第
34
卷 第
6
期
2012
年
12
月
3819（ 2012） 06-
0060-
04
文章编号：
1673-
指挥控制与仿真
Command Control ＆ Simulation
Vol. 34 No. 6
Dec. 2012
大气气溶胶对激光制导探测½用距离½响的数值分析
1
½琳琳
，
吉
1
2
1
微
，
姚海军
，
宁应惠
（
1．
空军装备研究院航空气象防化研究所 ，北京
100085； 2．
空军装备研究院，北京
100085）
摘 要：
针对大气气溶胶辐射传输衰减效应是½响
1. 06
μ
m
激光武器系统性½的重要因素
，
探讨了大气气溶胶对
1. 06
μ
m
激光探测½用距离的½响
，
构建了激光制导波段探测½用距离模型
，
并在此基础上进行激光探测½用距离
的大气气溶胶½响数值仿真
。
试验表明
，
基于该模型计算的大气透过特性准确度基本符合½际公认理论分析值，
对
对最大限度分析利用战场气象环境以确保武器½战性½的充分发挥具
½用距离的评估结果与客观实际基本相符，
有重要价值，
可为激光探测½用距离的气象环境½响后续发展奠定一定基础
。
关键词：
激光
;
气溶胶
;
大气透过特性
; ½用距离;
数值仿真
DOI：
10． 3969 / j． issn． 1673-
3819． 2012． 06． 014
中图分类号：
TJ391； E915
文献标识码：
A
Numerical Analysis on the Detection Range of Laser Due to Atmospheric Aerosol
QI Lin-
1
，JI
Wei
1
，YAO
Hai-
2
，NING
Ying-
Lin
Jun
Hui
（
1． Institute of Aviation Weather，Air force Academy of Arming，Beijing 100085；
2． Air force Academy of Arming，Beijing 100085，China）
Abstract：
The laser-
guided weapons has become one of the major combat forms，while the meteorological environments seri-
ously restrict the operational effectiveness of it． According to the absorption and scattering of aerosol are the main factors
which influence the propagation and attenuation of laser（ 1. 06
μ
m） which is the key facture to the system performance of la-
ser weapon，it is necessary to make clear the influence of the aerosol on the laser sensor's ability． Through the analysis of the
laser
（
1. 06
μ
m） transmission characteristics of the aerosol，the detection performance range for laser sensor's ability to de-
tect a target is numerical predicted． This study is significant for the laser-
guided weapons to improve the precision and the
adaptation of environment．
Key words：
laser； aerosol； atmospheric transmissivity； performance range； numerical simulation
精导武器½为主要½战武器 ，
已逐渐成为现代高
摧毁敌方抵抗½力 ，
技术局部战争削弱敌方½战½力 ，
取得决定性优势和克敌制胜的主要½战手段
。
高精武
气象环境
器系统对大气战场环境的依赖性日趋明显 ，
是½响 精 导 武 器 ½ 战 效 ½ 的 重 要 战 场 环 境 条 件 之
一
［1
½
用距离大幅度下降 ，
½响其½中精度
器
［3
½
［2
½
。
激光制导武
器是采用激光束代替导线传输制导指令的光学制导武
。
在良½的战场½见度条件下 ，
激光制导武器的
瞄准系统可以在较远的距离上发现目标
。
½由于战场
大气环境的复杂性和不稳定性 ，
给激光制导武器的½
战性½带来了很大的½响
。
在激光测距中 ，
½响测距
½力的主要因素之一是大气衰减
。
½激光束往返通过
大气时 ，
来自大气的烟
、
尘埃
、
盐粒
、
水滴等微粒对激光
束产生散射
、
吸收等½½量减弱 ，
其减弱程度除与波长
有关外 ，
主要与½时的气象状态有关
。
通常情况下 ，
电
磁波的频率越高 ，
降雨等不良天气对激光的衰减越严
重
。
对于小于
5GHz
的频率 ，
其衰减的½响可以½略 ，
½对于
10GHz
以上的频率 ，
其衰减的½响是重要的 ，
它
将½电磁波的传播距离大大缩短
传输通常用大气透过特性来表述
［4
½
［5
½
。
这种½响和制约½用贯穿于现代战争的战略决
策
、
战½规划和战术行动的各个阶段 ，
贯穿于武器装备
即½是最先进的所谓
“
全天候
”
½战½用的各个环节 ，
高技术武器装备也摆脱不了气象环境因素的½响
。
1
大气对激光制导波段的½响
目前在精导武器制导方式中 ，
除惯性制导外 ，
其½
均与红外
、
激光和可见关导引有关
。
光在不良大气环
因吸收
、
散射而引起的强度衰减可直接½响
境中传播 ，
精确制导武器传感器的分辨½力 ，
导致光学制导的½
09-
收稿日期：
2012- 03
10-
修回日期：
2012- 06
。
激光在大气中的
。
½战场环境中不
可直接造成激
良气象条件引起的较差大气透过特性 ，
光制导武器的瞄准系统发现目标的距离大大缩短 ，
甚
至无法辨别攻击目标物 ，
从而½激光制导武器无法进
行目标攻击而失去½战½力
。
鉴于激光制导武器系统中导引头 （ 或机½½激光光
斑跟踪器 ） 探测½用距离是½战双方½很关注的
［6
½
） 女 ½宁沈阳人，
½者简介：
½琳琳 （
1973-
， ，
博士，
高级工程
研究方向为军事气象保障
。
师，
吉
） 女 硕士，
微（
1981-
， ，
工程师
。
） 男 高级工程师
。
姚海军（
1972-
， ，
） 男 高级工程师
。
宁应惠（
1962-
， ，
，
而以往研究中 ，
激光制导工½波段大气透过特性研究
第
6
期
指挥控制与仿真
的
1
㎝
－1
61
基本上应用既定统计值 ，
对探测½用距离的½响的研
美½
究中基本上不考虑大气的½响
。
美伊海湾战争 ，
½用了
70%
以上的激
倚仗其高精科学技术和制空权 ，
光精密制导炸弹打击伊拉克军事目标 ，
½其中一些精
造
密制导炸弹因受大气烟尘环境的½响而偏离目标 ，
成不少平民伤亡
重要问题
。
鉴于在无雨雪条件下 ，
战场环境中大气对激光测
距的½响主要取决于½见度 ，
而大气气溶胶又是½响
本文利用数值仿真手段 ，
½见度的最主要因素
。
因此，
有针对性地开展了气溶胶对激光制导工½波段大气透
及其对该波段探测½用距离的½响研究
。
与
过特性 ，
传统方法的研究相比 ，
本文着眼点在于综合利用大气
成
辐射传输模型和激光制导波段探测½用距离模型 ，
功地将大气气溶胶数值计算结果应用到激光探测½用
距离研究中
［8-½
9
［7
½
分辨率可提供同样的光谱精度 ，
故采用
Voigt
线½和线参数对温度和压力的显式表达 ，
从而可以更
½地适用于完全处于
30km
高度以上的路径
。
½对于
由于许多分子开始处于非
高度大于
60km
以上的路径 ，
局地热力平衡状态 ，
模型不再适用
。
模型计算中需输
入所计算区域的地理经纬度
、
海拔高度
、
太阳天顶角
、
方½角
、
地球半径和所求波谱段范围等
。
另外 ，
由于还
需考虑到辐射流方向上的单次或多次散射 ，
可根据不
对几½路径进行选择
。
目前路径选择主
同计算需求 ，
要有水平
、
斜程和斜程至空间三种
。
水平路径上压强
不变 ，
需输入起始高度和路径
。
斜程路径上压强是变
化的 ，
输入的参数为起始和终止高度以及天顶角的数
值，
或者起始高度
、
天顶角和斜程传输距离 ，
或起始和
终止高度和斜程传输距离
。
斜程至空间路径上主要是
输入起始的高度和天顶角的大小
。
。
由此可见 ，
武器系统设计和½战
½用中正确认识和应用大气条件是½前所必须考虑的
。
3
气溶胶½响下的激光大气透过特性
鉴于激光制导工½波段主要是
1. 06
μ
m，
已有研究
2
大气辐射传输模型
lambert
定
激光在大气中的 传输 规律 可根据
beer-
［10
½
表明 ，
该波段大气辐射衰减主要是大气气溶胶的吸收
和散射
［12
½
。
因此 ，
文中利用
MODTRAN
大气辐射传输
理表示
，
即
I = I
0
exp
(
－
模型 ，
主要针对气溶胶½响下的
1. 06
μ
m
波段的激光大
∫
S
0
σ
ds
)
（
1）
气透过特性进行了数值计算分析
。
由于对具有明显时
空特征的气溶胶粒子尺度
、
复折射指数
、
浓度及其高度
因此 ，
计算采用的是依
分布等物理特征难于现场测量 ，
据试验观测结果总结而成的具有代表性 的 各 类 气 溶
胶，
如乡村气溶胶
、
城市气溶胶
、
海洋气溶胶等来描述
其½响的
。
设定大气传输路径为斜程 ，
目标物½于地
面，
天顶角为
55°，
输 距 离 为
5km，
不 考 虑 云 雨 ½
传
且
响，
1
分别给出了 热 带 大 气
、
纬 度 夏 季 和 冬 季 大
图
中
23km
乡
气
、
亚北极夏季和冬季大气 ，
以及标准大气中 ，
23km
海洋气溶胶
、
5km
城 市 气 溶 胶和
5km
村气溶胶
、
1.
乡村气溶胶½响下 ，
06
μ
m
波段大气透过率的演变
。
由图
1
可以看到 ，
不同季节和纬度大气 ，
相同气溶
1.
胶类型条件下 ，
06
μ
m
波段大气透过率随着纬度和季
从热带到中纬度再到亚北极地区 ，
节的变化并不明显 ，
从夏季到冬季 ，
大气透过率只有很小变化
。
这说明½
½½响
然不同季节和纬度会造成大气透过率的不同 ，
并不明显
。
在此基础上 ，
以中纬度夏季大气为例 ，
通过分析不
同气溶胶类型下激光大气的透过特性可以知道 ，
气象
1.
视距一致的不同气溶胶类型中 ，
06
μ
m
波段的大气透
过率只有较小变化 ，
23km
乡村 和海 洋 气溶 胶类 型
如
大气透过率分别为
0. 83
和
0. 75，
仅改 变 了
8%
左
下，
右； 而
5km
乡村和城市气溶胶类型下 ，
大气透过率则分
别为
0. 45
和
0. 41，
也仅改变了
5%
左右
。
而同一大气
I
式中， 为任意点处的激光强度 ；
I
0
为初始½½的
激光强度 ；
σ
为大气环境对激光的衰减系数 ；
S
为激光
确定大气环境对激
在大气中的传输距离
。
由此可见 ，
光的衰减系数就½计算出激光在传输一段距离后的强
度，
从而确定激光的最大传输距离
。
目前，
研究激光大气辐射传输的方法主要分三种 ：
计算机模拟仿真，
实验室模拟计算以及实地测量分析
。
文中研究采用的是第一种途径 ，
即利用大气辐射传输
模型
MODTRAN
进行大气辐射传输特性的数值计算
。
MODTRAN
模型 是 由 美 ½ 空 军 地 球 物 理 实 验 室 开 发
主要用于计算大气透过率
、
亮 度 和 大 气 背 景 辐
辐
的，
射
［11
½
。
模型中包括了
1976
年美½标准大气½为高度
½数的温度 ，
压力密度以及水½
、
臭氧
、
甲烷
、
一氧化碳
和一氧化二氮等
30
多种气½混合比的六种参考模型
还提供了具有代表性的气溶胶
、
云雨等子模块 ，
大气 ，
并且用户还可自定义接口 ，
将实测资料输入模型进行
－1
－1
计算
。
模型光谱分辨率为
2cm
，
可计算波段
0cm
到
50000cm
－ 1
。
计算大气透过率时 ，
MODTRAN
利用
3
个
与温度有关的参数 ： 吸收系数
、
线密度和平间隔内和间
隔外的邻近谱线进行分 别建 模
。
间 隔 内 的 谱 线 采 用
Voigt
线型积 分 得 到
。
采 用
Curtis-
Godson
近 似 将 多 层
的分层路径近似为等价的均匀路径
。
由于
MODTRAN
62
½琳琳， ： 大气气溶胶对激光制导探测½用距离½响的数值分析
等
第
34
卷
23km
和
5km
乡 村 气 溶 胶 类 型 下 ， 气 透 过 率 从
种，
大
0. 81
下降到
0. 54
左右，
改变了约
35%
。
由此可以说 ，
即½气溶胶类型不同 ，
½只要其造成的气象视距一致 ，
1. 06
μ
m
波段的大气透过特性差异并不明显
。
½即½
是同一气溶胶类型，
只要其造成的气象视距存在明显
那么该波段大气透过特性就存在明显不同
。
差异 ，
设目标表面的反射率为
ρ
，
则它被照射的单½面积
所反射的光功率为
P
r
=
ρ
Pcos
α
/ S
L
（
3）
接收物镜入瞳面积
S
e
对目标被照面积中心所张
2
立½角为
S
e
/ R
，
假定目标½均匀地漫反射 ，
则它每单
½面积向单½立½角内反射的功率为
P
r
/
π
，
考虑到发
射和接收光学系统的透过率
τ
0
，
大气透过率为
τ
a
，
则接
收到的激光回波功率为
P
e
=
P
r
S
e
·
τ
0
τ
a
·
2
·S
π
R
（
4）
S
式中 ， 是被照射且视场内的目标面积
。
如果激光束完全照射在目标上 ，
则
P
e
=
图
1
六类大气条件中，
不同气溶胶类型
τ
0
τ
a
ρ
Pcos
α
S
e
·
·
2
·S
S
L
π
R
（
5）
而此时
Scos
α
=
S
L
，
故有
P
e
=
τ
0
τ
a
ρ
PS
e
/
（
π
R
2
）
P
min
对应 ，
故
1
R
m
=
［
P
τ
0
τ
a
S
e
/
（
π
P
min
） ½
/2
ρ
下
1. 06
μ
m
大气透过率的演变图
（
6）
因为最大探测距离
R
m
与系统可探测的最小功率
（
7）
为分析不同高度层上气溶胶对激光透过特性的½
响，
仍以中纬度夏季大气为例，
2
给出了
23km
乡村气
图
不同高度 （ 以天顶角来描述 ） ，
不同传输距
溶胶类型下，
离中的激光大气透过特性演变
。
可以看出，
不同高度气
溶胶含量的不同对激光大气透过特性的½响主要½现
即高度一定时，
激光大气透过
在两方面：
1）
½角度一定，
且随着角度的加大，
即
率随着传输距离的增加而减小，
高度的越½而减小的更明显；
2）
½传输相同距离时，
天
即高度越½时，
激光大气透过率越小
。
顶角越大，
若激光束有一部分射到目标之外 ，
S
L
＞ Scos
α
，
则
此时
S
L
可由激光束的发散角表示
。
若平面发散角
θ
对
2
2 2
S
应的立½角为
β
，
β
=
0. 25
πθ
，
L
=
0. 25
πθ
R
则
R
m
=
(
τ
0
τ
a
ρ
Pcos
α
·SS
e
0. 25
π
2
θ
2
P
min
)
1
/4
（
8）
可见 ，
½激光束全部投射到目标表面时 ，
最大可测
距离取决于目标的反射率
、
激光器发射的功率
、
接收物
入瞳面积
、
大气和光学系统的透射率以及系统的最小
可探测功率
。
而 ½激光束并 非 完 全 投 射 到 目 标 表 面
时，
系统的最大可测距离除了与上述因素有关之外 ，
还
与目标被光束照射的面积
、
光束投射角以及激光器输
出光束的发散度密切相关
。
“
若定义 目标截面
”
为
σ
T
=
ρ
S /
β
1
光束有部分照射在目标之外时 ，
对漫反射目标有
σ
T
=
ρ
S /
π
（
10）
（
9）
式中 ，
1
是自目标反射的激光束发散立½角 ，
β
则在
图
2
不同高度层上
1. 06
μ
m
大气透过特性分布图
此时探距计算公式可写为
R
m
=
4
4. 1
气溶胶½响下的激光探测½用距离分析
激光制导波段探测½用距离模型
设激光器发射功率为
P，
目标距离为
R，
激光束在
[
τ τ
0.
σ
25
PcosP
α
·S
]
πθ
0
a
T
e
2
min
（
11）
可以看出 ，
大气对激光探距的½响除大气透过率
外，
大气湍流产生的光斑抖动
、
光强闪烁
、
波面畸变及
大气对出射激光束的后向散射也有½响
。
本文只针对
大气透过特性的½响加以研究
。
目标处的光束截面积为
S
L
，
目标被照表面与光束截面
夹角为
α
，
则该表面的照度为
E = Pcos
α
/ S
L
（
2）
4. 2
气溶胶½响下的激光探距数值计算
利用激光制导波段探测½用距离模型 ，
以及前一
第
6
期
指挥控制与仿真
63
节计算得到的不同气溶胶类型下
1. 06
μ
m
波段的大气
本节主要进行了气溶胶½响下的激光制导波
透过率 ，
段探测½用距离数值计算
。
由于计算重点针对气溶胶
下的 大 气 透 过 特 性 ， 此 ， ½ 相 关 参 数 均 取 为 缺
因
其
省值
。
1.
表
1
给出了不同气溶胶类型下 ，
06
μ
m
波段大气
透过特性下的探测½用距离数值预测
。
可以看出 ，
中
23km
纬度夏季大气与冬季大气
、
亚北极夏季大气相比 ，
乡村气 溶 胶 类 型 下 的 探 测 ½ 用 距 离 随 季 节 变 化 为
3. 6%
，
5Km
城市
随纬度变化为
2. 4%
，
23km
海 洋
、
而
和
5km
乡村气溶胶类型下的½用距离的变化随季节变
12.
化则分别为
9. 9%
、
5%
和
8. 6%
。
这表明 ，
气象视距
一致的同一气溶胶类型下 ，
该波段探测½用距离的变
化随大气季节和纬度的变化并不十分显著
。
½气象视
该波段的探测½用距
距不一致的同一气溶胶类型下 ，
离则均出现较大变化
。
以
23km
和
5km
的乡村气溶胶
为例分析发现 ，
五种大气中该波段探测½用距离的变
57.
55.
57.
化分别为
61. 7%
、
8%
、
8%
、
6%
和
55. 9%
，
探
测½用距离的降幅还是 十分 显 著 的
。
由 此 进 一 步 证
实，
½见度是造成
1. 06
μ
m
激光大气透过特性变化的主
要气象条件 ，
大气透过率的变化则直接½响到其探测
½用距离，
从而½响到其½战效½
。
表
1
不同气溶胶类型下
1. 06
μ
m
波段的探测距离（
km）
23km
乡村
热带大气
中纬度夏季大气
中纬度冬季大气
亚北极夏季大气
亚北极冬季大气
8. 1
8. 3
8. 6
8. 5
8. 4
23km
海洋
7
7. 1
7. 8
7. 7
7. 7
5km
城市
3. 3
3. 2
3. 6
3. 5
3. 5
5km
乡村
3. 4
3. 5
3. 8
3. 6
3. 7
的½用价值 ，
而且对武器系统的½用
、
评估等方面也具
有非常重要的应用价值
。
表
2
1.
不同气溶胶类型下，
06
μ
m
波段的探测
½用距离随½见度的演变 （
km）
½见度
气溶胶
冬季乡村
夏季乡村
夏季城市
海洋
8
5. 4
5. 1
4. 7
3. 3
7
4. 9
4. 6
4. 3
2. 9
6
4. 5
4. 1
3. 8
2. 4
5
3. 8
3. 5
3. 2
2
4
2. 9
2. 7
2. 4
1. 7
3
2. 2
1. 9
1. 8
1. 2
2
1. 3
1. 2
1. 1
0. 7
本文针对大 气 气 溶 胶 辐 射 传 输 衰 减 效 应 是 ½ 响
1. 06
μ
m
激光武器系统性½的重要因素 ，
利用大气辐射
传输模型和激光制导波段探测½用距离模型 ，
开展了
激光探测½用距离的气溶胶½响数值仿真
。
计算方法
和分析结果对于激光制导武器大气环境½响论证和试
验训练分析评估等有重要参考意义
。
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朱尚卿
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μ
m
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与激光工程，
表
2
则是最½发射角度，
即天顶角
55°
时 ，
不同气
溶胶类型下
1. 06
μ
m
波段的探测½用距离随½见度的
演变
。
与之前分析的基本一致 ，
即该波段探测½用距
离随½见度的变化趋势与大气透过率的基本一致
。
随
着½见度的恶化，
其½用距离逐渐减小 ，
½½见度达到
2km
时 ，
½用距离仅为
1km
左右
。
此外 ，
不同气溶胶类
型下该波 段 的探测½ 用距离表 现为 乡村 的½ 于 城 市
的，
城市的½于海洋的 ，
且均是冬季的½于夏季的
。
5
结束语
目前，
世界各½½在积极开展大气环境对精确制
尤其是美½和俄½斯开始较早 ，
技
导武器的½响研究 ，
研究领域也较广泛
。
鉴于大气环境½响
术比较领先，
数值仿真在武器控制系统设计
、
制导系统仿真
、
武器总
½设计及任务规划系统的研制过程中 ，
具有非常重要
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