激光武器靶面強(qiáng)度參數(shù)評(píng)估模型研究

激光武器靶面強(qiáng)度參數(shù)評(píng)估模型研究

1激光武器靶面強(qiáng)度參數(shù)評(píng)估激光武器是發(fā)展中的一種新概念武器，其性能評(píng)估對(duì)這些武器的使用具有重要意義。在激光武器效能評(píng)估的ADC模型中,固有能力是武器效能的一個(gè)關(guān)鍵因素,它是武器效能評(píng)估的基礎(chǔ)。決定武器固有能力的因素很多,其中靶面激光強(qiáng)度參數(shù)(目標(biāo)處激光功率密度)是需要重點(diǎn)研究的,它和目標(biāo)毀傷閾值一起決定了激光武器對(duì)目標(biāo)的毀傷能力。靶面激光強(qiáng)度參數(shù)的影響因素包括多個(gè)方面,同時(shí)這些影響因素本身又具有不確定性,因此導(dǎo)致靶面激光強(qiáng)度參數(shù)是一個(gè)隨機(jī)量。激光武器靶面強(qiáng)度參數(shù)評(píng)估的目的就是獲取不同場(chǎng)景下靶面激光強(qiáng)度參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)概率分布。為了得到這一概率分布,需要對(duì)靶面激光強(qiáng)度參數(shù)評(píng)估模型以及相應(yīng)參數(shù)的獲取方法進(jìn)行研究。2瞬時(shí)功率密度模型對(duì)于激光武器而言,靶面激光強(qiáng)度參數(shù)指的就是目標(biāo)處的激光功率密度。針對(duì)不同的應(yīng)用,目標(biāo)處激光功率密度在空間和時(shí)間尺度上又具有不同的含義。在空間上,如果被攻擊的目標(biāo)是面目標(biāo)(目標(biāo)尺寸大于激光光斑尺寸),則激光功率密度用遠(yuǎn)場(chǎng)全光斑一定環(huán)圍面積內(nèi)的平均功率密度表征;相反如果被攻擊的是點(diǎn)目標(biāo)(目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)小于激光光斑尺寸),則激光功率密度需用目標(biāo)面積內(nèi)的平均功率密度表征。在時(shí)間上,如果激光可以長(zhǎng)時(shí)間地照射到目標(biāo)的薄弱部位且毀傷效應(yīng)本身與時(shí)間的積分有關(guān),則激光功率密度用長(zhǎng)曝光功率密度來(lái)表征;相反如果激光只能在一瞬時(shí)照射到目標(biāo)的薄弱部位,則激光功率密度應(yīng)該用瞬時(shí)功率密度來(lái)表征。因?yàn)樗矔r(shí)功率密度的評(píng)估過(guò)程包含了對(duì)長(zhǎng)曝光功率密度的評(píng)估,所以本文討論中靶面激光參數(shù)定義為點(diǎn)目標(biāo)上的瞬時(shí)功率密度。靶面激光強(qiáng)度參數(shù)是由許多影響因素決定的,具體包括:武器發(fā)射的激光參數(shù)、激光的傳輸距離、大氣參數(shù)、武器的瞄準(zhǔn)精度等。靶面激光強(qiáng)度參數(shù)評(píng)估模型就是由以上參數(shù)推斷靶面激光強(qiáng)度參數(shù)的模型,這一評(píng)估模型的框圖如圖1所示,框圖中的具體內(nèi)容如下文。在具體討論評(píng)估模型之前,需要強(qiáng)調(diào)一下靶面激光強(qiáng)度參數(shù)的隨機(jī)特性。靶面激光強(qiáng)度參數(shù)的隨機(jī)特性來(lái)源于兩個(gè)方面,首先是靶面強(qiáng)度參數(shù)各影響因素本身的隨機(jī)性,比如激光功率、武器瞄準(zhǔn)誤差、激光發(fā)射時(shí)的大氣參數(shù)等都是隨機(jī)量;另外即使所有影響因素都是確定的,由于大氣湍流的影響,也會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)處激光功率密度的起伏。為了考慮影響因素的隨機(jī)性,可以使用蒙特卡洛方法來(lái)對(duì)靶面強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。在使用蒙特卡洛方法時(shí),需要知道各因素的統(tǒng)計(jì)分布,這可以通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析來(lái)得到。3遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)圍平均長(zhǎng)曝光激光系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)特征為了獲得目標(biāo)處的瞬時(shí)激光功率密度,首先需要從發(fā)射激光參數(shù)和大氣參數(shù)推斷遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)圍平均長(zhǎng)曝光激光功率密度,這需要通過(guò)激光大氣傳輸模型來(lái)實(shí)現(xiàn),一般形式的大氣傳輸模型如式(1)～式(3)所示:β=β0A1+A2(Dβ0r0)2?????????????√(1)R=1.22βλDL(2)I=A3τP0πR2(3)β=β0A1+A2(Dβ0r0)2(1)R=1.22βλDL(2)Ι=A3τΡ0πR2(3)式中,β為遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量;β0為發(fā)射光束質(zhì)量;D為發(fā)射激光直徑;r0為大氣相干長(zhǎng)度;R為遠(yuǎn)場(chǎng)光斑半徑;λ為激光波長(zhǎng);L為傳輸距離;τ為武器系統(tǒng)內(nèi)光路透過(guò)率和大氣透過(guò)率之積;P0為激光器出光功率;I為遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)圍平均長(zhǎng)曝光激光功率密度;A1,A2和A3是擬合參數(shù),可通過(guò)針對(duì)激光武器系統(tǒng)的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)來(lái)擬合。4靶面激光強(qiáng)度參數(shù)對(duì)瞄準(zhǔn)誤差的影響通過(guò)激光大氣傳輸模型,可以獲得遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)圍平均長(zhǎng)曝光功率密度,但實(shí)際關(guān)心的是點(diǎn)目標(biāo)靶面上的長(zhǎng)曝光功率密度。靶面功率密度和遠(yuǎn)場(chǎng)功率密度關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出,在點(diǎn)目標(biāo)情況下,靶面激光強(qiáng)度參數(shù)與激光武器的瞄準(zhǔn)誤差密切相關(guān)。對(duì)于靶面光斑形狀為Gauss型的光斑,靶面激光功率密度可由遠(yuǎn)場(chǎng)峰值激光功率密度和武器瞄準(zhǔn)誤差通過(guò)以下公式獲得:It=I0exp(?(σLR)2)(4)I0=A4I(5)Ιt=Ι0exp(-(σLR)2)(4)Ι0=A4Ι(5)其中,I0為遠(yuǎn)場(chǎng)峰值激光功率密度;σ為武器瞄準(zhǔn)誤差;A4為遠(yuǎn)場(chǎng)峰值功率密度與環(huán)圍平均功率密度的比值,可通過(guò)針對(duì)激光武器系統(tǒng)的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)來(lái)擬合。5遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的擬合以上針對(duì)靶面長(zhǎng)曝光功率密度的分析中假定靶面光斑形狀為Gauss型,實(shí)際情況并不一定是這樣,需要針對(duì)特定的系統(tǒng)具體分析其遠(yuǎn)場(chǎng)光斑形狀。一般來(lái)講遠(yuǎn)場(chǎng)光斑可以用類Gauss光斑進(jìn)行擬合,類Gauss光斑的表達(dá)式如式(7)所示:I(r)=I0exp(?(rR)n)(7)Ι(r)=Ι0exp(-(rR)n)(7)不同n情況下的光斑形狀如圖3所示。從圖中可以看出:對(duì)于峰值比較抖的光斑,可以用n<2的類Gauss光斑來(lái)擬合,而對(duì)于峰值比較平緩的光斑,可以用n>2的類Gauss光斑來(lái)擬合。6瞬時(shí)功率密度模擬結(jié)果通過(guò)以上對(duì)大氣傳輸模型、遠(yuǎn)場(chǎng)光斑形狀分析、靶面功率密度與激光瞄準(zhǔn)誤差關(guān)系的討論,已經(jīng)可以獲得靶面長(zhǎng)曝光功率密度了。下面討論如何從靶面長(zhǎng)曝光功率密度得到靶面瞬時(shí)功率密度。前面已經(jīng)提到靶面瞬時(shí)功率密度的決定因素復(fù)雜,其具體值具有隨機(jī)性。圖4給出了固定激光參數(shù)和大氣參數(shù)條件下靶面瞬時(shí)功率密度起伏的數(shù)值模擬結(jié)果(模擬參數(shù):激光波長(zhǎng)1.06μm,發(fā)射口徑0.5m,整層大氣相干長(zhǎng)度5cm,傳輸距離100km)。如果再考慮到激光瞬時(shí)瞄準(zhǔn)誤差帶來(lái)的抖動(dòng)等因素后,瞬時(shí)功率密度的起伏特性將更加復(fù)雜,因此企圖通過(guò)理論的方法來(lái)確定靶面瞬時(shí)功率密度的難度很大。根據(jù)以上分析,獲取靶面瞬時(shí)功率密度特性的主要途徑應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)靶面測(cè)量結(jié)果的分析,可以得到用靶面長(zhǎng)曝光功率密度歸一化之后的靶面瞬時(shí)功率密度的概率分布。這樣在已知靶面長(zhǎng)曝光功率密度的基礎(chǔ)上,就可以得到靶面瞬時(shí)功率密度的統(tǒng)計(jì)特性。圖5給出了某一假設(shè)情況下靶面瞬時(shí)功率密度的經(jīng)驗(yàn)累計(jì)分布函數(shù),其中橫坐標(biāo)為用平均功率密度歸一化后的瞬時(shí)功率密度,縱坐標(biāo)給出了累計(jì)概率分布函數(shù)。7基于蒙特卡洛方法的面激光參數(shù)評(píng)估通過(guò)以上幾個(gè)步驟,已經(jīng)完成了從激光參數(shù)、大氣參數(shù)、瞄準(zhǔn)誤差推斷靶面激光強(qiáng)度參數(shù)的過(guò)程。根據(jù)前面的介紹,為了完整地進(jìn)行靶面激光參數(shù)評(píng)估,還需要使用蒙特卡洛的方法來(lái)考慮激光參數(shù)、大氣參數(shù)和激光瞄準(zhǔn)誤差的隨機(jī)特性。這些參數(shù)的隨機(jī)特性可以用其統(tǒng)計(jì)分布來(lái)描述,具體的統(tǒng)計(jì)類型可以通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析來(lái)獲得,圖6給出了國(guó)外關(guān)于大氣相干長(zhǎng)度r0測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)分布的一個(gè)例子。在獲得統(tǒng)計(jì)分布的基礎(chǔ)上,再結(jié)合前面討論的靶面激光功率密度的推斷過(guò)程,就可以完整而系統(tǒng)地進(jìn)行激光武器靶面強(qiáng)度參數(shù)評(píng)估了。8評(píng)估模型的