CN111665020A - 一种激光武器射击距离和射击窗口的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光武器射击距离和射击窗口的确定方法，通过确定激光武器烧蚀目标靶所需入射激光功率密度q_inc，目标靶表面上的光径r_s，激光束照射在目标靶上的总功率P，根据激光束照射在目标表面的功率密度

得到激光武器射击距离和射击窗口的计算方法。本发明方法利用激光烧蚀强度，确定了烧蚀一定厚度的物质与功率密度之间的关系，为激光器在实际运用中提供准确的数据支撑。

Description

一种激光武器射击距离和射击窗口的确定方法

技术领域

本发明属于武器系统效能分析技术领域，具体涉及一种激光武器射击距离和射击窗口的确定方法。

背景技术

目前，激光器被国内外广泛研究，但这些研究大多数都着眼于激光器本身或者材料在激光照射下产生的物理化学变化。近年来，在激光技术方面，樊红英等通过所示设计的测量装置，根据波像差分解理论及波前变换关系，获得了高能激光材料热效应参量，并评估了该装置的测量不确定度；2017年国防科技大学利用自主研发的国产光纤，实现了高功率的激光输出，对于我国高功率光纤激光器技术的发展产生了重大意义；Deying Chen等研究了一种具有10KHz重复率的高能突发型染料激光器；Lijie Geng等研究了优化的L型腔的高能气体太赫兹激光器的性能提升；路晓川等设计并研制了射频激励矩形波导CO₂激光器，研究了影响激光输出性能的最主要因素。在强激光运用方面，王晓宾等通过对强激光的大气传输效应研究，提出了舰载激光武器如何减小大气传输影响的应对措施；张东来、王军等分别研究了高能激光武器对巡航导弹的毁伤效应和毁伤效能；栾胜利、王佩等分别进行了舰载和机载激光武器的建模与仿真分析研究；高光波等进行了机载激光武器热管理系统研究，提出了相变储热技术在热管理系统中的发展趋势。但是，这些研究较少着眼于激光器系统与目标作用的关系。

对于激光器而言，激光在辐射目标时，其巨大能量被结构材料表层吸收并转换成目标材料的内部热能，该热能(量)通过热传导在材料内部扩散形成温度场，该温度场又导致目标热物理性能和力学性能变化。

假定激光束垂直入射靶板表面，受照物体位于z≥0的半空间，靶板表面对激光的反射率为R(x,y,T)，吸收系数为α(x,y,T)，入射功率密度在表面z＝0处为q_inc(x,y,t)，那么靶板内部的温度场T由下面的热传导方程描述

式中，ρ为目标密度，c为比热容，T为温度，t为时间，k为材料导热率，▽为梯度算子，R为反射率，α为材料吸收系数，q_inc为目标正表面上的入射激光功率密度，z为与激光入射方向一致的目标深度坐标，Q为其他热源，且所有材料参数都是温度的函数。

对于目标的结构和材料确定时，目标密度ρ，比热容c，材料导热率k，反射率R，材料吸收系数α均已确定，在不考虑其他热源Q时，温度T由照射时间t，目标正表面上的入射激光功率密度q_inc，以及与激光入射方向一致的目标深度坐标z确定，即T＝f(q_inc,t,z)。

对于某种确定的材料，当表面温度达到某一临界值T₀时，材料将会发生气化等物理现象，导致材料被烧蚀。因此，对于给定厚度d的材料和给定的照射时间t，目标被激光烧穿所需的入射激光功率密度q_inc也是确定的。对此，可以寻找激光照射目标导致材料烧蚀的各种因素之间的关系，给定一个类似RCS的只与目标特性本身有关的物理量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光武器射击距离和射击窗口的计算方法。

本发明的技术目的具体通过以下技术方案实现：

一种激光武器射击距离和射击窗口的确定方法，包括以下步骤：

1)根据激光武器照射时间t，目标厚度d和激光烧蚀强度γ，计算激光武器烧蚀目标靶所需入射激光功率密度q_inc＝γ·d/t；

2)目标靶表面上的光径r_s表示为r_s≈θ·R；

其中，θ为激光束发散角，R为激光的射程；

发散角θ表示为：

C为比例常数，通常取1.22，λ为激光波长，D为激光发射镜直径，β为光束质量因子；

3)激光束照射在目标靶上的总功率P为P＝ηP₀，其中P₀为光束内的功率，η为衍射效应的系数；

4)激光束照射在目标表面的功率密度表示为：

当厚度d确定时，根据最大照射时间t_max可以求出激光器对目标的射击距离

当厚度d确定时，则根据目标距离可求出激光武器的对来袭目标的射击窗口

本发明中，激光烧蚀强度(Laser Erosion Intensity，LEI)，其含义为单位照射时间下，烧蚀单位厚度所需的最低功率密度，用符号γ表示。LEI表示了目标抗激光烧蚀的能力，也即目标抗激光毁伤能力。

本发明的有益效果为：

本发明利用激光烧蚀强度，确定了烧蚀一定厚度的物质与功率密度之间的关系。对于激光武器而言，入射激光功率密度q_inc通常能够通过激光武器与目标的距离R等参数，考虑激光在大气中的传输效应计算得出，目标的材料厚度d、激光照射时间t通常根据实际情况确定。对此，可以较为有效地建立起激光武器与目标之间的相互关系。

假设某型激光器的波长为λ＝3.8μm，发射镜直径为D＝0.7m，光束质量因子为β＝0.8，光束内功率为P₀＝100kW，材料厚度为d＝5mm，衍射系数为η₁＝0.9，大气衰减系数为α＝0.2/km，则烧蚀距离R与照射时间t的关系如图1所示。

当目标距离R＝10km确定时，其余参数不变，照射时间t与大气衰减系数为α之间的关系如图2所示。

附图说明

图1烧蚀距离R与照射时间t关系图；

图2照射时间t与大气衰减系数关系图；

图3照射时间t与攻击范围关系图；

图4发射功率P与攻击范围关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由热传导方程可知，入射激光功率密度q_inc、照射时间t与烧蚀深度之间的关系通常不是线性的，因此，可以通过仿真分析和实验验证相结合的方式，给定在所研究的入射激光功率密度q_inc、照射时间t以及材料厚度d范围内，得出近似的线性关系。

对于一维平面传热情况下激光烧蚀材料的情况，其假定材料融化前后的密度基本保持不变，且材料融化后溶液一旦形成立即离开材料表面。则热平衡方程为：

(1-R)q_inct_m≥ρd_m[C(T_m-T₀)+L_m]

其中，t_m为熔融时间，d_m为熔融深度，T_m为融化温度，L_m为在熔点时刻的融化潜热。

当该热平衡方程取等号时，可以得到该入射激光功率密度、熔融时间、熔融深度之间的为线性关系。激光对于某类型靶板熔穿的情况。取靶板为2024-T3铝材，板厚l＝5mm，铝板的热物理性能参数见表1，通过近似计算可得出：当照射铝板的功率密度为q_inc＝10⁴W/cm²时，熔穿时间为t＝0.65s；当q_inc＝10⁵W/cm²时，t＝0.065s；当q_inc＝10⁶W/cm²时，t＝0.0065s。

表1 2014-T3铝材热物理性能

根据上述分析，可以得出入射激光功率密度q_inc、照射时间t与烧蚀深度d之间为近似的线性关系。则激光烧蚀强度的能力可以用如下定义给出：激光烧蚀强度(LaserErosion Intensity，LEI)，其含义为单位照射时间下，烧蚀单位厚度所需的最低功率密度，用符号γ表示。LEI表示了目标抗激光烧蚀的能力，也即目标抗激光毁伤能力。

由LEI的含义可知，γ是一个只与目标有关的物理量。对于上述2024-T3铝材，激光烧蚀强度为γ＝0.13×10³。

根据LEI的含义，结合激光器运用场景，可以得出激光器烧蚀材料的一些关键参数。以激光武器为例，参照RCS的使用方式以及雷达的最大探测距离可以定义激光武器的最远可烧穿距离R_max或烧蚀窗口t_window。其中，不同材料LEI的数据可以通过实验获得，并录入数据库，供运算时查询使用。

根据激光器的照射时间t，目标厚度d和激光烧蚀强度γ，可以得出烧蚀所需入射激光功率密度q_inc＝γ·d/t。其中功率密度可以通过距离，发射功率等求出。

目标表面上光斑的半径r_s可近似的表示为r_s≈θ·R

其中，θ为激光束发散角，R为激光的射程。

在考虑光的衍射和光束质量时，发散角θ可表示为

其中，C为比例常数，通常取1.22；γ为激光波长；D为激光发射镜直径；β为光束质量因子。

在考虑光的衍射及大气传输畸变与衰减时，照射在目标上的总功率P为

P＝η₁η₂P₀

其中，η₁为表示衍射效应的系数，通常为84％至98％之间；P₀为光束内的功率；η₂为大气衰减率。

工程上大气衰减率η₂通常表示为η₂＝(1-α)^R，其中R为激光的射程，α为激光的大气衰减系数。

因此，照射在目标表面的功率密度可以表示为

按照上式，当厚度d确定时，根据最大照射时间t_max可以求出激光器对目标的最远可烧穿距离

同理，当厚度d确定时，以激光武器作战为使用场景，则根据目标距离可求出激光武器的对来袭目标的射击窗口

假设对于外壳采用厚度为5cm的2024-T3铝材的某敌方目标或黑飞无人飞行器，我方采用波长为λ＝3.8μm，发射镜直径为D＝0.4m的激光武器进行反制；考虑大气传输畸变和衰减，取η₁＝0.7、α＝0.3。

若选用功率为P₀＝30kW的激光器，则根据我方可照射目标的最大时间t_max，根据目标材料查询材料烧蚀强度数据库，按照公式

进行计算，将其中目标衰减分别考虑衍射系数η₁＝0.7和大气传输衰减系数α＝0.3，可计算得出对于目标的攻击范围R如图3所示。同理，若我方可照射目标最大时间t_max＝1s已确定，则激光器功率P₀和对于目标的攻击范围R如图4所示。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种激光武器射击距离和射击窗口的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据激光武器照射时间t，目标厚度d和激光烧蚀强度γ，计算激光武器烧蚀目标靶所需入射激光功率密度q_inc＝γ·d/t；

2)目标靶表面上的光径r_s表示为r_s≈θ·R；

其中，θ为激光束发散角，R为激光的射程；

发散角θ表示为：

C为比例常数，通常取1.22，λ为激光波长，D为激光发射镜直径，β为光束质量因子；

3)激光束照射在目标靶上的总功率P为P＝ηP₀，其中P₀为光束内的功率，η为衍射效应的系数；

4)激光束照射在目标表面的功率密度表示为：

当厚度d确定时，根据最大照射时间t_max可以求出激光器对目标的射击距离

当厚度d确定时，则根据目标距离可求出激光武器的对来袭目标的射击窗口

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