“雾霾真能抵挡激光武器吗?”激光的大气传输——激光武器科普讲座之四

发布时间:2020-11-17 阅读次数:1454

近年来,雾霾成为秋冬季节常见天气和热门话题,雾霾能否成为激光武器的天然屏障也曾一度引起热议,本文就以此为切入点探讨激光的大气传输。

激光的大气传输
(激光武器科普讲座之四)

激光的大气传输是激光武器应用的重要物理基础,特别是在陆基、海基和空基作战领域(天基系统没有大气传输问题),大气对激光武器作战效果的影响不可忽视,而自适应光学可以补偿大气效应,减弱大气对激光传输的影响。

一、雾霾真能抵挡激光武器吗?
近年来,雾霾成为秋冬季节常见天气和热门话题,雾霾能否成为激光武器的天然屏障也曾一度引起热议,本文就以此为切入点探讨激光的大气传输。雾霾使大气变得浑浊,导致视野模糊、能见度降低,这是由于雾霾对可见光衰减所致。同样的道理,雾霾也可对激光造成衰减,大幅降低激光武器的作战效能,所以雾霾真的能够抵挡激光武器。激光武器受恶劣天气影响大,这也是激光武器的一大弱点。

二、大气对激光武器的影响有哪些?
大气对激光武器的主要影响可归结为四种物理现象:吸收、散射、湍流和热晕。其中,大气吸收和散射都会消弱激光能量,通常统称为大气消光或大气衰减。在激光武器设计中,通常把吸收和散射算作损耗,反映在大气透过率中;把湍流和热晕算作光束畸变,反映在光束质量中。
下面对激光在大气传输中的物理现象分别介绍。
(一)吸收
吸收是激光通过大气时,大气成分将激光能量转变为其他能量的过程,主要包括大气气体分子和气溶胶等粒子吸收。大气吸收对激光传输产生两方面的影响,不仅直接消弱激光能量,还加热大气分子,导致热晕等非线性效应。大气分子组成中,氧气和氮气虽占大气体积的99%,但氧气和氮气的吸收带主要在紫外区,对处于红外波段的激光武器而言,微量气体和水蒸汽在大气吸收过程中扮演着最重要的角色,尤其是水蒸汽的吸收。
(二)散射
散射是激光与大气分子或气溶胶等粒子相互作用,使激光按照一定规律在各个方向重新分布的现象。散射和吸收一样是不可避免的,与吸收不同的是散射只是造成激光能量的衰减。空气中的微小液滴和各种颗粒物形成的气溶胶是雾霾的主要成分,可对激光产生严重的吸收和散射,造成激光能量衰减,降低激光武器作战效能。
(三)湍流
湍流是由大气的无规则随机运动引起的,大气是非均匀介质,空气的温度、压力、速度在小范围内是随机变动的,引起空气运动的不规则变化和冷热气流的混合,形成具有多漩涡结构的大气湍流,湍流内部的温度起伏引起大气折射率的随机不均匀分布,导致光的波前畸变,破坏光的相干性,造成光学成像的模糊,以及激光的光束随机漂移、强度起伏和光斑扩散,最终使激光能量发散,降低激光到靶功率密度。湍流对成像和激光束的影响,必然也会影响激光武器的跟踪瞄准精度,使精确的光束控制变得异常困难。


    (a)不同时刻的瞬态光斑形状


 

(b) 长曝光后的光斑形状        (c)无流的理想光斑形状

图1  经湍流大气传输后的远场激光光斑

为加深对湍流的认识,图1给出了激光经过湍流大气传输后远场光斑分布情况的数值模拟结果。其中,图1(a)为不同时刻的瞬态光斑形状;图1(b)为长曝光(时间积分)后的光斑形状;图1(c)为无湍流情况下,不受大气影响的理想光斑。可见,在湍流的影响下激光远场光斑的形状是随机变动的,最终将造成激光武器的到靶功率密度下降。
(四)热晕
热晕是一种非线性大气效应,当激光在大气中传输时,大气吸收激光能量后温度升高,使空气膨胀、密度降低、折射率减小,引起负透镜效应,可造成激光的偏转、畸变和扩散。

 

图2  横向风作用下的稳态热晕效应示意图

 

图3  热晕光斑的数值模拟结果

图2是横向风作用下的稳态热晕效应示意图[1],空气经激光加热后被吹向下风区域,致使下风区域折射率减小,使光束畸变并向上风区域偏转,形成典型的与热晕效应有关的经典月牙形光斑,光斑的数值模拟结果如图3所示。图2和图3是在较为理想的情况下得出的结果,实际上热晕是非常复杂的大气传输问题,和激光武器的发射口径与功率、大气的吸收、风速与风向、光束转动速率等多种因素有关,经热晕影响后的光斑远比图3要复杂的多。
热晕效应使激光到靶功率密度和激光输出功率之间存在非线性效应。当激光输出功率较小而不足以引起强烈的热晕效应时,激光到靶功率密度随输出功率的增加接近线性增长。但随着激光输出功率的进一步增大,强烈的热晕效应使激光传输功率存在一个临界值,超过这个临界功率后,激光到靶功率密度不升反降。

三、如何减弱大气对激光的影响?.
大气吸收和散射对激光造成的衰减是不可避免的,但大气透过率有明显的波长选择性,如图4所示为整层大气透过率典型数值计算结果,因此可以通过激光波长的选择与优化来减少大气吸收和散射对激光的衰减。

 图4  整层大气透过率


自适应光学是实时校正光学扰动的技术,可以对大气传输中的湍流和热晕进行校正。根据具体应用和实现方式的不同,自适应光学系统有多种结构形式。激光武器系统中,自适应光学校正系统通常由波前传感器、重构器、控制器、倾斜镜和变形镜等部分组成,其组成示意图如图5所[2]图中绿色线为信标光。信标光为来自作战目标的反射光或目标附近的参考光,信标光携带光束传输路径上的波前相位畸变信息。波前传感器获取信标光中的波前相位畸变信息后,经重构器和控制器转变为变形镜和倾斜镜的驱动控制信号,最终通过变形镜和倾斜镜实现对畸变波前的共轭校正。


图5 自适应光学系统组成示意图


自适应光学系统既可以校正对目标的成像误差,提高激光武器的跟瞄精度,也可以校正大气湍流和热晕造成的激光束畸变,提高到激光到靶功率密度。然而,受限于波前传感器的分辨率、变形镜的可控单元数、系统响应速度和校正带宽等因素,自适应光学系统不可能实现对大气影响的完全校正,其基本规律是发射口径越大,湍流的校正难度越大;激光束功率密度越高,热晕越强,校正难度越大。这是一件两难的事,为了降低热晕效应,希望加大发射口径(从而降低发射激光功率密度),另一方面,为了有效校正湍流,希望减小发射口径。因此,高能激光工程上能用的自适应光学系统对湍流和热晕的校正能力有限,这也是激光武器不能靠简单地提升功率和加大发射口径来提高作战能力的物理限制。

参考文献
  1. F. G. Gebhardt, Twenty-five years of thermal blooming: an overview [C]. Proc. SPIE, 1990, 1221: 2-25.
  2. D. P. Greenwood and C. A. Primmerman, Adaptive optics research at Lincoln Laboratory [J]. The Lincoln Laboratory Journal, 1992, 5(1): 3-24.


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