近場定距脈沖激光在降雨中的大氣傳輸特性研究.pdf

1、博 士 學(xué) 位 論 丈近 場 定距 脈 沖 激 光在 降 雨中 的大 氣傳 輸 特 性研 究作 者 ：郭 婧指導(dǎo)教 師 ：王 曉鋒 教 授張 合 教 授南 京 理 工 大 學(xué)2012 年 7 月博 士 論 文 近 場 定距 脈 沖 激 光 在 降 雨 中 的大 氣 傳 輸 特 性 研 究摘 要激 光 因具有抗干擾 能力 強(qiáng) 、角度 和距離 分辨 率 高 、單色性好 等優(yōu) 點(diǎn) ，在現(xiàn)代 戰(zhàn)爭中正 發(fā)揮著 越來越 重要 的作用 。激光

2、定距系 統(tǒng)作 為一種 非常好 的探測裝 置 ，在應(yīng) 用 于常規(guī) 彈藥 的過程 中必須 克服 氣 候 因素和 大氣本 身對 系統(tǒng) 的影 響 。激 光光 束在 降雨 中傳輸 時會與 雨 滴發(fā) 生相 互 作用 ， 產(chǎn) 生雨滴 的吸 收和 散射 效應(yīng) ， 使接 收端 的激光 功率 減 小 、光斑廓 形發(fā) 生變化 ，導(dǎo)致 系統(tǒng) 性 能下 降 ，嚴(yán) 重 時甚至造 成 失效 。 因此 ，對 脈沖激 光在降雨 中傳輸特性 的研 究是分析激 光傳輸效應(yīng)

3、和確 定激光定距系統(tǒng) 參數(shù) 的重要基礎(chǔ) 。本文 以常 規(guī) 彈 藥 中 的前 置 式激 光 定 距 系 統(tǒng) 為背 景 ，對 脈 沖 激 光 在 近 地 面 雨 場 環(huán) 境 下 的傳輸特 性 ， 以及 降雨衰減 對激 光 定距 性 能產(chǎn) 生 的影 響進(jìn)行 了系統(tǒng)研 究 。首先根 據(jù)激 光 定距 系統(tǒng) 工 作 原理 ，結(jié)合 系統(tǒng) 的探測 目標(biāo) 能力 分析 了激 光測距距 離方程 及 其影 響因素 ；分析 了與激 光傳輸特性 有關(guān) 的降雨物 理

4、特性 ，如 ：雨滴尺寸 、形狀 、雨 滴 尺寸分布 譜和水 的折射 率系數(shù)等 ，選擇 相應(yīng) 的雨 滴形狀 模 型及適 合我 國區(qū)域內(nèi)降雨 分布 的雨滴譜 模 型 。根 據(jù) 不 同尺 寸 雨 滴 的形 狀 模 型 ，在 夫瑯 未 費(fèi) （ F m unhofer) 衍 射 和 幾 何 光學(xué) 散 射 理論基 礎(chǔ) 上 ，建立 了球 形和近 似橢球 形 雨滴對 藍(lán)綠波 段 與近 紅外波 段 激 光光 束 的光 散射模 型 ；得 出 了不 同波 長

5、 下各 尺 寸 雨滴 的散射 衰減 截 面 ；對 雨滴產(chǎn) 生 的光 散射 能量 分 布進(jìn)行 了數(shù)值 計(jì)算 并 分 析 影 響 雨 滴 散射 特 性 的 因素 。從 實(shí) 際工程應(yīng)用 出發(fā) ，對 雨滴 的散射衰減截 面進(jìn) 行 了前 向散 射 修正 ；分析 了雨滴對藍(lán) 綠 波段 和近 紅 外波段激 光 的吸收特 性 ，并結(jié)合 雨滴散射特 性 建 立 降雨衰減 的計(jì)算模型 ；給 出了藍(lán)綠波段 和近 紅外波 段典 型波 長激 光在 不 同降雨率

6、下 的衰減 系數(shù) ；分析了光 束 發(fā) 散 角在 不 同傳 輸距 離情 況 下 對 激 光 能量 衰 減 的影 響 ；根 據(jù) 降雨 衰 減模 型 ，推導(dǎo) 出激 光后 向散射 系數(shù) 的計(jì) 算 公式 ，并結(jié)合某型 號激 光 定距 系統(tǒng) 分 析 了不 同降雨 條件及 不 同作用距 離下 的雨滴后 向散射 對激光定距系 統(tǒng) 信 噪 比 （ SN R ) 的影 響 。以蒙特 卡羅方法 為基礎(chǔ) 建立 了脈沖激光 在隨機(jī) 分布雨 滴 中的傳輸模 型 。

7、首先給 出了光 子 運(yùn) 動 軌跡 的計(jì) 算 機(jī)模 擬 和 模 型 統(tǒng) 計(jì)流 程 ；分 析 了降雨 大 小 、傳輸 距 離 、發(fā)射 脈寬等 因素對 激光脈沖 延 時的影 響 以及脈沖延 時引起 的定距 誤 差 ；通 過模擬 結(jié)果 分 析 了降雨環(huán) 境 下各種參數(shù)對激光 光斑 擴(kuò)展 的影響 。根據(jù)激 光光束在 降雨 中 的衰減特 性研究 ，給 出了激光在 降雨 中傳輸特 性 的仿真 與實(shí)驗(yàn)方法 。結(jié)合 B ouguer - L am ber