收发同轴脉冲激光引信在水雾中的后向散射偏振特性

考虑激光引信的探测性能易受大气气溶胶的散射作用和吸收作用的影响,本文基于Mie散射理论,采用Monte Carlo方法模拟了脉冲激光在水雾中的后向散射偏振特性。对1~10μm的19种粒径的水雾进行仿真,获得了典型波长和水雾粒径下激光后向散射的平均偏振对比度。建立了收发同轴脉冲激光在水雾下的后向散射偏振特性实验系统,通过改变超声波加湿器的浓度,得到了5种典型粒径的模拟水雾粒子,并对其进行了实验。研究结果表明:当水雾粒径在1~10μm时,激光后向散射的平均偏振对比度为0.30~0.65,实验结果与仿真结果具有较好的一致性。得到的结果证明了激光后向散射理论模型和Monte Carlo仿真的正确性,为激光引信的抗水雾干扰研究提供了理论支撑。     

1.54 μm激光大气传输特性仿真计算研究

为了研究1.54μm激光在不同条件下的大气传输特性,利用Modtran模型进行仿真计算的方法,得到了1.54μm激光在大气分子、气溶胶粒子以及雨中的大气传输特性。结果表明:大气分子对1.54μm激光的传输影响很小,基本可忽略不计;不同类型的气溶胶对于1.54μm激光传输的衰减程度有很大差别,其中海洋环境较陆地环境衰减更为明显,且随着能见度的降低透过率也随之降低;雾对1.54μm激光的衰减及其严重,基本很难透过;雨天对1.54μm激光的衰减也很严重,衰减强度不及雾,但强于气溶胶,且随着降水强度的提高,透过率大幅降低。     

恶劣环境下大气信道激光通信传输特性研究

针对大气激光通信在复杂环境下的衰减比较严重,已有的大气衰减模型存在计算误差大的问题,研究了激光大气传输效应,分析大气通信信道特性。根据雨雾共存环境特性,修正已有的大气衰减模型,给出适用于复杂环境下的大气衰减计算模型。利用大气衰减模型,仿真分析无线光通信系统的链路余量。结果表明,计算链路余量时,采用已有的计算模型误差较大,采用修正的计算模型误差较小。     

坐标缩放激光角谱传输及在激光光学系统中的应用

提出了坐标可缩放的激光传输角谱算法,用于评估激光光学系统性能并分析其系统公差。考虑Collins公式可用于计算激光光束在光学系统中的衍射传输过程,对该积分公式进行了坐标代换,将衍射积分公式转换为角谱传输过程,并引入坐标缩放因子,实现了目标面尺寸的自由选择,提高了激光传输计算的准确性。设计了一套激光传输系统,定义占有86.5%桶中功率的光斑尺寸为光斑半径,用提出的算法对激光光束传输公差进行了分析。分析表明:作用距离为90m时,焦面激光光斑的半径为0.8~1.4mm,期望值为0.92mm,实验测量值为1.01mm;作用距离为49m时,焦面激光光斑的半径为0.42~0.73mm,期望值为0.48mm,实验测量值为0.46mm,实验结果与公差分析相符。另外,通过公差分析验证了激光光束在光学系统中的焦移现象。由角谱法对激光传输系统的理论分析与实验结果相符,证明了该方法用于激光聚焦光学系统设计的可行性。     

电子束泵浦准分子激光放大器的双程光路自动准直

提出了一种电子束泵浦准分子激光放大器的双程光路准直方法,以保证光束在放大器中按照预定方向传输,并使多路光束稳定精确地照射靶面.首先,鉴于准分子放大器中无天然准直基准提出了利用双叉丝像传递光路进行准直的方法,即把输入光束叉丝基准作为“近场点”,把输出光束叉丝基准作为“远场点”,并设计了放大器准直光路,编写了相应的软件.然后,在现有实验室条件下开展了电子束泵浦准分子激光放大器双程光路的自动准直实验.最后,分析了影响该方法的相关因素及准直精度.实验及分析表明,设计的准直系统在较短时间内实现了预定传输光路的自动准直,系统自身精度为0.63μrad,光束最大复位误差为13.75 μm,满足了电子束泵浦准分子激光放大器双程光路自动准直的要求.     

远场光束扩展对光斑瞄准偏差影响的实验

在远场大气环境下的激光瞄准过程中,大气湍流效应会造成光束的漂移和扩展,从而影响激光器的瞄准精度。本文基于修正的VonKarman湍流谱和部分相干光在湍流大气中的传输理论,设计了高斯光波经过大气湍流后的光场模拟软件,并在一定气象条件下,通过一种激光光轴瞄准偏差测试系统进行外场实验。该测试系统光束直径≤9mm,接收部分为120mm大口径光学镜头。研究了3km范围内强湍流条件下光束的传输特性;结合实验数据,分析了在湍流大气中远场光传播时波束扩展对激光瞄准精度的影响。基于文中研究结果设计的瞄准偏差补偿方案可提高系统在大气能见度10km范围内的瞄准精度。在激光传输距离3km,斜程仰角为0~45°时,激光光斑偏移计算误差≤0.1mrad。     

基于光锥扩束机理的单脉冲激光近程静态探测方法

针对激光近程全向探测问题,在激光近程动态周向扫描探测机理研究基础上,提出了基于光锥扩束机理的单脉冲激光 近程静态周向探测方法。 基于激光近场探测理论和静态探测场空间几何分布,推导出基于光锥扩束机理的单脉冲激光近程静 态探测回波方程。 构建了单脉冲激光近程测距概率分布模型并搭建了实验室静态探测实验平台,研究了脉冲激光发射功率、倒 置反射光锥角、脉冲激光束发散角和目标尺寸投影面积对激光近程周向探测概率分布的影响机制。 结果表明:随着发射功率和 目标投影尺寸分别从 10 W 和 0. 01 m 2 增加到 30 W 和 0. 25 m 2 ,回波信号幅值亦随之从 0. 16 和 0. 43 μV 提升到 4. 22 和 5. 95 μV,随着倒置反射光锥角和光束发散角分别从 30° 和 10 mrad 增加到 120° 和 30 mrad,回波信号幅值随之从 3. 18 和 2. 52 μV 降低到 0. 88 和 1. 92 μV;周向探测概率分布随着发射功率和目标投影尺寸的增加而半宽减小且峰值增加并向左偏离、 随着倒置反射光锥角和光束发散角的增加半宽增大且峰值降低并向右偏离;探测分布对称性并不受以上 4 种因素影响。     

基于动态粒子参数选择的水雾透过率计算

为了研究多次散射效应对辐射在雾中传输特性的影响,提出了一种多粒子雾层模型,该模型中雾滴粒子为半径不同的球形水滴粒子。雾滴粒子半径被分为多个区间,计算了不同半径区间内雾滴粒子的传输近似光学参数。提出了一种基于动态粒子参数选择的蒙特卡罗法,并模拟0.85μm和4μm辐射在重度平流雾、中度平流雾、重度辐射雾和中度辐射雾中的传输。分析了传输距离对透过率和计算时间的影响,并与传统的蒙特卡罗法的计算结果进行比较。结果表明:相比于4μm辐射,0.85μm辐射在雾中的透射能力更强;基于动态粒子参数选择的蒙特卡罗法与传统蒙特卡罗法计算得到的透过率随传输距离的变化曲线具有相同的趋势,传输距离为150 m时,两种方法对0.85 μm和4 μm辐射在重度平流雾中的透过率的绝对误差分别为0.0483和0.0015;传输距离为400 m时,相较于传统的蒙特卡罗法,基于动态粒子参数选择的蒙特卡罗法对4 μm辐射在重度平流雾中的传输计算效率可提升44%。基于动态粒子参数选择的蒙特卡罗法计算雾中的远距离辐射传输,可有效缩短计算时间。该研究结果对雾天的目标识别与探测有重要意义。     

雨滴在船舶大气激光通信中的遮挡作用

虽然气候因素和大气本身对船舶大气激光通信系统的性能影响极大,但现有的研究多集中于讨论大气对激光束造成的散射衰减。本文指出在雨中的自由空间光通信主要受雨滴直接遮挡的影响,尤其是雨滴形成的投影间的重叠效应,该效应能够很好地解释大雨甚至暴雨中激光仍能通过的现象。文中结合雨滴尺寸分布模型,建立了船舶大气激光通信中雨滴遮挡作用的数理模型,对光在雨中的最大传输距离及其光强的衰减做了初步计算与实验。结果证明,该衰减模型是合理的,理论模型基本符合实验结果。该项研究为进一步探索船舶大气激光通信系统的性能奠定了基础。     

液体表面张力激光快速测量法

基于插板法测液体表面张力系数的基本原理,介绍了一种利用半导体激光器及准直光学系统输出的矩形平行光束,结合线阵CCD传感器,实现液体表面张力系数快速测量的方法。通过测量激光束两边沿在液体表面的入射角来求得表面张力系数,解决了插板法测液体表面张力系数的液面上升高度和接触角检测难题,避免了人为因素的影响。推导了矩形激光束两边沿在液体弯月面的入射角与表面张力系数的关系,以及用CCD测量激光入射角的计算公式,并进行了参数设计和误差分析。结果表明:为了提高液体表面张力系数的测量精度,在满足测量条件下,应采用尽可能大的矩形激光束宽度、激光入射角和CCD相对距离。理论分析表明,当光束宽度的测量误差为5 μm时,水的表面张力系数测量精度为1%。若将光束宽度的测量误差减小到2 μm,则水的表面张力系数理论精度可达0.5%。实验结果证明了水的表面张力系数测量精度达到1%。