWTRAN 7 的利用

在这里本文利用了美国空军地球实验室的 LOWTRAN 模型来进行相关的计算，在这里选取夏季的中纬度的晴天天气，地面海拔为0Km的近地面来进行，能见度为23Km无气溶胶，水平（等压）的路径，H1 初始高度为 0Km， 0.016851Km为路径长度，9300cm-1为频率下限，9500cm-1为频率上限，5cm-1为频率间隔，在1.064 ? m激光对应频率为 9398cm-1的情况下，其计算结果为：

综合以上两种实验方法可知，在实验室仿真环境中大气衰减小于0.2%，所以在这种情况下，仿真环境中的大气衰减的影响可以忽略不计。

3 平面镜镜面反射衰减

在普通镜面的利用过程中有个无法克服的缺点，就是如果光入射角度不同，就会产生不同的发射效果，在这种情况下，发射率会随着镜面与入射光角度的变大而降低，随着夹角越来越大，反射率会在其超过某一限度之后而降低为0，也就是说入射光会被全部吞噬，这种现象就是所谓的Brewster 定律。据此可知在能量衰减的计算中相关人员必须关注平面镜自身渡膜和入射角的影响因素。

测量仪器：在平面镜镜面反射衰减的测量中，笔者使用了智能化的P&E2000 激光参数测量仪（中国计量科学研究院研制），不同的探测头在与其合作的过程中能够实现对连续激光功率、脉冲重复率、激光能量、平均功率的测量，并根据探测头的参数来决定量程的长短和适用光谱的选择。

测试方法：具体的测试方法：在测试的过程中使用了目标激光器、1.064?m

探测头、P&E2000 激光参数测量仪等设备。测试步骤如下：第一步是激光器打开，然后对频率和激光输出进行设置，等到输出能量稳定之后再进行测试。安置探测头，对激光反射前的能力进行测量和记录，然后对两轴台外环轴按测试规定进行调整，这时便出现了激光的射入角，然后再在B处安置探测头，测量并记录激光反射后的能量。

4 漫反射衰减

尽管Lambert 反射特性存在于任何的反射体中，但是并不是所有的具有Lambert 反射特性的物体都能够被称之为 Lambert 反射体的物体，只有具有了较好漫反射特性时才能被如此称呼。而且漫反射特性在漫反射体中的不同会因为喷涂工艺（涂料的混合均匀度和颗粒分布）的差异而受到影响。本测试中就利用平面漫反射屏来对漫反射特性在目标的特性进行模拟。

4.1 使漫反射屏近似为 Lambert 反射体

Lambert 定律：在理想的状态下，漫反射面是遵循Lambert 定律的，在这种情况下 总是与入射光各个方向的漫射光的发光强度成正比。

仿真系统分析：在这类测试中漫反射屏的不同决定了反射点处法线，笔者在这里将法线认为是近似地垂直于屏的，在导引头整流罩中心位置選定观察点，对于如何处理反射点则有两种选择：一种是为了简化整个模型，取能量中心点即是将点选作为目标光斑；另一种是将目标光斑以面来对待，运用积分处理单位面积上的反射，在这种情况下必须对光斑的能量分布有一个预先掌握。在这两种选择中前者比较简单，我们选择前者。

首先是对屏幕坐标系中点的坐标位置进行观察。并用 表示回转中心与导引头前部整流罩中心之间的距离设（单位：m），将t时刻相对于三轴台零位状态的内框和外框设为 和 。

4.2 漫反射屏的实际衰减

通过上述可知，对涂层的漫反射特性进行检测就成了精确描述漫反射屏的反射特性的重要途径。

测试方法：测试的过程中使用了目标激光器、1.064?m探测头、P&E2000 激光参数测量仪等设备。和反射镜反射率测试中不同的是，为获得同一激光入射角下的多个衰减值，激光的入射方向固定之后要多次改变探测头的位置，并依此类推变化多个入射角，然后得到多组数据。

测试结果：通过对比数椐，可以得出如下结论：首先将公式 4 乘以不同的系数 ρ的Lambert 计算值与不同激光入射角的情况下的测量值进行对比，可以得出 为漫反射屏的半球反射率；其次镜面和近似的 Lambert 反射特性是漫反射屏的性质，所以对反射系数进行更精确的测试就需照射漫反射屏的激光要以多种角度照入。漫反射屏镜面反射率的测试结果如图3所示：

5 结语

综上所述可知，漫反射衰减为：漫反射衰减=镜面反射+ 反射特性。

本文对基于激光制导武器仿真环境的精确激光衰减模型进行了研究，通过理论分析和实验结果检验建立了一套相对精确的激光衰减模型，并在测试实验中证明了模型的有效性。

参考文献：

[1]王仕成. 张金生.高智杰.王伟，激光制导武器仿真实验室环境中的精确激光衰减模型[J]系统仿真学报.2004.16（2）238-237.