激光后向散射对告警设备干扰的分析

邬家成

在现代战争中，激光设备的大量使用使得有源干扰激光器存在干扰激光告警设备的可能性，这将导致激光告警设备虚警，如果这两者处于一个系统，可以通过匿影［1］的方法滤除干扰，如果两者属于不同的系统，告警设备的虚警将严重影响光电对抗装备的效能发挥.因此，必须避免我方有源干扰激光器对我方激光告警设备的影响.在复杂的战场环境中，激光告警设备受激光在大气中传输后向散射的影响是主要的.为避免激光告警设备虚警，了解激光在大气中传输时后向散射光对告警设备的影响有很重要的意义，本文以1.06um激光为例，对此进行了分析.

1 理论模型

目前战场军用激光主要是1.06um的Nd：YAG激光，当1.06um的激光束在大气中传输时，大气分子对其传输的影响非常微弱，后向散射主要来源于大气气溶胶粒子的散射［2］，因此我们只考虑大气气溶胶粒子的散射作用.设大气气溶胶的分布函数为N′(r)，其中粒子半径r的范围为r1到r2，激光器的输出功率密度为w(t)，输出光斑的直径为D，发散角为β.如图1所示，假设激光器为坐标原点，X轴为激光器的正东方向，探测器在X轴上，距激光器为d，激光器、探测器和空中目标所决定的平面垂直于地面.激光以仰角α向空中目标发射，目标距地面L，空中目标到激光器的直线距离为Y.

图1 大气气溶胶粒子后向散射模型

由米氏散射理论，可以得到气溶胶粒子的散射强度和衰减效率因子［3］.

式（1）中R为散射微元到探测器的距离，λ为入射激光波长，θ为后向散射角.辐值函数s1(θ)和s2(θ)，米氏散射系数an和bn，散射角函数 πn(cosθ)和τn(cosθ)的计算式分别为［4］：

其中x=2πr/λ为散射粒子尺度参数，Jn(x)和Hn(x)分别为第一阶和第二阶球贝塞尔函数，为n次1阶的连带勒让德多项式.

对于大气散射光，在能见度大于5km时，可以不考虑多散射效应［3］，运用式（1）和式（2）可以得到平均单个气溶胶粒子向探测器θ方向散射的光强度为

当激光源的输出功率为δ函数时，探测器在t时刻接受到的后向散射辐照度为［5］：

当脉冲激光源的输出功率w(t)，可以得到探测器接受到的辐照度为［6］：

2 数值计算

在能见度为20km，湿度为75%的都市郊区低空中，大气气溶胶半径r的范围为0.1～0.2um，对于1.06um激光而言，其折射率m为1.56，大气气溶胶的分布函数为N'(r)=0.3129r-4.为了计算方便起见，假设激光器输出功率为：

其中，能量Q为焦耳量级，假设Q为2J，脉冲宽度Δt为10ns，输出光斑直径D为2cm，发散角β为2mrad，仰角α为 π 6rad，L为10km.当探测器在X轴正向，将上述参数代入辐照度的函数关系式：IS(R,d,t)=w(t)⊗h(R,d,t)中进行数值计算，得到了探测器与激光器的距离分别为50m、100m、150m、200m、250m时辐照度和距离的关系，如图2所示：

图2 辐照度与距离的关系

如果探测器在X轴负向，将上述参数代入辐照度的函数关系式：IS(R,d,t)=w(t)⊗h(R,d,t)中进行数值计算，得到了探测器与激光器的距离分别为50m、100m、150m、200m、250m时辐照度和距离的关系，如图3所示：

图3 辐照度与距离的关系

如果探测器在与X轴垂直的方向，将上述参数代入辐照度的函数关系式：IS(R,d,t)=w(t)⊗h(R,d,t)中进行数值计算，得到了探测器与激光器的距离分别为50m、100m、150m、200m、250m时辐照度和距离的关系，如图4所示：

图4 辐照度与距离的关系

3 讨论

激光告警器的灵敏度为 2×10-4（W/cm2），当激光告警器的探测器接收到的信号大于探测阈值时，激光告警器就会告警.从反映辐照度与距离关系的图2、3、4可以看出，探测器探测到的辐照度会随距离的增大逐渐变小.为了避免激光告警器虚警，探测器所接受到的辐照度要小于2×10-4（W/cm2）.当探测器所接受到的辐照度为2×10-4（W/cm2）时，图2中探测器与激光器距离为120m，图3中探测器与激光器距离为105m，图4中探测器与激光器距离为95m，几种情况下探测器与激光器的距离都小于等于120m.同理可计算，当探测器在激光器的其他方向时，要使探测器所接受到的辐照度为2×10-4（W/cm2），探测器与激光器的距离也应不大于120m.

4 结论

在分析散射信号特征的基础上，通过上述参数和条件下的数值计算，针对有源干扰激光器对激光告警设备干扰随距离变化的关系进行了讨论.结果表明，只要探测器与激光器的距离大于120m，探测器所接受到的辐照度就小于2×10-4（W/cm2），激光告警器就不会出现虚警.

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