高能激光系统的建模-中文翻译

1高能激光系统的建模摘要因为高能激光系统的开始，模拟已用于预测性能，做参数行业，并协助排除故障。如今，模拟受益于更高的速度与计算机的内存，但他们也被要求做更多。新型 HEL 设备都被提出，更多的硬件细节正在注册成立，光束控制系统正变得越来越复杂，创新性的新系统正在设计工作强湍流条件下，多类型的目标正在考虑。有三种类型的物理级代码：谐振器，光束控制，和杀伤力。这三种方法都运行缓慢，需要较高的专业水平，以使用。标度律代码更容易使用和更快的运行。这些代码是基于分析预测并固定在波动光学仿真和实验。标度律码可以快速地预测性能，重量和体积的各种情况和条件。现在，HEL 系统更接近现实，还有更多在将缩放法典接合代码，这在预测整体系统效能的兴趣战斗的情况。关键词：HEL ，模拟，大气湍流，自适应光学，标度律21.引言高能激光器（HEL ）的武器系统已开发约 30 年。HEL 方案包括舰载（SEALITE） ，地面空间（ GBL） ，基础（SBL）的空间，空对空（ABL） ，战术空中依据 （ ATL）和基础（MTHEL）地面。在这个十年结束时，这三个系统（ABL，ATL ，MTHEL ）应该是在该字段中。只要有过 HEL 武器计划，先后有系统的模拟和模型。它不是一个实际的系统，甚至是黄铜板上实验更便宜和更容易地建立一个模拟。在大多数情况下，模拟和模型已经预测性能的唯一来源。随着系统变得更接近现实中，模型已经变得更加重要。HEL 码可以大致分为三层。在最底层是物理和工程代码试图基于第一性原理预测性能。这些也被称为光学波，时域编码。在下一级是标度律或系统工程码。这些基于扩展提供更快的预言法律或经验配合来模拟或实验结果。定标法码往往形成第三层的基础上，订婚码。订婚代码用于预测在战斗系统的有效性。信息流上下两层两个。较低级别的代码是用来验证或提供经验结果为上层代码。上层码提供的要求和基本参数为下平码。物理代码可以被分成三个主要区域。HEL 设备代码预测激光谐振腔的功率和光束质量。波束控制码预测如何以及 HEL 可以稳定且集中在靶 瞄准点。杀伤力码预测激光器如何将互动和破坏的目标。这些区域通常在第二层（系统代码）组合成单一的代码，但它尚未完成在最低层。物理/工程代码试图模型的基础上第一原理复杂的相互作用。它们可以预测如谐振器输出的相位和强度分布，目标照度的档案和目标温度响应演化详细的系统性能特征。他们可以预测许多其他信息，如谐振器的温度变化，变形反射镜（DM ）的致动器命令，波前传感器（WFS）像素输出，和目标特征的变化，3由于 HEL 加热。这些代码与理论，实验，以及其他代码比较验证。与这些代码的主要问题在于，它们运行得非常慢（小时或天数）和非常难以使用。在大多数情况下你需要一个博士学位在现场和两年的经验，产生可靠的结果。这些代码通常用于详细的系统设计，性能预测，行业参数和故障排除。标度律代码在几分钟或几秒钟运行。它们不会产生一个电影中的目标的 2-D 的辐照剖面，但它们通常是可以预测的平均强度，光束宽度和波束抖动。它们还通常可以产生一个通过子系统的性能贡献击穿。他们通过实验和由较低层次的代码进行验证。因为它们不包括的下位编码它们不准确，并且所有的细节和相互作用 通常在有效的贸易空间有限的体积。这些代码通常由系统工程师可以快速 性能，并提供输入到更高的层次代码估计。除了向上流动性能 预测，它们可以通过使用流下来的子系统和组件的要求。一些也被用来预测成本，体积，重量，可维护性和可靠性。订婚码有开始预测的时间在一对单，单点杀的概率层次。更全面的代码包括多个武器系统攻击多个目标（M 对 N）订婚 在延长的时间线。在更高的层面上，这些代码包括其他武器系统，传感器和指挥，控制，通信和情报（C 3 I） 。在最高层次，HEL 武器系统已被列入 上几周的时间尺度运作和戏剧代码由将军没有高等学位的光学系统中运行。这些代码被纳入训练师将利用他们在战斗中的作战人员。也有许多其他类型的代码，提供输入到 HEL 代码。这些措施包括预测大气的特点（湍流，风，吸收，散射，降水） ，机械抖动代码， 校正系统的控制算法，火力控制，气动光学边界层，场景生成，光学设计，并 参与力度。在少数情况下，这些都在 HEL 码注册成立，通常他们是脱机运行和 提供输入到 HEL代码。该的 HEL 编码的复杂性已经在过去几十年增长超过一个数量级。原来和当前的代码之间最大的区别是在电脑的功能。今天，一个典型牌号校学生先后获得更强的计算能力比 30 年前的科学家。最重要的增大 已经在电脑速度和内存。在计算机编程语言的进步，输入/输出，连接 和算法也很重要。特别重要的波光学代码已经快速傅立叶 变换（FFT）算法。原来的物理模拟，有时需要数天到当时的计算机上运行。今天的模拟，也4经常需要数天才能运行。随着计算机性能的提高，更多的已经被问了波 光学代码。早期的代码经常被忽视的衍射，最现实世界的工程效果。一个典型的模拟 运行将包括只有几个迭代。今天模拟运行可能包括成千上万的时间步长，每个都需要 的幅度更多的时间订单。且运行将被重复多次与各种参数的修改。 多年来，通过模拟器进行更多的计算能力的叫嚣并没有减少。随着系统变得更接近现实，更保真度要求的代码。近似值，其是令人满意的仿真，将不会为 20 年测试的系统的不理想的系统中当前 操作。一方面，更多的信息可以从硬件特性。作为硬件是 在实验室中进行测试，其测量的特性和怪异必须包括在模拟中。这是特点 即使没有想象几年前是不知道对系统性能产生重大影响。这意味着，一个好的 今日仿真需要从人民构建和测试硬件更多的努力。代码的复杂性也在增加，由于在各个领域增加的选项。有许多新的类型的HEL 设备，传感器，自适应光学算法和目标类型。随着硬件功能的增加，任务要求也日益提高。这包括具有较强的闪烁和热晕更快的杀死在较长的范围 和较低的信号电平。更严重的环境通常需要更复杂和更慢的物理代码。通常有没有简单的标度律的这些条件，所以经验规律，必须从模拟或衍生实验。今天也有兴趣极高的强度，短脉冲激光器。这些诱导的光学系统中，大气中，并且是不相关的年龄较大的激光器具有较低的峰强度在目标中的非线性效应。本文第 2 节讨论了物理和工程代码。第 3 节讨论了标度律法规和第 4 节简要讨论了参与代码。在每个部分的基本特性进行了讨论和例子 常用的代码中给出。尽管代码是类似的，也有能力在许多差异， 有效性和算法。一般情况下，全部代码都将拥有所有相应章节中所讨论的能力。52.物理学和工程学码基于物理，光学，化学，工程的基本原理物理学和工程学码预测性能。其中大多数是时域仿真系统的进化建模为时间的函数。这通常包括温度变化和取得的光束控制的谐振器介质的变化，控制面 码和热和杀伤力代码发生重大变化。谐振器和波束控制码通常包括波前的传播。该传播通常包括基于菲涅耳近似标量衍射。有时，一个更快的相位求和算法是 足够。在镜头的设计规范所采用的射线追踪算法通常不适用。工程的详细程度有很大不同个体之间的代码，并且即使在模拟运行了一个特定的代码。一个仿真可以包括用于 DM 的每个致动器单独的频率响应，而另一只是假设执行器立即去到指令位置。更简单的近似可以用来因为代码的能力，因为驱动器的频率信息不可用，或者是因为它具有 对性能影响不大。对于更高级的代码，仿真逼真度的最大的限制是 表征的硬件。如果硬件被很好地表征，算法通常可以加入到一个模拟到 准确地模拟它。当然的，但它需要花费时间和金钱来添加该算法，并在修改后的代码可能需要 显著更长的时间来运行。本来，这些代码几乎都是用 Fortran 编写。许多代码仍然在 FORTRAN，但都被更新为使用 FORTRAN 语言的新功能，如动态内存分配和结构。许多的 较新的代码都是用 C 或 C + +。 FORTRAN 语言往往是更有效的，但是 C 和 C + +更有利于 面向对象的设计和模块化。今天的许多代码被全部或部分地写在MATLAB 中，其中有 广泛的数学例程，非常快的矩阵运算，控制及其他工具箱库和优点 图形输出。MATLAB 的主要限制是许可证的成本和速度慢的非矩6阵 迭代计算。对于 FORTRAN，C 和 C+ +编写代码的人通常可以产生一个可执行文件，可以使用由别人未经编译的许可证。今天，大多数代码都可以在台式个人计算机（PC）上运行，并可以很容易地移植到其他系统。在移植代码的主要限制是由于显卡，这往往是机器和编译器特定的。运用 MATLAB 或 JAVA 的图形绕过这个问题。在很多情况下，代码存储输出的文件，可 由其他程序读取产生的图形输出。为了使 DM 和转向镜来校正大气效应，必须有一个信标是提供一种波前传感器，将样品的气氛。在该图中，离轴照明器传播通过 气氛照亮目标的一角。光从其中目标的尖端为传播，使在一个时间 Z / C 前后它到达主。此光被转向反射镜和 DM 校正，然后由定向 分光器的传感器。倾斜是由跟踪器，它形成信标图像上的二维探测器平面内测量， 然后使用一种算法来确定从它的期望位置的图像的偏移量。从跟踪误差信号 处理器进到一个数字滤波器/ 积分器产生的指令信号，用于转向镜。一些 光信标也去了沙克哈特曼世界粮食首脑会议。波阵面被分成由小透镜的二维阵列，每个 它产生一个检测器平面上的点。每个点的位置被估计的 WFS 处理器和用于 估计与相应的微透镜的区域中的波前的斜率。山坡被传递到波前 重构其拆线的斜坡在一起，产生波前的二维相位的估计值（实际上它 产生 DM 致动器的估计命令需要修正该波阵面） 。这些驱动器错误 信号被传递给一个数字滤波器/积分以产生致动器的 DM 命令。该致动器命令去 的在其上应用该相位由 WFS 测得的共轭对 DM 的背面致动器的二维阵列。此预失真抵消由于大气和 beamtrain 的像差，以产生衍射限制的辐射在目标。第一代码计算新的视线相对于相位屏偏移。在大多数码这只是涉及到相位屏的位置移动，由于风，平台和目标的运动。在一个更先进的模型，视线是基于平台和目标的三维位置的更新。范围，传输，纵横角度和相位屏的强度可能会被更新。接着，将波阵面产生并通过 beamtrain 和气氛到目标传播。波阵面生成可能是一个简单的高斯或顶帽，或者它可能涉及从一个谐振器中的相位和振幅读取 代码，可能是新的相位和幅度每一个时间步。通过 beamtrain 传播可能涉及应用的孔径，象差，矫正面等和波传播从一个7组件到下一个。在某些情况下，可能存在的不同的时间偏移 在相同的时间迭代过程中传播的波阵面通过。例如，如果在生成所述照射 beamtrain，在 DM 它表面上看到的出路将是从 DM 表面看到的光的不同反射从 在回来的路上目标。也可能有传出传感器，例如光束的步行传感器或一个 WFS 清理的 谐振器的输出。在光穿过 beamtrain 它必须传播通过大气。这通常涉及到传播到那里的相位畸变，由于湍流应用了相位屏。对于 HEL，相位由于 热晕是基于光的气氛和加热的效果吸收量更新密度和空气的折射率。之后 HEL 获取到远场，有频繁一个诊断程序来测量的基础上，HEL 辐射模式的系统性能。在某些情况下波阵面生成和传播到目标的过程 可以重复进行。这可能是由于多种波长（例如 DF 激光） ，多个横模，或什至多个互不相干的激光器。上述输出和返回循环可重复几次。在某些情况下有可能是一个外向的HEL，照明及交回跟踪，另有照明，并返回世界粮食首脑会议。对于一个简单的天文系统中，有可能是一个单点源向下传播，既在 WFS 和跟踪信标和测量到 计算系统的性能。通过大气传播通常包括衍射，大气湍流，如果相关热晕效应。由于吸收和散射损失也可能是重要的。的至关重要的 得到不同的波阵面之间的正确偏移量。通过采取 HEL 气氛的路径， 照明灯，和信标通常是由于航班延误，不同aimpoints 时间不同。对于波前 不同的波长，由于色散相对弯曲也可以是显著。信标建模可以很简单，比如传播回从一个中继点源或束。对于一些传感器，光源是一个传出的 HEL 或其它波前。在一般情况下，一个信标模式涉及计算 辐照模式，它通过双向反射分布函数（BRDF）相乘，并产生 在适当的检测器平面上所产生的辐射亮度的图像。该照明可以是均匀的，一个理想的形状， 或通过传播所述照射器从系统到目标生成的。在大多数情况下，照明将是从大约相同的方向上的系统，以便在 BRDF 可以通过反向散射反射率代替。对于漫反射（朗伯）的反射的散射反射率等于 反射率乘以入射角的余弦值和由 （以获得逆球面度单位）的划分。 镜面反射率8更强烈地达到高峰，正常的反射角度和迅速下降的角度 发生偏离垂直。反向散射反射率分布可以从简单的或复杂的生成 二维或三维模型，或者它可以由更复杂的模型和2D 地图来生成可以被读取。对于地面 场景中，背景发生器也是重要的。传统上，非相干成像是通过计算点扩散函数（PSF）和与场景的傅里叶变换进行卷积它建模。涤纶短纤通常是通过计算开始点的波阵面在目标和它传播到检测器平面上。对于沙克 - 哈特曼世界粮食首脑会议，为每个小透镜产生的PSF。该问题这种方法是，它假设 PSF 是相同的在场景中的所有点。对于通过成像强湍流，这是很少如此。在其上的 PSF 保持不变的距离被称为等晕贴片尺寸，0，并且是经常出现的场景的大小的一小部分。多 PSF 算法生成的二维数组点源，产生一个 PSF 每个，并与现场四射的对应的块卷积每个。这算法由一个事实，即，可能需要几百个点扩展函数的限制。对于强湍流，图像会过度扭曲，因为位移为由于大气倾斜相邻的 PSF 可以比大的点的图像的分离。该算法的另一限制是它不能被用于干涉测量传感器。今日波动光学码通常被称为散斑成像的替代算法。对于该算法中，一个波前在现场通过使用场景辐射率的平方根作为振幅，并增加了产生完全随机的阶段。在波阵面均匀分布的随机相位- 和 之间的每个格点被产生。这波阵面，然后回传穿过大气层并 beamtrain 到探测器平面上，它产生的散斑图案。如果照明是暂时相干，得到的图像是什么，你会希望看（在统计意义上的预期。 ）为了模拟非相干照明，该过程重复数次，用每一次不同的随机相位模式。这个做无限长的时间数（以良好的随机数后，生成器） ，你会产生一个良好的语无伦次的形象。在实践中，需要的散斑图案的数目通常是不是无穷大少。对于强大的传感器，如质心跟踪或沙克 - 哈特曼世界粮食首脑会议，4去斑变卖可能是不够的。欲了解更多敏感的传感器，如相关跟踪器或干涉世界粮食首脑会议，20变卖不得是不够的。该算法可以作为部分相干成像的精确模型（这是一个真正的多现实模型激光照排机）给予关怀和一些初步的分析。利用散斑成像算法要小心，因为它可以改变网格间距非常敏感。要记住的重要一点是，每个网格点辐射到一个近似方形立体角的 具有等于波长的网格间距划分的宽度。如果该角宽度倍的乘积的 传输距离过大，你得到走样。如果是9太小了，你不会填满回收孔，导致 在辐射测量错误和切趾。无论使用哪种 PSF 或斑点成像，精确的辐射测量是可能的。这已经通过比较由两种技术互相及与理论计算所产生的信号进行验证。一个传感器的由传播波前向传感器输入的模型。要萨克哈特曼 WFS，波阵面可分成的每个小透镜的波前分离和单独的检测器平面上传播， 或小透镜相可以应用于波前，它们可以统称传播到检测器平面上。在 检测器平面上的辐照度是通过将实部和虚部的平方来计算。对于 PSF 成像，这将随后进行卷积现场光芒。产生的辐照后，它被集成在该区域 像素和缩放，以获得在光电子每像素每帧的平均流量。这可以被重复数 专业服务公司和/或斑点实现。在某些情况下，可能有多个 WFSs 和/或多个的 DM。该 WFSs 通常看着不同的信标和 DMS 通常成像以沿光轴的距离不同。通过使用多个的 DM 它是 可以校正相位和强度和/或实现的校正过的更广阔的视野。当使用 多的 DM，经常有稳定问题的模式草案进行交互。防御问题的第一道防线就是看代码输出，并确定它是否有道理。而就在看摘要，如平均 Strehl 比可能是不够的。多种输出应该是 检查，包括镜命令和传感器输出。这也是非常有帮助的看着地块相和 波前在不同的点，都在理想条件下（紊流，开花，和其它像差的振幅 关闭）和非理想条件下。103.标度律码标度律规范提供的性能比物理代码快得多估计。他们通常还 结合物理模型的三个子类来生成性能的一个终端到终端的预测。标度律 码一般分为两个子类：单点设计和系统工程。单设计点编码预测的性能在参与空间，例如单点一个特定的范围， 仰角，功率电平，等他们的主要目的是提供投入到更高级别的代码和生产地块 系统性能的各种参数的函数。系统工程代码主要是设计的辅助工具。他们经常很详细，可以包括 贡献下降到组件级。它们被用来评价变化的系统规格如何流动到 整个系统的性能，也可用于向下流动的子系统和元件的规格。除了预测性能，某些比例定律码被用来预测系统的特性，例如 如重量，体积，成本，物流需求等。单一设计点定标法编码的基本思想是：以降低输入参数的数量，同时 保持忠诚的最高水平，并使其执行尽可能快。平衡模拟逼真度和 输入参数的数量是在标度律方法的症结所在。这是用来描述一个在多个输入 模拟，更保真度是11模拟具有与作为一个结果，不再需要执行。减少 输入的数量减少了保真度，并减少所需的运行时。这就是为什么明确说明有多少输入 参数适合于任何一个基于物理学的代码或标度律的代码是如此的困难。缩放法典确实有一些优势的基于物理学的代码。最明显的和有说服力的参数使用标度律编码的事实是，标度律代码快速运行。标度律代码可以生成结果很快; 通常在几秒钟内，而基于物理的代码通常需要数天或数周才能产生结果。定标法的代码的另一个优点是减少了输入参数的甲板。更少的输入参数转换成更简单的模拟场景设置。因此，有人用仿真适度知识应该有最小的麻烦设立一个适当的模拟和信心，输入模拟情景正常。他们的基于物理学的同行都非常详细的输入参数，可能需要一个普通用户，具有中等知识的基础上，一个相对长的时间来设置。一个场景已经即使设置，调试阶段通常是适当的，以验证该方案已成功为蓝本。其结果是，用于缩放法码的用户群比对的基于物理学的代码更高。一般来说，只有在模拟的丰富知识专家资格设置和运行一个基于物理的代码。标度律编码减轻这一负担。专业知识的金额有效地运行所需的缩放法码，直接关系到仿真保真度的上述平衡和输入参数减少。总的来说，标度律规范要求模拟的只有中等的知识。定标法码的缺点是成反比的优点。也就是说，由于 用来描述一个模拟输入参数的数量减少，因此没有保真度。作为一个结果，缩放法 代码不应该被使用时的模拟解决方案耐受性是非常低的。标度律规范各级存在。例如，HELASS 是一个标度律的代码来近似重量 和 DF 和 COIL 激光器体积，SABL 是一个定位和消防控制模型，并HELCOMES 是一个比例法码 为传播。对于本文的目的，讨论将集中在传播标度律法规。标度律法规和波光学代码之间的关系是密切的。标度律规范使用 理论公式只要有可能。但有时是必要的，以适应数据，实验数据或低级别的波 光学代码。数据的这种拟合产生“标度律” 。这些标度律，然后用于快速生成 性能估计。典型的例子包括参数行业和敏感性分析。不过，标度律 代码还可以用来设置子系统和组件的要求。12波动光学定标法码的方法是相当简单的。一个 HEL 光束被传播到 远场，其中它是由一个高斯近似，对称或椭圆形。这种幅度和宽度 功能是基于各种因素，包括衍射，热晕，抖动衰减等指标，如 斯特列尔峰值，峰值照度，功率在一个桶里，杀戮和概率，计算评估系统 性能。计算远场高斯的幅度和宽度可以是困难的，特别是当理论 公式不存在，或当不符合公式的假设。在这些情况下，从经验数据或结果 一个波光学代码的使用。例如，热晕关联的光束传播已经衍生为一个 向上传播，准直，HEL。但是，如果光束是聚焦的，向下传播的，已知的公式是 不再有效，从比例法典的结果不会与波光学代码相媲美。在这种 情况下，数据将被收集集中，向下传播 HEL的。大概是从波动光学的结果。已知 公式会再进行修改，以生成包含新聘用的公式。标度律编码躺在上面物理为基础的代码，但下面的建模任务代码和代码运动 与模拟的金字塔。这样做的原因是，该仿真的中等知识是必要的，以获得 有意义的答案。然而，标度律代码可以用来提供输入码较高的金字塔。为了 要做到这一点，多输入还原是必要的，从而增加了用户群和保真度降低得更远。134.参与代码虽然标度律规范要求的模拟温和所知，投入程度减少代码的输入数量甚至进一步使这些代码可以通过与人相关的很少或根本没有的知识运行 模拟。订婚代码已被细分为使命码和运动代码。每个将得到解决下面。4.1 任务代码任务代码是专为用户谁只关心任务效能仿真的有限的知识。例如，有多少导弹可以 ABL 在 30 秒内击落？有多少 MTHELs 没有考虑到对洲际弹道导弹的齐射辩护？强调更多的是对任务的成功，而不是系统 性能，与标度法码。任务代码还包括战场管理算法，必须 考虑到目标优先级，梁摆率等任务代码一般由结果，在查找表的形式，从各个缩放法码。在同级别的操作人员的培训代码。这些必须具有接口尽可能相似，以将存在于实际系统的控制。他们不能要求先进的物理或工程知识来使用，例如一 高中生不需要学位汽14车工程使用的驾驶模拟器。这些代码呈现 用户使用情景的典型的东西将在现场遇到，让他做出反应，包括射击的决定，瞄准点 选择等，然后通过评估武器系统效能提供反馈。为这些模拟中，输入过程中的一个关键部分是生成规格为典型的承诺;范围，目标，仰角等数。4.2 运动代码在最高级别的活动代码，其中包括 HEL 系统与常规部队。这些可以是 在战斗中，剧院，或运动水平。他们的目的是展示高层次人才的这些新系统如何能 有效地使用。它们可以包括物流，人员配备，可靠性，可维护性以及指挥，控制， 通信和情报方面的考虑。