寬波束激光引信對地目標(biāo)回波特性

諸德放，于 偉，王文強

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空彈藥系，江蘇 徐州 221000；2.解放軍93069部隊，遼寧 普蘭店 116200）

0 引言

激光探測技術(shù)通過主動發(fā)射的激光束照亮目標(biāo)進(jìn)而確定目標(biāo)的相對距離、方位、形狀等信息，廣泛應(yīng)用于空間目標(biāo)探測［1］、水下目標(biāo)探測［2］、空中目標(biāo)的預(yù)警與動態(tài)測量［3］等方面。由于激光探測的測距精度高、抗電磁干擾能力強，方位測量精度好，因而其最重要的用途是武器彈藥的激光近炸引信［4-10］。激光引信根據(jù)打擊目標(biāo)不同其發(fā)射光束有較大差別：針對空中目標(biāo)的激光引信，由于背景較為簡單、需探測的區(qū)域較大（360°環(huán)形區(qū)域），通常采用光斑為線狀的寬光束（扇形波束）［4］，這種光束的束散角不對稱，縱向束散角小于1°，橫向束散角約為20°～90°；而針對地面、水面上目標(biāo)的激光引信由于背景復(fù)雜、探測區(qū)域小，通常采用光斑為點狀的窄波束（筆形波束），這種光束在各個方向上的束散角都很小，可以等效為空間一條直線，而這種窄波束激光引信一般不是對地面上的目標(biāo)進(jìn)行探測，主要探測離地面距離從而實施定炸高近炸。對于需要探測地面上目標(biāo)的窄波束激光引信，如反輻射導(dǎo)彈激光引信，在探測距離較遠(yuǎn)時，波束間空隙較大，容易漏過重要目標(biāo)［11-12］。本文針對此問題，將寬波束激光引信掃描方法應(yīng)用于對地目標(biāo)探測。

1 寬波束激光掃描回波數(shù)學(xué)模型

寬波束激光掃描的目標(biāo)回波特性研究，其針對的目標(biāo)多為空中目標(biāo)，通常采用的方法有波束分割法和目標(biāo)面元分解法［13-14］，研究的重點在于回波功率，回波脈沖受外界影響造成的飛行時間差異等方面，從而提高測距精度。而地面上的目標(biāo)往往和背景一同出現(xiàn)在探測器視場范圍內(nèi)和波束作用距離內(nèi)。要將其從背景中區(qū)分出來，除了利用回波時間信息，回波幅度和波形信息也必須一同作為分析和判斷依據(jù)。

1.1 回波能量模型

根據(jù)文獻(xiàn)［13］，利用波束分解法將寬波束激光進(jìn)行分解，接收系統(tǒng)每一面元在時間t時刻接收到的功率為：

式（1）中，PT為發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射總功率，G（x，y，z）為接收機激光束能量在高斯曲面上的單元功率比例函數(shù)，V（t0）為發(fā)射功率脈沖在t0時間軸上的波形分布函數(shù)，fr為目標(biāo)反射率，Ar為目標(biāo)被光束照射到的面積，Ae為接收機有效通光孔徑面積，Ω 為目標(biāo)面元散射角，l為目標(biāo)到激光探測器的距離，ηt、ηr分別為發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)的透射率。

由于實際目標(biāo)的反射特性并不是鏡面反射、定向散射，也非理想的漫反射，所以上式中目標(biāo)反射率fr較為復(fù)雜，通常用雙向反射分布函數(shù)（BRDF）來表示［14］：

式（2）中第一項為鏡面反射分量，第二項為漫射分量，式中θi、φi為光線入射立體角，θr、φr為光線出射立體角，α 為微觀小平面法線方向與鏡面垂直軸的夾角，γ為微觀平面上本地坐標(biāo)系的入射角，kb、kr、b、a、c為各項待定參數(shù)。

1.2 回波波形

公式（1）表征了接收系統(tǒng)面元在時間t時刻接收到的功率，則接收系統(tǒng)在t時刻接收到的功率為：

對于寬波束激光，光源到目標(biāo)光斑及背景上各點的光程l不同，在t0時刻發(fā)出的激光脈沖，實際回波脈沖會有展寬并依據(jù)目標(biāo)形狀和背景相互關(guān)系不同發(fā)生形變。

2 典型物體的回波波形仿真

對于典型形狀的地面目標(biāo)，目標(biāo)回波與地面背景回波混合在一起，其回波波形是一種混合回波。通過前面的理論分析，采用波束分解法對光束進(jìn)行分解，采用目標(biāo)面元分解法對目標(biāo)體與地面背景的遮擋關(guān)系及光線反射情況進(jìn)行分解，最后通過對面元回波能量的積分確定回波波形。

2.1 仿真流程

計算回波波形的仿真程序流程如圖1所示。

圖1 仿真流程圖Fig.1 Simulation flow chart

首先對寬波束激光進(jìn)行分割，每條子光束可近似看作一條直線，根據(jù)光源位置和照射方向確定子光束所在直線方程及出射功率。然后，分析每條子光束所在直線方程與目標(biāo)立方體是否存在交點，若存在，求解這個交點，若不存在，求取該直線與地面的交點。接著，根據(jù)光源到交點的相對位置確定接收系統(tǒng)面元接收到的回波功率大小和時間。最后根據(jù)時間對面元接收到的功率進(jìn)行積分，就可以得到回波功率的波形。

2.2 幾種典型物體的回波特性

利用上一節(jié)介紹的方法對幾種典型形狀地面物體進(jìn)行仿真。為方便起見，以地平面為X-O-Y 平面，以目標(biāo)中心在地面的投影為坐標(biāo)原點，以垂直于地面指向天頂方向為Z 軸建立目標(biāo)坐標(biāo)系。又由于半導(dǎo)體激光器所發(fā)射的激光束子午方向與徑矢方向的束腰與發(fā)散角的比值較大（1／100～1／500）［3］，因此仿真中設(shè)激光波束束散角一個方向為20°，另一方向的束散角忽略不計。發(fā)射系統(tǒng)光束能量近似均勻分布，因此在仿真中設(shè)能量沿寬波束扇形角度均勻分布。

2.2.1 長方體的回波特性

假設(shè)一長方體目標(biāo)，高度5m，寬度5m，長度10 m，激光束平面前傾角30°，光束中心線與OY 軸正方向平行線夾角0°，光源點相對坐標(biāo)（4，-11，20），光源與長方體的相對位置關(guān)系如圖2所示。回波功率波形如圖3所示，出現(xiàn)了兩個尖峰，分別是目標(biāo)回波和地面回波的功率集中時。根據(jù)兩個尖峰的所對應(yīng)的時間，可以確定激光源距目標(biāo)和地面的距離。

2.2.2 圓錐體的回波特性

假設(shè)一圓錐體目標(biāo)，底面半徑5m，高度10m，激光束平面前傾角30°，光束中心線與OY 軸正方向平行線夾角0°，光源點相對坐標(biāo)（3，-10，20），光源與圓錐體的相對位置關(guān)系如圖4所示。回波功率如圖5所示，由于光束落在地面上的部分相對較小，所以此時回波雖然出現(xiàn)兩個尖峰，但是反映光源距地面距離的那個尖峰峰值較小。

2.2.3 半球體的回波特性

假設(shè)一半球體目標(biāo)，球心位于地面原點，半徑5m，激光束平面前傾角30°，光束中心線與OY 軸正方向平行線夾角0°，光源點相對坐標(biāo)（5，-10，20），光源與半球體的相對位置關(guān)系如圖6所示。回波功率如圖7所示，由于光束落在地面上的部分相對較大，且球體的高度變化較圓錐體和正方體較為平緩，所以此時回波雖然出現(xiàn)兩個尖峰，但是反映光源距地面距離的那個尖峰峰值較大。

圖2 寬波束激光照射長方體目標(biāo)示意圖Fig.2 Cuboid target illuminated by wide-beam laser

圖3 長方體目標(biāo)回波功率波形Fig.3 Echo power waveform of cuboid target

圖4 寬波束激光照射圓錐體目標(biāo)示意圖Fig.4 Cone targets illuminated by wide-beam laser

圖5 圓錐體目標(biāo)回波功率波形Fig.5 Echo power waveform of cone target

圖6 寬波束激光照射半球體目標(biāo)示意圖Fig.6 Hemisphere target illuminated by wide-beam laser

圖7 圓錐體目標(biāo)回波功率波形Fig.7 Echo power waveform of hemisphere target

3 結(jié)論

本文提出了用寬波束激光引信對地面目標(biāo)進(jìn)行探測、解決窄波束激光引信漏探問題的思想。通過波束分解和面元分解法對寬波束激光引信對地掃描的回波波形進(jìn)行了理論分析和仿真實驗。從仿真實驗可以看出：1）若寬波束激光只有部分照射到目標(biāo)后，其回波會出現(xiàn)兩個尖峰，峰值時間分別與目標(biāo)距離和地面距離成正比；2）尖峰峰值與激光源與目標(biāo)的相對位置、激光源的照射方向、束散角度以及目標(biāo)的形狀及尺寸都有關(guān)，進(jìn)一步的研究可以確定回波波形與目標(biāo)的具體關(guān)系。由于根據(jù)回波波形可大致確定目標(biāo)的高度和寬度，因而對于高制導(dǎo)精度彈藥上的寬波束激光引信，在一定作用范圍內(nèi)，可適用于對地面上凸起目標(biāo)的探測和識別。

［1］黃濤，胡惠靈，胡以華，等.空間目標(biāo)識別中的激光探測技術(shù)［J］.激光與紅外，2010，40（7）：685-689.

［2］張曉琳，唐文彥，馬強.激光空中探測水下目標(biāo)的新方法研究［J］.激光與紅外，2009，39（8）：817-820.

［3］顧斌.周視激光動態(tài)探測系統(tǒng)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2010.

［4］曹安力.周視激光近炸引信典型目標(biāo)激光散射特性研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2004.

［5］崔占忠，宋世和，徐立新.激光近炸引信［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

［6］沈娜，張祥金，郭婧.水霧對激光引信的衰減［J］.光學(xué)精密工程，2013，21（4）：864-869.

［7］王金花 姚宏寶.脈沖半導(dǎo)體激光器在激光近炸引信應(yīng)用中應(yīng)注意的問題［J］.紅外與激光工程，2012，41（12）：3269-3272.

［8］王國星，馬沖，魏志芳.激光引信岀射激光束發(fā)散角的測量［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2012，32（5）：204-206.

［9］張京國，高寵，劉建新，等.近距云霧回波蒙特卡羅模擬與實驗測 量［J］.強 激 光 與 粒 子 束，2012，24（12）：2920-2924.

［10］張躍，王雨時.半主動式激光近炸引信目標(biāo)探測體制研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2008，28（6）：109-112，134.

［11］諸德放，李友，胡克旭.戰(zhàn)術(shù)空地導(dǎo)彈激光引信目標(biāo)識別方法研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2006，26（4）：326-334.

［12］王廣生.激光引信抗超低空地雜波干擾技術(shù)研究［J］.探測與控制學(xué)報，2004，26（1）：13-17.

［13］張輝，王涌天.激光目標(biāo)探測裝置的回波特性及目標(biāo)識別技術(shù)研究［J］.光子學(xué)報，2005，34（1）：22-24.

［14］楊玉峰，吳振森，曹運華.一種實用型粗糙面六參數(shù)雙向反射分布函數(shù)模型［J］.光學(xué)學(xué)報，2012，32（2）：1-6.