Laser weapon systems utilizing high-energy lasers (HELs) are emerging as an effective way to counter enemy threats. For high-energy lasers exceeding tens of kilowatt (kW) power, the propagation of laser beam over atmospheric channel is mainly affected by atmospheric turbulence and thermal blooming. These phenomena degrade the performance of the HELs at the target.
Computer simulation is a powerful and effective tool for investigating the beam propagation over various atmospheric conditions. Laser beam propagation through atmospheric channel can be formulated by a stochastic wave equation. This equation can be solved by the split-step method through computer simulation. In this method, the spatial variations of refractive index caused by atmospheric turbulence and thermal blooming are realized by phase screens, while the laser beam propagates through free space between the screens. Due to the randomness of atmospheric channel, the beam propagation through the atmosphere fluctuates over time. Thus, it is essential to obtain statistical properties of the laser beam in order to analyze the performance of the laser weapon system accurately. In this thesis, I determine the number of phase screens required for evaluate the laser beam propagation through atmospheric channel accurately and quickly by computer simulation. By providing a guideline for the number of phase screens required in simulation, I can reduce the simulation time considerably required for obtaining statistical characteristics of laser beam propagation.
In the thesis, I first present the equations governing the atmospheric turbulence and thermal blooming. Then, I introduce how to generate phase screens representing the two phenomena. Next, I derive the number of phase screens required for the simulation of beam propagation affected by atmospheric turbulence and thermal blooming. I realize that the majority of simulation time is spent on the generation of phase screens and executing the split-step beam propagation. To reduce the simulation time, thus, I present a guideline for the number of phase screens required to simulate the effects of atmospheric turbulence and thermal blooming accurately. For this purpose, I evaluate the accuracy of our guideline by comparing the power in the bucket and on-axis scintillation index after beam propagation with the simulation results obtained by using a large number of phase screens (i.e., 150 screens). The results of the proposed guideline fit well with the results obtained by using a large number of phase screens. I show that our guideline can be applied to less-than-500-kW HELs over a wide range of atmospheric turbulence conditions.
최근 고출력 레이저(high-energy laser: HEL) 무기가 적의 위협에 대응하기 위한 효과적인 수단으로 각광받고 있다. 레이저 무기에 사용되는 수십 킬로 와트(kW) 출력을 초과하는 고출력 레이저 빔은 대기를 통해 전파되면서 주로 대기 난류와 열적 블루밍의 영향을 받는다. 이러한 현상들은 표적에서 레이저 무기의 조준 성능을 저하시키는 주된 요인들이다.
컴퓨터 시뮬레이션은 다양한 대기 조건에서 레이저 빔 전파를 분석하기 위한 강력하고 효과적인 도구이다. 레이저의 대기 전파는 확률론적 파동 방정식으로 기술된다. 이는 통상 컴퓨터 시뮬레이션에서 split step 방법을 통해 계산된다. 이 방법에서 대기 난류에 의한 공간적인 굴절률 변화는 전파 거리에 특정 거리마다 위치한 위상판으로 표현되며, 위상판 사이는 자유 공간 전파로 표현된다. 위상판은 시뮬레이션에서 대기 난류와 열적 블루밍에 의해 발생하는 빛의 위상 변화를 공간적으로 표현한 얇은 판이다. 대기의 난류 특성은 유사한 난류 세기라고 하더라도 대기 채널의 무작위 특성으로 인하여 시변하는 특성이 있다. 따라서 레이저 무기의 성능을 정확하게 분석하기 위해서는 레이저 빔이 대기를 전파하는 특성을 통계학적으로 도출할 필요가 있다. 본 연구에서는 레이저의 대기 전파를 컴퓨터 시뮬레이션으로 정확하고 신속하게 분석하기 위하여 필요한 위상판 개수를 분석한다. 시뮬레이션에 필요한 위상판 개수에 대한 가이드라인을 제시함으로써 통계학적 데이터 추출에 필요한 시간을 크게 감소시킬 수 있다.
본 논문에서는 먼저 대기 난류와 열적 블루밍을 기술하는 방정식을 설명한다. 다음으로 이 두 효과를 컴퓨터 시뮬레이션으로 기술하기 위한 위상판 생성 방법을 소개한다. 다음으로 대기 난류와 열적 블루밍의 영향을 받는 빔 전파 시뮬레이션에 필요한 위상판의 개수를 도출한다. 시뮬레이션에서 시간의 대부분은 위상판을 생성하고 자유 공간 빔 전파를 구현하는 데 소요된다. 따라서 시뮬레이션 시간을 줄이기 위해 대기 난류와 열적 블루밍의 효과를 정확하게 모사하는 데 필요한 위상판 개수를 구하는 가이드라인을 제시한다. 이를 위하여 빔 전파 후 목표 거리에서 조준원 안의 에너지의 양(power in the bucket)과 거리 별 전파 경로 축 상 신틸레이션 지수 (scintillation index)를 많은 수의 위상판(예: 150개 스크린)을 사용하여 얻은 시뮬레이션 결과와 비교하여 가이드라인의 정확성을 평가하였다. 본 연구에서 제시한 가이드라인은 광범위한 대기 난류 조건에서 500 kW 미만의 고출력 레이저 시뮬레이션에 적용 가능하다는 것을 확인하였다.
