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近场定距脉冲激光在降雨中的大气传输特性研究

作　者: 郭婧
导　师: 王晓锋; 张合
学　校: 南京理工大学
专　业: 兵器科学与技术
关键词: 常规弹药激光定距雨滴散射降雨衰减脉冲激光传输蓝绿激光
分类号: TH745
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

激光因具有抗干扰能力强、角度和距离分辨率高、单色性好等优点,在现代战争中正发挥着越来越重要的作用。激光定距系统作为一种非常好的探测装置,在应用于常规弹药的过程中必须克服气候因素和大气本身对系统的影响。激光光束在降雨中传输时会与雨滴发生相互作用,产生雨滴的吸收和散射效应,使接收端的激光功率减小、光斑廓形发生变化,导致系统性能下降,严重时甚至造成失效。因此,对脉冲激光在降雨中传输特性的研究是分析激光传输效应和确定激光定距系统参数的重要基础。本文以常规弹药中的前置式激光定距系统为背景,对脉冲激光在近地面雨场环境下的传输特性,以及降雨衰减对激光定距性能产生的影响进行了系统研究。首先根据激光定距系统工作原理,结合系统的探测目标能力分析了激光测距距离方程及其影响因素：分析了与激光传输特性有关的降雨物理特性,如：雨滴尺寸、形状、雨滴尺寸分布谱和水的折射率系数等,选择相应的雨滴形状模型及适合我国区域内降雨分布的雨滴谱模型。根据不同尺寸雨滴的形状模型,在夫琅禾费(Fraunhofer)衍射和几何光学散射理论基础上,建立了球形和近似椭球形雨滴对蓝绿波段与近红外波段激光光束的光散射模型；得出了不同波长下各尺寸雨滴的散射衰减截面；对雨滴产生的光散射能量分布进行了数值计算并分析影响雨滴散射特性的因素。从实际工程应用出发,对雨滴的散射衰减截面进行了前向散射修正；分析了雨滴对蓝绿波段和近红外波段激光的吸收特性,并结合雨滴散射特性建立降雨衰减的计算模型；给出了蓝绿波段和近红外波段典型波长激光在不同降雨率下的衰减系数；分析了光束发散角在不同传输距离情况下对激光能量衰减的影响；根据降雨衰减模型,推导出激光后向散射系数的计算公式,并结合某型号激光定距系统分析了不同降雨条件及不同作用距离下的雨滴后向散射对激光定距系统信噪比(SNR)的影响。以蒙特卡罗方法为基础建立了脉冲激光在随机分布雨滴中的传输模型。首先给出了光子运动轨迹的计算机模拟和模型统计流程；分析了降雨大小、传输距离、发射脉宽等因素对激光脉冲延时的影响以及脉冲延时引起的定距误差；通过模拟结果分析了降雨环境下各种参数对激光光斑扩展的影响。根据激光光束在降雨中的衰减特性研究,给出了激光在降雨中传输特性的仿真与实验方法。结合Bouguer-Lambert(?)旨数衰减定律分析了实验原理并确定实验方案；采用ZEMAX光学软件对532nm波长光束透过球形水滴后的光散射特性进行仿真,并给出与理论分析的对比结果；由实验装置产生模拟雨滴,测试了单个和多个雨滴对532nm和1064nm波长激光的光束能量衰减；建立室外雨场用来模拟真实降雨,测试不同降雨强度下两波长激光光束的传输特性。为使激光定距系统在降雨环境下也能实现对目标的可靠探测,对系统定距性能进行了优化。分析了系统参数和外部环境对脉冲激光传输的影响,以现有脉冲激光发射与接收组件为基础,给出提高定距性能的方案：提出了椭圆与双曲柱透镜、非球面与变形棱镜组的两种光束准直方法；研制了基于雪崩二级管(APD)探测的高灵敏度激光定距接收系统及其放大电路；提出了采用直流高压驱动激光器使其发射大功率脉冲的方法并研制了脉冲功率可调的激光器电源。本文的研究成果可直接应用于激光定距系统的设计和研制,为激光定距系统在近地面雨场环境下精确定距提供理论基础和技术支撑,是提高激光探测系统传输效率和激光定距系统适应降雨环境的关键。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-14
图目录  14-18
表目录  18-20
1 绪论  20-30
  1.1 研究背景和意义  20-23
  1.2 降雨衰减的国内外研究现状  23-25
  1.3 离散介质中的脉冲传输研究进展  25-27
  1.4 论文主要内容及结构安排  27-30
    1.4.1 论文主要研究内容  27-28
    1.4.2 论文结构安排  28-30
2 激光定距系统大气传输理论基础  30-43
  2.1 激光测距距离方程  30-32
  2.2 激光的大气传输  32-33
  2.3 大气粒子散射理论  33-42
    2.3.1 Rayleigh散射  33-35
      2.3.1.1 角散射截面  34
      2.3.1.2 总散射截面  34-35
    2.3.2 Mie散射  35-39
      2.3.2.1 强度分布函数  36-37
      2.3.2.2 微分散射截面  37
      2.3.2.3 散射相函数  37-39
    2.3.3 非球粒子散射  39-42
      2.3.3.1 点匹配法  39-40
      2.3.3.2 T-矩阵法  40-41
      2.3.3.3 光线追踪法  41-42
  2.4 本章小结  42-43
3 降雨的物理特性研究  43-55
  3.1 降雨类型  43-44
  3.2 雨滴形状模型  44-47
    3.2.1 Pruppacher-Pitter模型  44-45
    3.2.2 Beard-Chuang模型  45-46
    3.2.3 近似椭球模型  46-47
  3.3 雨滴的下落速度  47-48
  3.4 雨滴的折射率系数  48-49
  3.5 雨滴尺寸分布模型  49-53
    3.5.1 Laws-Parsons分布  49-51
    3.5.2 负指数分布(Marshall-Palmer)分布  51
    3.5.3 伽马(Gamma)分布  51-52
    3.5.4 其他分布模型  52-53
      3.5.4.1 对数正态分布  52
      3.5.4.2 韦伯尔(Weibull)分布  52
      3.5.4.3 Joss分布  52-53
  3.6 适于我国的雨滴谱选择  53-54
  3.7 本章小结  54-55
4 雨滴的光散射模型及传输衰减  55-84
  4.1 球形雨滴的光散射特性  55-63
    4.1.1 球形雨滴的光散射模型  55-61
      4.1.1.1 雨滴的Fraunhofer衍射  56-57
      4.1.1.2 雨滴的几何光学散射  57-60
      4.1.1.3 雨滴的散射衰减截面  60-61
    4.1.2 球形雨滴光散射分布数值计算  61-63
  4.2 近似椭球雨滴的光散射特性  63-71
    4.2.1 椭球雨滴的光散射模型  64-69
      4.2.1.1 椭球的Fraunhofer衍射  64-65
      4.2.1.2 椭球的几何光学散射  65-69
    4.2.2 椭球雨滴光散射分布数值计算  69-71
  4.3 激光在降雨中传输的能量衰减  71-83
    4.3.1 前向散射修正  72-73
    4.3.2 降雨衰减的数值计算  73-78
      4.3.2.1 降雨衰减系数  73-75
      4.3.2.2 平行光束的能量衰减  75-76
      4.3.2.3 发散光束的能量衰减  76-78
    4.3.3 降雨对激光的后向散射特性  78-83
      4.3.3.1 降雨后向散射系数  78-80
      4.3.3.2 后向散射对激光定距系统信噪比的影响  80-83
  4.4 本章小结  83-84
5 脉冲激光在随机降雨中的传输特性研究  84-101
  5.1 蒙特卡罗模拟方法  84-87
    5.1.1 蒙特卡罗法概述  84-85
    5.1.2 蒙特卡罗法模拟步骤和特点  85-86
    5.1.3 蒙特卡罗法模拟误差  86-87
  5.2 基于蒙特卡罗模拟的脉冲激光传输模型  87-91
    5.2.1 光子传输模型及统计流程  87-88
    5.2.2 脉冲激光传输模型分析  88-91
  5.3 蒙特卡罗数值模拟及结果分析  91-99
    5.3.1 降雨对激光脉冲延时的影响  91-95
      5.3.1.1 衰减系数的影响  92
      5.3.1.2 传输距离的影响  92-93
      5.3.1.3 发射脉宽的影响  93-94
      5.3.1.4 脉冲延时引起的定距误差  94-95
    5.3.2 降雨对激光光斑扩展的影响  95-99
      5.3.2.1 模拟光子个数的影响  95-96
      5.3.2.2 传输距离的影响  96-97
      5.3.2.3 衰减系数的影响  97-98
      5.3.2.4 非对称因子的影响  98
      5.3.2.5 光束发散角的影响  98-99
  5.4 本章小结  99-101
6 激光在降雨中的传输特性仿真与实验研究  101-118
  6.1 实验原理和仪器装置  101-107
    6.1.1 实验原理及方案  101-103
    6.1.2 实验仪器  103-107
      6.1.2.1 激光发射装置  103-104
      6.1.2.2 激光探测装置  104-106
      6.1.2.3 水滴及模拟降雨发生装置  106-107
  6.2 模拟雨滴的激光衰减仿真与实验测试  107-114
    6.2.1 雨滴散射特性的ZEMAX光学仿真  107-110
    6.2.2 实验测试与结果分析  110-114
  6.3 模拟降雨下的激光传输特性实验  114-116
    6.3.1 激光能量衰减特性  114-115
    6.3.2 激光光斑扩展特性  115-116
  6.4 本章小结  116-118
7 降雨环境下激光定距性能优化方法  118-138
  7.1 激光光束准直与整形  118-125
    7.1.1 半导体激光器发射光束特性  118-120
    7.1.2 椭圆面与双曲面柱透镜准直  120-122
    7.1.3 非球面透镜与变形棱镜组准直  122-125
  7.2 雪崩二级管(APD)探测接收技术  125-132
    7.2.1 APD的特性与工作原理  125-127
    7.2.2 APD探测接收系统  127-131
    7.2.3 测试及结果分析  131-132
  7.3 大功率激光发射技术  132-137
    7.3.1 激光器电源电路模型  133-134
    7.3.2 可调高压驱动电路  134-135
    7.3.3 电路仿真与实验  135-137
  7.4 本章小结  137-138
8 结论与展望  138-141
  8.1 全文总结  138-139
  8.2 论文主要创新点  139-140
  8.3 研究展望  140-141
致谢  141-142
参考文献  142-152
附录  152-153

近场定距脉冲激光在降雨中的大气传输特性研究

内容摘要

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